城市污泥脫水干化技術進展
行業(yè)動態(tài)
污泥處理是以減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化為原則。污泥處置方法主要可分為土地利用、污泥農用、填埋、能源化利用和綜合利用。無論填埋、焚燒、農業(yè)利用還是熱能利用，污泥脫水干化都是重要的第一步，這使其在整個污泥處理處置體系中扮演越來越重要的角色。
然而污泥的特殊膠體結構加大了污泥脫水干化的難度，國內外學者對此進行了大量的研究，探索出了一系列的技術手段，主要有污泥濃縮技術、污泥脫水技術、污泥深度脫水技術和污泥干化技術。
早期的污泥脫水干化大多采用污泥濃縮技術和污泥脫水技術，但脫水效果不理想。目前，污泥深度脫水技術和污泥干化技術得到了長足的發(fā)展，能夠較好地實現(xiàn)污泥的脫水干化。本文詳細闡述了這四種技術及其發(fā)展前景，旨在為污泥的脫水干化提供可靠的參考資料。
1 污泥濃縮
污水處理廠初沉池和二沉池的剩余污泥一般要經過污泥濃縮、污泥脫水和污泥干化3個過程來實現(xiàn)資源化利用。
污水處理廠剩余污泥的含水率一般高達96.0%～99.3%。污泥濃縮是為了降低污泥中的水分，減少污泥體積，以減少運輸及后續(xù)處理和處置利用成本。污泥中水的存在形式有以下四種：間隙水、毛細水、顆粒表面吸附水和內部結合水。污泥濃縮常用的方法有重力濃縮、加壓過濾濃縮、離心濃縮、氣浮濃縮和隔膜濃縮等，但應用領域有限。濃縮后污泥的含水率仍高達90%以上，污泥濃縮僅能去除污泥中的部分自由水和間隙水。
2 污泥脫水
污泥脫水是指用物理、化學和生物方法進一步降低濃縮后污泥的含水率，以便于污泥的運輸、填埋或資源化利用。污泥脫水主要有自然脫水法和機械脫水法。
2.1 自然脫水法
自然脫水法是一種古老、傳統(tǒng)的污泥脫水方法，主要工藝有污泥池法、沙地干化床和冷凍脫水等。自然脫水法一般將濃縮后的污泥在污泥干化床上鋪成薄層，污泥中的水分一部分自然蒸發(fā)，一部分滲入土壤或濾水層。對于人工濾層干化床，污泥的干化主要經歷自由水的重力脫除和泥餅蒸發(fā)風干兩個階段。雖然干化床技術較為成熟，但由于占地面積大、操作自動化程度低、工況惡劣、處理效率低、受氣候影響大等缺陷已逐漸被淘汰并被機械脫水方式所取代。近年來，聯(lián)合傳統(tǒng)的沙地干化床和人工濕地構建污泥干燥蘆葦床（SDRB）系統(tǒng)用于污泥脫水得到一定的應用，同時也出現(xiàn)了一些改進的干化床，如真空干化床，太陽能干化床以及設置雨篷等輔助設備的干化床等。
2.2 機械脫水法
機械脫水是指對過濾介質兩側施加壓力，強制污泥水分經過過濾介質形成濾液，固體顆粒在介質上形成濾餅的方式來實現(xiàn)污泥脫水。國內外已經得到商業(yè)化運作的污泥機械脫水工藝主要有真空過濾脫水、帶式壓濾脫水、離心脫水、板框壓濾機、螺壓式脫水機及滾壓式脫水機等。污泥是由親水性膠體和大顆粒凝聚體組成的非均相體系，具有膠體性質。普通機械方法只能把表面吸附水和毛細水除去，難以將結合水和間隙水除去。經機械脫水后污泥的含水率仍在80%左右。機械脫水是污泥實現(xiàn)脫水的基礎，不斷優(yōu)化現(xiàn)有機械設備，開發(fā)新型設備，針對污泥性質選擇合適的污泥脫水工藝，以達到低成本、高效、深度的污泥脫水效果是今后研究的方向。
3 污泥深度脫水
為進一步降低污泥含水率有兩種方法：一是優(yōu)化機械設計，二是在機械脫水前對污泥進行調理。
3.1 優(yōu)化機械設計
陳聰?shù)仍O計的機械加壓污泥脫水機，可以將污泥的含水率從90%降到50%以下。張民良等研制的污泥脫水柔韌管壓榨機，可以將污泥的含水率從80%降到60%以下。Lee J E等設計的電動壓濾脫水機，在合適工況下可將污泥含水率降低25%。因此，優(yōu)化機械設計是一種可行的污泥深度脫水途徑。
3.2 污泥調理技術
