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城市生活污泥干化方法研究 摘要 随着我国污水处理率的逐年提高，污水处理过程中产生的城市生活污泥量 日益增加，污水污染问题引发了污泥污染问题。为避免二次污染并有效利用城 市生活污泥中的有效成分，污泥处理己经成为全世界关心的问题。目前城市生 活污泥处理方式主要有填埋、焚烧、堆肥等。但无论何种方法都必须经过干化 这一环节，如何经济、高效地干化城市生活污泥己成为污泥处理的重要课题。 论文以研究高效、经济的城市生活污泥干化工艺为目标；利用烘箱加热系 统对影响城市生活污泥干化效能的因素进行了研究，探讨了污泥干化的机理： 并对干化系统的耗能进行了计算；此外，利用自制的太阳能干化装置对城市生 活污泥的太阳能干化影响因素进行了研究，并在此基础上对装置进行了一系列 的改进，设计出更合理的污泥太阳能干化装置，并对相关运行参数和干化成本 进行了计算。研究得出以下主要结论： ( 1 ) 污泥烘箱干化过程中，干化速率可分为三个阶段：加速阶段、恒速阶 段和降速阶段，其中恒逮阶段占整个干化时间的5 0 以上，加速阶段仅占了 1 5 ，污泥含水率的去除主要集中在恒速阶段。 ( 2 ) 污泥烘箱干化过程中，当干化温度相同时，污泥的厚度越薄、干化速 率越快，泥饼厚度为1 o c m 时，干化效果最佳；泥团的直径越小，干化速率越 快，泥团直径为1 o c m 时，干化效果最好。当干化温度不同时，得出直径为1 o c m 的泥团在1 2 0 时，最经济，干化效果最好。 ( 3 ) 污泥的太阳能干化实验中， 温度越高，湿度越低，干化效率越高，以 厚度为2 。o c m 的泥饼为例，在夏季( 太阳辐射照度为1 4 。8 千卡平方厘米) 和冬季 ( 太阳辐射照度为7 5 千卡平方厘米) 的干化速率最大值分别为4 5 9 h 和6 9 h ， 夏季干化速率明显高于冬季，达到相同干化效果( 含水率6 0 ) 所需时间分别为 1 2 天和7 2 天。 ( 4 ) 利用烘箱和太阳能热尾气联合干化装置进行污泥干化，达到相同干 化效果( 含水率6 0 ) 所需成本分别为18 7 5 元吨，2 4 元吨，污泥的太阳能一热 尾气联合干化较烘箱干化有明显的成本优势。 上述研究结果将对城市生活污泥热干化以及太阳能干化的的工程实践提供 科学依据，具有一定的指导意义。 关键词：城市生活污泥；干化；太阳能 s t u d y o nt h ed r y i n gm e t h o d so fm u n i c i p a ls l u d g e a b s t r a c t a st h er a t i oo fs e w a g ew a t e rt r e a t m e n ti no u rc o u n t r yi n c r e a s e sy e a ra f t e ry e a r ， m u n i c i p a ls l u d g ev o l u m eb r o u g h tb yt h es e w a g et r e a t m e n tp r o c e s sg r o w sl a r g e r ， t h u ss e w a g ep o l l u t i o nr e s u l t si nt h ef o r m a t i o no fs l u d g ep o l l u t i o n s l u d g et r e a t m e n t a n dd i s p o s a lh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a s k sf o re n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n i no r d e rt op r e v e n tc o n s e q u e n tp o l l u t i o na n dm a k ee f f e c t i v eu s eo f m u n i c i p a ls l u d g e t h e r ea r et h r e es l u d g ed i s p o s a lm e t h o d sc u r r e n t l yu s e d ，w h i c hi s r e c y c l i n gi na g r i c u l t u r e ，l a n df i l l i n ga n di n c i n e r a t i o n e a c ho ft h e mn e e d st h e d r y i n gt e c h n o l o g y h o wt od r yt h em u n i c i p a ls l u d g ee c o n o m i c a l l ya n de f f i c i e n t l y h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i