污泥是生化法污水處理過(guò)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(huì)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(guó)現(xiàn)有城市污水處理廠(chǎng)300多座，日處理污水能力達(dá)1000余萬(wàn)噸。日產(chǎn)干污泥量2200～3200噸(從上海污水廠(chǎng)調(diào)查情況看，2.2～3.2噸干物質(zhì)/萬(wàn)噸污水)，而我國(guó)目前城市污水年排放量近200億噸，在未來(lái)的幾年里，污水處理設(shè)施和處理程度都將會(huì)有較大提高，年產(chǎn)污泥量將會(huì)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(guò)高，又不對(duì)環(huán)境構(gòu)成二次污染，是環(huán)境工程界最為關(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(guó)內(nèi)外的情況看，污泥處置應(yīng)用最多的有農(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(zhǎng)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(guó)的普遍重視。污泥通過(guò)干燥制成顆粒肥料或同時(shí)加入化肥制成混合肥料進(jìn)入市場(chǎng)銷(xiāo)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(fèi)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)先采用的最終處置選擇。[2][3]因此，開(kāi)發(fā)新型高效的污泥干燥制肥技術(shù)是解決城市污水處理廠(chǎng)污泥出路難，促使污泥減量化、無(wú)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(chǔ)存和散布的產(chǎn)品，選擇干燥過(guò)程需要考慮以最小的投資、最小的能耗和最少的污染物排放產(chǎn)生允許進(jìn)一步使用的清潔產(chǎn)品，同時(shí)對(duì)運(yùn)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(duì)流式干燥器，它們各有特點(diǎn)。一些研究者也開(kāi)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(chǎng)污泥的就地處置制肥，將具有快速、高效、環(huán)境資源回收率高、省時(shí)節(jié)能、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此，開(kāi)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(diǎn)
熱干燥污水污泥是污泥處理的一種簡(jiǎn)單方法。選擇污泥干燥過(guò)程是基于以下這些最重要的條件：①能量供應(yīng)和費(fèi)用 ②地點(diǎn)③廠(chǎng)址④污泥的進(jìn)一步使用。污泥干燥過(guò)程最終占有優(yōu)勢(shì)必須達(dá)到下列要求：①最少的污染物排放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用最小的能耗產(chǎn)生清潔產(chǎn)品④對(duì)運(yùn)行和管理需要較低的材料和技能要求⑤最小的資本投資額。
干燥可以把新鮮污水污泥轉(zhuǎn)變成可儲(chǔ)存和散布的產(chǎn)品。干燥要求一個(gè)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(lèi)型，傳統(tǒng)的干燥方法有：接觸干燥(包括薄膜干燥器、盤(pán)式干燥器、硫化床干燥器)、對(duì)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(duì)流干燥中，干燥介質(zhì)(煙道氣、過(guò)熱蒸汽或蒸汽或空氣)直接與污泥接觸并吸收來(lái)自污泥的水蒸氣。在使用熱蒸汽運(yùn)行的封閉系統(tǒng)中，一個(gè)冷凝器冷凝多余的蒸汽。在開(kāi)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(guò)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(diǎn)和抽風(fēng)機(jī)形成負(fù)壓對(duì)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(duì)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(diǎn)達(dá)到節(jié)能滅菌的效果，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。
通常對(duì)污泥干燥的熱量要求包括2.26MJ/KG的蒸汽焓(相對(duì)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(shí)際蒸發(fā)水分的百分比計(jì)算最大的份額。熱損失依據(jù)使用過(guò)程的類(lèi)型。圖2左圖顯示傳統(tǒng)對(duì)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(shí)際熱損失確定。煙道氣中攜帶的熱量需要經(jīng)對(duì)流傳熱到物料周?chē)橘|(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(gè)過(guò)程需要耗用較多的能量和時(shí)間。同時(shí)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(duì)流空氣和蒸汽排氣的接觸干燥器的能量流，與對(duì)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(guò)物料的，熱經(jīng)濟(jì)性較好。因此接觸干燥器優(yōu)于對(duì)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(guò)對(duì)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(duì)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(guò)初始預(yù)熱階段(由開(kāi)始加熱到溫度恒定段)的時(shí)間：
進(jìn)入對(duì)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(chǎng)的作用而發(fā)生振動(dòng)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(gè)總壓梯度來(lái)推動(dòng)濕分的傳遞。同時(shí)，構(gòu)成微生物的各種高分子極性基、可動(dòng)性基等在微波電磁場(chǎng)作用下激烈地回轉(zhuǎn)與振動(dòng)，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(shí)間內(nèi)得到滿(mǎn)意的滅菌效果。根據(jù)文獻(xiàn)[7]假定的熱滅活動(dòng)力學(xué)一級(jí)衰減模型：
表明熱滅活受很大的溫度影響，將溫度移動(dòng)幾度就能導(dǎo)致熱滅活率的明顯改變。微波干燥過(guò)程可以較好地符合上述模型計(jì)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(wú)法在冷區(qū)殘活；快速的加熱和均勻的濕度分布使微菌無(wú)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(xiàn)
采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，首先對(duì)國(guó)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(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括微波干燥器、抽風(fēng)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行制造加工，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析研究，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)找出最佳工藝參數(shù)。進(jìn)行理論分析建立干燥過(guò)程中在污泥濾餅中微波電磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)，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(guò)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(guò)程的宏觀數(shù)學(xué)模型，為生產(chǎn)實(shí)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(shí)驗(yàn)的定量指標(biāo)定為干燥速率(以整個(gè)干燥過(guò)程的平均速率為準(zhǔn))。同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)工況，無(wú)謂地增加實(shí)驗(yàn)工作量。在這里我們引入試驗(yàn)的優(yōu)化技術(shù)——多元線(xiàn)性回歸正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工況的區(qū)段性研究。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)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(shí)，在回歸正交設(shè)計(jì)時(shí)，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(yàn)方法選出有代表性的工況實(shí)驗(yàn)點(diǎn)以全面反映整個(gè)區(qū)段的情況，提高了實(shí)驗(yàn)的可靠性，更便于尋求最優(yōu)生產(chǎn)工況。
5、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)研制微波干燥污泥濾餅小型實(shí)驗(yàn)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(chóng)卵效果最佳工藝參數(shù)，建立干燥過(guò)程中微波電磁場(chǎng)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(chǎng)污泥出路難，促使污泥減量化、無(wú)害化、資源化提供重要途徑。
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