污泥热干化的研究进展.pdf

第53卷第2 期2024年2 月摘要：首先阐述了在热干化过程中污泥的理化性质变化，污泥中大分子有机物分解为小分子有机物，酸溶态、可氧化态、可还原态等重金属形态转变为稳定的残渣态，降低了污泥处置的环境风险。随后，分析了污泥热干化过程出现的问题及其成因，针对污泥黏滞问题，总结了干污泥返混、添加降黏性物质及改造干化设备等方法；针对污染气体问题，综述了加入添加剂和降低温度抑制污染气体的释放，采用吸收法、吸附法和生物法处理产生的污染气体；针对设备腐蚀问题,归纳了采用防腐管材、防腐涂层、投加缓蚀剂和降低污泥含砂量的主要措施。最后对污泥热干化技术的研究趋势和发展提出了建议。关键词：污泥；热干化；黏滞特性；污染气体；腐蚀磨损中图分类号：TQ09;X703Research progress in thermal drying of sludgePENG Ya,YUAN Jin,ZHOU Yin-xi,YU Li,JI Wei,SHI Wan(College of Environmental Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Jinzhong 030600,China)Abstract:The changes of physicochemical properties of sludge during thermal drying were first described.Macromolecular organics in sludge were decomposed into micromolecule organics,and the forms of acid-soluble,oxidizable and reducible heavy metals were transformed into stable residue,which reduced the en-vironmental risk of sludge disposal.Then,the problems and causes of in thermal drying process of sludgewere analyzed.Aiming at the problem of sludge vicosity,the methods of dry sludge back mixing,addingviscosity reducing substances and reforming drying equipment were summarized.In view of the pollutiongas problem,this paper summarized the methods of adding additives and the reduction of temperature toinhibit the release of polluted gas,and the pollution gas was treated by absorption,adsorption and biologi-cal methods.In view of the equipment corrosion,the main measures of using anti-corrosion pipes,anti-cor-rosion coatings,adding corrosion inhibitors and reducing the sand content of sludge were summarized.Fi-nally,the suggestions on research trend and development of sludge thermal drying technology were pro-posed.Key words:sludge;thermal drying;viscous property;polluting gas;corrosive wear2021年我国城镇污水处理规模超过2.2 10t/d,产生的污泥量超过6.6 10 7 t/a（以含水率80%计)。目前，污水处理厂产生的剩余污泥经过机械脱水后，含水率为7 0%8 0%，高含水率不利于污泥的减量化、资源化和无害化利用。因此，降低含水率是污泥处理处置路线中的关键技术环节。污泥的脱水方式主要分为物理法、化学法和生物法等,其中物理法中的热干化方法是最直接和有效地降低含水率的方式之二2 3。