城市污水廠(chǎng)污泥的薄壁干化處理是常用的干化技術(shù)之一。論文以桐鄉(xiāng)污水處理廠(chǎng)為例，進(jìn)行污泥薄層干燥特性研究，得到其在不同溫度、厚度條件下半干化處理的干燥速率、失水曲線(xiàn)，引入了干燥動(dòng)力學(xué)模型——Midilli模型，獲得污泥中濕分的有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能等參數(shù)。論文選題切合污泥處理的難點(diǎn)問(wèn)題，以實(shí)際污水廠(chǎng)污泥為對(duì)象，有實(shí)用價(jià)值，試驗(yàn)方法合理，數(shù)據(jù)分析結(jié)論可信，有一定的參考價(jià)值。

近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化的蓬勃發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重。十三五規(guī)劃建議明確指出，我國(guó)現(xiàn)有的污水處理系統(tǒng)存在巨大空缺，應(yīng)大力建設(shè)，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)生活污水垃圾處理設(shè)施全覆蓋和穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)5年間我國(guó)將排放4 000 億t污水，處理這些污水的污泥產(chǎn)量約為4 億t，年平均產(chǎn)量8 000 萬(wàn)t。目前，城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污泥的主要處理方式是重力脫水與機(jī)械壓濾，處理后的脫水污泥含水率仍有約80%，且成分復(fù)雜，含有多種有害物質(zhì)，不加以處理很可能會(huì)造成二次污染。

研究表明，污泥的含水率由80%下降到60%，體積可減少至一半，下降到干燥平衡狀態(tài)，減量可達(dá)95%，可見(jiàn)熱干化對(duì)污泥的減量效果十分明顯，但其致命的缺點(diǎn)是能耗極高，特別是含水率下降到55%以下后，表面板結(jié)，內(nèi)部水分?jǐn)U散緩慢。而以生活污水處理廠(chǎng)污泥焚燒處理為例，要使其自持燃燒，含水率需降至55%以下，顯然，這已經(jīng)超出了污泥機(jī)械脫水的能力。因此應(yīng)對(duì)污泥進(jìn)行半干化處理，即用熱干燥的方法，將污泥含水率降低到40%~50%，達(dá)到了減量、干化的效果，便于進(jìn)一步處理，同時(shí)也減少了能量損耗。姜瑞勛等采用薄層干燥方式對(duì)脫水污泥的熱干燥進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，Logarithmic模型最適合用于污泥薄層干燥分析，80~150 ℃有效擴(kuò)散系數(shù)為8.486×10-10~4.386×10-9m2/s，活化能為29.56 kJ/mol。

由于污泥是一種含水率高，成分復(fù)雜的物質(zhì)，研究其間壁干燥難度很大，前人研究大多針對(duì)球狀污泥或是質(zhì)量很小的薄層狀試樣，而實(shí)際處理中的量要大得多。針對(duì)這一特征，本研究對(duì)較大質(zhì)量污泥在低溫?zé)嵩醇訜崆闆r下的薄層干燥特性進(jìn)行了分析，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型擬合，找到最優(yōu)解，分別控制污泥的厚度、加熱溫度，得到污泥干化的理論依據(jù)。

1試驗(yàn)內(nèi)容與試驗(yàn)物料

1.1試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法試驗(yàn)裝置由精度為0.01 g賽多利SECURA3102-1精密電子天平、電加熱裝置、圖像采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。天平實(shí)時(shí)測(cè)量污泥樣品的質(zhì)量，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，功率為2 000 W的電加熱膜通過(guò)鋁板為污泥干燥提供熱量。將污泥平鋪在鋁板上，試樣為圓餅狀，其直徑為10 cm，厚度分別為2.5、5、7.5、10、12.5 mm，控制加熱溫度分別為50、75、100、125、150 ℃，設(shè)定加熱時(shí)長(zhǎng)為90 min，每30 s自動(dòng)采集天平讀數(shù)，得到相同加熱時(shí)間內(nèi)不同溫度與厚度污泥的干燥特性。

