（环境科学与工程专业论文）城市污水污泥生物干化过程控制参数优化研究.pdf

国内图书分类号：x 705 学校代码：10213 国际图书分类号：628.3 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 城市污水污泥生物干化过程控制参数 优化研究 硕 士 研 究 生 ： 孔晓伟 导 师 ： 田禹教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 环境科学与工程 所 在 单 位 ： 市政环境工程学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: x705 u.d.c: 628.3 dissertation for the master degree in engineering research on the optimization of key factors during municipal sewage sludge biodrying candidate： kong xiaowei supervisor： prof. tian yu academic degree applied for： master of engineering speciality： environmental sci. and eng. affiliation： school of muni.&env.eng. date of defence： july, 2012 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -i- 摘 要 污水污泥是污水处理中高度浓缩有机质、重金属等污染物后的副产物，潜 在的环境危害性极大。污泥处理处置和资源化利用过程中，无害化是关键，资 源化是目标，而干化脱水是瓶颈。 本研究以污水厂高含水率脱水污泥为研究对象，针对新型污泥生物干化技 术，研究其主要影响因素对污泥生物干化过程的影响，并对污泥生物干化过程 的主要性状变化规律和能量平衡进行分析，可为污泥的低耗高效脱水和干化产 物的清洁能源利用开辟新思路，具有基础理论和实际应用双重价值。 研究结果表明， 稻草调理剂具有良好的孔隙率、 含水率和营养比调质作用， 适量的产物回流可减少反应器启动时间并提高升温速率，翻堆可以改善单向通 风引起的温度梯度和含水率分层现象，而在不影响系统升温前提下，增大通风 可加速水分去除， “升温期积累热量（低频少量通风）+高温期强制除水（高频 大量通风） ”的温度反馈型控制方式更利于提高污泥干化效率。最优参数控制 条件为：污泥稻草比 8:1 (m/m)，产物回流 10% (m/m)，翻堆周期 2d，通风量 0.060.10 nm3/(h kg 湿物质)，温度反馈控制点 5560之间。 生物干化过程中，污泥结构变松散，主要重金属有一定富集但浓度均低于 农用和焚烧标准限值。随大分子有机质和 pam 团聚结构的分解，污泥浸出液 颜色加深，水溶性总有机碳含量增加，而 ph 值虽有所上升，但不致抑制微生 物活性。干化反应器进出气流中 co2含量和相对湿度 rh 显著增加，排气 co2 与微生物活性和温度正相关，排气 co2最高可达 12.9%(v/v)，rh 在升温期后 期和高温期均持续 100%左右，说明系统的微生物活性和干化除水作用非常明 显。污泥干化产物中，糖、蛋白质、脂类出现较大消耗，而半纤维素、纤维素 和木质素则出现一定富集。 对污泥生物干化系统进行物质和能量衡算发现，经 12d 生物干化，含水率 （mc）自 73.46%降低到 60.31%，水分去除率 59.85%，同时挥发性固体含量 （vs）自 67.79%降低到 50.37%，有机质消耗率 37.69%，有机质生物代谢产热 用于水分蒸发去除的有效能量利用率 65.2%，相当于 6.48kg水/kgvs。 关键词：脱水污泥；生物干化；好氧发酵；水分去除率 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -ii- abstract sewage sludge, identified as one source of biomass, is receiving much attention due to its abundant production and high energy recycling potential. the high concentration of water content in original sewage sludge prohibits its application efficiency. dehydration, harmless deposal and energy recovery of sewage