3.4.2 自然干化技术
3.4.2.1 自然干化脱水原理
污泥的自然干化是一种历史悠久、简便易行的污泥脱水方法，其原理是利用自然力（如太阳能）去除污泥中的水分。
污泥自然干化方式主要有污泥干化床或污泥塘、冰冻-解冻床和脱水礁湖［3］。其中以污泥干化床最为常用，适用于小型污水厂。此外，国外近些年出现了一种通过种植芦苇等沼生植物来实现污泥干化的新方法，其优点是不需电能也不需化学物质，可视作一种可持续运转的人造生态系统，可使污泥固体含量由1%增加到40%，还可富集过量的重金属。但其缺点也较为突出，主要在于该法占地面积大，并对地下水环境造成潜在威胁。
3.4.2.2 污泥自然干化设施的基本构造和工艺过程
（1）干化床［3，10］
传统的污泥自然干化一般均采取干化床的形式，利用该种方法干燥后的污泥含固率较高，可达25%～35%，但是其占地面积大、卫生条件差、铲运装卸劳动强度大，因此适用于气候比较干燥、蒸发率相对较高、土地使用不紧张并且环境卫生条件允许的地区。干化床最初用于污水厂的生物污泥处理，而发展至今也用于水厂污泥脱水。
一般来说，常规的干化床在下部一般铺一层砂，也可在砂下再加一层砾石，污泥进入干化床后，通常依靠蒸发、渗透和溢流这3种脱水机理来实现其水分的去除。其中蒸发是其最主要的脱水机理，用于去除渗透和溢流后剩余的污泥水分。蒸发效果取决于日照量与日照时间，因此干化场方式仅适合于日照强烈、蒸发率较高的干旱地区。在干化床中，污泥的自由水在重力的作用下从泥层中脱离，其中一部分自由水从底部渗入砂层，然后由收集系统汇集并排除；另一部分形成上清液层，通过溢流而去除。此外，降落于干化床的降水也同样由溢流管排出。
而在实际应用中的干化床的形式主要有以下几种。
1）太阳能干化床 太阳能干化床的中心有一层脱水砂层，底部设有垫层或由混凝土浇筑而成，垫层中可埋设风管，为抵御雨水冲袭可设保护层。整个底部为不透水的封闭设计，故仅有少量或根本没有渗透排水，污泥的干化依靠溢流和蒸发作用来完成。由于底部封闭，因此此类干化床亦无需设置排水暗渠，节省了建设和维护费用，其最大的特点是不需要换砂，从而降低了修护和清理成本。
2）由边墙、一层砂层或碎石层和地下排水管组成的干化床 此类干化床主要由边墙、一层砂层或碎石层和地下排水管构成，并根据具体情况考虑是否在顶部设绿化层。在蒸发、渗透和溢流3种脱水机理的基础上实现污泥干化。
3）楔入金属网间隔层的干化床 在该类干化床中设置有金属网间隔层，以便渗透液的排出。操作过程中，为了便于控制泥饼的形成过程和机械清泥，先用一层薄薄的水层将干化床淹没，再在其上注入液体污泥，使污泥处于水层之上。
（2）冰冻-解冻床［3］
由于冰晶具有高度规则的结构，在没有外力作用时很难容纳其他原子、分子和杂质。因此生长过程中的冰晶在与污泥颗粒等原子、分子和杂质接触时，将会排挤这些物质，从而使所有水分子聚集、冻结在一起，同时也使这些原子、分子和杂质集合起来，进而将水和其他物质分离开来，此为冰冻-解冻方法的作用机理。
通过冰冻解冻和蒸发后，污泥颗粒粒径变大且依然能保持絮凝状态，即使经强烈搅拌后也不会破碎，污泥体积会下降而含固率上升，若再伴随有蒸发作用，则其体积的下降将超过70%，含固率可高达80%。通常，该法适合较寒冷的地带使用。
（3）脱水礁湖［3］
脱水礁湖的污泥干燥原理与太阳能干化床如出一辙，构造也相似，同样具有溢流结构和排水暗渠。完全充满脱水礁湖所需的时间很长，一般长达3～12个月，因此其工作期也较长，到另一个礁湖被充满的这段时间之内均可对污泥进行脱水、干化，这就使其具有较高的污泥负荷水平，并可以削减峰值。
