城市污泥干燥的研究現(xiàn)狀與進展
行業(yè)動態(tài)
城市污泥是城市污水處理過程中所產(chǎn)生的高水分沉淀物質，是有機物和無機物組成的含水率很高的混合物。近年來，隨著城市污水管網(wǎng)的服務人口的不斷增加和水質排放標準的逐步嚴格，我國年廢水排放總量逐年上升，產(chǎn)生的污泥也以每年約10%的增長速度在攀升，到2011年污泥年排放量已超過3000萬t。
目前，污泥的處理方法主要有農(nóng)田、填埋、排海、干燥焚燒、作為建筑材料等，含水率過高、體積過大引起的運輸不便、燃燒困難是污泥處理過程中的主要問題。經(jīng)過機械脫水后的污泥含水率在70%～80%之間，如果直接焚燒，需要加入輔助燃料才能維持燃燒；而將污泥的含水率降低到5%時，污泥的熱值可達到8.4～19MJ/kg，因此焚燒干燥后的污泥，無需額外添加燃料。另外，干燥后的污泥（含水率30%以下）處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會因為微生物作用而發(fā)霉、發(fā)臭。
因此，對污泥進行干燥，降低污泥含水率是污泥處理過程中的關鍵步驟。
1 城市污泥含水特性及干燥機理分析
1.1 污泥含水特性分析
通過分析污泥所含水分與污泥固體顆粒的結合特性，一般認為水分在污泥中具有4種存在形式，分別為：間隙水、毛細結合水、表面吸附水和內部水。所謂間隙水，指被污泥顆粒所包裹但不直接與固體結合的水分，間隙水相互間作用力弱，較易分離，是污泥濃縮分離的主要對象，約占污泥水分的70%左右；所謂毛細結合水，指由毛細壓力結合，在固體顆粒接觸面上，或充滿于固體本身裂隙間，或充滿于固體與固體顆粒間的水分。毛細結合水相互間作用力大，需要使用離心力、負壓抽真空等較大的機械作用力或能量來分離，約占污泥水分的20%左右；所謂表面吸附水，指黏附在污泥小顆粒表面上的水分，表面吸附水呈膠體狀態(tài)，無法用一般的濃縮或機械脫水方法分離，約占污泥水分的7%左右；所謂內部水，指污泥中所含微生物細胞內的水分，內部水一般采用微生物作用使細胞分解或破壞細胞膜的方法分離，約占污泥水分的3%左右。
1.2 污泥干燥機理分析
目前，對于污泥干燥機理的實驗研究已日趨成熟。袁佳麗、郭宏偉等認為污泥干燥過程經(jīng)歷了加速階段、恒速階段和減速階段。加速階段主要是污泥表面水分被加熱蒸發(fā)的過程。在恒速階段，污泥內部水分遷移至表面，然后再從表面汽化到空氣中。當污泥內部水分遷移至表面的速率小于表面水分的汽化速率時，進入減速階段。
馬學文、翁煥新等深入研究了污泥干燥過程、失重速率的變化規(guī)律，認為污泥在100～200℃下干燥時，干燥過程分為加速、恒速和降速三個階段，而在300～500℃下干燥時，并沒有真正的恒速階段。劉長燕等采用多元線性回歸建立了污泥干燥的數(shù)學模型，并得出在干燥溫度小于100℃時，污泥顆粒的粒徑是干燥速率的主要影響因馬學文、翁煥新素，而當干燥介質溫度大于100℃時，干燥速率的決定因素是溫度。
馬學文、翁煥新等將4種不同質量等級的污泥顆粒在100～200℃下進行恒溫干燥實驗，認為干燥溫度與干燥時間呈二次方關系，污泥顆粒的表面積與干燥時間呈線性關系，并得出提高干燥溫度或減小污泥顆粒都可以提高干燥速率，但是減小顆粒大小可以更大幅度地提高干燥效率，因為減小顆粒大小不但提高了單位面積的干燥效率，而且增大了比表面積。
2 污泥干燥預處理
污泥濃縮是污泥干燥預處理的重要環(huán)節(jié)之一。污泥濃縮的目的在于降低污泥中水分含量，減小污泥體積和消化池的容積，減少加熱污泥所需的熱量。污泥濃縮的主要方法有重力濃縮、氣浮濃縮、機械濃縮等。
重力濃縮分為間歇式和連續(xù)式兩種，濃縮后的污泥含固率低，使后續(xù)處理構筑物如消化池的容積增大，加大了投資和運行成本。近年來重力濃縮的應用已逐漸淘汰。
氣浮濃縮包括壓力溶氣氣浮、生物溶氣氣浮、真空氣浮、渦凹氣浮、化學氣浮、點解氣浮等，其中壓力溶氣氣浮濃縮具有濃縮效率高、占地面積小等優(yōu)點，且由于在濃縮過程中充氧，可以避免污泥中磷的釋放，但設備維護復雜，運行成本高。生物氣浮濃縮是利用污泥的反硝化作用產(chǎn)生氣體使污泥上浮而進行濃縮，濃縮效率主要受硝酸鹽濃度、溫度、碳源和初始污泥濃度的影響。渦凹氣浮適用于低濃度剩余活性污泥的濃縮。
