太阳能干化

HUBER太阳能污泥干化处理技术 HUBER SOLAR SLUDGE DRYING TECNOLOGY 作者: 高颖 摘要 在通过微生物进行污水处理过程的同时会产生污泥，其后处理的费用十分昂贵。通过太 阳能干化处理，可以将原来 20-30%DS 脱水污泥的体积或重量大幅度下降，从而减低后 处理费用。这一处理工艺十分简单: 将市政污泥放置在暖房之内，然后通过污泥翻抛机 进行全自动翻泥运输。输出的产品是无臭味颗粒干泥，即可作为农肥施用，也可作为生 物能源物质进行焚烧。太阳能干化处理只需少量辅助电能，操作费用因此极低。 这一处理工艺的主要缺点是初期投资较高，占用土地面积很大。尽管如此，在最近十几 年内，欧洲使用太阳能干化装置的数量快速上升，是成为目前农村地区实施分散型污泥 干化处理的主要技术手段。 关键词: 太阳能，市政污泥，干燥技术，热空气，太阳辐射 1 导言 污水处理一般是由在曝气池内的微生物在合适条件下进行，在污染物质获得清理的同 时，微生物不断繁殖生长，必须以市政污泥的形式被定期排出系统。 在工业发达的国家，市政污泥的后处理成为愈来愈严重的问题。采用带机或离心机进行 机械性脱水处理，市政污泥的固含量最高只能到达 30%DS，其余都是水份。如果想进一 步提高污泥固含量，只能采用热干化处理工艺。这一过程需要大量热能，而我们的热能 来自免费提供的太阳。 根据德国的统计，平均每人每年产生大约 100 公斤的脱水市政污泥，其固含量约 25%DS。也就是说，还必须对其中 25 公斤绝干污泥和 75 公斤水份进行后处理。目前德 国污泥后处理的费用一般是在 60和 90欧元/吨范围之内。 在进行太阳能干化处理时，污泥被输入暖房干化车间，有规则地进行翻泥处理，最后作 为干化颗粒输出。污泥体积可以缩减 70-80%。同时，市政污水处理厂的运转费用也大量 节省。在此过程中，唯一需要的是大量土地面积和翻泥时间，而这两样前提条件一般在 郊县污水处理厂有具备。 图 1: 在德国 Rudersberg 污水处理厂内太阳能干化装置外观(Huber) 2 太阳能干化原理 干化意味将污泥中的液体水份转化成蒸汽进入空气。为了克服或消除各种水份结合力， 必须输入能量形成蒸发驱动力。这里的蒸发驱动力是指污泥中水蒸发压力和空气水蒸发 压力之间的差值。 空气是各种气体的混合物，其中含有水蒸气，一般称为空气湿度。如果污泥很热(内部较 大的水蒸发压力)和空气干燥(外部较小的水蒸发压力)，则可以获得最大的水蒸发效果。 在德国，太阳辐射强度是在 1000 至 1100 kWh/m2面积范围。理论计算，这些能量当量 相当于 100 升至 110 升热油/m2。这些辐射能为水蒸发提供了主要能源(0,682 kWh/kg)。 空气能够吸收水分的能力被称之为非饱和程度或吸水能力。只要空气还有吸水能力，即 使在晚上下雨期间，仍然能够在装置内进行干化处理，只是在有太阳时间干化速度要快 得多。太阳能干化装置的主要目的是通过太阳辐射能量和空气非饱和程度，将污泥水蒸 发出来。主要是通过以下技术手段来实现这一目的: - 尽可能多地让太阳辐射能直接到达污泥表面，通过污泥吸附转化成热能 - 尽可能大量通风，使大量非饱和空气在污泥表面上流动，带走污泥中的水份 太阳辐射能量会在黑色污泥表面大量被吸附，从而导致污泥内部的温度上升，污泥和环 境空气之间的水蒸发能力差也会相应变大。在空气中的水份必须尽可能快地从干化车间 排出，这样才能保证在空气内的反向水蒸发能力不会上升太高。 水分随着空气或以看不见的形式，或以水雾形式排出室外。单位时间内向室外排出的水 份量是和季节有关。从 3月至 11月排出的水份占全年总量约 70%，而在冬季排出水分约 占总量的 30%。太阳能自然干化污泥的最高固含量也可达到 90%DS 以上，这一点和其 他热干化工艺之间没有差别。 从德国的统计数据表明，在纯太阳能干化情况下，每年每平方米的水蒸发能力是 800kg/m2。 3 太阳能干化装置的总体构造 太阳能干化的总体装置是由暖房，翻泥机，通风设备，测试仪器和电控系统等部分组 成。具体描述如下: - 柏油地板或水泥地板，和建造普通马路的构造完全一样 - 干化车间的左右两侧，各建造高度约为 30 厘米的侧墙，用于阻拦污泥，同时在侧 墙上安装翻泥机行走道轨。 - 以暖房形式建造透光大棚。作为覆盖材料，可以采用含气薄膜，塑料阳光板或单 层安全玻璃。在正常运转情况下，干化车间的端墙可通过拉门完全打开透气。 - 太阳能干化装置的核心部件是翻泥机。