污泥热干化技术利用热源将水分蒸发，降低污泥的体积和质量，去除恶臭味和病原体，保留污泥中的热值和营养物质。此外，干化后的污泥可进行焚烧处置或作为土壤改良剂和建筑材料45。因此,本文对污泥热干化的理化特性进行了较为系统的分析，针对热干化过程中遇到的问题进行了梳理总结,并提出了相应的解决方法，以期为污泥热干化处理技术的发展提收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 0修改稿日期：2 0 2 3-0 6-0 7基金项目：中央引导地方科技发展专项资金项目（YDZX20191400002883）作者简介：彭雅（1998），女，重庆人，在读硕士，师从袁进研究员、余丽讲师。电话：156 99337 8 2 0,E-mail：158 7 10 2 7 8 4 q q.c o m通信作者：余丽（198 7）,女，讲师，博士。Ema i l:y u i 0 1 t y u t.e d u.c n应用化工Applied Chemical Industry污泥热干化的研究进展彭雅，袁进，周印羲，余丽，吉伟，石万（太原理工大学环境科学与工程学院，山西晋中0 30 6 0 0）文献标识码：A文章编号：16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 453-0 5供参考。1污泥热干化的理化特性分析1.1水分在热干化过程中，与热空气接触的污泥表面发生传热和传质变化，同时也发生内部水分迁移。污泥表面是传热的重要场所，受热空气影响，污泥表面开始升温,表面水分由液相变为气相。同时,污泥内部发生热传导，污泥内部温度逐渐升高，部分水分在水梯度的驱动力作用下发生传质，水由内向外扩散。随着污泥中水分流失,污泥内部发生机械变形6 。污泥热干化过程中,影响水分蒸发的常见因素包括温度、空气流速、颗粒大小和厚度等。随着温度的升高，污泥水分蒸发速率加快，干化时间显著减少7 。此外,温度还会影响污泥的孔隙结构和释放水分的能力8 。然而，温度过高对污泥热干化的Vol.53 No.2Feb.2024454影响效果减弱9。增加空气流速可以促进水分蒸发。但空气流速不能无限增加，当空气流速超过阈值时,对污泥热干化影响效果减弱,且设备能耗增多,粉尘排放增大7 。污泥的水分蒸发速率随着污泥粒径的增大而降低，粒径越大，传热传质阻力越大，从而使水分扩散速率降低8.10 1。污泥厚度越薄，水分从内部扩散到污泥表面的距离越短，干化速率越快，从而使干化时间缩短10 1.2有机物污泥中的有机物主要由蛋白质、多糖和脂类等物质组成。不同种类污泥中的三种物质的比例有显著区别,见表1，市政污泥中的蛋白质、多糖含量较高,造纸污泥中的纤维素、半纤维素等多糖含量较高，含油污泥中的石油烃类和脂类物质较多。污泥中的有机物主要分为含碳、含氮和含硫化合物，应用化工见图1,在热干化过程中，这些有机物，一部分以气体形式释放，一部分以液态形式存在于冷凝液中，剩余部分以固态形式存在于干污泥中。在热干化过程中，污泥中的蛋白质分解生成多肽、二肽和氨基酸，氨基酸进一步水解生成挥发性有机酸（V FA s）和氨（NH）,脂类分解生成甘油和高级脂肪酸,部分脂肪酸能进一步被氧化生成VFAs,多糖在热干化过程中也能生成部分VFAs12表1污泥中的有机物组成Table 1Organic matter composition in sludge污泥种类蛋白质/%多糖/%市政污泥30 60造纸污泥2252含油污泥222.5有机物第53卷脂类/%参考文献10 405 1520 702 1031510 50131415-17 含碳有机物含硫有机物含氮有机物液相固相气相固相碳酸盐voc含碳化合物含碳化合物图1热干化后污泥中的物质迁移Fig.1 Potential migration of substances in sludge after thermal drying1.3重金属污泥中重金属的存在形态见表2,热干化过程中重金属的存在形态发生变化的原因：一是热干化后污泥含水率降低，依附于水分中的各种离子失去配体,导致总离子浓度降低，从而使与之结合的酸溶态重金属含量降低；二是变价金属氧化物及其水化氧化物发生变化，使与之结合的可还原态重金属含量减少；三是随着有机物和硫化物的挥发和分解，与之结合的可氧化态重金属含量降低；四是酸溶态、可氧化态、可还原态等3种易反应的重金属形态转化为稳定的残渣态，降低了污泥处置的环境风险18-1 表2 重金属的存在形态分布Table 2 Form distribution of heavy metals分类酸溶态与离子交换态和碳酸盐结合的重金属形态与铁锰氧化物及其水化氧化物结合的重金可还原态属形态可氧化态与有机质和硫化物等结合的重金属形态与硅酸盐和铁镁氧化态等结合的重金属残渣态形态气相液相此CO气相HCO,NH,环境定义风险性高较高较低低或无固相NH.H,S、SO 2此略NO腈类化合物NO胺类花谷物CN2污泥热干化过程中的主要问题及解决方法2.1主要问题2.1.1污泥的黏滞问题黏滞是污泥热干化过程中存在的问题，不仅会导致干化设备传热效率降低、能耗增加,还会降低干化设备的使用寿命甚至引发安全问题2 0 。