污泥压滤机脱水干化技术进展

0引言

污泥处理是以减量化、稳定化、无害化和资源化为原则。污泥处置方法主要可分为土地利用、污泥农用、填 埋、能源化利用和综合利用。无 论填埋、焚烧、农业利用还是热能利用，污泥脱水干化都是重要的第一步，这使其在整个污泥处理处置体系中扮演越来越重要的角色。然而污泥的特殊胶体结构加大了污泥脱水干化的难度，国内外学者对此进行了大量的研究，探 索出了一系 列 的 技 术 手 段，主 要 有 污 泥 浓 缩 技 术、污泥脱水技 术、污泥深度脱水技术和污泥干化技术。

早期的污泥脱水干化大多采用污泥浓缩技术和污泥脱水 技 术，但 脱 水 效 果 不 理 想。目 前，污 泥 深 度脱水技术和污泥干化技术得到了长足的发展，能 够较好地实现污泥的脱水干化。目前全面介绍污泥浓缩技术、污 泥 脱 水 技 术、污 泥 深 度 脱 水 技 术 和 污泥干化技术的文献还未见报道，本 文 详 细 阐 述 了 这四种技术及其发展前景，旨 在 为 污 泥 的 脱 水 干 化 提供可靠的参考资料。

1污泥浓缩污水处理厂初沉池和二沉池的剩余污泥一般要经过污泥浓缩、污泥脱水和污泥干化3个过程来实现资源化利用。污水处理厂剩余污泥的含水率一般高达到96.0% ～99.3%。污泥浓缩是为了降低污泥中的水分，减少污泥体积，以减少运输及后续处理和处置利用成本。污泥中水的存在形式有以下四种:间隙水、毛细水、颗粒表面吸附水和内部结合水。污 泥浓缩常用的方法有重力浓缩、加压过滤浓缩、离心浓缩、气浮浓缩 和 隔 膜 浓 缩 等，但应用领域有限。浓 缩后污泥的含水率仍高达90%以 上，污泥浓缩仅能去除污泥中的部分自由水和间隙水。

2污泥脱水污泥脱水是指用物理、化学和生物方法进一步降低浓缩后污泥的含水率，以便于污泥的运输、填埋或资源化利用。污泥脱水主要有自然脱水法和机械脱水法。

2. 1自然脱水法自然脱水法是一种古老、传统的污泥脱水方法，主要工艺有污泥池法、沙地干化床和冷冻脱水等。自然脱水法一般将浓缩后的污泥在污泥干化床上铺成薄层，污泥中的水分一部分自然蒸发，一部分渗入土壤或滤水层。对于人工滤层干化床，污泥的干化主要经历自由水的重力脱除和泥饼蒸发风干两个阶段。虽然干化床技术较为成熟，但由于占地面积大、操作自动化程度低、工况恶劣、处理效率低、受气候影响大等缺陷已逐渐被淘汰并被机械脱水方式所取代。近年来，联合传统的沙地干化床和人工湿地构建污泥干燥芦苇床(SDＲB)系统用于污泥脱水得到一定的应用，同时也出现了一些改进的干化床，如真空干化床，太阳能干化床以及设置雨篷等辅助设备的干化床等。

2. 2机械脱水法机械脱水是指对过滤介质两侧施加压力，强制污泥水分经过过滤介质形成滤液，固体颗粒在介质上形成滤饼的方式来实现污泥脱水。国内外已经得到商业化运作的污泥机械脱水工艺主要有真空过滤脱水、带式压滤脱水、离心脱水、板框压滤机、螺压式脱水机及滚压式脱水机等。污泥是由亲水性胶体和大颗粒凝聚体组成的非均相体系，具有胶体性质。普通机械方法只能把表面吸附水和毛细水除去，难以将结合水和间隙水除去。经机械脱水后污泥的含水率仍在80%左右。机械脱水是污泥实现脱水的基础，不断优化现有机械设备，开发新型设备，针对污泥性质选择合适的污泥脱水工艺，以达到低成本、高效、深度的污泥脱水效果是今后研究的方向。

3污泥深度脱水为进一步降低污泥含水率有两种方法:一是优化机械设计，二是在机械脱水前对污泥进行调理。

3. 1优化机械设计

设计的机械加压污泥脱水机，可 以将污泥的含水率从90%降到50%以下。研制的污泥脱水柔韧管压榨机，可以将污泥的含水率从80%降到60%以下。设计的filter press脱水，在最佳工况下可将污泥含水率降低25%。因此，优化机械设计是一种可行的污泥深度脱水途径。