ci nt h es c i e n c ef i e l d t h ep a p e rm a i n l yt a r g e t sa ti n v e s t i g a t i n gm u n i c i p a ls l u d g ed r y i n gt e c h n o l o g y w h i c hw a se f f i c i e n t ，e c o n o m i c a l u s i n gt h ed r y i n gb o xh e a t i n gs y s t e ms t u d i e so n t h ef a c t o r si n f l u e n c e do v e rt h ed r y i n ge f f i c i e n c yo fm u n i c i p a ls l u d g ed r y i n g ， e x p l o r e st h em e c h a n i s mo fs l u d g ed r y i n g ，a n dc a l c u l a t e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o n o f t h es l u d g ed r y i n gs y s t e m i na d d i t i o n ，u s i n gh o m e m a d es o l a rd r y i n gd e v i c es t u d i e s o nt h ef a c t o r si n f l u e n c e do v e rm u n i c i p a ls l u d g ed r y i n g ，a n dw h i c hw e r eb a s e do n i m p r o v i n gas e r i e so fe q u i p m e n tf o rd e s i g n i n gm o r er a t i o n a ls o l a rs l u d g ed r y i n g d e v i c e ，a n dc a l c u l a t e st h er e l e v a n to p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dd r y i n gc o s t s t h e f o l l o w i n gi st h em a i nc o n c l u s i o no ft h er e s e a r c h ： ( 1 ) d u r i n gt h ec o u r s eo fd r y i n gs l u d g eb yt h ed r y i n gb o x ，t h ed r y i n gr a t ec a n b ed i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s ：a c c e l e r a t i o np h a s e ，c o n s t a n tr a t ed r y i n gp h a s ea n d f a l l i n gr a t ed r y i n gp h a s e ，t h ep h a s eo fd i s t i n c t i v e c h a r a c t e r i s t i c s ：c o n s t a n tr a t e d r y i n gp h a s ea c c o u n t sf o rm o r et h a n 50p e r c e n to ft h et o t a ld r y i n gt i m e ，t h e a c c e l e r a t i o np h a s ea c c o u n t sf o ro n l y15p e r c e n t ，s om o i s t u r ec o n t e n tr e m o v a lo ft h e m u n i c i p a ls l u d g em a i n l yi nc o n s t a n tr a t ed r y i n gp h a s e 。 ( 2 ) d u r i n gt h ec o u r s eo fd r y i n gs l u d g eb yd r y i n gb o x ，w h e nt h ed r y i n g t e m p e r a t u r ei st h es a m e ，t h et h i n n e rt h i c k n e s so f t h em u n i c i p a ls l u d g e ，t h ef a s t e r d r y i n gr a t e ，1 0 c mt h i c k n e s so ft h em u d c a k e ，t h ed r y i n ge f f e c ti sb e s t ；t h es m a l l e r d i a m e t e ro ft h es l u d g ep a r t i c l e ，t h ef a s t e rd r y i n gr a t e ，1 o c md i a m e t e ro ft h es l u d g e p a r t i c l e ，t h ed r y i n ge f f e c ti sb e s t w h e nt h ed r y i n gt e m p e r a t u r ei sd i f f e r e n t ，c o m e t o 1 o c md i a m e t e ro ft h es l u d g ep a r t i c l eo nc o n d i t i o nt h a tt h ed r y i n gt e m p e r a t u r eo f 12 0 c ，t h ed r y i n ge f f e c ti sb e s ta n dt h em o s te c o n o m i c a l ( 3 ) d u r i n gt h em u n i c i p a ls l u d g e s o l a rd r y i n ge x p e r i m e n t ，t h eh i g h e rt h e d r y i n gt e m p e r a t u r ea n dt h el o w e rt h eh u m i d i t y ，t h eh i g h e rt h ee f f i c i e n c yo fd r y i n g t ot h e2 0 c mt h i c k n e s so ft h em u dc a k ef o re x a m p l e ，t h es u m m e r ( s o l a rr a d i a t i o n i n t e n s i t vo f1 4 8k c a lp e rs q u a r ec e n t i m e t e r ) a n dt h ew i n t e r ( s o l a ri r r a d i a n c eo f7 5 k c a lp e rs q u a r ec e n t i m e t e r ) o ft h em a x i m u mr a t eo fd r y i n gw e r er e s p e c t i v e l y4 5 9 p e rh o u ra n d6 9p e rh o u r ，t h ed r y i n gr a t ei ns u m m e rw a s s ig n i f i c a n t l yh ig h e rt h a ni t i nw i n t e r a c h i e v i n gt h es a m ee f f e c to fd r y i n g ( m o i s t u r ec o n t e n t6 0 ) t i m ew e r e r e s p e c t i v e l y1 2d a y sa n d7 2d a y s ( 4 ) u s i n gd r y i n gb o xa n ds o l a r h o t e x h a u s tj o i n td r y i n gs l u d g ed e v i c e ，t o a c h i e v et h es a r l l ee f f e c to fd r y i n g ( 6 0 o fm o i s t u r ec o n t e m ) ，r e s p e c t i v e l yt h ec o s t i s18 7 5y u a np e rt o n ，2 4y u a np e rt o n ，t h ec o s to fs o l a r - h o te x h a u s tj o i n td r y i n g s l u d g ef a rl e s st h a nt h ed r y i n gb o xd r y i n g r e s u l t sa b o v ep r o v i d e ds c i e n t i f i cb a s i sf o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e o fs l u d g e h e a t d r y i n ga n ds o l a re n e r g yd r y i n g ，a n dh a ss o m eg u i d e ds i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：m u n i c i p a ls l u d g e ；d r y i n g ；s o l a re n e r g y 插图清单 图i 1 日本污泥的处置情况4 图1 2 几种污泥处置技术在我国所占比例5 图1 3 实验设备示意图7 图1 - 4 课题技术路线图1 0 图2 1 合肥市望塘污水厂不同含水率污泥热值17 图3 1 污泥水分分布示意图1 9 图3 2 温度为1 0 5 时污泥泥饼的干化速率2 0 图3 3 温度为1 0 5 时不同厚度泥饼的体积变化曲线2 2 图3 - 4 污泥干化过程中的形状变化2 2 图3 5 温度为1 0 5 时不同厚度泥饼的干化速率2 3 图3 6 温度为1 0 5 时不同厚度泥饼的污泥重量变化曲线t 。