目前，研究者普遍认为污泥中的有机物及其与水分的相互作用是引起污泥黏滞的最主要原因：一是污泥中的微生物分泌胶体物质使细菌相互黏附，同时吸附周围的微小颗粒和有机物,较易黏附在干化设备壁面2 1；二是由于化学键、机械力以及分子间的相互作用，污泥中的有机物可以与微小颗粒矿物材料黏附，使污泥在有水分的条件下具有可塑性，较易黏附在干化设备壁面2 2 ；三是污泥黏滞在热干化过程中随着含水率的变化而发生吸附和解吸过程。热干化中期，污泥黏滞现象十分明显2 3。此外,有研究者发现除了有机物会引起黏滞问题，污泥中的无机物也会引起污泥黏滞，源于污泥中的矿物质组成与粘土相似,具有类似于粘土的保水性和黏性2 。污泥黏滞除了与其自身性质有关，还与外部因素有关，如含水率、干化温度等。2.1.2?污染气体在污泥热干化过程中,大量污染气体释放到周围环境中，不仅会对环境造成一定亚矾so,Cs2砜类COS、硫酸盐CH,SH硫化合物液相SOSoCS,第2 期危害,而且还会对人体健康产生影响。目前,对于污染气体研究较多的是NH，和含硫气体,部分研究还涉及到氯苯类化合物、苯系物、苯酚等气体2 42 5。NH，的生成途径主要有两种：一是NH,HCO;受热分解产生NH,式（1);二是当温度为30 0 500时，蛋白质中的一CO一NH一键断裂产生NH,式(2）、式(3）2 6 。污泥热干化过程中产生的含硫气体主要为H,S、SO 2、SO 3、CO S、CS2、含硫化合物NH,HCO3NH,+CO2+H,ORCH,CHNH,COOH RCH,CHOHCOOH+NH32H20RCHNH,COOHRCOOH+CO2+4H+NH,(3)芳香族化合物、卤代烃等污染气体的来源主要有两个：一是污泥中的挥发性有机物受热挥发；二是污泥中的其他有机物受热分解。Dai 等2 4 研究污泥热干化过程中8 种氯苯类物质的释放特征,结果表明当温度低于18 0 时，污染气体中氯苯类物质的主要来源是污泥原本含有的氯苯类物质；当温度高于2 10 时,含有氯苯类结构的有机物开始热解产生氯苯类物质,如1,2,3-三氯苯、1,2,4-三氯苯。2.1.3干化设备的腐蚀和磨损干化设备在热干化过程中会发生磨损和腐蚀，主要原因为：（1）我国污泥普遍存在含砂量较高的情况，砂砾硬度较高，与受热面频繁接触，导致干化设备受热面产生磨损2 8 ；（2)污泥含水率降至6 0%左右时，污泥极易结块、表面坚硬、难被破碎，与干化设备的叶片接触时会产生较大的摩擦，导致干化设备磨损2 9；（3）污泥中的氯离子可能造成干化设备应力开裂、孔蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等问题，氯离子腐蚀的基本理论主要为成相膜理论和吸附膜理论30 1；（4)污泥热干化过程中会产生H,S和H,O,而干化设备在湿硫化氢环境中极易被腐蚀,腐蚀生成的二硫化铁是一种疏松多孔的物质，可以使水和腐蚀性物质在干化设备内壁构成原电池，促进对干化设备的腐蚀31彭雅等：污泥热干化的研究进展CH,SH、C,H。S,等,硫的主要来源为有机硫、黄铁矿和硫酸盐，图2 为含硫气体生成途径，有机硫分解生成H,S和 CH,SH;黄铁矿在热干化过程中主要发生四种反应:脱硫反应生成 H,S,与 CH4 反应生成 CS2,与 CO反应生成 COS,与氧反应生成SO2,部分SO2会进一步与氧反应生成SO;硫酸盐主要发生分解反应生成SO,27。有机硫途径2CH,SH+SC,H,S,+H,S有机硫CH,SH有机硫途径+H,H,黄铁矿InFeS,FeS+s!硫酸盐H20455C.H,S,H,S+CO-COS+H,H,S+CO,-COS+H,SH,SFeS,+CO-FeS+CosCH,+4FeS,CS,+4FeS+2H,S-SO2图2 含硫气体生成途径Fig.2 Sulfur gas generation pathway(1)(2)COS2COS-CS,+CO,H,S+COSCS,+H,O2H,S+CO,CS,+2H,0SO,2.2解决方法2.2.1降低污泥黏滞的方法干污泥返混是实际工程中应用较多、相对成熟的降低污泥黏滞的方法，通过将干污泥与湿污泥混合，使初始污泥含水率降至6 0%以下,在一定程度上能降低污泥黏滞带来的影响，从而提高污泥的干化速率12 。