城市污泥干化技術(shù)及工藝優(yōu)化研究進展

摘 要 伴隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市的污水產(chǎn)生量越來越大，污泥產(chǎn)生量也穩(wěn)步提升。污泥不僅含水率高、有機質(zhì)含量高、易產(chǎn)生臭氣，還可能含有重金屬和有害物質(zhì)。在沒有得到妥善處理時將污泥隨意堆放極易引起二次污染。污泥干化是減輕污泥運輸和處置負擔的重要步驟。歸納總結(jié)了目前污泥干化技術(shù)的優(yōu)缺點和污泥干化工藝優(yōu)化研究進展。發(fā)現(xiàn)目前單一的污泥干化技術(shù)均有一定的缺陷，因此建議在對單一技術(shù)進行優(yōu)化的同時，可開發(fā)聯(lián)合處理工藝，以期進一步提高干化性能，并為后續(xù)污泥處置提供更多選擇。

關(guān)鍵詞 城市污泥 干化技術(shù) 干化設(shè)備 工藝優(yōu)化 研究進展

中圖分類號 TQ051.8" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2025）02?0225?05

城市污泥主要來自污水廠、城市管網(wǎng)、給水廠及城市河流淤泥等[1]。目前對環(huán)境危害最大的是污水廠的市政污泥。

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水的排放量逐年增多，城市污水廠的處理規(guī)模也隨之增大。中國環(huán)境狀況公報中主要污染物總量減排顯示，截止到2021年底，污水處理能力為2.1 億m3/d，同比增長7.8%。我國現(xiàn)階段市政污水廠采用的工藝有氧化溝、CASS工藝、活性污泥法、A/O工藝、A2/O工藝、SBR等，污水處理產(chǎn)生大量污泥[2]。據(jù)調(diào)查，截止到2021年底，全國年產(chǎn)生含水量80%的污泥6 000多萬噸（不含工業(yè)污泥4 000多萬噸）。隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)腳步的加快、工業(yè)的飛速發(fā)展、人口的與日俱增、市政基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善及污水處理標準的逐步提高，污水處理伴隨產(chǎn)生的污泥量還將進一步增加。據(jù)估計，2025年濕污泥產(chǎn)量規(guī)模將突破1.6億噸（包括生活污泥和工業(yè)污泥）。污泥的產(chǎn)量持續(xù)快速增加已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。

為便于污泥后續(xù)處理處置，污水廠一般需要配套建設(shè)濃縮和脫水設(shè)備，將污泥含水率降至80%以下。根據(jù)我國頒布的相關(guān)污泥處置標準，污泥最終處置有建材利用、農(nóng)用、制磚、填埋等方式。當污泥用于填埋場覆蓋土添加料時，污泥含水率需降至45%以下[3]。當污泥用于建材利用制磚時，污泥含水率需降至40%以下[4]。當污泥用于最終焚燒處置時，為達到自持燃燒，需要將含水率降至更低。污泥處置決定了污泥的處理工藝，對污泥含水率提出了更高的要求。污泥干化能實現(xiàn)污泥深度脫水，極大降低污泥含水率，符合國家規(guī)定的污泥最終處置含水率要求。學(xué)者們針對如何高效、經(jīng)濟地降低污泥的含水率進行了大量研究，并從工藝設(shè)備、工藝優(yōu)化等多方面做了闡述。筆者綜述了污泥干化技術(shù)的現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了污泥干化處理的工藝優(yōu)化方法，以期進一步提高干化性能，為污泥干化技術(shù)在我國的工程化應(yīng)用提供有效借鑒。

1 污泥干化技術(shù)現(xiàn)狀

目前，我國大部分污水處理廠僅將污泥進行簡單脫水，污泥外運量較大。污泥的處理處置需符合減量化、穩(wěn)定化、無害化及資源化的要求，污泥干化是通過能量引入、蒸發(fā)水分、降低污泥含水率，最終實現(xiàn)污泥的減容減重。經(jīng)過干化的污泥，性質(zhì)較穩(wěn)定、病原菌能滅活，臭味也較小，后續(xù)處置途徑廣泛[5]。常規(guī)干化方式有：噴霧干化、圓盤干化、槳葉干化、流化床干化等。