2 3 图3 7 温度为1 0 5 c 时不同厚度泥饼的污泥含水率变化曲线2 4 图3 8 温度1 0 5 时不同直径泥团干化含水率曲线2 4 图3 - 9 温度为1 0 5 。c 时不同直径泥团干化速率曲线2 5 图3 1 0 直径1 0 c m 的污泥团在不同温度下的干化速率2 5 图3 1 1 直径1 0 c m 的污泥团在不同温度下干化的含水率曲线2 6 图4 1 自制太阳能干化装置2 8 图4 20 8 年6 月1 3 2 3 号污泥重量和含水率曲线3 0 图4 30 8 年6 月1 3 2 3 日污泥太阳能干化速率曲线3 0 图4 4 春季污泥的温湿度曲线3 1 图4 5 春季污泥的干化速率曲线3 2 图4 6 春季污泥含水率变化曲线3 2 图4 7 污泥千化前后变化图片3 3 图4 8 夏季温湿度及污泥干化速率变化曲线3 4 图4 - 9 夏季污泥含水率变化曲线3 4 i v 表格清单 表1 1 欧洲污泥产量及其处理方式2 表1 3 各干化技术的特点9 表2 1 污水处理厂污泥的来源及特性1 1 表2 2 实验仪器与设备1 2 表2 3 合肥市望塘污水厂脱水污泥含水率测定1 5 表2 - 4 合肥市望塘、王小郢污水处理厂污泥重金属含量调查1 6 表2 5 合肥市望塘、王小郢污水厂污泥挥发分和次分测定1 6 表2 6 合肥市望塘、王小郢污水厂污泥热值测定1 6 表2 7 合肥市望塘、王小郢污水厂污泥碳、氮、硫、磷测定1 7 表3 1 烘箱干化实验设备2 0 表3 2 温度为10 5 时不同厚度泥饼的体积和重量数据2 2 表4 10 8 年6 月1 3 2 3 号污泥太阳能干化数据2 9 表4 2 污泥干化期间室内外温湿度情况3 0 表4 3 污泥干化期间室内外温湿度情况3 5 表5 1 合肥1 1 2 月太阳总辐射资料( 千卡平方厘米) 4 0 表5 2 合肥天源热电烟气排放连续监测小时平均日报表一4 2 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究l ：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒胆上些厶堂 或其他教育机构的学位或证i s 而使圳过的材料。与我一同l ：作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：签字日期妒厂口年够月“阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 墨王些鑫堂有关保留、使_ ；= | j 学位论文的规定。有权保留并向 国家有关部fj 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被布阅或借阅。本人授权佥蟹：! ：些厶 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采川影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：砂彩 导师签 签字日期：妒。年彭月1 徊 签字日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电活： 邮编 致谢 在此论文完成之际，我要衷心感谢我的两位导师孙世群副教授和会杰副教 授，两位恩师三年的教导与关怀，令学生受益匪浅。正是由于两位恩师在课题 选择、总体设计、实验安排以及论文撰写等方面倾注了大量的心血，我才有幸 在这里执笔相谢。回忆从师的点点滴滴，两位恩师对专业敏锐的洞察力、活跃 的科研思维、严谨的治学作风、严于律己宽以待人的为人风格和对事物的执着 追求与不懈努力都令学生钦佩不已。在生活方面也给予了学生无微不至的关怀 和照顾，是两位恩师创造了良好的学习、实验和生活环境，使学生全身心的投 入到学习和实验中来。更为重要的是，两位恩师还处处以身作则，时刻教导学 生做人的准则和处事原则。在此，学生再次向孙世群和会杰两位恩师表示最衷 心的感谢和最诚挚的敬意。 感谢合肥学院生物与环境系的俞志敏老师、刘盛萍老师、刘斌老师、叶劲 松老师给予的指导和支持。 感谢合肥工业大学杨艳红同学、谷化强同学、陈月庆同学、李易同学、在 实验给予的帮助和支持。 特别要深深感谢我的母亲，正是有了她无私的奉献，我才得以继续深造并 顺利完成学业，感谢她。 最后，对在百忙之中抽出时间，精心评审本论文的各位专家、教授表示衷心 的感谢! 