sludge are key factors of its utilization. taken the sewage sludge as the study object, a novel technology, bio-drying, was provided in this work for sludge fast dewatering and dehydration, with low energy consumption being expected and high-quality energy recycling. the aim of the bio-drying treatment (in short-time process) is the exploitation of the exothermic reactions (thermal drying, on the contrary, needs an external heat source) for the evaporation of the highest part of the humidity in the waste with the lowest consumption of volatile solids. bio-dried material, which is the product obtained after the bio-drying process, can be used in many ways: as a secondary fuel in appropriate plants (grate or fluid bed plants, cement factories, etc), as a feedstock for pyrolysis/gasification systems or as a material to reclaim old landfills. the results showed that the sludge had good porosity, water content and nutrition for biodrying when straw was used as bulking agent. a good amount of product reflux could reduce the reactor startup time and improve the temperature rising rate, and turning could eliminate the temperature and moisture content gradient caused by one-way ventilation. on the premise of the system warming-up rate was not been restricted, more ventilation could remove more moisture. the temperature feedback control system, which was combined with a heat accumulation period (low frequency and few ventilation in warming-up stage) and forced water removal period (high frequency and large ventilation in high temperature stage), could effectively improve sludge biodrying efficiency. the optimal parameter control conditions for sludge biodrying were: sludge to straw mass ratio 8:1, product reflux 10% in mass ratio, 2 days turning frequency, ventilation rate 0.060.1 nm3/(h kg wet material), temperature control points between 55 and 60 in feedback system. in the process of biodrying, the sludge granule structure became loose, and the heavy metal contents had certain enrichment but were still lower than agricultural application