1 城市污泥特性

表征污泥特性的指標有含水率和含固率、揮發性固體、營養物質、有毒有害物質、脫水性能以及化學動力學性質等。

（1）含水率和含固率。城市污泥的含水率很高,含固率很低。一般來說,固體顆粒愈小,其所含有機物愈多,污泥的含水率愈高。

（2）揮發性固體。污泥的揮發分是一種氧、硫、氮和其它元素的有機化合物以及飽和的和不飽和的芳香族碳氫化合物的混合物。揮發性固體通常用來表征污泥中有機物的量。揮發性固體越多,污泥穩定性越差。不同種類和不同地域的污泥加熱時析出揮發分的數量差別很大,一般情況下,工業污水污泥揮發分的析出比率大于生活污水污泥的析出比率。

（3）營養物質。李艷霞對16個中國城市29座污水處理廠城市污泥養分的統計分析發現,城市污泥（不包括工業污泥）的有機質平均含量達到384.0g/kg,全氮27.0g/kg、全磷14.3g/kg和全鉀7.0g/kg,氮、磷、鉀總養分含量平均達到48.3g/kg。由此可見,污泥含有豐富的營養物質,可將其作為肥料施于農田,但應該注意它對土壤的污染。

表1是典型城市污泥中干固體、揮發份固體以及有機質等污泥特性指標的含量。

（4）有毒有害物質。污泥中的有毒有害物質是指有毒有機物、致病微生物和重金屬3類物質。其中,重金屬元素一直是人們較為關注的污染物。

表1：城市污泥部分特性指標含量（以干重計）

表2是2006年我國107座城市的污水處理廠污泥（二沉池的脫水污泥）重金屬含量統計結果，可以看出，我國城市污泥重金屬污染以Zn和Cu為主，其他重金屬含量相對較低。

表2：我國城市污泥重金屬含量變化范圍和平均含量

Poletschny對德國6800個污泥樣本進行了重金屬含量分析，研究結果見表3。

表3：德國城市污泥和土壤中的重金屬含量

中國污泥與德國污泥中重金屬的平均含量相當，只是在某幾種重金屬含量上存在差異。從表3可以看出，城市污泥中重金屬的平均含量比大多數農耕土壤中的要高。直接排放未經處理的污泥，會對農田造成污染，進而通過農產品影響人類健康。

（5）脫水性能。污泥的脫水性能常用污泥過濾比阻抗值（r）和污泥毛細管吸水時間（CST）兩項指標來評價。比阻抗值（r）即單位干重濾餅的阻力,其值越大,越難過濾,污泥的脫水性能越差。通過調質（調理）可以改善污泥的脫水性能,另外,Fenton過氧化反應以及超聲波處理也可提高污泥的脫水性能。

劉曉艷對投加陽離子PAM1%（占干污泥量的百分比）調質后的白鶴嘴水廠污泥進行了干化試驗。結果表明,加藥提高了污泥的脫水速度,干化周期縮短了10天左右。

（6）化學動力學特性。污泥的化學動力學特性是表征污泥本身能量利用的價值及焚燒特性的重要指標,是能否對其進行資源化的依據。

各國采用熱重法對污泥熱解、燃燒過程及動力學特性進行了研究。研究表明,污泥的燃燒特性與污泥種類和性質、加熱環境、加熱速率以及研究模型和方法-12等因素有很大關系。一般認為污泥燃燒過程分為四個階段1：水分析出階段、揮發分析出階段、揮發分燃盡階段以及固定碳燃盡階段。研究還表明,污泥燃燒反應初期揮發分的燃燒受控于化學反應速率,隨著溫度的不斷提高,剩余揮發分的燃盡和固定碳的燃燒總反應速率逐漸受擴散因素控制。

2 城市污泥干化技術

20世紀80年代末,由于脫水污泥在農用、填埋、投海時存在突出的不利因素,也由于污泥熱干化技術在歐美等 的成功應用,使污泥干化技術在西方 很快推廣開來。

污泥干化是在機械脫水后,對污泥進行的深度脫水操作。干化處理后的污泥可以用作肥料、土壤改良劑以及替代能源等。干化的目的,是使污泥進一步脫水,從機械脫水后含水率80%脫水至含水10%～50%,一方面進行了有效的減容,另一方面方便了污泥的存儲、運輸和利用。干化污泥由于含水率低,相對穩定,微生物和病菌也大大減少。

污泥干化技術主要有熱干化、太陽能干化、微波加熱干化、超聲波干化以及熱泵干化等。目前應用較廣泛也是較成熟的是熱干化技術。

根據熱介質與污泥的接觸方式可將熱干化技術分為三類：直接干化法、間接干化法和直接一間接聯合干化法。

2.1 直接干化法

直接干化是利用燃燒裝置向干化設備提供熱風和煙氣,污泥與熱風和煙氣直接接觸,在高溫作用下污泥中的水分被蒸發。此技術熱傳輸效率及蒸發速率較高,可使污泥的含固率從25%提高至85%～95%。但由于與污泥直接接觸,熱介質將受到污染,排出的廢水和水蒸氣須經過無害化處理后才能排放；同時,熱介質與干污泥需加以分離,給操作和管理帶來一定的困難。閃蒸式干燥器、轉筒式干燥器、帶式干燥器以及流化床干燥器等都屬于直接干化類型。其中,直接加熱轉鼓式干燥器是較常用的直接干化設備。

