城市污泥是城市污水處理過程中所產生的高水分沉淀物質，是有機物和無機物組成的含水率很高的混合物。近年來，隨著城市污水管網的服務人口的不斷增加和水質排放標準的逐步嚴格，我國年廢水排放總量逐年上升，產生的污泥也以每年約10%的增長速度在攀升，到2011年污泥年排放量已超過3000萬t。

目前，污泥的處理方法主要有農田、填埋、排海、干燥焚燒、作為建筑材料等，含水率過高、體積過大引起的運輸不便、燃燒困難是污泥處理過程中的主要問題。經過機械脫水后的污泥含水率在70%～80%之間，如果直接焚燒，需要加入輔助燃料才能維持燃燒；而將污泥的含水率降低到5%時，污泥的熱值可達到8.4～19MJ/kg，因此焚燒干燥后的污泥，無需額外添加燃料。另外，干燥后的污泥（含水率30%以下）處于穩定狀態，不會因為微生物作用而發霉、發臭。

因此，對污泥進行干燥，降低污泥含水率是污泥處理過程中的關鍵步驟。

1 城市污泥含水特性及干燥機理分析

1.1 污泥含水特性分析

通過分析污泥所含水分與污泥固體顆粒的結合特性，一般認為水分在污泥中具有4種存在形式，分別為：間隙水、毛細結合水、表面吸附水和內部水。所謂間隙水，指被污泥顆粒所包裹但不直接與固體結合的水分，間隙水相互間作用力弱，較易分離，是污泥濃縮分離的主要對象，約占污泥水分的70%左右；所謂毛細結合水，指由毛細壓力結合，在固體顆粒接觸面上，或充滿于固體本身裂隙間，或充滿于固體與固體顆粒間的水分。毛細結合水相互間作用力大，需要使用離心力、負壓抽真空等較大的機械作用力或能量來分離，約占污泥水分的20%左右；所謂表面吸附水，指黏附在污泥小顆粒表面上的水分，表面吸附水呈膠體狀態，無法用一般的濃縮或機械脫水方法分離，約占污泥水分的7%左右；所謂內部水，指污泥中所含微生物細胞內的水分，內部水一般采用微生物作用使細胞分解或破壞細胞膜的方法分離，約占污泥水分的3%左右。

1.2 污泥干燥機理分析

目前，對于污泥干燥機理的實驗研究已日趨成熟。袁佳麗、郭宏偉等認為污泥干燥過程經歷了加速階段、恒速階段和減速階段。加速階段主要是污泥表面水分被加熱蒸發的過程。在恒速階段，污泥內部水分遷移至表面，然后再從表面汽化到空氣中。當污泥內部水分遷移至表面的速率小于表面水分的汽化速率時，進入減速階段。

馬學文、翁煥新等深入研究了污泥干燥過程、失重速率的變化規律，認為污泥在100～200℃下干燥時，干燥過程分為加速、恒速和降速三個階段，而在300～500℃下干燥時，并沒有真正的恒速階段。劉長燕等采用多元線性回歸建立了污泥干燥的數學模型，并得出在干燥溫度小于100℃時，污泥顆粒的粒徑是干燥速率的主要影響因馬學文、翁煥新素，而當干燥介質溫度大于100℃時，干燥速率的決定因素是溫度。

馬學文、翁煥新等將4種不同質量等級的污泥顆粒在100～200℃下進行恒溫干燥實驗，認為干燥溫度與干燥時間呈二次方關系，污泥顆粒的表面積與干燥時間呈線性關系，并得出提高干燥溫度或減小污泥顆粒都可以提高干燥速率，但是減小顆粒大小可以更大幅度地提高干燥效率，因為減小顆粒大小不但提高了單位面積的干燥效率，而且增大了比表面積。

2 污泥干燥預處理

污泥濃縮是污泥干燥預處理的重要環節之一。污泥濃縮的目的在于降低污泥中水分含量，減小污泥體積和消化池的容積，減少加熱污泥所需的熱量。污泥濃縮的主要方法有重力濃縮、氣浮濃縮、機械濃縮等。

重力濃縮分為間歇式和連續式兩種，濃縮后的污泥含固率低，使后續處理構筑物如消化池的容積增大，加大了投資和運行成本。近年來重力濃縮的應用已逐漸淘汰。

氣浮濃縮包括壓力溶氣氣浮、生物溶氣氣浮、真空氣浮、渦凹氣浮、化學氣浮、點解氣浮等，其中壓力溶氣氣浮濃縮具有濃縮效率高、占地面積小等優點，且由于在濃縮過程中充氧，可以避免污泥中磷的釋放，但設備維護復雜，運行成本高。生物氣浮濃縮是利用污泥的反硝化作用產生氣體使污泥上浮而進行濃縮，濃縮效率主要受硝酸鹽濃度、溫度、碳源和初始污泥濃度的影響。渦凹氣浮適用于低濃度剩余活性污泥的濃縮。

