污泥低温干化应首选出水余温热能
导言：剩余污泥干化焚烧已被确认为污泥处理、处置的终极方式，也是我国部分地区正在实践中的工程应用。但是，干化热源选择对能源消耗、特别是与之相应的碳排放至关重要。除非有高温余热可以利用，否则，高温干化不具可持续性。在此情形下，污泥低温干化已成为近年来国内外普遍关注的热点，特别是基于清洁能源的低温干化技术。为此，太阳能、微波源、空气源、地热源、污水源等低温干化技术开始芸芸。相形之下，污水处理厂出水余温热能就是一种近在咫尺而又被长期冷落的低品位能源。匡算表明，仅需水源热泵交换4°C温差，所产生的热能（~60°C热水）便是污泥低温干化所需能量的3倍之多，不仅可以完全满足干化需求，而且还可助力污水处理厂间接实现碳中和运行。因此，余温热能分散式干化、集中式焚烧电热转化应该成为今后污泥干化焚烧的目标与方向。
整理 | 申展
责编 | 郝晓地
文章亮点
·污泥低温干化是未来低碳发展的必然选择，特别是基于清洁能源的低温干化技术。
·低品位出水余温热能（≤60°C）干化在低碳以及经济性上优势明显，应该是污泥低温干化技术的发展方向。
·实践中，可在污水处理厂内利用出水余温热能分散式干化污泥，在邻避效应原则下集中式焚烧污泥。通过低温干化后焚烧方式可将不能发电的低品位热能通过焚烧间接转化为可以发电的高品位热能，实现低值换高值。
城镇化快速发展伴随着污水处理以及剩余污泥产量与日俱增。数据显示，至2020年我国剩余污泥产量已突破6 500万t/a（以含水率80%计）。传统填埋方式对大中城市而言已“无地自容”；堆肥回田理论上成立，但因现实肥效问题而显得骨感，农民普遍不愿使用；厌氧消化固然可以转化有机质至甲烷（CH4），但投资与能效似乎并不成比例，况且消化后污泥仍需进一步处理处置，再者，有机质转化CH4是一种不可持续的熵增过程。有鉴于此，污泥剥离有价值有机质（PHA、EPS/ALE）后干化焚烧应该是终极处置方式。欧洲国家污泥处理处置发展历程显示，焚烧已逐渐开始占据上风，目前瑞士（100%）、荷兰（87%）、比利时（76%）、德国（74.1%）、奥地利（54%）、土耳其（49%）等国焚烧占比已超过欧洲平均值（30.7%）。
污泥焚烧效率取决于污泥有机质含量及其含水率。有机质少而含水率高便需补充大量燃料助燃，从而造成额外碳排放，不利于形成低碳社会。为达到污泥自持燃烧目的，需要根据污泥有机质含量来制定污泥脱水率目标。研究表明，达到自持燃烧污泥含水率大体上与其有机质含量相对应，即，有机质含量多少，脱水后应达到的污泥含水率基本上就是多少。因此，重力浓缩和机械脱水难以将原污泥99%含水率降至污泥自持燃烧所需含水率，需要在污泥机械脱水（含水率80%）的基础上继续实施深度脱水或干化技术方能奏效。
污泥深度脱水技术虽可以一步到位实现自持焚烧所需含水率，但对设备与预处理要求较高，常常需要化学或加热调节，导致投资、运行成本、能耗、药耗、碳排放均较高；同时，也会改变污泥特性，降低污泥焚烧效率，所以，一般很少直接采用。污泥高温干化最为常见，多以利用电厂、锅炉等余热为主，无余热利用的高温干化受能耗及碳排放约束并不可持续。因此，污泥干化依赖转向低温热源乃未来发展趋势。目前既有污泥低温干化技术最低热源温度局限于≥80°C，更低温度干化研究和相关技术仍未受到关注。为此，有必要对污泥低温干化相关原理、优势进行总结，特别是对超低温（≤60°C）干化清洁热源利用与干化效率提高等方面技术予以概述，由此预测未来污泥超低温干化的可行性。
01、低温干化原理
污泥干化是进一步降低脱水污泥含水率（80%）的延伸方法，主要利用热媒与污泥进行热量交换，以破坏污泥絮体与细胞壁，实现外部水分和内部水分挥发，从而大幅降低污泥含水率。污泥干化脱除水分可分为4个阶段，取决于污泥所含水分与颗粒表面作用力强弱，依次包括自由水、间隙水、毛细水和结合水去除。通过反应动力学模拟对污泥低温（40~80°C）干化过程第一和第二降速阶段进行函数拟合，揭示了污泥干化过程含水率降低随干化速率变化的趋势，如图1所示。污泥干化分为恒定速率阶段和下降速率阶段；恒定速率阶段主要去除自由水，因其与污泥颗粒表面作用力较弱，故含水率降低并不影响干化速率；随水分与污泥颗粒表面作用力增强，出现干化速率下降阶段，含水率也伴随着干化速率逐渐降低；其中，第一降速阶段以间隙水去除为主，第二降速阶段主要去除毛细水。干化过程难以去除污泥结合水，这是由污泥自身特点所决定的。
