污泥深度脫水技術(shù)研究進(jìn)展

劉興邦，張緒坤，胡鎮(zhèn)濤，張雪龍，李俊，黃宏

（1.南昌航空大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西南昌 330063；2.南昌航空大學(xué)環(huán)保裝備技術(shù)研究所，江西南昌 330063）

隨著國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)規(guī)模加速擴(kuò)大，城市人口迅速膨脹，我國城市生活污水量大幅度增長，繼而致使污水處理廠數(shù)量日漸增加。截至2020 年底我國建成城鎮(zhèn)污水處理廠1 萬多座，污水處理能力已超過2×109m3/d，城市污泥的年產(chǎn)量也隨之增長，已突破6 000 萬t[1]。城市污水處理廠處理后污泥含水率超過70%，且包含大量的病原體、重金屬以及有毒有害物質(zhì)[2-5]，污泥的運(yùn)輸、土地利用、焚燒、熱裂解等對污泥的含水率有特定的要求，特別是焚燒與熱裂解因其減量化、穩(wěn)定化、能源化效益顯著成為我國東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)污泥最終處置的主要技術(shù)路線之一。為避免二次污染[6]，實(shí)現(xiàn)污泥深度脫水是保障國民生活質(zhì)量和保護(hù)生態(tài)環(huán)境不可或缺的一環(huán)，因此污泥干化處理一直是研究的熱點(diǎn)[7-8]。

常見的污泥處理階段分為濃縮[9]、機(jī)械脫水[10-11]、干燥[12]和焚燒[13]等，干燥后的污泥含水率將會(huì)影響焚燒等后續(xù)操作，因此降低污泥的含水率是污泥干化處理的重點(diǎn)。為滿足污泥后續(xù)運(yùn)輸、填埋等處理要求，污泥深度脫水是一個(gè)可行的辦法，但經(jīng)過一般方法處理過后的污泥含水率通常超過65%，無法完成污泥高干度脫水。近年來，許多深度脫水技術(shù)應(yīng)用于污泥干化領(lǐng)域，使污泥含水率降至40%左右，為污泥后續(xù)處理處置提供了巨大的便利。

1 污泥深度脫水技術(shù)

污泥深度脫水技術(shù)是指污泥脫水后含水率降低至55%～65%，特殊條件下污泥含水率還可以更低[14]。該技術(shù)于20 世紀(jì)興起，在國外廣泛應(yīng)用于20 世紀(jì)末，國內(nèi)發(fā)展應(yīng)用起步較晚，但速度較快。污泥深度脫水常用機(jī)械脫水法和污泥干化法，機(jī)械脫水法作為世界范圍內(nèi)最常用的降低污泥含水率的方式，具有效率高和運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。污泥中的水存在兩種形態(tài)，即自由水和結(jié)合水。結(jié)合水又分為毛細(xì)結(jié)合水、表面吸附水及胞內(nèi)結(jié)合水，傳統(tǒng)的機(jī)械脫水只能去除污泥中的自由水，本身存在固液分離極限[15]。而污泥干化法可以打破這一限制，達(dá)到更高效的污泥干燥。但污泥干化是一個(gè)水分蒸發(fā)過程，液態(tài)水變成氣態(tài)需要大量熱，存在能耗高、尾氣處理難度大、設(shè)備費(fèi)用投資大等缺點(diǎn)[16]。

2 污泥深度脫水技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 高壓板框深度脫水技術(shù)

常用的帶式壓濾機(jī)、離心脫水機(jī)等設(shè)備只能保證出泥含水率在78%左右[17]，隔膜式板框壓濾機(jī)能可靠提高出泥含固率，配合化學(xué)調(diào)理可使出泥含水率降至60%以下[18-19]，此過程為達(dá)到較低的含水率會(huì)添加過量藥劑，一般在30%以上，致使脫水泥餅僅滿足混合填埋泥質(zhì)的要求[20]。加大壓濾機(jī)壓榨壓力可以降低出泥含水率，但傳統(tǒng)的板框壓濾機(jī)壓榨壓力一般不足1 MPa，出泥含水率難以降至75%以下，無法實(shí)現(xiàn)污泥深度脫水效果[21]。而高壓板框壓濾機(jī)的應(yīng)用，彌補(bǔ)了多數(shù)設(shè)備壓榨壓力的不足，拓寬了污泥深度脫水技術(shù)在污泥處理領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

