程英超，李　歡，張玉瑤

(1.深圳市環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)深圳研究生院，深圳　518055；2.清華大學(xué)深圳研究生院—格林美城市資源循環(huán)利用工程技術(shù)研究中心，清華大學(xué)深圳研究生院，深圳　518055)

· 試驗(yàn)研究 ·

含固率對(duì)污泥熱常數(shù)的影響

程英超1, 2，李歡1，張玉瑤1

(1.深圳市環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)深圳研究生院，深圳518055；2.清華大學(xué)深圳研究生院—格林美城市資源循環(huán)利用工程技術(shù)研究中心，清華大學(xué)深圳研究生院，深圳518055)

對(duì)不同含固率污泥的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容等熱物性參數(shù)進(jìn)行了研究，并探討了含固率和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)熱物性參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：低含固率污泥的導(dǎo)熱系數(shù)與水接近，隨污泥濃度增加變化不大，然而在含固率12%～15%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，污泥導(dǎo)熱系數(shù)較低含固時(shí)顯著下降，且有機(jī)質(zhì)含量高的污泥導(dǎo)熱系數(shù)下降更快；含固率對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)及比熱容也有類似的影響，含固率15%是污泥熱物性參數(shù)變化的臨界值。

污泥；導(dǎo)熱系數(shù)；熱擴(kuò)散系數(shù)；比熱容；含固率

污泥是污水生物處理過(guò)程中排出的廢棄物，含有大量水分。在污水處理廠，污泥首先經(jīng)濃縮處理，含固率增加至2%～4%；濃縮污泥經(jīng)厭氧消化后產(chǎn)生消化污泥，消化污泥經(jīng)調(diào)理后進(jìn)行機(jī)械脫水，濃縮污泥也可直接進(jìn)行機(jī)械脫水，脫水后污泥含固率增加至20%左右。除上述工藝外，一些新的污泥處理工藝還會(huì)用到更多不同的含固率污泥。例如，高固體厭氧消化工藝采用高含固污泥作為進(jìn)泥，進(jìn)泥含固率為6%～20%[1]。因此，在污水處理廠的泥區(qū)，不同的處理工藝會(huì)采用不同含固率的污泥。這些在傳輸散熱和換熱過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)，常用到其導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容等熱常數(shù)，例如厭氧消化設(shè)施的能耗計(jì)算和換熱、攪拌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。在傳統(tǒng)的污泥處理設(shè)施設(shè)計(jì)方法中，往往采用純水的熱常數(shù)值替代污泥的相關(guān)參數(shù)。對(duì)于低濃度污泥而言，這種方法可以取得近似的計(jì)算結(jié)果。然而，隨著高含固率污泥輸送、處理、處置設(shè)備設(shè)施的應(yīng)用，這種計(jì)算方法已經(jīng)存在較大偏差。

目前關(guān)于這方面的研究還很少，不同濃度污泥的熱常數(shù)，特別是高含固污泥的熱常數(shù)尚未見文獻(xiàn)報(bào)告。本研究采用多種方式對(duì)污泥導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容等參數(shù)進(jìn)行分析，以求獲得含固率對(duì)污泥熱常數(shù)的影響規(guī)律，為高含固污泥處理處置設(shè)備、設(shè)施的設(shè)計(jì)提供參考。

1　材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用污泥分別取自深圳和昆明的兩座污水處理廠。昆明A廠采用厭氧-兼氧-好氧(AAO)工藝，深圳B廠采用曝氣生物濾池(BAF)工藝。脫水污泥取回后，保存在冰箱中，測(cè)試前用去離子水分別稀釋至不同含固率。A廠污泥含固率(TS)為17.3%±0.2%，有機(jī)質(zhì)含量為54.1%±0.6%；B廠污泥TS為23.4%±0.5%，有機(jī)質(zhì)含量為44.5%±0.5%。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

