污泥深度处理之热干化技术
1、背景介绍
伴随我国城市污水处理率迅速提高，污泥产生量将不可避免地相应增长，消纳问题日益突出，亟待解决。
污泥具有含水率高、体积庞大、性质复杂、难以处理的特点，在当下的处置工艺有不同的制约：
综合比较分析上述污泥处理与处置技术系统在实际应用中所遇到的困难, 不难看出污泥的含水率是关键的影响因素。因此,降低污泥含水率是解决目前在污泥处理所遇到问题的关键。
要达到对污泥的深度脱水,比较经济的方法是引入化工操作中常用的热干燥技术。早在上世纪中期，日本和欧美就已经用干燥器来干燥污泥。采用热干化技术符合污泥“三化”要求：
减量化——干化可以使污泥大幅度缩减体积和质量（可减少90%以上）。便于运输和处置；
无害化——污泥进行了巴氏消毒，完全消除了病原体，干燥污泥性状安全卫生；
资源化——干燥后的污泥颗粒可作为肥料、土壤改良剂、燃料或建材化原材料等。
2、热干化基本原理
污泥热干化是指利用热能，将脱水污泥加温干化，使之成为干化产品。通常指利用热能使物料中的湿份汽化，并将产生的蒸汽排除的过程。其本质是被除去的湿份从固相转移到气相，固相为被干化的物料，气相为干化介质。
干化的机理可分为蒸发过程和扩散过程：1）蒸发过程：物料表面的水分汽化，由于物料表面的水蒸气压低于介质（气体）中的水蒸气分压，水分从物料表面移入介质。2）扩散过程：是与汽化密切相关的传质过程。当物料表面水分被蒸发掉，形成物料表面的湿度低于物料内部湿度，此时，需要热量的推动力将水分从内部转移到表面。上述两个过程的持续、交替进行，最终达到干化的目的。
因水分在污泥中的存在形态不同，在干化过程的去除速率也不同:
自由水分：蒸发速率恒定时去除的水分。
间隙水分：蒸发速率第一次下降时期所去除的水分。通常指存在于泥饼颗粒间的毛细管中的水分。
表面水分：蒸发速率第二次下降时期所去除的水分。通常指吸附或黏附于固体表面的水分。
结合水分：在该干燥过程中不能被去除的水分。这部分水一般以化学力与固体颗粒相结合。
3、污泥热干化设备分类及原理
干化设备传递热能的方式有直接加热和间接加热2种，又称为对流式加热和热传导式（接触式）加热。
3.1 热干化设备分类
按传质方式可分为直接加热、间接加热、直接和间接联合加热三类。
a.直接加热干化设备
直接干化的实质是对流干燥技术的运用,即将燃烧室产生的热气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。常用设备转筒式等。
b.间接加热干化设备
间接干燥实质上就是传导干燥,即将燃烧炉产生的热气通过蒸汽、热油介质传递,加热器壁,从而使器壁另一侧的湿污泥受热、水分蒸发而加以去除。常用设备圆盘式等。
c.直接-间接加热联合干化设备
直接—间接联合式干燥系统则是对流—传导技术的整合。常用设备流化床等。
3.2 热干化设备（系统）生产能力表示
1.蒸发量表示：湿物料被干燥后成为干物料时，从湿物料中去除的水分量。
E=D（1/di-1/do）
式中：
E—为蒸发量，单位时间内蒸发的水的质量，kgH2O/h；
D—为污泥干重,kg；di—为进入干燥设备的污泥的初始含固率，%TS；
do—为排出干燥设备的污泥的初始含固率，%TS。
2.生产量表示：每天生产处理多少吨湿污泥。
3.比蒸发速率（SER）表示：用于间接干燥器。
SER=E/S
式中：
SER—为单位时间单位热表面上蒸发的蒸汽的量，kg/（m2.h）；
E—为系统的总蒸发量，单位时间干化设备蒸发的蒸汽的量，kg/h；
S—为间接干燥器的热表面积，m2
3.3 设备性能评价指标
干化设备单位耗热量（STR）：
STR=QT/E
式中：
QT—干化系统所需的总热能，kal/h；
E—干化设备的蒸发量，kg/h
4、污泥干化技术的要点及要求
设计或选择污泥干燥设备应重点考察以下几个方面：能耗、安全性、环境友好、适应性。
4.1 能耗
按照我国的能源价格，热能的支出将占到一个标准干化系统运行成本的80％以上。因此，热能损耗的研究是对干化系统进行考评的重中之重。
