城市污泥是城市污水处理过程中所产生的高水分沉淀物质，是有机物和无机物组成的含水率很高的混合物。近年来，随着城市污水管网的服务人口的不断增加和水质排放标准的逐步严格，我国年废水排放总量逐年上升，产生的污泥也以每年约10%的增长速度在攀升，到2011年污泥年排放量已超过3000万t。

目前，污泥的处理方法主要有农田、填埋、排海、干燥焚烧、作为建筑材料等，含水率过高、体积过大引起的运输不便、燃烧困难是污泥处理过程中的主要问题。经过机械脱水后的污泥含水率在70%～80%之间，如果直接焚烧，需要加入辅助燃料才能维持燃烧；而将污泥的含水率降低到5%时，污泥的热值可达到8.4～19MJ/kg，因此焚烧干燥后的污泥，无需额外添加燃料。另外，干燥后的污泥（含水率30%以下）处于稳定状态，不会因为微生物作用而发霉、发臭。

因此，对污泥进行干燥，降低污泥含水率是污泥处理过程中的关键步骤。

1 城市污泥含水特性及干燥机理分析

1.1 污泥含水特性分析

通过分析污泥所含水分与污泥固体颗粒的结合特性，一般认为水分在污泥中具有4种存在形式，分别为：间隙水、毛细结合水、表面吸附水和内部水。所谓间隙水，指被污泥颗粒所包裹但不直接与固体结合的水分，间隙水相互间作用力弱，较易分离，是污泥浓缩分离的主要对象，约占污泥水分的70%左右；所谓毛细结合水，指由毛细压力结合，在固体颗粒接触面上，或充满于固体本身裂隙间，或充满于固体与固体颗粒间的水分。毛细结合水相互间作用力大，需要使用离心力、负压抽真空等较大的机械作用力或能量来分离，约占污泥水分的20%左右；所谓表面吸附水，指黏附在污泥小颗粒表面上的水分，表面吸附水呈胶体状态，无法用一般的浓缩或机械脱水方法分离，约占污泥水分的7%左右；所谓内部水，指污泥中所含微生物细胞内的水分，内部水一般采用微生物作用使细胞分解或破坏细胞膜的方法分离，约占污泥水分的3%左右。

1.2 污泥干燥机理分析

目前，对于污泥干燥机理的实验研究已日趋成熟。袁佳丽、郭宏伟等认为污泥干燥过程经历了加速阶段、恒速阶段和减速阶段。加速阶段主要是污泥表面水分被加热蒸发的过程。在恒速阶段，污泥内部水分迁移至表面，然后再从表面汽化到空气中。当污泥内部水分迁移至表面的速率小于表面水分的汽化速率时，进入减速阶段。

马学文、翁焕新等深入研究了污泥干燥过程、失重速率的变化规律，认为污泥在100～200℃下干燥时，干燥过程分为加速、恒速和降速三个阶段，而在300～500℃下干燥时，并没有真正的恒速阶段。刘长燕等采用多元线性回归建立了污泥干燥的数学模型，并得出在干燥温度小于100℃时，污泥颗粒的粒径是干燥速率的主要影响因马学文、翁焕新素，而当干燥介质温度大于100℃时，干燥速率的决定因素是温度。

马学文、翁焕新等将4种不同质量等级的污泥颗粒在100～200℃下进行恒温干燥实验，认为干燥温度与干燥时间呈二次方关系，污泥颗粒的表面积与干燥时间呈线性关系，并得出提高干燥温度或减小污泥颗粒都可以提高干燥速率，但是减小颗粒大小可以更大幅度地提高干燥效率，因为减小颗粒大小不但提高了单位面积的干燥效率，而且增大了比表面积。

2 污泥干燥预处理

污泥浓缩是污泥干燥预处理的重要环节之一。污泥浓缩的目的在于降低污泥中水分含量，减小污泥体积和消化池的容积，减少加热污泥所需的热量。污泥浓缩的主要方法有重力浓缩、气浮浓缩、机械浓缩等。