污泥調理方法主要有物理調理法、化學調理法、微生物調理法和復合調理法。各種方法在實際中均有應用，但以化學調理法為主。
3.2.1 物理調理法
傳統(tǒng)物理調理主要包括加熱和冷凍調理。加熱調理可以破壞污泥細胞結構，使污泥間隙水游離出來，改善污泥脫水性能。冷凍調理可以破壞污泥絮體結構，降低污泥中難以去除的結合水含量。國內外對這兩種技術也進行了一定的研究，但加熱調理技術受經濟條件的限制，冷凍調理技術受氣候條件的限制，使得這兩種技術難以推廣使用。在物理調理方面，出現(xiàn)了其他調理技術，主要為超聲波調理技術，微波調理技術和電滲透脫水技術。超聲波能有效地破壞污泥細胞結構，釋放內部結合水，從而改善污泥的脫水性能。微波調理污泥本質上是加熱調理污泥，但是微波并非從物質的表面開始加熱，而是各向均衡的穿透材料后加熱。電滲透脫水過程中，水流方向和污泥絮體流動方向相反，水分可不經過泥餅的孔隙通道而與污泥分離。此外，還有通過向機械脫水的污泥中加入物理調理劑的方法，物理調理劑主要包括礦物質材料和碳質材料。這些物質在污泥內部起到骨架的作用，可以增加泥餅內部的剛性和不可壓縮結構，進而提供更多的水通道以達到增強污泥脫水的效果。
3.2.2 化學調理法
污泥化學調理常用的絮凝劑有無機絮凝劑、有機絮凝劑和復合絮凝劑。無機絮凝劑主要分為普通無機絮凝劑和無機高分子絮凝劑。在20世紀60年代以后，無機高分子絮凝劑迅速發(fā)展。高分子絮凝劑具有沉降速度快、用量少、效果好和適用范圍廣等優(yōu)點，應用比較廣泛的有聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）、聚合硅酸鋁（PASiC）等。無機高分子絮凝劑的分子量較大，分子鏈的聚合度較大，因而具有普通無機絮凝劑所不具備的吸附架橋作用。近年來，粉煤灰、電石渣、Fenton試劑和O3等無機調理劑也得到一定的應用。無機絮凝劑具有原料易得、制備簡單、價格便宜、對污泥的調理作用明顯等優(yōu)點，但與有機絮凝劑相比生成的絮體較小且單獨使用時投藥量大。此外，無機成分比例增加會導致其肥效和熱值降低，且易產生二次污染。同時，無機絮凝劑的應用有苛刻的pH值和離子強度要求。無機絮凝劑未來的發(fā)展方向是與有機絮凝劑、物理調理法或微生物絮凝劑聯(lián)合使用，以提高污泥的脫水效率和降低污泥脫水劑的用量。
有機高分子絮凝劑從1960年開始投入使用，具有渣量少、受pH值影響小等優(yōu)點，逐漸取代無機絮凝劑作為污泥脫水的調理劑。有機絮凝劑可以分為非離子型、陽離子型、陰離子型和兩性型。寧東等發(fā)現(xiàn)在污泥與酒精槽液共厭氧消化體系中添加PAM對于35℃消化的污泥脫水效果好，對于55℃消化的污泥脫水效果差。Yan W L等研究了陽離子聚丙烯酰胺（PAM）、非離子PAM和陰離子PAM調理劑對污泥作用后的污泥結構和特征的變化及其對污泥脫水性的影響，并且得出陽離子PAM是一種更理想的調理劑，因為它需要更低的劑量和更好的調理效果。陽離子PAM是目前污水處理廠應用廣泛的污泥脫水劑。有機絮凝劑按來源可分為有機合成高分子絮凝劑和天然改性高分子絮凝劑，由于有機合成絮凝劑存在費用高、難溶解、脫水效果不好等缺點，國內外許多學者將目光投向了天然改性絮凝劑。
目前，淀粉和纖維素衍生物、植物膠、多聚糖類等天然物質經過適當?shù)幕瘜W改性，成為廣泛使用的天然改性絮凝劑。國內外研究較多的是一種新型高分子有機絮凝劑殼聚糖（chitosan）。殼聚糖是甲殼素經過強堿或酶水解脫去部分或全部乙酞基的反應產物。甲殼素是自然界第二大天然高分子化合物，含量僅次于纖維素，廣泛存在于昆蟲和甲殼動物的甲殼中。殼聚糖分子鏈內有一定角度的六元環(huán)平面，側鏈上有烴甲基羧基和胺基等活性基團，決定了殼聚糖不僅具有吸附架橋作用，還具有普通絮凝劑所沒有的螯合交聯(lián)功能。殼聚糖在污泥脫水預處理中的應用近年來在國外已逐漸普遍。
