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城市污泥干燥的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

文檔作者：程誠(chéng)，黃亞繼，孫宇文檔來(lái)源：東南大學(xué)a.能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.能源與環(huán)境學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月07日
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城市污泥干燥的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展
程誠(chéng)，黃亞繼，孫宇
（東南大學(xué)a.能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096）
摘要：隨著城市污水污泥排放量的逐年上升，污泥干燥焚燒已逐步成為城市污泥處理的最主要的有效方法之一。
文中分析了城市污泥的含水特性和干燥機(jī)理，簡(jiǎn)述了污泥的幾種主要預(yù)處理方案，著重介紹了熱干燥技術(shù)和太陽(yáng)能干
燥技術(shù)兩種傳統(tǒng)污泥干燥方法及其優(yōu)缺點(diǎn)， 闡述了目前應(yīng)用前景較好的幾種新型污泥干燥技術(shù)的干燥原理和發(fā)展趨
勢(shì)，旨在為城市污泥干燥設(shè)備的開(kāi)發(fā)和研究提供必要的理論指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：城市污泥；干燥； 脫水
中圖分類號(hào)：TK09 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1001-5523（2012）04-0033-04
城市污泥是城市污水處理過(guò)程中所產(chǎn)生的高水分
沉淀物質(zhì), 是有機(jī)物和無(wú)機(jī)物組成的含水率很高
的混合物。近年來(lái)，隨著城市污水管網(wǎng)的服務(wù)人
口的不斷增加和水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步嚴(yán)格，我國(guó)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(zhǎng)速度在攀
升，到2011 年污泥年排放量已超過(guò)3 000 萬(wàn)t。
目前，污泥的處理方法主要有農(nóng)用、填埋、排海、干燥焚
燒、作為建筑材料等，含水率過(guò)高、體積過(guò)大引起的運(yùn)輸不
便、燃燒困難是污泥處理過(guò)程中的主要問(wèn)題。經(jīng)過(guò)機(jī)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(shí)，污
泥的熱值可達(dá)到8.4～19 MJ/kg，因此焚燒干燥后的污泥，無(wú)
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(huì)因?yàn)槲⑸镒饔枚l(fā)霉、發(fā)臭。
因此，對(duì)污泥進(jìn)行干燥、降低污泥含水率是污泥處理過(guò)
程中的關(guān)鍵步驟。
1 城市污泥含水特性及干燥機(jī)理分析
1.1污泥含水特性分析
通過(guò)分析污泥所含水分與污泥固體顆粒的結(jié)合特性，一
般認(rèn)為水分在污泥中具有4 種存在形式，分別為：間隙水、毛
細(xì)結(jié)合水、表面吸附水和內(nèi)部水。所謂間隙水，指被污泥顆粒
所包裹但不直接與固體結(jié)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(duì)象，約占污泥水分的
70%左右；所謂毛細(xì)結(jié)合水，指由毛細(xì)壓力結(jié)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(xì)結(jié)合水相互間作用力大，需要使用離心
力、負(fù)壓抽真空等較大的機(jī)械作用力或能量來(lái)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(wú)法用一般的濃縮
或機(jī)械脫水方法分離， 約占污泥水分的7%左右； 所謂內(nèi)部
水，指污泥中所含微生物細(xì)胞內(nèi)的水分，內(nèi)部水一般采用微
生物作用使細(xì)胞分解或破壞細(xì)胞膜的方法分離，約占污泥水
分的3%左右。
1.2污泥干燥機(jī)理分析
目前，對(duì)于污泥干燥機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究已日趨成熟。袁佳
麗、郭宏偉[1]等認(rèn)為污泥干燥過(guò)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(guò)
程。在恒速階段，污泥內(nèi)部水分遷移至表面，然后再?gòu)谋砻嫫?