or combustion restricts. with the macromolecular organic matter and pam been decomposed by microorganism, the sludge leaching solution became darken coupled with the increase of water-soluble toc and the ph value. the co2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iii- content ( maximum 12.9% ) and relative humidity ( maximum 100% ) increased significantly in the exhaust air out of the reactor, which was related with the high microbial activity and temperature. after the biodrying procedure, the typical organic components of carbohydrate, protein, lipid in sludge had a large amount of consumption, while hemicellulose, cellulose and lignin appeared a certain degree of enrichment, which was good for the follow-up disposal of combustion or pyrolysis. the matter and energy balance calculations of the biodrying system found that, after 12 days biodrying experiment, the sludge moisture content reduced from 73.46% to 60.31%, and the volatile solid content reduced from 67.79% to 50.37%, with the moisture removal rate of 59.85% and organic matter consumption rate of 37.69%. the energy utilization efficiency, which could be described by the biological metabolic heat production used in moisture evaporation, was 65.2%, equivalent to 6.48 kg water/kgvs. keywords: dewatered sludge, biodrying, aerobic fermentation, moisture removal rate 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iv- 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 污泥的含水特性与干化技术 . 2 1.1.1 污泥的含水特性 . 2 1.1.2 传统污泥干化技术 . 4 1.1.3 新型污泥干化技术 . 6 1.2 污泥生物干化技术简介 . 7 1.2.1 污泥生物干化的科学基础 . 7 1.2.2 污泥生物干化与堆肥化的差异 . 8 1.2.3 污泥生物干化的影响因素 . 8 1.2.4 污泥生物干化的研究现状与问题 . 9 1.3 研究目的、内容与技术路线 . 10 1.3.1 研究目的和意义 . 10 1.3.2 研究内容 . 10 1.3.2 技术路线图 . 11 第 2 章 实验材料与方法 . 12 2.1 实验材料 . 12 2.2 实验装置与运行 . 12 2.2.1 生物干化反应器的设计 . 12 2.2.2 生物干化反应器的运行 . 13 2.3 检测方法 . 14 2.4 结果与分析 . 15 2.4.1 污泥的基本组成 . 15 2.4.2 污泥的元素分析 . 15 2.4.3 调理剂的性质. 16 2.4.4 热值分析 . 16 2.4.5 热重分析 . 18 第 3 章 污泥生物干化控制参数优化研究 . 19 3.1 调理剂对污泥生物干化的影响和优化 . 19 3.1.1 调理剂类型的选择 . 19 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -v- 3.1.2 调理剂比例的优化 . 