重力浓缩分为间歇式和连续式两种，浓缩后的污泥含固率低，使后续处理构筑物如消化池的容积增大，加大了投资和运行成本。近年来重力浓缩的应用已逐渐淘汰。

气浮浓缩包括压力溶气气浮、生物溶气气浮、真空气浮、涡凹气浮、化学气浮、点解气浮等，其中压力溶气气浮浓缩具有浓缩效率高、占地面积小等优点，且由于在浓缩过程中充氧，可以避免污泥中磷的释放，但设备维护复杂，运行成本高。生物气浮浓缩是利用污泥的反硝化作用产生气体使污泥上浮而进行浓缩，浓缩效率主要受硝酸盐浓度、温度、碳源和初始污泥浓度的影响。涡凹气浮适用于低浓度剩余活性污泥的浓缩。

机械浓缩包括离心浓缩、带式浓缩机浓缩和转鼓、螺压浓缩机浓缩，主要是利用机械作用力使污泥表面水分分离。

在进行污泥浓缩之前还经常采用污泥调理来提升污泥脱水效率。污泥调理方法有洗涤、加药、加热调质、冻融调理等。

污泥浓缩后，含水率依然很高，需要采用物理方法脱水进一步减小污泥的体积以便于污泥的运输、堆积等。污泥脱水一般有自然蒸发和机械脱水两种。自然蒸发法可使污泥的含水率降低到65%左右，操作简单，易于管理，但此法占地面积大，卫生条件差，对于一些不易脱水的污泥效果也不好，现在一般在干燥少雨且土地资源宽裕的地区使用，或作为机械脱水系统的事故应急方案。机械脱水法主要有真空过滤法、加压过滤法、离心分离法等，可将污泥含水率降到75%左右，且运行稳定，占地面积小，但管理较为复杂，节能效果较差。

3 传统污泥干燥技术

3.1 热干燥技术

污泥热干燥技术是目前发展较为成熟的干燥技术，根据热介质与污泥的传热方法分类，污泥热干燥技术包括直接干燥（对流）、间接干燥（传导）、红外干燥（辐射）或这些技术的整合。

直接热干燥技术通过热介质（热空气、燃气、蒸汽等）与湿污泥直接接触混合，促使污泥水分受热蒸发得到含水率仅为5%～15%的干污泥产品。热介质低速通过污泥层，提供污泥中水分蒸发所需潜热并带走蒸发产生的气体，排出的尾气一部分通过再循环系统回收利用，一部分经尾气处理后排放到大气环境中。由于热介质与污泥直接接触，产生的尾气需要配置相应的尾气处理装置。其干燥效率的主要影响因素有湿污泥固体的表面积、热介质的流动速率、干空气的水分含量等。常用的直接热干燥设备有闪蒸式干燥器、转筒式干燥器、喷淋式干燥器、带式干燥器、螺环式干燥器、多效蒸发器等。

在间接热干燥技术中，热介质通过热交换器将热量传递给湿污泥，促使污泥中水分受热蒸发。由于热介质（蒸汽、油等）不与污泥直接接触，省去了热介质与污泥的后续分离步骤，但间接传热也使热传输效率相对偏低。常用的间接热干燥器有薄膜热干燥器、圆盘式热干燥器、桨板干燥器等。

在辐射干燥中，热传递由电阻元件（燃气的耐火白炽灯、红外灯等）提供辐射能来完成，如常用于污泥焚烧的多炉膛焚烧炉。

随着热干燥技术的发展，人们也越来越关注各种联合式干燥器的应用。

3.2 太阳能干燥技术

太阳能干燥技术是以太阳能为主要能源，借助传统温室干燥工艺对湿污泥进行干化处理的技术，其商业化应用见于1944年德国的IST Anlagenbau Gm BH污水处理厂。

当温室内的污泥经过太阳光辐射后，污泥温度升高，内部水分向周围空气中加速蒸发汽化，污泥表面的空气湿度增加达到饱和状态；经过通风和自然循环，温室内的湿空气被排出，污泥表面的空气湿度由原来的饱和状态进入非饱和状态，污泥内部的水分进一步向周围空气蒸发。污泥中的有机物在污泥含水率下降到60%时会进行有氧发酵，使污泥层内部温度升高，增加干化速率。

太阳能干燥技术受天气和季节影响较大，干燥过程中会产生臭气，因此通常与一些温室附属设备联合使用。如排风机、分层扇等强制通风系统和气体收集、除臭装置的应用，满足了大面积温室处理污泥的需要；廊道式翻泥机、跨越式翻泥机、Solimax机器人装置等半自动化或全自动化的翻泥设备，对污泥进行经常性的翻动和混合，不断翻新蒸发面积，同时避免了污泥内部出现局部厌氧环境释放臭气。