由于作者水平有限，论文写作时间仓促，在论文中难免有错误和不足之处， 恳请各位专家批评指正。 i v 作者：王磊 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 1 前言 随着城市化进程的加快和工业化程度的提高，污水处理厂的规模不断扩大， 数量与日俱增，处理程度也不断提高，进而使得污泥总量年年攀升。掘2 0 0 7 年 全国环境统计公报：2 0 0 7 年全国废水排放总量为5 5 6 8 亿吨，比上年增加3 7 。 其中工业废水排放量2 4 6 6 亿吨，比上年增加2 7 ；城镇生活污水排放量3 1 0 2 亿吨，比上年增加4 6 t 。根据有关预测，我国城市污水量在未来2 0 年还会有 较大增长，2 0 1 0 年污水排放量将达到4 4 0 1 0 3 m 3 d ；2 0 2 0 年污水排放量将达到 5 3 6 1 0 1 0m 3 d t 2 1 。 污泥作为污水处理系统的副产品，其产量约占污水处理总量的 0 3 0 5 ( 含水率以9 7 计) j ，然而污泥的处理费用占水处理总投资的 3 0 4 0 ，若考虑污泥处理的运行管理成本，污泥处理投资费用占到污泥处理 总投资的5 0 以上【4 5 】。可见污泥处理难度之大，污泥除含有大量水分外、还含 有难降解的有机物、重金属、盐类、少量的病原微生物和寄生虫卵等，如不加 妥善处理和处置，将造成堆排区周围环境的二次污染【6 母】，污泥的处理与处置问 题目趋显著。随着国家环保力度的加大和公众环保意识的提升，污泥的处理与 处置已被提上“议事日程 ，有关污泥的特性及处理的研究工作也陆续展开。 污泥处理和处置已成为世界各国面临的亟待解决的问题。 实际上，污泥是放错地方的资源。污泥中含有大量的有机质、氮、磷、钟 等植物生长必需的养分，可作为土壤改良剂和中等级的肥料：污泥本身还具有 一定的热值，可作为燃料i l o ，l 。此外，污泥在制砖、水泥、陶瓷等建筑材料方 面也有巨大的潜在价值，在热解制油，制取吸附剂和微晶玻璃方面有着广阔前 景【1 2 1 。污泥资源化利用不仅实现了物质的充分利用、变废为宝，而且促进了循 环经济的建立和可持续发展。然而污泥的资源化利用受到所能消纳污泥量的能 力的制约，因此污泥处理应当遵循减量化为主，资源化、无害化和术端处置为 辅( ”】，这样才能从根本上解决污泥的去向问题，才是实现污泥资源化利用的必 由之路。 污泥处理的关键在于污泥中水分的去除，这是实现污泥减量化的主要途径， 也是实现污泥资源化的重要步骤，污泥经过于化，其臭味、病原物、粘度、不稳 定等负面特性得到显著改善并具有多种用途，无论填埋、焚烧、农用还是热能 利用，干化都是重要的第一步。【1 4 】将脱水污泥通过干化技术处理，不但减少了 污泥最终处置前的体积，降低了污泥处理及最终处置的费用，而且使得污泥性 质稳定化，避免产生二次污染。本章对城市生活污泥的基本特性进行了简要介 绍，对城市生活污泥的处理和处置以及国内外城市生活污泥干化处理技术的研 究现状进行回顾和评价。 1 2 城市生活污泥的处置现状 污泥处理是以减量化、稳定化、无害化、资源化为原则。任何一种污泥处 置技术都对应于一定的处理技术，处置技术不同，对前期污泥处理的要求也不 同。【15 】目前国内外常用的方法主要有填埋、农用、排海、焚烧【1 6 。8 1 。 1 2 1 土地填埋 污泥卫生填埋始于6 0 年代，是在传统填埋的基础上从保护环境角度出发， 经过科学选址和必要的场地防护处理，具有严格管理制度的科学的工程操作方 法，目前已发展成为一项比较成熟的污泥处置技术。其优点是投资少、容量大、 见效快、适应性强。表1 1 给出了l9 9 7 年欧洲各国的污泥产量及处理方法f 1 9 】。 表1 - 1 欧洲污泥产量及其处理方式 由表1 1 可以看出，希腊、卢森堡、芬兰等九个国家污泥填埋比例均在5 0 以上，其中希腊竟高达9 1 。 由于污泥填埋对污泥的土力学性质要求较高，需要大面积的场地和大量的 运输费用，地基需作防渗处理以免污染地下水等，掘预测到2 0 0 5 年，欧盟国家 的污泥卫生填埋场所仅能容纳污泥总产量的17 。据美国环保局估计，今后几 2 十年内美国6 5 0 0 个填埋场将会有5 0 0 0 个被关闭，这意味着填埋并不能最终消 除环境污染，而只是延缓了产生时间。 2 0 , 2 1 】 对于广大发展中国家来讲，尤其是污水处理率比较低的国家，在未来一段 时期，填埋仍然是垃圾和污泥处置不可避免的途径。在我国，土地填埋也是主 要方法。该法特别适于质量较差的污泥，但需要合适的场地和大量的费用【2 引， 地基需要做防渗处理以免污染地下水和散逸臭味【2 3 2 5 l 。填埋渗滤液中污染物含 量高，且成分复杂，如果防渗设施不好，渗出液就会进入地下水层，污染地下 水。对于不能资源化而必须从循环中排除的废物，填埋是目前唯一的最终处置 途径。 但是陆地填埋并不能有效地解决污泥资源化的问题，极易造成二次污染。 尤其在我国，入均耕地面积并不多，污泥填埋处理就意味着将有更多的有用土 地被这种有害物占用，这种处理方式不符合我国国情，污泥填埋处置所占的比例 将会越来越小。 