高壓板框深度脫水技術(shù)常應(yīng)用于高壓板框壓濾機(jī)，將單元化濾板連接在壓濾機(jī)承載裝置上，通過液壓系統(tǒng)經(jīng)油缸傳輸壓榨壓力，最高壓榨壓力可達(dá)5 MPa[22]。濾板采用全鋼或高強(qiáng)度材料制成，能保證在高壓條件時(shí)運(yùn)行的穩(wěn)定性。高壓板框深度脫水技術(shù)具有脫水率高、脫水過程無相變[23]、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。劉幫樑等[24]設(shè)計(jì)了一套鋼制高壓板框機(jī)，污泥通過保壓、進(jìn)料、壓榨及卸餅完成脫水，在進(jìn)料之前通過油壓施加1 MPa 左右的穩(wěn)定壓力于濾板之上，保證了密封性；進(jìn)料時(shí)壓力最高可達(dá)2 MPa，完成第一次脫水，再通過分段壓力對濾板內(nèi)污泥進(jìn)行二次壓濾，一般壓力為2.5～3.5 MPa，最高可達(dá)5 MPa，經(jīng)化學(xué)調(diào)理后的污泥含水率降至50%，且相較于高壓隔膜壓濾機(jī)工作周期更短、效果更佳、工作能耗小、運(yùn)行成本低。

高壓條件可以提高設(shè)備脫水能力，但同時(shí)對設(shè)備的要求較高。高壓板框壓濾機(jī)由于材料需求前期投入成本較大，運(yùn)行過程中需要一定的維護(hù)和折舊費(fèi)用，并且工作周期較其他壓濾設(shè)備短，同樣使用時(shí)長下更容易發(fā)生損壞[25]。隨著城市發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)，對設(shè)備工作壓力上限會(huì)有進(jìn)一步的要求，背后的研發(fā)成本也在不斷提高[26]，在投入工程項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)用方在選擇降低出泥含水率的同時(shí)不得不考慮設(shè)備的性價(jià)比。

2.2 污泥干化脫水技術(shù)

污泥干化技術(shù)主要分為直接加熱式、間接加熱式和“直接-間接”聯(lián)合式干化[27]。直接加熱式是將高溫?zé)煔庵苯油ㄈ朐O(shè)備，氣體直接與污泥發(fā)生熱交換，熱量效率高，但也存在尾氣處理問題。間接加熱式是將高溫?zé)煔馔ㄟ^熱交換器與污泥發(fā)生熱交換，一般是導(dǎo)熱油、蒸汽等，過程中有熱量損失?！爸苯?間接”聯(lián)合式干化是直接與間接的結(jié)合，由于技術(shù)上更復(fù)雜，對設(shè)備要求也更高。該技術(shù)的主要原理是利用熱物理理論脫除污泥中的水分，干化后污泥通常呈粉末狀或顆粒狀，我國常用的污泥干化方式有污泥干化場、生物干化技術(shù)、熱干化技術(shù)等[28]。

污泥熱干化技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)代污泥干化技術(shù)，其主要工作原理是通過外加熱源，蒸發(fā)污泥中的水分，從而干化污泥。熱干化技術(shù)具有設(shè)備占地面積小、含水率下降顯著等優(yōu)勢，還可根據(jù)后續(xù)污泥處置靈活選擇不同種類的干化技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在不少問題，即設(shè)備運(yùn)行能耗高、具有粉塵爆炸安全隱患等，此技術(shù)若想得到大范圍的推廣還需要不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

2.3 污泥真空壓濾聯(lián)合過熱蒸汽高效脫水技術(shù)

近年來，很多研究人員不再拘泥于傳統(tǒng)固液分離的方式，轉(zhuǎn)而研究機(jī)械過濾和熱力干化相交叉的復(fù)合脫水工藝，將蒸汽壓力脫水應(yīng)用于高壓壓濾機(jī)上，在單一設(shè)備上連續(xù)完成結(jié)餅、機(jī)械脫水和蒸汽干燥脫水的全過程。

2.3.1 熱壓過濾原理

熱壓過濾原理可以用經(jīng)典熱泉壓濾原理描述，如圖1 所示，左側(cè)地縫中被水灌滿，水順著裂縫接觸到底部的熱巖并遇熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的水蒸氣劇烈膨脹；如圖片右側(cè)所示，飽和蒸汽將裂縫中的水壓出縫隙，形成熱噴泉[29]。