化到空氣中。當(dāng)污泥內(nèi)部水分遷移至表面的速率小于表面水
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分的汽化速率時(shí)，進(jìn)入減速階段。馬學(xué)文、翁煥新[2]等深入研
究了污泥干燥過(guò)程、失重速率的變化規(guī)律， 認(rèn)為污泥在
100～200 ℃下干燥時(shí)，干燥過(guò)程分為加速、恒速和降速三個(gè)
階段，而在300～500 ℃下干燥時(shí)，并沒(méi)有真正的恒速階段。
劉長(zhǎng)燕[3]等采用多元線性回歸建立了污泥干燥的數(shù)學(xué)模型，
并得出在干燥溫度小于100 ℃時(shí)，污泥顆粒的粒徑是干燥速
率的主要影響因素，而當(dāng)干燥介質(zhì)溫度大于100 ℃時(shí)，干燥
速率的決定因素是溫度。馬學(xué)文、翁煥新[4]等將4 種不同質(zhì)量
等級(jí)的污泥顆粒在100～200 ℃下進(jìn)行恒溫干燥實(shí)驗(yàn)， 認(rèn)為
干燥溫度與干燥時(shí)間呈二次方關(guān)系，污泥顆粒的表面積與干
燥時(shí)間呈線性關(guān)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?yàn)闇p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(yù)處理
污泥濃縮是污泥干燥預(yù)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(jī)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(gòu)筑物如消化池的容積增大，加大了投資
和運(yùn)行成本。近年來(lái)重力濃縮的應(yīng)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?xì)飧?、化學(xué)氣浮、點(diǎn)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(diǎn)，且由于在濃縮過(guò)程中充
氧，可以避免污泥中磷的釋放，但設(shè)備維護(hù)復(fù)雜，運(yùn)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(jìn)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?xì)飧∵m用于低濃度剩余活性污泥
的濃縮。
機(jī)械濃縮包括離心濃縮、帶式濃縮機(jī)濃縮和轉(zhuǎn)鼓、螺壓
濃縮機(jī)濃縮，主要是利用機(jī)械作用力使污泥表面水分分離。
在進(jìn)行污泥濃縮之前還經(jīng)常采用污泥調(diào)理來(lái)提升污泥
脫水效率。污泥調(diào)理方法有洗滌、加藥、加熱調(diào)質(zhì)、凍融調(diào)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(jìn)一步減小污泥的體積以便于污泥的運(yùn)輸、堆積等。污泥脫
水一般有自然蒸發(fā)和機(jī)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(jiǎn)單，易于管理，但此法占地面
積大，衛(wèi)生條件差，對(duì)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(jī)械
脫水系統(tǒng)的事故應(yīng)急方案。機(jī)械脫水法主要有真空過(guò)濾法、
加壓過(guò)濾法、離心分離法等，可將污泥含水率降到75%左右，
且運(yùn)行穩(wěn)定，占地面積小，但管理較為復(fù)雜，節(jié)能效果較差。
3傳統(tǒng)污泥干燥技術(shù)
3.1熱干燥技術(shù)
污泥熱干燥技術(shù)是目前發(fā)展最為成熟的干燥技術(shù)，根據(jù)
熱介質(zhì)與污泥的傳熱方法分類，污泥熱干燥技術(shù)包括直接干
燥（對(duì)流）、間接干燥（傳導(dǎo)）、紅外干燥（輻射）或這些技術(shù)的
整合。
直接熱干燥技術(shù)通過(guò)熱介質(zhì)（熱空氣、燃?xì)?、蒸汽等）與
濕污泥直接接觸混合，促使污泥中水分受熱蒸發(fā)最終得到含
水率僅為5%～15%的干污泥產(chǎn)品。熱介質(zhì)低速通過(guò)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(guò)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(zhì)與污泥直接接觸，產(chǎn)生的
尾氣需要配置相應(yīng)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(zhì)的流動(dòng)速率、干空氣的
水分含量等。常用的直接熱干燥設(shè)備有閃蒸式干燥器、轉(zhuǎn)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(shù)中，熱介質(zhì)通過(guò)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(zhì)（蒸汽、油
等）不與污泥直接接觸，省去了熱介質(zhì)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(duì)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?xì)獾哪突鸢谉霟簟?
