综述：污泥热干化技术、多尺度脱水机制及数值模拟：跨尺度综述与工程优化

《Journal of Water Process Engineering》：Sludge thermal drying technology, multi-scale dewatering mechanisms, and numerical simulation: A cross-scale review and engineering optimization

污泥干燥技术研究进展：从多尺度机制分析到CFD模拟优化，构建了涵盖传热技术、粘弹性机理、动力学模型及流场模拟的系统框架，提出基于流变特性与能源效率的三级技术选型体系，揭示EPS热解对微观脱水的调控作用，并通过耦合接触力学增强CFD预测能力，为低碳智能干燥系统开发奠定理论基础。

　　

刘晨然|司彦晓|王浩|姜波|洪晨|江玉生|赵成旺|冯伟波|侯家晨|翟新林|钱中山

北京科技大学能源与环境工程学院，中国北京 100083

摘要

污泥干燥是减少污泥体积、稳定污泥性质和回收资源的核心过程，在推动碳中和和环境治理方面发挥着关键作用。本研究对污泥干燥技术进行了系统的跨尺度综述，重点关注四个关键方面：主流干燥技术、多尺度脱水机制、干燥动力学建模和计算流体动力学（CFD）仿真。首先，系统评估了对流干燥、传导干燥和辐射干燥技术的工程特性和工业应用，并基于污泥流变特性、能量等级和最终用途要求建立了三级技术选择框架，有助于明确适用范围和优化方向。其次，分析了影响脱水效率的微观机制，包括粘性相变、表面结壳以及由胞外聚合物（EPS）热变性引起的体积收缩，揭示了这些机制在宏观质量传递阻力中的重要作用。然后，回顾了从经验性薄层拟合到基于REA和SDD等机制方法的干燥动力学模型的发展过程，指出了由于忽略环境因素和解构变形导致的预测偏差。最后，为了解决传统多相仿真的预测能力局限性，展示了将包括液桥力和粘聚本构定律在内的微观接触力学整合到CFD中的必要性，实现了从流场可视化到设备故障预测的转变。通过整合技术选择、机制分析和数值仿真，本研究为开发高效、低碳和智能的污泥干燥系统提供了理论基础和工程指导。

缩写说明

缩写

CAPEX	资本支出
CFD	计算流体动力学
CFD-DEM	计算流体动力学-离散元方法
CV	变异系数
Deff	有效扩散系数
DEM	离散元方法
DM	干物质
DPM	离散相模型
DS	干固体
EPA	环境保护署
EPS	胞外聚合物
FSI	流固耦合
IAT	进气温度
LCA	生命周期评估
MC	含水量
MWVD	微波真空干燥
OPEX	运营支出
REA	反应工程

方法论

为了确保本综述的系统性、前沿性和工程相关性，本研究制定了严格的文献检索和筛选方案。文献数据主要来源于Web of Science（核心库）、Scopus和Google Scholar数据库，系统文献检索工作于2025年12月25日完成。为了全面覆盖污泥干燥技术和建模方法的演变轨迹，文献检索的时间范围为...

对流干燥和传导干燥

热干燥已成为实现污水污泥深度脱水和体积减小的主要技术途径。传统上，根据传热介质的不同，干燥技术被分为对流干燥和传导干燥。然而，在实际工业应用中，现代干燥器设计越来越多地结合这两种机制，以克服单一传热模式的局限性并提高整体热效率。

多尺度脱水机制和材料演变

尽管热干燥技术在工程实践中得到广泛应用，但其传热和传质效率的上限往往受到污泥作为复杂细菌絮体在脱水过程中各种因素的限制。如第2节所述，特定干燥器的宏观工程瓶颈（如桨式干燥器的壁面污染、流化床中的脱液现象以及带式干燥器中的气流短路）从根本上受微观物理机制的控制...

干燥动力学的数学建模

干燥动力学的数学描述是连接微观尺度脱水机制（第3节）和宏观尺度设备设计（第2节）的桥梁。为了有效应对第2节中提到的具体操作挑战（如干燥不均匀或能耗过高），工程师需要可靠的数学模型来量化这些微观机制。虽然早期研究广泛使用薄层模型来拟合实验室数据，但随着...

计算流体动力学（CFD）在材料干燥中的应用

尽管第4节中描述的数学模型能够准确描述特定温度和湿度条件下污泥的干燥速率，但它们无法完全解决第2节中提到的特定干燥设备所固有的空间问题。在实际工业干燥器中（如桨式干燥器中的高搅动区域或带式干燥器中的复杂交叉流），流场、温度场和湿度场的空间分布往往存在...

结论

污泥热干燥技术的发展已经超越了单纯追求“最大水分去除”的阶段，进入了以流变兼容性、精确能量效率和微观结构调控为核心的精密工程时代。通过对现有工业技术、脱水机制、动力学建模方法和CFD仿真的系统综述，本研究得出以下关键结论：

(1)

对于主流的污泥热干燥技术...

展望

尽管污泥干燥技术已日趋成熟，但在实现“双碳”目标和“智能化”方面仍面临理论和工程上的双重挑战。

(1)

提高异质多孔介质的理论建模能力，从经验拟合向VAM框架迈进。当前的干燥模型在处理高粘度、大变形材料（如污泥）方面仍存在不足。未来的建模应突破单一Fickian扩散模型的限制...

CRediT作者贡献声明

刘晨然：撰写——初稿撰写、数据整理。司彦晓：指导、数据整理。王浩：指导。姜波：指导。洪晨：撰写——初稿撰写、资金申请。江玉生：指导。赵成旺：方法论制定、研究设计。冯伟波：软件开发、资源协调。侯家晨：研究设计。翟新林：方法论制定、研究设计。钱中山：指导。

资助

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFC3707801）、北京科技大学概念验证项目（GNYZ-2024-11）和中央高校基本科研业务费（FRF-AT-25-004）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。