圖1 試驗(yàn)裝置原理圖

1.2

試驗(yàn)物料試驗(yàn)所用污泥取自浙江省嘉興市桐鄉(xiāng)城市污水處理廠(chǎng)經(jīng)過(guò)濃縮脫水后的原泥，含水率高，有機(jī)質(zhì)成分復(fù)雜。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，平均濕基含水率為86%。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1污泥的含水率及干燥速率隨厚度及時(shí)間的變化含水率MR是衡量污泥中濕分百分比隨時(shí)間變化的重要參數(shù)，其定義如式(1)。

污泥失水的快慢用干燥速率DR[g/(g?s)]來(lái)表示，如式(2)。

150 ℃下不同厚度污泥的含水率、干燥速率變化曲線(xiàn)分別如圖2、圖3所示。相同的加熱溫度，污泥的厚度越大，含水率曲線(xiàn)越平緩，干燥速率的值越低。由圖2可知，隨著污泥厚度的減小，達(dá)到同一含水率所需的時(shí)間越短，如厚度從12.5 mm降低到2.5 mm，同樣得到含水率為30%的試樣，干燥所需時(shí)間減少了78 min。

圖2 150 ℃不同厚度污泥的失水曲線(xiàn)

圖3 150℃不同厚度污泥干燥的干燥速率

由圖3可知，污泥的干燥速率隨著含水率的變化而改變，大致可以分為：預(yù)干燥階段，恒速干燥階段和降速干燥階段。在含水率區(qū)間Ⅰ內(nèi)，干燥過(guò)程處于預(yù)熱階段，隨著溫度提高，干燥速率有迅速增高的趨勢(shì);Ⅱ區(qū)間內(nèi)，加熱板輸出的熱量主要用于自由水的轉(zhuǎn)移與蒸發(fā)，污泥表面的水分蒸發(fā)速率與污泥內(nèi)部水分?jǐn)U散速率相當(dāng)，干燥速率波動(dòng)較為平穩(wěn)，可近似看作恒速干燥;Ⅲ區(qū)間內(nèi)，隨著含水率逐漸降低，污泥中的間隙水與吸附水開(kāi)始減少，擴(kuò)散阻力增加，干燥速率減慢，即降速干燥階段。

2.2

相同厚度的污泥，在不同的溫度下的干燥特性由圖4可知，污泥的失水速度隨著干燥溫度的升高而增大，以100 ℃為界，兩邊的失水速度有很大區(qū)別，這是因?yàn)?00 ℃以上的干燥溫度使得污泥底層里的水分更多地以蒸汽的形式擴(kuò)散，并且更大的傳熱溫差增加了換熱系數(shù)，水分轉(zhuǎn)移的速率也越快。因此，薄層污泥熱干化處理應(yīng)盡量提高干燥溫度，增大傳熱溫差，以達(dá)到更好的干燥效果。

圖4 7.5 mm污泥在不同溫度下的失水曲線(xiàn)

2.3污泥薄層干燥動(dòng)力學(xué)分析

2.3.1干燥模型常見(jiàn)的污泥薄層干燥模型如表1所示。

表2為2.5 mm污泥150 m干燥失水曲線(xiàn)擬合結(jié)果。由表2可知，Midilli模型的相關(guān)系數(shù)R2數(shù)值最接近1，且殘差平方和RSS最小，因此Midilli模型能較好地模擬出污泥薄層干燥的失水情況。與王靜靜等含油污泥薄層干燥研究的試驗(yàn)結(jié)論相同。表3為不同條件Midilli模型的擬合結(jié)果。

表2 不同模型的擬合結(jié)果

表3 污泥薄層干燥不同條件下Midilli模型的擬合結(jié)果

污泥的動(dòng)力學(xué)模型可以預(yù)測(cè)不同厚度、溫度的污泥薄層干燥所需時(shí)間。依據(jù)實(shí)驗(yàn)所用電加熱膜的功率，計(jì)算在各含水率和厚度條件下，單位面積污泥加熱到某含水率所需熱量，為實(shí)際污泥干燥處理設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2.3.2

