污泥制造顆粒肥料應(yīng)用微波干燥技術(shù)

     污泥是生化法污水處理過程中不可避免的二次污染物，而它的高含水率與難脫水性成為其處理和利用的主要障礙。現(xiàn)代社會要求不斷增進(jìn)污水的處理導(dǎo)致污泥產(chǎn)量大量增加使得其處置管理不斷地受到挑戰(zhàn)。[1]我國現(xiàn)有城市污水處理廠300多座，日處理污水能力達(dá)1000余萬噸。日產(chǎn)干污泥量2200～3200噸（從上海污水廠調(diào)查情況看，2.2～3.2噸干物質(zhì)/萬噸污水），而我國目前城市污水年排放量近200億噸，在未來的幾年里，污水處理設(shè)施和處理程度都將會有較大提高，年產(chǎn)污泥量將會十分驚人。[3]如何有效地處置日益增加的污泥，既不使成本過高，又不對環(huán)境構(gòu)成二次污染，是環(huán)境工程界zui為關(guān)注的課題之一。

      一種有效的處置方法，應(yīng)該能夠兼顧到環(huán)境生態(tài)效益與處置成本的均衡。從目前國內(nèi)外的情況看，污泥處置應(yīng)用zui多的有農(nóng)用、填埋、焚燒等幾種。污泥是一種十分有效的生物資源，它含有豐富的有益于植物生長的養(yǎng)分和大量的有機(jī)物質(zhì)。它所含的全氮、磷、鉀等和廄肥大致相似，所以污泥的農(nóng)用受到各國的普遍重視。污泥通過干燥制成顆粒肥料或同時加入化肥制成混合肥料進(jìn)入市場銷售的辦法，可以達(dá)到既可以安全、方便使用又可以平衡污泥處置費用的目的。污泥制肥農(nóng)用符合廢物回用的世界性思潮，可能是一種優(yōu)先采用的zui終處置選擇。[2][3]因此，開發(fā)新型的污泥干燥制肥技術(shù)是解決城市污水處理廠污泥出路難，促使污泥減量化、無害化、資源化的重要途徑之一。

      干燥能夠把新鮮污泥轉(zhuǎn)變成可儲存和散布的產(chǎn)品，選擇干燥過程需要考慮以zui小的投資、zui小的能耗和zui少的污染物排放產(chǎn)生允許進(jìn)一步使用的清潔產(chǎn)品，同時對運行和管理需要較低的材料和技能要求。目前成型的污泥干燥設(shè)備有接觸式干燥器和對流式干燥器，它們各有特點。一些研究者也開發(fā)了紅外干燥器、噴射燃燒干燥器等。[3][4]微波環(huán)保技術(shù)是微波處理技術(shù)與環(huán)境資源回收利用技術(shù)的新興交叉技術(shù)。它是一種節(jié)能增效的清潔技術(shù)，可用于處理傳染性廢物、消除土壤污染、制取環(huán)保用材料等。[5]微波干燥和滅菌技術(shù)應(yīng)用于中小型污水廠污泥的就地處置制肥，將具有快速、、環(huán)境資源回收率高、省時節(jié)能、成本低等優(yōu)點，因此，開發(fā)小型微波干燥污泥濾餅制造顆粒肥料設(shè)備將具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、干燥方法及特點 

      熱干燥污水污泥是污泥處理的一種簡單方法。選擇污泥干燥過程是基于以下這些zui重要的條件：①能量供應(yīng)和費用 ②地點③廠址④污泥的進(jìn)一步使用。污泥干燥過程zui終占有優(yōu)勢必須達(dá)到下列要求：①zui少的污染物排放②借助剩余濕分和顆粒尺寸，產(chǎn)生的一定量產(chǎn)品允許進(jìn)一步使用③用zui小的能耗產(chǎn)生清潔產(chǎn)品④對運行和管理需要較低的材料和技能要求⑤zui小的資本投資額。

       干燥可以把新鮮污水污泥轉(zhuǎn)變成可儲存和散布的產(chǎn)品。干燥要求一個能量源：加熱油，天然氣，或沼氣，并且特別感興趣有效的沼氣或可獲得于污泥或焚化垃圾爐的廢熱。依據(jù)供熱的類型，傳統(tǒng)的干燥方法有：接觸干燥（包括薄膜干燥器、盤式干燥器、硫化床干燥器）、對流干燥器（包括滾筒干燥器、懸浮干燥器、多層干燥器、帶式干燥器）。在對流干燥中，干燥介質(zhì)（煙道氣、過熱蒸汽或蒸汽或空氣）直接與污泥接觸并吸收來自污泥的水蒸氣。在使用熱蒸汽運行的封閉系統(tǒng)中，一個冷凝器冷凝多余的蒸汽。在開放系統(tǒng)，煙道氣以蒸汽的形式排出干燥設(shè)備。在接觸干燥中，熱能直接導(dǎo)入被干燥物料。污泥和熱介質(zhì)由耐壓水管排分離。通過機(jī)械手段污泥保持與管壁的直接接觸，在污泥中的水蒸發(fā)。

       微波干燥是利用微波內(nèi)部加熱特點和抽風(fēng)機(jī)形成負(fù)壓對流，使濾餅內(nèi)外產(chǎn)生壓力梯度排出水分達(dá)到加速干燥目的，干燥設(shè)備的抽風(fēng)系統(tǒng)一方面可以對流帶走水分，另一方面使干燥器中形成負(fù)壓防止了惡臭氣體的散逸，干燥產(chǎn)品疏松易于破碎制成顆粒肥料，利用微波低溫加熱和均勻加熱的特點達(dá)到節(jié)能滅菌的效果，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