1 2 2 焚烧 污泥焚烧是指在高温( 5 0 0 1 0 0 0 ) 下，污泥固形物在无氧或低氧条件下分解 成气体、焦油以及灰等残渣这3 部分的过程。污泥焚烧可最大程度地实现减量 化和无害化，是当前污泥处理中最彻底的处置方法之一。污泥焚烧已有7 0 年的 发展历史。 9 0 年代起欧洲许多国家诸如德国、丹麦、瑞士等国以及日本就开始以焚烧 工艺作为城市生活污泥的主要方法。而目前污泥焚烧以r 本、奥地利、丹麦、 法国、德国等国所占比例高。德国有近4 0 个污水处理厂已经拥有多年的污泥焚 烧实际运行经验。其中10 家混烧生活垃圾和市政污泥，2 0 多家焚烧城市污水 污泥，9 家专门进行工业废水污泥的焚烧处理。在德国，污泥焚烧炉首先始于 多段竖炉，而后流化床炉逐渐取代了多段竖炉。晷前，流化床焚烧炉的市场占 有率超过了9 0 。丹麦每年约有2 5 的污泥焚烧处理。瑞士宣向从2 0 0 3 年1 月lr 起，所有污水厂的污泥都要进行焚烧处理，这也意味着瑞士政府每年将 耗资5 8 0 0 万欧元用于污泥焚烧工艺。t 2 6 1 日本国土面积极为狭小、人口密度较高，加之同本政府十分重视植被的保 护，对城市建设用地严格控制，农用和填埋这种污泥处置方法不适合本国国情， 因此日本污泥最终处置方法是以污泥焚烧为主导，其污泥焚烧率全球最高( 约占 6 3 ) ，而农用、填埋和其他分别仅占2 2 、5 和1 0 1 2 7 1 ( 见图1 1 ) 。 一一。 霪隰1 0 图1 1 日幸污掘的处置情况 目前在瑞典、日本等国又研究了湿式氧化技术焚烧工艺。1 2 8 2 9 1 谖工艺在压 力为2 33 m p a ，温度为5 7 0 c 的条件下可将污泥转化为无毒无害的物质：气忐 产物主要为0 ：和c 02 ，液态产物为台铵根及脂肪酸类的物质，固态产物为 f e 2 0 3 、s i 0 2 及a 1 2 0 3 等，由于该工艺较复杂，还没有被广泛应用。 与其他污泥处置方法相比，污泥焚烧具有如下优点m i ： ( 1 ) 大大缩少了污泥的体积和质量：( 2 ) 彻底系灭病菌、病原体并氧化分解有毒 有害有机物：( 3 ) 可实现能量的回收。但污泥焚烧过程中容易产生二恶英类物 质污染，从而对生态环境造成了二次污染。 以焚烧为核心的方法是较彻底的污泥处理处置方法，主要可咀分为两大娄 1 3 2 , 3 3 j ：一类是将脱水污泥直接送焚烧炉焚烧，另一类是将脱水污栊先十化爵焚 烧。污泥焚烧要求污泥具有较高的热值，因此污泥一般不进行消化处理。脱水 污泥直接焚烧工艺可处理7 5 一8 0 含水率的污泥，为了保证污泥的稳定燃烧， 一般需要掺八辅助燃料( 煤或油) ，需要消耗大量的辅助燃料，运行成本高，日 燃烧效率和热效率低。第二类干化焚烧是将机械脱水后的污泥先进行加热干化， 降低其水分，提高入炉污泥的热值，使焚烧炉在运行过程中不需要辅助燃料。 因此，污泥干化焚烧是一种节能型处理工艺，具有较大的发展前景。焚烧干化 污泥的工艺则与燃用劣质煤工艺相近，比焚烧湿污泥工艺要简单得多。干化焚 烧联合工艺的关键在于干化干化多选用间接干化，温度较低以防止污泥中 有机质分解。 l23 污泥农用 污泥农用分为直接施用和问接施用。直接施用成本低，简单易行，但存在 潜在的环境问题，而且污泥未经稳定化、无害化处理，不利于作物的生k 。问 接旆用是指污泥消化、堆肥或制成复台肥料后施用污泥施用于土地中，不但司 以为植物生长提供氮磷钾等营养元素而且可以提供植物生长必需的些微量 元素，如m g 、z n 、c a 、c u 、f e 等，从而增加了土壤有机质的含量，有效改善 了土壤结构、水力学性质及化学性质由此带来的容重降低，孔隙度、团聚体 稳定度以及持水量和导水性的增加，对农业生产起到了积极的作用。 她驰棚揽 i 口口口 堆肥化是污泥间接施用的一种主要方法。它是在微生物的作用下，把有机 废弃物转化成类腐殖质的过程，由此而产生的对非产品可以有效地用作土壤改 良剂和肥料口”。用堆肥法处理后的污泥进行农业利用具有经济简便、不需外 加能源、不产生二次污染、可资源化等优点。因此污泥堆肥化己成为虾保领 域的一个研究热点。 近几年，我国进行了大量的污泥高温堆肥、干化制肥等方面的研究，并取 得了工艺技术方面的初步成果。周立祥p5 ”j 等人研究表明施用一定量的污泥 能明显提高土壤有机质量和腐殖化程度，效果好于一般的农家肥。陈i 日斌刑高 碑店乡用污泥的土壤和不施污泥的对照区调查发现，施用污泥的士壤有机质台 量提3 68 一4 i ，且施用污泥的时f b j 越长，土壤有机质含量越高。余燕等人的 研究结果，旆用城市生活污泥复合肥对生菜、菜花和葛笋有明显的增产作用， 其增产效果略高于等养分的化肥和等氮量的市售复合肥，比列照增产 1 98 一3 06 。王新等研究发现，阻污泥施用于绿化造林时，污泥堆肥不同处理 与对照树高相比，增加了1 l ，地径相增加了1 2 ，加速了树木生长，缩短了 木材的生长循环，增加了木材产量。并且提高了土壤中n 、p 及有机质含量p7 1 。 然而污泥中往往台有大量的重金属，即使污泥经过堆肥，其中的重金属也 会在土壤中的不断累积，并随食物链进入生物体内。