1 城市污泥特性

表征污泥特性的指标有含水率和含固率、挥发性固体、营养物质、有毒有害物质、脱水性能以及化学动力学性质等。

（1）含水率和含固率。城市污泥的含水率很高,含固率很低。一般来说,固体颗粒愈小,其所含有机物愈多,污泥的含水率愈高。

（2）挥发性固体。污泥的挥发分是一种氧、硫、氮和其它元素的有机化合物以及饱和的和不饱和的芳香族碳氢化合物的混合物。挥发性固体通常用来表征污泥中有机物的量。挥发性固体越多,污泥稳定性越差。不同种类和不同地域的污泥加热时析出挥发分的数量差别很大,一般情况下,工业污水污泥挥发分的析出比率大于生活污水污泥的析出比率。

（3）营养物质。李艳霞对16个中国城市29座污水处理厂城市污泥养分的统计分析发现,城市污泥（不包括工业污泥）的有机质平均含量达到384.0g/kg,全氮27.0g/kg、全磷14.3g/kg和全钾7.0g/kg,氮、磷、钾总养分含量平均达到48.3g/kg。由此可见,污泥含有丰富的营养物质,可将其作为肥料施于农田,但应该注意它对土壤的污染。

表1是典型城市污泥中干固体、挥发份固体以及有机质等污泥特性指标的含量。

（4）有毒有害物质。污泥中的有毒有害物质是指有毒有机物、致病微生物和重金属3类物质。其中,重金属元素一直是人们较为关注的污染物。

表1：城市污泥部分特性指标含量（以干重计）

表2是2006年我国107座城市的污水处理厂污泥（二沉池的脱水污泥）重金属含量统计结果，可以看出，我国城市污泥重金属污染以Zn和Cu为主，其他重金属含量相对较低。

表2：我国城市污泥重金属含量变化范围和平均含量

Poletschny对德国6800个污泥样本进行了重金属含量分析，研究结果见表3。

表3：德国城市污泥和土壤中的重金属含量

中国污泥与德国污泥中重金属的平均含量相当，只是在某几种重金属含量上存在差异。从表3可以看出，城市污泥中重金属的平均含量比大多数农耕土壤中的要高。直接排放未经处理的污泥，会对农田造成污染，进而通过农产品影响人类健康。

（5）脱水性能。污泥的脱水性能常用污泥过滤比阻抗值（r）和污泥毛细管吸水时间（CST）两项指标来评价。比阻抗值（r）即单位干重滤饼的阻力,其值越大,越难过滤,污泥的脱水性能越差。通过调质（调理）可以改善污泥的脱水性能,另外,Fenton过氧化反应以及超声波处理也可提高污泥的脱水性能。

刘晓艳对投加阳离子PAM1%（占干污泥量的百分比）调质后的白鹤嘴水厂污泥进行了干化试验。结果表明,加药提高了污泥的脱水速度,干化周期缩短了10天左右。

（6）化学动力学特性。污泥的化学动力学特性是表征污泥本身能量利用的价值及焚烧特性的重要指标,是能否对其进行资源化的依据。

各国采用热重法对污泥热解、燃烧过程及动力学特性进行了研究。研究表明,污泥的燃烧特性与污泥种类和性质、加热环境、加热速率以及研究模型和方法-12等因素有很大关系。一般认为污泥燃烧过程分为四个阶段1：水分析出阶段、挥发分析出阶段、挥发分燃尽阶段以及固定碳燃尽阶段。研究还表明,污泥燃烧反应初期挥发分的燃烧受控于化学反应速率,随着温度的不断提高,剩余挥发分的燃尽和固定碳的燃烧总反应速率逐渐受扩散因素控制。

2 城市污泥干化技术

20世纪80年代末,由于脱水污泥在农用、填埋、投海时存在突出的不利因素,也由于污泥热干化技术在欧美等 的成功应用,使污泥干化技术在西方 很快推广开来。

污泥干化是在机械脱水后,对污泥进行的深度脱水操作。干化处理后的污泥可以用作肥料、土壤改良剂以及替代能源等。干化的目的,是使污泥进一步脱水,从机械脱水后含水率80%脱水至含水10%～50%,一方面进行了有效的减容,另一方面方便了污泥的存储、运输和利用。干化污泥由于含水率低,相对稳定,微生物和病菌也大大减少。

污泥干化技术主要有热干化、太阳能干化、微波加热干化、超声波干化以及热泵干化等。目前应用较广泛也是较成熟的是热干化技术。

根据热介质与污泥的接触方式可将热干化技术分为三类：直接干化法、间接干化法和直接一间接联合干化法。

2.1 直接干化法

直接干化是利用燃烧装置向干化设备提供热风和烟气,污泥与热风和烟气直接接触,在高温作用下污泥中的水分被蒸发。此技术热传输效率及蒸发速率较高,可使污泥的含固率从25%提高至85%～95%。但由于与污泥直接接触,热介质将受到污染,排出的废水和水蒸气须经过无害化处理后才能排放；同时,热介质与干污泥需加以分离,给操作和管理带来一定的困难。闪蒸式干燥器、转筒式干燥器、带式干燥器以及流化床干燥器等都属于直接干化类型。其中,直接加热转鼓式干燥器是较常用的直接干化设备。