復合絮凝劑是近年來才開始廣泛使用的新型絮凝劑，分為無機-無機、無機-有機、有機-有機復合絮凝劑，目前使用較為廣泛的是無機-有機絮凝劑。它既可以綜合無機、有機絮凝劑的優(yōu)點，又可以克服其各自的缺點。國內外已有許多學者就復合絮凝劑對污泥脫水的效果進行了大量的研究。牛美青等研究發(fā)現(xiàn)：當聚合氯化鋁（PAC）、高效聚合氯化鋁（HPAC）和氯化鐵（FeCl3）的投加量為干污泥量的10%左右時，污泥比阻值小，同時三維熒光強度值也小。李志敏等研究了聚合氯化鋁鐵（PAFC）、殼聚糖（CTS）和紅黏土組成的三元復合絮凝劑對膠乳廢水的處理，結果表明，復合絮凝劑的用量比單獨使用PAFX時減少了一半，對廢水濁度和24h COD去除率分別達到98%和80%以上，并認為其絮凝劑機理是復合絮凝劑兼具PAFC的電中和性能和殼聚糖的吸附架橋作用，從而提高了復合絮凝劑的絮凝能力。Zhai L F等考察了聚丙烯酰胺（PAM）、氯化鐵和鈣質礦物粉組成的復合絮凝劑的脫水效果，綜合評價了不同復合絮凝劑劑量下的污泥脫水效果及相應的成本，利用響應面分析、灰關聯(lián)分析和模糊邏輯分析得出的劑量是PAM 4.62g/kg，F(xiàn)eCl3 55.4g/kg，礦物粉30.0 g/kg。吳幼權等研究了有機-有機復合絮凝劑的脫水效果，利用殼聚糖衍生物（CAM）與陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）復配得到復合絮凝劑CAM-CPAM。結果表明，復合絮凝劑具有良好的污泥脫水性能，投加量為30mg/L時，污泥脫水率達到90%以上，沉降速率達到0.55cm/s，透光率高于85%，濾液濁度小于8NTU。綜上所述，復合絮凝劑的脫水效果比單一藥劑調理要好，而且節(jié)省藥劑用量，可降低調理費用。但復合絮凝劑各組分組成，比例和投加順序對污泥脫水有很大的影響，當比例或順序不恰當時，可能達不到應有效果。
3.2.3 微生物調理法
微生物絮凝調理技術是使用微生物絮凝劑進行污泥調理的技術，始于20世紀70年代，但是近年來才用于污泥調理。微生物絮凝劑是微生物的代謝產物，主要成分有糖蛋白、多糖、蛋白質、纖維素和DNA等。微生物絮凝劑具有無毒、污泥絮體密實、生物降解性好和無二次污染等優(yōu)點，但制備成本較高，且針對性不強，所以目前微生物絮凝劑主要還是和傳統(tǒng)絮凝劑聯(lián)用調理污泥。靳慧霞等研究了F2-F6復合型微生物絮凝劑分別于氯化鋁、聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺復配使用處理泥漿廢水的絮凝效果，發(fā)現(xiàn)微生物絮凝劑與化學絮凝劑聯(lián)合使用不僅可以獲得更好的絮凝效果，而且可大大降低絮凝劑的總投加量。李政等對5株微生物絮凝劑菌株兩兩復合培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)SHD-1和SHD-2構建的復合菌在適宜條件下絮凝效果好，濁度、石油類物質和COD的去除率分別達到93.45%、53.42%和20.98%。Liu F W等研究了嗜酸氧化硫硫桿菌和嗜酸氧化亞鐵硫桿菌組成的生物浸取劑對污泥的脫水效果，并與傳統(tǒng)的水熱法、微波法、超聲波法及化學調理法（24%氯化鐵和68%的氧化鈣）進行比較，結果表明生物浸取法的污泥過濾阻力（SBF）和毛細管抽吸時間（CST）分別降低93.1%和74.1%，這與化學調理的效果類似，但明顯高于水熱法、微波法、超聲波法。
3.2.4 復合調理法
