章華熔

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，污泥產(chǎn)量逐年增加而無法得到有效處理處置的問題日益突出［1］。目前，大多數(shù)污水處理廠僅對濃縮污泥進行機械脫水處理，但得到的脫水污泥含水率仍然高達80%，無法達到衛(wèi)生填埋、焚燒等后續(xù)處理處置的要求［2］。熱干化技術(shù)作為一種降低污泥含水率的有效手段，近年來越來越受到市場的認(rèn)可。它是通過專門的設(shè)備對污泥進行加熱干化，能最大限度地實現(xiàn)污泥減量化、無害化的處理要求［3］。其中，帶式干燥機因具備不存在污泥粘滯階段運行的問題、污泥干化產(chǎn)物含水率便于調(diào)整且維護費用小、熱源廣等諸多優(yōu)點而普遍應(yīng)用于污泥干化領(lǐng)域，其工作原理是直接利用熱的干燥介質(zhì)與污泥直接接觸，以對流方式傳遞熱量，并將蒸發(fā)的水分帶走［4］。

工業(yè)應(yīng)用的帶式干燥機通常采用上進風(fēng)或下進風(fēng)方式對污泥進行干燥，熱風(fēng)穿透網(wǎng)帶和污泥層的過程中會產(chǎn)生局部的壓降。為了便于開展污泥帶式干燥機結(jié)構(gòu)設(shè)計、風(fēng)機選型等工作，需要研究不同條件下網(wǎng)帶上泥層的形態(tài)及各泥層在干燥過程中的壓降變化，為工程設(shè)計提供理論依據(jù)。目前，該領(lǐng)域的研究非常少，本文通過搭建小型的壓降測試實驗臺，研究污水處理廠脫水污泥干燥過程各階段的壓降變化。

2 實驗裝置與方法

2.1 實驗裝置

本研究應(yīng)用的污泥帶式干燥機采用3 層傳送網(wǎng)帶結(jié)構(gòu)，利用熱泵系統(tǒng)進行供熱。建設(shè)的泥層壓降測試實驗裝置如圖1 所示，空腔干燥箱設(shè)計成圓柱體，上、下端均設(shè)有氣流均布格柵。用于盛放污泥的孔板托盤直徑與干燥箱內(nèi)腔一致，通過稱重系統(tǒng)懸吊在干燥箱內(nèi)部，設(shè)計成恰好接觸干燥腔內(nèi)壁而不與其發(fā)生擠壓碰撞，實驗時關(guān)閉干燥箱箱門，在密閉空間內(nèi)對污泥進行干燥實驗。

圖1 污泥熱風(fēng)干化壓降測試裝置示意

在本研究中，污泥經(jīng)過擠壓生成一定尺寸的泥條自然掉落在托盤上，攤鋪成一定厚度的污泥層，高溫空氣自下而上進入干燥箱，經(jīng)過格柵的整流作用形成均勻分布的氣流對污泥層進行對流干燥，其中托盤的開孔規(guī)格與帶式干燥機不銹鋼網(wǎng)帶的開孔規(guī)格一致。在熱風(fēng)穿透托盤和污泥層的過程中產(chǎn)生壓力損失（壓降），其中壓降為動壓差與靜壓差之和。由于干化段上、下游管道尺寸未變，動壓影響較小，因此可以直接用靜壓差表示泥層壓降。本研究分別在孔板托盤的上方和下方設(shè)置靜壓測試口，通過壓差計測量孔板托盤上、下方的壓損數(shù)值。

2.2 實驗方法

本研究著重考察泥條直徑、泥層厚度、污泥干化過程中不同含水率階段、網(wǎng)帶不同位置、不同熱風(fēng)風(fēng)速（0.25～1.5 m/s）下對污泥層壓降的影響。本研究所用污泥取自某污水處理廠，污泥含水率約85%，污泥壓實密度為923.6 kg/m3。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 孔板壓降空白實驗

孔板托盤會在干化過程產(chǎn)生局部壓降，因此在研究泥層的壓降之前，對孔板壓降進行空白實驗，以排除孔板對泥層壓降測試的影響。本研究在70 ℃、RH 5%的工況條件下進行。當(dāng)孔板托盤內(nèi)未放置污泥時，分別設(shè)定進風(fēng)風(fēng)速為0.25，0.50，0.75，1.00，1.50 m/s，測試孔板產(chǎn)生的壓降，結(jié)果見圖2。在不同風(fēng)速下，孔板的壓降分別為0，0，0，1.0，7.0 Pa，表明低風(fēng)速下孔板產(chǎn)生的壓降極小，可忽略不計，而當(dāng)風(fēng)速提高至1.50 m/s 時，孔板托盤產(chǎn)生的壓降為7.0 Pa，則不可忽略。后續(xù)實驗在不同風(fēng)速下得到的實測壓降值減去孔板壓降值，即可得到泥層的實際壓降值。