材料熱常數(shù)測(cè)量方法包括穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，目前常用的是瞬態(tài)法中的熱線法、熱板法和激光閃射法[2]。為便于對(duì)照，根據(jù)不同設(shè)備的特點(diǎn)，本文首先采用熱線法和熱板法分別測(cè)定不同濃度污泥的導(dǎo)熱系數(shù)，然后采用激光閃射法測(cè)定不同濃度污泥的熱擴(kuò)散系數(shù)，最后根據(jù)熱常數(shù)之間的關(guān)系c=λ/(ρ·α)計(jì)算污泥的比熱(事先測(cè)定污泥的密度)。式中，c為污泥比熱，J/kg/K；λ為污泥導(dǎo)熱系數(shù)，W/m/K；α為污泥熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；ρ為污泥密度，kg/m3。熱線法采用西安夏溪TC3010導(dǎo)熱系數(shù)儀，實(shí)驗(yàn)采用固態(tài)探針，采集時(shí)間為1s，實(shí)驗(yàn)電壓為1.3V；平面熱源法采用HotDisk的TPS2500測(cè)量?jī)x，實(shí)驗(yàn)采用直徑2.001mm探頭，功率為0.01W，時(shí)間為10s；激光閃射法采用德國(guó)耐馳的LFA457，激光電壓為1538 V，檢測(cè)器為InSb，數(shù)據(jù)擬合采用Cowan 模型并脈沖修正。每組污泥在室溫下(28℃±2℃)至少平行測(cè)定3次，取平均值。

污泥密度ρ測(cè)量時(shí)，先稱重污泥，再利用量筒測(cè)量污泥樣品的體積，其質(zhì)量與體積之比為污泥密度。

1.3污泥其它性質(zhì)測(cè)試方法

污泥含固率(TS，%)、有機(jī)質(zhì)含量(VS，%)分別采用重量法[3]。

2　結(jié)果和討論

2.1含固率對(duì)污泥導(dǎo)熱系數(shù)的影響

污泥的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)際上為平均導(dǎo)熱系數(shù)，反映了污泥中熱量傳遞的效率。從圖1可以看出，無(wú)論是瞬態(tài)熱線法還是瞬態(tài)平板法，所得結(jié)果基本一致。隨著污泥含固率從2%升高至15%，污泥的導(dǎo)熱系數(shù)有輕微下降，但下降幅度不明顯，基本與水相當(dāng)；當(dāng)污泥含固率進(jìn)一步升高時(shí)，污泥的導(dǎo)熱系數(shù)明顯下降。這一變化趨勢(shì)與于明志、趙秀峰和傅志前等[4～6]針對(duì)土壤、多孔性含濕巖土和麥秸磚墻的研究結(jié)果一致。然而由于污泥含水率較土壤、巖土及麥秸磚墻等明顯偏高，因此在低含固情況下，大量自由間隙水的存在使得污泥具有與水相當(dāng)?shù)臒嵛镄詤?shù)值，污泥的導(dǎo)熱系數(shù)隨含固率變化并不明顯。但當(dāng)含固率達(dá)到15%及以上時(shí)，污泥間的水存在形態(tài)發(fā)生改變，污泥顆?？紫吨锌赡艽嬖诳諝?，使得污泥導(dǎo)熱能力減弱，從而造成污泥導(dǎo)熱系數(shù)的驟降。

圖1　瞬態(tài)熱線法(a)和瞬態(tài)熱板法(b)測(cè)定污泥(A與B)導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)果Fig.1　Experiment results of thermal conductivity for sludge A and B determined by transient hot strip and transient plane source method

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度受污泥性質(zhì)影響，有機(jī)質(zhì)含量較高的A污泥其導(dǎo)熱系數(shù)下降速度較有機(jī)質(zhì)含量較低的B污泥更快。這主要是因?yàn)楹搪市∮?5%的污泥，其導(dǎo)熱系數(shù)主要由污泥懸浮液的分散劑(即水)決定，因此污泥中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)污泥懸浮液的導(dǎo)熱系數(shù)影響輕微而可以忽略。而當(dāng)污泥含固率大于15%時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量較高的污泥，其懸浮液中污泥顆粒形態(tài)及顆粒間距可能與低有機(jī)質(zhì)含量污泥有所不同，同時(shí)由于分散劑的減少，間隙中自由的游離水亦減少，污泥顆粒對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)與水相比不能忽略，此時(shí)，含固率和有機(jī)質(zhì)含量都對(duì)污泥的導(dǎo)熱系數(shù)有影響。高有機(jī)質(zhì)污泥因受到的影響更顯著，從而表現(xiàn)出導(dǎo)熱系數(shù)隨含固率更快的下降趨勢(shì)。