图1 污泥干化含水量降低vs干化速率变化
Fig. 1 Reduced moisture content vs. dried rate during drying processes
02、低温干化优势
传统污泥热干化常采用复合带式、流化床式、圆盘式和空心桨叶式等设备，以热空气、导热油和燃气热风炉等作为热传导介质，利用电能或化石燃料内能将传导介质加热至200°C以上。这样的技术相对成熟、应用广泛，但设备投资、能耗、运行费用较高，而且高温干化往往会导致干燥污泥破碎颗粒粉尘伴随有机物质挥发，导致污泥热值降低，减少后续焚烧与热电联产（CHP）效率，严重时还存在爆炸风险和尾气污染问题。面对日益突出的能源危机和环境压力，污泥干化应转向低能耗成本方向发展。对此，低温（<80°C）、甚至超低温（≤60°C）干化技术显示出其与众不同的优越性：
节能减排。传统污泥高温干化一般通过消耗大量电能和化石燃料以提供较高的干化温度（一般180~250°C，最高可达700°C），能耗成本占其总运行成本80%以上。低温干化一般利用太阳能、微波能、热泵热源（空气源、地热源、污水源）等低品位热源进行污泥干化，节能效益显著，运行成本明显降低，可大量减少碳排放量。
安全性高。污泥高温热干化复杂的干燥工况会导致大量有机物和污泥粉尘挥发，当达到一定含氧量和燃点条件时，极易引发污泥自燃和粉尘爆炸事故。低温干化工艺则不会突破点火能量壁垒，可避免爆炸风险，提高设备安全性。
生态环保。干化温度处于100~300°C时，污泥挥发性有机物和恶臭气体（烷类、芳烃类、脂类、苯系物、NH3、H2S等）极易进入导热介质、冷凝水或大气环境，造成环境污染。低温干化可有效避免上述有毒、有害尾气释放，提高冷凝水出水水质，降低环境负效应，提高污泥干化可持续性。
建设、运行成本低。高温干化系统必须配备严格的除尘、除臭、冷凝水处理系统。低温干化过程因其污泥粉尘、有害尾气产量较少，污泥自燃爆炸风险较低，冷凝水出水水质相对较高，可相应减小设备材质要求（热泵换热器和干化装置耐腐蚀性、防锈性）、尾气和冷凝水处理要求、系统密闭性、昂贵惰性气体（降低干化设备含氧量）和防爆检测设备使用，从而减少初期投资和后期运行维护成本。
03、低温干化热源
相对于传统的高温干化，污泥低温干化主要缺陷在于干化效率较低。虽然可以相对灵活地结合各类热源来满足不同地区和资源条件的污泥干化需求，但是，只有结合清洁或低碳热源才能显示低温干化在应用方面的优势。目前，太阳能、微波能、热泵热源等相对清洁环保的干化热源（见图2）正逐步获得关注。
图2 污泥低温干化热源种类
Fig. 2 Heat sources for low-temperature sludge drying
3.1 太阳能
太阳能是自然清洁能源，工程常采用干化床和干化温室将85%含水率污泥干化至5%~30%。其中，温室形式干化效率较高，场地构建和日常维护费用相对也较低。但是，不同地理位置和季节气候（影响太阳辐射强度和空气温度）均会限制太阳能干化效率，阻碍其广泛应用。因此，太阳能干化更宜用于气候、温度、光照适宜或对干化目标含水率要求不严苛的地区。希腊存在太阳能污泥干化案例，它验证了太阳能干化在气候温暖地区具有较大的应用前景。但因太阳能干化效率较低，必须辅以额外能源供应系统方可缩短干化时间。
3.2 微波热源
微波干化是一种新兴的污泥干化技术，其实质是将电磁能转化为污泥内能蒸发水分，从而达到干化污泥目的。污泥微波干化原理如图3所示，在不同微波波长和频率工况下，污泥极性分子（如，水分子）产生反作用力（如，弹力、内摩擦力和分子作用力）抵抗变化磁场的偶极矩作用，导致分子内能上升，从而使水分逐渐蒸发，实现干化目的。微波干化具有独特优势：
① 干化效率高：电磁波可穿透污泥颗粒，定向加热极性水分子、提高污泥内部水分子通量，从而加快污泥干化速率。
② 碳排放因子低：微波可将电磁辐射能定向转化为水分子内能，减少热能耗散，提高能源利用效率，属于低碳技术。
