污泥生物干化研究进展与展望

摘要：介绍了一种新兴的污泥生物干化技术，该技术充分利用微生物高温好氧发酵过程中有机物降解所产生的生物能，配合强制通风促进水分的蒸发去除，从而实现污泥快速干化。干化过程受物料特性、堆体环境以及通风策略的影响，实时在线监测和反馈控制有利于提高生物干化的效果。与热干化、好氧堆肥相比，该技术具有投资低、占地面积小、能耗和运行成本低、产品用途灵活等优点。
关键词：城市污泥；生物干化；经济节能；通风策略
随着我国污水处理率和污水处理程度的不断提高，城市污泥产量也逐年增加。城市污泥是以好氧微生物为主体，同时包括混入污水中的泥砂、纤维和动植物残体等固体物质，以及吸附的有机物、重金属、病菌、虫卵等物质。大量的城市污泥若不加以妥善处置，将会造成严重的二次污染。
目前污泥处置的方法主要有填埋、土地利用和焚烧等[1]。由于城市污泥通常含水率较高，经浓缩脱水处理后仍高达80%左右，具有体积庞大、不利运输、性质不稳定等特点。直接填埋将会占用大量土地，同时会产生渗滤液污染地下水；土地利用则因运输量大、分散困难、容易污染地下水而受到很大限制；直接焚烧也会因为含固率低而导致热值太低，无法维持有效自燃而需耗费大量辅助燃料，使处置成本明显增加。因此，对城市污泥进行干化处理、降低污泥含水率，是解决目前在污泥处置过程中所遇到的许多问题的关键。
传统的污泥干化法采用污泥干化场的形式，将污泥堆积在室外的干化场，通过自然通风和重力作用对污泥进行干化。现代化的干化工艺主要为热干化，即通过外加热源将污泥中水分蒸发的一种工艺，它具有占地面积小、减量化明显、产品用途灵活等优点。但是热干化工艺也存在很多问题，主要是投资和运行费用高、设备运行能耗高，并且具有粉尘爆炸安全隐患，难以在我国进行大面积推广应用。因此，发展一种更经济、更节能的干化技术成为我国城市污泥处理的迫切需要。
本文通过介绍一种新兴的污泥生物干化技术，并结合国内外的研究进展，对生物干化的应用前景进行了展望，以期能更有效地处理与处置我国的城市污泥提供参考。
1生物干化概述
1.1定义
生物干化(biodrying)最早是由美国康奈尔大学jewell等人于1984年研究牛粪生物干燥的操作参数时提出的[2]，有时也叫做生物干燥、生物稳定，其准确定义目前尚未见文献报道。笔者在总结前人研究成果的基础上，对生物干化进行如下定义：通过采取过程控制手段，利用微生物高温好氧发酵过程中有机物降解所产生的生物能，配合强制通风促进水分的蒸发去除，从而实现快速干化的一种处理工艺。
生物干化最大的特点在于无需外加热源，干化所需能量来源于微生物的好氧发酵活动，属于物料本身的生物能，因此是一种非常经济节能的干化技术，这也是生物干化与其他干化工艺(如热干化)的最大区别。作为现代化的工业技术，生物干化的另一个特点是加入了人为的过程控制策略，对物料进行强制鼓风，从而促进整个干化过程，缩短干化周期。同时具备这两点才能算真正意义上的生物干化工艺。
1.2原理
城市污水处理厂的污泥中含有大量的水分，水分子分别吸附在固体物质的不同孔道中，由于毛细现象的存在及不同表面的吸附作用力不同，可将其分为自由水(约占70%)和束缚水(约占30%)，其中束缚水由于吸附力较大，难以通过简单的机械方法去除。
现阶段应用较多的热干化是利用燃煤、燃油或高热蒸汽直接或间接提供热能，使污泥中的水分蒸发，从而达到干化的目的。还有一些干化工艺，如红外干化[3]、微波干化[4]、热泵干化等，虽然不使用或少使用煤、油等能源，但本质上仍是热干化，只不过利用了不同的外在热源。生物干化的原理是，在通风供氧条件下，污泥中的微生物利用易降解有机物进行好氧呼吸，满足自身生长繁殖需求的同时放出大量的生物能，这部分能量可使物料温度显著升高，一般可以达到55℃，最高可达70℃以上。同时，微生物活动还能使污泥中的束缚水活化，降低其束缚能态，使其更容易被加热蒸发。污泥中的水分在生物能的加热下转化为水蒸气，通过自由扩散和强制对流进入物料中的孔隙，被风机强制鼓入的干燥空气带出堆体，从而实现连续不断的脱水干化。
1.3生物干化与好氧堆肥
由于好氧堆肥过程对物料也有一定的生物干燥作用，很多研究工作者将好氧堆肥等同于生物干化，而实际上两者在工艺目的和工艺参数上有很大的差别。
好氧堆肥的主要目的是资源化和无害化，即通过微生物的好氧发酵活动促使污泥中的易降解有机物向稳定的类腐殖质转化，杀死病原菌和寄生虫卵，钝化重金属，高度腐熟的、满足土地安全施用标准的有机肥(营养土)。而生物干化的目的是在尽可能短的时间内去除尽可能多的水分，实现污泥的脱水干化和减容减量。其产物一般不以土地农用为目的，而是当做绿化覆盖土、填埋处置或焚烧回收热值，因此不需要达到高度腐熟。在以焚烧为最终处置目标时甚至要求适当限制微生物的降解能力，尽量保持产物中的有机组分，从而提高产物热值。