紅外燈等）提供輻射能來(lái)完成，如常用于污泥焚燒的多爐膛
焚燒爐。
隨著熱干燥技術(shù)的發(fā)展，人們也越來(lái)越關(guān)注各種聯(lián)合式
干燥器的應(yīng)用。
3.2 太陽(yáng)能干燥技術(shù)
太陽(yáng)能干燥技術(shù)是以太陽(yáng)能為主要能源，借助傳統(tǒng)溫室
干燥工藝對(duì)濕污泥進(jìn)行干化處理的技術(shù)，其商業(yè)化應(yīng)用最早
見(jiàn)于1944 年德國(guó)的IST Anlagenbau Gm bH 污水處理廠。
當(dāng)溫室內(nèi)的污泥經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光輻射后， 污泥溫度升高，內(nèi)
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(dá)到飽和狀態(tài)；經(jīng)過(guò)通風(fēng)和自然循環(huán)，溫室內(nèi)的濕空氣被
排出，污泥表面的空氣濕度由原來(lái)的飽和狀態(tài)進(jìn)入非飽和狀
態(tài)，污泥內(nèi)部的水分進(jìn)一步向周圍空氣蒸發(fā)。污泥中的有機(jī)
物在污泥含水率下降到60%時(shí)會(huì)進(jìn)行有氧發(fā)酵，使污泥層內(nèi)
部溫度升高，增加干化速率。
太陽(yáng)能干燥技術(shù)受天氣和季節(jié)影響較大，干燥過(guò)程中會(huì)
產(chǎn)生臭氣，因此通常與一些溫室附屬設(shè)備聯(lián)合使用。如排風(fēng)
機(jī)、分層扇等強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)和氣體收集、除臭裝置的應(yīng)用，滿
足了大面積溫室處理污泥的需要；廊道式翻泥機(jī)、跨越式翻
泥機(jī)、Solimax 機(jī)器人裝置等半自動(dòng)化或全自動(dòng)化的翻泥設(shè)
備，對(duì)污泥進(jìn)行經(jīng)常性的翻動(dòng)和混合，不斷翻新蒸發(fā)面積，同
時(shí)避免了污泥內(nèi)部出現(xiàn)局部厭氧環(huán)境釋放臭氣。
太陽(yáng)能干燥目前還無(wú)法取代傳統(tǒng)的熱干燥技術(shù)，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(shù)
4.1 微波干燥技術(shù)
微波是指頻率為3×102～3×105 MHz，波長(zhǎng)為1 mm～1 m
的電磁波， 被微波輻射的極性分子會(huì)在微波電場(chǎng)中劇烈振
動(dòng)，產(chǎn)生摩擦，將吸收的微波能轉(zhuǎn)化為熱能。微波干燥技術(shù)即
是利用微波的這一性質(zhì)，促使?jié)裎勰鄡?nèi)部的水分子在微波電
場(chǎng)中摩擦升溫，形成由內(nèi)向外的溫度梯度，促使污泥內(nèi)部水
分很快擴(kuò)散到表面蒸發(fā)。
微波干燥污泥時(shí)，因此加熱時(shí)間短，熱效率高，且微波干
燥技術(shù)無(wú)需向污泥中添加化學(xué)藥劑，不會(huì)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(shí)，微波加熱需
耗電，這使微波干燥技術(shù)目前還很難普及。
目前對(duì)于微波干燥技術(shù)的研究基本都處于靜態(tài)條件下，
筆者認(rèn)為，研究污泥處于工程應(yīng)用時(shí)的連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)時(shí)在微
波場(chǎng)中的變化規(guī)律，將是以后微波干燥技術(shù)的研究方向和熱
點(diǎn)。
4.2 過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)
過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)指過(guò)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(shù)相比，這種干燥方法以過(guò)熱
蒸汽為介質(zhì)，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(guò)冷凝方法回收廢氣潛熱再利用，即尾氣經(jīng)過(guò)
過(guò)熱器過(guò)熱后繼續(xù)參加干燥過(guò)程， 或?qū)裎勰噙M(jìn)行預(yù)熱處
理。廢熱的回收利用使得過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)具有十分明顯的
高效節(jié)能的特點(diǎn)，但過(guò)熱蒸汽也會(huì)使干燥管路中出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)
象，易腐蝕干燥設(shè)備。
