城镇污水处理厂污泥热干化处理技术研究进展

余维金 常芳瑜 黄文海 程瑞丰 宁亚军 于可可

（中建三局绿色产业投资有限公司，湖北武汉 430058）

1 引言

《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》中明确提出，到2025 年城市污泥无害化处置率应达到90%以上，到2035 年全面实现污泥无害化处置［1］。现阶段，城镇污水处理厂污泥大多采用化学药剂调理加机械脱水处理工艺，将污泥含水率降低至70%左右后外运填埋，而GB/T 23485—2009《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》标准要求其含水率≤60%［2］，传统的“化学药剂调理＋机械脱水”工艺已经无法满足要求，要使污泥含水率进一步降低，还需采用热干化处理技术。近年来，因具有减量化程度高、操作简单、稳定性强等优点，热干化处理技术在污泥处理处置中的应用越来越广泛［3］。

2 污泥热干化技术研究现状

国外污泥热干化技术可追溯至1910 年，英国Bradford 公司开发了回转窑干燥机并将其应用于污泥干化项目实践，随后美国、德国、日本等发达国家纷纷开始研究、推广和应用该技术［4］。

GROSS 等［5-7］从动力学和干燥潜力的角度提出了空气对流干燥的总体方法，实现了对材料中水分含量分布的实验分析，以更具体地描述该过程。Slim等［8］提出了一种基于Fickian 扩散模型的分析方法来评估城市污泥中水蒸气扩散率。Li 等［9］研究了碱性预处理减少对流干燥过程中干燥机壁上的污泥堆积，当Ca（OH）2的剂量为干固体的5%（5%DS）时，污泥堆积几乎可以忽略不计，平均干燥速率提高了约30%，CaO 预处理对防止污泥堆积也很有效，但在相同剂量下对污泥干燥速率的影响不明显。Liu 等［10］研究了Fenton 试剂和CaO 调理剂对污泥热干燥行为和主要含硫/含氮气体排放特性的协同作用，结果表明，Fenton 过氧化与CaO 调理相结合，有效地促进了污泥的传热，减少了游离水和结合水的含量，并在固体中形成多孔结构，提供蒸发通道，干燥所需的时间缩短到了1/3。Stasta 等［11］研究了利用水泥厂废热干燥湿污泥的可能性，结果表明，污泥焚烧产生的灰烬与熟料结合，可以节省大量的熟料原料。Rodríguez 等［12］研究发现污泥的热值约为8 300 J/g，很容易满足水泥行业6 250 J/g 的要求，水泥生产中使用的原材料高达14%可用污水污泥代替。Li等［13］基于污泥干化焚烧项目，建立了一个能量模型，研究表明，当污泥低位热值（LHV）约为11 213 kJ/kg，含水量约为60%（w/w）时，干污泥的一次焚烧可在850 ℃的燃烧温度下实现。Deng 等［14］研究了城市污水污泥（MSS）干燥过程中挥发性化合物（VC）的排放特性，研究发现，NH3和CO2是MSS 干燥过程中释放的主要化合物。Gomez－Rico 等［15］对污泥热干化过程中产生的挥发性有机化合物（VOC）进行了分析，鉴定出40 多种化合物，产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，大多数已鉴定的VOC 都是致癌、有毒或吸入有害的。Li 等［16］采用热干燥组合工艺对城市污水污泥中重金属的转化进行了研究，结果表明，城市污泥在不同温度下干燥后，重金属物种发生了明显的转化，高温的作用可以将酸溶性、可还原性和可氧化性物质转移到残留物质中。

国内最早研究污泥热干化技术的单位为机械科学研究总院和北京市环境科学研究院，2010 年污水处理领域由“重水轻泥”转变为“泥水并重”，污泥的处理处置问题逐渐成为污水处理领域备受瞩目的板块，国内各大高校和研究机构，如浙江大学、同济大学、重庆大学等相继开展研究。