干化意味着水的蒸发，水分从环境温度(假设20度)升温至沸点（约100度），每升水需要吸收大约80大卡的热量，之后从液相转变为气相，需要吸收大量的热量，每升水大约539大卡（环境压力下）。两者之和，相当于620大卡/升水蒸发量的热能，几乎可以说是所有干化系统必须付出的“基本热能”代价。
然而，根据干化对象的性质，这一“基本热能”之外还会产生一定的消耗，这主要是工艺及其相关条件造成的。这些工艺相关条件可以概括为三大类：
以上三个方面条件的不同，就形成了干化系统在能耗方面的差别。这一差别有时是如此之大，不经分析是很难判断一个干化系统的实际运行效果的。
热源：
加热方式不同，热损失不同。无论是热传导还是热对流，通过热交换器的换热均形成一定的热损失，一般来说在8～15％之间。这部分的热损失很难再降低。涉及热源的传输、存储的一些关键条件，如管线的大小、输送距离、压力、保温条件、环境温度等，都会对热源利用的最终效率起到重要影响。
减少热损失原则：优化热源、换热器选择和组合，缩短传输距离，加强保温。
物料：
包括污泥的粒度、粘度、污染物含量和含水率等。稳定的污泥含水率，在干燥过程较好的搅拌、粉碎工艺，都能减少热损耗。此外，干燥水蒸汽和工艺气体经洗涤后分离，洗涤前后气体的温差大小，以及气量本身的大小，决定了干燥系统的热损失。
减少热损失原则：合理降低最终产品含固率（使之优化适应最终处置要求），改善冷凝条件（如减少气量、分步冷凝降低干燥蒸汽温度等）。
工艺：
从工艺角度了解干化在能耗方面的特点，就是研究干化系统的干化效率。
热传导：含水率较高时热传导的干化效率较高，而要将最后的20～30％水分去除，则显得力不从心，据研究半干化的升水蒸发量热能净耗一般要低于全干化20～30大卡。
热对流：由于大量气体能够与已经失去表面水的颗粒紧密接触，在其周围形成稳定的汽化条件，为湿分在给定的传质条件下能够持续进行提供了极好的条件，因此热对流方式对于含水率小于50%的污泥干燥效率更高。
两种干燥方式的传热效率的差别受湿物料本身的性质和搅拌、混合状态影响至巨。
减少热损失原则：减少工艺步骤、缩短工艺路线，优化运行参数以提高干燥效率。
4.2 安全性
对工艺安全性具有重要影响的要素包括：粉尘浓度 、工艺允许的最高含氧量、温度（点燃能量）、湿度（气体的湿度和物料的湿度对提高粉尘爆炸下限具有重要影响）
目前常采用的控制措施：
1 控制粉尘浓度：热传导工艺较热对流工艺气体量小，粉尘浓度低，污泥温度低，氧气含量小。对流式干燥系统一般是闭环回路：气体进入干燥器前通过冷却水洗涤降低粉尘浓度。
2 控制含氧量：实时监控干燥器内氧气浓度，自动采取措施控制氧气浓度在合理范围。
4.3 环境友好
避免大量污染气体释放或/和臭气外逸，造成二次污染。
措施：采用间接加热或/和闭路循环，将必须外排的废气量和气载污染物量降到最小；控制干燥温度，降低有毒有害气体的挥发量；对排出气体进行必要处理。
4.4 适应性
污泥干燥产品要求：不同干燥产品对污泥最终含水率要求不同，污泥干燥设备要尽可能能够适应不同干燥含水率产品要求。
初始含水率要求：含水率因污泥来源不同（可能来自几个不同的污水处理厂）、脱水机的运行情况（机械故障、机械效率降低、更换絮凝剂或改变添加量）等原因导致进料含水率出现波动。污泥干燥工艺应能适应进料含水率的变化。
5、污泥干化技术展望
污泥干化技术脱胎于化工行业的干燥工艺，其采用的仍是几十年前的传统干燥技术，只不过经过一定的改造，以使之更适应污泥这种物料。在污泥干化领域，仍不断有新的技术出现，但是在近期内发现一种更好的、革命性的技术来代替一切，其可能性很小。
对干化技术进行不断的优化努力，应研发针对性干化设备，充分考虑污泥的特性，并以提高安全性和热效率为目标。
考虑到污泥干化完全是污水处理的延伸，我国乃至世界水环境的治理仍处于刚刚起步阶段，因此其前景非常广阔，所有的新技术、新工艺都将有一个广阔的发展空间。
文章来源： 宜正会