根据住建部统计年鉴，2021 年我国城市污水处 理厂干污泥产生量 1422.9×104 t，县城污水处理厂干污泥产量 198.9×104 t，城镇污水处理厂干污泥产量合计 1621.8×104 t，对应湿污泥产量（含水率 80%）约 8109×104 t。若不能得到妥善处置，堆积的污泥不仅占用大量土地，造成环境污染，还会对污水处理厂形成严重负担。加快完善污水处理厂的污泥处理设施，实现污泥的合理处置，已成为我国亟待解决的问题。国内城市污泥处置主要包括土地利用、填埋、建材利用、焚烧等方式, 其中焚烧法能够及时有效地处理城市污泥，是污泥无害化、减量化和资源化处置的重要方法 ，也已成为目前国际上污泥处置的主流方向。 经过常规机械脱水后的污泥含水率一般在80%左右，发热量约为 400～500 kcal/kg，热值很低，且在焚烧过程中存在处理量小、运行成本高、设备易腐蚀等缺点。为降低污泥焚烧设备及处理费用，在焚烧处置前通常会利用热干化设备将污泥含水率降至设定值左右。 在热干化过程中, 污泥中的水分受热蒸发，冷凝后的废水及不凝尾气是热干化过程产生的主要污染物，对生产环境形成较大影响。在南阳，如果想要上一个污泥干化厂，需要注意哪些环保问题呢？
1 污泥特性及热干化处理原理 1.1 污泥特性 污泥是由污水处理过程产生的固体沉淀物质，是由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的复杂非均质体 ，既含有有机质、氮、磷等有利用价值的成分，也含有有机污染物、致病菌等有害成分。对污泥进行稳定化、无害化、资源化处置的要求日益提高。目前以焚烧方式处理的污泥多来自污水处理厂以及印染、造纸、皮革等工业企业。其中市政污泥来自城市污水处理厂，是数量大的一类污泥，其固体成分主要含有微生物及其残渣，以及泥沙、纤维、动植物残体等混入污水中的固体物质，有机物含量较高, 含有丰富的氮、磷、钾等营养元素。印染污泥来自纺织印染行业，含有生产过程中所用的染料、浆料和助剂等。由于染料中含有硝基和氨基化合物、硫化物及少量的铜、铬、锌、砷等重金属元素，印染污泥中碳、氢、氧、硫元素比例较高，且污泥中含有相应的重金属元素。造纸污泥来源于制浆造纸厂废水处理工艺中的初沉池污泥、生物处理过程中产生的生物污泥以及某些深度处理过程中产生的化学絮凝污泥?，其中纤维素、半纤维素及木质素等生物质含量丰富，重金属含量很低。皮革污泥来源于皮革厂污水处理系统，含有较高的脂肪、蛋白质等有机物及以铬为主要特征物的多种重金属等有害物质。这几类污泥由于其原料及生产工艺的不同，在污泥特性上存在一定程度的区别。 污泥来源于污水，其中含有的大量水分对污泥的处置、运输均有较大影响。去掉污泥中的水分，是污泥处置过程中首要解决的问题。以市政污泥为例，其中所含水分按存在形式可分为间隙水、毛细结合水、表面吸附水和内部水等
间隙水是指被污泥颗粒包围的水分，约占污泥总含水量的 65%～85%，不直接和污泥中的固体结合；毛细结合水是指由毛细现象形成的，充满与固体颗粒之间或固体本身裂隙里的水分，约占污泥总含水量的 15%～25%；表面吸附水是指黏附在污泥小颗粒表面上的水分，附着能力较强，约占污泥总含水量的 5%；内部水是指包含在污泥中微生物细胞内部的水分，约占污泥总含水总量的 5%～10%。一般认为，间隙水、毛细结合水和表面吸附水这些通过物理和化学形式结合的水分，可在添加絮凝剂后采用机械脱水部分去除；而存在于生物细胞内的结合水只有通过破坏污泥中微生物的细胞壁来去除，方法包括热干化、冷冻和电解。