1 引言

随着国民经济的发展，城市污水的排放量及处理量逐年大幅增加，副产物污泥的产量也急剧增加。有关数据显示，2010～2017年我国的污泥产生量从5427万t/a增长至7436万t/a，年增长率达到4.6%。长期以来，我国城市污水处理厂存在“重水轻泥”的问题，污泥违法倾倒事件频发，如泰兴市长江倾倒事件，有学者对城市污水处理厂污泥倾倒对海洋生物的毒性进行了研究。2012年发布的《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》 针对污泥处理处置提出规划指标。2015年4月，《水污染防治行动计划》正式提出污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处理处置。2016年，《“十三五”生态环境保护规划》进一步加大要求，提出地级及以上城市污泥无害化处理处置率达到90%，京津冀区域达到95%。

污泥具有热值低、重金属超标、病原菌富集等特点，不加以处理，会对环境造成严重的二次污染。通常脱水污泥的含水率在80%左右，污泥的含水率高、体积大、处理量大，要进一步降低污泥中的含水率就必须对污泥进行干化处理，干化后的污泥不仅体积显著减少，黏度等特性也明显降低，可进行填埋、焚烧、堆肥等处置。热干化是主要的污泥干化技术，可快速降低污泥的含水率，实现减量化。本文对污泥热干化工艺及设备、污泥干化特性进行了分析，为后续污泥干化研究提供参考。

2 污泥热干化工艺应用

污泥热干化主要是利用热媒与污泥进行直接或间接的换热。从而脱除污泥中的水分。1910年英国Bradford公司采用转窑式污泥干化机实现污泥干化，随后美国、英国陆续研制了闪蒸式干化机、带式干化机；20世纪90年代后，欧洲、北美的热干化设备应用呈爆发式增长，目前在德国污泥大部分都要进行热干化处理。我国的污泥热干化技术起步较晚，采用的干化设备主要是空心桨叶干燥机，该设备由德国引进，现在应用还在逐年增加。目前国内污泥热干化工艺众多，主流工艺为转鼓式干化、桨叶式干化、圆盘式干化、薄层式干化、流化床式干化等。下表列出了主流干化设备的结构、干化原理及典型生产企业。

转鼓式干化分为直接加热与间接加热两种形式，其中以直接加热形式居多。自20世纪40年代以来，日本、欧洲和美国就采用直接加热式转鼓干燥器来干化污泥。美国采用的转鼓式干化机为Enviro-Grop研发的三通道式转鼓干燥，可将污泥干化至含水率30%～40%。

桨叶式干燥机由联邦德国开发成功，之后日本引进该项技术，并进行改进，开发出双轴和四轴两种结构，研发出十多种规格的系列产品，目前国内已有几十家企业可生产这类干燥器。

圆盘干燥机干化技术已在日、韩以及欧洲成功使用20多年，其中日本三菱研发的SDK系列圆盘干燥机在韩国污泥热干化的市场占有率达到83%以上。2009年国内天通公司引进日本三菱圆盘干化技术，该技术可实现污泥半干化甚至全干化（含水率＜10%），在苏州市江远热电有限责任公司二期、北京怀柔垃圾焚烧发电厂、郑州马头岗污水处理厂等多个项目中成功应用。

薄层式干化工艺是用于浓缩化工行业高黏度介质，1980年通过技术改进，如今已成为得利满、威立雅等多个大型国际工程公司污泥处理项目的首选工艺，业绩遍布全 ，其中包括日处理能力1000t（美国）的污泥干化工厂，目前在我国也有多个工程业绩，如深圳市上洋污泥处理厂半干化-焚烧处理系统、苏州工业园污泥干化项目、重庆唐家沱污泥干化处置项目。

流化床干化技术在国内应用较少，上海石洞口污水处理厂属国内 应用该技术的项目，该项目采用了德国安德里茨的流化床干化工艺及核心设备，利用焚烧污泥产生的热能在流化床污泥干化机内将脱水污泥干化至含水率低于10%，并于2004年开始投运，每年能持续运行7200h。2007年清河污水处理厂同样引进德国安德里茨的流化床干化工艺及核心设备，污泥干化后含水率低于10%。

3 污泥干化特性分析

3.1 污泥水分

热干化是表面水分气化和内部水分向外部转移的持续交替进行的结果，热干化时污泥干化速率呈现先增加后减少的趋势，且体积发生收缩。干化初期，污泥开始升温表面水蒸发，表层形成裂隙开始向内部延伸，此阶段不发生水分的迁移和体积的收缩；干化中期，随着污泥内部温度逐渐升高，内部结合水逐渐向外层扩散，裂隙不断发育向内部延伸，内部水向外迁移距离缩短，水分快速减少，污泥体积发生收缩。干化末期，污泥内部水分稀少，伴随污泥外层干燥厚度的增加，内部水分的向外迁移速率降低，水分减少缓慢，污泥体积收缩到极小值。

污泥的含水率大小影响表面形态，污泥含水率降低到一定程度时，污泥形态将由流态转变为固态，体积大幅缩减。污泥含水率为65%～85%时呈塑态，含水率为35%～40%呈散状态，含水率低到10%～15%呈粉末状态。同时，干化后污泥含水率大小也影响后续的处置，实际项目中应从经济、节能等方面控制污泥干化后含水率大小。陈萌等研究认为采用焚烧处置时，污泥干化后含水率为50%～60%更为适宜。