目前，一些寒带地区的水厂开始了利用冰冻-解冻原理来对脱水礁湖工艺进行改进的尝试。其中一项技术就是先将脱水礁湖中的表层水溢流排出，而将剩余的污泥置于冬季的空气中冰冻，从而去除其中的水分。另一项技术是在冬季时用泵将脱水礁湖中的一小部分污泥抽至干化床或池塘，使其结冰进而脱水。相比之下，第二种技术更易于使污泥完全冰冻，也可较好地保证对污泥脱水的实施效果。
3.4.2.3 污泥自然干化设施的设计要点和参数
（1）干化床［3，10］
一般情况下，设施完备、构造齐全的常规污泥干化床主要由围堤、底部排水系统、砾石层、砂滤层、内部隔墙、撇水系统、污泥分配渠、通道及坡道等结构组成，如条件允许，还设有顶盖。污泥干化床的结构如图3-37所示。
图3-37 常规污泥干化床的结构［10］
按自然条件和污泥干化床特征，干化时间、清泥周期由数周至数月不等，若想达到较好的污泥干化脱水效果，其关键是需要对污泥干化床进行合理的设计。干化床的设计和建设应因地制宜，必须考虑地势、地形、土壤性质和操作条件等因素对干化床选址和功能的影响。
1）污泥干化床的有效面积A 蒸发所需的时间是决定干化床面积的控制因素，同时，干化床面积还需要考虑污泥产量和蒸发次数来确定。目前，我国干化床的有效面积设计主要基于经验数据的选取。例如对于絮凝污泥，有效面积一般在50～150kg/（m2·a）的经验数据内选择，其中单床污泥负荷为5～20kg/m2，而石灰污泥的干化床负荷设计值为20～100kg/m2。
此外，还可以采用几个数学模型对污泥干化床运行时复杂的关系进行描述。尽管早期的模型大都是靠经验的，但它们也广泛地应用于污泥干化床的设计。例如Rolan利用合理的工程设计方法代替经验数据开发出了一系列反应式，不但确定了污泥干化床的设计标准，还确定了其最佳运行条件。计算污泥干化床有效面积主要有以下方法。
采用人均面积设计污泥干化床的方法主要基于Imhotf和Fair在20世纪初对初沉污泥所做的经验研究，即根据污泥干化床应用的污泥类型及固体浓度，推荐的人均占有污泥干化床面积的经验数据为0.1～0.3m2/人，再根据服务区内的总人数计算得出污泥干化床的面积。而目前普遍处理的是初沉和二沉混合污泥，含水率更高，这就要求更大的干化床面积。因此英国建议人均面积应不少于0.35～0.50m2/人。
目前采用的固体负荷设计污泥干化床面积的方法要基于经验数据的获取。与根据人均面积的方法相比，该法较为精确。敞开式干化床的设计值在50～125kg/（m2·a）内，封闭式干化床的设计取值为60～200kg/（m2·a）。
2）围堤 砂滤层面上部的构筑物包括围堤或竖墙，其高度高出砂滤层0.5～0.9m，围堤的材质可以是混有草皮的黏土、经过防腐烂处理的厚木板、混凝土板，也可以在砂滤层顶部周围设预应力混凝土或混凝土块石，其高度可延伸至滤层下部的砾石层以防止草籽的侵入。
3）底部排水系统 底部排水系统用于收集和输送沿砂石渗透出来的自由水，如果干化床设有溢流，则溢流液将和渗透液在排水系统中汇合。为避免地下水污染，可根据需要在排水管下铺设不透水的黏土层或衬层。排水系统一般由多孔塑料管或釉陶土管组成，排水支管坡向排水总管或出口。排水总管管径不得小于DN100mm，坡度不小于1%，两排管的中心距为2.5～6m，且应满足排泥机械工作时的最小距离。接入排水总管的支管间距的设计范围应为2.5～3m，并满足距离最短的要求。排水管周围采用粗砾石回填土，防止管道的破损。除非满足荷载要求，底部排水系统安装完毕后禁止停放重型设备。对于地下水环境敏感的地区，需经当地部门允许后设置不透水底板。
4）砾石层 砾石层材料一般选用直径为3～25mm的粗矿渣、砾石等，总高度为200～460mm。