從上述變化情況可以認(rèn)為，含固率15%是污泥導(dǎo)熱系數(shù)變化的臨界值。以上兩種不同方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示，當(dāng)污泥含固率小于15%時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)與水的導(dǎo)熱系數(shù)十分接近(經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，二者相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅在2%～3%之間)，而當(dāng)含固率超過(guò)15%時(shí)，其導(dǎo)熱性能迅速降低。含固率低于15%時(shí)，污泥呈現(xiàn)流動(dòng)態(tài)，為假塑性流體；而當(dāng)含固率超過(guò)15%時(shí)，污泥為不流動(dòng)的粘彈性固體[7]，這可能與微觀狀態(tài)污泥顆粒接近到一定程度導(dǎo)致突變有關(guān)。因此，在導(dǎo)熱方面，當(dāng)污泥含固率小于15%時(shí)，可以認(rèn)為其更接近懸濁液，導(dǎo)熱系數(shù)可近似采用水的數(shù)值；而含固率高于15%時(shí)，其導(dǎo)熱性能明顯受到污泥固體組分的影響。

2.2含固率對(duì)污泥熱擴(kuò)散系數(shù)的影響

熱擴(kuò)散系數(shù)，又叫導(dǎo)溫系數(shù)，表征了材料中溫度變化的傳播能力及溫度均衡性能，熱擴(kuò)散系數(shù)越大，材料某處受熱后，材料其余各處達(dá)到同一溫度所需的時(shí)間越短(無(wú)對(duì)流作用時(shí))[8]。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于污泥性質(zhì)的不均勻性和測(cè)試方法的限制，熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果偏差較大，但變化趨勢(shì)與導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果類似(圖2)。污泥含固率較低時(shí)，兩種污泥的平均熱擴(kuò)散系數(shù)均與水接近(相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為9%和5%)，隨污泥含固率變化不大，這與趙秀峰等針對(duì)巖土的研究結(jié)果一致[5]。

對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較高的A污泥，污泥含固率超過(guò)12%時(shí)，熱擴(kuò)散系數(shù)有所下降；對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較低的B污泥，污泥含固率超過(guò)15%時(shí)，熱擴(kuò)散系數(shù)有所下降。兩者的下降幅度均較小，這說(shuō)明在所測(cè)試的含固率范圍內(nèi)，污泥的熱擴(kuò)散能力仍主要取決于其含有的水分，而固體組分的影響很小。

圖2　激光閃射法測(cè)定兩種污泥(A與B)熱擴(kuò)散系數(shù)的結(jié)果Fig.2　Experiment results of thermal diffusion coefficient for sludge A and B determined by laser flash method

2.3含固率對(duì)污泥比熱容的影響

材料的比熱容反映了物質(zhì)容納熱量的能力。利用熱常數(shù)公式計(jì)算污泥比熱容之前，需要預(yù)先測(cè)定不同含固率污泥的密度，研究結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)所用污泥密度與含固率的關(guān)系可以用下式表示(R2=0.9417)：

