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太阳能干燥污泥的中试研究 刘敏 1 张旭 1 顾国维 2 陈银广 2 胡兰芳 2 1. 同济大学暖通空调及燃气研究所， 上海 200092;2. 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室， 上海 200092 摘要 设计出一种以热水为干燥介质的整体式太阳能干燥的中试系统， 主要研究不同厚度的剩余污泥在不同季节的干 燥情况。试验结果表明 夏季湿污泥的含水率从 88 降到 40 需要 6 ～ 14 d， w VSS /w TSS 从 79 降到 69 ; 梅雨 季节含水率从 91 降到 40 需要 9 ～ 26 d， w VSS /w TSS 从 58 降到 46 ; 春季含水率从 88 降到 40 需要 7 ～ 17 d， w VSS /w TSS 从 79 降到 57 ; 秋季含水率从 88 降到 40 需要 7 ～ 19 d， w VSS /w TSS 从 53 降到 49 。夏季时最不利干燥厚度为0. 29 m， 梅雨季节为0. 53 m， 春季为0. 26 m， 秋季为0. 31 m; 在此基础上， 与常用的转盘 式干燥器相比， 这种太阳能干燥装置能收到很好的经济和环境效益。 关键词 太阳能; 剩余污泥; 干燥特性; 经济性分析 PILOT- SCALE EXPERIMENTS ON SOLAR DRYING SLUDGE Liu Min1Zhang Xu1Gu Guowei2Chen Yinguang2Hu Lanfang2 1. Institute of Heating，Ventilation，Air-conditioning and Gas，Tongji University，Shanghai 200092，China; 2. The State Key Lab. of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University，Shanghai 200092，China AbstractA pilot-scale integral solar drying system with water as heat transfer fluid was designed. Experiments were conducted to study drying characteristics of excess sludge of different heights in different seasons. The average sludge moisture content decreased from 88 to 40 in 6 ～14 d during summer，from 91 to 40 in 9 ～26 d in plum rain season，from 88 to 40 in 7 ～17 d in spring，and from 88 to 40 in 7 ～ 19 d in autumn. VSS / TSSwas reduced from 79 to 69 during summer，from 58 to 46 in plum rain season，from 79 to 57 in spring，and from 53 to 49 in autumn. The most unfavorable drying height was 0. 29m in summer，0. 53m in plum rain season，0. 26m in spring，and 0. 31 m in autumn. Compared with a drum dryer，this kind of solar dying system has great economic and environmental effects. Keywordssolar energy;excess sludge;drying characteristics;economic analysis 0引言 利用太阳能干燥市政污泥可以无偿利用丰富的 太阳能资源， 能节约大量的常规能源， 具有较大的经 济与环境效益， 尤其适用于中小型的污水处理厂。S. Janjai 等 ［ 1］设计了一种整体式太阳暖房 用集热板做 暖房屋顶 ， 指出相比较传统的太阳能干燥床， 干燥 周期有较大程度的缩短， 且回收期仅5 a; M. Bux 等 ［ 2］ 测试了全自动化的太阳能干燥装置干化市政发酵污 泥的情况， 这套 装置 每 干燥1 t的 污 泥 水分仅 消耗 22 ～ 28 kWh 电能， 而用传统的干燥方法干燥却 需消耗 70 ～ 110 kWh 的电能。 国内利用太阳能干燥污泥的试验研究较少 ［ 3- 7］， 为此， 本研究设计了一种以热水为干燥介质的整体式 太阳能干燥污泥的中试系统， 研究在不同外界环境条 件下， 污泥的厚度与干燥时间的关系， 从而确定相应 的最不利干燥厚度。通过测试干燥过程中 w VSS / w TSS 的变化， 了解污泥内有机物的降解规律。 1中试装置和试验方案 1. 