各国政府先后颁如了农用 污泥重金属浓度标准和严格的无害化要求，并对单位而积土地污泥的用量有严 格的限制，这使得污泥农用受到定程度的限制。 几种污泥处置技术在我国所占的比侧见图1 2 ，从图1 2 中可以看出，我崮 的污泥主要以农用为主，但由于大量不科学的滥施乱用已造成丁土壤、农怍物 的重金属污染和地下水的n 、p 超标。更让人担忧的是仍有i37 9 的污泥未经 任何处理，这将对环境带来巨大危害口“。 夏i 矿i 互参纛i 。j 耋蛾 = 无；i 混处置 _ 缘比 ；土地i l 埋 圈1 - 2 几种污泥趾置技术在我国所占比例 24 排海 这是一种方便的污泥处置方法，对于沿海城市来说其处理费用鞍低。但此 法会污染海洋，对海洋生态系统和人类食物链造成威胁。美国环保局于19 9 1 年全面禁止向海洋倾倒污泥【39 1 。欧共体也于1 9 9 9 年开始禁止在海洋中处置污 泥【40 1 。我国政府也于19 9 4 年初接受了三项国际协议，承诺于19 9 4 年2 月2 0 同起不再在海上处理工业废物和污水污泥【4 l ，4 2 1 。 1 2 5 其他 传统的污泥处置方式在污泥处置过程中都存在一定的局限性，i 为了找到一 种可持续发展的污泥处置方式，各国对污泥的资源化进行了大量的研究。 城市生活污泥资源化处理处置技术包括有污泥堆肥土地利用 4 3 - 4 7 l 、用作燃 料或沼气制备原料【48 1 、直接用于植被肥料4 9 1 、制砖【5 0 - 5 2 1 和陶粒 5 3 , 5 4 】、生产水 泥1 5 5 , 5 6 】和玻璃陶瓷【5 7 】等、作为生物农药【5 8 】和有机复混肥 5 9 - 6 1 1 ，制取吸附剂 6 2 - 6 4 】、低温热解制油 6 5 , 6 6 】以及用做公路路基【67 1 。污泥的处置应兼顾到环境生态 效益、社会效益和经济效应的均衡，污泥土地利用作为城市生活污泥土地资源 化处理处置技术最理想的出路。这种方式不仅可以有效利用污泥所含有的营养 物质，而且费用低，处理数量大。 1 3 城市生活污泥干化的研究现状 污泥的高含水率特征，不仅使污泥的性质不稳定，而且造成了污泥输送困 难、处理设备容量大、经济性差等问题，为进一步资源化利用带来了困难，因 此必须对污泥进行适当的干化处理。和其他几种处理方式相比【6 引，污泥干化具 有以下优点：污泥显著减容，体积可减少4 5 倍：干化后的污泥性能稳定， 便于运输与储藏：产品无臭、无病原体，减轻了污泥有关的负面效应，使处 理后的污泥更易被接受；能回收利用，产品具有多种用途，如作肥料、土壤 改良剂、燃料等。因此，无论是建材利用还是土地利用，污泥干化都是资源化 利用的第一步。【6 珊j 1 3 1 国外城市生活污泥干化研究现状 19 1o 年，英国的b r a d f o r d 公司首次将热力干化技术用于污泥处理7 2 】。几 年后，美国也生产出用于污泥干化的机械。到了2 0 世纪3 0 年代，i n 蒸干化机【7 川、 带式干化机【7 4 】分别在英、美两国污水处理行业出现。到了六七十年代，污泥热 干化技术逐步得到了完善。经过几十年的发展，污泥干化技术的优点f 逐渐显 现出来，无论填理、焚烧、农业利用还是热能利用，污泥干化都是重要的第一 步，这使污泥干化在污泥处理过程中扮演越来越重要的角色。进入2 0 世纪8 0 年 代后期，污泥干化技术在瑞典等国家一些污水处理厂的成功应用，使该项技术 在西方工业发达国家得到迅速推广。9 0 年代污泥干化技术才大规模应用于市政 污泥处置。随着污泥热干化技术的改进和推广，大大加速了工业发达国家污泥 处理处置手段的改变，这种改变主要体现在【7 5 】：污泥填埋处置前，要将污泥进 行预干化处理；污泥干化焚烧处置比例得到了较大提高：干污泥产品作为土地 6 利用的肥料，产业规模不断扩大。 i d r i sa 等”运用微波加热干化硅土污泥，实验在多模式的微波器内进行。 通过变化微波功率和污泥质量来研究干化特性。主要研究了不同微波强度刚不 同质量污泥的水分变化情况和干化速率变化规律，得到在较短的干化时叫达到 较高的干化速率时需输入的最低微波功率是8 0 0 w o 可干化的最高污泥质量是 1 0 0 0 9 。设研究因微波无法普及应用，而且试验规模很难扩大，比较难以应用到 工业中。 位于意大利比萨和佛罗伦萨之间的c u o i o d e p u r 污水处理厂，污泥干化采 用v o m m 公司的涡轮薄膜干化技术，其特点是同时进行对流与传导加热。潋f 设计能力为r 水蒸发量19 2 m 3 ，进泥含固率约3 0 ，出泥音固率为8 3 4 条生 产线。目前实际r 处理泥量为2 0 0 t ，3 条生产线运行。浚系统的特点是：污泥扫二 干化器内的停留时间很短( 2 3r a i n ) ；干化嚣内的污泥量少：出泥较细( 小于1r a m ) 且均匀，不需筛分与返混：出料污泥含固率可调。然而浚厂的污泥贮存与输送 系统设计较复杂，机械损耗鞍为严重，维护较困难。 132 国内城市生活污泥于化研究现状 曲艳丽等m 1 采用可视化研究方法，通过一系列饼状污泥干化实验，考察了 干化温度和比表面积对饼状污泥干化过程水分析出特性以及饼状污泥在干化过 程中的表观形态、收缩特性的影响。