【污水處理技術(shù)】城市污泥干燥研究進展
近年來，污泥產(chǎn)量增長趨勢明顯。目前，我國年廢水排放總量超過400×108 t，每年排放干污泥約為550×104～600×104 t，且不斷增加。一方面是因為污水管網(wǎng)的服務(wù)人口不斷增加，另一方面是因為水質(zhì)排放標準越來越嚴格。
污泥是一種高水分的多孔介質(zhì)物質(zhì)，未經(jīng)處理的污泥含水率高達95%以上。因其含水量高，體積大，污泥的處理因不同的目的而采用不同的處理方法。
傳統(tǒng)的污泥處理與處置技術(shù)系統(tǒng)為：污泥→濃縮→穩(wěn)定→脫水，脫水之后的污泥通常采用農(nóng)用、填埋或焚燒的處置方法。
在這幾種技術(shù)系統(tǒng)中，農(nóng)用或因濃縮污泥含水率太高(一般為92%～96%)，造成運輸困難、運輸量大，或因脫水泥餅分散困難需借助機械設(shè)備支持田間操作，使該技術(shù)在實際應(yīng)用中存在較多的困難；填埋則因脫水泥餅含水率較高(一般為70%～85%)，土力學(xué)性質(zhì)差，需混入大量泥土，從而導(dǎo)致土地的容積利用系數(shù)明顯降低；脫水泥餅直接焚燒，也因其含固率低不能達到維持過程自行運作所需的能值，需加入輔助燃料，使處理成本明顯增加，難以承受。綜合分析上述污泥處理與處置技術(shù)系統(tǒng)在實際應(yīng)用中所遇到的困難，不難看出污泥的含水率是關(guān)鍵的影響因素。因此，降低污泥含水率是解決目前在污泥處理所遇到的許多問題的關(guān)鍵。
污泥的干燥是污泥進行資源化（農(nóng)用、焚燒等）的前提。目前，污泥的干燥技術(shù)已經(jīng)等到較為深入的研究，很多技術(shù)已經(jīng)得到推廣及應(yīng)用。本文在分析污泥含水特性的基礎(chǔ)上論述了污泥干燥技術(shù)的各種方法，為污泥的更有效的資源化處理利用提供參考。
1 城市污泥含水特性分析
1.1 城市污泥體積和含水率的關(guān)系
污泥的含水率一般都很大，相對密度接近1。主要取決于污泥中固體的種類及其顆粒大小。通常，固體顆粒越細小，其含有機物越多，污泥的含水率越高。
污泥的含水率或固體含量與污泥體積密切相關(guān)，污泥經(jīng)過消化或脫水處理的前后，其污泥體積、固體含量及含水率之間的關(guān)系可按照下式簡易換算：
V2=V1(100-P1)/(100- P2)
式中，V2、P2分別表示處理后污泥總體積（cm3）和含水率（%）。根據(jù)上述公式，污泥含水率稍有降低，其總體積就會顯著減少。
例如，污泥含水率從95%降至90%時求污泥體積的改變。
解：由式V2=V1(100-P1)/(100-P2)
得：V2=(100-95)/100-90)V1=1/2V1
可見污泥體積減少一半。所以降低污泥中含水率具有十分重要的意義。
1.2 污泥水分存在形式及其干燥的可行性
20世紀80年代，Mülle[5]等人對污泥的干燥特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)其與晶體物質(zhì)的干燥特性有很大的差異。他們認為，水分在污泥中有4種存在形式：間隙水分、毛細管結(jié)合水分、表面吸附水分以及結(jié)合（內(nèi)部）水分，分別反映了水分與污泥固體顆粒結(jié)合的情況。
間隙水：被大小污泥塊包圍著的間隙水，并不與固體直接結(jié)合，作用力弱，因而很容易分離。這部分水是污泥濃縮的主要對象。間隙水約占污泥水分總量的70%。