由德国汉斯琥珀公司开发制作的翻泥机属 于桥架型翻泥机，可以沿整个干化车间的宽度前进后移，并对污泥进行 360°整体 旋转翻抛。翻泥机具有污泥翻滚，污泥切割，污泥混合和污泥运输等多种功能。 翻泥滚筒直径约为 1 米，可以高低升降，前后翻滚和前移后退。污泥的前推程 度，翻泥滚筒的转速和铲泥深度可以自由设置，并根据气象条件进行时间控制设 置。 - 通风系统是由一些环风工艺鼓风机组成。根据“有风时晾衣快“的原则，将未饱 和的热空气吹到污泥表面，同时打断污泥表面形成的饱和冷空气层，形成混流效 应。此外，在干化车间的侧墙下部开孔，暖房上部设置天窗，使整个干化车间形 成热导流通风系统。 - 整套通风系统和机械性翻泥系统是由电脑控制，全自动运转。在干化车间的各处 都设置温度，湿度探头和阳光辐射强度仪，根据外部气象条件的变化，控制系统 会自动切换相应的软件模块，使通风系统和翻泥系统在干化车间内按最佳方式运 转操作。此外，在干化车间的房顶配置气象站，监视风速和下雨情况，同时控制 天窗的打开和关闭。 图 2: 琥珀公司开发制作的 STR翻泥机 4 太阳能干化装置的运转操作 污泥进料 在一般情况下，通过铲车可将脱水污泥倾倒在干化车间的进料端。当然，也可以安装布 料螺杆，可以间隙方式进行全自动进料处理: 可将来自脱水机的污泥直接进入一均匀布料 的螺杆内. 当布料螺杆内的料位到达规定高度时, 底板打开, 污泥均匀分布在干化面积 之上。在打开底板时, 底板和布料螺杆进行自清理。 翻泥运输 污泥布料之后，由 STR翻泥机柔和地翻转污泥位置, 同时进行造粒和向前逐步推移运输: 翻泥转鼓配置两把铲刀，在翻泥时, 第一铲刀首先进行铲泥。翻泥机前进一段之后，第 二铲刀也开始进行铲泥。在第二铲刀腾出的地方，第一铲刀的泥被投放。通过这样铲刀/ 放泥，污泥被彻底混合和翻滚处理，同时也被向前移动运输。 每次翻泥过程中, 递进前移大约 50 厘米。如果干化床的总长度为 90 米，则污泥被反复 铲起, 彻底转移翻位，至少被翻转处理 180 次，干化污泥才能以递进方式逐步向前移 动，最后排出系统。 在此过程中，可不断将潮湿污泥翻到表面, 然后进行干化处理。这一处理过程缓慢柔和, 不会产生粉尘。铲刀翻泥机是沿整个暖房宽度运行工作, 因此污泥总是处于曝气好氧状 态.在正常污泥情况下不会产生难闻味道. 在翻泥时, 污泥穿过挡泥板, 在此受到切割处理。此时, 污泥颗粒会产生很大的表面积. 通过鼓风机吹入污泥的空气产生混流, 产生最佳状态, 并以最大程度携带走水份。这样 一来, 可以节能方式加速干化过程。 图 3: 太阳能干化装置内的核心部件 – STR 污泥翻抛机，可在温室内连续翻泥，同时可 对污泥进行切割，混合和运输处理 污泥排料 在通常情况下，在干化床的另一端, 干化颗粒掉入水泥凹槽。这一凹槽可以设计较大， 因为干化污泥体积较小，是一种流动物料 ，可在这一区域暂时简单存放，然后定期由铲 车运出。 当然也可在这一区域安装运输带或排料螺杆，然后根据料位控制将污泥全自动运输至室 外集装箱内。根据要求和愿望, 也可采用运输鼓风机, 斗式运输机和运输螺杆，将全干 化处理之后的污泥直接输入室外高位料仓。这样一来, 操作人员毋须手动运料，使在排 料过程中也没有必要进行铲泥工作。 通风处理 预脱水污泥被铺设在暖房之内, 通过一通风系统可为干化脱水过程创造一最佳气候环 境。空气可在不同温度情况吸收不同量的水份。通过测定室内外的温度，空气绝对湿度 或空气吸水能力，可以有效地控制鼓风机的运转方式，确定各种鼓风机和天窗盖板的运 行或/和打开时间。 控制技术是太阳能干化装置的一个重要组成部分。举例来说，冬天日照较短，夏天日照 很长，翻泥机的运转模式在不同季节肯定不一样。另一方面，但室外阳光灿烂和下暴雨 刮台风时，天窗的开启/关闭时间和鼓风机的运转程序也必须额外考虑。对应于这些不同 的昼日情况，季节变化，和各种室外气象情况，琥珀公司开发了相应的各种软件运转程 序: 阳光程序和雨雪程序 白天程序和晚上程序 冬天程度，春秋程序和夏天程序 通过对各种气象参数的测试采集，比较处理和判断，自控系统会自动切换软件模块, 使 翻泥机和鼓风机以最佳组合方式运转，使得干化过程中能量消耗最低。 图 4: 暖房中的翻泥装置和通风系统必须在系统软件控制下才能经济有效地工作 5 出料干泥的质量 通过沿整个暖房宽度不断翻泥，所有污泥始终处于通气好氧状态，并穿过干化车间被运 输出系统。通过这一方式可以避免会产生臭味的厌氧过程。