圖1 以熱噴泉為例示出的蒸汽壓力脫水原理

所謂熱壓過濾即熱狀態(tài)下進(jìn)行的加壓過濾，主要包括蒸汽加壓過濾和熱氣加壓過濾。德國學(xué)者[30]早在1998 年就初步提出并建立了蒸汽壓力脫水的模型，并為國內(nèi)外學(xué)者[31-33]所驗(yàn)證，結(jié)合圖2，過熱蒸汽朝濾布方向進(jìn)入濾餅，由于濾餅層處于飽和態(tài)，蒸汽接觸到濾餅顆粒表面發(fā)生冷凝，釋放熱量將顆粒表面加熱至冷凝溫度，即餅內(nèi)上層液體升至冷凝溫度，與過熱蒸汽混合形成冷凝面。冷凝面在過熱蒸汽的壓力下向?yàn)V布移動(dòng)，不斷重復(fù)冷凝過程，完成質(zhì)熱交換，最終穿透濾布，使濾餅達(dá)到深度脫水的效果。熱氣加壓過濾利用了普通氣壓過濾氣體置換作用、界面作用和壓縮作用脫水機(jī)理，不僅能降低濾液黏度和表面張力，加強(qiáng)機(jī)械脫水效能，還具有強(qiáng)對流作用，與濾液發(fā)生熱交換并使其汽化，隨氣體排出濾餅[34]。

圖2 熱壓過濾機(jī)理

2.3.2 污泥真空壓濾聯(lián)合過熱蒸汽高效脫水技術(shù)原理與優(yōu)勢

圖3 是污泥真空壓濾聯(lián)合過熱蒸汽高效脫水工藝過程示意圖。當(dāng)機(jī)械壓濾步驟完成后，向干燥板通入過熱蒸汽（熱介質(zhì)），對濾餅同時(shí)進(jìn)行直接加熱，靠近干燥板的濾餅毛細(xì)管水開始傳導(dǎo)受熱，而蒸發(fā)所變成的蒸汽急劇膨脹，驅(qū)使距干燥板較遠(yuǎn)的毛細(xì)管水涌出濾餅表面，使濾餅完成深度脫水。這項(xiàng)技術(shù)可以在一套設(shè)備上實(shí)現(xiàn)將剩余污泥的含水量（超過96%）一次降至40%以下，運(yùn)到垃圾焚燒場直接焚燒，在一套設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了污泥機(jī)械脫水與干燥兩道工序，減少了污泥的輸送與運(yùn)輸環(huán)節(jié)；該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了污泥干燥脫水效果，絕大部分水分是通過液體形態(tài)從污泥內(nèi)部脫除的，僅有小部分水分是通過蒸發(fā)汽化脫除的，比常規(guī)的污泥干燥脫水節(jié)省大量的能耗；污泥濾餅內(nèi)的毛細(xì)管水在負(fù)壓狀態(tài)下快速汽化，水分蒸發(fā)速度更快，脫水效率高；在板框壓濾過程向污泥濾餅直接通入過熱蒸汽，機(jī)械壓力方向、過熱蒸汽的熱壓力方向、過熱蒸汽與污泥濾餅的熱傳遞方向及水分遷移方向完全一致，熱、質(zhì)傳遞方向一致，強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)效果；在同一設(shè)備上完成了機(jī)械壓力過濾與熱力干燥脫水，具有節(jié)能、高效、環(huán)保特點(diǎn)。

圖3 污泥真空壓濾聯(lián)合過熱蒸汽高效脫水的操作流程圖

2.3.3 國內(nèi)外污泥真空壓濾聯(lián)合過熱蒸汽高效脫水技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

從20 世紀(jì)開始，國外學(xué)者便開始研究污泥干化的新途徑。HOADLEY 等[35]詳細(xì)地介紹了過熱蒸汽干燥技術(shù)的原理及優(yōu)勢，因?yàn)樵摷夹g(shù)運(yùn)用的系統(tǒng)是完全封閉的，大幅減少了氣味和微粒排放，非常適用于污泥的干化，且實(shí)驗(yàn)還在污泥厭氧消化步驟中加入了褐煤，提高了污泥的干燥效率。FUSHIMI 等[36]根據(jù)污泥熱壓干化的過程中樣品的水被加熱，形成的水蒸氣中具有大量潛熱的事實(shí)，開發(fā)了一種基于自熱回收技術(shù)的新型干燥技術(shù)，充分利用這一部分能量有效降低污泥干化過程中的能耗。TAZAKI 等[37]針對蒸汽干化機(jī)中的污泥建立模型，精確地分析了污泥在干化機(jī)中的行為和干燥速率，優(yōu)化了干化條件，并將結(jié)果運(yùn)用到實(shí)際工程中。DEREIX 等[38]研究了蒸汽的潛熱在處理污泥和生物固體預(yù)處理中的作用，結(jié)果表明過熱蒸汽在一定程度上可以溶解污泥中的生物成分，利用熱壓干化可以顯著提升自由水的含量，最大限度地提升污泥脫水率。MOON 等[39]在熱壓干化的基礎(chǔ)上增加了水熱預(yù)處理污泥，調(diào)整了污泥的干化結(jié)構(gòu)，在高溫條件下，水熱處理有助于提高熱解和蒸汽干化過程中水分的去除，使污泥在經(jīng)過干化處理后能達(dá)到燃燒的品質(zhì)，進(jìn)一步為找尋化石燃料替代品工作尋找答案。HAMAWAND 等[40]基于污泥熱壓干化有效脫水的研究，結(jié)合滾筒壓濾機(jī)進(jìn)行機(jī)械壓濾，研究了材料的粒徑、黏性及成分比對污泥熱壓干化的影響，得出了各個(gè)因素與干化速率的關(guān)系曲線，并證明了在原有熱壓干化的技術(shù)基礎(chǔ)上，改變污泥的初始條件能進(jìn)一步提升污泥深度脫水效果。