③ 设备启停响应速度更快：微波干化可通过控制电磁场启停和强度实现干化条件改变，且无需预热，可减少余热浪费。
④ 设备损耗小：微波辐射不影响非极性材料制备的干化设备主体，减少非核心干化组件能源损耗。
⑤ 工艺臭味少：微波可灭杀污泥大多数致病菌，减少有毒有害气体排放。简言之，微波干化优势独特。但是，目前其广泛工程应用仍存在技术瓶颈，微波功率升级和电磁能-内能转化效率提高应是未来重点研究方向。
图3 微波干化原理
Fig. 3 Principles of microwave sludge drying
3.3 热泵热源
热泵技术的发展拓展了低品位热源与污泥低温干化相结合的应用前景。自上世纪70年代以来，欧、美、日等国针对热泵干化技术开展了大量研究，我国于80年代引入并改进了该技术。因热源干化温度较低（接近自然干化），所以早期多用于木材干燥；近年来该技术又逐渐发展应用于食品和农副产品干燥，获得较好的经济效益。目前也有部分研究将其应用于污泥处理、处置，利用热泵低品热源干化污泥，可进一步进行焚烧及热电联产（CHP）。根据热泵热源不同，可分为空气源热泵、地热源热泵和水源热泵等。
3.3.1 空气源
空气源热泵是利用逆卡诺循环原理，回收空气中的低品位热能，从而将低温空气转化为干热空气。实际工程常用于食品、木材、烟草等行业进行物料干燥，也有研究尝试用于污泥低温干化。常用热泵干化系统是以蒸发器和压缩机作为核心蒸发/加热组件，搭配膨胀阀、循环风机和干燥室等干燥部件干化污泥。研究表明，以空气源热泵出风作为污泥干化热传导介质（温度约65~70°C），可将污泥含水率由80%降低至20%~40%。此研究还评价了3种污泥脱水形式（药剂深度脱水、热干化和空气源热泵干化）的效果和成本，表明空气源热泵可大幅减少化石燃料消耗，有效减少了化学药剂使用。
3.3.2 地热源
地热能相对太阳能等几乎不存在供应间歇期，因此，在能量持续供应方面更具优势。根据温度不同，地热能可划分为高品位热能（>150°C），中品位热能（100~150°C）和低品位热能（<100°C）。显然，高品位热源适合用于发电传输，不能发电的低品位热源可因地制宜就近实现冬季供暖、污泥干化等目的。
地热能更适合于偏远地区或海岛污水处理厂供热和污泥干化。众多远离内陆、土地面积有限且水体生态环境管理严苛的岛屿地区并不具备完善的供电设施，常常需要依靠柴油发电方式来满足其污水、污泥处理能源需求。条件允许下，地热开发则可有效解决问题。例如，意大利南部Ischia岛利用地热已实现污水处理能源自给自足目标，并完成了污泥原位干化处置，每年减少682 t/a碳排放；此外，还有约30%地热盈余电能（高品位热源发电）向外输出，创造额外经济收益。
3.3.3 污水源
居家生活污水排出楼宇后具有比进入楼宇自来水更高的温度。水的比热大且容重高，单位体积的水降温1°C理论可放出1.16 kW/m3热量，远远高于空气热源（0.00039 kW/Nm3空气）。因为目前城市集中式污水处理厂普及率已经很高，所以，在污水处理厂出水处实施集中热源提取最为经济有效，且可避免前端原位提取热量，造成冬季进水水温较低而影响污水生物处理效果的问题。
研究表明，提取4°C温差，1 m3出水理论可产生4.64 kW×h/m3电当量的热，经水源热泵（COP=3.5）实际转化热量仅为1.77 kW×h/m3 （＜80°C）。计算表明，我国剩余污泥（含水率80%）干化至自持焚烧含水率（约50%）所需热量为0.61 kW×h/m3。这意味着污水余温热能不仅可提供污泥干化所需的全部热能，还存在相当盈余热量可向社会输出（>1 kW×h/m3），同时还可获得相应碳交易额来抵消自身碳排放，完全实现污水处理碳中和运行。如果实施分散式干化、集中式（邻避效应）焚烧，也相当于将不能发电的低品位热能转化为可发电的高温热能（>800°C），进一步助力污水处理厂碳中和运行，甚至使其化身为“能源工厂”。
3.4 综合评价
表1 不同热源污泥低温干化技术定性评价
Table 1 Qualitative evaluation of different heat source for low-temperature sludge drying