22 3.2 产物回流对污泥生物干化的影响分析 . 25 3.3 翻堆周期对污泥生物干化的影响和优化 . 27 3.4 通风状况对污泥生物干化的影响和优化 . 30 3.4.1 通风量的影响和优化 . 30 3.4.2 通风控制策略的影响和优化 . 33 3.5 本章小结 . 35 第 4 章 污泥生物干化产物性质变化与能效分析 . 36 4.1 污泥固体性质变化 . 36 4.1.1 孔隙率变化情况 . 36 4.1.2 重金属含量变化情况 . 37 4.2 污泥浸出液性质变化 . 37 4.2.1 ph 变化趋势 . 37 4.2.2 pam 变化趋势 . 38 4.2.3 水溶性有机质（toc）变化规律 . 39 4.3 空气流性质变化 . 40 4.3.1 二氧化碳浓度变化规律 . 40 4.3.2 空气相对湿度变化规律 . 42 4.4 物质能量转化规律 . 43 4.4.1 物质平衡计算方法 . 43 4.4.2 热量平衡计算方法 . 45 4.4.3 生物干化过程物质和能量平衡核算. 47 4.5 本章小结 . 48 结 论 . 50 参考文献 . 52 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果 . 59 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 60 致 谢 . 61 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第 1 章 绪 论 中国的污水废水处理业在过去二十年发展迅速。1991 年全国仅建成城市 污水处理厂 87 座， 污水处理率 14.86%； 2003 年， 全国已建成污水处理厂 612 座，污水处理率达到 42.39%1；而到 2007 年，全国已建成的集中式污染治 理设施中污水处理设施有 2094 座，年实际处理污废水量 210.31 亿吨2，城 市污水污水处理率约 60%；最近几年，国内污水处理能力更是以 16%的年增 长速度大幅增长。伴随污废水处理的膨胀式发展，国内污水污泥产量在 2010 年已达到 2200 万吨，但已建污水处理设施中，具备污泥稳定处理设施的不到 1/2，污泥处理工艺和配套设备完善的不足 1/10，正常运行者为数更少3。如 此大量的污泥若不能妥善处理处置，将会对环境保护和社会发展造成严重负 担。因此，污泥的处理处置是我国面临的一项紧迫的环境课题。 我国污泥处理处置现仍处于发展阶段，目前国内常见的污泥处理处置方 式主要有卫生填埋、堆肥、农业利用、焚烧等。 填埋是一种常见的污泥处置方式。卫生填埋场通常要求污泥含水率低于 65%才能填埋，这势必将增加污泥前处理流程，正因于此，目前国内大中型 污水处理厂较多采用污泥消化+脱水+填埋的处置方法。填埋处置不利于资源 化利用4, 5，并存在占用大量土地资源、严重影响周边生态环境、污染地下 水等问题， 长期危害难以估量6。 因此， 填埋法不是长期有效的污泥处置法， 现正逐渐被边缘化。 堆肥化是一种受控的生物降解转化过程， 其产物可作为肥料资源化利用。 有些地区更是直接将污泥农业利用。但堆肥化和农业利用均存在环境安全性 问题，即重金属、难降解有机物、病原菌和寄生虫卵污染问题，在无害化不 足的情况下，这些污染物会转移到农田和作物上，对土壤、作物和人类健康 等造成潜在危害7，故污泥堆肥化和农业利用需谨慎对待。除此之外，按含 水率在 5060%之间最有利于有机物堆肥降解的通识8， 污泥堆肥化也需预先 调节含水率；而农业利用时，首要问题就是解决浓缩污泥含水率与体积、分 散方法经济性之间的矛盾。 焚烧法是具有最大减量效果（体积减量高达 90%以上）的污泥处理处置 方式，并具有能源回收可能性。焚烧法处理污泥在发达国家尤其是日本利用 较多，它是将经过脱水后含水率约 7580%的污泥直接添加煤、重油、天然 气等辅助燃料进行焚烧，或将污泥干化至含水率 65%以下后再实施焚烧。焚 烧具有处理速度快，终产物少，可回收热能等优点9。一般，干污泥热值为 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 34mkal/kg，而含水率 80%的脱水污泥热值仅 0.2mkal/kg，经测算，焚烧每 吨含水率 80%的脱水污泥需消耗辅助燃料 304565l 重油，能耗巨大10。因 此，含水率直接决定着污泥焚烧的经济性和能量回收潜力。以我国现有经济 技术能力，若不进行脱水干化预处理，焚烧法大量处理污水污泥存在直接经 济性困难。 综上，无论污泥填埋、堆肥、农用或焚烧，高含水率污泥的脱水干化都 是极其重要的前提。