國內(nèi)的研究起步較晚，由于污泥量大且成分復(fù)雜，理論研究與工程應(yīng)用也具有獨(dú)特性。袁佳麗等[41]研究了過熱蒸汽污泥干燥的機(jī)理，剖析了各種條件對每個(gè)干燥階段的影響，并從經(jīng)濟(jì)性的角度得出耗能要遠(yuǎn)低于熱風(fēng)干燥，但干燥過程中管路易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象及設(shè)備腐蝕現(xiàn)象。張緒坤等[42-44]設(shè)計(jì)了整套常壓過熱蒸汽干燥試驗(yàn)裝置，論證了干燥初始階段存在凝結(jié)過程，導(dǎo)致污泥干燥時(shí)間延長，通過實(shí)驗(yàn)分析了不同厚度的污泥及過熱蒸汽溫度的高低對凝結(jié)水質(zhì)量和干燥時(shí)間影響，并在之后的實(shí)驗(yàn)中多次優(yōu)化干燥工藝，得出了污泥過熱蒸汽干燥相對單位能耗最優(yōu)工藝條件，為污泥過熱干燥工藝參數(shù)優(yōu)化及干燥設(shè)備研制提供參考。曹偉[45]設(shè)計(jì)了一套污泥過熱蒸汽聯(lián)合干燥試驗(yàn)臺，以干燥后的污泥含水率降至20%為目的，計(jì)算了物料在干燥時(shí)的能量守恒，結(jié)合工藝流程進(jìn)行設(shè)備選型，并在裝置中加入了尾氣回收二次利用，大大降低了能耗。朱興滿[46]從理論上論證了熱壓過濾的可行性，構(gòu)建了活性污泥熱壓方程，研究了一套活性污泥熱壓過濾試驗(yàn)工藝系統(tǒng)，并對試驗(yàn)方法進(jìn)行了較為深入的研究，采用正交試驗(yàn)得出加入溫度在135 ～145℃、脫水時(shí)間在25 ～30 min、壓榨壓力為0.6 MPa 及以上、蒸汽通入時(shí)間在350 ～450 s 時(shí)，濾餅含水率顯著降低。段曉荏[47]提出了利用熱解作用與機(jī)械隔膜壓榨相結(jié)合的方法，對活性污泥進(jìn)行高干度脫水，結(jié)合相關(guān)壓榨過濾理論構(gòu)建了污泥熱解壓榨過濾過程中的溫度-應(yīng)力-滲流狀態(tài)下的數(shù)字模型，經(jīng)過試驗(yàn)得出采用熱解和壓榨復(fù)合作用方法，當(dāng)加熱溫度在135 ～145 ℃，脫水時(shí)間25 ～30 min，壓榨作用力為0.6 ～1.0 MPa 時(shí)，濾餅含水率降低58%～63%。

3 展望

污泥減量化是解決污泥處置問題的未來方向，污泥深度脫水技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)污泥減量化。針對機(jī)械深度脫水、干化深度脫水以及結(jié)合二者的污泥真空壓濾聯(lián)合過熱蒸汽高效脫水技術(shù)，研究者們通過理論基礎(chǔ)、建立運(yùn)動(dòng)方程、搭建數(shù)學(xué)模型及實(shí)驗(yàn)設(shè)備，都取得了較多研究成果。從目前的研究成果出發(fā)，綜合現(xiàn)階段我國污泥處理現(xiàn)狀分析，污泥深度脫水技術(shù)是目前最有效的方法之一?？紤]到未來需要將其大規(guī)模應(yīng)用到實(shí)際工程中，可在提高設(shè)備強(qiáng)度、降低能耗和成本方面投入研究，并結(jié)合預(yù)調(diào)理技術(shù)，進(jìn)一步降低污泥含水率。