3.2 污泥热值

污泥热值主要由有机质提供，污泥的含水率、有机物的挥发和分解都会影响热值大小，低位热值随含水率的增加而降低，干基高位热值随有机质含量的增加而升高，随有机质含量的下降而降低。研究表明，干化温度为150℃时，污泥会损失10%的高热值，且干化温度越高，污泥热值减少越明显。当温度高于150℃时，挥发性物质的损失起着至关重要的作用。范海宏等通过对剩余污泥和厌氧消化污泥干化特性研究发现，干化温度从100℃提升至300℃时热值降低约一半，因此建议污泥干化温度低于250℃。

3.3 污泥黏性

含水率大小影响污泥的黏性，根据污泥黏性的不同，干化污泥存在黏稠区、黏滞区和颗粒区，其中黏稠区含水率较大，颗粒区含水率较小。污泥处于黏稠区时，含水率＞65%，流动性好、易于搅拌、可挤压性强、传热性能好，污泥干化速率较高。污泥处于黏滞区时，黏性较大，通常含水率为45%～65%。黏滞区的污泥在干化时具有较多问题，首先黏滞区内污泥具有很强的黏附和结团能力，会不断黏附堆积在干化设备传热部件表面，造成传热阻力急剧增大、传热效率降低，热量只能经过导热传递到污泥内部，其次搅拌和混合效果变差会导致干化设备运动部件能耗增大，黏着的污泥由于长时间受热容易发生过度干化产生安全隐患。Deng等研究认为污泥含水率为55%～60%时，黏性较大，干化时在设备内部堆积量较大。污泥处于颗粒区时，含水率＜45%，此时黏结在传热部件表面的污泥开始破碎脱落形成颗粒，干化速率比黏滞区大。

3.4 干化污泥尾气

污泥干化尾气具有恶臭味，其生成大都来自有机物的化学反应，而蛋白质作为污泥中有机质的主要成分，是干化尾气生成过程的重要反应物。污泥干化尾气包括无机气体和有机气体，无机气体有氨气、氯化氢、氟化氢等，有机气体有甲烷和挥发性有机酸。

尾气中氨气浓度较高，由污泥中的含氮有机物蛋白质经水解产生，其大量释放主要发生在干化早期阶段，且释放量随着干化温度的升高而增加，干化后期由于经过较长时间的干化过程，大部分的氨已经被释放，氨的单位释放量不再继续增加。此外，污泥干化温度和含水率都影响氨的释放量。翁焕新等研究表明降低污泥干化温度是控制污泥氨释放量的有效措施，建议污泥在低温（＜200℃）条件下完成干化过程。周杰等研究发现污泥含水率也影响氨的释放量，污泥含水率为45%～80%时，氨的释放量随含水率的减少而增加，污泥含水率小于45%时，氨的释放量不再增加。

除了氨气外，其他臭味气体如氯化氢和硫化氢等无机气体主要来自污泥中原有游离氯化氢和硫化氢的挥发，或污泥中复杂组分和含氯、含硫盐分的受热分解，甲烷是通过污泥中有机物厌氧降解产生。为了保证污泥干化尾气排放不造成环境影响，干化设备后需要配套相应的尾气处理系统。

3.5 冷凝液

污泥干化尾气的冷凝液呈碱性，且BOD₅、COD和氨氮浓度高。干化时污泥释放的大量氨气会溶于水呈碱性，氯化氢、氰化氢等酸性物质会溶于水呈酸性，由于氨气浓度明显高于其他气体，导致冷凝液呈碱性且氨氮浓度很高，此外污泥在干燥过程中释放的甲烷、正己烷和苯等链烃或芳香烃等有机气体会导致污泥中的COD和BOD₅增加。郦春蓉采用桨叶式干化机研究污泥干燥特性发现，污泥冷凝液pH为9.3，BOD₅、COD和氨氮浓度远高于污水处理厂进水水质标准，污泥干化后的冷凝液必须再进一步处理或稀释才能排放。

4 结论

（1）我国的污水污泥热干化技术起步较晚，主流的干化技术基本都采用引进或引进后自主研发的形式，能实现污泥含水率低于10%，随着对污泥处理处置问题的日益重视，目前国内已成功运行多个污泥干化处置项目，且运行良好。

（2）热干化过程中，随着污泥含水率的降低，干化速率呈先增后减的趋势，污泥体积会发生收缩。当含水率从85%下降至10%时，污泥会经历塑状、散状、粉末状三种形态。实际应用中应根据后续处置要求控制污泥含水率。

（3）污泥的含水率和干化温度影响热值大小，热值随着含水率的降低而减小，当干化温度达到300℃时，污泥会损失一半的高热值，建议干化温度低于250℃。

（4）含水率影响污泥的黏性，干化过程中污泥黏性需要经历黏稠区、黏滞区和颗粒区三个阶段，含水率45%～65%时污泥黏性较大，传热效率差，能耗高，存在安全隐患。

（5）污泥干化尾气包括无机气体和有机气体，具有恶臭味，以氨气为主。污泥干化温度、干化时间和含水率都会影响尾气中的气体释放量。为了降低环境污染，污泥干化设备后需要配套相应的尾气处理设备。

（6）污泥冷凝液呈碱性，富含BOD₅、COD和氨氮，远高于污水处理厂的进水水质标准，需进一步处理或稀释才能达标排放。