3. 2污泥调理技术污泥调理方法主要有物理调理法、化学调理法、微生物调理法和复合调理法。各种方法在实际中均有应用，但以化学调理法为主。

3. 2. 1物理调理法传统物理调理主要包括加热和冷冻调理。加热调理可以破坏污泥细胞结构，使污泥间隙水游离出来，改善污泥脱水性能。冷冻调理可以破坏污泥絮体结构，降低污泥中难以去除的结合水含量。国内外对这两种技术也进行了一定的研究，但加热调理技术受经济条件的限制，冷冻调理技术受气候条件的限制，使得这两种技术难以推广使用。在 物理调 理 方面，出现了其他调理技术，主 要 为 超 声 波 调 理 技术、微波调理技术和电渗透脱水技术。超声波能有 效 地 破 坏 污 泥 细 胞 结 构，释 放 内 部 结 合水，从而改善污泥的脱水性能。微波调理污泥本质上是加热调理污泥，但是微波并非从物质的表面开始加热，而是各向均衡的穿透材料后加热。电渗透脱水过程中，水流方向和污泥絮体流动方向相反，水分可不经过泥饼的空隙通道而与污泥分离。此外，还有通过向机械脱水的污泥中加入物理调理剂的方法，物理调理剂主要包括矿物质材料和碳质材料。这些物质在污泥内部起到骨架的作用，可以增加泥饼内部的刚性和不可压缩结构，进而提供更多的水通道以达到增强污泥脱水的效果。