1.1 噴霧干化

噴霧干化工藝早期用于化工類產(chǎn)品的干化，原理為通過噴嘴將物料霧化成細顆粒，熱氣體與霧化顆粒進行直接接觸，可在短時間內(nèi)對物料進行干燥處理。噴霧干化用于市政領(lǐng)域，一般是將污泥全干化，干化物料為粉狀，性質(zhì)穩(wěn)定。熱源一般來自燃燒天然氣、生物質(zhì)、煤等，通過將空氣加熱，再與污泥快速接觸干燥。苑宏英等研究污泥干化性能[6]，結(jié)果表明：隨著噴入量減小，污泥的含水率逐漸降低，在噴入量為12 L/h時，干化后污泥的含水率降低到25.9%。噴霧干化的干燥時間短（以s計），傳熱效率高，干燥強度大，結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活。但干燥系統(tǒng)排出的尾氣中粉塵含量高，有惡臭，對流動性低的污泥，干化前需要加水調(diào)稀，以便噴嘴充分霧化，這也增加了干化過程中的能耗。

1.2 圓盤干化

圓盤干化的主體設(shè)備由一根中空軸上焊接著各種圓盤組成，外加一個圓筒的外殼。污泥被均勻緩慢地輸送通過整個干化機，通過與空心軸上空心盤內(nèi)流動的熱源間接接觸，實現(xiàn)污泥的熱干化。污泥在干化機內(nèi)受到圓盤激烈的攪拌和振動，以及換熱面的加熱，水分被迅速蒸發(fā)出來。同時配套載氣，能將圓筒內(nèi)水分帶出。載氣采用空氣，干化機出來的高溫載氣進入載氣除塵器除塵后進入載氣冷凝器。該干化方式為間接式，通過調(diào)節(jié)圓盤的轉(zhuǎn)動速率，可自由調(diào)節(jié)污泥含水率，該工藝可實現(xiàn)污泥的半干化和全干化。章華熔等研究了污泥粘性的影響因素及污泥粘性對干燥特性的影響[7]，結(jié)果表明：圓盤設(shè)備干化污泥時，在高含水率下，當污泥的黏度較小時，不利于污泥在設(shè)備內(nèi)形成堆積狀態(tài)，降低了污泥與干化機的有效接觸面積，進而降低了干化機的出力。圓盤干化具有運行時含氧量低、含塵量低、安全性好、結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備運行平穩(wěn)、操作維護簡單等特點。缺點為設(shè)備易磨損，對材質(zhì)要求較高。

1.3 槳葉干化

槳葉干化設(shè)備最早用于化工物料的干燥處理。工作原理跟圓盤干化類似，熱源通入一根空心軸，軸上均勻安裝有槳葉。污泥由一端進入，通過槳葉連續(xù)不斷地翻滾，與換熱面充分接觸，推動其向前移動[8]。載氣的引入能快速置換設(shè)備內(nèi)的水蒸氣，保持干化的高效率。槳葉式干化法結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但由于對污泥采用干態(tài)輸送，容易造成污泥結(jié)塊，粘結(jié)在槳葉上影響傳熱，導(dǎo)致熱效率下降。因為物料在加料及推移時易抱團結(jié)塊，推動阻力大幅增加。為降低傳動功率、提高熱效率，現(xiàn)在很多槳葉干化機的形狀和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，造成槳葉式干化機的制造和維修較麻煩。