1中试装置 整体式太阳能干燥装置的原理图和干燥室布置 图分别见图 1 和图 2。干燥室共两层， 两边及后面均 用塑料板制作， 内壁涂上黑漆， 顶部和正面为玻璃。 物料盘 尺寸为1 m 1 m 上铺设厚5 cm， 粒径为 10 ～ 25 mm的矿渣和砾石。再在其上铺设厚5 cm， 粒 径为 0. 5 ～ 1. 5 mm的细砂。这两层构成了渗滤层。 供热水管埋在渗滤层中间。物料盘底部连接塑料瓶， 用来盛接污泥的渗滤水。测试样本放置在渗滤层上。 真空管 集 热 器 的 有 效 面 积 为 2. 58 m2， 朝 南 倾 斜 97 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 33. 27， 温室总采光面积为4. 5 m2。 图 1整体式太阳能干燥装置 图 2干燥室布置 太阳能干燥一般以空气为介质 ［ 8］， 而本系统采 用热水作为干燥介质， 这样的设计一方面能提高干燥 效率， 因为水的强制对流换热系数是空气的 50 倍 ～ 150 倍， 换热更充分， 另外污泥覆盖在热水管上， 只有 少量热量传递给污泥周围的空气， 从而减少了热气体 带走的热损失; 另一方面水的热量主要以垂直方式穿 过污泥层， 污泥干燥较均匀。Adjar paratoto ［ 9］设计了 两种太阳能干燥装置 辐射对流型和太阳能热水干 燥器， 从干化后的质量和数量来看， 太阳能热水干燥 器的效率更高， 且能提供更高的干燥温度。 1. 2试验对象 选用剩余污泥作为研究对象， 取自江苏某污水处 理厂的压滤污泥。两种污泥干燥前的性质见表 1。 污泥用不同高度的柱状不锈钢 丝 网篓 网 孔 尺寸 1 mm 1 mm 盛装， 网篓直径均为25 cm。每组试验 均考察不同的干燥厚度对污泥干燥速率的影响。 1. 3试验设计 试验从每天 8∶ 30 进行到 16∶ 30， 每隔4 h测试一 次系统的供回水温度、 污泥温度、 干燥室内风速及温 湿度、 室外风速、 室外温湿度和进排风口温湿度， 试验 开始和结束时用电子计价秤 型号 ACS － 30A， 精度 10 g 称量污泥的重量， 同时记录辐射 总 量 和 总 支 表 1干燥初始时污泥的性质 试验日期 月 － 日 厚度 /m 初始质量 / kg 初始 w VSS /w TSS 初始含水 率 / 03 － 180. 051. 3879. 488. 3 0. 102. 8079. 488. 3 04 － 110. 257. 2179. 488. 3 0. 329. 4479. 488. 3 04 － 220. 051. 2978. 688. 3 0. 102. 6478. 688. 3 05 － 090. 257. 1278. 688. 3 0. 329. 4078. 688. 3 07 － 040. 102. 6556. 891. 0 0. 257. 0456. 891. 0 08 － 190. 4011. 3256. 891. 0 0. 6017. 4756. 891. 0 09 － 200. 051. 5553. 186. 7 0. 103. 0153. 186. 7 10 － 100. 257. 7353. 186. 7 0. 4012. 4953. 186. 7 管的水表读数。污泥每天搅拌 2 次。每隔 4 ～ 5 d取 样测试污泥的 w VSS /w TSS 。 污泥的最终用途作 化肥， 因此当所有的样本达到目的含水率 40 时即 停止试验。 1. 4分析方法 由于污泥干燥问题的复杂性， 目前尚不能利用纯 理论方法得到解析解， 因此本文的分析方法如下 1. 4. 1通过干燥曲线分析污泥的干燥过程 干燥曲线是污泥干基含湿量 M 随干燥时间 t 的 变化曲线图。污泥的干基含湿量 M 的计算如式 1 M m － ms ms 1 式中m 湿污泥的质量， kg; ms 干污泥的质量， kg。 表示污泥湿含量的另一种方法是湿基含湿量 w， 其计算式为 w m － ms m 。本文的干燥曲线只显示污 泥从初始含水率降到 40 的干燥过程。 1. 4. 2通过计算单位污泥干燥量评价污泥的干燥 速率 单位污泥干燥量 D 的计算， 见式 2 D Δm s md s Δt 2 08 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 式中 Δm s 污泥从初始含水率降低至目标含水 率 40 的质量变化量， kg; mds 干污泥的质量， kg; Δt 污泥从初始含水率降低至目标含水 率 40 所用的时间， h。 1. 4. 3通过 w VSS /w TSS 的变化分析污泥干燥 过程中有机物降解规律 VSS 指污泥中挥发性固体含量， 对于剩余活性污 泥而言， 主要由细菌、 真菌、 原生动物及后生动物组 成 ［ 6］， 能反映污泥的稳定性。室外温度， 白天系统的 供水温度和室内温度在夏季分别9. 4 ℃ 和3. 6 ℃ ， 在 梅雨季节分别6. 8 ℃ 和1. 4 ℃ ， 在春季分别8. 3 ℃ 和 3. 2 ℃ ， 在秋季分别9. 9 ℃ 和1. 6 ℃ 。 2试验结果和分析 2. 1试验工况 由于干燥参数受太阳辐射量和环境影响不断变 化， 试验工况取其平均值。 2. 