最后产生的干泥颗粒最大直 径可达约 20毫米。 根据不同的季节时间和希望的出泥干度，污泥在干化装置内的停留时间是不一样的。如 果装置在设计时留有余量，则污泥可在整个冬季时间停留在干化车间之内。而在夏天， 污泥可以干化至 90%DS以上。所产生的干泥无臭味，在干燥情况下可以在干化车间内长 期堆放，也可在集装箱内或大型存放袋内长期存放。 在干化装置内，污泥必须通过机械方法多次翻滚，此时会产生粉尘。因此在全干化处理 的最后阶段，污泥翻滚过程十分柔和缓慢，这样可避免车间内灰尘飞扬。尽管如此，污 泥全干化处理(大于 90 %DS)需要很长的停留时间和装置体积。为了避免太多粉尘和污泥 颗粒太小，处理系统一般将污泥干化程度控制在 70 %DS以下。 图 5: 全干化处理之后的结果是含有高热值污泥颗粒, 体积小处理方便 6 经济性分析 所产生的干泥颗粒，其热值相当于褐煤。但值得注意的是，在普通热干化处理工艺中， 必须消耗大量石化燃料将污泥中的水份蒸发而使得污泥得到干化处理。所需要的单位能 耗是在 800 至 1200 kWh/吨蒸发水份; 而采用太阳能装置进行污泥干化处理时，能耗可降 低至 20至 30 kWh/吨蒸发水份。 太阳能干化装置的投资费用和运转费用很容易说明清楚。但必须指出，以下计算是根据 目前德国的情况和而获得，中国用户必须根据自己的实际情况进行校正。 投资费用 太阳能干化装置的主要投资费用是土建费用，暖房构造和机械技术，大约各占一半。每 年每吨脱水污泥的投资费用大约是在范围300和400元人民币/顿蒸发水之间。 操作费用 因为电流消耗极低，约为10-30 kWh/每吨蒸发水，操作费用很低。 装置操作简单，并全自动运转，所费人工很少。一般每个干化车间每天只需要0,5小时人 工，其中包含一般的保养工作。 作为投资成本，还必须考虑财务费用，其中包括资助补贴，贷款利息等。 如果按现在中国的电费 0,4元人民币/每度电计算，在 900 m²面积上进行纯太阳能污泥 干化处理，此时每蒸发一吨水需要操作费用约4-12 元人民币/每吨蒸发水，装置折旧费 用大约100人民币。如果污泥后处置费用高于110人民币/t，则应该采用太阳能干化装置 进行处置。 通过获得政府的补贴或/和利用废热，则可以进一步降低污泥处理费用。 7 工程实例 自 2001 年开始制作太阳能干化装置以来，至今为止在全世界已有近 30 套装置投入运转 使用。其中多数装置是在法国安装使用。各项目的详细情况，可以登陆汉斯琥珀公司的 网页 www.huber.de。 法国 Barbezieux污水处理厂 干化面积: 360 m² 处理能力: 930 t/a 进泥固含量: 20 % DS 出泥固含量: > 80 % DS 辅助能源: 污水热泵(T= max. 50°C) 投入生产时间: 2006.10 德国 Hayingen污水处理厂 干化面积: 72 m² 处理能力: 460 t/a 进泥固含量: 20 % DS 出泥固含量: > 90 % DS 辅助能源: 污水热泵(T= max. 50°C) 投入生产时间: 2006.10 德国Marktbergel污水处理厂 干化面积: 820 m² 处理能力: 1100 t/a 进泥固含量: 24 % DS 出泥固含量: 75 % DS 辅助能源: 没有。纯太阳能装置 投入生产时间: 2006.10 8 总结 干化处理的决定因素是将热能有效地输入污泥, 并带走水份进行干化。此时, 必须注意 以最短途径有效地将热能输入污泥, 提供足量的空气流体将水份带走, 并注意污泥颗粒 的形状结构。HUBER 公司 SRT 处理工艺是按这些基本原理进行设计制造, 已投入运转的装 置充分显示了实用性和经济可行性。 参考文献 [1] 朱南问，徐华伟. 国外污泥热干燥技术[J]. 给水排水. 2002,28(1):16-19. [2] 郑总和，牛宝联，雷海燕. 利用太阳能进行污泥脱水干燥的试验[J]. 中国给水排水. 2003,19(12):111-113. [3] Grosser, A., 高颖: 太阳能污泥干化处理. 亚洲给水排水. 2007年 5月/6月: 48–51. [4] 高颖: HUBER带式污泥干化系统技术介绍. 亚洲给水排水. 2008年7月/8月: 32–38. [5] 德国琥珀公司网页: www.huber.de 通讯地址: 高颖 德国汉斯琥珀公司 电话：0049 8462 201 245 电传：0049 8462 201 249 gao@huber.de