典型的安德里茲（Andritz）的直接加熱轉鼓式干化工藝中,脫水后的污泥從漏斗進入混合器,按比例與返流的干化污泥充分混合,使干濕混合污泥的含固率達60%～70%,直接克服了污泥的粘結。干濕混合污泥再經螺旋輸送機運到三通道轉鼓式干燥器中,被700℃左右的熱氣流加熱,經20min烘干后污泥達到80～85℃,成為含固率95%的粒狀污泥。細小的干污泥（＜0.8mm）被送到混合器中再次與濕污泥混合后送人轉鼓式干燥器。

該干化工藝采用了氣體循環回用的設計,熱風經過除塵、冷凝、水洗后,85%返回轉鼓,只有15%需經過熱氧化除臭后排放。這減少了尾氣處理的負擔,更重要的是大大減少了外部空氣的引人量,將轉鼓內氧氣的含量維持在很低的水平（氧氣含量＜8%）,從而很大程度上提高了系統的安全性能。轉鼓干燥器的燃燒器可使用沼氣、天然氣、熱油以及木屑等生物質,甚至是干化污泥作為替代燃料,因此,可以節省能耗。安德里茲（Andritz）公司的轉鼓式干燥器已經被國內外很多城市污泥處理廠采用。

2.2 間接干化法

與直接干化法相對應的是間接干化法,由加熱設備提供的蒸汽或熱油首先加熱容器,再通過容器表面將熱傳遞給污泥,使污泥中的水分蒸發。間接干化技術主要有盤式干燥、膜式干燥、空心槳葉式干燥、涂層干燥技術等。該技術有效避開污泥的塑性階段,且污泥有機物不易破壞,另外還具有工廠化操作、占地少、自動化程度高、易操作等優點。

間接式多盤干燥技術又稱珍珠工藝,在歐洲和北美得到廣泛利用。其中,西班牙的巴塞羅那污泥干化廠安裝的污泥干化裝置為 較大的間接干化污泥設備,蒸發能力為4×5000kgH₂O/h,美國的巴爾的摩污泥處理干化裝置的蒸發能力為3×6000kgH2O/h。

間接式多盤干化器是一個預混合立式多級轉盤造粒機,是干化和造粒一步完成的工藝。產出的顆粒干性成分可達90%,粒徑為1～4mm。該工藝有以下特點：干燥和造粒過程氧氣濃度＜2%,干燥后顆粒溫度90℃,避免了著火和爆炸的危險性；顆粒呈均勻圓球形、堅實、無灰塵、具有較高的熱值可作為燃料,尾氣經冷凝、水洗后送回燃燒爐,將產生臭味的化合物徹底分解,使其尾氣能滿足很嚴格的排放標準。

2.3 直接-間接聯合式干燥技術

直接-間接聯合式干燥技術是對流和傳導技術的整合,VOMM設計的渦輪薄層干燥器,Schwing的INNO二級干化系統,Sulzer開發的新型流化床干燥器以及Envirex推出的帶式干燥器都屬于這種類型。

渦輪薄層干燥工藝既采用熱傳導也采用熱對流,其有效的熱對流占換熱總量的40%左右,熱傳導占60%以上。其優點在于：污泥干燥處理后（含水率＜5%）僅為脫水后污泥（含水率為70%～80%）體積的20%～25%,減量率＞70%；可以保證對微生物及病菌的徹底消滅,并保護污泥中的植物養分和生物能不被破壞；運行經濟,在能耗方面處于歐洲污泥干化能耗的下限；污泥干化過程中,無廢氣排放,冷凝水也可循環使用,不會造成二次污染。

3 污泥處置技術及其發展趨勢

3.1 污泥處置方法

污泥處置方法主要有：土地利用、污泥農用、填埋、能源化利用和綜合利用。

3.1.1 土地利用

土地利用包括林地和市政綠化的利用以及用于嚴重擾動的土地的修復與重建。污泥的土地利用投資少、能耗低、運行費用低,其中有機質部分可轉化為土壤的有效成分,因此污泥土地利用是一種有發展潛力的處置方式。

過去20年,美、英、德等許多 對污泥改良土地進行了大量研究,并將其投人使用。例如,澳大利亞的墨爾本東方污水處理廠產生的污泥中有1.2萬m3干污泥制成土壤改良劑零售給苗圃；美國各州將污泥作為各種采礦區以及退化草地的改良劑。

3.1.2 污泥農用

污泥農用是 各國主要的污泥處置方式。美國25%、歐盟37%的城市污泥用于農田。目前,我國的污泥農用比例約為44.8%。污泥干化后具有含水率低、儲存和運輸方便等優點,有利于污泥農用。但污泥農用存在隱患和風險,各國對污泥農用都有嚴格限制。

