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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，黃亞繼，孫宇文檔來源：東南大學(xué)a.能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(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，黃亞繼，孫宇
（東南大學(xué)a.能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(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，旨在為城市污泥干燥設(shè)備的開發(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：TK09 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1001-5523（2012）04-0033-04
城市污泥是城市污水處理過程中所產(chǎn)生的高水分
沉淀物質(zhì), 是有機(jī)物和無機(jī)物組成的含水率很高
的混合物。近年來，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%的增長速度在攀
升，到2011 年污泥年排放量已超過3 000 萬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，含水率過高、體積過大引起的運(yùn)輸不
便、燃燒困難是污泥處理過程中的主要問題。經(jīng)過機(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
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，對污泥進(jìn)行干燥、降低污泥含水率是污泥處理過
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
程。在恒速階段，污泥內(nèi)部水分遷移至表面，然后再從表面汽
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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33 能源研究與利用
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
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節(jié)能科技
能源研究與利用 34
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
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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)，并沒有真正的恒速階段。
劉長燕[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　⒒瘜W(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，操作簡單，易于管理，但此法占地面
積大，衛(wèi)生條件差，對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濾法、
加壓過濾法、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)通過熱介質(zhì)（熱空氣、燃?xì)狻⒄羝龋┡c
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，人們也越來越關(guān)注各種聯(lián)合式
干燥器的應(yīng)用。
3.2 太陽能干燥技術(shù)
太陽能干燥技術(shù)是以太陽能為主要能源，借助傳統(tǒng)溫室
干燥工藝對濕污泥進(jìn)行干化處理的技術(shù)，其商業(yè)化應(yīng)用最早
見于1944 年德國的IST Anlagenbau Gm bH 污水處理廠。
當(dāng)溫室內(nèi)的污泥經(jīng)過太陽光輻射后， 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。
太陽能干燥技術(shù)受天氣和季節(jié)影響較大，干燥過程中會(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。
太陽能干燥目前還無法取代傳統(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 過熱蒸汽干燥技術(shù)
過熱蒸汽干燥技術(shù)指過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），通常通過冷凝方法回收廢氣潛熱再利用，即尾氣經(jīng)過
過熱器過熱后繼續(xù)參加干燥過程， 或?qū)裎勰噙M(jìn)行預(yù)熱處
理。廢熱的回收利用使得過熱蒸汽干燥技術(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)過熱蒸汽的溫度高于“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)”時(shí)，過熱蒸汽
干燥速率明顯比傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥速率大；當(dāng)過熱蒸汽的溫度
低于“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)”時(shí)，過熱蒸汽干燥速率則毫無優(yōu)勢，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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ＪＩＥＮＥＮＧＫＥＪＩ 節(jié)能科技
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ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
圖1 熱泵干燥污泥流程示意圖
·2012年第4期
ＪＩＥＮＥＮＧＫＥＪＩ
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能源研究與利用 36
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
2012年第4期·
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濕污泥
后，成為含水率較高的濕熱氣體，其相對濕度一般在70%～
80%之間。濕熱氣體通過蒸發(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)無需排放濕熱氣體，整個(gè)干燥過程中產(chǎn)
生的有毒有害氣體不外泄，對周圍環(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。隨著國內(nèi)外對節(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)展和對污泥干燥機(jī)理研究的逐漸成熟，出
現(xiàn)了越來越多的新型污泥干燥技術(shù)。如電滲透干燥技術(shù)，是
在電滲透過程中，污泥中水分子向陰極流動(dòng)，而污泥絮體向
陽極流動(dòng)，水分不經(jīng)過污泥的孔隙通道即與污泥分離，干燥
效率高；對撞流干燥技術(shù)，它利用濕污泥在氣流對撞區(qū)內(nèi)的
高端湍流中的快速非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)來增強(qiáng)傳熱傳質(zhì)過程，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
污泥處理問題已經(jīng)成為我國亟待解決的重要環(huán)境問題
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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2011,32(8):2358-2364.
[3] 劉長燕,葛仕福.污泥干燥特性及其模型[J].化工裝備技術(shù),2010,31(1):1-4.
[4] 馬學(xué)文,翁煥新,章金駿.不同形狀污泥干燥特性的差異性及其成因分析[J].
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收稿日期：2012-05-18

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