城鎮污水處理廠污泥熱干化處理技術研究進展

余維金 常芳瑜 黃文海 程瑞豐 寧亞軍 于可可

（中建三局綠色產業投資有限公司，湖北武漢 430058）

1 引言

《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》中明確提出，到2025 年城市污泥無害化處置率應達到90%以上，到2035 年全面實現污泥無害化處置［1］。現階段，城鎮污水處理廠污泥大多采用化學藥劑調理加機械脫水處理工藝，將污泥含水率降低至70%左右后外運填埋，而GB/T 23485—2009《城鎮污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質》標準要求其含水率≤60%［2］，傳統的“化學藥劑調理＋機械脫水”工藝已經無法滿足要求，要使污泥含水率進一步降低，還需采用熱干化處理技術。近年來，因具有減量化程度高、操作簡單、穩定性強等優點，熱干化處理技術在污泥處理處置中的應用越來越廣泛［3］。

2 污泥熱干化技術研究現狀

國外污泥熱干化技術可追溯至1910 年，英國Bradford 公司開發了回轉窯干燥機并將其應用于污泥干化項目實踐，隨后美國、德國、日本等發達國家紛紛開始研究、推廣和應用該技術［4］。

GROSS 等［5-7］從動力學和干燥潛力的角度提出了空氣對流干燥的總體方法，實現了對材料中水分含量分布的實驗分析，以更具體地描述該過程。Slim等［8］提出了一種基于Fickian 擴散模型的分析方法來評估城市污泥中水蒸氣擴散率。Li 等［9］研究了堿性預處理減少對流干燥過程中干燥機壁上的污泥堆積，當Ca（OH）2的劑量為干固體的5%（5%DS）時，污泥堆積幾乎可以忽略不計，平均干燥速率提高了約30%，CaO 預處理對防止污泥堆積也很有效，但在相同劑量下對污泥干燥速率的影響不明顯。Liu 等［10］研究了Fenton 試劑和CaO 調理劑對污泥熱干燥行為和主要含硫/含氮氣體排放特性的協同作用，結果表明，Fenton 過氧化與CaO 調理相結合，有效地促進了污泥的傳熱，減少了游離水和結合水的含量，并在固體中形成多孔結構，提供蒸發通道，干燥所需的時間縮短到了1/3。Stasta 等［11］研究了利用水泥廠廢熱干燥濕污泥的可能性，結果表明，污泥焚燒產生的灰燼與熟料結合，可以節省大量的熟料原料。Rodríguez 等［12］研究發現污泥的熱值約為8 300 J/g，很容易滿足水泥行業6 250 J/g 的要求，水泥生產中使用的原材料高達14%可用污水污泥代替。Li等［13］基于污泥干化焚燒項目，建立了一個能量模型，研究表明，當污泥低位熱值（LHV）約為11 213 kJ/kg，含水量約為60%（w/w）時，干污泥的一次焚燒可在850 ℃的燃燒溫度下實現。Deng 等［14］研究了城市污水污泥（MSS）干燥過程中揮發性化合物（VC）的排放特性，研究發現，NH3和CO2是MSS 干燥過程中釋放的主要化合物。Gomez－Rico 等［15］對污泥熱干化過程中產生的揮發性有機化合物（VOC）進行了分析，鑒定出40 多種化合物，產率最高的化合物是二甲基二硫化物、甲苯、二甲基三硫化物和1，2，4－三甲苯，大多數已鑒定的VOC 都是致癌、有毒或吸入有害的。Li 等［16］采用熱干燥組合工藝對城市污水污泥中重金屬的轉化進行了研究，結果表明，城市污泥在不同溫度下干燥后，重金屬物種發生了明顯的轉化，高溫的作用可以將酸溶性、可還原性和可氧化性物質轉移到殘留物質中。

國內最早研究污泥熱干化技術的單位為機械科學研究總院和北京市環境科學研究院，2010 年污水處理領域由“重水輕泥”轉變為“泥水并重”，污泥的處理處置問題逐漸成為污水處理領域備受矚目的板塊，國內各大高校和研究機構，如浙江大學、同濟大學、重慶大學等相繼開展研究。