太阳能干燥目前还无法取代传统的热干燥技术，现在的发展方向是考虑和一些辅助能源如热力泵联合使用。

4 新型污泥干燥技术

4.1 微波干燥技术

微波是指频率为300～300000MHz，波长为1mm～1m的电磁波，被微波辐射的极性分子会在微波电场中剧烈振动，产生摩擦，将吸收的微波能转化为热能。微波干燥技术即是利用微波的这一性质，促使湿污泥内部的水分子在微波电场中摩擦升温，形成由内向外的温度梯度，促使污泥内部水分很快扩散到表面蒸发。

微波干燥污泥时，因此加热时间短，热效率高，且微波干燥技术无需向污泥中添加化学药剂，不会向污泥中带入新的污染，使后续处理更方便、更高效。但与此同时，微波加热需耗电，这使微波干燥技术目前还很难普及。

4.2 过热蒸汽干燥技术

过热蒸汽干燥技术指过热蒸汽与湿污泥直接接触去除污泥水分。与传统的热干燥技术相比，这种干燥方法以过热蒸汽为介质，干燥产生的废气热品位仍然较高（温度在150℃左右），通常通过冷凝方法回收废气潜热再利用，即尾气经过过热器过热后继续参加干燥过程，或对湿污泥进行预热处理。废热的回收利用使得过热蒸汽干燥技术具有十分明显的高效节能的特点，但过热蒸汽也会使干燥管路中出现结露现象，易腐蚀干燥设备。

在传统的热干燥技术中，干燥速率与污泥含水率成反比。但大量研究表明，过热蒸汽干燥时存在一个称为“逆转点”的温度点，当过热蒸汽的温度高于“逆转点”时，过热蒸汽干燥速率明显比传统的热风干燥速率大；当过热蒸汽的温度低于“逆转点”时，过热蒸汽干燥速率则毫无优势，因为此时的废热回收利用效果不再理想。

4.3 热泵干燥技术

热泵干燥技术是公认的绿色干燥技术，已经成熟地应用于木材、谷物及工业原材料的干燥。从冷凝器排出的高温低湿的热空气掠过湿污泥后，成为含水率较高的湿热气体，其相对湿度一般在70%～80%之间。湿热气体通过蒸发器，水汽凝结排出系统。热泵干燥系统常采用干燥介质部分循环，以减小热泵在蒸发器内的吸热量和热泵的压缩功。

热泵干燥污泥时无需排放湿热气体，整个干燥过程中产生的有毒有害气体不外泄，对周围环境造成的污染很小。但由于热泵干燥技术初投资成本高，单机容量较小，用于污泥干燥还不够广泛。随着国内外对节能减排标准的日益提高和热泵干燥技术的逐渐完善，城市污泥的热泵干燥方法将成为主要的干燥手段之一。

4.4 其他新型污泥干燥技术

随着科技的发展和对污泥干燥机理研究的逐渐成熟，出现了越来越多的新型污泥干燥技术。如电渗透干燥技术，是在电渗透过程中，污泥中水分子向阴极流动，而污泥絮体向阳极流动，水分不经过污泥的孔隙通道即与污泥分离，干燥效率高；对撞流干燥技术，它利用湿污泥在气流对撞区内的高端湍流中的快速非稳态运动来增强传热传质过程，具有快速、干燥强度高的特点；水热处理技术可以使湿污泥中的微生物细胞破裂，降低污泥的黏度，从而使水分更容易与污泥颗粒分离；通过超声波的“空化作用”和“生化学反应”破坏污泥中的菌胶团结构，也是近年来兴起的新型污泥脱水技术。

采用组合式传热方式，也是近几年污泥干燥技术的研究热点，如由机械脱水和二级热干燥组成的深度脱水，厌氧消化和热干燥法，冷冻脱水干燥工艺，等等。

5 结论

污泥处理问题已经成为我国亟待解决的重要环境问题之一，目前，传统干燥方法仍然是当前污泥处理的主要手段。随着科技的发展，将会有更多的新技术应用于污泥干燥上，新型污泥干燥手段的发展，拓宽了污泥处理手段的选择范围，使污泥干燥在能耗、安全性、稳定性、效率、环保等方面逐步走向成熟。今后，污泥干燥技术的发展方向是将新型干燥技术与传统污泥干燥技术结合，研究热点是对污泥干燥机理的深入研究，为污泥干燥设备的研发提供更为充足的理论基础。