污泥的調理方法主要有物理調理法、化學調理法和微生物調理法，各種方法都有其自身的缺陷，在實際應用中可以根據(jù)實際情況，聯(lián)合各種方法達到好的污泥脫水效果。Loginov M等研究了石灰絮凝劑和電過濾聯(lián)用對污泥脫水的效果，并考察了石灰濃度和恒定電流密度對污泥滲透性、電過濾速率、泥餅的干度和能量消耗的影響。結果表明石灰濃度增加能增加滲透性，但同時也會不利于電過濾過程和降低泥餅干度，石灰濃度在1g/L下是適宜的，值為0.3g/L，明顯低于簡單過濾時的石灰濃度（0g/L）。Zhang G M等比較了單獨超聲波脫水和超聲聯(lián)合化學調理的脫水效果，發(fā)現(xiàn)單獨超聲脫水時污泥的含水率為90%，而超聲聯(lián)合FeCl3和PAM組成的化學調理劑時可以明顯減少調理劑的用量（40%～50%）。研究得出，工藝條件為在0.8W/mL下超聲7s，投加1.5g/L FeCl3和15mg/L PAM，在此條件下污泥含水率為72.8%。周煜等利用紫外光-Fenton氧化處理城市污泥，結果表明，光-Fenton氧化破解污泥EPS和改善污泥脫水性能的效能明顯優(yōu)于單獨Fenton反應和單獨紫外光照射處理。周翠紅等分別比較了市政污泥的超聲處理、絮凝劑處理和超聲結合絮凝劑處理，發(fā)現(xiàn)超聲結合絮凝劑的脫水效果更好。羅海健等分別采用微波、絮凝劑和微波聯(lián)合絮凝劑對制革污泥進行脫水預處理，結果表明聯(lián)合處理效果更好。由此可見，物理調理與化學調理聯(lián)用可以起到較好的協(xié)同效果，達到較好的脫水效果。
4 污泥干化
污泥經過調理后機械脫水，不同的調理方法和不同的機械脫水工藝，污泥的含水率也不同，一般可達40%～70%。脫水污泥的含水率不能滿足污泥處置的要求：如作為肥料或土壤改良劑用于土地利用，要求含水率降為20%～40%；直接填埋需要含水率低于60%；直接焚燒要求含水率低于50%。脫水污泥中的水分主要為細胞內部結合水和部分顆粒吸附水及毛細水。要進一步去除這部分水分，常規(guī)的脫水方法已不再適用。污泥干化是在機械脫水后，利用熱能將污泥中的水分變?yōu)樗魵舛⑹В玫胶?0%～50%的干化污泥，主要有熱干化、太陽能干化、微波加熱干化、超聲波干化以及熱泵干化等，目前應用廣泛、成熟的是熱干化技術?，F(xiàn)有的污泥熱干化設備從進料方式和產品形態(tài)上大致可以分為兩類：一種是采用干料返混系統(tǒng)，濕污泥先與一定比例的干泥混合，含水率降至30%～40%后進入干燥器，產品為球狀顆粒；另一種是濕污泥直接進料系統(tǒng)，產品多為粉末狀。污泥熱干化根據(jù)熱介質與污泥接觸方式可分為直接熱干化、間接熱干化和直接間接聯(lián)合熱干化技術。
4.1 直接熱干化技術
直接熱干化又稱對流干化，是加熱空氣與污泥直接接觸從污泥表面去除水分的方法。直接熱干化的優(yōu)點是熱能利用率高，可使污泥的含固率從25%提高到85%～95%，但是由于熱介質與污泥直接接觸而受污染，廢氣須經無害化處理后排放。為了減少直接熱干化尾氣處理的高昂費用，一般采用尾氣循環(huán)技術。尾氣循環(huán)回用設計能使轉鼓中的含氧量保持在一個較低的水平，這在污泥干化中是一個比較重要的安全參數(shù)。常用污泥直接熱干化技術主要有轉鼓干化、閃蒸式干化、帶式干化、噴霧式干化和螺旋式干化等。
4.1.1 轉鼓干化技術
自20世紀40年代以來，日本、歐洲和美國就采用直接加熱式轉鼓干燥器來干化污泥。目前的設備供應主要有澳大利亞的Andritz AG、美國的BioGro、英國的SwissCombi和日本的Okawara。日本Okawara公司生產的干燥器，用轉鼓里的高速刮削刀刮泥餅，形成不斷移動任意形狀的產物。其余各廠家的干燥器，均采用干物料與污泥混合形成含固率達60%～70%，可在轉鼓里隨意轉動的小球狀物。Andritz采用了尾氣循環(huán)技術，開發(fā)出新一代密閉式、帶返料、直接加熱轉鼓式干化器，污泥與熱介質在轉鼓中直接接觸加熱而干化，經氣固分離后，85%熱介質返回干化系統(tǒng)循環(huán)利用，其余經處理后排放，干化后污泥呈穩(wěn)定顆粒狀。
4.1.2 閃蒸式干化技術