典型的安德里兹（Andritz）的直接加热转鼓式干化工艺中,脱水后的污泥从漏斗进入混合器,按比例与返流的干化污泥充分混合,使干湿混合污泥的含固率达60%～70%,直接克服了污泥的粘结。干湿混合污泥再经螺旋输送机运到三通道转鼓式干燥器中,被700℃左右的热气流加热,经20min烘干后污泥达到80～85℃,成为含固率95%的粒状污泥。细小的干污泥（＜0.8mm）被送到混合器中再次与湿污泥混合后送人转鼓式干燥器。

该干化工艺采用了气体循环回用的设计,热风经过除尘、冷凝、水洗后,85%返回转鼓,只有15%需经过热氧化除臭后排放。这减少了尾气处理的负担,更重要的是大大减少了外部空气的引人量,将转鼓内氧气的含量维持在很低的水平（氧气含量＜8%）,从而很大程度上提高了系统的安全性能。转鼓干燥器的燃烧器可使用沼气、天然气、热油以及木屑等生物质,甚至是干化污泥作为替代燃料,因此,可以节省能耗。安德里兹（Andritz）公司的转鼓式干燥器已经被国内外很多城市污泥处理厂采用。

2.2 间接干化法

与直接干化法相对应的是间接干化法,由加热设备提供的蒸汽或热油首先加热容器,再通过容器表面将热传递给污泥,使污泥中的水分蒸发。间接干化技术主要有盘式干燥、膜式干燥、空心桨叶式干燥、涂层干燥技术等。该技术有效避开污泥的塑性阶段,且污泥有机物不易破坏,另外还具有工厂化操作、占地少、自动化程度高、易操作等优点。

间接式多盘干燥技术又称珍珠工艺,在欧洲和北美得到广泛利用。其中,西班牙的巴塞罗那污泥干化厂安装的污泥干化装置为 较大的间接干化污泥设备,蒸发能力为4×5000kgH₂O/h,美国的巴尔的摩污泥处理干化装置的蒸发能力为3×6000kgH2O/h。

间接式多盘干化器是一个预混合立式多级转盘造粒机,是干化和造粒一步完成的工艺。产出的颗粒干性成分可达90%,粒径为1～4mm。该工艺有以下特点：干燥和造粒过程氧气浓度＜2%,干燥后颗粒温度90℃,避免了着火和爆炸的危险性；颗粒呈均匀圆球形、坚实、无灰尘、具有较高的热值可作为燃料,尾气经冷凝、水洗后送回燃烧炉,将产生臭味的化合物彻底分解,使其尾气能满足很严格的排放标准。

2.3 直接-间接联合式干燥技术

直接-间接联合式干燥技术是对流和传导技术的整合,VOMM设计的涡轮薄层干燥器,Schwing的INNO二级干化系统,Sulzer开发的新型流化床干燥器以及Envirex推出的带式干燥器都属于这种类型。

涡轮薄层干燥工艺既采用热传导也采用热对流,其有效的热对流占换热总量的40%左右,热传导占60%以上。其优点在于：污泥干燥处理后（含水率＜5%）仅为脱水后污泥（含水率为70%～80%）体积的20%～25%,减量率＞70%；可以保证对微生物及病菌的彻底消灭,并保护污泥中的植物养分和生物能不被破坏；运行经济,在能耗方面处于欧洲污泥干化能耗的下限；污泥干化过程中,无废气排放,冷凝水也可循环使用,不会造成二次污染。

3 污泥处置技术及其发展趋势

3.1 污泥处置方法

污泥处置方法主要有：土地利用、污泥农用、填埋、能源化利用和综合利用。

3.1.1 土地利用

土地利用包括林地和市政绿化的利用以及用于严重扰动的土地的修复与重建。污泥的土地利用投资少、能耗低、运行费用低,其中有机质部分可转化为土壤的有效成分,因此污泥土地利用是一种有发展潜力的处置方式。

过去20年,美、英、德等许多 对污泥改良土地进行了大量研究,并将其投人使用。例如,澳大利亚的墨尔本东方污水处理厂产生的污泥中有1.2万m3干污泥制成土壤改良剂零售给苗圃；美国各州将污泥作为各种采矿区以及退化草地的改良剂。

3.1.2 污泥农用

污泥农用是 各国主要的污泥处置方式。美国25%、欧盟37%的城市污泥用于农田。目前,我国的污泥农用比例约为44.8%。污泥干化后具有含水率低、储存和运输方便等优点,有利于污泥农用。但污泥农用存在隐患和风险,各国对污泥农用都有严格限制。