3. 2. 2化学调理法污泥化学调理常用的絮凝剂有无机絮凝剂、有机絮凝剂和复合絮凝剂。无机絮凝剂主要分为普通无机絮凝剂和无机高分子絮凝剂。在20世纪60年代以后，无机高分子絮凝剂迅速发展。高分子絮凝剂具有沉降速度快、用量少、效果好和适用范围广等优点，应用比较广 泛 的 有 聚 合 氯 化 铝(PAC)、聚 合 硫 酸 铁(PFS)、聚合硅酸铝(PASiC)等。无机高分子絮凝剂的分子量较大，分子链的聚合度较大，因而具有普通无机絮凝剂所不具备的吸附架桥作用。近年来，粉煤灰、电石渣、Fenton试剂和O3等无机调理剂也得到一定的应用。无机絮凝剂具有原料易得、制备简单、价格便宜、对污泥的调理作用明显等优点，但与有机絮凝剂相比生成的絮体较小且单独使用时投药量大。此外，无机成分比例增加会导致其肥效和热值降低，且易产生二次污染。同时，无机絮凝剂的应用有苛刻的pH值和离子强度要求。无 机 絮 凝剂未来的发展方向是与有机絮凝剂、物理调理法或微生物絮凝剂联合使用，以提高污泥的脱水效率和降低污泥脱水剂的用量。有机高分子絮凝剂从1960年开始投入使用，具有渣量少、受pH值影响 小 等 优 点，逐渐取代无机絮凝剂作为污泥脱水的调理剂。有机絮凝剂可以分为非离子型、阳离子型、阴离子型和两性型。发现在污泥与酒精糟液共厌氧消化体系中添加PAM对于35 °C消化的污泥脱水效果最好，对于55 °C消化的污泥脱水效果最差。研究了阳离子聚丙烯酰胺(PAM)、非离子PAM和阴离子PAM调理剂对污泥作用后的污泥结构和特征的变化及其对污泥脱水性的影响，并且得出阳离子PAM是一种更理想的调理剂，因为它需要更低的最佳剂量和更好的调理效果。阳离子PAM是目前污水处理厂应用最广泛的污泥脱水剂。有机絮凝剂按来源可分为有机合成高分子絮凝剂和天然改性高分子絮凝剂，由于有机合成絮凝剂存在费用高、难溶解、脱水效果不好等缺点，国内外许多学者将目光投向了天然改性絮凝剂。目前，淀粉和纤维素衍生物、植物胶、多聚糖类等天然物质经过适当的化学改性，成为广泛使用的天然改性絮凝剂。国内外研究较多的是一种新型高分子有机絮凝剂壳聚糖(chitosan)。壳聚糖是甲壳素经过强碱或酶水解脱去部分或全部乙酞基的反应产物。甲壳素是自然界第二大天然高分子化合物，含量仅次于纤维素，广泛存在于昆虫和甲壳动物的甲壳中。壳聚糖分子链内有一定角度的六元环平面，侧链上有羟甲基羟基和胺基等活性基团，决定了壳聚糖不仅具有吸附架桥作用，还具有普通絮凝剂所没有的螯合交联功能。壳聚糖在污泥脱水预处理中的应用近年来在国外已逐渐普遍。复合絮凝剂是近年来才开始广泛使用的新型絮凝剂，分为无机－无机、无机－有机、有机－有机复合絮凝剂，目前使用较为广泛的是无机/有 机 絮 凝 剂。它既可以综合无机、有机絮凝剂的优点，又可以克服其各自的缺点。国内外已有许多学者就复合絮凝剂对污泥脱水的效果进行了大量的研究。研究发现:当 聚 合 氯 化 铝(PAC)、高效聚合氯化铝(HPAC)和氯 化 铁(FeCl3)的投加量为干污泥量的10%左右时，污泥比阻值最小，同时三维荧光强度值也最小。研究了聚合氯化铝铁(PAFC)、壳聚糖(CTS)和红黏土组成的三元复合絮凝剂对胶乳废水的处理，结果表明，复合絮凝剂的用量比单独使用PAFC时减少了一半，对废水浊 度 和24 h COD去除率分别达到98%和80%以上，并认为其絮凝机理是复合絮凝剂兼具PAFC的电中和性能和壳聚糖的吸附架桥 作 用，从而提高了复合絮凝剂的絮凝能力。考察了聚 丙 烯 酰 胺(PAM)、氯 化铁和钙质矿物粉组成的复合絮凝剂的脱水效果，综合评价了不同复合絮凝剂剂量下的污泥脱水效果及相应的成本，利用响应面分析、灰关联分析和模糊逻辑分析得出最优的剂量是PAM 4.62 g/kg，FeCl355.4g/kg，矿 物粉30.0 g/kg。研 究了有 机/有机复合絮凝剂的脱水效果，利用壳聚糖衍生物(CAM)与阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)复配得到复合絮凝 剂CAM-CPAM。结 果 表 明，复合絮凝剂具有良好的污泥脱水性能，投加量为30 mg/L时，污泥脱水率达到90%以上，沉 降 速 率 达 到0.55 cm/s，透 光 率高于85%，滤液浊度小于8 NTU。综上所述，复合絮凝剂的脱水效果比单一药剂调理要好，而且节省药剂用量，可降低调理费用。但复合絮凝剂各组分组成，比例和投加顺序对污泥脱水有很大的影响，当比例或顺序不恰当时，可能达不到应有效果。

3. 2. 3微生物调理法微生物絮凝调理技术是使用微生物絮凝剂进行污泥调理的技术，始于20世纪70年代，但是近年来才用于污泥调理。微生物絮凝剂是微生物的代谢产物，主要成分有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等。微生物絮凝剂具有无毒、污泥絮体密实、生物降解性好和无二次污染等优点，但制备成本较高，且针对性不强，所以目前微生物絮凝剂主要还是和传统絮凝剂联用调理污泥。研究了F2-F6复合型微生物絮凝剂分别与氯化铝、聚合氯化铝、聚丙烯酰胺复配使用处理泥浆废水的絮凝效果，发现微生物絮凝剂与化学絮凝剂联合使用不仅可以获得了更好的絮凝效果，而且可大大降低絮凝剂的总投加量。对5株微生物絮凝剂菌株两两复合培养，发现SHD-1和SHD-2构建的复合菌在最优条件下絮凝效果最好，浊度、石油类物质和COD的去除率分别达到93.45%、53.42%和20.98%。研究了嗜酸氧化硫硫杆菌和嗜酸氧化亚铁硫杆菌组成的生物浸取剂对污泥的脱水效果，并与传统的水热法、微波法、超声波法及化学调理法(24%氯化铁和68%的氧化钙)进行比较，结果表明生物浸取法的污泥过滤阻力(SBF)和毛细管抽吸时间(CST)分 别 降 低93.1%和74.1%，这与化学调理的效果类似，但明显高于水热法、微波法、超声波法。

