飲用水廠污泥主要來自濾池反沖洗廢水和沉淀（澄清）池排泥水，約占水廠總凈水量的2%，其中包含砂礫、懸浮物、有機物、細菌及水處理過程中投加的混凝劑等。經過濃縮、調節、機械脫水處理后，污泥含水率可降至約75%，質量和體積仍然龐大，不利于后續的填埋、焚燒及資源化利用。鑒于飲用水廠污泥的低危害性，目前尚無相應管理或評價標準，參考已有的污泥相關資源化利用標準，污泥含水率宜低于60%；浙江省飲用水廠出廠污泥含水率基本要求控制在60%以下。
熱泵低溫干化技術可將污泥含水率從75%降至60%以下，污泥質量和體積減量超過38%。熱泵低溫干化技術便于操作，運行安全，但其能耗約為機械脫水的20倍，因此研究其他熱能輔助熱泵供熱具有重要的意義。影響污泥熱泵低溫干化設備運行效果的因素包括外部因素和內部因素，外部因素如空氣溫度、相對濕度、風速以及空氣與物料的接觸情況等，內部因素即含水率、膠黏性、尺寸等污泥性質。然而，現有的研究及應用主要關注外部因素，未考慮污泥性質的影響。為此，以浙江省A、B、C三個水廠的熱泵低溫干化設備為研究對象，分析其除濕能效、出泥含水率，并考察了太陽能供熱（A水廠）及污泥性質對除濕能效的影響。
1、熱泵低溫干化技術特點
1.1 污泥熱泵低溫干化原理
熱泵低溫干化技術基于逆卡諾循環原理，其工作過程主要由三個步驟構成：①冷凝器將周圍的空氣加熱；②熱空氣在干化室中促進污泥的對流干燥，同時其濕度不斷增加；③濕熱空氣通過蒸發器降溫除濕。隨后，干冷空氣回到冷凝器加熱，重復上述循環過程。而壓縮機和膨脹閥通過對制冷劑的加壓，實現低溫干化設備工作步驟①和③中的高、低溫位熱能的再生。
1.2 污泥性質的影響
脫水污泥（即經過PAM絮凝及機械脫水后的污泥）經造粒后再進行低溫干化。脫水污泥性質如膠黏性和含水率會對熱泵低溫干化效果產生影響。
①膠黏性。
脫水污泥膠黏性增強會導致造粒粒徑變大，從而影響內部水分蒸發，降低干化設備除濕能效。影響脫水污泥膠黏性的因素包括可溶性有機物和粒徑分布兩個方面。其中，可溶性有機物包括腐殖酸（HA）、可溶性微生物產物（SMP）等天然性有機物，以及脫水藥劑PAM，這類物質會增加污泥的膠黏性。對于粒徑分布而言，脫水污泥的黏粒和粉粒比例越高，其膠黏性就越強。
②含水率。
污泥中的水分包括強結合水、弱結合水、自由水。強結合水與污泥顆粒緊密結合，只能通過熱干化去除；弱結合水與污泥顆粒相互作用較弱，可通過機械脫水去除一部分或熱干化完全去除；自由水與污泥顆粒無相互作用，可由機械脫水完全去除。脫水污泥的含水率受到機械脫水設備的影響，含水率過高即存在自由水，會導致本應由機械脫水設備去除的自由水必須通過后序干化設備完成，造成干化后的含水率達不到預期效果，并且導致熱干化設備除濕能效無意義的提高。
2、低溫干化設備及試驗方法
2.1 工程概況
以浙江省A、B、C三個水廠的熱泵低溫干化設備為研究對象，其中A水廠的低溫干化設備具備熱泵供熱和太陽能供熱兩種運行方式（見圖1），B、C水廠為單獨的熱泵供熱方式。A、B、C水廠的供水規模分別為50×104、15×104、15×104m3/d，A水廠水源為河網水，B、C水廠水源均為水庫水，A、B水廠的脫水設備為離心脫水機，C水廠采用多重圓板脫水機。各水廠排泥水及污泥處理流程均為濃縮、PAM調理、機械脫水、刀梳機造粒和（太陽能）熱泵低溫干化。
B、C水廠熱泵低溫干化設備的工作流程見圖2。濕熱空氣首先經過濾袋除塵，以及熱回收器、蒸發器降溫除濕，溫度可降至約35℃；隨后回到熱回收器預熱，并在冷凝器二次加熱，溫度可升至約75℃；最后進入干化室對污泥對流干燥，空氣濕度飽和后重復上述流程。
A水廠太陽能熱泵低溫干化設備的工作流程見圖3。熱水箱水溫高于85℃，干化循環泵和外接水源開啟，熱泵系統關閉，濕熱空氣通過外接低溫水源除濕，隨后進入干化室中對污泥進行干燥；而太陽能通過提高干化室內空氣的溫度，促進污泥中水分的快速蒸發。待熱水箱水溫降至77℃后熱泵系統開啟，干化循環泵和外接水源關閉，干化流程與圖2一致。
2.2 分析項目及方法