在实际干化过程中，旋转挤压可将污泥样品中大部分间隙水和毛细结合水优先去除，高温干化去除的大部分水分为污泥中比较难处理的部分毛细结合水、表面吸附水和内部水。经过热干化的污泥中终剩余的水分主要是内部水，其含量取决于污泥自身特点和干化条件。1.2 污泥热干化处置原理 污泥热干化通过加热蒸发水分的方式，降低污泥含水率。在加热过程中水分的蒸发和扩散进行，污泥表面的水分蒸发至气相，污泥内部的水分在温度梯度和湿度梯度的作用下向表面转移。在含水率不断降低的过程中，污泥要经历湿区、粘滞区、颗粒区 3 个不同的物性阶段，其中处于湿区阶段的污泥可以自由流动，处于粘滞区的污泥具有很强的黏附和结团能力不能流动，处于颗粒区的污泥则由于干燥易碎而恢复了可传送性。在污泥从湿区向粘滞区转变的过程中，污泥中的胞外多聚物（EPS）、细胞残体 (蛋白质及其降解物) 等有机物在污泥自身的水分中形成胶体，增加污泥的粘滞性。通过扫描电镜观测污泥热干化前后的微观结构图，可发现干化前的污泥结构较为松散，大量 EPS 包裹聚集于胶体外部，形成明显的团聚结构。这样使得污泥中的间隙水、毛细水和内部水被包裹在污泥絮体中，从而较难通过物理化学作用脱水。随着污泥中水分的蒸发，污泥絮体结构逐渐坍塌，形成表面结构紧密、空隙逐渐缩小的团聚结构，污泥由粘滞状物质转为颗粒状或粉状的稳定产品。
2 污泥热干化工艺及其主要污染物 目前主要的热干化工艺有利用饱和蒸汽作加热介质间接加热污泥的蒸汽热干化，以及利用锅炉烟气余热作加热介质直接加热污泥的烟气热干化。由于需对大量烟气进行二次处理，难度较高，系统设备庞大，安全性、经济性较差，烟气热干化的应用并不广泛。蒸汽热干化是在综合考虑能耗、环境、投资、运行后比较适合协同焚烧的干化工艺，采用蒸汽热干化工艺的薄层式干燥机、圆盘式干燥机等干化设备也得到了大规模的应用。在蒸汽热干化过程中，湿污泥由专用设备输送至干燥机内，饱和蒸汽与湿污泥进行间接换热，将热量传递给污泥干燥机内的湿污泥，蒸发出其中的水分，干化后的污泥从干污泥出口排出送入锅炉焚烧。从污泥干燥机排出的废气（主要成分是水蒸汽，含有不凝性气体）分离出粉尘后进入换热器冷凝处理，所产生的冷凝废水和尾气是热干化过程产生的主要污染物。冷凝废水是污泥热干化过程中产生的主要液体污染因素。在污泥受热蒸发出其中水分的过程中，污泥中的微生物及溶解在水中的无机盐、有机质等组分受热分解，释放大量挥发性物质。这些挥发性物质在尾气冷凝阶段不同程度地溶解于冷凝废水中，使得冷凝废水在具有氨氮高、COD 高、温度高的共性的各项指标波动较大，水质复杂，处理难度较高，是污泥热干化设施中考虑的重点之一。冷凝废水中有机物含量（COD）、氮含量（氨氮为主）、pH 等指标是主要污染特征研究对象，其中 COD 含量从数百 mg/L 到上万 mg/L 均有报道，氨氮含量从两百 mg/L 到两千 mg/L 均有报道，pH 主要在 5~9 波动。也有部分研究报道了硼、铁、锰、锌等微量元素和金属元素在冷凝废水中的含量，但由于这些元素主要累积在污泥中, 挥发量很小，在冷凝废水中含量极低。污泥热干化过程中释放的大量挥发性物质，除在冷凝阶段部分溶解于冷凝废水中之外，剩余的不凝性气体及未溶解于冷凝废水中的气体成分形成干化尾气。干化尾气是污泥热干化过程中产生的主要气体污染因素，一般具有恶臭气味，未经处理的干化尾气会在生产场所周边引起显著的环境问题。目前有报道的干化尾气主要成分包括氨、硫化氢、氯化氢等无机组分以及烷烃类、烯烃类、有机酸、苯系物等有机组分，其中重要的恶臭组分可分为含硫化合物（硫化氢、二氧化硫、甲硫醇、二硫化碳、甲基硫醚等）、含氮化合物（氨、二）以及碳氢氧化合物（低级醇、醛、酮、脂肪酸等）。这些恶臭组分由于嗅阈值较低，在极低浓度仍可产生较严重的影响。