3.1.3 填埋

大部分歐洲 的污泥以填埋為主,但歐盟規定有機質含量＞5%的污泥不得用于填埋,這意味著污泥填埋將漸漸地被海汰。2005年,歐盟 的污泥衛生填埋場僅能容納污泥總產量的17%；未來十幾年內美國將有近80%的填埋場被關閉。

3.1.4 污泥干化焚燒

直接焚燒脫水污泥不僅十分困難,而且也是極不經濟的。干化后的污泥熱值接近褐煤的熱值,焚燒干化污泥不僅能徹底處理污泥,殺死病原體,較大限度地減少污泥體積,還能回收利用其熱能。污泥焚燒后產生的飛灰可用于改良土壤、筑路,制造磚瓦和陶瓷等。在日本60%以上污泥采用了干化焚燒處理方式,歐洲也有10%以上的污泥采用這種處理方法。

污泥焚燒主要有單獨焚燒和混合焚燒兩種方式。污泥混合焚燒是將干化污泥與垃圾、水泥窯燃料及電廠用煤等燃料摻混燃燒,是一種合理的處置途徑。

3.1.5 污泥的低溫熱解處理

污泥低溫熱解是一種能量回收型污泥熱化學處理技術,不僅運行經濟,還減少了污染,是一種前景廣闊的污泥處理方法。它通過在催化劑作用下無氧加熱干燥污泥至一定溫度（＜500℃）,由干餾和熱分解作用使污泥轉化為油、不凝性氣體和炭三種可燃產物,轉化率取決于污泥組成、熱解條件和催化劑的種類等因素,正常情況下,每噸干污泥可產油200～300L,其性質與柴油相似。但這種方法的產物油具有低毒性,燃燒會產生有害物質和惡臭氣體,該技術也沒有焚燒法發展完善。

3.1.6 綜合利用

污泥綜合利用主要是指污泥作建材利用,較農業利用、能源化利用具有經濟效益突出、無處置殘留物等優勢,是污泥資源化處置的一個重要發展方向。但污泥建材利用只能處理少量污泥,且該方法在中國和西方發達 還處于研究和嘗試階段。

3.2 發展趨勢

從發達 污泥處理的發展趨勢分析,今后污泥處理的方向將會是土地利用和能源化利用,污泥填埋的比例將大幅度降低。污泥土地利用將會向更安全、更經濟的利用方向發展；污泥焚燒和熱能利用的比例將會進一步增加。

采用污泥干化焚燒方法時,干化濕污泥需要干化熱源,運行成本較高。隨著科學技術和實踐水平的發展,一些新的污泥處理技術（如低溫熱處理、污泥氣化、污泥水煤漿等）也漸漸地投入實際應用。

污泥水煤漿是一種近幾年來提出有關泥污減量化、無害化、資源化新技術,它直接將濕污泥、煤、水以及添加劑混合制備,形成一種新型的漿體燃料,可作為代油清潔燃料在鍋爐上燃燒應用。采用這種方式,既可以處理大量污泥,又不需要干化熱源,還可以有效地避免二次污染。初步研究表明,污泥的摻人,可以提高漿體燃料的穩定性,并有利于漿體的燃燒和著火穩定性,燃燒特性在某些方面也優于污泥和水煤漿的單一燃燒,因此,從成漿性能和燃燒性能來說,利用濕污泥直接摻混水煤漿是可行的。

我國是個農業大國,雖然污泥的土地利用和農田利用是符合國情的主要的污泥處理方法,但由于污泥的土地利用和農田利用存在風險和隱患,因此,必須嚴格按照相關標準進行污泥利用,并要不斷地完善 或地方的污水污泥凈化技術標準以及污泥的土地利用標準。此外,還須建立有效的土壤質量監測和評估體系。

4 結論

（1）城市脫水污泥具有以下特點：含水率80%以上,不易脫水,揮發份含量高；含有豐富的植物營養成分,并含有大量的病原體、重金屬以及有毒有機物等有毒有害物；有一定的熱值,可對其進行熱能回收利用。

（2）熱介質與污泥的接觸方式可將熱干化技術分為三類：直接干化法、間接干化法和直接一間接聯合干化法。直接加熱轉鼓式干燥器是較常用的直接干化設備,該設備減小了尾氣處理的負擔,提高了系統安全性；間接式多盤干燥技術是常用的間接干化設備,該干燥工藝安全性高,尾氣能滿足很嚴格的排放標準；渦輪薄層干燥工藝是主要的直接一間接聯合干化技術,采用對流和傳熱相結合的方法,使得該工藝能耗很低,運行非常經濟。

（3）污泥干化后的終端處理方法有土地利用、污泥農用、填埋、能源化利用和綜合利用等。其中土地利用和能源化利用被認為是今后污泥處理的發展趨勢。隨著一些新技術（如污泥低溫熱處理、污泥氣化、污泥水煤漿等）的出現,污泥的終端處理方法也漸漸地朝著多元化、安全化、經濟化的方向發展。