浅表层地热能污泥干化技术思考
朱华章 王慧
摘要：伴随着全球能源与气候问题的严峻化趋势，地热能作为一种清洁能源，具有无污染、可再生的优势，并且日益受到重视。各国政府积极开展地热能的开发利用研究，目前地热能主要用作发电和建筑物室内供暖制冷。本文提出利用浅表层地热能进行污泥干化，大大降低污泥含水率，便于污泥储存、运输以及处置利用。这一新型处理技术的提出，为污泥干化技术提供了新的处理思路，也为充分利用可再生能源进行固体废弃物处置提供思考，具有显著的环境效益和社会经济效益。
关键词：可再生能源；地热能；污泥干化；地源热泵
中图分类号：X382 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）06-0068-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.041
Abstract： With the global energy and climate issues becoming more and more seriously， geothermal energy， as a clean and renewable energy， has received more attention. The utilization of geothermal energy has been carried out by governments actively. Geothermal energy is mainly used for power generation and indoor heating and cooling presently. This article puts forward to using geothermal energy for sludge drying， reducing the moisture content of the sludge， which makes contribution to storage， transportation and disposal of sludge utilization. This new technologys putting forward， provides a new treatment idea for sludge drying and also provides thinking of making full use of renewable energy to dispose solid waste， which has significant environmental benefits and socio-economic benefits.
Keywords：Renewable energy；Geothermal energy；Sludge drying；Geoexchange system
能源就是向自然界提供能量轉化的物质，经济和社会的发展离不开能源。随着人类对能源需求的不断提高，全世界的能源已面临着过量开发。过量能源开发及使用造成环境污染，使我们赖以生存的环境不断恶化。为此，加强环境保护，降低能源开发及利用造成的环境污染已迫在眉睫。可再生能源替代传统的不可再生能源为这一问题的解决提供了有效的方法。相对于风能、太阳能、地热能、生物质能等可再生能源，地热能作为一种可再生能源，是唯一一种来自地球内部的能量，越来越受到各国政府的重视。
1 地热能
地热能是一种天然的来自于地球内部的热资源，为清洁能源。与煤炭、石油和天然气等传统的化石能源相比，地热能无污染、可再生，且具有稳定可靠、成本低廉、清洁环保等优点，是一种极其宝贵的综合性液态矿产资源。研究表明，地球内部储存的热量远远大于全球煤炭储量，每年约有相当于1000亿桶石油的热量由地球内部经地表散失[1]。地热能作为一种可再生能源，具有较高的能量利用率，在可再生能源领域当中脱颖而出，而目前浅表层地热能开发利用应用较多。
浅表层地热能是指蕴藏在地表下一定深度（一般为200m）范围内的岩土体、地下水等中具有开发利用价值的热能，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。参照国土资源部的评价结果，我国浅表层地热能及水热型地热能资源量折合标准煤为95亿t和8530亿t，每年可利用量相当于3.5亿t和6.4亿t标准煤[2]。
2 浅表层地热能的开发利用
浅表层地热能是在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地热能。随着浅表层地热能的开发利用，可有效降低煤炭等传统能源利用造成的大气污染，并减少大量的燃煤灰渣；对全球CO2减排作用效果明显，在保护环境的同时实现了节能减排，有效缓解了日益增长的能源需求与环境恶化趋势加重的矛盾。
根据相关资料，浅表层地热能可开采量已高出全球年均一次能源消耗总量（500EJ/a）。随着浅表层地热能的地源热泵技术的不断成熟，浅表层地热能得到了大量利用，实现了全球1.5亿t/a的CO2减排量。目前，全球地热直接利用总装机容量为5058万kW，年均增幅为12.3%；对应产能及其年均增幅分别为4.38×1014kJ/年和9.9%[3]。