1.4 流化床干化

流化床干化是通過內(nèi)置于流化床干燥機內(nèi)的U型管換熱器加熱污泥。最早用于化工、制藥、食品、礦產(chǎn)的干燥，該工藝通過在一個裝置內(nèi)鼓風，使得載體處于沸騰狀態(tài)，再通過熱源的輸入，能維持穩(wěn)定的熱容量。因而對進泥含水率適應(yīng)范圍較廣，污泥干化效率高、運行穩(wěn)定。流化床內(nèi)部沒有傳動部件，故障率低，同時裝置可針對性設(shè)計，單臺處理量大。缺點是干化顆粒的粒徑無法控制，為維持流化床內(nèi)物料處于沸騰狀態(tài)，因而需要大量空氣涌入，導(dǎo)致氣體流量大，空氣系數(shù)過高，造成后續(xù)配套建設(shè)的除塵工序和冷卻工序的設(shè)施處理規(guī)模大、投資較高且流程相對較復(fù)雜。范辭冬等在240 mm×80 mm振動流化床中以干污泥顆粒為實驗物料，研究了振動對臨界流化速率和床層空隙率等流態(tài)化特征參數(shù)的影響[9]，結(jié)果表明：振動的引進大大降低了顆粒的流化速率，同時提高了污泥床層空隙率。

2 污泥干化工藝優(yōu)化研究進展

常規(guī)機械脫水只能將污泥含水率降至80%，通過污泥干化可將含水率降至10%以下[10]，可以大幅降低污泥體。干化污泥性質(zhì)穩(wěn)定、臭味小，后續(xù)處置途徑多。查閱國家污泥相關(guān)處置標準，無論后續(xù)污泥是制磚或制陶?；蚍贌裏崮芾?，污泥干化都是非常重要的處理過程，是實現(xiàn)后續(xù)節(jié)能低碳及資源化處置的關(guān)鍵步驟。常見的污泥干化優(yōu)化技術(shù)有：薄層+帶式組合型干化、熱水解+板框壓濾干化、低溫除濕干化、低溫真空干化等。

2.1 薄層+帶式組合型干化

薄層+帶式兩段式組合型工藝充分利用了薄層干化和帶式干化的優(yōu)點。薄層干化的原理為：將污泥涂抹在換熱面轉(zhuǎn)盤上，傳熱效率高使得污泥的水分能快速蒸發(fā)干燥。考慮到污泥存在一個高粘滯區(qū)間（含水率50%～60%之間），該區(qū)間的污泥粘滯力大，阻力大，不易干燥。因而污泥通過薄層干化至含水率65%，再后接帶式干化機。低溫運行、安全可靠、封閉運行是帶式干化的優(yōu)點，污泥通過切條后，均勻分布在網(wǎng)帶上，隨著傳動裝置的推移，熱風不斷循環(huán)將污泥干化至含水率40%以下。能量回收系統(tǒng)使每蒸發(fā)1 t水量的能耗為650～850 kW/h。該工藝組合能實現(xiàn)能量的充分利用，由于帶式干化所需的溫度比薄層干化低，因而薄層干化后的熱蒸汽能用于后續(xù)帶式干化。帶式干化過程對污泥無擾動，因而對高粘滯區(qū)污泥也能實現(xiàn)高效干燥處理。根據(jù)后續(xù)污泥最終處置要求，帶式干化的污泥干度和污泥顆粒尺寸均可靈活調(diào)節(jié)。該工藝目前在蘇州、重慶雞冠石、重慶唐家沱等地方的污泥干化項目有所應(yīng)用。