毛細管結(jié)合水：污泥中的各類毛細管結(jié)合水約占污泥中水分總量的20%。由于毛細現(xiàn)象形成的毛細管結(jié)合水受到液體凝聚力和液固表面附著力作用，要分離出毛細管結(jié)合水需要有較高的機械作用力和能量，可以用與毛細水表面張力相反的作用力，例如離心力、負壓抽真空、電滲力或熱滲力等，常用離心機、真空過濾機或高壓壓濾機來去除這部分水、
表面吸附水：污泥常處于膠體狀態(tài)，膠體顆粒很小，比表面積大，所以表面張力作用吸附水分較多。表面吸附水的去除較難，不能用普通的濃縮或脫水方法去除。通常要用混凝方法加入電解質(zhì)混凝劑，以達到凝結(jié)作用而易于使污泥固體與水分分離。
內(nèi)部水：一部分污泥水被包圍在微生物的細胞膜中形成內(nèi)部結(jié)合水。內(nèi)部水和固體結(jié)合得很緊，要去除它必須破壞細胞膜。用機械方法使不能脫除的，但可用生物作用（好氧堆肥化、厭氧堆肥化等）使細胞進行生化分解，或采用其他方法破壞細胞膜，使內(nèi)部水變成外部液體從而進行去除。表面吸附水和內(nèi)部水約占污泥中水分的10%，都可以采用人工加熱干化熱處理或焚燒法去除。
2 污泥的濃縮及脫水
濃縮主要是去除污泥中的間隙水，是城市污水處理后的第一步驟，也就是污泥處理系統(tǒng)的第一步驟。濃縮是減少污泥體積最經(jīng)濟有效的方法，但濃縮通常難以將污泥含水量降低到90%以下。
污泥濃縮的工藝通常有重力濃縮、機械濃縮、氣浮濃縮三種，其中，利用自然的重力作用分離污泥液的重力濃縮是使用最廣泛和最簡便的濃縮方法。由于傳統(tǒng)的重力濃縮存在天生的缺陷，目前，對污泥的濃縮和機械脫水的研究得到關(guān)注，Mihoubi等研究得出了污泥機械脫水中濃縮、具體阻力和壓力之間的關(guān)系，吉圃圃對污泥的濃縮脫水一體化技術(shù)進行了探討，席瑩本等闡述了濃縮脫水“一體化機”在污泥濃縮上的應(yīng)用，Raats等還研究了污泥的動電脫水。
為了提高污泥濃縮脫水效率，在進行污泥濃縮之前進行污泥調(diào)理。污泥調(diào)理方法有洗滌（淘洗調(diào)節(jié)）、加藥（化學(xué)調(diào)節(jié)）、熱處理及冷凍熔融法。近年來，高分子混和劑在污泥
濃縮中得到了廣泛的應(yīng)用，另外，F(xiàn)enton過氧化反應(yīng)可以提高污泥的脫水性和干燥性能，李丹陽等介紹了超聲波技術(shù)在污泥預(yù)處理中的應(yīng)用。
污泥脫水包括自然干化和機械脫水。自然干化可以使污泥的含水率降低到65%，但這種方法需要大量的場地和勞動力，而且受氣候條件的影響大。
機械脫水是污泥脫水的主要方向。目前大多數(shù)的污水處理廠采用機械進行污泥脫水，其中以帶式壓濾機為主。通過帶式壓濾機脫水的泥餅含水率為75%左右。
3 城市污泥干燥方法
研究表明，經(jīng)傳統(tǒng)的濃縮和脫水工藝處理之后的污泥的含水率不可能達到60%以下如果要達到較為深度的脫水，就必須引進各種污泥干燥技術(shù)。
3.1 熱干燥
目前，許多國家已在污泥處理中采用熱干燥技術(shù)。按照熱介質(zhì)是否與污泥相接觸，現(xiàn)行的污泥熱干燥技術(shù)可以分為三類：直接熱干燥技術(shù)、間接熱干燥技術(shù)和直接－間接聯(lián)合式干燥技術(shù)。