在傳統(tǒng)的熱干燥技術(shù)中， 干燥速率與污泥含水率成反
比[5]。但大量研究表明，過(guò)熱蒸汽干燥時(shí)存在一個(gè)稱為“逆轉(zhuǎn)
點(diǎn)”的溫度點(diǎn)，當(dāng)過(guò)熱蒸汽的溫度高于“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)”時(shí)，過(guò)熱蒸汽
干燥速率明顯比傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥速率大；當(dāng)過(guò)熱蒸汽的溫度
低于“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)”時(shí)，過(guò)熱蒸汽干燥速率則毫無(wú)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榇藭r(shí)
的廢熱回收利用效果不再理想。
4.3 熱泵干燥技術(shù)
熱泵干燥技術(shù)是公認(rèn)的綠色干燥技術(shù)，已經(jīng)成熟地應(yīng)用
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圖1 熱泵干燥污泥流程示意圖
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于木材、谷物及工業(yè)原材料的干燥。圖1 為熱泵干燥污泥流
程示意圖， 從冷凝器排出的高溫低濕的熱空氣掠過(guò)濕污泥
后，成為含水率較高的濕熱氣體，其相對(duì)濕度一般在70%～
80%之間。濕熱氣體通過(guò)蒸發(fā)器，水汽凝結(jié)排出系統(tǒng)。熱泵干
燥系統(tǒng)常采用干燥介質(zhì)部分循環(huán)，以減小熱泵在蒸發(fā)器內(nèi)的
吸熱量和熱泵的壓縮功。
熱泵干燥污泥時(shí)無(wú)需排放濕熱氣體，整個(gè)干燥過(guò)程中產(chǎn)
生的有毒有害氣體不外泄，對(duì)周圍環(huán)境造成的污染很小。但
由于熱泵干燥技術(shù)初投資成本高，單機(jī)容量較小，用于污泥
干燥還不夠廣泛。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)的日益提高和
熱泵干燥技術(shù)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(shù)
隨著科技的發(fā)展和對(duì)污泥干燥機(jī)理研究的逐漸成熟，出
現(xiàn)了越來(lái)越多的新型污泥干燥技術(shù)。如電滲透干燥技術(shù)，是
在電滲透過(guò)程中，污泥中水分子向陰極流動(dòng)，而污泥絮體向
陽(yáng)極流動(dòng)，水分不經(jīng)過(guò)污泥的孔隙通道即與污泥分離，干燥
效率高；對(duì)撞流干燥技術(shù)，它利用濕污泥在氣流對(duì)撞區(qū)內(nèi)的
高端湍流中的快速非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)來(lái)增強(qiáng)傳熱傳質(zhì)過(guò)程，具有快
速、干燥強(qiáng)度高的特點(diǎn)；水熱處理技術(shù)可以使?jié)裎勰嘀械奈?
生物細(xì)胞破裂，降低污泥的黏度，從而使水分更容易與污泥
顆粒分離；通過(guò)超聲波的“空化作用”和“生化學(xué)反應(yīng)”[6]破壞
污泥中的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)， 也是近年來(lái)興起的新型污泥脫水技
術(shù)。
采用組合式傳熱方式，也是近幾年污泥干燥技術(shù)的研究
熱點(diǎn)，如由機(jī)械脫水和二級(jí)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(jié)論
污泥處理問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)亟待解決的重要環(huán)境問(wèn)題
之一，目前，傳統(tǒng)干燥方法仍然是當(dāng)前污泥處理的主要手段。
隨著科技的發(fā)展， 將會(huì)有更多的新技術(shù)應(yīng)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(shù)的發(fā)展方向是將新型干燥技
術(shù)與傳統(tǒng)污泥干燥技術(shù)結(jié)合，研究熱點(diǎn)是對(duì)污泥干燥機(jī)理的
深入研究，為污泥干燥設(shè)備的研發(fā)提供更為充足的理論基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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收稿日期：2012-05-18

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