2.2 熱水解+板框壓濾干化

熱水解+板框壓濾干化技術(shù)先通過加熱對污泥進行預(yù)處理，加熱溫度一般在160～220 ℃。污泥在熱水解罐容器內(nèi)熱處理，在一定的溫度和壓力作用下，污泥最終發(fā)生相應(yīng)的物理及化學(xué)反應(yīng)。在加熱過程中，污泥的微生物絮體解散，微生物細胞體破裂，胞內(nèi)水被釋放出來，提高了污泥的沉降性能和脫水性能。后接板框壓濾脫水設(shè)備，污泥經(jīng)過脫水干化處理至含水率40%以下，滿足了污泥的減量化、穩(wěn)定化及無害化要求。杜莉娟和鄢祖喜研究了污泥熱水解反應(yīng)[11]，得出的最佳工藝條件為：進泥含固率20%、有機物質(zhì)量分數(shù)60%的市政污泥30 L，不添加外界壓力的情況下保持轉(zhuǎn)速30 r/min、200 ℃反應(yīng)30 min，得出市政污泥通過熱水解-深度脫水后含固率達65%?？扇〈鸁岣苫に?，實現(xiàn)污泥資源化處理。該工藝主要優(yōu)點為：工藝設(shè)備占地面積小，布置緊湊，系統(tǒng)操作自動化程度高，工藝流程簡單，便于運行管理;經(jīng)高溫處理后的污泥臭味極小，有利于環(huán)境保護;不添加外源藥劑，處理后污泥可滿足更多種污泥處置要求;污泥處于高溫高壓環(huán)境下，細菌、病毒等基本均被滅活;可實現(xiàn)污泥高干度脫水至含水率40%，泥餅有機質(zhì)含量與熱值高，并容易進一步降低泥餅含水率。但該工藝缺點主要是壓濾液難以處理，且熱水解的臭氣問題比較難控制。

2.3 低溫除濕干化

低溫除濕干化工藝的原理是利用熱泵回收空氣里的潛熱，再加熱空氣的方法。其他結(jié)構(gòu)類似帶式干化機，通過熱空氣不斷循環(huán)，將網(wǎng)帶上的污泥水分帶走。除濕干化是回收排風中水蒸汽潛熱和空氣顯熱，除濕干化過程沒有任何廢熱排放，傳統(tǒng)污泥熱干化系統(tǒng)供熱量90%轉(zhuǎn)化成排風熱損失。該方法的特點為：系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性強，含水率在10%～50%之間可調(diào);高度集成化、自控程度高、故障率低、穩(wěn)定性高。缺點為：濕度高，干燥效率比較低，所需周期較長;運行過程能耗也較高。深圳某水質(zhì)凈化廠采用“離心濃縮+板框壓濾+低溫除濕干化”集成工藝處理高有機質(zhì)污泥，結(jié)合了板框壓濾和低溫除濕干化的優(yōu)點，能將98%污泥含水率穩(wěn)定降至40%以下，能達到減量化、穩(wěn)定化和無害化的要求，且能與末端摻燒焚燒友好銜接[12]。

2.4 低溫真空干化

設(shè)備采用熱壓濾真空干化系統(tǒng)，該系統(tǒng)是采用高耐壓材料結(jié)合加熱、真空干化技術(shù)為一體的新型脫水干化設(shè)備。污泥的脫水干化包括兩個過程，首先污泥經(jīng)進料初濾、熱壓濾脫水，污泥含水率可降至60%。然后污泥再經(jīng)過負壓抽真空干化后，污泥含水率可降至40%。熱壓濾真空干化系統(tǒng)的工藝原理為：在進料完成后，通過高壓熱水擠壓隔膜板，污泥被壓榨、濾液透過濾布被排出。當污泥通過機械壓榨脫水后，再通過管道內(nèi)抽真空，通過熱量和負壓雙重作用，污泥中水的沸點降低、水分被快速蒸發(fā)出來[13]。該工藝特點為：實現(xiàn)脫水干化一體化，減少設(shè)備成本，含水率一次降至40%以下;負壓狀態(tài)抽離水汽并在冷凝后排放，顯著降低熱源溫度，能效優(yōu)勢明顯;模塊化設(shè)計，方案設(shè)計靈活，設(shè)備布置簡便;全密閉工藝段，無粉塵、臭氣溢出，輕松除臭，滿足環(huán)保要求。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，污泥干化是解決污泥處理處置的重要過程。目前城市污水廠污泥干化的主要方式是依靠常規(guī)機械設(shè)備干化，總結(jié)如下：

