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城市污泥干燥的研究现状与进展

文档作者：程诚，黄亚继，孙宇文档来源：东南大学a.能源热转换及其过程测控教育部重点实验室；b.能源与环境学院		点击数：	更新时间： 2024年07月07日
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城市污泥干燥的研究现状与进展
程诚，黄亚继，孙宇
（东南大学a.能源热转换及其过程测控教育部重点实验室；b.能源与环境学院，南京210096）
摘要：随着城市污水污泥排放量的逐年上升，污泥干燥焚烧已逐步成为城市污泥处理的最主要的有效方法之一。
文中分析了城市污泥的含水特性和干燥机理，简述了污泥的几种主要预处理方案，着重介绍了热干燥技术和太阳能干
燥技术两种传统污泥干燥方法及其优缺点， 阐述了目前应用前景较好的几种新型污泥干燥技术的干燥原理和发展趋
势，旨在为城市污泥干燥设备的开发和研究提供必要的理论指导。
关键词：城市污泥；干燥； 脱水
中图分类号：TK09 文献标志码：A
文章编号：1001-5523（2012）04-0033-04
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3 000 万t。
目前，污泥的处理方法主要有农用、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8.4～19 MJ/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[1]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
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分的汽化速率时，进入减速阶段。马学文、翁焕新[2]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[3]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[4]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最为成熟的干燥技术，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，促使污泥中水分受热蒸发最终得到含
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，其商业化应用最早
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3×102～3×105 MHz，波长为1 mm～1 m
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。
目前对于微波干燥技术的研究基本都处于静态条件下，
笔者认为，研究污泥处于工程应用时的连续流动状态时在微
波场中的变化规律，将是以后微波干燥技术的研究方向和热
点。
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[5]。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
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图1 热泵干燥污泥流程示意图
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于木材、谷物及工业原材料的干燥。图1 为热泵干燥污泥流
程示意图， 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”[6]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。
参考文献：
[1] 袁佳丽,郭宏伟.污水污泥干燥特性研究[J].化工装备技术,2009,30(4):
28-30.
[2] 马学文,翁焕新,章金骏.颗粒状污泥的干燥特性及表现变化[J].环境科学,
2011,32(8):2358-2364.
[3] 刘长燕,葛仕福.污泥干燥特性及其模型[J].化工装备技术,2010,31(1):1-4.
[4] 马学文,翁焕新,章金骏.不同形状污泥干燥特性的差异性及其成因分析[J].
中国环境科学,2011,31(5):803-809.
[5] 刘长燕,葛仕福.污泥干燥特性及其模型[J].化工装备技术,2010,31(1):1-4.
[6] 林楚娟,孙水裕,方明中,等.超声波技术在污泥减量化中的应用研究现状
[J].广东化工,2007,34(5):40-42.
收稿日期：2012-05-18

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