房凯文 曹宪周

摘 要：污泥处理由于高成本和对环境、人体健康造成的威胁，已经成为一个严重的经济问题和社会问题。本文对目前国内外污泥干燥技术及设备技术性能进行了系统分析，以给今后污泥处理装备的发展提供良好的借鉴作用。

关键词：污泥处理;干燥技术;干燥机

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）16-0131-04

Abstract： Sludge treatment has become a serious economic and social problem due to its high cost and threat to the environment and human health. In this paper， the sludge drying technology and equipment technical performance at home and abroad were systematically analyzed to provide a good reference for the development of sludge treatment equipment in the future.

Keywords： sludge treatment;drying technology;drying machine

污泥，尤其是城市河道污泥，其不仅含水率高、所占体积大、气味恶臭等，而且含有多种重金属、有机污染物、寄生虫卵和病原微生物等难以降解的有毒有害及致癌物质，若不及时进行无公害处理，将会对人们的生存环境造成极大的污染，甚至威胁环境安全和公众健康。因此，加强城市污泥处理尤为重要。

1 国内外污泥干燥技术研究现状

污泥是含水率极高的物质，易腐败且有恶臭。经浓缩、消化后的含水率仍高达95%～97%，而经机械脱水后含水率为70%～80%，而经干燥后含水量可降至20%左右[1]。因此，应用干燥技术使污泥减容，是污泥减量化、无害化和资源化利用的重要方法。目前，污泥干燥是城市污泥处理最常用的方法，干燥后的污泥水分含量降低、体积大幅缩小，为其后续处理和运输创造了有利条件。干燥后的污泥与湿污泥相比，其體积大幅度减小，一定程度上减少了储存空间。以含水率为85%的湿污泥为例，干燥至含水率40%时，体积可减少至原来的1/4，污泥的形状成为颗粒，有利于进一步的后续处理。

英国的Bradford公司是世界上最早将热干燥技术应用于污泥干燥处理的公司。1910年，该公司首次开发了转窑式污泥干化机，并将其应用于污泥干化实践;1915年，这套技术得到了Huddersfield的采用[2]。到了20世纪30年代，美、英两国污水处理行业分别出现了闪蒸式干燥机、带式干燥机等设备。20世纪六七十年代，污泥热干燥技术逐步得到了完善[3]。大约在20世纪40年代，日本和欧美就已经采用直接加热鼓式干燥器来干燥污泥。污泥干燥是一个能量静消耗的过程，能耗费用在整个标准化系统运行成本中的比例超过80%[4]。但是，污泥干燥的优点也逐渐显现出来，因而，这项技术于20世纪80年代末期在瑞典等国家成功应用之后，逐渐在发达国家推广起来。

目前，研究较多的污泥干燥方式有高温干燥（包括过热饱和蒸汽干燥）（80～280 ℃）和低温干燥（20～70 ℃）。热风干燥技术的研究主要集中在污泥干燥规律、干燥模型及系统分析等方面。污泥干燥速率的变化是干燥过程中水分迁移的宏观表现，其变化规律揭示了污泥干燥内部微观的传热传质动力学机理[5-6]。刘欣等对印染污泥的热空气干燥特性进行了研究，认为污泥干燥过程可分为预干燥、恒速干燥和降速干燥三个阶段，恒速干燥阶段是主要干燥阶段，干燥速率最高，蒸发水分最多[7]。张绪坤等在160～280 ℃温度下，分别对4、10 mm污泥薄层进行过热蒸汽干燥和热风干燥，并利用Fick扩散模型，建立有效扩散系数和干燥时间的关系。研究结果表明：当温度超过260 ℃时，过热蒸汽干燥的有效扩散系数比热风干燥有效扩散系数大[8]。之后，他为了研究城市污泥过热蒸汽和热风干燥特性，研制了一套常压内循环式干燥实验装置。以4 mm和10 mm污泥薄层为研究对象，在160～280 ℃温度下进行过热蒸汽和热风干燥特性实验。结果表明，随着温度升高，过热蒸汽与热风干燥时间越来越接近，当温度达到280 ℃时，过热蒸汽干燥与热风干燥时间大致相同[9]。2016年，其又和其他学者利用图像处理技术分析干燥过程污泥收缩现象及特性。结果表明，污泥在干燥过程中存在明显的收缩现象，前段干燥收缩幅度大，后段干燥收缩幅度小，收缩变化规律与水分变化规律一致[10]。曾庆洋、Font、Krista等[11-13]用Logarithmic模型研究了常温条件下的污泥干燥速率。结果表明，污泥厚度及风速对其干燥速率影响较大，污泥厚度越小、风速越大，污泥干燥速率越大。Ruiz Celma A和Cuadros F[14]采用对流干燥方式分析了不同进风速率和进风温度下的污泥干燥特性。