3. 2. 4复合调理法污泥的调理方法主要有物理调理法、化学调理法和微生物调理法，各种方法都有其自身的缺陷，在实际应用中可以根据实际情况，联合各种方法达到最好的污泥脱水效果。研究了石灰絮 凝剂和电过滤联用对污泥脱水的效果，并考察了石灰浓度和恒定电流密度对污泥渗透性、电过滤速率、泥饼的最终干度和能量消耗的影响。结果表明石灰浓度增加能增加渗透性，但同时也会不利于电过滤过程和降低泥饼最终干度，石灰浓度在1 g/L下是适宜的，最优值为0.3 g/L，明显低于简单过滤时的石灰浓度(10 g/L)。比较了单独超声波脱水和超声联合化学调理的脱水效果，发现单独超声脱水时污泥的最终含水率为90%，而 超 声 联 合FeCl3和PAM组成的化学调理剂时可以明显减少调理剂的用量(40%～ 50%)。研 究 得 出，最佳工艺条件为在0.8 W/mL下超声7 s，投加1.5 g/L FeCl3和15 mg/LPAM，在此条件下污泥最终含水率为72.8%。利用紫外光-Fenton氧化处理城市污泥，结果表明，光-Fenton氧化破解污泥EPS和改善污泥脱水性能的效能明显优于单独Fenton反应和单独紫外光照射处理。分别比较了市政污泥的超声处理、絮凝剂处理和超声结合絮凝剂处理，发现超声结合絮凝剂的脱水效果更好。分别采用微波、絮凝剂和微波联合絮凝剂对制革污泥进行脱水预处理，结果表明联合处理效果更好。由此可见，物理调理与化学调理联用可以起到较好的协同效果，达到较好的脱水效果。

4污泥干化污泥经过调理后机械脱水，不同的调理方法和不同的机械脱水工艺，污泥最终的含水率也不同，一般可达40% ～70%。脱水污泥的含水率不能满足污泥处置的要求:如作为肥料或土壤改良剂用于土地利用，要求含水率降为20% ～40%;直接填埋需要含水率低于60%;直接焚烧要求含水率低于50%。脱水污泥中的水分主要为细胞内部结合水和部分颗粒吸附水及毛细水。要进一步去除这部分水分，常规的脱水方法已不再适用。污泥干化是在机械脱水后，利用热能将污泥中的水分变为水蒸气而散失，得到含水率10% ～50%的干化污泥，主要有热干化、太阳能干化、微波加热干化、超声波干化以及热泵干化等，目前应用最广泛、最成熟的是热干化技术。现有的污泥热干化设备从进料方式和产品形态上大致可以分为两类:一种是采用干料返混系统，湿污泥先与一定比例的干泥混合，含水率降至30% ～40%后进入干燥器，产品为球状颗粒;另一种是湿污泥直接进料系统，产品多为粉末状。污泥热干化根据热介质与污泥接触方式可分为直接热干化、间接热干化和直接间接联合热干化技术。

4. 1直接热干化技术直接热干化又称对流干化，是加热空气与污泥直接接触从污泥表面去除水分的方法。直接热干化的优点是热能利用率高，可使污泥的含固率从25%提高到85% ～95%，但是由于热介质与污泥直接接触而受污染，废气须经无害化处理后排放。为了减少直接热干化尾气处理的高昂费用，一般采用尾气循环技术。尾气循环回用设计能使转鼓中的含氧量保持在一个较低的水平，这在污泥干化中是一个比较重要的安全参数。常用污泥直接热干化技术主要有转鼓干化、闪蒸式干化、带式干化、喷雾式干化和螺旋式干化等。

4. 1. 1转鼓干化技术自20世纪40年代以来，日本、欧洲和美国就采用直接加热式转鼓干燥器来干化污泥。目前的设备供应主要有澳大利亚的Andritz AG、美 国 的BioGro、英国的SwissCombi和日本的Okawara。日 本Okawar公司生产的干燥器，用转鼓里的高速刮削刀刮泥饼，形成不断移动任意形状的产物。其余各厂家的干燥器，均采用干物料与污泥混合形成含固率达60% ～70%，可在转鼓里随意转动的小球状物。Andritz采用了尾气循环技术，开发出新一代密闭式、带返料、直接加热转鼓式干化器，污泥与热介质在转鼓中直接接触加热而干化，经气固分离后，85%热介质返回干化系统循环利用，其余经处理后排放，干化后污泥呈稳定颗粒状。