添加降黏性物质是操作简单、成本较低的一种方法。碱预处理能有效降低污泥的黏附性,在碱性环境中,污泥中的蛋白质变性，失去活性的微生物黏附作用减弱2 3,32 。氧化钙是碱预处理中常使用的药剂,还能起到填充作用，使污泥颗粒化，进一步降低污泥黏滞3。添加生物质是目前的研究热点之一，生物质可以与污泥形成具有渗透性和刚性的晶格结构,改善污泥的柔软性和黏性，并提高污泥热值34。改造干化设备也能有效地降低污泥的黏滞性。Deng等35 在干化设备表面上布置阳极和阴极并施加脉冲电流,水从阳极迁移到阴极，在阴极处形成一个水层,有效地缓解污泥黏附壁面的问题。Denisov等36 设计了振动装置辅助干化设备，可以提高污泥干化速率,降低污泥黏滞，且不需要对干化设备进行较大的改造。2.2.2控制污染气体的方法控制污泥热干化过程中污染气体的方法有：通过加入添加剂（如碱性助凝剂、调理剂等）或降低温度来抑制污染气体的释放,采用吸收法、吸附法和生物法等处理产生的污染气体。碱性调理剂如 NaOH、Ca(O H)等能使热稳定性差的脂肪硫和芳香硫被氧化为更稳定的亚砜和砜类,从而抑制H,S等含硫气体的生成,且456碱性添加剂的碱性越强,抑制效果越强37 38 。将碱性调理剂和 Fenton 试剂结合成为复合调理剂,在预处理阶段可以促进蛋白质或无机氮氧化、分解和溶解，有效地减少NH，和含硫气体的释放量39。吸收法投资运行费用低、实用性强，目前主要是利用喷淋塔吸收污泥热干化污染气体2 6 。生物法是利用菌液对污染气体进行吸收、利用和分解，具有处理效率高、节能和材料消耗少的优势，缺点是反应条件难控制、适应能力差、占地面积大40 41。两种方法都适用于处理低浓度、大流量的污染气体。2.2.3干化设备防腐耐磨的方法目前干化设备防腐耐磨的方法主要有:降低污泥的含砂量2 8 ,干化设备采用不锈钢材质、涂覆防腐涂层和添加缓蚀剂等。污水收集源头采取过滤措施和提高污水厂的除砂效率能有效降低污泥的含砂量。采用不锈钢材质、涂覆防腐涂层和添加缓蚀剂涂覆防腐涂层能延长干化设备的使用寿命，目前有研究者采用原位合成法制备了石墨烯纳米片环氧树脂涂层，其金属涂层的腐蚀速率为0.3mm/a,具有较好的耐腐蚀性，在高温下也很稳定，适合用于热干化设备防腐142 。缓蚀剂是一类延缓金属设备被腐蚀的化学物质，具有用量少、成本低、易投加等优点，是目前最主要用于预防或减缓金属设备腐蚀的方法31.433结语与展望(1)在“碳达峰、碳中和”的背景下,在污泥热干化研究中应多开发绿色低碳技术，如水源热泵系统提取污水中的热量为污泥干化供热(2)黏滞与污泥中的蛋白质、多糖、矿物质有关，但关于各组分对污泥黏滞产生的影响及其内在联系的研究较少，呕需深入研究污泥产生黏滞的机理,有针对性地选择调理剂或改进干化设备，从而节省能耗和降低设备的故障率。（3）污染气体的研究主要为含氮和含硫气体释放特性及机理，忽略了调理剂对氮、硫元素转化路径的影响机理,应明确调理剂对含氮和含硫污染物的控制效果,为调理剂的选择提供指导。(4)应加强在污泥热干化设备的腐蚀机理和防腐选材等方面上的研究，从而根据污泥热干化特性选择合适的热干化设备和采取相应的防腐措施。参考文献：1戴晓虎，侯立安，章林伟，等.我国城镇污泥安全处置与资源化研究J.中国工程科学，2 0 2 2,2 4（5）：145-153.2队陈思,沈哲，杨亚萍，等.不同预处理技术对污泥深度脱水的影响J.应用化工，2 0 2 2，51（11）：340 9-3414,3418.3屈京，马跃，岳长涛，等.含油污泥脱水技术国内外研究现状J.应用化工,2 0 2 1,50（11：30 7 9-30 8 6.4LING W,XING Y,HONG C,et al.Methods,mechanisms,应用化工models and tail gas emissions of convective drying insludge:A review J.Science of the Total Environment,2022,845:157376.5武宏毅，张怡，刘杨茜雅，等.含铬污泥处理及其资源化利用技术研究进展J.应用化工,2 0 2 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