依据我国制订的污水污泥处理处置“减量化、稳定化、 无害化和资源化”原则，资源化是目标、无害化是重点，而干化脱水则是瓶 颈，因此，寻求一种低能耗的污泥脱水方法，为其后续处理处置和减量化、 资源化提供可靠的保障，是污泥处理处置发展的必然要求。 1.1 污泥的含水特性与干化技术 1.1.1 污泥的含水特性 1.1.1.1 污泥含水率与其理化性状之间的关系 污泥体积与其含水率密切相关。脱水干化前后，污泥体积与含水率间对 应关系可由式（1-1）大致估算 100 100 mc vv mc （1-1） 式中：v，v处理前后污泥体积（l） ； mc，mc处理前后污泥含水率（%） ； 图 1-1 脱水污泥体积与含水率之间的关系图 根据上述公式可绘制初始含水率 85%的脱水污泥体积与含水率之间关系 的变化曲线，如图 1-1，若脱水污泥含水率 85%降低到 60%，污泥体积将变 9080706050403020100 0 20 40 60 80 100 污泥体积（%） 含水率（%） 固体 水 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- 为原来的 40%，即污泥含水率的少量降低，便会造成显著的污泥体积减量效 果，所以降低污泥含水率对于污泥减量化具有十分积极的意义。 污泥的含水率也直接影响污泥的流动性和热值等基本理化性质。根据污 泥热干化过程的干化速率曲线，污泥干化一般分为四个阶段：升温区、黏结 区、结团区和颗粒区。典型污泥含水率与污泥理化性质之间的关系如表 1-1 所示。 表 1-1 污泥含水率与污泥理化性质之间的关系表 a 含水率（%） 95 90 75 50 10 流动性 粘性流体 浆状流体 膏体 弹性团粒 脆性颗粒 体积 b v 1/2v 1/5v 1/10v 1/18v 热值（mj/kg） - - 1.78 6.06 12.9 注：a 引自谷晋川等，城市污水厂污泥处理与资源化11； b 以含水率 95%的污泥体积为 v 计； 1.1.1.2 污泥水分存在形态及脱除潜力 通常认为，污泥中水的存在形式大致分为四种：间隙水、毛细水、吸附 水和结合水12，其分布形态和污泥干化过程中水分蒸发速率随含水率变化曲 线对应关系如图 1-2 所示。污泥中四种水分结合强度依次为结合水吸附水 毛细水间隙水，而污泥中水分的脱除性能恰与其结合强度相反。污泥干化 过程中水分去除速率主要经历四个阶段：加速干化、恒速干化、第一减速干 化和第二减速干化阶段。 表 1-2 污泥的水分存在形式特点和去除方式对比 存在形式 特点 比例 （%） 去除方式 间隙水 被块状污泥固体包围 不直接结合 70 易分离，重力脱水、浓缩脱水 毛细水 污泥细小颗粒周围的水 由毛细现象形成， 受液体凝聚 力和液固表面附着力作用 20 需较高机械力和能量，如离心、 负压抽真空、电渗析或高压压滤 表面 吸附水 因表面张力而吸附在污泥颗 粒表面，表面张力大 7 常用电解质混凝或热干化、焚烧 内部 结合水 包围在微生物细胞膜中的水 3 需采用生物分解、细胞破碎、高 温热干化、微波、油炸或冷冻 vesilind 等13, 14和 lee dj 等15, 16深入研究污泥干化特性后认为： 在污泥 热干化曲线中，水分蒸发速率恒定（匀速干化阶段）时去除的水分（w-wc1） 为间隙水， 蒸发速率第一次下降 （第一降速干化阶段） 时去除的水分 （wc1-wc2） 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 为毛细水，蒸发速率第二次下降（第二降速干化阶段）时所去除的水分 （wc2-weq）为表面吸附水，平衡污泥含水率 weq则可表征污泥颗粒中的化学 结合水17, 18、内部水15, 16或胞内水19, 20。表 1-2 给出了污泥中不同水分存 在形式的特点、占污泥水分总量比例以及其主要去除方式。 图 1-2 污泥水分存在形式与蒸发速率随含水率变化曲线对应关系图示意图 1.1.2 传统污泥干化技术 污泥干化主要是水分去除过程，水分去除需经历两个主要过程：蒸发和 扩散。 是故， 污泥干化是由表面水蒸发和内部水扩散两过程并行同步完成的。 传统污泥干化技术主要包含自然干化和热干化技术。 1.1.2.1 自然干化 污泥自然干化是利用自然力量（如太阳能等）进行干化除水的方式，主 要有自然干化床、真空干化床、袋装脱水、脱水礁湖和冻融干化床等几类工 艺。自然干化具有节能、运行费用低等优点，但其周期长、占地面积大、受 气候影响明显、环境污染严重等问题限制了其推广价值，仅在部分小型污水 处理厂有所应用。 wc1wc2weq 平均含水率w 蒸发速率 w 间隙水 毛 细 水 吸 附 水 结 合 水 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- 1.1.2.2 热干化 污泥热干化有多种优势 21：减量显著，污泥体积可减少至初始的 1/41/5；产品稳定，获得颗粒或粉状污泥；安全性高，干化污泥无病原 体，环境威胁低；产品多用途。