直接熱干燥技術(shù)又稱對流熱干燥技術(shù)。對流熱干燥是通過熱空氣從污泥表面去除水分。干燥的效率取決于如下兩個因素：空氣運行條件（穩(wěn)點、相對濕度、速度）和污泥的自身結(jié)構(gòu)及特征。在操作過程中，熱介質(zhì)（熱空氣、燃氣或蒸汽等）與污泥直接接觸，熱介質(zhì)低速流過污泥層，在此過程中吸收污泥中的水分，處理后的干污泥需與熱介質(zhì)進行分離。排出的廢氣一部分通過熱量回收系統(tǒng)回到原系統(tǒng)中再用，剩余的部分經(jīng)無害化后排放。此技術(shù)熱傳輸效率及蒸發(fā)速率較高，可使污泥的含固率從25%提高至85%～95%。但由于與污泥直接接觸，熱介質(zhì)將受到污染，排出的廢水和水蒸氣須經(jīng)過無害化處理后才能排放；同時，熱介質(zhì)與干污泥需加以分離，給操作和管理帶來一定的麻煩。閃蒸式干燥器（flashdryer）、轉(zhuǎn)筒式干燥器（rotarydryer）、帶式干燥器（beltdryer）、噴淋式干燥器（spraydryer）、螺環(huán)式干燥器（toroidaldryer）和多效蒸發(fā)器（multiple effect vaporattion）等都屬直接熱干燥裝置類型。
在間接熱干燥技術(shù)中，熱介質(zhì)并不直接與污泥相觸，而是通過熱交換器將熱傳遞給濕污泥，使污泥中的水分得以蒸發(fā)，因而熱介質(zhì)不僅僅限于氣體，也可用熱油等液體，同時熱介質(zhì)也不會受到污泥的污染，省卻了后續(xù)的熱介質(zhì)與干污泥分離的過程。過程中蒸發(fā)的水分到冷凝器中加以冷凝。熱介質(zhì)的一部分回到原系統(tǒng)中再用，以節(jié)約能源。由于間接傳熱，該技術(shù)的熱傳輸效率及蒸發(fā)速率均不如直接熱干燥技術(shù)，這種技術(shù)的操作設(shè)備有薄膜熱干燥器，圓盤式熱干燥器等。
直接－間接聯(lián)合式干燥系統(tǒng)則是對流-傳導(dǎo)技術(shù)的整合，如Vomm設(shè)計的高速薄膜干燥器，Sulzer開發(fā)的新型流化床干燥器以及Envirex推出的帶式干燥器就屬于這種類型。在所有提及的這些干燥器中，閃蒸式干燥器是目前應(yīng)用最廣的一種。
胡龍等對以機械脫水+熱干燥為主線的處理技術(shù)系統(tǒng)和以預(yù)干燥+焚燒工藝處理污泥的綜合熱干燥系統(tǒng)進行了研究，并得出…具有可行性。馬德剛等進行了電場協(xié)同作用下污泥熱干燥的試驗，結(jié)果表明，有電場時污泥的粘壁強度可降低到無電場時的1/16，且當污泥含水率大于50%時其干燥速度較傳統(tǒng)方法有明顯的提高。
3.2 利用太陽能干燥
目前，采用自然重力和機械脫水處理是我國污泥脫水處理的兩種主要方式。與這兩種方式相比，太陽能干燥技術(shù)則具有節(jié)能、運行費用低、對環(huán)境無污染等優(yōu)點。太陽能干燥污泥在國外有報道。在國內(nèi)，天津大學(xué)和天津市紀莊子污水處理廠聯(lián)合進行了利用太陽能干燥技術(shù)對污泥進行脫水試驗，以期為進一步降低污泥脫水的運行費用以及節(jié)約能源找到新的方法?！?/p>
鄭宗和等通過試驗證明利用太陽能污泥干燥技術(shù)對污泥進行脫水處理是一項可行的新技術(shù)。該技術(shù)使城市污水廠污泥脫水處理的進一步節(jié)能成為可能。雷海燕等通過實驗研究探索了利用混合型太陽能干燥器干燥污泥的可行性及污泥的干燥特性。