3 污泥热干化过程中主要污染物的影响因素 3.1 污泥性质 市政、印染、造纸、皮革等不同来源的污泥在污泥性质上存在差异，气候差异可能导致不同地区的污泥在理化性质上产生区别,同一来源的污泥在不同季节也会有所不同。这些差异都会对热化过程中污染物的释放产生影响。国能常州电厂在污泥协同处置过程中发现，市政污泥和印染污泥在热干化过程中产生的冷凝废水水质差异较大，市政污泥产生的冷凝废水氨氮含量多在 400 mg/L 以下 ，印染污泥产生的冷凝废水氨氮含量则多在1 000 mg/L 以上。深圳市污水处理厂在污泥干化尾气监测中发现，雨季污泥热干化尾气中氨浓度比旱季污泥高出近 1 倍。究其原因，与不同性质污泥的组分差异关系紧密。污泥热干化过程中重点监测的几项污染物来自污泥中不同的组分，其中 COD主要来源于有机物在分解过程中释放的挥发分?，氨氮主要来源于碳酸氢铵的分解以及蛋白质水解过程中释放的氨，硫化氢主要来自含硫有机化合物（如甲硫氨酸、半胱氨酸、胱氨酸）的降解以及硫酸盐的还原，pH 主要受溶解于冷凝废水中的挥发性有机酸、硫氧化物、硫化氢、氨等酸性和碱性组分含量变化的影响。污泥组分的差异将直接影响各类干化污染物在冷凝废水及干化尾气中的含量和相对比例，进而对后续处置步骤提出不同的要求。3.2 干化温度 多个相关研究均将温度列为污泥热干化过程中影响污染物释放量及种类的关键因素。在整个热干化过程中,热源温度越高，换热面与污泥层之间的温差越大，水分蒸发能力越强，干化速率越高。升高干化温度会为有机物的水解提供更多的能量，使得污泥中的蛋白质分解出更多的挥发性有机酸、氨及二氧化碳，显著提高热干化过程中COD、氨氮、硫化氢等污染物的排放浓度。范海宏等在实验中发现当干化温度低于 155 ℃ 时几乎无有机物分解，200 ℃ 时约 5% 有机物分解，300 ℃ 时剩余干污泥热值仅为 100 ℃ 时的一半，当干化温度大于 300 ℃ 时，污泥热值已无法顺利测定。干化温度对冷凝废水的 pH 有较强的影响。随着温度的升高，各项污染物的排放增长幅度不同，其在冷凝废水中的相对比例会产生一定变化。在温度范围较低时，污泥中的氨氮释放量相对较大，使得冷凝废水的 pH 随着水中氨氮含量的增加而不断提高。在干化温度较高时，挥发性有机酸的加速排放，会使冷凝废水中酸性组分比例提高，pH 有所下降。综合考虑温度对干化效率、费用以及污染物排放的影响，有助于全系统的优化设计。 3.3 污泥含水率 在进行热干化以降低污泥含水率的污泥中的水分对污染物的释放有很大影响。在含水率较高时，污泥的温度高只能在水的沸点左右徘徊，热干化过程前期释放的污染物只能是污泥中已有的低沸点物质（如 VFAs）以及稳定性较差物质（如碳酸氢铵）的分解产物。只有当污泥含水率下降到某一水平后，污泥的温度才会逐渐上升甚至接近热介质的温度，逐步加强污泥内的水解反应，并促使水解产物从污泥中挥发出来。当不同含水率的污泥进入干燥设备的时候，其污染物释放量及释放规律不尽相同，终体现在冷凝废水及尾气的组成成分中。在污泥热干化污染物后续处置设备的设计中，同样需要考虑来料含水率的影响。