传统的污泥干燥技术已经不符合现代环境的要求，面对愈发严重的能源危机和环境压力，污泥低温干燥、太阳能干化、热泵干化、低温真空脱水技术、低温射流干化及烟气余热干化等技术逐渐得到研究和应用。李帅旗等通过对热泵热风干燥、过热蒸汽干燥、太阳能干燥和微波干燥等几种污泥热干燥技术进行对比分析，认为热泵热风干燥能耗较低，环保效益好，过热蒸汽干燥效果好，安全性高，太阳能干燥节能环保效果更优，微波干燥处理速率快，干燥效果好，但运行成本较高[15]。杨玉廷等在超声波预处理污泥干燥实验基础上，分析了超声波预处理技术对污泥干燥速率的影响。结果表明，超声波预处理能有效提高污泥干燥效率，能够加速表面自由水分蒸发和快速结束污泥恒速干燥阶段;增大超声波功率可以更好地改善污泥的干燥特性，但改善的程度随着十燥时间的延长而放缓[16]。赵芳为了探讨超声作用对污泥热风干燥过程的强化效果，对不同功率超声作用下污泥热风干燥特性进行试验研究，分析讨论了超声声能密度、超声作用时间、超声热效应等因素对污泥干燥过程的影响。结果表明，超声作用可以加速污泥干燥速率，且超声强化效果随着声能密度的增加逐渐增强[18]。李进平等采用微波和烘箱结合及全程烘箱2种方式对城市污泥干化进行对比研究，考察了不同粒径、微波干化预处理、预处理时间及烘箱温度对污泥干燥特性的影响。结果表明，同一温度条件下，微波预处理时间越长，污泥干化速率越快;微波干燥污泥具有时间短、干燥速率大的特点，微波和烘箱结合对比全程烘箱干化速率高且能耗低[18]。曹雷等针对薄膜态污泥进行低温干燥，研究了温度为50 ℃和70 ℃、表面风速为0.3～1.2 m·s-1的条件下污泥质量与含水率的相对状态变化[19]。

干燥是一个非常复杂的操作单元，其包含质量、能量和动量的传递，涉及流体力学、热力学、传热传质学等一些基础学科。近年来，国内外学者在污泥干燥动力学特性、传热传质及模型方程方面也进行了相应研究。程诚等利用相同质量的污泥在85～145 ℃下进行恒温干燥实验，得到污泥干燥过程中含水率、干燥速率等变化规律，并采用多元线性回归对实验数据进行分析，得到了污泥干燥动力学模型[20]。王高敏等主要从干燥动力学特性、传热传质及干燥模型方程3方面对污泥干燥动力学进行了论述，着重介绍了其在污泥干燥中的研究进展与应用状况，最后从干燥应用技术方面出发，对污泥干燥动力学进一步提出了研究展望[21]。马德刚等通利用功率谱分析对实验所得间接式加热的污泥干燥速度变化进行分形和混沌特性的判别，并提出Hausdorff维数和整体盒维数的计算方法，以分析其分形规律。通过判断得知，污泥的干燥速度变化具有分形特性[22]。

