城市污泥干燥研究进展

Posted 2023-01-15 干燥

篇首语：智慧并不产生于学历,而是来自对于知识的终生不懈的追求。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了城市污泥干燥研究进展相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

近年来，污泥产量增长趋势明显。目前，我国年废水排放总量超过400×108 t，每年排放干污泥约为550×104～600×104 t，且不断增加。一方面是因为污水管网的服务人口不断增加，另一方面是因为水质排放标准越来越严格。

污泥是一种高水分的多孔介质物质，未经处理的污泥含水率高达95%以上。因其含水量高，体积大，污泥的处理因不同的目的而采用不同的处理方法。

传统的污泥处理与处置技术系统为：污泥→浓缩→稳定→脱水，脱水之后的污泥通常采用农用、填埋或焚烧的处置方法。

在这几种技术系统中，农用或因浓缩污泥含水率太高(一般为92%～96%)，造成运输困难、运输量大，或因脱水泥饼分散困难需借助机械设备支持田间操作，使该技术在实际应用中存在较多的困难；填埋则因脱水泥饼含水率较高(一般为70%～85%)，土力学性质差，需混入大量泥土，从而导致土地的容积利用系数明显降低；脱水泥饼直接焚烧，也因其含固率低不能达到维持过程自行运作所需的能值，需加入辅助燃料，使处理成本明显增加，难以承受。综合分析上述污泥处理与处置技术系统在实际应用中所遇到的困难，不难看出污泥的含水率是关键的影响因素。因此，降低污泥含水率是解决目前在污泥处理所遇到的许多问题的关键。

污泥的干燥是污泥进行资源化（农用、焚烧等）的前提。目前，污泥的干燥技术已经等到较为深入的研究，很多技术已经得到推广及应用。本文在分析污泥含水特性的基础上论述了污泥干燥技术的各种方法，为污泥的更有效的资源化处理利用提供参考。

1 城市污泥含水特性分析

1.1 城市污泥体积和含水率的关系

污泥的含水率一般都很大，相对密度接近1。主要取决于污泥中固体的种类及其颗粒大小。通常，固体颗粒越细小，其含有机物越多，污泥的含水率越高。
污泥的含水率或固体含量与污泥体积密切相关，污泥经过消化或脱水处理的前后，其污泥体积、固体含量及含水率之间的关系可按照下式简易换算：
V2=V1(100-P1)/(100- P2)

式中，V2、P2分别表示处理后污泥总体积（cm3）和含水率（%）。根据上述公式，污泥含水率稍有降低，其总体积就会显著减少。

例如，污泥含水率从95%降至90%时求污泥体积的改变。

解：由式V2=V1(100-P1)/(100-P2)

得：V2=(100-95)/100-90)V1=1/2V1

可见污泥体积减少一半。所以降低污泥中含水率具有十分重要的意义。

1.2 污泥水分存在形式及其干燥的可行性

20世纪80年代，Mülle[5]等人对污泥的干燥特性进行了研究，发现其与晶体物质的干燥特性有很大的差异。他们认为，水分在污泥中有4种存在形式：间隙水分、毛细管结合水分、表面吸附水分以及结合（内部）水分，分别反映了水分与污泥固体颗粒结合的情况。

间隙水：被大小污泥块包围着的间隙水，并不与固体直接结合，作用力弱，因而很容易分离。这部分水是污泥浓缩的主要对象。间隙水约占污泥水分总量的70%。

毛细管结合水：污泥中的各类毛细管结合水约占污泥中水分总量的20%。由于毛细现象形成的毛细管结合水受到液体凝聚力和液固表面附着力作用，要分离出毛细管结合水需要有较高的机械作用力和能量，可以用与毛细水表面张力相反的作用力，例如离心力、负压抽真空、电渗力或热渗力等，常用离心机、真空过滤机或高压压滤机来去除这部分水、

表面吸附水：污泥常处于胶体状态，胶体颗粒很小，比表面积大，所以表面张力作用吸附水分较多。表面吸附水的去除较难，不能用普通的浓缩或脱水方法去除。通常要用混凝方法加入电解质混凝剂，以达到凝结作用而易于使污泥固体与水分分离。

内部水：一部分污泥水被包围在微生物的细胞膜中形成内部结合水。内部水和固体结合得很紧，要去除它必须破坏细胞膜。用机械方法使不能脱除的，但可用生物作用（好氧堆肥化、厌氧堆肥化等）使细胞进行生化分解，或采用其他方法破坏细胞膜，使内部水变成外部液体从而进行去除。表面吸附水和内部水约占污泥中水分的10%，都可以采用人工加热干化热处理或焚烧法去除。