4. 1. 2闪蒸式干化技术20世纪30年代，闪蒸式干化器开始在美国用于污泥处理，美国ABB Ｒaymond是目前著名的生产厂家。在高速研磨机搅动下，部分干污泥返混后的混合污泥与流速20 ～30 m/s的高温气流接触，进行数秒传热，污泥中水分得到迅速蒸发，含水率可降低至8% ～10%。闪蒸干化技术是固体流态化稀相输送技术在污泥干化上的应用，污泥与热介质直接接触并悬浮于高热气流中，具有显著增大两相接触面积、强化传质传热过程和有效缩短干化时间等优点。4. 2间接热干化技术间接加热的特点是热源与污泥不直接接触，通过加热容器将热量间接传递给污泥，无需分离热介质与干污泥，避免了烟气污染，环保性能好。但是其热传输效率和蒸发率较差，污泥中的有机物不易分解，并且需要配备单独的热源系统，投资和维护成本较大。常用污泥间接热干化技术主要有桨叶式干化、立式多盘干化、薄膜干化、转盘式干化和间接加热转鼓干化技术等。

4. 2. 1桨叶式干化技术桨叶式干燥机是一种卧式搅拌型连续干燥设备，以热传导为主，采用蒸汽或导热油作为热介质。干燥机主要由带 夹 套 的 筒 体、空心桨叶轴及驱动装置组成。加热介质从轴端的旋转接头导入导出，分别进入干燥机壳体夹套和桨叶轴内腔，加热干燥机内壁、中空叶片、空心轴，然后通过热传导的方式对物料进行干化。污泥连续送入干燥机内，在空心桨叶连续转动作用下不停地翻转，充分均匀地受热而干化。转动的桨叶将干化后的物料输送至出料口排出。此技术较早进入国内，例如绍兴中环再生能源有限公司采用8台桨叶式干燥机进行污 泥 干 化，污 泥 含 水 率 从85%可降低至40%。

4. 2. 2立式多盘干化技术(珍珠工艺)20世纪70年代以来，间接加热圆盘式干燥器被应 用 于 污 泥 干 燥，主要设备供应商有StordInternational Buss A G、Bepex、Komline Sanderson和Seghers等公司。Seghers公司开发的新一代间接式多盘干燥工艺又称为珍珠工艺。主要是通过循环热油加热圆盘干化机内小、大盘，交替垂直排列，干污泥在涂层机内涂覆湿污泥后，在圆盘上做圆周运动，盘内导热油间接传热干化。

4. 3直接－间接联合热干化技 术直接－间接联合热干化是对流－传导热干化技术的结合，该技术代表有Sulzer开发的新型流化床干燥器，VOMM涡轮薄层干化技术，Schwing的INNO二级干化系统以及Envirex的带式干燥器。近年来涌现出生物干化、水热干化、太阳能干化、太阳能热泵联合干化、微波干化等许多以节能为主要出发点的新兴干化技术。但各种技术发展还不成熟，还无法取代传统的热干化技术，仍将作为主流干化技术的补充。未来我国污泥处理应在传统热干化技术不断优化的基础上，致力于新技术的开发，推动我国污泥处理事业的持续进步，真正实现污泥的资源化利用。

5结语城市污泥的脱水干化是污泥农用、填埋、燃料化和焚烧等处置方式的前提。由于污泥特殊的胶体结构，污泥的脱水干化变得异常困难。污泥的干化一般需要经过污泥浓缩、污泥脱水和污泥干化三个过程。污泥浓缩仅能去除污泥中的部分自由水和间隙水，应用领 域 有 限。污泥脱水是污泥干化的重要一步，污泥脱水普遍存在脱水效率不高的问题，如何根据污泥性质选择合适的脱水设备、如何优化脱水机械设备、如何选择合适的絮凝剂、如何选择适当的物理调理方法达到高效地脱水将是今后研究的方向。污泥干化主要以热干化为主，其他新兴干化技术也得到了部分应用，污泥干化今后的研究方向是改进和完善热干化技术、积极探讨新兴干化技术。在实际应用中，应根据污泥的性质、污 泥 处 置 方 式、经 济 状况、土地资源状况等选择合适的污泥脱水干化工艺。

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