2 国内外污泥干燥装备技术特性

污泥的热干化已经成为世界上大规模处理污泥的主要手段。污泥热干化可采用直接加热、间接加热的方式。直接热干化宜采用转筒式设备，间接热干化可采用圆盘式干化机、桨叶式干化机、薄层式干化机、流化床式干化机、低温真空板框式干化机等。图1是目前污泥干燥传热常用的方式和设备。

国外干燥设备已经发展近百年，利用各种原理进行干燥脱水的产品已成系列化、规模化。根据热蒸发方式不同，可将干燥器分为闪蒸式干燥器、转筒式干燥器、螺环式干燥器、带式干燥器、喷淋式干燥器、多效蒸发器等。目前，国内常用的技术有气流干燥、回转圆筛干燥、流化床干燥、旋转闪蒸干燥、喷雾干燥、红外干燥、微波干燥、冷冻干燥等。此外，还有一些新型的干燥技术也被投入工业化应用，如冲击干燥、对撞流干燥、过蒸汽干燥、脉动燃烧干燥、热泵干燥等。但从实际应用来看，目前尚无相关文献从技术指标优化、经济性及对环境的影响等方面，对其进行综合论述。因此，本文根据工程案例经验，对国内外几种典型的污泥干燥设备结构及特性进行归纳分析。

第一，桨叶式干燥机。此类干燥机主要由夹套、双轴（或四軸）楔形叶片和传动装置组成。污泥通过夹套、空心轴和轴上焊接的空心叶片的热传导被间接加热干化。楔形叶片对污泥切割搅拌，并不断更新干燥面，从而达到干燥的目的。由于楔形桨叶对污泥有切割作用，因此该设备对黏性不大的污泥具有一定的自洁净功能。但对于黏性强的污泥，由于楔形桨叶不是等截面，不能使用刮泥刀，因此会导致干燥面黏附污泥，影响干燥效果和设备干燥能力。

第二，带有内破碎装置回转圆筒干燥机。该干燥机采用直接干燥技术，将烟道气与污泥直接进行接触混合，使污泥中的水分得以蒸发并最终得到干污泥产品。该设备的主体部分为与水平线略呈倾斜的旋转圆筒，烘干方式采用顺流式烘干。

第三，桨叶搅拌式回转滚筒烘干机。桨叶搅拌式回转滚筒烘干机，又称为耙式滚筒烘干机、旋耙式滚筒烘干机、旋转桨叶式滚筒烘干机。水分50%～85%物料由螺旋输送机送入搅拌滚筒烘干机实现顺流烘干，污泥在抄板下不断抄起、散落呈螺旋行进式前进，内置搅拌桨叶装置将污泥搅拌、打散、破碎，经与热气热交换，水分迅速蒸发汽化，达到干燥效果的物料在热风作用下快速行进排出滚筒，没有达到干燥效果的物料由于重力作用而不能快速行进，物料在滚筒内进行充分干燥，由此达到干燥效果，完成干燥过程，由螺旋输送机排出。

3 结语

污泥干燥处理技术及干燥设备特点各异，不同国家、不同地区污泥特性不同、应用要求及环境不同，污泥处理干燥机技术及设备亦呈现出不同应用特征;但总体而言，污泥干燥处理技术及干燥设备的发展应注重以下几方面。

第一，加强顶层设计，注重标准化、规范化建设。虽然我国已经颁布30余项涉及污泥处理处置的标准，但系统性不强，未形成标准化体系，并不能为我国污泥处理工艺及污泥设备行业提供较为可靠的评价标准。对此，首先，应该建立规划和督导小组，保证城市污泥处理标准化。其次，应该将污泥处理标准设置为两个梯度，将排放量超过3 000 m3/d作为第一梯度，将排放量低于3 000 m3/d作为第二梯度。

第二，实现污泥减量化、无害化、稳定化、资源化。2015年国务院发布《水污染防治行动计划》（“水十条”），为确保全国水环境治理与保护指明了方向。目前，我国污泥处理的减量化初步实现，污泥稳定化处理的关键技术和设备也取得了阶段性进展。太阳能干燥、微波干燥、热泵干燥等技术也为污泥处理无害化奠定了基础，干化后的污泥可以用作肥料、土壤改良剂、替代能源。