另外，利用太陽光和簡單的輔助設(shè)備直接對污泥進行干燥具有節(jié)能和低成本的優(yōu)點。丘錦榮等通過對利用塑料棚和日光對污泥和有機廢棄物進行干燥的試驗研究，初步設(shè)計出了可以達到高溫低濕的塑料棚，達到快速干燥污泥及其他有機物的目的。
3.3 微波加熱干燥
微波技術(shù)由于其的熱絕緣特性，廣泛應(yīng)用于科技領(lǐng)域的各個方面，微波加熱也被認為是高溫分解有機物（如生物體，煤等）的一種可選方法。與傳統(tǒng)的干燥方法相比，微波加熱干燥污泥可以節(jié)約大量的時間和能量。
Menlendez等研究表明，假如用微波處理單獨的污泥，那么污泥只是起到干燥的作用；要是微波處理的污泥中參入少量的合適的微波吸收體，那么干燥的溫度可以達到900 ℃，此時對污泥起到的是分解作用而不是干燥作用。
Idris等利用微波加熱對含硅污泥干燥，得出了溫度升高和持續(xù)干燥過程在理論和試驗上的一致性，并得出在較短干燥時間里產(chǎn)生較高干燥效率的污泥質(zhì)量和熱量比。
3.4 其他污泥干燥技術(shù)
通過種植植物對污泥的干燥：根據(jù)植物的本身對水分的吸收和蒸騰的特性，通過在污泥上直接種植一些特種植物，如玉米、芋等，使污泥本身的理化性質(zhì)發(fā)生改變，從而提高其干燥性能。MOUSSA等在污泥上種植多種不同植物的試驗表明，植物可以改進污泥的干燥特性。LIU等在城市污泥上種植玉米等植物的試驗表明，污泥的含水率從85%降低到60%左右。植物在干燥污泥的同時可以收獲植物產(chǎn)品和使污泥穩(wěn)定化。
超聲波技術(shù)：超聲波脫水常見工藝為：城市污泥→重力沉降→超聲波處理→機械脫水。超聲波處理也可以看作是污泥機械脫水的預(yù)處理或者是污泥的調(diào)理。超聲波能有效的破壞菌膠團結(jié)構(gòu),將其內(nèi)部包含水被釋放成為可以比較容易的去除的自由水。張光明等較為全面的介紹了超聲波技術(shù)在污泥脫水干燥中的應(yīng)用。
表1 各種污泥干燥方法的優(yōu)劣
4 結(jié)論與研究展望
污泥干燥技術(shù)的不斷改進,尤其是近年來的完善和發(fā)展，已使污泥干化后農(nóng)用、作為燃料使用、焚燒乃至減少填埋場地成為可能。
隨著科技的發(fā)展，將會有更多的新方法應(yīng)用于污泥干燥技術(shù)上，污泥干燥技術(shù)將會得到進一步的完善與革新，這將直接推動污泥處置手段的發(fā)展，拓展了污泥處置手段的選擇范圍，使之在安全性、可靠性、可持續(xù)性等方面得到越來越可靠的保證，最終使污泥能夠更有效地進行資源化利用。
表1對目前應(yīng)用的各種污泥干燥方法的優(yōu)劣做了簡單的比較。根據(jù)各種干燥方法所需要的外加能量和設(shè)備投資的多少進行加權(quán)，最終估算出各種方法的應(yīng)用性價比。由表1可以看出，利用可再生的太陽能和通過種植植物對污泥的干燥這兩種方法具有最高的性價比。
值得一提的是，利用可再生的太陽能和通過種植植物對污泥的干燥方法，不但具有節(jié)能，操作方便，投資成本低等優(yōu)點，而且充分利用了太陽能和生物資源等可再生能源。考慮到環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展以及不斷嚴重化的能源危機問題，預(yù)計這兩種方法將在未來得到廣泛的應(yīng)用。
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