有機質組成采用熒光分光光度計測定；粒徑分布采用激光粒度儀（EAST-LAP-W2000H，廈門易仕特）測定；含水率依照《城市污水處理廠污泥檢驗方法》（CJ/T221—2005）烘箱烘干法測定。液限、塑限采用液塑限聯合測定儀（LP-100，河北華偉）落錐法測定，用干基含水率表示，單位為%。其中，液限對應脫水污泥下沉深度為17mm時的干基含水率，塑限對應下沉深度為2mm時的干基含水率。
污泥塑性指數：為脫水污泥液限與塑限的差值，用于反映膠黏程度，其值越大則膠黏性越強。
脫水污泥強、弱結合水與自由水含量：強結合水界限對應于塑限值的88.5%，弱結合水界限對應于液限值；脫水污泥干基含水率低于強結合水界限部分為強結合水含量，在強、弱結合水界限之間部分為弱結合水含量，高于弱結合水界限部分為自由水含量。
除濕能效：是指熱泵低溫干化設備消耗單位電量所去除的水分質量，間隔3h記錄干化機出水累計流量和電表累計數值，累計流量差值與累計用電量差值之商即為除濕能效。
3、結果與討論
3.1 低溫干化運行狀況
3.1.1 熱泵低溫干化
熱泵供熱期間，三個水廠低溫干化設備的進泥（即造粒后的脫水污泥）、出泥含水率及除濕能效的變化見圖4。A、B水廠設備出泥含水率為40%~55%，除濕能效分別為（3.0±0.2）、（3.2±0.2）kg/（kW·h）；C水廠設備出泥含水率大多為55%~65%，除濕能效為（3.8±0.2）kg/（kW·h）。
除濕能效反映了干化設備的能耗效率，C水廠設備除濕能效最高，但污泥含水率會高于60%的設定標準，原因主要為：①C水廠的進泥含水率約為86%，為三水廠最高，其中自由水含量達到了183.1%，而這部分本應由機械脫水去除的自由水將延至低溫干化設備脫除，一方面提高了干化設備的除濕能效，另一方面卻造成低溫干化工藝能量的浪費及出泥含水率較高。②C水廠干化進泥顆粒粒徑最小（見圖5），表明其膠黏性最弱，因此單位體積的污泥具有更大的水分汽化表面積，水分更易脫除；而A、B水廠干化進泥的顆粒較大，呈現條狀，說明其膠黏性更強，導致抱團結塊，阻礙了設備除濕能效的提高。
3.1.2 太陽能低溫干化
太陽能供熱期間，A廠干化設備進、出泥含水率及除濕能效見表1。設備出泥含水率穩定低于55%，且除濕能效可提升至8kg/（kW·h）以上，相較熱泵干化（樣本1~10平均值），除濕能效提高了近3倍，節能效果明顯。
3.2 污泥性質的影響
3.2.1 粒徑分布的影響
在水廠機械脫水單元，由于PAM的絮凝作用，脫水污泥中的微粒會團聚，導致無法測得其粒徑分布。因此，通過測定水廠污泥平衡池中的排泥水粒徑分布間接得到脫水污泥的粒徑分布，并根據不同粒徑范圍進行了粒級劃分，結果見表2。其中，黏粒、粉粒、細砂、中砂、粗砂的粒徑范圍分別為黏粒含量均較砂粒高，其中C水廠達到了67.9%，而A、B水廠則分別高達95.7%和93.3%。
A、B、C水廠脫水污泥的塑限和液限分別為239.1%、230.5%、304.3%和328.7%、309.6%、343.3%，A、B水廠脫水污泥塑性指數分別高達89.6%、79.1%，高于C水廠的39.0%。塑性指數的較大差異是由于排泥水經機械脫水后，脫水污泥中的粉粒和黏粒會通過顆粒-水結合力增強污泥的黏性，因此A、B水廠脫水污泥中較高的粉粒+黏粒含量顯著提高了污泥的膠黏性，影響其內部水分蒸發，進而制約了低溫干化設備除濕能效的提高。
3.2.2 天然有機物的影響
脫水污泥中的天然有機物具備吸附黏結特性，種類包括HA、SMP、芳香蛋白等。可通過測定平衡池排泥水中的天然有機物含量間接得到脫水污泥中的含量，結果見圖6。可知，A、B水廠排泥水的HA（Ⅴ區）含量明顯高于C水廠，并且A水廠存在SMP（Ⅳ區）。經過機械脫水后，HA、SMP會附著在脫水污泥顆粒表面，并使污泥顆粒相互黏結，表現為脫水污泥膠黏性增強。此外，HA、SMP會提高脫水污泥的親水性，進一步阻礙水分的蒸發及低溫干化設備除濕能效的提高。
3.2.3 污泥調理藥劑的影響
污泥調理藥劑包括石灰、酸、高分子絮凝劑、無機混凝劑等，其中高分子絮凝劑PAM廣泛應用于污泥調理。PAM為高分子有機聚合物，能夠有效提高脫水污泥的膠黏性，從而增加其結構穩定性。而不同PAM的分子質量及分子結構存在較大差異，因此會對脫水污泥膠黏性產生不同程度的影響。