第三，注重技术集成和创新。在创新方面，应积极寻求最佳工艺方法，确定最佳工艺路线及最优参数。要利用现代设计方法开展大型设备结构优化、设备机械性能、工艺效果与负载特性研究，创建高效节能型关键装备设计新理论、新方法、新工艺，从而提高技术创新能力，提升装备机械、工艺和自动化智能化水平，带动行业整体水平提高，服务国家战略需求;同时，真正实现改革创新，解决大部分团队只注重单节点、单工艺或单设备的技术研究，而忽略了不同研究技术的兼容性、衔接性、集成性的问题。

参考文献：

[1]林云琴，周少奇.我国污泥处理、处置与利用现状[J].能源环境保护，2004（6）：15-18.

[2]EPA. Process design manual for sludge treatment and disposal.Center for environmental research information technology transfer[EB/OL].（2010-09-02）[2020-04-10].http：//www.docin.com/p-76482785.html.

[3]朱南文，徐华伟.国外污泥热干燥技术[J].给水排水，2002（1）：16-19.

[4]田苗，柴宗曦，王昊.一种新型高效污泥干燥设备的设计研发[J].当代化工研究，2018（7）：129-130.

[5]王高敏，吴青荣，姚斌，等.污泥干燥动力学的研究进展[J].环境工程，2016（10）：124-127，74.

[6]王兴润，金宜英，聂永丰.国内外污泥热干燥工艺的应用进展[J].中国给水排水，2007（8）：5-8.

[7]刘欣，印染污泥干燥特性和干燥工艺的研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[8]张绪坤，苏志伟，王学成，等.污泥过热蒸汽与热风薄层干燥的湿分扩散系数和活化能分析[J].农业工程学报，2013（22）：226-235.

[9]张绪坤，姚斌，苏志伟，等.城市污泥过热蒸汽与热风干燥特性[J].环境工程学报，2015（10）：5049-5054.

[10]张绪坤，王高敏，温详东，等.基于图像处理的过热蒸汽与热风干燥污泥收缩特性分析[J].农业工程学报，2016（19）：241-247.

[11]曾庆洋，伍健东，周兴求，等.污泥厚度和风速对污泥常温干燥的影响及干燥模型分析[J].科学技术与工程，2017（12）：55-60.

[12] Font R，Gomez-Rico M F， Fullana A.Skin effect in the heat and mass transfer model for sewage sludge drying[J].Separation and Purification Technology，2011（1）：146-161.

[13] Krista K， Armands C，Aivars Z. Experimental study on the effects of air velocity， temperature and depth on low-temperature bed drying of forest biomass residue[J]. Energy Procedia，2015（72）：42-48.

[14] Ruiz Celma A，Cuadros F， Lopez Rodriguez F. Convective drying characteristics of sludge from treatment plants in tomato processing industries[J].Food and Bioproducts Processing，2012（2）：224-234.

[15]李帥旗，陈永珍，黄冲，等.污泥热干燥技术的研究现状与进展[J].广东化工，2017（15）：181-182.

[16]杨玉廷，李润东，王爽.超声波预处理对污泥干燥速率影响研究[J].可再生能源，2009（2）：43-46.

[17]赵芳，程道来，陈振乾.超声波处理对污泥热风干燥过程的影响[J].农业工程学报，2015（4）：272-276.

[18]李进平，李梦谣，姚雯.城市污泥微波干化工艺及干化特性研究[J].环境工程学报，2014（8）：3433-3436.

[19]曹雷，马德刚，白繁义，等.城市污泥的低温热干燥[J].环境工程学报，2016 （9）：5217-5221.

[20]程诚，黄亚继，袁琦，等.污泥干燥特性及其模型求解[J].环境工程，2013（S1）：585-589.

[21]王高敏，吴青荣，姚斌，等.污泥干燥动力学的研究进展[J].环境工程，2016（10）：124-127.

[22]马德刚，张书廷，柴立和.污泥干燥速度曲线的分形维数分析[J].天津大学学报，2007（10）：1199-1204.