清华大学教授27载破译污泥处理技术瓶颈

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据调查，我国20万吨/日及以上规模的污水处理厂的污水处理能力已达到2272.6万吨/日。如果1万吨污水(含水率为80%)产生7.5吨脱水污泥，每年将产生613.6万吨污泥，占中国污泥总产量的55%。根据2007年底有关部门对污泥处理的统计，83%的污泥没有得到妥善处置，这些污泥的出口没有一定的保证，导致污泥排放失控。清华大学环境科学与工程系的王伟教授从1982年开始克服污泥处理的技术难题。最近，他带领的研究团队终于完成了“基于水热干燥技术的污泥处理系统”示范项目的专家组评审。该技术有望成为今后解决我国污泥处理技术瓶颈的重要环节。

污泥处理的技术瓶颈

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，城市污水处理规模不断扩大，污水处理程度逐年提高，污泥产量也急剧增加。我国早期建设的污水处理厂普遍存在重水轻泥的倾向，追求污水处理率而忽视污泥的处理和处置。未经处理的污泥被直接运出，简单地填埋或堆放，对环境造成潜在的危害。

污泥中含有大量的病原菌、寄生虫(卵)、重金属如铜、锌、镉、汞、盐类、多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物质。同时，污泥中含有大量高浓度的蛋白质、脂肪和碳水化合物等有机物，导致污泥粘度高、含水量高、固液分离性能差，进而影响污泥堆肥、焚烧或填埋等后续处理处置。目前，无论是脱水、消化还是直接处理，普通污泥处理技术都面临着效率低、能耗高的问题。因此，污泥的胞质/胶体结构是污泥处理的技术瓶颈和资源化利用的关键障碍。

1.含水率对污泥处置的影响

污泥中含有大量的微生物细胞和有机胶体，导致污泥脱水困难。通常，水泥饼的含水量高达80%。目前，污泥处置方法主要包括堆肥、填埋和焚烧。

当污泥用于堆肥材料时，通常需要添加调理剂以将含水量降低到50-60%，并且要添加的调理剂的总量约为污泥的60%。如果污泥堆肥产品的市场不好，污泥的数量将会增加而不是减少。为了在堆肥过程中实现有效的分解和产品稳定性，堆肥材料的含水量通常小于60%。中国的一些城市也使用垃圾卫生填埋场来接收污泥。由于污泥含水量高，容易造成填埋作业困难、渗滤液水质恶化和填埋堆不稳定。事实上，大多数生活垃圾卫生填埋场拒绝污泥进入现场。2009年2月16日下午4点左右，深圳市清水河夏萍垃圾填埋场3号污泥坑发生管涌，大量污泥从地面喷涌而出。斜坡下的道路覆盖着厚厚的黑色污泥，气体中充满了沼气的味道。据目击者称，当管涌发生时，几个黑色的喷泉从天而降，喷射出七八米高的瀑布。泥浆和污水顺着斜坡流下，掩埋了污水处理厂的道路，斜坡下的施工现场也被掩埋。许多专家报告说，“垮塌”事件的警钟已经敲响，我们应该高度重视。

焚烧是实现污泥减量的有效手段，但由于污泥含水量高、热值低，需要添加大量的辅助燃料，这是运行成本高的重要原因。为了防止焚烧过程中的二次污染，通常要求焚烧材料的热值大于1200千卡/千克。根据城市污泥的平均含泥量，只有当含水率小于50%时才能满足这一要求。
为了规范污泥的处理和处置，中国近年来制定了一系列相关标准和技术政策。其中，污泥混合填埋含水率小于60%，横向剪切力大于25kn/m2。事实上，水泥饼直接填埋的处置方式受到现行法律法规的限制。

填埋、堆肥和焚烧不适合直接处理含水量为80%的去除水泥的滤饼。为了满足处理标准和工艺要求，含水量应至少降低到60%。如何高效低耗地将污泥含水率从80%降低到60%，已成为保证污泥有效处置的技术关键。

2.污泥脱水特性的热力学分析

污泥脱水的困难是由于各种力对污泥中水的约束。清华大学王伟老师课题组通过热力学分析对实验室污泥脱水性能进行了定量分析。结果表明，在脱水机可能提供的功率下，脱水污泥的含水量很难从80%左右进一步降低。