3 我国浅表层地热能的开发利用现状
我国开采浅表层地热能主要采用地源热泵技术，以地表水、岩土体、地下水等为热源，通过建设地热能收集系统和热泵机组站来提取利用浅表层地热能。我国浅表层地热能技术起步较晚，国内科研单位及高校自20世纪80年代末才开始地源热泵技术的相关研究，经过几十年的努力，发展迅速。2004年我国在世界33个浅表层地热能应用国家中排名靠后，2009年已在世界43个应用国家中跃居第二。
目前我国地热能开发的主要形式是地热发电和地热供暖。地热供暖是指利用地热能替代传统的制冷机和锅炉进行供热制冷，冬季建筑物供暖由热泵机组从地源中吸收热量供给；夏季建筑物的空调制冷由热泵机组从室内吸收热量后转移释放至热源。20世纪90年代后期，北京、山东等开始出现地源热泵应用工程。2008年北京奥运会将地源热泵技术成功应用于鸟巢、水立方等运动场馆。截至2015年，我国已大量开发利用浅表层地热能，其规模已达到4.26×1011kWh，实现标准煤替代量5269万t，占我国浅表层地热能可利用资源总量的14.8%[4]。
4 污泥干化技术
污泥干化是通过渗滤或蒸发等作用，进一步降低污泥含水率的方法。干化处理后的污泥，含水率可大大降低（40%～70%）。目前国内污泥干化技术主要有：新能源干化、设备干化及新技术干化等。新能源干化是利用生物质能、太阳能等新能源进行污泥干化；设备干化是利用反应器或干燥机等设备进行污泥干化；新技术干化主要为污泥干化新技术的研发，如：微波干化、水热干化、污泥低温射流干化等[5]。
本文探讨用新能源进行污泥干化，目前采用的新能源污泥干化技术主要有太阳能干化、微波干化和热液干化。太阳能干化技术是利用太阳能来蒸发污泥中水分，随着太阳能产业在我国的成熟应用，该技术易于推广；不足之处主要为干化效率不高，污泥易厌氧消化，伴有恶臭。
污泥微波干化是采用微波来去除污泥中过量水分。当微波到达污泥表面时，污泥中水分子等极性分子会随着微波高频电场的快速变化而急速旋转，分子间相互摩擦产生热能。这种热能在污泥表面和内部同时产生，因此微波可以使污泥温度迅速升高[6]。微波干化技术的干化效率高，时间短，对重金属有一定稳定作用，但所用设备复杂，不能连续运行。
热液干化技术是将高温高压的热蒸汽与污泥接触瞬间发生液化反应，释放出大量热能，进而使污泥内部结构发生改变，使污泥菌团的细胞结构变性，在进一步脱水过程中，使污泥脱水率大幅提高，污泥体积大幅下降的技术。污泥热液干化技术的干化效率高，且脱水效果好。但对设备要求较高，同时对运行过程中的安全性有更高的要求。
5 利用地热能进行污泥干化
本文提出利用浅表层地热能进行污泥干化的技术发展方向。地表浅层具有较高的太阳能收集能力，通过太阳照射，约有47%的太阳能储存于地表浅层，其每年收集的太阳能是人类年利用能量的500倍。
污泥地热能干化，运用地源热泵技术，采用垂直埋管，以地表水、地下水以及土壤作为热量传输介质，将地下深层土壤的热量传递至地表用于污泥干化热源。在地下50～150m深处安装垂直埋管，实现单组或多组管与热泵机组的连接，密封于塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为污泥干化所需的热量，由地面热量收集系统收集，通过地表下铺设的热水管道将热泵收集的浅层地热能顺管道传输；通过物料机将污泥铺设于污泥干化车间，将浅层地热能用于污泥干化；运用污泥翻抛机对污泥进行翻抛，达到污泥干化效果。
地热能污泥干化装置如下图所示：
該技术不受地域限制，运行成本低，而且充分利用浅表层地热能的数量大、无污染、可再生的优势，为新型污泥干化处理技术，具有良好的市场发展前景。
6 结论
浅表层地热能作为一种蕴藏于地球内部的可再生能源，利用价值巨大。本文提出将浅表层地热能运用于污泥干化，有效利用浅表层地热能的同时，对市政污泥进行干化处理，发展前景良好，很具研究价值。目前运用的太阳能干化技术、微波干化技术及热液干化技术，每种技术都有其优势和不足，今后也可考虑将不同污泥干化技术的联合使用，浅表层地热能与太阳能联合用于污泥干化有很好的应用前景，能够更加节能高效地干化污泥，实现污泥的资源化利用。
参考文献
[1]汪集暘. 地热能开发利用与节能减排[M].北京：中国地质学会，2010.
[2]庞忠和， 胡圣标， 汪集暘. 中国地热能发展路线图[J]. 科技导报， 2012， 30（32）： 18-24.
[3]夏正兴， 何跃平， 朱烨昕， 顾持真， 姜晨光. 对地热能开发利用问题的几点思考[A].中国科协年会-地热能开发利用与低碳经济研讨会会议论文[C].2011.
[4]王秉忱. 我国城市浅层地热能开发利用现状与趋势[M].供热制冷，2011年12期.
[5]何强， 吉芳英， 李家杰. 污泥处理处置及资源化途径与新技术[J]. 给水排水， 2016，（42）： 1-3.
[6]张栋，王三反.新型污泥干化技术综述[J].江苏农业科学，2013， 41（7）：337-339.