圖2 不同風(fēng)速下的孔板壓降分布

3.2 不同泥條直徑對壓降的影響

工業(yè)應(yīng)用的帶式干燥機在進行干化作業(yè)前，為了降低污泥內(nèi)水分的傳質(zhì)和蒸發(fā)路徑，會優(yōu)先利用成型機將污泥切割成不同尺寸的泥條再進行干化，而不同直徑的泥條組成泥層的干化效果也有所差異。因此本研究參考工業(yè)應(yīng)用中將污泥壓條成型制得5，7，9 mm 3 種常用的泥條直徑，于孔板托盤內(nèi)攤鋪成50 mm 厚的污泥層，孔板托盤規(guī)格為：（π×100 mm2）×50 mm。

泥條不同直徑下測得的堆積密度和孔隙率見表1。

表1 不同泥條直徑下的泥層堆積密度和孔隙率

從表1 中可以看出，泥條直徑從5 mm 增加到7 mm 時，污泥層的堆積密度從587.3 kg/m3降低到539.3 kg/m3，原因為泥條直徑增加時，泥層孔隙率從34.4%提高至41.6%，從而降低了泥層的堆積密度。但當(dāng)泥條直徑進一步提高至9 mm 時，泥層的孔隙率卻降低至35.8%，泥層對應(yīng)的堆積密度提高至592.7 kg/m3，這是因為當(dāng)泥條直徑再度增加后，在壓條成型過程中由于泥條的自重增加，使其容易斷裂成小的泥粒，泥粒的體積小，比表面積大，在攤鋪過程中容易形成緊湊夯實的泥層［5］。此外，泥條直徑在5 mm 時的泥層孔隙率低于泥條直徑9 mm 時的泥層孔隙率，但是泥層堆積密度卻更低，造成這一反?，F(xiàn)象的原因是5 mm 泥條成型過程中受到的擠壓力更大，在泥條成型過程中部分間隙水被脫除，使得泥層的堆積密度降低。最終測得不同泥條直徑下泥層產(chǎn)生的壓降結(jié)果見圖3。

圖3 不同泥條直徑對污泥層壓降的影響

從圖3 中可以看出，當(dāng)風(fēng)速提高至1.50 m/s時，9 mm 泥條直徑堆積的泥層產(chǎn)生的壓降最高，為79.1 Pa。3 種不同泥條直徑下泥層的壓降差異并不顯著，且未發(fā)現(xiàn)規(guī)律性變化。

3.3 不同泥層厚度對壓降的影響

本研究選用7 mm 的泥條，對不同厚度下污泥層的壓降進行測試，泥層堆積密度和孔隙率隨泥層厚度的變化關(guān)系見表2。從表2 可以看出，當(dāng)泥層厚度從30 mm 增加到70 mm 時，污泥層的堆積密度從548.9 kg/m3降低至517.0 kg/m3，但當(dāng)泥層厚度進一步提高至90 mm 時，泥層的堆積密度卻提高至590.3 kg/m3。分析原因為：當(dāng)泥層厚度增加時，污泥條之間形成的搭橋越多，容易“架空”污泥層，所以泥層孔隙率會增加，但是泥層厚度過高時，受污泥自重影響，導(dǎo)致搭橋塌陷、污泥壓實，從而使得污泥層的孔隙率降低［6］。

表2 不同厚度下的泥層堆積密度和孔隙率

不同泥層厚度下的壓降變化如圖4 所示。當(dāng)泥層厚度提高時，泥層的壓降也隨之增加，且泥層壓降隨風(fēng)速的提高而顯著增加。泥層厚度為30 mm 時，當(dāng)風(fēng)速從0.25 m/s 提高至1.50 m/s 時，泥層的壓降從0 Pa 提升至38.4 Pa；但是在泥層厚度為90 mm時，當(dāng)風(fēng)速從0.25 m/s 提升至1.50 m/s 時，泥層的壓降則從0 Pa 顯著提高至203.2 Pa。這是因為泥層厚度越大，氣流穿透泥層所需克服的阻力越大［7］。

