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?，F代社會(huì )要求不斷增進(jìn)污水的處理導致污泥產(chǎn)量大量增加使得其處置管理不斷地受到挑戰。[1]我國現有城市污水處理廠(chǎng)300多座，日處理污水能力達1000余萬(wàn)噸。日產(chǎn)干污泥量2200～3200噸(從上海污水廠(chǎng)調查情況看，2.2～3.2噸干物質(zhì)/萬(wàn)噸污水)，而我國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，又不對環(huán)境構成二次污染，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。從目前國內外的情況看，污泥處置應用最多的有農用、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(cháng)的養分和大量的有機物質(zhì)。它所含的全氮、磷、鉀等和廄肥大致相似，所以污泥的農用受到各國的普遍重視。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變成可儲存和散布的產(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備有接觸式干燥器和對流式干燥器，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備將具有廣闊的應用前景。
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能量供應和費用 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)勢必須達到下列要求：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對運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變成可儲存和散布的產(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。依據供熱的類(lèi)型，傳統的干燥方法有：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(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。在使用熱蒸汽運行的封閉系統中，一個(gè)冷凝器冷凝多余的蒸汽。在開(kāi)放系統，煙道氣以蒸汽的形式排出干燥設備。在接觸干燥中，熱能直接導入被干燥物料。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部加熱特點(diǎn)和抽風(fēng)機形成負壓對流，使濾餅內外產(chǎn)生壓力梯度排出水分達到加速干燥目的，干燥設備的抽風(fēng)系統一方面可以對流帶走水分，另一方面使干燥器中形成負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)達到節能滅菌的效果，實(shí)現清潔生產(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)熱依據實(shí)際蒸發(fā)水分的百分比計算最大的份額。熱損失依據使用過(guò)程的類(lèi)型。圖2左圖顯示傳統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(shí)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?chē)橘|(zhì)，然后再使熱量由外層傳導到內層以蒸發(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(guò)物料的，熱經(jīng)濟性較好。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(guò)對流和傳導等中間介質(zhì)作為熱的媒質(zhì)，而是直接深入到物料內部加熱的，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
根據文獻[6]微波干燥機理的描述，經(jīng)過(guò)初始預熱階段(由開(kāi)始加熱到溫度恒定段)的時(shí)間：
進(jìn)入對物料內部濕分遷移做出重要貢獻階段的內部壓力分布及濕物料的干燥規律：
分析表明，微波加熱干燥是由于物料內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)間內得到滿(mǎn)意的滅菌效果。根據文獻[7]假定的熱滅活動(dòng)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(dòng)幾度就能導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：微波深入到物料內部均勻加熱，均勻的溫度分布使病原體無(wú)法在冷區殘活；快速的加熱和均勻的濕度分布使微菌無(wú)法逃離高溫區；微波能轉化的機械能足以殺滅病菌。
4、微波干燥的技術(shù)路線(xiàn)
采用理論與實(shí)驗相結合的方法，首先對國內外污泥干燥技術(shù)進(jìn)行調研分析，在此基礎上設計實(shí)驗設備，包括微波干燥器、抽風(fēng)系統、測試系統并進(jìn)行制造加工，然后進(jìn)行實(shí)驗采集數據并進(jìn)行分析研究，補充實(shí)驗找出最佳工藝參數。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)濟效益分析并提供中試設備方案。
進(jìn)行微波干燥污泥濾餅實(shí)驗，就是為了研究污泥濾餅在微波干燥設備條件下，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(guān)數學(xué)模型，為生產(chǎn)實(shí)踐提供依據，為進(jìn)一步進(jìn)行深入的理論研究提供基礎。據此，我們將實(shí)驗的定量指標定為干燥速率(以整個(gè)干燥過(guò)程的平均速率為準)。同時(shí)也將每種工況下的總能耗做為定量指標。而將產(chǎn)品的質(zhì)量(滅菌效果、疏松度)定為定性指標。分別求出有關(guān)的數學(xué)模型。為了使實(shí)驗研究的結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)驗工況，無(wú)謂地增加實(shí)驗工作量。在這里我們引入試驗的優(yōu)化技術(shù)——多元線(xiàn)性回歸正交設計試驗進(jìn)行實(shí)驗工況的區段性研究。對于本實(shí)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(shí)，在回歸正交設計時(shí)，我們將考慮微波功率與干燥室中真空度的交互作用。據此，根據優(yōu)化試驗方法選出有代表性的工況實(shí)驗點(diǎn)以全面反映整個(gè)區段的情況，提高了實(shí)驗的可靠性，更便于尋求最優(yōu)生產(chǎn)工況。
5、結語(yǔ)
通過(guò)研制微波干燥污泥濾餅小型實(shí)驗設備，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，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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