范海宏等［17］以城市脫水污泥為研究對象，研究污泥熱值和干化溫度（100～600 ℃）之間的關系，結果表明，隨溫度升高，污泥的熱值降低，干化溫度大于350 ℃時，干化污泥熱值幾乎為0，污泥的適宜干化溫度范圍為150～250 ℃。張衛軍［18］研究了污泥熱干化影響因素，結果表明，污泥干化溫度越高，干化速率越大，干化時間縮短。范海宏等［19］研究了溫度、時間等對含硫氣體釋放的影響，結果表明，降低溫度、縮短時間和摻加氧化鈣均可有效減少CS2，H2S和SO2釋放量，溫度控制在250 ℃以下，時間控制在30 s 以內，且污泥與氧化鈣的混合比為1∶1 時，對CS2，H2S 和SO2的抑制率可接近100%。劉鵬等［20］研究了不同調理劑對污泥干化過程中含硫氣體釋放特性的影響，結果表明，提高溫度、延長時間都可以有效降低污泥的含水率，污泥干化過程釋放的主要含硫氣體為H2S 和SO2，其總量占含硫氣體的82.4%。傅鳳霞［21］在實驗室條件下模擬污泥干化過程，分別采用自然干化，105 ℃，150 ℃和300 ℃加熱對各種污泥進行干化處理，對各種處理得到的干污泥的重金屬形態進行分析，結果表明，干化可顯著增強污泥中部分金屬的穩定性。

3 污泥熱干化典型工藝及設備

目前國內工程案例最多、應用最廣泛的污泥熱干化工藝主要有圓盤式干化、太陽能干化、熱泵低溫干化。

3.1 圓盤式干化

污泥圓盤式干化機是日本三菱公司根據瑞典Stord Bartz 公司在1956 年發明的轉碟（圓盤）機改進、優化而來。污泥圓盤式干化機工藝流程為：含水率≤80%的濕污泥經污泥螺桿泵輸送至圓盤干化機內，落到圓盤上，圓盤以一定的速度不斷旋轉，將濕污泥均勻地分布在圓盤表面，同時鼓入高溫熱蒸汽（≤160 ℃），高溫熱蒸汽經空心軸和盤片內腔將熱量間接傳遞給濕污泥，使其水分蒸發，污泥水分形成的蒸汽被少量的載氣帶出圓盤干化機。

工藝特點：（1）傳熱面積大，生產能力高；（2）適應能力強，適用范圍廣；（3）工藝更成熟，運行更穩定。

圓盤式干化機工藝流程見圖1。

圖1 圓盤式干化機工藝流程

3.2 太陽能干化

由于圓盤式干化機能耗較高，很多高校與研究機構開始研究太陽能污泥干化技術［22］和太陽能熱泵污泥干化技術［23］。太陽能污泥干化最早于1994 年由德國IST Anlagenbau GmbH 公司自主開發并在Kandern－Hammerstein 城市污水處理廠應用［24］。太陽能污泥干化工藝流程為：含水率≤80%的濕污泥經螺桿泵送入溫室，在污泥翻拋機的作用下，進行均勻的翻動，使污泥變松散同時對污泥供氧，污泥在太陽能的作用下逐漸被干化，含濕空氣則由定向擾流風機形成循環風帶出溫室［25］。

工藝特點：（1）能耗低、投資和運營費用低；（2）溫度低、運行安全穩定；（3）自動化程度高、操作簡單。

太陽能干化布局見圖2［25］。

圖2 太陽能干化布局

3.3 熱泵低溫干化

傳統的對流干燥設備均存在能耗高、效率低和尾氣難處理的問題，而太陽能容易受天氣狀況的影響，導致太陽能供給不穩定，熱泵低溫干化技術是近年來開發的一項低碳環保新技術，不僅能提取尾氣中剩余的熱量，還能使熱量實現內部循環利用。污泥熱泵低溫干化工藝流程為：含水率≤80%的濕污泥首先經機械脫水設備脫水至含水率60%～70%，然后經污泥切條機變為條狀濕泥落到傳送網帶上，60～80 ℃的干熱空氣在循環風機的驅動下自下而上穿過載有條狀濕泥的網帶，與濕泥充分接觸，同時將濕泥中的水分帶走，載有大量水分的濕熱空氣隨后進入回熱器中，預冷后通過熱泵的蒸發器冷卻去濕析出冷凝水變成干冷空氣，干冷空氣經過回熱器預熱后進入冷凝器被加熱變為干熱空氣，如此完成循環過程。

工藝特點：（1）減量化程度高、能量利用率高；（2）占地面積小、運維成本低；（3）無二次污染、低碳環保。

熱泵低溫干化機原理見圖3。

圖3 熱泵低溫干化機原理

4 結論與展望

污泥熱干化處理技術作為機械脫水的一種補充深度脫水技術，雖然能快速、高效、安全、穩定地實現污泥的減量化，但其運營成本過高，導致沒有大規模推廣應用，未來可探索利用太陽能、電廠余熱、工業廢蒸汽作為干化熱源，結合熱泵原理，開發多種熱源聯合干化設備，實現能源的循環利用，達到降本增效的目的。