城市污泥水热脱水处理的工业应用与研究进展

北极星环保网讯:城市污泥是人类生活活动的副产品，对其脱水处理是污泥处置的关键。其中，水热脱水技术由于其能有效提高污泥脱水效率与低能耗等优势，成为污泥减量化与资源化处理的研究热点。文章首先介绍了城市污泥的特点及其处理现状，然后总结了近年来国内外关于污泥水热脱水工艺的发展历程与工业应用情况，并进一步对比分析了污泥水热脱水与其他脱水技术之间的能耗优势。

此外，重点综述了污泥水热脱水的影响因素与机理，包括温度、时间、pH等处理条件以及水热过程中污泥水分形态与胞外聚合物（EPS）对污泥脱水性能的影响，并分析了目前机理研究上存在的矛盾与原因。最后对污泥水热脱水的发展前景作出展望，指出通过优化EPS分层提取从而深入分析污泥中各组分在水热过程中的迁移与结构变化是研究污泥水热脱水机理的重要途径。

关键词：城市污泥；废物处理；水热脱水；工业应用；聚合物；脱水机理

随着我国人口数量的增加以及城镇化进程的加快，经由城镇污水处理厂处理的污泥逐年增加，导致数量庞大的污泥废弃物无处安放。在2013年，我国的城市污泥产量已达3075.4万吨污泥（含水率80%），且每年以近290万吨的速率增长。此外，城市污泥（以下简称污泥）由于有机物含量高、营养元素丰富等特点，被认为是一种潜在的、可利用的能源化资源。

目前污泥的处理技术包括焚烧、填埋和农业利用等，但不论何种处理方式，其对污泥含水率均有一定要求。城市污泥由于其颗粒胶状结构以及高度亲水等特性使得污泥中的部分水分难以脱除，通常在机械脱水前需要进行物理或化学等调理，其中水热处理以其低能耗、有效提高污泥脱水性以及降低污泥生态危害性等优势，成为研究污泥减量化与资源化的热点。

污泥水热脱水处理包括污泥水热处理以及水热污泥的机械脱水处理，其中污泥水热处理指将污泥置于密闭的容器中加热至一定温度下进行水解反应，在此过程中污泥微生物细胞中胶体结构被破坏、有机物水解，降低污泥颗粒对水分子的束缚作用，根本上改变污泥中的水分分布，从而提高污泥的脱水性能。

污泥水热脱水处理由于其优势被广泛应用于污水处理工业中，但相对于工艺的改进，关于污泥水热脱水的机理仍较为匮乏，有的甚至会相互矛盾。因此，对污泥的水热脱水机理进一步深入研究具有重要意义。

1技术发展与工业应用

1.1国外水热脱水工艺的发展历程

水热脱水的研究与应用最早可追溯于1850年对褐煤和泥煤水热脱水处理的专利。从表1可以看出，由20世纪30年代末开始，先后出现Porteous、Zimpro和LPO等工艺利用水热技术改善污泥的脱水性能，而从20世纪80年代中起，研究者们开始把污泥水热处理的研究热点从优化水热条件转移到催化剂的研究上。

但无论何种工艺，都因为其在运行过程中存在臭气、高强度腐蚀与堵塞以及较高的设备成本等问题导致实际运行失败。因此，在20世纪90年代中期开发出一种新型热水解技术，即快速热调节法（RTC）。RTC工艺主要利用高温高压饱和蒸汽将污泥快速升温到200℃以上，在极短的反应时间内（10～30s）破坏污泥微生物细胞，水解有机物与杀灭病原菌，从而提高污泥脱水性能以及缩短热水解时间。

此外，近年来出现的Cambi与Biotheys工艺则在RTC工艺的基础上将污泥热水解与中温厌氧消化工艺联合，保证了污泥热水解能量自平衡的需求，降低污泥的处理费用。法国Veolia企业也于2010年公布Exelys工艺，主要由一套连续的水热反应装置组成，更加紧凑节能，但具体的运行参数还没见报道。

1.2国内污泥水热脱水的工业应用与能耗分析

相对于国外的污泥水热脱水技术而言，我国污泥水热脱水技术与工业应用发展较为缓慢。在2002年，北京市清河污水处理厂首次进行污泥水热脱水处理的试点运行，随后在2008年，2010年和2012年分别在广东东莞、江苏无锡以及内蒙古呼尔浩特建立污泥水热干化示范工程，是我国目前仅有的3项污泥水热干化示范工程。其中，东莞污水处理厂是全国第一个污泥水热干化技术的示范工程，其处理工艺具有代表性意义。

图1给出了该污水处理厂的污泥水热干化工艺。污泥首先通过泵进入均质罐中被调理成均匀浓度，然后送入浆化反应器中以蒸汽加热至近90℃保持40～60min进行预处理。处理后污泥经由螺旋泵送入水热反应罐中加热至180℃反应40～60min，所需加热蒸汽由电锅炉提供。

污泥水热处理后被输送至闪蒸罐中，期间产生的热蒸汽可通过管道进入浆化罐中对污泥进行预加热从而回收能量。随后，对降温后的水热污泥通过离心机进行离心脱滤可得到含水率为37%～55%的污泥泥饼，减量率超过70%。

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