圖4 不同泥層厚度對污泥層壓降的影響

3.4 干燥過程不同含水率下泥層的壓降變化

在帶式干燥機的運行過程中，污泥在傳送網(wǎng)帶的輸送過程中不斷被干化，污泥的含水率也在實時發(fā)生變化。在污泥的干化作業(yè)中，為了便于污泥的終端處置，通常需將濕污泥干化至含水率為30%～40%［8］，甚至更低。本研究采用7 mm 的泥條，鋪設(shè)成50 mm 厚的泥層，當(dāng)污泥干化至含水率分別為80%，70%，60%，50%，40%時，考察污泥層產(chǎn)生的壓降變化，結(jié)果見圖5。

圖5 干化過程不同含水率條件下污泥層壓降的變化

從圖5 中可以看出，隨著干化過程污泥含水率的降低，泥層的壓降呈逐級降低趨勢，這歸咎于污泥干化過程中泥條發(fā)生收縮并皸裂，從而導(dǎo)致泥層的孔隙率增加，泥層厚度降低，從而降低了氣流吹掃穿透泥層的壓降［9］。值得注意的是，在同一風(fēng)速下，污泥層大部分的壓降集中發(fā)生在含水率從80%至70%的干化段，這是因為半數(shù)的失水量發(fā)生在這一階段，其間污泥形態(tài)已經(jīng)發(fā)生了較大改變。當(dāng)污泥含水率從80%降至70%時，失水量高達1.67 g水/g干基，數(shù)值上等同于含水率從70%降低至40%時的污泥失水量。

3.5 帶式干燥機不同位置處的泥層壓降

工業(yè)應(yīng)用的帶式干燥機在干化污泥的作業(yè)中情況更為復(fù)雜，本研究用的帶式干燥機采用下進風(fēng)方式，熱風(fēng)依次自下向上穿透第三層、第二層和第一層的網(wǎng)帶對污泥進行干化，干燥機設(shè)計熱風(fēng)風(fēng)速0.6～0.9 m/s。本研究分別測得1 層網(wǎng)帶進口、1～2 層網(wǎng)帶交界處、2～3 層網(wǎng)帶交界處和3 層網(wǎng)帶出口處的污泥含水率分別為85.24%，79.31%，70.16%，42.01%；各個位置處泥層的堆積密度為699.4，582.9，570.0，540.0 kg/m3。這說明隨著干化過程的進行，污泥含水率和堆積密度逐步降低。在保持各個位置處污泥層的堆積形態(tài)、泥層厚度等條件不變的情況下，利用泥層壓降檢測實驗裝置，分別測得泥層的壓降變化，結(jié)果見圖6。

圖6 干燥機不同位置處的泥層壓降

從圖6 中可以看出，在0.75 m/s 風(fēng)速下，1 層網(wǎng)帶進口的壓降為22.5 Pa、1～2 層網(wǎng)帶交界處泥層的壓降為16.2 Pa、2～3 層網(wǎng)帶交界處泥層的壓降為10.5 Pa，3 層網(wǎng)帶出口的泥層壓降為6.4 Pa。上述現(xiàn)象表明，隨著干化作業(yè)的進行，各位置的污泥層壓降逐步降低。此外，在本研究工況中，在1 m/s 的限定風(fēng)速下，計算得出3 層網(wǎng)帶上污泥層產(chǎn)生的總壓降達到了71.5 Pa。上述結(jié)果能夠為干燥機的選型設(shè)計提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

通過實驗研究表明，不同工況下泥層產(chǎn)生的壓降各不相同：（1）由于泥層會阻礙氣流運動，泥層產(chǎn)生的壓降都顯著高于空載時的孔板產(chǎn)生的壓降，且壓降會隨著風(fēng)速的提高而顯著增加。（2）5，7，9 mm 3 種不同泥條直徑下泥層的壓降差異并不顯著，且未發(fā)現(xiàn)規(guī)律性變化。（3）30，50，70，90 mm 的泥層厚度下，泥層的壓降隨厚度的提高而增加。（4）在干化至80%，70%，60%，50%，40%的不同的含水率階段，隨著干化過程污泥含水率的降低，泥層的壓降逐步減小，且泥層大部分的壓降集中在含水率80%至70%的干化段。（5）隨著干化作業(yè)的進行，各位置的污泥層壓降逐步降低，在1 m/s 的限定風(fēng)速下，計算各層網(wǎng)帶上污泥層產(chǎn)生的總壓降達到71.5 Pa。