收稿日期：2018-04-10
作者简介：朱华章（1982-），男，硕士研究生，工程师，2009年毕业于天津工业大学环境工程专业。
摘要：伴随着全球能源与气候问题的严峻化趋势，地热能作为一种清洁能源，具有无污染、可再生的优势，并且日益受到重视。各国政府积极开展地热能的开发利用研究，目前地热能主要用作发电和建筑物室内供暖制冷。本文提出利用浅表层地热能进行污泥干化，大大降低污泥含水率，便于污泥储存、运输以及处置利用。这一新型处理技术的提出，为污泥干化技术提供了新的处理思路，也为充分利用可再生能源进行固体废弃物处置提供思考，具有显著的环境效益和社会经济效益。
关键词：可再生能源；地热能；污泥干化；地源热泵
中图分类号：X382 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）06-0068-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.041
Abstract： With the global energy and climate issues becoming more and more seriously， geothermal energy， as a clean and renewable energy， has received more attention. The utilization of geothermal energy has been carried out by governments actively. Geothermal energy is mainly used for power generation and indoor heating and cooling presently. This article puts forward to using geothermal energy for sludge drying， reducing the moisture content of the sludge， which makes contribution to storage， transportation and disposal of sludge utilization. This new technologys putting forward， provides a new treatment idea for sludge drying and also provides thinking of making full use of renewable energy to dispose solid waste， which has significant environmental benefits and socio-economic benefits.
Keywords：Renewable energy；Geothermal energy；Sludge drying；Geoexchange system
能源就是向自然界提供能量轉化的物质，经济和社会的发展离不开能源。随着人类对能源需求的不断提高，全世界的能源已面临着过量开发。过量能源开发及使用造成环境污染，使我们赖以生存的环境不断恶化。为此，加强环境保护，降低能源开发及利用造成的环境污染已迫在眉睫。可再生能源替代传统的不可再生能源为这一问题的解决提供了有效的方法。相对于风能、太阳能、地热能、生物质能等可再生能源，地热能作为一种可再生能源，是唯一一种来自地球内部的能量，越来越受到各国政府的重视。
1 地热能
地热能是一种天然的来自于地球内部的热资源，为清洁能源。与煤炭、石油和天然气等传统的化石能源相比，地热能无污染、可再生，且具有稳定可靠、成本低廉、清洁环保等优点，是一种极其宝贵的综合性液态矿产资源。研究表明，地球内部储存的热量远远大于全球煤炭储量，每年约有相当于1000亿桶石油的热量由地球内部经地表散失[1]。地热能作为一种可再生能源，具有较高的能量利用率，在可再生能源领域当中脱颖而出，而目前浅表层地热能开发利用应用较多。
浅表层地热能是指蕴藏在地表下一定深度（一般为200m）范围内的岩土体、地下水等中具有开发利用价值的热能，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。参照国土资源部的评价结果，我国浅表层地热能及水热型地热能资源量折合标准煤为95亿t和8530亿t，每年可利用量相当于3.5亿t和6.4亿t标准煤[2]。
2 浅表层地热能的开发利用
浅表层地热能是在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地热能。随着浅表层地热能的开发利用，可有效降低煤炭等传统能源利用造成的大气污染，并减少大量的燃煤灰渣；对全球CO2减排作用效果明显，在保护环境的同时实现了节能减排，有效缓解了日益增长的能源需求与环境恶化趋势加重的矛盾。
根据相关资料，浅表层地热能可开采量已高出全球年均一次能源消耗总量（500EJ/a）。随着浅表层地热能的地源热泵技术的不断成熟，浅表层地热能得到了大量利用，实现了全球1.5亿t/a的CO2减排量。目前，全球地热直接利用总装机容量为5058万kW，年均增幅为12.3%；对应产能及其年均增幅分别为4.38×1014kJ/年和9.9%[3]。