实验装置如图所示。 1 一动态电子天平2 一干燥箱：3 一实验物料： 4 一放大镜：5 一图像采集；6 一计算机 图1 - 3 实验设备示意图 研究表明，污泥饼含水率从8 0 0 降到6 0 时，厚04 8 c m 的污泥饼比厚 07 6 c m 的污泥饼少用时4 3 m i n ，收缩面积也较厚07 6 c m 的污泥饼大l 倍。增大污 泥饼的比表面积后，干化速度加快，收缩程度增加。污泥干化的外音_ 5 条件对最 终干化效果影响不大，但对干化时间影响较大。污泥的收缩因子随着初始干基 含水率的降低而逐渐减小。i = i ( 实验对污泥干化研究有很好的借鉴意义。 上海交通人学朱南文q 等对燃气红外干化泥进行了研究。红外线具有较强 的穿透力，不易被大气吸收可使较薄的污泥层从内到外加热。经红外处理污 泥的氮、磷、钾、有机物和重余属都没有变化，而大肠杆菌、蛔虫卵完个被杀 死，污泥产品卫生无害。当污泥中重金属含量较低时，干化后的污泥可用于农 田和绿化。 李志刚等【7 9 】利用微波加热系统干化速度快、操作简便的特性，在污水处理 厂污泥干化工艺中引入微波干化技术。 研究表明：在微波功率为5 8 0 w 的条件下，对含水率为7 7 4 的脱水污泥进 行微波干化，污泥含水率随着微波干化时间的增加而降低，当微波加热时间分 别为1 0 m i n 、1 4 m i n 和1 7 m i n 时，含水率可分别降至6 0 、3 8 和3 4 2 ，分别达 到污泥半干化和全干化的要求。微波功率对干化效能影响显著，微波功率越大， 污泥干化速率越高，干化时间越短；污泥量越少，污泥温度升高越快，干化时 间越短。对污泥微波干化的工程实践提供科学依据，具有一定的指导意义。 综上可见，国内外对不同污泥干化方式都进行了大量的研究。随着科技的 发展，将会有更多的新方法应用于污泥干化技术上，污泥干化技术将会得到进 一步的完善与革新，这将直接推动污泥干化技术的发展，使之在安全性、可靠 性、可持续性等方面得到越来越可靠的保证，最终使污泥能够更有效地进行资 源化利用。 1 4 城市生活污泥干化的类型和方法 1 4 1 城市生活污泥干化的类型 干化是污泥深度脱水的一种形式，其应用的能量( 推动力) 主要是热能， 即用热能将污泥中的水汽化。污泥干化根据热介质与污泥的接触方式，可分为 【8 0 ，8 l 】 ( 1 ) 直接加热式 热介质( 热空气、热烟气或热灰等) 与污泥直接进行接触混合，使污泥得以 加热，水分得以蒸发并最终得到干污泥产品。此技术热传输效率和蒸发速率较 高，但由于与污泥直接接触，热介质将受到污染，排出的废水和水蒸气需经过 无害化处理后才能排放；同时，热介质与干污泥需加以分离，给操作和管理带 来一定的麻烦8 2 , 8 3 】。 ( 2 ) 间接加热式 将燃烧炉产生的热气通过蒸气、热油介质传递，加热器壁，从而使器壁另 一侧的湿污泥进行干化。此技术热传输效率和蒸发速率均不如直接加热式，但 热介质可循环利用，节约了能源。【8 4 】 ( 3 ) “直接一间接 联合式干化【8 5 】 即“对流传导”技术的结合。v o m m 设计的高速薄膜干化器【8 们、s u l z e r 设 计的新型流化床干化器1 8 7 1 以及e n v i r e x l 8 8 】推出的带式干化器就属于这样类型。 1 4 2 城市生活污泥干化技术方法 8 自2 0 世纪8 0 年代末期以来，污泥干化技术在美、欧等发达国家应用广泛。 目前主要的干化工艺有：间接加热转鼓干化技术、直接加热转鼓干化技术、离 心干化技术、间接式多盘式干化技术和流化床污泥干化技术。其特点见表1 3 。 表1 - 3 各干化技术的特点 干化技术特点 直接加热转鼓干化技术 间接加热转鼓干化技术 离心干化技术 间接式多龠干化技术 流化床污泥干化技术 在无氧环境中，不产生灰尘；干化污泥警颗粒状，粒径人小可 控制；采用气体循环回用设计，减少了尾气的处理成本。 流程简单，污泥的干度可控，干化器终端产物为粉末状。 流程简单，省去了污泥脱水机及从脱水机至干化的存贮、输送、 运输装置。 干化和造粒过程氧气浓度为2 ，避免了着火和爆炸的危险。 颞粒星圆形，坚实、无灰尘且均匀、具有较亮的热值，可作燃 科。尾气经冷凝、水洗后送同燃烧炉，将产生臭味的化合物彻 底分解，其尾气能满足严格的排放标准。 无返料系统，间接加热，干化机本身无动部什。故不需维修。 但干化颗粒的睾立径无法控制。 1 5 课题研究意义及内容 1 5 1 课题研究意义 随着中国城市污水治理率逐年增加，城市生活污泥产量急剧上升，并且由 于污泥含水率较高，导致脱水污泥性质极不稳定。污泥处理的关键在于污泥中 水分的去除，这是实现污泥减量化的主要途径，也是实现污泥资源化的重要步 骤，污泥经过干化，其臭味、病原物、粘度、不稳定等负面特性得到显著改善并 具有多种用途，无论填埋、焚烧、农用还是热能利用，干化都是重要的第一步。 2 0 世纪9 0 年代以来，运用污泥干化技术处理城市生活污泥得到迅速发展，这使 污泥干化在整个污泥管理体系中扮演越来越重要的角色。 本课题通过对污泥的物理特性和干化特