3.1.3 填埋

大部分欧洲 的污泥以填埋为主,但欧盟规定有机质含量＞5%的污泥不得用于填埋,这意味着污泥填埋将渐渐地被海汰。2005年,欧盟 的污泥卫生填埋场仅能容纳污泥总产量的17%；未来十几年内美国将有近80%的填埋场被关闭。

3.1.4 污泥干化焚烧

直接焚烧脱水污泥不仅十分困难,而且也是极不经济的。干化后的污泥热值接近褐煤的热值,焚烧干化污泥不仅能彻底处理污泥,杀死病原体,较大限度地减少污泥体积,还能回收利用其热能。污泥焚烧后产生的飞灰可用于改良土壤、筑路,制造砖瓦和陶瓷等。在日本60%以上污泥采用了干化焚烧处理方式,欧洲也有10%以上的污泥采用这种处理方法。

污泥焚烧主要有单独焚烧和混合焚烧两种方式。污泥混合焚烧是将干化污泥与垃圾、水泥窑燃料及电厂用煤等燃料掺混燃烧,是一种合理的处置途径。

3.1.5 污泥的低温热解处理

污泥低温热解是一种能量回收型污泥热化学处理技术,不仅运行经济,还减少了污染,是一种前景广阔的污泥处理方法。它通过在催化剂作用下无氧加热干燥污泥至一定温度（＜500℃）,由干馏和热分解作用使污泥转化为油、不凝性气体和炭三种可燃产物,转化率取决于污泥组成、热解条件和催化剂的种类等因素,正常情况下,每吨干污泥可产油200～300L,其性质与柴油相似。但这种方法的产物油具有低毒性,燃烧会产生有害物质和恶臭气体,该技术也没有焚烧法发展完善。

3.1.6 综合利用

污泥综合利用主要是指污泥作建材利用,较农业利用、能源化利用具有经济效益突出、无处置残留物等优势,是污泥资源化处置的一个重要发展方向。但污泥建材利用只能处理少量污泥,且该方法在中国和西方发达 还处于研究和尝试阶段。

3.2 发展趋势

从发达 污泥处理的发展趋势分析,今后污泥处理的方向将会是土地利用和能源化利用,污泥填埋的比例将大幅度降低。污泥土地利用将会向更安全、更经济的利用方向发展；污泥焚烧和热能利用的比例将会进一步增加。

采用污泥干化焚烧方法时,干化湿污泥需要干化热源,运行成本较高。随着科学技术和实践水平的发展,一些新的污泥处理技术（如低温热处理、污泥气化、污泥水煤浆等）也渐渐地投入实际应用。

污泥水煤浆是一种近几年来提出有关泥污减量化、无害化、资源化新技术,它直接将湿污泥、煤、水以及添加剂混合制备,形成一种新型的浆体燃料,可作为代油清洁燃料在锅炉上燃烧应用。采用这种方式,既可以处理大量污泥,又不需要干化热源,还可以有效地避免二次污染。初步研究表明,污泥的掺人,可以提高浆体燃料的稳定性,并有利于浆体的燃烧和着火稳定性,燃烧特性在某些方面也优于污泥和水煤浆的单一燃烧,因此,从成浆性能和燃烧性能来说,利用湿污泥直接掺混水煤浆是可行的。

我国是个农业大国,虽然污泥的土地利用和农田利用是符合国情的主要的污泥处理方法,但由于污泥的土地利用和农田利用存在风险和隐患,因此,必须严格按照相关标准进行污泥利用,并要不断地完善 或地方的污水污泥净化技术标准以及污泥的土地利用标准。此外,还须建立有效的土壤质量监测和评估体系。

4 结论

（1）城市脱水污泥具有以下特点：含水率80%以上,不易脱水,挥发份含量高；含有丰富的植物营养成分,并含有大量的病原体、重金属以及有毒有机物等有毒有害物；有一定的热值,可对其进行热能回收利用。

（2）热介质与污泥的接触方式可将热干化技术分为三类：直接干化法、间接干化法和直接一间接联合干化法。直接加热转鼓式干燥器是较常用的直接干化设备,该设备减小了尾气处理的负担,提高了系统安全性；间接式多盘干燥技术是常用的间接干化设备,该干燥工艺安全性高,尾气能满足很严格的排放标准；涡轮薄层干燥工艺是主要的直接一间接联合干化技术,采用对流和传热相结合的方法,使得该工艺能耗很低,运行非常经济。

（3）污泥干化后的终端处理方法有土地利用、污泥农用、填埋、能源化利用和综合利用等。其中土地利用和能源化利用被认为是今后污泥处理的发展趋势。随着一些新技术（如污泥低温热处理、污泥气化、污泥水煤浆等）的出现,污泥的终端处理方法也渐渐地朝着多元化、安全化、经济化的方向发展。