1、引言
污水厂污泥是生化法污水处理过程中不可避免的二次污染物，而它的高含水率与难脱水性成为其处理和利用的主要障碍。现代社会要求不断增进污水的处理导致污泥产量大量增加使得其处置管理不断地受到挑战。[1]我国现有城市污水处理厂300多座，日处理污水能力达1000余万吨。日产干污泥量2200～3200吨（从上海污水厂调查情况看，2.2～3.2吨干物质/万吨污水），而我国目前城市污水年排放量近200亿吨，在未来的几年里，污水处理设施和处理程度都将会有较大提高，年产污泥量将会十分惊人。[3]如何有效地处置日益增加的污泥，既不使成本过高，又不对环境构成二次污染，是环境工程界最为关注的课题之一。
一种有效的处置方法，应该能够兼顾到环境生态效益与处置成本的均衡。从目前国内外的情况看，污泥处置应用最多的有农用、填埋、焚烧等几种。污泥是一种十分有效的生物资源，它含有丰富的有益于植物生长的养分和大量的有机物质。它所含的全氮、磷、钾等和厩肥大致相似，所以污泥的农用受到各国的普遍重视。污泥通过干燥制成颗粒肥料或同时加入化肥制成混合肥料进入市场销售的办法，可以达到既可以安全、方便使用又可以平衡污泥处置费用的目的。污泥制肥农用符合废物回用的世界性思潮，可能是一种优先采用的最终处置选择。[2][3]因此，开发新型高效的污泥干燥制肥技术是解决城市污水处理厂污泥出路难，促使污泥减量化、无害化、资源化的重要途径之一。
干燥能够把新鲜污泥转变成可储存和散布的产品，选择干燥过程需要考虑以最小的投资、最小的能耗和最少的污染物排放产生允许进一步使用的清洁产品，同时对运行和管理需要较低的材料和技能要求。目前成型的污泥干燥设备有接触式干燥器和对流式干燥器，它们各有特点。一些研究者也开发了红外干燥器、喷射燃烧干燥器等。[3][4]微波环保技术是微波处理技术与环境资源回收利用技术的新兴交叉技术。它是一种节能增效的清洁技术，可用于处理传染性废物、消除土壤污染、制取环保用材料等。[5]微波干燥和灭菌技术应用于中小型污水厂污泥的就地处置制肥，将具有快速、高效、环境资源回收率高、省时节能、成本低等优点，因此，开发小型微波干燥污泥滤饼制造颗粒肥料设备将具有广阔的应用前景。
2、干燥方法及特点
热干燥污水污泥是污泥处理的一种简单方法。选择污泥干燥过程是基于以下这些最重要的条件：①能量供应和费用 ②地点③厂址④污泥的进一步使用。污泥干燥过程最终占有优势必须达到下列要求：①最少的污染物排放②借助剩余湿分和颗粒尺寸，产生的一定量产品允许进一步使用③用最小的能耗产生清洁产品④对运行和管理需要较低的材料和技能要求⑤最小的资本投资额。
干燥可以把新鲜污水污泥转变成可储存和散布的产品。干燥要求一个能量源：加热油，天然气，或沼气，并且特别感兴趣有效的沼气或可获得于污泥或焚化垃圾炉的废热。依据供热的类型，传统的干燥方法有：接触干燥（包括薄膜干燥器、盘式干燥器、硫化床干燥器）、对流干燥器（包括滚筒干燥器、悬浮干燥器、多层干燥器、带式干燥器）。在对流干燥中，干燥介质（烟道气、过热蒸汽或蒸汽或空气）直接与污泥接触并吸收来自污泥的水蒸气。在使用热蒸汽运行的封闭系统中，一个冷凝器冷凝多余的蒸汽。在开放系统，烟道气以蒸汽的形式排出干燥设备。在接触干燥中，热能直接导入被干燥物料。污泥和热介质由耐压水管排分离。通过机械手段污泥保持与管壁的直接接触，在污泥中的水蒸发。
微波干燥是利用微波内部加热特点和抽风机形成负压对流，使滤饼内外产生压力梯度排出水分达到加速干燥目的，干燥设备的抽风系统一方面可以对流带走水分，另一方面使干燥器中形成负压防止了恶臭气体的散逸，干燥产品疏松易于破碎制成颗粒肥料，利用微波低温加热和均匀加热的特点达到节能灭菌的效果，实现清洁生产。