据热介质与污泥的接触形式，传统污泥干 化可分为三类：直接干化、间接干化、直接-间接联合干化等22。表 1-3 给出 了常用干化设备的干化类型、设备优势与局限性。 表 1-3 常见热干化设备特点 类型 干化器 优点 局限性 直接 干化 闪蒸干化器 污泥适应性广，不许返混 热损失大，气量大，不能半干化 转鼓干化器 适应性强，易工业化 设备庞大，干化时间长，易粘壁 转盘干化器 污泥适应性广，后处理费用低， 安全性高，不返混，同时干化 半干化 含水率低于 50%时干化效率低、 热损失大，运行维修费用高 间接 干化 多盘式 干化器 进泥含水率需低于 50%，产气 少、后处理费用低，安全性高 需返混，热损失大 流化床 干化器 热效率高，适应性广，不需返 混，无运动部件、维修费低 气量大、后处理费用高，不能半 干化，干花颗粒粒径无法控制 联合 干化 联合带式 干化器 热源广泛，如太阳能、废热、 废热蒸汽等 （1）直接干化 直接干化亦即对流干化23，即热介质（热空气、燃气或蒸汽等）与污泥 直接接触混合，以加热污泥、蒸发水分。处理后干污泥需与热介质分离，但 因热介质与污泥直接接触受到污染，分离出的热介质除部分通过热回收系统 再利用外，剩余部分则需经废气处理系统无害化处理才能排放。直接干化热 传输效率和水分蒸发速率较高， 一般可使污泥含固率从 25%提高至 85%以上。 对流干化常用设备有：闪蒸干化器（flash dryer） 24、转鼓干化器（rotary drum dryer） 、带式干化器（moving-belt dryer） 、离心干化器（centridryer） 、 喷射干化器（spray dryer）25、气旋干化器（cyclonic dryer）等。 （2）间接干化 间接干化亦即传导干化，即将热源热量经蒸汽、热油等介质传递，加热 器壁，使器壁另一侧的湿污泥受热、致水分蒸发去除。间接干化技术可减少 热介质带走的热损失、能量利用率更高，并且热源多样化，废气污染轻。但 间接干化的热传输效率及水分蒸发速率不及直接干化，且加热均匀性不佳。 间接干化常用设备有：薄膜热干化器（thin-film dryer） 、转盘式热干化器 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- （rotary-disc or rotary tray dryer） 、多盘式热干化器（multistage tray dryer） 、 螺旋热干化器（spiral heat dryer） 、桨叶式热干化器（paddle dryer）等24, 26。 （3）直接间接加热联合干化 直接间接联合式干化则是对流-传导技术的整合。常见设备有：vomm 高 速薄膜干化器、流化床干化器（fluidized bed） 、envirex 带式干化器27等。 污泥的传统热干化技术均由其他常规物料的干化技术借鉴发展而来，但 污泥却具有不同于其它常规物料的粘性特性以及干化过程恶臭气体污染物释 放等问题，因此，污泥热干化技术不仅能耗较高，且缺乏针对性，尚有待开 发低耗、高效且更适用于污泥特性的新型干化技术。 1.1.3 新型污泥干化技术 1.1.3.1 水热干化技术 污泥水热技术的原理是通过水热反应对污泥改性，破坏污泥细胞结构和 胶体结构，提高其脱水性能。一般，经污泥浓缩池后固体浓度约 35%的浓 缩污泥经换热后进行水热处理，可使污泥中 30%的固体溶解，再经冷泥换热 后进行机械脱水可得到含水率 5055%的脱水泥饼，实际运行可实现污泥减 量 70%以上。污泥的水热处理技术已趋成熟，目前国内可设计的最大规模为 250t/套，设备投资 20 万元/t，处理成本 100 元/t，适用于有机物含量 50%以 上的生活污水污泥28-31。 污泥水热处理相变热和能耗较低，但也存在一定局限性：水热反应器为 压力设备，一次性投资大，安全运行要求高，污水中的氯离子会对设备腐蚀 形成潜在安全隐患，因此污泥的水热干化技术仍需要实际运行的考验。 1.1.3.2 油炸干化技术 污泥油炸干化技术最早由 pires da silva 提出，其方法类似于烹饪中的煎 炸工序，是将污泥浸于热油中煎炸，通过控制操作条件提高传热效率32，实 现污泥快速脱水干化。该工艺常用各种回收废弃油（如燃料油、精炼工业废 油以及回收烹饪油等）作为热介质，热油沸点在 240340之间，比热介于 0.50.7 kcal/(kg )之间。经试验研究，污泥在 150170热油中停留 10min 后，干化产物含水率低于 10%，低位热值高于 300kcal/kg，可直接用做固体 燃料，而废弃热油可以循环再生利用33-35。 