ρ= 1.0 + 0.005TS

根據(jù)污泥導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)隨含固率的變化規(guī)律，低含固率污泥的相關(guān)參數(shù)與水相同，而高含固率污泥的相關(guān)參數(shù)采用實(shí)測(cè)值，可以得到污泥比熱隨含固率的變化規(guī)律(圖3)。從圖中可以看出，在污泥含固率小于15%時(shí)，污泥比熱僅略有下降，基本與水接近；隨著污泥含固率超過(guò)15%，污泥A的比熱明顯下降，而污泥B的比熱仍沿之前趨勢(shì)緩慢下降。這可能是污泥固體組分差異造成的。對(duì)于低含固率的污泥，其性質(zhì)與含沙渾水類似，污泥中的無(wú)機(jī)組分對(duì)比熱容起主導(dǎo)作用[9]。此時(shí)，污泥比熱容隨污泥含固率增加而下降(呈負(fù)線性關(guān)系)，但下降速度較慢[10]。當(dāng)污泥含固率達(dá)到15%時(shí)，污泥中有機(jī)組分對(duì)比熱也產(chǎn)生影響，有機(jī)質(zhì)含量高的污泥其比熱下降速度更快。這與張敏[11]等對(duì)果蔬比熱容的研究結(jié)果相似，可溶性固形物含量大的果蔬亦具有較小的比熱容。

圖3　采用TPS2500數(shù)據(jù)計(jì)算兩種污泥(A與B)比熱容的結(jié)果Fig.3　Experiment results of thermal diffusion coefficient for sludge A and B calculated using TPS2500 data

3　結(jié)　論

3.1污泥含固率從2%升高至15%，其導(dǎo)熱系數(shù)略有下降，但下降幅度不明顯，基本與水相當(dāng)；當(dāng)污泥含固率進(jìn)一步升高時(shí)，污泥的導(dǎo)熱系數(shù)明顯下降，且有機(jī)質(zhì)含量高的污泥下降速度更快。

3.2污泥含固率較低時(shí)，其平均熱擴(kuò)散系數(shù)均與水接近；而污泥含固率超過(guò)15%時(shí)，污泥熱擴(kuò)散系數(shù)有所下降。在所測(cè)試的含固率2%～15%的范圍內(nèi)，污泥的熱擴(kuò)散能力主要取決于其含有的水分，而固體組分的影響很小。

3.3污泥含固率小于15%時(shí)，污泥比熱隨含固率增加僅略有下降，基本與水接近；隨著污泥含固率超過(guò)15%，污泥比熱明顯下降，且有機(jī)質(zhì)含量較高的污泥下降速度更快。

整體上，污泥濃度增大對(duì)污泥熱常數(shù)的影響在含固率12%～15%以內(nèi)影響不大，但在此之后，熱常數(shù)隨含固率明顯下降，且有機(jī)質(zhì)含量高的污泥導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容下降更快，含固率15%也是污泥熱常數(shù)變化的臨界值。

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Influence of Total Solid Content on Thermal Physical Properties of Sewage Sludge

CHENG Ying-chao1,2, Li Huan1, ZHANG Yu-yao1

(1.KeyLaboratoryofMicroorganismApplication&RiskControlofShenzhen,GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen518055,China; 2.JointResearchCenterofUrbanResourceRecyclingTechnologyofGraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity&ShenzhenGreenEco-ManufacturerHigh-TechCo.Ltd.,Shenzhen518055,China)

Thermal conductivities, thermal diffusion coefficient and thermal capacity of sewage sludge with different solid content were investigated in this study, and the effects of solid content and organic matter on the thermal physical properties were discussed. The experimental results show that for sludge with low solid content, thermal conductivities were almost the same as water, and no significant increase with the increase of total solid content. However, there was a inflection point appeared at the solid content of 12%～15%, the thermal conductivities decrease significantly compared with that of low solid content, and sludge with higher organic matter decrease faster than lower ones. And solid content has similar effect on thermal diffusion coefficient and thermal capacity, 15% is the critical value for the variation of sludge thermal physical properties.

Sludge; thermal conductivity; thermal diffusion coefficient; thermal capacity; total solid content

2015-02-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(51478239);國(guó)家水專項(xiàng)課題(2011Z X07302)。

程英超(1989-)，女，江蘇徐州人，2015年畢業(yè)于清華大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，研究方向?yàn)楣腆w廢物處理與資源化。

X703

A

1001-3644(2015)06-0001-04