通常对污泥干燥的热量要求包括2.26MJ/KG的蒸汽焓（相对于被蒸发的水分）和正在加热污泥的焓差，如从30--100℃。蒸发热依据实际蒸发水分的百分比计算最大的份额。热损失依据使用过程的类型。图2左图显示传统对流干燥器的能量流，热损失主要由潜在的汽化热损失和烟道气中实际热损失确定。烟道气中携带的热量需要经对流传热到物料周围介质，然后再使热量由外层传导到内层以蒸发其中的水分，这个过程需要耗用较多的能量和时间。同时出口气体中的大量显热损失大大降低了其热效率。中图显示利用对流空气和蒸汽排气的接触干燥器的能量流，与对流干燥器比较，气体散发损失是比较小的。蒸发水分的热量是从热表面经过物料的，热经济性较好。因此接触干燥器优于对流干燥器。图2右图显示微波干燥器能量流，微波能不需要经过对流和传导等中间介质作为热的媒质，而是直接深入到物料内部加热的，能量损失小于接触干燥器和对流干燥器。
3、微波干燥的理论依据
根据文献[6]微波干燥机理的描述，经过初始预热阶段（由开始加热到温度恒定段）的时间：
进入对物料内部湿分迁移做出重要贡献阶段的内部压力分布及湿物料的干燥规律：
分析表明，微波加热干燥是由于物料内部的极性分子受电磁场的作用而发生振动摩擦产生热能。毛细多孔物料中的水分迅速蒸发产生一个总压梯度来推动湿分的传递。同时，构成微生物的各种高分子极性基、可动性基等在微波电磁场作用下激烈地回转与振动，使蛋白质以及核酸等产生变异，从而杀灭病菌。因此，可以在低温和较短时间内得到满意的灭菌效果。根据文献[7]假定的热灭活动力学一级衰减模型：
表明热灭活受很大的温度影响，将温度移动几度就能导致热灭活率的明显改变。微波干燥过程可以较好地符合上述模型计算的病原体灭活量并有可能增加灭活量。这是由于：微波深入到物料内部均匀加热，均匀的温度分布使病原体无法在冷区残活；快速的加热和均匀的湿度分布使微菌无法逃离高温区；微波能转化的机械能足以杀灭病菌。
4、微波干燥的技术路线
采用理论与实验相结合的方法，首先对国内外污泥干燥技术进行调研分析，在此基础上设计实验设备，包括微波干燥器、抽风系统、测试系统并进行制造加工，然后进行实验采集数据并进行分析研究，补充实验找出最佳工艺参数。进行理论分析建立干燥过程中在污泥滤饼中微波电磁场与热质传递的偶合模型。进行经济效益分析并提供中试设备方案。
进行微波干燥污泥滤饼实验，就是为了研究污泥滤饼在微波干燥设备条件下，探求我们关心的干燥过程的周期、能耗及产品质量三大要素所受干燥条件的影响程度，寻找出描述这一干燥过程的宏观数学模型，为生产实践提供依据，为进一步进行深入的理论研究提供基础。据此，我们将实验的定量指标定为干燥速率（以整个干燥过程的平均速率为准）。同时也将每种工况下的总能耗做为定量指标。而将产品的质量（灭菌效果、疏松度）定为定性指标。分别求出有关的数学模型。为了使实验研究的结果具有广泛的代表性和可靠性，而避免带有盲目性的选择实验工况，无谓地增加实验工作量。在这里我们引入试验的优化技术——多元线性回归正交设计试验进行实验工况的区段性研究。对于本实验的具体情况，我们将控制的因素，亦即干燥条件定为微波功率、干燥室中真空度、干燥室中干湿球温度、排气干湿球温度、污泥滤饼量等因素。同时，在回归正交设计时，我们将考虑微波功率与干燥室中真空度的交互作用。据此，根据优化试验方法选出有代表性的工况实验点以全面反映整个区段的情况，提高了实验的可靠性，更便于寻求最优生产工况。
5、结语
通过研制微波干燥污泥滤饼小型实验设备，探索微波干燥污泥能量利用效果和杀灭致病菌、寄生虫卵效果最佳工艺参数，建立干燥过程中微波电磁场与热质传递的偶合模型并考虑与灭菌效果的关系，提供中试设备方案，为解决城市污水处理厂污泥出路难，促使污泥减量化、无害化、资源化提供重要途径。
6/30/2009
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