污泥油炸干化技术目前尚处于起步阶段，国内尚无相关报道，其优点主 要有：污泥表面传质-内部传热干化模式，无胶粘相产生，大部分水以恒速 去除，克服了传统干化中污泥于粘性过渡区中粘壁、干化效率低等问题，热 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7- 传递效率高；适应性强，可广泛用于高含水率污泥及包括工业污泥在内的 各种污泥类型；相对传统干化技术，设备一次性投入和运行费用具有显著 优势36。但，该技术以热油作为主要反应介质，其实际应用过程中的经济性 和环境安全性尚有待探讨。 1.1.3.3 生物干化技术 污泥生物干化技术最早由美国 cornell 大学 jewell 教授于 1984 年提出37。 其基本原理是利用好氧微生物分解污泥有机物的新陈代谢产热来蒸发污泥中 的水分，从而降低含水率。生物干化利用微生物好氧代谢自产热蒸发水分， 传热传质方向一致，能量利用效率高；设备一次性投资低，运行费用低。 生物干化与传统热干化技术的特点对比如表 1-4 所示。 表 1-4 生物干化与传统热干化差异性对比 项目 传统热干化 生物干化 传热传质 反向，效率低 难破解 pam 导致的胶粘团聚结构38 同向，均由内向外，能效高 尾气 尾气量大，含大量挥发性物质、粉尘等， 后处理复杂 尾气量小， 含少量易挥发性气 体，后处理简单 能耗 能耗高23 自产热，辅助通风，能耗低 能耗分析是对污泥干化系统进行考评的重中之重。纵观以上所列各种干 化技术，传统热干化以及新兴的水热、油炸等干化技术均以高能耗为代价， 甚至需要高温高压条件，经济性和安全性不佳。而新型污泥生物干化技术， 虽然其产物含水率不及热干化低，但其能耗低、系统安全性高，产物用途灵 活多变，更适于在经济技术和管理水平相对较低的区域推广，因此在国内有 很大的研究和应用价值。 1.2 污泥生物干化技术简介 1.2.1 污泥生物干化的科学基础 污泥生物干化的主要机制为对流蒸发，其热量源于微生物对底物的好氧 生物降解产热，而其水分去除率远大于有机底物的降解速率。污泥含水率降 低的途径可分三步实现：水分在污泥内部沿含水梯度传质；水分从污泥 表面蒸发至空气；水蒸气随空气流穿过堆体，随废气排出。除此之外，少 量水可能渗出堆体形成渗滤液排出。adani 等（2004）研究发现，生物干化 的实现主要是生物反应产热和通风带走水分的结果39。空气对流将水带离堆 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8- 体表面，这是水分去除的主要原因40，而对流蒸发去除水分受堆体（固相） 和气流（气相）之间的热力学平衡所控制。 1.2.2 污泥生物干化与堆肥化的差异 生物干化与堆肥化有共通之处，如都是利用微生物的好氧生物降解作用 对固体废弃物进行处理， 因此， 可以参考堆肥系统对生物干化系统进行设计。 但两者也有区别：生物干化主要以降低污泥含水率为主，而堆肥化则以有机 物稳定与腐熟为主。生物干化与堆肥主要区别如表 1-5 所示。 堆肥化是应用较广泛的污泥资源化利用技术，现有堆肥工艺以高温好氧 堆肥较常见。堆肥化过程中污泥的理化性状改善、水含量会逐渐减少41，即 污泥堆肥化也具有生物干化的作用，为此，常需添加粪污水等弥补水分损失 以保持堆肥微生物的高活性42。已证实，堆肥化的一次发酵过程（包含潜伏 阶段、中温增长阶段、高温阶段）是污泥发生干化作用的主要阶段43，同时 也是 co2释放速率和挥发性固体消耗速率最高的时期44。因此，有效调控和 利用微生物活动可使生物干化相对于堆肥化大幅缩短反应周期。 表 1-5 生物干化与堆肥化技术的差异性对比 项目 生物干化 堆肥 目的性 利用生物反应热蒸发底物水分；低有 机物消耗下实现最大水分去除 利用微生物好氧降解有机物为 稳定腐殖质类物质 水分变化 强化水分脱出45 限制水分散失，必要时添加水分 维持最佳含水率 5070%42 有机物变化 控制有机物的消耗，保留热值 促进有机物降解，快速稳定腐熟 停留时间 714d 以内 2060d 之间 产物 部分稳定，提高后续资源化利用潜力， 如焚烧、热解等 稳定化腐殖质，土地利用或制肥 1.2.3 污泥生物干化的影响因素 污泥生物干化是微生物好氧呼吸产热和强制通风脱水等多因素综合作用 的结果。微生物产热速率主要与物料特性（如含水率、可降解有机质含量、 c/n 值、孔隙率等） 、堆体环境（如温度、氧浓度、湿度等）和菌群种类等有 关；而强制通风脱水则决定热量利用效率，并主要与通风量、频率及空气温 湿度等有关。 据研究，污泥堆肥化主要控制因素有：含水率、通风供氧、温度、调理 剂、ph 值、c/n 比、混合和接种等43, 46。与堆肥化类似，生物干化能否高 效利用生物产热实现水分的快速去除，主要受以下几个方面因素的影响： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -9- （1）物料性质 生物干化是主要依赖于水分对流蒸发的物理过程， 但污泥本身颗粒细小、 透气性差，且脱水过程中加入的絮凝