4 热干化过程中主要污染物的释放机理 4.1 COD污泥在热干化过程中释放出的小分子有机物，是冷凝废水中 COD 的主要组成部分。张雄对冷凝废水进行的气相色谱-质谱分析显示，冷凝废水中含有 100 多种有机物质，主要包括链状烷烃、醇类、烯烃、环烷烃、酸类、苯系物、卤代烷烃以及其他有机物质。热干化过程中 COD 的释放受温度的影响较大，多项研究均显示冷凝废水中的 COD 随着干化温度的升高而提高，且在温度突破某个范围（140～160 ℃）后 COD 浓度有显著提升，见表 1。其组分也发生了明显改变。张馨予在判断干燥温度对污泥干燥特性的影响时，认为冷凝废水中的总有机碳浓度在 125～145 和 165～205 ℃这 2 个温度范围有明显跨越，温度高于个范围时脂肪类等有机成分的释放得到了明显提升，温度高于第二个范围时纤维素、木质素等不易降解物质的分解挥发显著提高。综合考虑多方研究成果，一般认为高温一方面使污泥中的微生物细胞开始发生水解、溶胞，蛋白质和脂肪类水解成小分子有机酸挥发出来，另一方面使苯系物、环烷烃等污泥中原本就存在的有机物在高于沸点的温度环境下有条件挥发出来。2 种因素叠加，使得高温情况下冷凝废水的 COD 相比低温情况有大幅度的提高。 ?4.2 氨氮 氨氮来源于污泥中的氮元素，包括无机氮与有机氮两类。无机氮主要包括碳酸氢铵等无机盐，由污水处理过程中产生的游离氨与溶液中的酸性物质生成。有机氮则包括蛋白质氮、吡咯氮和吡啶氮以及在污水处理过程中加入的聚丙烯酰胺等有机药剂。由于碳酸氢铵等无机铵盐的热稳定性较差，在干化温度较低时释放的氨氮主要来源于无机氮的分解。在污泥受热温度较高时，蛋白质和脂肪类水解成小分子有机酸，其中的氮元素也主要以氨的形式释放了出来，大幅提高冷凝废水及干化尾气中的氨氮浓度。吡咯和吡啶则由于热解需要的温度较高，在污泥热干化过程中不太可能释放出氮元素。氨氮具体的产生机理主要有以下 2 种形式： 碳酸氢铵盐生成氨气，见式（1）：NH4HCO3 → NH3 +CO2 +H2O （1）有机铵盐（氨基酸）生成氨气，见式（2）：RCH2CHNH2COOH+H2O → RCH2CHOHCOOH+NH3 ??（2） 与 COD 受干化温度影响的趋势相似，氨氮的释放同样存在一个阈值温度，温度高于阈值范围会显著提高氨氮的释放量，见表 2?目前有关文献报告的阈值温度多在 140～200 ℃之间，如李游在研究中发现当干化温度保持在 110～160 ℃ 之间时，冷凝废水的氨氮浓度增速相对较为缓慢，待其温度超过 160 ℃ 时，氨氮浓度骤增。氨氮的释放除了提高冷凝废水的处理难度外，还会引起 pH 的明显变化。众多研究显示污泥自身的组分差异、干化温度的选择，都会影响冷凝废水中溶解的有机酸及氨氮的含量，使不同条件下产生的冷凝废水的 pH 均不相同，现有报道的数值在 5～9 之间波动。若需要对冷凝废水进行生化处理，则废水在进入生化系统前应对 pH 进行调节，避免不适宜的 pH 引起生化系统中活性污泥的崩溃。 4.3 硫化氢 在多项相关研究中，硫化氢均被列为主要的恶臭气体组分之一。除所处理的污水自身携带的硫化氢之外，污泥中硫化氢的主要来源一是无机硫化物如硫酸盐、亚硫酸盐等在厌氧硫酸盐还原菌（SRB）作用下的还原产物，溶解吸附于污泥及其所含水分中。主要来源之二是有机硫化物如硫氨基酸（甲硫氨酸、半胱氨酸、胱氨酸等）、磺胺酸、磺化物等的降解产物。具体的产生机理主要有以下 2 种形式：含硫无机盐生成硫化氢 ，见式 （3~5）；含硫有机物生成硫化氢，见式（6）： ?由于微生物转换硫酸盐形成硫化氢需要一定的适应时间及反应时间，而无机硫化物热解所需的温度较高，可以认为无机硫化物在热干化过程中基本没有损失，硫化氢的释放同样存在温度阈值，见表 3，低于温度阈值时干化释放的硫化氢主要来源于污泥本身溶解吸附的硫化氢，高于温度阈值时硫化氢的释放增加量来源于污泥中有机硫化物的降解。由于硫化氢在水中的溶解度不高，低温干化时的硫化氢释放量较低，控制干化温度低于阈值可以大幅降低硫化氢的释放量。