機械濃縮包括離心濃縮、帶式濃縮機濃縮和轉鼓、螺壓濃縮機濃縮，主要是利用機械作用力使污泥表面水分分離。
在進行污泥濃縮之前還經(jīng)常采用污泥調理來提升污泥脫水效率。污泥調理方法有洗滌、加藥、加熱調質、凍融調理等。
污泥濃縮后，含水率依然很高，需要采用物理方法脫水進一步減小污泥的體積以便于污泥的運輸、堆積等。污泥脫水一般有自然蒸發(fā)和機械脫水兩種。自然蒸發(fā)法可使污泥的含水率降低到65%左右，操作簡單，易于管理，但此法占地面積大，衛(wèi)生條件差，對于一些不易脫水的污泥效果也不好，現(xiàn)在一般在干燥少雨且土地資源寬裕的地區(qū)使用，或作為機械脫水系統(tǒng)的事故應急方案。機械脫水法主要有真空過濾法、加壓過濾法、離心分離法等，可將污泥含水率降到75%左右，且運行穩(wěn)定，占地面積小，但管理較為復雜，節(jié)能效果較差。
3 傳統(tǒng)污泥干燥技術
3.1 熱干燥技術
污泥熱干燥技術是目前發(fā)展較為成熟的干燥技術，根據(jù)熱介質與污泥的傳熱方法分類，污泥熱干燥技術包括直接干燥（對流）、間接干燥（傳導）、紅外干燥（輻射）或這些技術的整合。
直接熱干燥技術通過熱介質（熱空氣、燃氣、蒸汽等）與濕污泥直接接觸混合，促使污泥水分受熱蒸發(fā)得到含水率僅為5%～15%的干污泥產(chǎn)品。熱介質低速通過污泥層，提供污泥中水分蒸發(fā)所需潛熱并帶走蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體，排出的尾氣一部分通過再循環(huán)系統(tǒng)回收利用，一部分經(jīng)尾氣處理后排放到大氣環(huán)境中。由于熱介質與污泥直接接觸，產(chǎn)生的尾氣需要配置相應的尾氣處理裝置。其干燥效率的主要影響因素有濕污泥固體的表面積、熱介質的流動速率、干空氣的水分含量等。常用的直接熱干燥設備有閃蒸式干燥器、轉筒式干燥器、噴淋式干燥器、帶式干燥器、螺環(huán)式干燥器、多效蒸發(fā)器等。
在間接熱干燥技術中，熱介質通過熱交換器將熱量傳遞給濕污泥，促使污泥中水分受熱蒸發(fā)。由于熱介質（蒸汽、油等）不與污泥直接接觸，省去了熱介質與污泥的后續(xù)分離步驟，但間接傳熱也使熱傳輸效率相對偏低。常用的間接熱干燥器有薄膜熱干燥器、圓盤式熱干燥器、槳板干燥器等。
在輻射干燥中，熱傳遞由電阻元件（燃氣的耐火白熾燈、紅外燈等）提供輻射能來完成，如常用于污泥焚燒的多爐膛焚燒爐。
隨著熱干燥技術的發(fā)展，人們也越來越關注各種聯(lián)合式干燥器的應用。
3.2 太陽能干燥技術
太陽能干燥技術是以太陽能為主要能源，借助傳統(tǒng)溫室干燥工藝對濕污泥進行干化處理的技術，其商業(yè)化應用見于1944年德國的IST Anlagenbau Gm BH污水處理廠。
當溫室內的污泥經(jīng)過太陽光輻射后，污泥溫度升高，內部水分向周圍空氣中加速蒸發(fā)汽化，污泥表面的空氣濕度增加達到飽和狀態(tài)；經(jīng)過通風和自然循環(huán)，溫室內的濕空氣被排出，污泥表面的空氣濕度由原來的飽和狀態(tài)進入非飽和狀態(tài)，污泥內部的水分進一步向周圍空氣蒸發(fā)。污泥中的有機物在污泥含水率下降到60%時會進行有氧發(fā)酵，使污泥層內部溫度升高，增加干化速率。
太陽能干燥技術受天氣和季節(jié)影響較大，干燥過程中會產(chǎn)生臭氣，因此通常與一些溫室附屬設備聯(lián)合使用。如排風機、分層扇等強制通風系統(tǒng)和氣體收集、除臭裝置的應用，滿足了大面積溫室處理污泥的需要；廊道式翻泥機、跨越式翻泥機、Solimax機器人裝置等半自動化或全自動化的翻泥設備，對污泥進行經(jīng)常性的翻動和混合，不斷翻新蒸發(fā)面積，同時避免了污泥內部出現(xiàn)局部厭氧環(huán)境釋放臭氣。