范海宏等［17］以城市脱水污泥为研究对象，研究污泥热值和干化温度（100～600 ℃）之间的关系，结果表明，随温度升高，污泥的热值降低，干化温度大于350 ℃时，干化污泥热值几乎为0，污泥的适宜干化温度范围为150～250 ℃。张卫军［18］研究了污泥热干化影响因素，结果表明，污泥干化温度越高，干化速率越大，干化时间缩短。范海宏等［19］研究了温度、时间等对含硫气体释放的影响，结果表明，降低温度、缩短时间和掺加氧化钙均可有效减少CS2，H2S和SO2释放量，温度控制在250 ℃以下，时间控制在30 s 以内，且污泥与氧化钙的混合比为1∶1 时，对CS2，H2S 和SO2的抑制率可接近100%。刘鹏等［20］研究了不同调理剂对污泥干化过程中含硫气体释放特性的影响，结果表明，提高温度、延长时间都可以有效降低污泥的含水率，污泥干化过程释放的主要含硫气体为H2S 和SO2，其总量占含硫气体的82.4%。傅凤霞［21］在实验室条件下模拟污泥干化过程，分别采用自然干化，105 ℃，150 ℃和300 ℃加热对各种污泥进行干化处理，对各种处理得到的干污泥的重金属形态进行分析，结果表明，干化可显著增强污泥中部分金属的稳定性。

3 污泥热干化典型工艺及设备

目前国内工程案例最多、应用最广泛的污泥热干化工艺主要有圆盘式干化、太阳能干化、热泵低温干化。

3.1 圆盘式干化

污泥圆盘式干化机是日本三菱公司根据瑞典Stord Bartz 公司在1956 年发明的转碟（圆盘）机改进、优化而来。污泥圆盘式干化机工艺流程为：含水率≤80%的湿污泥经污泥螺杆泵输送至圆盘干化机内，落到圆盘上，圆盘以一定的速度不断旋转，将湿污泥均匀地分布在圆盘表面，同时鼓入高温热蒸汽（≤160 ℃），高温热蒸汽经空心轴和盘片内腔将热量间接传递给湿污泥，使其水分蒸发，污泥水分形成的蒸汽被少量的载气带出圆盘干化机。

工艺特点：（1）传热面积大，生产能力高；（2）适应能力强，适用范围广；（3）工艺更成熟，运行更稳定。

圆盘式干化机工艺流程见图1。

图1 圆盘式干化机工艺流程

3.2 太阳能干化

由于圆盘式干化机能耗较高，很多高校与研究机构开始研究太阳能污泥干化技术［22］和太阳能热泵污泥干化技术［23］。太阳能污泥干化最早于1994 年由德国IST Anlagenbau GmbH 公司自主开发并在Kandern－Hammerstein 城市污水处理厂应用［24］。太阳能污泥干化工艺流程为：含水率≤80%的湿污泥经螺杆泵送入温室，在污泥翻抛机的作用下，进行均匀的翻动，使污泥变松散同时对污泥供氧，污泥在太阳能的作用下逐渐被干化，含湿空气则由定向扰流风机形成循环风带出温室［25］。

工艺特点：（1）能耗低、投资和运营费用低；（2）温度低、运行安全稳定；（3）自动化程度高、操作简单。

太阳能干化布局见图2［25］。

图2 太阳能干化布局

3.3 热泵低温干化

传统的对流干燥设备均存在能耗高、效率低和尾气难处理的问题，而太阳能容易受天气状况的影响，导致太阳能供给不稳定，热泵低温干化技术是近年来开发的一项低碳环保新技术，不仅能提取尾气中剩余的热量，还能使热量实现内部循环利用。污泥热泵低温干化工艺流程为：含水率≤80%的湿污泥首先经机械脱水设备脱水至含水率60%～70%，然后经污泥切条机变为条状湿泥落到传送网带上，60～80 ℃的干热空气在循环风机的驱动下自下而上穿过载有条状湿泥的网带，与湿泥充分接触，同时将湿泥中的水分带走，载有大量水分的湿热空气随后进入回热器中，预冷后通过热泵的蒸发器冷却去湿析出冷凝水变成干冷空气，干冷空气经过回热器预热后进入冷凝器被加热变为干热空气，如此完成循环过程。

工艺特点：（1）减量化程度高、能量利用率高；（2）占地面积小、运维成本低；（3）无二次污染、低碳环保。

热泵低温干化机原理见图3。

图3 热泵低温干化机原理

4 结论与展望

污泥热干化处理技术作为机械脱水的一种补充深度脱水技术，虽然能快速、高效、安全、稳定地实现污泥的减量化，但其运营成本过高，导致没有大规模推广应用，未来可探索利用太阳能、电厂余热、工业废蒸汽作为干化热源，结合热泵原理，开发多种热源联合干化设备，实现能源的循环利用，达到降本增效的目的。