機械濃縮包括離心濃縮、帶式濃縮機濃縮和轉鼓、螺壓濃縮機濃縮，主要是利用機械作用力使污泥表面水分分離。

在進行污泥濃縮之前還經常采用污泥調理來提升污泥脫水效率。污泥調理方法有洗滌、加藥、加熱調質、凍融調理等。

污泥濃縮后，含水率依然很高，需要采用物理方法脫水進一步減小污泥的體積以便于污泥的運輸、堆積等。污泥脫水一般有自然蒸發和機械脫水兩種。自然蒸發法可使污泥的含水率降低到65%左右，操作簡單，易于管理，但此法占地面積大，衛生條件差，對于一些不易脫水的污泥效果也不好，現在一般在干燥少雨且土地資源寬裕的地區使用，或作為機械脫水系統的事故應急方案。機械脫水法主要有真空過濾法、加壓過濾法、離心分離法等，可將污泥含水率降到75%左右，且運行穩定，占地面積小，但管理較為復雜，節能效果較差。

3 傳統污泥干燥技術

3.1 熱干燥技術

污泥熱干燥技術是目前發展較為成熟的干燥技術，根據熱介質與污泥的傳熱方法分類，污泥熱干燥技術包括直接干燥（對流）、間接干燥（傳導）、紅外干燥（輻射）或這些技術的整合。

直接熱干燥技術通過熱介質（熱空氣、燃氣、蒸汽等）與濕污泥直接接觸混合，促使污泥水分受熱蒸發得到含水率僅為5%～15%的干污泥產品。熱介質低速通過污泥層，提供污泥中水分蒸發所需潛熱并帶走蒸發產生的氣體，排出的尾氣一部分通過再循環系統回收利用，一部分經尾氣處理后排放到大氣環境中。由于熱介質與污泥直接接觸，產生的尾氣需要配置相應的尾氣處理裝置。其干燥效率的主要影響因素有濕污泥固體的表面積、熱介質的流動速率、干空氣的水分含量等。常用的直接熱干燥設備有閃蒸式干燥器、轉筒式干燥器、噴淋式干燥器、帶式干燥器、螺環式干燥器、多效蒸發器等。

在間接熱干燥技術中，熱介質通過熱交換器將熱量傳遞給濕污泥，促使污泥中水分受熱蒸發。由于熱介質（蒸汽、油等）不與污泥直接接觸，省去了熱介質與污泥的后續分離步驟，但間接傳熱也使熱傳輸效率相對偏低。常用的間接熱干燥器有薄膜熱干燥器、圓盤式熱干燥器、槳板干燥器等。

在輻射干燥中，熱傳遞由電阻元件（燃氣的耐火白熾燈、紅外燈等）提供輻射能來完成，如常用于污泥焚燒的多爐膛焚燒爐。

隨著熱干燥技術的發展，人們也越來越關注各種聯合式干燥器的應用。

3.2 太陽能干燥技術

太陽能干燥技術是以太陽能為主要能源，借助傳統溫室干燥工藝對濕污泥進行干化處理的技術，其商業化應用見于1944年德國的IST Anlagenbau Gm BH污水處理廠。

當溫室內的污泥經過太陽光輻射后，污泥溫度升高，內部水分向周圍空氣中加速蒸發汽化，污泥表面的空氣濕度增加達到飽和狀態；經過通風和自然循環，溫室內的濕空氣被排出，污泥表面的空氣濕度由原來的飽和狀態進入非飽和狀態，污泥內部的水分進一步向周圍空氣蒸發。污泥中的有機物在污泥含水率下降到60%時會進行有氧發酵，使污泥層內部溫度升高，增加干化速率。

太陽能干燥技術受天氣和季節影響較大，干燥過程中會產生臭氣，因此通常與一些溫室附屬設備聯合使用。如排風機、分層扇等強制通風系統和氣體收集、除臭裝置的應用，滿足了大面積溫室處理污泥的需要；廊道式翻泥機、跨越式翻泥機、Solimax機器人裝置等半自動化或全自動化的翻泥設備，對污泥進行經常性的翻動和混合，不斷翻新蒸發面積，同時避免了污泥內部出現局部厭氧環境釋放臭氣。