2 污泥的浓缩及脱水

浓缩主要是去除污泥中的间隙水，是城市污水处理后的第一步骤，也就是污泥处理系统的第一步骤。浓缩是减少污泥体积最经济有效的方法，但浓缩通常难以将污泥含水量降低到90%以下。

污泥浓缩的工艺通常有重力浓缩、机械浓缩、气浮浓缩三种，其中，利用自然的重力作用分离污泥液的重力浓缩是使用最广泛和最简便的浓缩方法。由于传统的重力浓缩存在天生的缺陷，目前，对污泥的浓缩和机械脱水的研究得到关注，Mihoubi等研究得出了污泥机械脱水中浓缩、具体阻力和压力之间的关系，吉圃圃对污泥的浓缩脱水一体化技术进行了探讨，席莹本等阐述了浓缩脱水“一体化机”在污泥浓缩上的应用，Raats等还研究了污泥的动电脱水。

为了提高污泥浓缩脱水效率，在进行污泥浓缩之前进行污泥调理。污泥调理方法有洗涤（淘洗调节）、加药（化学调节）、热处理及冷冻熔融法。近年来，高分子混和剂在污泥
浓缩中得到了广泛的应用，另外，Fenton过氧化反应可以提高污泥的脱水性和干燥性能，李丹阳等介绍了超声波技术在污泥预处理中的应用。

污泥脱水包括自然干化和机械脱水。自然干化可以使污泥的含水率降低到65%，但这种方法需要大量的场地和劳动力，而且受气候条件的影响大。

机械脱水是污泥脱水的主要方向。目前大多数的污水处理厂采用机械进行污泥脱水，其中以带式压滤机为主。通过带式压滤机脱水的泥饼含水率为75%左右。

3 城市污泥干燥方法

研究表明，经传统的浓缩和脱水工艺处理之后的污泥的含水率不可能达到60%以下如果要达到较为深度的脱水，就必须引进各种污泥干燥技术。

3.1 热干燥

目前，许多国家已在污泥处理中采用热干燥技术。按照热介质是否与污泥相接触，现行的污泥热干燥技术可以分为三类：直接热干燥技术、间接热干燥技术和直接－间接联合式干燥技术。

直接热干燥技术又称对流热干燥技术。对流热干燥是通过热空气从污泥表面去除水分。干燥的效率取决于如下两个因素：空气运行条件（稳点、相对湿度、速度）和污泥的自身结构及特征。在操作过程中，热介质（热空气、燃气或蒸汽等）与污泥直接接触，热介质低速流过污泥层，在此过程中吸收污泥中的水分，处理后的干污泥需与热介质进行分离。排出的废气一部分通过热量回收系统回到原系统中再用，剩余的部分经无害化后排放。此技术热传输效率及蒸发速率较高，可使污泥的含固率从25%提高至85%～95%。但由于与污泥直接接触，热介质将受到污染，排出的废水和水蒸气须经过无害化处理后才能排放；同时，热介质与干污泥需加以分离，给操作和管理带来一定的麻烦。闪蒸式干燥器（flashdryer）、转筒式干燥器（rotarydryer）、带式干燥器（beltdryer）、喷淋式干燥器（spraydryer）、螺环式干燥器（toroidaldryer）和多效蒸发器（multiple effect vaporattion）等都属直接热干燥装置类型。

在间接热干燥技术中，热介质并不直接与污泥相触，而是通过热交换器将热传递给湿污泥，使污泥中的水分得以蒸发，因而热介质不仅仅限于气体，也可用热油等液体，同时热介质也不会受到污泥的污染，省却了后续的热介质与干污泥分离的过程。过程中蒸发的水分到冷凝器中加以冷凝。热介质的一部分回到原系统中再用，以节约能源。由于间接传热，该技术的热传输效率及蒸发速率均不如直接热干燥技术，这种技术的操作设备有薄膜热干燥器，圆盘式热干燥器等。

直接－间接联合式干燥系统则是对流-传导技术的整合，如Vomm设计的高速薄膜干燥器，Sulzer开发的新型流化床干燥器以及Envirex推出的带式干燥器就属于这种类型。在所有提及的这些干燥器中，闪蒸式干燥器是目前应用最广的一种。