3 我国浅表层地热能的开发利用现状
我国开采浅表层地热能主要采用地源热泵技术，以地表水、岩土体、地下水等为热源，通过建设地热能收集系统和热泵机组站来提取利用浅表层地热能。我国浅表层地热能技术起步较晚，国内科研单位及高校自20世纪80年代末才开始地源热泵技术的相关研究，经过几十年的努力，发展迅速。2004年我国在世界33个浅表层地热能应用国家中排名靠后，2009年已在世界43个应用国家中跃居第二。
目前我国地热能开发的主要形式是地热发电和地热供暖。地热供暖是指利用地热能替代传统的制冷机和锅炉进行供热制冷，冬季建筑物供暖由热泵机组从地源中吸收热量供给；夏季建筑物的空调制冷由热泵机组从室内吸收热量后转移释放至热源。20世纪90年代后期，北京、山东等开始出现地源热泵应用工程。2008年北京奥运会将地源热泵技术成功应用于鸟巢、水立方等运动场馆。截至2015年，我国已大量开发利用浅表层地热能，其规模已达到4.26×1011kWh，实现标准煤替代量5269万t，占我国浅表层地热能可利用资源总量的14.8%[4]。
4 污泥干化技术
污泥干化是通过渗滤或蒸发等作用，进一步降低污泥含水率的方法。干化处理后的污泥，含水率可大大降低（40%～70%）。目前国内污泥干化技术主要有：新能源干化、设备干化及新技术干化等。新能源干化是利用生物质能、太阳能等新能源进行污泥干化；设备干化是利用反应器或干燥机等设备进行污泥干化；新技术干化主要为污泥干化新技术的研发，如：微波干化、水热干化、污泥低温射流干化等[5]。
本文探讨用新能源进行污泥干化，目前采用的新能源污泥干化技术主要有太阳能干化、微波干化和热液干化。太阳能干化技术是利用太阳能来蒸发污泥中水分，随着太阳能产业在我国的成熟应用，该技术易于推广；不足之处主要为干化效率不高，污泥易厌氧消化，伴有恶臭。
污泥微波干化是采用微波来去除污泥中过量水分。当微波到达污泥表面时，污泥中水分子等极性分子会随着微波高频电场的快速变化而急速旋转，分子间相互摩擦产生热能。这种热能在污泥表面和内部同时产生，因此微波可以使污泥温度迅速升高[6]。微波干化技术的干化效率高，时间短，对重金属有一定稳定作用，但所用设备复杂，不能连续运行。
热液干化技术是将高温高压的热蒸汽与污泥接触瞬间发生液化反应，释放出大量热能，进而使污泥内部结构发生改变，使污泥菌团的细胞结构变性，在进一步脱水过程中，使污泥脱水率大幅提高，污泥体积大幅下降的技术。污泥热液干化技术的干化效率高，且脱水效果好。但对设备要求较高，同时对运行过程中的安全性有更高的要求。
5 利用地热能进行污泥干化
本文提出利用浅表层地热能进行污泥干化的技术发展方向。地表浅层具有较高的太阳能收集能力，通过太阳照射，约有47%的太阳能储存于地表浅层，其每年收集的太阳能是人类年利用能量的500倍。
污泥地热能干化，运用地源热泵技术，采用垂直埋管，以地表水、地下水以及土壤作为热量传输介质，将地下深层土壤的热量传递至地表用于污泥干化热源。在地下50～150m深处安装垂直埋管，实现单组或多组管与热泵机组的连接，密封于塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为污泥干化所需的热量，由地面热量收集系统收集，通过地表下铺设的热水管道将热泵收集的浅层地热能顺管道传输；通过物料机将污泥铺设于污泥干化车间，将浅层地热能用于污泥干化；运用污泥翻抛机对污泥进行翻抛，达到污泥干化效果。
地热能污泥干化装置如下图所示：
該技术不受地域限制，运行成本低，而且充分利用浅表层地热能的数量大、无污染、可再生的优势，为新型污泥干化处理技术，具有良好的市场发展前景。
6 结论
浅表层地热能作为一种蕴藏于地球内部的可再生能源，利用价值巨大。本文提出将浅表层地热能运用于污泥干化，有效利用浅表层地热能的同时，对市政污泥进行干化处理，发展前景良好，很具研究价值。目前运用的太阳能干化技术、微波干化技术及热液干化技术，每种技术都有其优势和不足，今后也可考虑将不同污泥干化技术的联合使用，浅表层地热能与太阳能联合用于污泥干化有很好的应用前景，能够更加节能高效地干化污泥，实现污泥的资源化利用。
参考文献
[1]汪集暘. 地热能开发利用与节能减排[M].北京：中国地质学会，2010.
[2]庞忠和， 胡圣标， 汪集暘. 中国地热能发展路线图[J]. 科技导报， 2012， 30（32）： 18-24.
[3]夏正兴， 何跃平， 朱烨昕， 顾持真， 姜晨光. 对地热能开发利用问题的几点思考[A].中国科协年会-地热能开发利用与低碳经济研讨会会议论文[C].2011.
[4]王秉忱. 我国城市浅层地热能开发利用现状与趋势[M].供热制冷，2011年12期.
[5]何强， 吉芳英， 李家杰. 污泥处理处置及资源化途径与新技术[J]. 给水排水， 2016，（42）： 1-3.
[6]张栋，王三反.新型污泥干化技术综述[J].江苏农业科学，2013， 41（7）：337-339.
收稿日期：2018-04-10
作者简介：朱华章（1982-），男，硕士研究生，工程师，2009年毕业于天津工业大学环境工程专业。