20世紀30年代，閃蒸式干化器開始在美國用于污泥處理，美國ABB Raymond是目前著名的生產廠家。在高速研磨機攪動下，部分干污泥返混后的混合污泥與流速20～30m/s的高溫氣流接觸，進行數(shù)秒傳熱，污泥中水分得到迅速蒸發(fā)，含水率可降低至8%～10%。閃蒸干化技術是固體流態(tài)化稀相輸送技術在污泥干化上的應用，污泥與熱介質直接接觸并懸浮于高熱氣流中，具有顯著增大兩相接觸面積、強化傳質傳熱過程和有效縮短干化時間等優(yōu)點。
4.2 間接熱干化技術
間接加熱的特點是熱源與污泥不直接接觸，通過加熱容器將熱量間接傳遞給污泥，無需分離熱介質與干污泥，避免了煙氣污染，環(huán)保性能好。但是其熱傳輸效率和蒸發(fā)率較差，污泥中的有機物不易分解，并且需要配備單獨的熱源系統(tǒng)，投資和維護成本較大。常用污泥間接熱干化技術主要有槳葉式干化、立式多盤干化、薄膜干化、轉盤式干化和間接加熱轉鼓干化技術等。
4.2.1 槳葉式干化技術
槳葉式干燥機是一種臥式攪拌型連續(xù)干燥設備，以熱傳導為主，采用蒸汽或導熱油作為熱介質。干燥機主要由帶夾套的筒體、空心槳葉軸及驅動裝置組成。加熱介質從軸端的旋轉接頭導入導出，分別進入干燥機殼體夾套和槳葉軸內腔，加熱干燥機內壁、中空葉片、空心軸，然后通過熱傳導的方式對物料進行干化。污泥連續(xù)送入干燥機內，在空心槳葉連續(xù)轉動作用下不停地翻轉，充分均勻地受熱而干化。轉動的槳葉將干化后的物料輸送至出料口排出。此技術較早進入國內，例如紹興中環(huán)再生能源有限公司采用8臺槳葉式干燥機進行污泥干化，污泥含水率從85%可降低至40%。
4.2.2 立式多盤干化工藝（珍珠工藝）
20世紀70年代以來，間接加熱圓盤式干燥器被應用于污泥干燥，主要設備供應商有Stord International Buss AG、Bepex、Komline、Sanderson和Seghers等公司。Seghers公司開發(fā)的新一代間接式多盤干燥工藝又稱為珍珠工藝。主要是通過循環(huán)熱油加熱圓盤干化機內小、大盤，交替垂直排列，干污泥在涂層機內涂覆濕污泥后，在圓盤上做圓周運動，盤內導熱油間接傳熱干化。
4.3 直接-間接聯(lián)合熱干化技術
直接-間接聯(lián)合熱干化是對流-傳導熱干化技術的結合，該技術代表有Sulzer開發(fā)的新型流化床干燥器，VOMM渦輪薄層干化技術，Schwing的INNO二級干化系統(tǒng)以及Envirex的帶式干燥器。
近年來涌現(xiàn)出生物干化、水熱干化、太陽能干化、太陽能熱泵聯(lián)合干化、微波干化等許多以節(jié)能為主要出發(fā)點的新興干化技術。但各種技術發(fā)展還不成熟，還無法取代傳統(tǒng)的熱干化技術，仍將作為主流干化技術的補充。未來我國污泥處理應在傳統(tǒng)熱干化技術不斷優(yōu)化的基礎上，致力于新技術的開發(fā)，推動我國污泥處理事業(yè)的持續(xù)進步，真正實現(xiàn)污泥的資源化利用。
5 結語
城市污泥的脫水干化是污泥農用、填埋、燃料化和焚燒等處置方式的前提。由于污泥特殊的膠體結構，污泥的脫水干化變得異常困難。污泥的干化一般需要經過污泥濃縮、污泥脫水和污泥干化三個過程。
污泥濃縮僅能去除污泥中的部分自由水和間隙水，應用領域有限。污泥脫水是污泥干化的重要一步，污泥脫水普遍存在脫水效率不高的問題，如何根據(jù)污泥性質選擇合適的脫水設備、如何優(yōu)化脫水機械設備、如何選擇合適的絮凝劑、如何選擇適當?shù)奈锢碚{理方法達到高效的脫水將是今后研究的方向。
污泥干化主要以熱干化為主，其他新興干化技術也得到了部分應用，污泥干化今后的研究方向是改進和完善熱干化技術、積極探討新興干化技術。在實際應用中，應根據(jù)污泥的性質、污泥處置方式、經濟狀況、土地資源狀況等選擇合適的污泥脫水干化工藝。