胡龙等对以机械脱水+热干燥为主线的处理技术系统和以预干燥+焚烧工艺处理污泥的综合热干燥系统进行了研究，并得出…具有可行性。马德刚等进行了电场协同作用下污泥热干燥的试验，结果表明，有电场时污泥的粘壁强度可降低到无电场时的1/16，且当污泥含水率大于50%时其干燥速度较传统方法有明显的提高。

3.2 利用太阳能干燥
　
目前，采用自然重力和机械脱水处理是我国污泥脱水处理的两种主要方式。与这两种方式相比，太阳能干燥技术则具有节能、运行费用低、对环境无污染等优点。太阳能干燥污泥在国外有报道。在国内，天津大学和天津市纪庄子污水处理厂联合进行了利用太阳能干燥技术对污泥进行脱水试验，以期为进一步降低污泥脱水的运行费用以及节约能源找到新的方法。　

郑宗和等通过试验证明利用太阳能污泥干燥技术对污泥进行脱水处理是一项可行的新技术。该技术使城市污水厂污泥脱水处理的进一步节能成为可能。雷海燕等通过实验研究探索了利用混合型太阳能干燥器干燥污泥的可行性及污泥的干燥特性。

另外，利用太阳光和简单的辅助设备直接对污泥进行干燥具有节能和低成本的优点。丘锦荣等通过对利用塑料棚和日光对污泥和有机废弃物进行干燥的试验研究，初步设计出了可以达到高温低湿的塑料棚，达到快速干燥污泥及其他有机物的目的。

3.3 微波加热干燥

微波技术由于其的热绝缘特性，广泛应用于科技领域的各个方面，微波加热也被认为是高温分解有机物（如生物体，煤等）的一种可选方法。与传统的干燥方法相比，微波加热干燥污泥可以节约大量的时间和能量。

Menlendez等研究表明，假如用微波处理单独的污泥，那么污泥只是起到干燥的作用；要是微波处理的污泥中参入少量的合适的微波吸收体，那么干燥的温度可以达到900 ℃，此时对污泥起到的是分解作用而不是干燥作用。

Idris等利用微波加热对含硅污泥干燥，得出了温度升高和持续干燥过程在理论和试验上的一致性，并得出在较短干燥时间里产生较高干燥效率的污泥质量和热量比。

3.4 其他污泥干燥技术

通过种植植物对污泥的干燥：根据植物的本身对水分的吸收和蒸腾的特性，通过在污泥上直接种植一些特种植物，如玉米、芋等，使污泥本身的理化性质发生改变，从而提高其干燥性能。MOUSSA等在污泥上种植多种不同植物的试验表明，植物可以改进污泥的干燥特性。LIU等在城市污泥上种植玉米等植物的试验表明，污泥的含水率从85%降低到60%左右。植物在干燥污泥的同时可以收获植物产品和使污泥稳定化。

超声波技术：超声波脱水常见工艺为：城市污泥→重力沉降→超声波处理→机械脱水。超声波处理也可以看作是污泥机械脱水的预处理或者是污泥的调理。超声波能有效的破坏菌胶团结构,将其内部包含水被释放成为可以比较容易的去除的自由水。张光明等较为全面的介绍了超声波技术在污泥脱水干燥中的应用。

表1 各种污泥干燥方法的优劣

4 结论与研究展望

污泥干燥技术的不断改进,尤其是近年来的完善和发展，已使污泥干化后农用、作为燃料使用、焚烧乃至减少填埋场地成为可能。

随着科技的发展，将会有更多的新方法应用于污泥干燥技术上，污泥干燥技术将会得到进一步的完善与革新，这将直接推动污泥处置手段的发展，拓展了污泥处置手段的选择范围，使之在安全性、可靠性、可持续性等方面得到越来越可靠的保证，最终使污泥能够更有效地进行资源化利用。

表1对目前应用的各种污泥干燥方法的优劣做了简单的比较。根据各种干燥方法所需要的外加能量和设备投资的多少进行加权，最终估算出各种方法的应用性价比。由表1可以看出，利用可再生的太阳能和通过种植植物对污泥的干燥这两种方法具有最高的性价比。

值得一提的是，利用可再生的太阳能和通过种植植物对污泥的干燥方法，不但具有节能，操作方便，投资成本低等优点，而且充分利用了太阳能和生物资源等可再生能源。考虑到环境的可持续发展以及不断严重化的能源危机问题，预计这两种方法将在未来得到广泛的应用。