2干燥曲线的变化 以秋季污泥的干燥曲线为例， 如图 3 所示， 各个 厚度的污泥在干燥过程中都出现了很明显的恒速干 燥阶段， 这与目的含水率较高有关， 更重要的是因为 干燥系统采用水作为供热介质， 污泥的干燥较均匀所 致。热量的传递方向主要是从污泥底面传到其内部， 同时被水加热的空气与污泥四周进行热传递， 而不是 直接以空气为供热介质 热量传递方向从污泥表面 传入内部 。 图 309 － 2010 － 10 不同厚度污泥的干燥曲线 2. 3各季节污泥的干燥速率及 w VSS /w TSS 的 变化 各季节污泥的单位干燥量和干燥结束时w VSS / w TSS 的值见表 2。可见， 污泥的厚度越大， 干燥速率 越慢， 但因为干燥条件不同， 各季节的最不利干燥厚度 也不一样， 夏季的最不利厚度为0. 29 m， 梅雨季节为 0. 53 m， 春季为0. 26 m， 秋季为0. 31 m。因此， 当干燥 条件越不利时， 污泥的干燥厚度要越小， 反之干燥厚度 表 2各季节污泥的单位干燥量和 w VSS /w TSS 降低量 试验日期 月 － 日 厚度 / m 污泥干燥量 / kgkg － 1h 干燥结束时 w VSS /w TSS / w VSS /w TSS 减少量 / 03 － 180. 100. 021959. 120. 3 04 － 110. 250. 015770. 68. 9 0. 320. 014362. 616. 8 04 － 220. 100. 041070. 87. 8 05 － 090. 250. 026068. 210. 5 0. 320. 022067. 511. 1 07 － 040. 250. 010447. 59. 2 08 － 190. 600. 004939. 717. 0 09 － 200. 100. 017850. 92. 2 10 － 100. 250. 012749. 04. 1 0. 400. 011046. 96. 1 取得较大有利于热量的充分利用， 从而提高干燥效 率。从表 2 可以 看 出， 不同厚度污泥的 w VSS / w TSS 变化规律不是很强， 这是由于测试的泥量较 大导致采用取样法测试 w VSS /w TSS 存在较大的 误差， 但有一点是很明确的， 即 w VSS /w TSS 减少 程度主要受干燥时间和初始 w VSS /w TSS 的影 响， 干燥时间越长， w VSS /w TSS 值降得越大; 初 始w VSS /w TSS 越大， w VSS /w TSS 变化越 明显。 3效益分析 某污水处理厂排泥量10 t/d， 污泥初始含水率为 88 ， 要求干化后污泥含水率达到 40 ， 以便污泥能 够作为农用化肥的配料或直接做化肥。采用两层的 整体式太阳能干燥装置和转鼓式干燥器两种工艺， 综 合效益的比较见表 3。环境成本的计算按参考文献 ［ 10］ 中单位能源生命周期清单， 表 3 中未计入污泥 干燥过程中排出废气的处理费用。 表 3两种干燥方式的综合效益比较 项目 整体式太阳 能干燥装置 直接干化型 转鼓式干燥器 干燥周期 /h 52. 810. 0 使用年限 /a 1525 总占地面积 /㎡29052 初投资 /万元68. 87. 0 年运行费用 /万元3. 640. 0 年计算费用 不计环境成本/万元11. 340. 5 污泥的干燥费用 不计环境成本/ 元t － 1 68. 0111. 1 污染治理费用 只考虑大气污染物/万元12. 25. 2 年计算费用 计入环境成本/万元23. 591. 6 干燥污泥的环境成本 / 元t － 1 73. 6140. 0 污泥的干燥费用 计入环境成本/ 万元t － 1 141. 6251. 0 18 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 从表 3 可以看出， 这种整体式太阳能干燥装置虽 然初投资约为转鼓式干燥器的 10 倍， 但每吨污泥的 干燥费用只有它的 3 /5， 当考虑污染物的治理成本 时， 干燥每吨污泥的环境成本只有转鼓式干燥器的 1 /2， 每吨污泥的综合干燥成本约为它的 13 /25。可 见， 采用热水型的太阳能整体干燥装置干化污泥是一 种经济环保的方法。 4结论 1 采用热水型的整体式太阳能干燥中试系统， 夏季湿污泥的含水率从 88 降到 40 需要 6 ～ 14 d， w VSS /w TSS 从 79 降到 69 ; 梅雨季节含水率 从 91 降到 40 需要 9 ～ 26 d， w VSS /w TSS 从 58 降到 46 ; 春季含水率从 88 降到 40 需要 7 ～ 17 d， w VSS /w TSS 从 79 降到 57 ; 秋季含 水率 从 88 降 到 40 需 要 7 ～ 19 d，w VSS / w TSS 从 53 降到 49 。 2 夏季的最不利干燥厚度为0. 29 m， 梅雨季节 为0. 53 m， 春季为0. 26 m， 秋季为0. 31 m。 3 相比转鼓式干燥器， 采用太阳能干燥装置干 化污泥时， 每吨污泥的环境成本只有转鼓式干燥器的 1 /2， 每吨污泥的综合干燥成本是它的 13 /25。 参考文献 ［1 ］ Janjai S，Srisittipokakun N，Bala B K. 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