選定5種PAM對A水廠污泥進行試驗，其中1#、2#、4#、5#為固體，3#為液體，調理并脫水后的污泥塑性指數見圖7（PAM投量以PAM和污泥干基計）。經1#、2#、4#、5#PAM調理后，污泥塑性指數在75%以上，均高于3#PAM，且波動較大，4#、5#甚至高于100%；而經3#PAM調理后，污泥塑性指數保持在60%~70%。5種PAM調理后的污泥形態呈現明顯差異，1#、2#、4#、5#PAM調理后的污泥抱團現象明顯，膠黏性強；而經3#PAM調理后的污泥顆粒松散，膠黏性較弱。因此，3#PAM更適用于機械脫水前的污泥調理，有利于提高后序低溫干化設備的除濕能效。
3.2.4 含水率的影響
三個水廠脫水污泥的強、弱結合水及自由水分布情況見表3。C廠脫水污泥的自由水含量高達183.1%，而這部分本應由機械脫水單元去除的自由水會延至后序低溫干化設備去除，不僅造成大量能耗，而且導致低溫干化設備出泥含水率高于設定的60%標準。A、B水廠脫水污泥均不含自由水，說明其機械脫水單元已脫除全部自由水及部分弱結合水，低溫干化設備主要去除機械脫水設備難以或無法去除的強、弱結合水。綜上所述，C水廠應盡可能提高機械脫水單元效率，以降低熱泵低溫干化設備的負荷，同時保證干化出泥含水率達標。
4、投資和運行成本分析
A水廠太陽能和熱泵供熱的功率分別為65、265kW，污泥產量為1.98t/h，干化后產量為1.19t/h；B水廠供熱功率為63kW，污泥產量為0.38t/h，干化后產量為0.168t/h；C水廠供熱功率為126kW，污泥產量為0.78t/h，干化后產量為0.29t/h。三個水廠干化設備每天均運行6h，電價按照0.75元（/kW·h）計，污泥外運費用為220元/t。根據以上數據得到污泥處理處置費用見表4。
由表4可知，A、B、C廠的污泥處理及處置總費用分別為232.6、221.6、202.9元/t。A、B兩水廠的污泥處理及處置總費用較C水廠高，一方面是由于A、B水廠脫水污泥的膠黏性較C水廠強，影響了污泥內部水分的脫除；另一方面是由于A、B水廠低溫干化主要去除脫水污泥中的結合水，其脫除較自由水困難，兩方面原因共同導致污泥減量不明顯。C水廠的費用最低，然而其干化出泥含水率較A、B水廠高，處理效果較差。
在太陽能供熱期間，A水廠的干化運行費用僅為292.5元/d，相較熱泵供熱的1192.5元/d降低了75.5%，單位處理費用僅有24.6元/t，污泥處理及后續處置總費用僅為156.8元/t，相較熱泵的232.6元/t降低了32.6%，相較直接處置的220元/t降低了28.7%。針對B、C水廠無太陽能供熱設備現狀，若引進太陽能供熱設備（投資需追加約8%），預計B、C水廠的設備除濕能效分別提升至約10、12kg/（kW·h），脫水污泥處理及后續處置總費用預計可分別降至122.9、106.8元/t，分別降低44.5%、47.4%。
5、結論
①熱泵供熱期間，A、B水廠熱泵干化設備的除濕能效分別為（3.0±0.2）、（3.2±0.2）kg/（kW·h），出泥含水率穩定低于55%；C水廠除濕能效為（3.8±0.2）kg/（kW·h），但存在干化出泥含水率高于60%設定標準和前序脫水設備效率低的情況，其高除濕能效的工程意義不大。太陽能供熱期間，A水廠低溫干化設備的除濕能效高于8kg/（kW·h），干化運行費用可降低75.5%，經濟效益明顯。此外，建議對太陽能和熱泵供熱的結合方式繼續進行優化，以實現協同運行。
②天然有機物HA、SMP及粉、黏粒會增強脫水污泥的膠黏性，間接降低熱泵干化設備的除濕能效。污泥調理和機械脫水均會影響干化設備運行效果，經3#PAM調理后，脫水污泥塑性指數僅為60%~70%，有利于除濕能效提高。C水廠脫水污泥的自由水含量高達183.1%，導致后序低溫干化不充分及大量能耗，故應改進其機械脫水單元，以降低含水率。（來源：浙江工業大學土木工程學院，浙江工業大學水工程與應急技術研發中心，杭州市水務集團有限公司，嘉興市水務集團有限公司）