太陽能干燥目前還無法取代傳統(tǒng)的熱干燥技術，現(xiàn)在的發(fā)展方向是考慮和一些輔助能源如熱力泵聯(lián)合使用。
4 新型污泥干燥技術
4.1 微波干燥技術
微波是指頻率為300～300000MHz，波長為1mm～1m的電磁波，被微波輻射的極性分子會在微波電場中劇烈振動，產(chǎn)生摩擦，將吸收的微波能轉化為熱能。微波干燥技術即是利用微波的這一性質，促使?jié)裎勰鄡炔康乃肿釉谖⒉妶鲋心Σ辽郎?，形成由內向外的溫度梯度，促使污泥內部水分很快擴散到表面蒸發(fā)。
微波干燥污泥時，因此加熱時間短，熱效率高，且微波干燥技術無需向污泥中添加化學藥劑，不會向污泥中帶入新的污染，使后續(xù)處理更方便、更高效。但與此同時，微波加熱需耗電，這使微波干燥技術目前還很難普及。
4.2 過熱蒸汽干燥技術
過熱蒸汽干燥技術指過熱蒸汽與濕污泥直接接觸去除污泥水分。與傳統(tǒng)的熱干燥技術相比，這種干燥方法以過熱蒸汽為介質，干燥產(chǎn)生的廢氣熱品位仍然較高（溫度在150℃左右），通常通過冷凝方法回收廢氣潛熱再利用，即尾氣經(jīng)過過熱器過熱后繼續(xù)參加干燥過程，或對濕污泥進行預熱處理。廢熱的回收利用使得過熱蒸汽干燥技術具有十分明顯的高效節(jié)能的特點，但過熱蒸汽也會使干燥管路中出現(xiàn)結露現(xiàn)象，易腐蝕干燥設備。
在傳統(tǒng)的熱干燥技術中，干燥速率與污泥含水率成反比。但大量研究表明，過熱蒸汽干燥時存在一個稱為“逆轉點”的溫度點，當過熱蒸汽的溫度高于“逆轉點”時，過熱蒸汽干燥速率明顯比傳統(tǒng)的熱風干燥速率大；當過熱蒸汽的溫度低于“逆轉點”時，過熱蒸汽干燥速率則毫無優(yōu)勢，因為此時的廢熱回收利用效果不再理想。
4.3 熱泵干燥技術
熱泵干燥技術是公認的綠色干燥技術，已經(jīng)成熟地應用于木材、谷物及工業(yè)原材料的干燥。從冷凝器排出的高溫低濕的熱空氣掠過濕污泥后，成為含水率較高的濕熱氣體，其相對濕度一般在70%～80%之間。濕熱氣體通過蒸發(fā)器，水汽凝結排出系統(tǒng)。熱泵干燥系統(tǒng)常采用干燥介質部分循環(huán)，以減小熱泵在蒸發(fā)器內的吸熱量和熱泵的壓縮功。
熱泵干燥污泥時無需排放濕熱氣體，整個干燥過程中產(chǎn)生的有毒有害氣體不外泄，對周圍環(huán)境造成的污染很小。但由于熱泵干燥技術初投資成本高，單機容量較小，用于污泥干燥還不夠廣泛。隨著國內外對節(jié)能減排標準的日益提高和熱泵干燥技術的逐漸完善，城市污泥的熱泵干燥方法將成為主要的干燥手段之一。
4.4 其他新型污泥干燥技術
隨著科技的發(fā)展和對污泥干燥機理研究的逐漸成熟，出現(xiàn)了越來越多的新型污泥干燥技術。如電滲透干燥技術，是在電滲透過程中，污泥中水分子向陰極流動，而污泥絮體向陽極流動，水分不經(jīng)過污泥的孔隙通道即與污泥分離，干燥效率高；對撞流干燥技術，它利用濕污泥在氣流對撞區(qū)內的高端湍流中的快速非穩(wěn)態(tài)運動來增強傳熱傳質過程，具有快速、干燥強度高的特點；水熱處理技術可以使?jié)裎勰嘀械奈⑸锛毎屏?，降低污泥的黏度，從而使水分更容易與污泥顆粒分離；通過超聲波的“空化作用”和“生化學反應”破壞污泥中的菌膠團結構，也是近年來興起的新型污泥脫水技術。
采用組合式傳熱方式，也是近幾年污泥干燥技術的研究熱點，如由機械脫水和二級熱干燥組成的深度脫水，厭氧消化和熱干燥法，冷凍脫水干燥工藝，等等。
5 結論
污泥處理問題已經(jīng)成為我國亟待解決的重要環(huán)境問題之一，目前，傳統(tǒng)干燥方法仍然是當前污泥處理的主要手段。隨著科技的發(fā)展，將會有更多的新技術應用于污泥干燥上，新型污泥干燥手段的發(fā)展，拓寬了污泥處理手段的選擇范圍，使污泥干燥在能耗、安全性、穩(wěn)定性、效率、環(huán)保等方面逐步走向成熟。今后，污泥干燥技術的發(fā)展方向是將新型干燥技術與傳統(tǒng)污泥干燥技術結合，研究熱點是對污泥干燥機理的深入研究，為污泥干燥設備的研發(fā)提供更為充足的理論基礎。