太陽能干燥目前還無法取代傳統的熱干燥技術，現在的發展方向是考慮和一些輔助能源如熱力泵聯合使用。

4 新型污泥干燥技術

4.1 微波干燥技術

微波是指頻率為300～300000MHz，波長為1mm～1m的電磁波，被微波輻射的極性分子會在微波電場中劇烈振動，產生摩擦，將吸收的微波能轉化為熱能。微波干燥技術即是利用微波的這一性質，促使濕污泥內部的水分子在微波電場中摩擦升溫，形成由內向外的溫度梯度，促使污泥內部水分很快擴散到表面蒸發。

微波干燥污泥時，因此加熱時間短，熱效率高，且微波干燥技術無需向污泥中添加化學藥劑，不會向污泥中帶入新的污染，使后續處理更方便、更高效。但與此同時，微波加熱需耗電，這使微波干燥技術目前還很難普及。

4.2 過熱蒸汽干燥技術

過熱蒸汽干燥技術指過熱蒸汽與濕污泥直接接觸去除污泥水分。與傳統的熱干燥技術相比，這種干燥方法以過熱蒸汽為介質，干燥產生的廢氣熱品位仍然較高（溫度在150℃左右），通常通過冷凝方法回收廢氣潛熱再利用，即尾氣經過過熱器過熱后繼續參加干燥過程，或對濕污泥進行預熱處理。廢熱的回收利用使得過熱蒸汽干燥技術具有十分明顯的高效節能的特點，但過熱蒸汽也會使干燥管路中出現結露現象，易腐蝕干燥設備。

在傳統的熱干燥技術中，干燥速率與污泥含水率成反比。但大量研究表明，過熱蒸汽干燥時存在一個稱為“逆轉點”的溫度點，當過熱蒸汽的溫度高于“逆轉點”時，過熱蒸汽干燥速率明顯比傳統的熱風干燥速率大；當過熱蒸汽的溫度低于“逆轉點”時，過熱蒸汽干燥速率則毫無優勢，因為此時的廢熱回收利用效果不再理想。

4.3 熱泵干燥技術

熱泵干燥技術是公認的綠色干燥技術，已經成熟地應用于木材、谷物及工業原材料的干燥。從冷凝器排出的高溫低濕的熱空氣掠過濕污泥后，成為含水率較高的濕熱氣體，其相對濕度一般在70%～80%之間。濕熱氣體通過蒸發器，水汽凝結排出系統。熱泵干燥系統常采用干燥介質部分循環，以減小熱泵在蒸發器內的吸熱量和熱泵的壓縮功。

熱泵干燥污泥時無需排放濕熱氣體，整個干燥過程中產生的有毒有害氣體不外泄，對周圍環境造成的污染很小。但由于熱泵干燥技術初投資成本高，單機容量較小，用于污泥干燥還不夠廣泛。隨著國內外對節能減排標準的日益提高和熱泵干燥技術的逐漸完善，城市污泥的熱泵干燥方法將成為主要的干燥手段之一。

4.4 其他新型污泥干燥技術

隨著科技的發展和對污泥干燥機理研究的逐漸成熟，出現了越來越多的新型污泥干燥技術。如電滲透干燥技術，是在電滲透過程中，污泥中水分子向陰極流動，而污泥絮體向陽極流動，水分不經過污泥的孔隙通道即與污泥分離，干燥效率高；對撞流干燥技術，它利用濕污泥在氣流對撞區內的高端湍流中的快速非穩態運動來增強傳熱傳質過程，具有快速、干燥強度高的特點；水熱處理技術可以使濕污泥中的微生物細胞破裂，降低污泥的黏度，從而使水分更容易與污泥顆粒分離；通過超聲波的“空化作用”和“生化學反應”破壞污泥中的菌膠團結構，也是近年來興起的新型污泥脫水技術。

采用組合式傳熱方式，也是近幾年污泥干燥技術的研究熱點，如由機械脫水和二級熱干燥組成的深度脫水，厭氧消化和熱干燥法，冷凍脫水干燥工藝，等等。

5 結論

污泥處理問題已經成為我國亟待解決的重要環境問題之一，目前，傳統干燥方法仍然是當前污泥處理的主要手段。隨著科技的發展，將會有更多的新技術應用于污泥干燥上，新型污泥干燥手段的發展，拓寬了污泥處理手段的選擇范圍，使污泥干燥在能耗、安全性、穩定性、效率、環保等方面逐步走向成熟。今后，污泥干燥技術的發展方向是將新型干燥技術與傳統污泥干燥技術結合，研究熱點是對污泥干燥機理的深入研究，為污泥干燥設備的研發提供更為充足的理論基礎。