5）砂滤层 砂滤层选用的砂滤料直径为0.3～0.75mm，其均匀系数不超过4.0，最好在3.5以下，并要求外观清洁、坚硬、强度高，不含有黏土、土壤、粉尘或其他异物。有时可采用压碎至粒径为0.4mm的砂砾和无烟煤来代替砂滤层，但由于净水用的石英砂等滤料缺乏摩阻力，易造成泥饼装卸机下陷而引发生产事故，故不宜采用。砂滤层高度一般为200～460mm，但为了保证处理效果及降低因滤层清洗带来的滤料流失，建议其高度应不小于300mm。
6）隔墙 由于污泥干化床经常采用轮式前置装卸机进行排泥，因此为了加快装卸机的清理速度，干化床内应至少设置一个隔墙。隔墙可以采用土堤、混凝土墙、预应力混凝土墙、木板隔墙或木板和启口连接的支撑柱等。隔墙的设置应满足机械排泥设备的要求。其中采用木板隔墙时，木板应延伸至砂滤层顶面以下20～100mm。采用支撑柱时，支撑柱一般是由预应力混凝土板嵌入预应力混凝土支撑柱的启口中，并应延伸至砾石层底部以下0.6～0.9m。
7）撇水系统 为了连续或间断性地撇除从污泥脱出的上清液及雨水，有效地缩短脱水干化时间，应在围堤的一定高度上设置撇水设备。撇水系统特别适用于相对稀释的二沉池剩余污泥及加入聚合物调理后的污泥。撇水系统结构示意如图3-38所示。
图3-38 撇水系统的结构［10］
8）污泥分配渠 液态的污泥输入污泥干化床分区内的渠道有多种，可以是封闭的渠道或压力管路，也可以是设置侧壁闸门或手动切门的开放式渠道。其中开放式渠道比较易于清洗。无论采用何种输入方式，均应设置混凝土溅泥板，一般为130mm厚、0.9m宽的立方体，用于接纳下落的污泥和防止砂滤层表面的腐蚀。
（2）冰冻-解冻床［3］
① 只有当前一层污泥完全冰冻后下一层才开始冰冻，因此尽量使污泥分几个薄层冰冻而不是单独的一厚层，可使能冻结的污泥总厚度最大。
对于冰冻期很长的地区，冰冻床控制厚度可由污泥冰冻厚度来确定。计算公式如下：
（3-37）
式中，D（z）为可冰冻的污泥总厚度，m；Tf为冰点温度，℃，一般取0℃；T为外界平均温度，℃；t（f）为冰冻时间，h；ρf为冰冻污泥密度，kg/m3，一般取917kg/m3；F为潜在的熔解热，W·h/kg，一般取93W·h/kg；d（z）为污泥层厚度，m；h为对流系数，W/（m2·h），一般取7.5W/（m2·h）；k为传导系数，W/（m·℃），一般取2.21W/（m·℃）。
由于这些参数中大多数是已知的或是常数，Vanderneyden等推导出公式（3-38）：
（3-38）
② 冰冻-解冻床需设顶盖，以防止雨雪等降水进入冰冻床而减缓污泥的冻结速度。顶盖应为透明，以便可以透过太阳光，从而利用太阳辐射来实现污泥解冻和干化。
③ 冰冻-解冻床的两边应敞开以保证自由通风，但需设一堵半墙或通风墙避免降雪进入冰冻床。
④ 在冰冻-解冻床的一端应设有坡道以便运输机械运送污泥，并防止卸泥时对床内已有污泥产生较大的扰动，另一端应配备溢流闸门和排水阀以便于排出解冻后的上清液。
⑤ 冰冻-解冻床的底部应设置金属网间隔层或砂层以排出渗透液，渗透液和溢流液均贮存在集水坑内，再由泵打回到污水处理厂。
（3）脱水礁湖［3］
要确定礁湖的面积必须选择在一个填充周期期间投配到礁湖中的污泥总量，即脱水礁湖满载时的污泥量。用于不同沥干污泥固体含量的礁湖面积的计算公式如下：
脱水礁湖面积=
（3-39）
利用以上公式计算时，需要对脱水礁湖满载时沥干污泥的固体含量值进行估计，此为确定礁湖面积的关键和难点。由于礁湖底部覆盖有砂层，不易估计污泥负荷，需要精心设计能计算脱水体积的中试，甚至需要对小规模的礁湖精确计算和设计系统尺寸。脱水礁湖内污泥底层的固体含量比顶部高，因此需要估计一个平均的固体含量。