总的来说，我国污泥处理处置存在处理技术单一、设备水平落后、处置保障率低、二次污染风险高的问题。此外，污泥处理的成本也亟待解决。

水热干燥技术与国内外同类技术的比较

目前，污泥改性技术越来越受到人们的重视，可以分为两个方面:改善污泥厌氧消化性能和改善污泥脱水性能。机械破碎、超声波、冻融、臭氧、化学处理和臭氧是破碎污泥细胞和释放细胞内大分子有机物的途径，以克服污泥厌氧消化中固体有机物水解的限速步骤。有热化学处理和水热处理，以溶解污泥中的悬浮固体和挥发性悬浮固体，从而降低污泥粘度并改善脱水性能。其中，以超声波为代表的改善污泥厌氧消化的污泥改性技术在国内外得到了广泛的研究。然而，厌氧消化污泥的脱水性能没有得到明显改善，不能满足大量污泥的最终处置。

水热干燥技术通过加热污泥，在一定的温度和压力下水解污泥中的粘性有机物，破坏污泥的胶体结构，从而提高污泥的脱水性能和厌氧消化性能。随着水热反应温度和压力的升高，颗粒间的碰撞增加，导致胶体结构的破坏和结合水与固体颗粒的分离。此外，加热分解污泥中的蛋白质，破坏细胞，并释放细胞中的水分。在不添加絮凝剂的情况下，水热处理后的污泥含水率大大降低。从宏观上看，污泥的水解表明挥发性悬浮固体的浓度降低，而化学需氧量、生化需氧量和氨氮的浓度增加。

与其他改性技术相比，污泥水热干燥技术可以同时提高污泥脱水性能和厌氧消化性能，其处理成本低于臭氧和超声波。与普通的化学方法不同，它需要消耗大量的化学物质并引入新的二次污染。根据不同地区的实际特点，处理后的污泥可以直接用于堆肥、焚烧、填埋等处理方式，具有很好的推广价值

污泥水热干燥技术的特点

1.水热干燥过程改变了污泥中水的形态

，水热处理后，微生物细胞被破坏，胶体结构和毛细结构被破坏，固体颗粒的表面性质发生变化，改变了污泥中水与固体颗粒的结合形式。细胞内水、毛细水、结合水和表面吸附水大量释放，从而提高了污泥的脱水性能。

2。水热干燥过程改变了污泥中有机物的形态

污泥中的有机物在水热水解过程中发生变化。首先，污泥中的固体有机物不断溶解和液化；其次，将部分可溶的大分子有机物水解成小分子物质，有效解决了后续厌氧消化过程中固体有机物水解的限速问题，有利于提高污泥的厌氧消化效率。

3。污泥中的水在水热反应过程中不发生相变

。污泥的水热反应在密闭容器中进行。虽然水热处理的反应温度高于蒸发干燥，但由于污泥中的水分在反应过程中不发生相变，系统的整体能耗远低于蒸发干燥过程，这是水热处理技术实现系统节能的核心。

污泥处理水热干燥技术示范工程已取得成功

清华大学环境科学与工程系王伟教授从事污泥水热干燥技术研究已有27年。基于长期以来将该技术应用于污泥处理以解决我国污泥倾倒和环境污染问题的初衷，他对该技术的反应机理和工艺条件进行了全面深入的研究。目前，工艺系统已经成熟，通过开发二次闪蒸传热技术，系统的能耗也显著降低，使得工业应用成为可能。

2008年7月，清华大学和北京建坤伟华新能源技术有限公司受东莞市城市管理局和东莞市污水处理厂的委托，以东莞市污水处理厂的城市污泥为处理对象，根据国内外城市污泥处理处置的技术发展和经济可行性，并参照东莞的具体情况，建成了污泥水热干燥技术示范工程。

2009年3月初，行业污泥处理专家组参观了示范项目，给予了积极的评价。据专家组介绍，成果完成单位开发了具有自主知识产权的污泥水热干燥技术，并在此基础上开发了高效节能的污泥脱水处理系统，为解决污泥含水率高、处置困难的问题提供了重要的技术选择。通过实验室研究和现场中试研究，完成了工艺包开发、关键设备开发和系统集成，建成了30吨污泥(含水率90%)日处理示范工程，实现了生产规模的持续稳定运行。该技术具有系统能耗低、污泥固液分离性能和可生化性同步提高的特点。该技术在工艺设备上取得了以下突破:①开发的浆态反应器通过乏汽返混闪蒸后的浆体预热，蒸汽与机械搅拌在一起，提高了系统的处理效率。②水热反应器采用蒸汽逆流直接混合加热，强化了传质和传热过程，避免了局部过热、结焦和碳化。③在连续闪蒸反应器中，系统能量得到有效回收。

专家表示，该示范项目技术先进、设备可靠、系统完整、节能减排效果突出，在国内同类技术中处于领先水平。专家组一致认为，建议推广应用。