      通常對污泥干燥的熱量要求包括2.26MJ/KG的蒸汽焓（相對于被蒸發(fā)的水分）和正在加熱污泥的焓差，如從30--100℃。蒸發(fā)熱依據(jù)實際蒸發(fā)水分的百分比計算zui大的份額。熱損失依據(jù)使用過程的類型。圖2左圖顯示傳統(tǒng)對流干燥器的能量流，熱損失主要由潛在的汽化熱損失和煙道氣中實際熱損失確定。煙道氣中攜帶的熱量需要經(jīng)對流傳熱到物料周圍介質(zhì)，然后再使熱量由外層傳導(dǎo)到內(nèi)層以蒸發(fā)其中的水分，這個過程需要耗用較多的能量和時間。同時出口氣體中的大量顯熱損失大大降低了其熱效率。中圖顯示利用對流空氣和蒸汽排氣的接觸干燥器的能量流，與對流干燥器比較，氣體散發(fā)損失是比較小的。蒸發(fā)水分的熱量是從熱表面經(jīng)過物料的，熱經(jīng)濟(jì)性較好。因此接觸干燥器優(yōu)于對流干燥器。圖2右圖顯示微波干燥器能量流，微波能不需要經(jīng)過對流和傳導(dǎo)等中間介質(zhì)作為熱的媒質(zhì)，而是直接深入到物料內(nèi)部加熱的，能量損失小于接觸干燥器和對流干燥器。

3、微波干燥的理論依據(jù) 

     根據(jù)文獻(xiàn)[6]微波干燥機(jī)理的描述，經(jīng)過初始預(yù)熱階段（由開始加熱到溫度恒定段）的時間：

進(jìn)入對物料內(nèi)部濕分遷移做出重要貢獻(xiàn)階段的內(nèi)部壓力分布及濕物料的干燥規(guī)律：

      分析表明，微波加熱干燥是由于物料內(nèi)部的極性分子受電磁場的作用而發(fā)生振動摩擦產(chǎn)生熱能。毛細(xì)多孔物料中的水分迅速蒸發(fā)產(chǎn)生一個總壓梯度來推動濕分的傳遞。同時，構(gòu)成微生物的各種高分子極性基、可動性基等在微波電磁場作用下激烈地回轉(zhuǎn)與振動，使蛋白質(zhì)以及核酸等產(chǎn)生變異，從而殺滅病菌。因此，可以在低溫和較短時間內(nèi)得到滿意的滅菌效果。根據(jù)文獻(xiàn)[7]假定的熱滅活動力學(xué)一級衰減模型：

      表明熱滅活受很大的溫度影響，將溫度移動幾度就能導(dǎo)致熱滅活率的明顯改變。微波干燥過程可以較好地符合上述模型計算的病原體滅活量并有可能增加滅活量。這是由于：微波深入到物料內(nèi)部均勻加熱，均勻的溫度分布使病原體無法在冷區(qū)殘活；快速的加熱和均勻的濕度分布使微菌無法逃離高溫區(qū)；微波能轉(zhuǎn)化的機(jī)械能足以殺滅病菌。

4、微波干燥的技術(shù)路線

      采用理論與實驗相結(jié)合的方法，首先對國內(nèi)外污泥干燥技術(shù)進(jìn)行調(diào)研分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計實驗設(shè)備，包括微波干燥器、抽風(fēng)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)并進(jìn)行制造加工，然后進(jìn)行實驗采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析研究，補充實驗找出*工藝參數(shù)。進(jìn)行理論分析建立干燥過程中在污泥濾餅中微波電磁場與熱質(zhì)傳遞的偶合模型。進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析并提供中試設(shè)備方案。

      進(jìn)行微波干燥污泥濾餅實驗，就是為了研究污泥濾餅在微波干燥設(shè)備條件下，探求我們關(guān)心的干燥過程的周期、能耗及產(chǎn)品質(zhì)量三大要素所受干燥條件的影響程度，尋找出描述這一干燥過程的宏觀數(shù)學(xué)模型，為生產(chǎn)實踐提供依據(jù)，為進(jìn)一步進(jìn)行深入的理論研究提供基礎(chǔ)。據(jù)此，我們將實驗的定量指標(biāo)定為干燥速率（以整個干燥過程的平均速率為準(zhǔn)）。同時也將每種工況下的總能耗做為定量指標(biāo)。而將產(chǎn)品的質(zhì)量（滅菌效果、疏松度）定為定性指標(biāo)。分別求出有關(guān)的數(shù)學(xué)模型。為了使實驗研究的結(jié)果具有廣泛的代表性和可靠性，而避免帶有盲目性的選擇實驗工況，無謂地增加實驗工作量。在這里我們引入試驗的優(yōu)化技術(shù)——多元線性回歸正交設(shè)計試驗進(jìn)行實驗工況的區(qū)段性研究。對于本實驗的具體情況，我們將控制的因素，亦即干燥條件定為微波功率、干燥室中真空度、干燥室中干濕球溫度、排氣干濕球溫度、污泥濾餅量等因素。同時，在回歸正交設(shè)計時，我們將考慮微波功率與干燥室中真空度的交互作用。據(jù)此，根據(jù)優(yōu)化試驗方法選出有代表性的工況實驗點以全面反映整個區(qū)段的情況，提高了實驗的可靠性，更便于尋求*生產(chǎn)工況。

5、結(jié)語 

      通過研制微波干燥污泥濾餅小型實驗設(shè)備，探索微波干燥污泥能量利用效果和殺滅致病菌、寄生蟲卵效果*工藝參數(shù)，建立干燥過程中微波電磁場與熱質(zhì)傳遞的偶合模型并考慮與滅菌效果的關(guān)系，提供中試設(shè)備方案，為解決城市污水處理廠污泥出路難，促使污泥減量化、無害化、資源化提供重要途徑。