4.4 苯系物 与氨氮和硫化氢相同，苯系物（BTEX）也是污泥热干化过程中释放的主要恶臭气体组分之一。在本文所讨论的 4 种污泥中，印染污泥和造纸污泥中的苯系物含量明显高于其他类型的污泥，这与印染工艺中大量使用的染料及造纸工业中使用的浸渍料、涂料相关。如前文所述，污泥中的苯系物需要达到一定的温度才会挥发，苯系物的挥发浓度与干燥温度具有很强的相关性，当低于其释放临界温度时，释放量极低，见表 4。褚赟等通过检测印染污泥、皮革污泥、造纸污泥、市政污泥在50～300 ℃ 的苯系物释放量发现，大部分的苯系物都在干化温度高于 150 ℃ 后才开始大量释放。在温度处于 150 ℃ 以下时，4 种类型污泥释放的苯系物总量只占研究过程中苯系物总释放量的16.58%。丁洁华等及何鉴尧的研究发现了相似的规律，将苯系物大量释放的临界温度范围缩小至 120～140 ℃。由于苯系物具有致癌性，对健康危害很大，可以考虑通过降低污泥干化温度的方式减少苯系物的释放量，降低污泥干化过程中的人员健康风险。
除以上所述的典型污染物外，污泥干化过程中释放的常见污染物还有硫氧化物、氮氧化物、二等较为多见的恶臭组分。这些污染物的释放特性与前文所述的典型污染物释放特性均有相似之处，干化温度的升高在大多数情况下会提高上述污染物的释放浓度。
5 展望 随着我国城镇污水处理规模的不断提升，污泥产量也在逐步提高，面临的处置形势十分严峻。在我国现阶段已明确要求对污泥进行稳定化、无害化和资源化处理处置的背景下，焚烧法已成为污泥处置的一条重要途径。通过对热干化条件的控制降低干化过程中污染物的排放，可以优化生产环境，促进污泥干化燃烧处置工艺的推广。目前众多文献将污泥自身的性质、干化温度以及污泥含水率列为影响干化过程中污染物排放的重要因素，其中污泥自身的性质决定了污染物的组成，干化温度决定了污染物排放的强度，污泥中的水分则对污染物的排放速率有直接影响。通过对 COD、氨氮、硫化氢、苯系物等重点监控污染物排放浓度的分析，可知污泥性质、干化温度等因素同样对上述污染物的排放有重要影响。多项污染物的排放量均随着温度的升高而提高，且在温度高于其相应的阈值范围后大幅提高排放量。从控制污染物排放量的角度考虑，建议污泥干化在不高于 150 ℃ 的情况下进行。污泥干化过程产生的污染物主要以冷凝废水和干化尾气两种形式存在，目前的处理方式一般为冷凝废水送至废水处理站，达到纳管标准后送入污水处理厂。干化尾气通过酸碱水洗、生物过滤等方式进行除臭处理，具备尾气焚烧条件的情况下送入锅炉燃烧。由于冷凝废水及干化尾气均含有恶臭组分，对生产环境的影响较大，建议干化车间建立负压除臭系统，将车间抽风与干化尾气一同处理，避免干化车间内的恶臭气体外溢和可燃气体积存。而冷凝废水由于其 COD 含量高、氨氮含量高的特点，可生化性较差，废水处理需采用 A/O、生物膜法等较为复杂的工艺，若单独建设处置设施，建设及运营成本较高。由于冷凝废水的产生量相对较低，在城镇污水处理厂正常运行状况下不会对其造成明显影响，可考虑在条件允许的情况下，建设污泥干化车间至城镇污水处理厂的专用管线，依托污水处理厂处置设施降低冷凝废水的处理成本。