a. 噴霧干化技術(shù)傳熱效率高，干燥強度大，結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活。但干燥系統(tǒng)排出的尾氣中粉塵含量高，有惡臭，且對流動性低的污泥，需加水調(diào)稀便于霧化，增加了能耗。

b. 圓盤干化傳熱性能好，物料調(diào)節(jié)可控性高，設(shè)備運行平穩(wěn)，操作維護簡單，且可以連續(xù)或間歇運行。

c. 槳葉干化結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但污泥易結(jié)塊，影響傳熱，導(dǎo)致熱效率下降，且易磨損，維修麻煩。

d. 流化床無動部件，故障率低，處理量大、效率高、效果好。干化溫度低，無須返混。缺點是干化顆粒的粒徑無法控制，氣體流量大，除塵、冷卻等處理設(shè)施復(fù)雜、規(guī)模大。

常規(guī)污泥干化技術(shù)由于設(shè)備實現(xiàn)了國產(chǎn)化，大部分的投資費用都不高，但是這些技術(shù)也存在著一些缺點：安全性和穩(wěn)定性較差、處理效率和適應(yīng)性較低、環(huán)境友好和自動化程度不高等。

污泥干化工藝優(yōu)化則是通過對設(shè)備和工藝進行改良設(shè)計，能提高污泥熱干化效率和運行穩(wěn)定性、增強熱干化設(shè)備對泥質(zhì)適應(yīng)性，減少工程熱損失，總結(jié)如下：

a. 薄層+帶式兩段式組合型工藝可避開污泥塑性階段，確保無塵。低溫操作、不含粉塵以及封閉的環(huán)境，更加安全可靠，且能源利用率高。

b. 熱水解+板框壓濾工藝設(shè)備占地面積小，布置緊湊，自動化程度高，工藝流程簡單，便于運行管理;污泥處于高溫高壓環(huán)境下，細菌、病毒等基本均被滅活，污泥臭味極小;但該工藝壓濾液難處理，且熱水解的臭氣問題比較難控制。

c. 低溫除濕干化對污泥含水率可調(diào)節(jié)性強;高度集成化、自控程度高、故障率低、穩(wěn)定性高。但該工藝濕度高，干燥效率比較低，所需干化周期較長;運行過程能耗也較高。

d. 低溫真空干化可實現(xiàn)脫水干化一體化;負壓狀態(tài)抽離水汽并在冷凝后排放。顯著降低熱源溫度，能效優(yōu)勢明顯;全密閉工藝段，無粉塵、輕松除臭，滿足環(huán)保要求。

針對目前城市污泥干化技術(shù)的研究現(xiàn)狀及運行實踐中面臨的問題，現(xiàn)對今后研究提出幾點建議：

a. 加強污泥干化工藝設(shè)備的技術(shù)攻關(guān)，讓更多高效低耗的污泥干化技術(shù)早日實現(xiàn)工程化應(yīng)用。重點研究污泥干化過程機理;如何提高污泥熱干化效率及運行穩(wěn)定性;如何實現(xiàn)能源利用最大化、降低工程熱損失。

b. 加強設(shè)備材質(zhì)的篩選與研究。由于國內(nèi)污泥含沙量高，導(dǎo)致設(shè)備磨損嚴重。需加強干化設(shè)備材料耐磨性的研發(fā)，延長設(shè)備的使用壽命。例如污泥槳葉干化技術(shù)在使用中，槳葉材料容易被磨損，需研究開發(fā)新的耐磨損材料。

c. 根據(jù)2022年國家住建部和發(fā)改委聯(lián)合頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南（試行）》公布的污泥熱干化技術(shù)，今后以熱干化為主，結(jié)合多種預(yù)處理和干化技術(shù)的組合型工藝及設(shè)備將成為污泥干化的研究發(fā)展方向。隨著技術(shù)的進展，單一的高性能干化設(shè)備和設(shè)備與工藝集成的干化技術(shù)將廣泛應(yīng)用于市場。

參 考 文 獻

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