污泥低温干化并不存在技术瓶颈，关键在于热源选择，结合清洁能源使用则是低温干化的发展方向，否则，低温干化在效率、时间等方面难以比拟高温干化。太阳能和空气热源虽具有节能优势，但受限于污水处理厂面积和地域差别，难以满足全部能源需求；同时，受地区温度、气候和光照强度等环境条件影响，使得这两种热源应用稳定性不高，并不适用于大多数污水处理厂。微波干化能源转化效率较高，但目前广泛工业应用仍存在一些技术瓶颈，况且微波应用需要电能。地热源进行污泥低温干化具有良好潜力，但局限于某些特殊场景，很多时候需要“靠天吃饭”，并不具有普适性。尽管存在一些多种干化形式耦合的研究，例如，通过清洁能源为微波提供热源而实现污泥低温干化，但这些研究和假设仅停留在初步阶段，还需进一步验证其现实应用可能性和经济可行性。比较而言，污水余温热能潜力巨大，是一种名副其实的清洁能源，其经济性和生态性并存。利用污水余温热能进行污泥原位干化处理，一方面可以克服厂外热源输送导致的热能损耗，另一方面干化后的大幅污泥减量还可以减少污泥外运处理能耗和相应碳排放。
综合考虑污水处理厂热源种类、有效场地使用面积、系统设备投资、原位干化优势和热泵技术效率等因素，对不同热源形式进行定性评价后结果汇总于表1。可以看出，低品位余温热能干化在技术、经济角度具有明显优势，是“唾手可得”的理想干化低温热源。
04、建立淡水生态系统
清洁热源可以解决低温干化热源问题，但低温干化设备投资和运行成本还取决于低温干化效率。显然，相对高温干化，低温干化效率势必降低，需要进一步提高干化效率，具体措施如下：
改性或提取EPS结构降低污泥持水能力。胞外聚合物（EPS）是污泥絮体表面细胞分泌、溶出、裂解组成的大分子有机物集合体，其在絮体表面可形成稳定的网状结构捕捉大量水分，是影响污泥物理化学特性（如，絮凝、沉淀、脱水性）的关键因素。根据分层理论和对外部剪切变化的敏感程度，不同结构EPS的含量、组分和亲疏水基团方面存在差异。提取EPS有助于破坏污泥絮体稳定的水合结构，促进胞内结合水释放；同时，EPS关键组分（如，多糖蛋白结构、氨基酸等）的破坏或提取可导致絮体亲水官能团失活，削弱EPS结合水的能力，从而改变污泥脱水性能，提高干化性能。
预处理/调理改变污泥物化特性。常规物理化学手段可对污泥进行有效调理，通过中和污泥表面负电荷，降低絮体网络结构强度，可提高疏水性，进而促进污泥水分流失速率。然而，传统化学药剂投加效果不佳，且会增加污泥处理间接碳排放与运行成本；部分无机药剂会降低污泥有机质含量；新型高级调理技术（如，Fenton氧化和铁基高级氧化处理等）也并非节能环保的应用技术。相反，众多研究表明通过添加天然有机固废（如，锯末屑、木屑、麦渣、稻壳生物炭等）可明显改善污泥脱水性能。这些物质可改变污泥流变特性，形成蓬松骨架结构和疏松多孔的干化水通道；同时，也会增加污泥疏水性，加速水分流失；而且添加有机固废会增加污泥有机质含量，从而降低污泥干化自持焚烧目标含水率，减少干化所需时间。
简言之，一方面可考虑在污泥干化前提取EPS以改变污泥持水能力（这也将增加污泥资源化效益），另一方面可通过“低碳”预处理措施改变污泥理化特性，最终提高污泥低温干化效率。
05、结语
污泥干化焚烧已被确定为污泥处置及其能源、资源化终极选择，关键在于污泥脱水后干化方式的选择。高温干化除非有可用余热场景选择外，自加热高温显然因能耗、碳排较高并不可取。为此，低温干化技术应该被关注，特别是使用清洁能源的低温干化技术。在此方面，污水处理出水余温热能利用优势明显，是一种潜力巨大、但仍未有效开发的清洁能源；水源热泵从仅4°C出水温差中转化的低温热能便可以提供污泥低温干化所需全部热能，而且在间接满足整个污水处理厂碳中和运行需要后仍可有盈余热量输入社会。因此，污水余温热能利用应该是污泥低温干化技术的发展方向。实践中，可在污水处理厂内利用出水余温热能分散式干化污泥，在邻避效应原则下集中式焚烧污泥。这种超低温干化后焚烧的方式相当于将所交换出的不能发电的低品位热能，通过焚烧间接转化为可以发电的高品位热能，即，低值换高值。另一方面，冬季出水余温热能交换还可以让出水温度接近受纳水体温度，实现生态排水目的。
