周 煬,谷志攀,陶樂仁

(1.杭州市臨安區(qū)土地整理中心,浙江 杭州 311300;2.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093;3.上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093;4.嘉興學院建工學院，浙江 嘉興 314001)

污泥是污水處理過程中形成的以有機物為主要成分的泥狀物質(zhì)，含有大量的水分及難降解的有機物、重金屬和鹽類、病原菌、寄生蟲卵等[1]，如不加以妥善處理，任意排放，將會造成二次污染。我國隨著污水處理率地不斷提高，污泥產(chǎn)量越來越大。污泥處理最終需要實現(xiàn)污泥的資源化利用，但是污泥的資源化對污泥含水率有明確要求[2]。我國城鎮(zhèn)污水處理廠排出的脫水污泥含水率較高，無法滿足資源化利用要求，需要干燥降低污泥含水率。馬學文等[3]、Tao[4]、Leonard[5]對污泥干燥特性進行研究，吳生禮等[6]、劉凱等[7]、馬俠等[8]、魏瑞軍等[9]對污泥薄層干燥模型進行研究。

本文針對不同厚度的污泥在不同干燥溫度下進行恒溫干燥實驗，研究污泥干燥的變化規(guī)律，為分析污泥干燥過程提供必要的技術參數(shù)和理論依據(jù)。

1 實驗方法

實驗設備由Sartorius SECURA3102-1精密電子天平、電加熱裝置組成。污泥厚度分別為2.5,5,7.5,10,12.5mm，加熱溫度控制在50,75,100,125,150℃，加熱時間設置為90min。使用天平實時測量污泥樣品的質(zhì)量，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C存儲。

2 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

本文主要研究針對時間、厚度和溫度三個因素對污泥干燥過程的影響。

2.1 時間對污泥干燥過程的影響

干燥時間對污泥質(zhì)量和含水率的影響實驗結(jié)果見表1，污泥含水率隨干燥時間變化見圖1。

表1 干燥時間對污泥質(zhì)量和含水率的影響變化

圖1 污泥含水率隨干燥時間變化

從表1和圖2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著干燥的進行，污泥的質(zhì)量和含水率均呈下降趨勢。污泥中含有四種水分，自由水，毛細結(jié)合水，表面吸附水和結(jié)合水[2]。在第一階段干燥的水分主要是與污泥結(jié)合強度最弱的自由水和表面吸附水，水分蒸發(fā)所需克服的水分結(jié)合力較小。在第二階段干燥的水分主要存在于細胞內(nèi)部的毛細結(jié)合水和結(jié)合水，水分蒸發(fā)需要克服較大的毛細結(jié)合力，因此水分蒸發(fā)的速率越來越慢。

2.2 溫度對污泥干燥過程的影響

溫度對污泥干燥過程影響的實驗結(jié)果見表2，污泥含水率隨干燥溫度的變化見圖2。

表2 干燥溫度對污泥質(zhì)量和含水率的影響變化

圖2 污泥含水率隨干燥溫度的變化圖

在相同的干燥時間下，隨著干燥溫度的升高，污泥的質(zhì)量越來越少，也就是污泥的失重越來越大，污泥的含水率也越來越低，在150°C干燥的條件下，恒溫干燥90min，污泥的含水率為零，說明污泥中的水分已經(jīng)被完全干燥去除。

溫度是影響水分的蒸發(fā)速度重要因素，溫度越高，水分蒸發(fā)速度越快。而污泥的質(zhì)量變化也是由于污泥中的水分變化而變化，所以溫度越高，污泥的質(zhì)量也就減少越多。溫度保持在100℃往上，污泥中的水分在90mins內(nèi)就可以基本干燥去除完畢。干燥溫度在100℃以前，污泥的質(zhì)量隨溫度的升高減少的速度較快，100℃以后，污泥的質(zhì)量隨溫度的增加繼續(xù)減少，但速度降低。在不同的溫度情況下，污泥在100℃左右達到最大的干燥速率，且最大干燥速率與升溫速率成正比，但干燥溫度增加到一定程度后，其對干燥速率的影響逐漸減少，繼續(xù)增大干燥溫度，干燥速率的提高不明顯且增加了能耗，這是因為污泥內(nèi)部松孔的表面積有限，因而水分從污泥內(nèi)部蒸發(fā)的路徑也是有限的，繼續(xù)升溫對提升干燥效率的效果減弱`[10]。因此，從節(jié)能角度考慮，建議實際應用中，干燥前期可采用較高的干燥溫度，而后期可適當?shù)慕档透稍餃囟取?/p>

2.3 厚度對污泥干燥過程的影響

不同厚度污泥在干燥溫度為100℃下的實驗結(jié)果見表3，不同厚度污泥含水率變化曲線見表3。

表3 不同厚度的污泥對污泥干燥過程的影響

圖3 污泥的含水率隨污泥厚度的變化圖

從表3和圖3發(fā)現(xiàn)，在恒溫干燥90min后，隨著污泥厚度的增加，污泥的最終含水率是逐漸增加的，曲線的變化趨勢是先平緩，接著變陡，最后又變的平緩。由于厚度為2.5mm和5mm的污泥較薄，恒溫干燥過程中，內(nèi)部水分很容易受熱蒸發(fā)去除，在不到90分鐘的時間其內(nèi)部水分已經(jīng)被蒸發(fā)干凈，所以兩者的最終含水率趨近相同；在5mm到10mm期間曲線陡增的原因是由于污泥厚度的進一步增加，90min的干燥時間較難對厚度比較大的污泥中的水分蒸發(fā)干凈，對于厚度越厚的污泥來說，在干燥時間結(jié)束后，其內(nèi)部的水分也留的越多，所以其含水率也會增大；而當污泥的厚度到達一定程度后(>10mm)，污泥的最終含水率變化趨勢又變的平緩。從實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，不同厚度的污泥干燥過程中開裂的方式也不一樣，厚度大的污泥開裂的程度小，而厚度小的污泥開裂程度大，而且向上卷曲，開裂程度大，加上向上卷曲，增加了污泥與熱空氣的接觸面積，也加速了污泥內(nèi)部水分的析出。

3 結(jié)論

本文研究了不同干燥時間，不同的干燥溫度及不同的厚度對污泥干燥過程的影響：

(1)污泥的質(zhì)量和含水率隨干燥時間的變化并不是標準的線性關系，前面第一階段干燥過程為恒速階段，第二階段曲線斜率越來越小，干燥階段為減速階段。

(2)在相同的干燥時間下，隨著干燥溫度的升高，污泥的質(zhì)量越來越少，污泥的含水率也越來越低，但是干燥溫度超過100℃以后，干燥速率增長較緩。

(3)污泥的最終含水率隨著污泥厚度的增加而增加，2.5mm和5mm的污泥較薄，污泥水分容易受熱蒸發(fā)去除，10mm和15mm厚度較大，污泥水分干燥較慢。