有效擴(kuò)散系數(shù)污泥的干燥過(guò)程可以簡(jiǎn)化為污泥內(nèi)部水分向外界的擴(kuò)散過(guò)程，描述物質(zhì)擴(kuò)散的Fick定律可用來(lái)計(jì)算污泥中水分的擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)與溫度和含水率的關(guān)系由式(3)給出。

為方便研究，將上式進(jìn)行線(xiàn)性轉(zhuǎn)化得式(4)，可見(jiàn)，lnMR的值與干燥時(shí)間t成一次函數(shù)關(guān)系，由其斜率可以計(jì)算得到有效擴(kuò)散系數(shù)，即式(5)。

由式(4)可知，污泥的干燥時(shí)間t與其有效擴(kuò)散系數(shù)成反比，與厚度的平方成正比。因此污泥的厚度越大，干燥到一定含水率所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此在實(shí)際運(yùn)用中，將污泥平鋪進(jìn)行干燥能夠有效減少干燥時(shí)間，提高干燥效率。經(jīng)計(jì)算，150 ℃下2.5、5、7.5、10、12.5 mm厚度污泥的干燥有效擴(kuò)散系數(shù)分別為5.130×10-9、1.556×10-9、1.207×10-9、7.671×10-10、4.860×10-10 m2/s，2.5 mm厚度的污泥在150、125、100、75、50 m下的有效擴(kuò)散系數(shù)分別為5.130×10-9、4.060×10-9、3.430×10-10、2.353×10-10、3.382×10-10 m2/s。污泥的有效擴(kuò)散系數(shù)隨著干燥溫度的提升、厚度的減小而逐漸提高，這也與前文試驗(yàn)結(jié)果相符。

2.3.3

活化能根據(jù)Arrhenius公式，建立有效擴(kuò)散系數(shù)與干燥參數(shù)間的關(guān)系，如式(6)。

由式(7)可知，ln Deff與1/T成線(xiàn)性關(guān)系。由圖5可知，是直線(xiàn)的斜率，lnD0是直線(xiàn)的截距。經(jīng)計(jì)算，活化能Ea=1.664 kJ/mol，D0=2.288×10-8 m2/s。

圖5 ln Deff與1/T的關(guān)系

3結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)大質(zhì)量的桐鄉(xiāng)市政污泥在50~150 ℃下不同厚度的間壁式熱干燥特性進(jìn)行了研究，得到污泥干燥速率的影響因素，以及含水率隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)模型，為實(shí)際的污泥處理提供了理論依據(jù)，具有一定的實(shí)際意義。

(1)對(duì)污泥薄層進(jìn)行加熱可以有效地對(duì)其進(jìn)行減量化處理。桐鄉(xiāng)污水處理廠(chǎng)的市政污泥的干燥過(guò)程按干燥速率可以分為加速干燥階段。恒速干燥階段和減速干燥階段，分別對(duì)應(yīng)了不同的水分形態(tài)。污泥的干燥速率隨著厚度減小、溫度上升逐漸上升，干燥至所需含水率的時(shí)間也越短。

(2)在常用的干燥動(dòng)力學(xué)模型中，污泥的含水率的變化過(guò)程可以用Midilli模型來(lái)模擬，可以用其預(yù)測(cè)單位質(zhì)量不同形態(tài)污泥半干燥到一定含水率所需要的時(shí)間及所需熱量。

(3)污泥在150 ℃以下，2.5~12.5 mm厚度內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)為3.383×10-10~5.130×10-9 m2/s，其值隨著溫度升高，厚度減小而增大。

(4)2.5 mm厚度的桐鄉(xiāng)市政污泥的活化能為1.664 kJ/mol。

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