趙 權(quán) ，高愛華 ，劉 玥*，李志勇 ，毛 迪 ，郭 榕

(1.中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.鄭州市污水凈化有限公司，河南 鄭州 450000；3.鄭州市格沃環(huán)保開發(fā)有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著人口的增長，城市規(guī)模的進一步擴大，污水處理廠的處理量不斷增加。截止2020年底，我國污水處理量高達1.92×108m3/d，由此產(chǎn)生的污泥量突破6 000×107m3/a(以含水率80%計)[1-2]。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國污泥處理處置深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計2022年我國污泥產(chǎn)生量將突破9 000 萬t[3]。

污泥作為污水處理的副產(chǎn)物，含有大量氮、磷等植物生長所需的有機物，同時含有大量病原體、重金屬等有害物質(zhì)，這些物質(zhì)會限制污泥作為肥料的應(yīng)用[4-5]。污泥中含有大量有機物，易發(fā)腐發(fā)臭，處理不當(dāng)對環(huán)境及人類健康危害性極大[6]。目前污泥處理處置的方法主要有衛(wèi)生填埋、焚燒、熱解、土地利用和建材利用等[7]。其中熱解具有高溫殺菌、固定重金屬、產(chǎn)生可燃性氣體等特性，被認為是減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化極其重要的污泥處理處置方式[8-10]。但含水率較高的污泥不利于熱解反應(yīng)，需要經(jīng)過熱干燥預(yù)處理將污泥含水率降至20%左右才能符合熱解要求[11]。干燥不僅能夠降低污泥含水率，減小污泥容積，還具有殺菌消毒等功效[12]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對污泥干燥領(lǐng)域做了大量研究。LI等[13]以脫水污泥為研究對象，研究發(fā)現(xiàn)添加1%堿和2%工業(yè)木質(zhì)素纖維具有最大的發(fā)泡率。DENG等[14]以脫水污泥為研究對象，以CaO為添加劑，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)CaO和脫水污泥添加比為1∶100時干燥效率提高135%。LOUARN等[15]研究了3 mm的污泥在20～60 ℃干燥溫度下的對流、傳導(dǎo)和聯(lián)合干燥實驗，并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。張緒坤等[16]設(shè)計了5、10、15 mm的薄層污泥在干燥溫度為50～90 ℃，風(fēng)速為0.4、0.6、0.8 m/s的正交試驗。研究發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)工藝參數(shù)為干燥溫度90 ℃、薄層厚度10 mm、風(fēng)速0.8 m/s。MA等[17]研究了電滲析脫水污泥的干燥特性，研究發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后，污泥黏附性降低。與未預(yù)處理污泥相比，污泥干化速率更高。于鎮(zhèn)偉等[18]研究了干燥溫度與升溫速率對污泥干燥過程中的質(zhì)量、失重率、含水率、熱量的影響，并建立了數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，二次模型的預(yù)測值與實測值決定系數(shù)為0.992 4，均方根誤差和殘差平方和分別為0.035和0.032。在污泥干燥領(lǐng)域眾多研究中，關(guān)于板框壓濾機壓濾后市政污泥干燥性能的相關(guān)研究較少。

為了研究市政污泥經(jīng)板框壓濾機壓濾后的干燥性能，本論文采用恒溫干燥的方式對經(jīng)板框壓濾機壓濾后的粒徑<10 mm的污泥顆粒進行實驗研究，分析污泥顆粒粒徑大小對干基含水率、干燥速率、干燥后粒徑大小的影響，探討溫度對干基含水率、干燥速率、揮發(fā)分含量等因素的影響。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

本實驗以某熱解氣化廠經(jīng)板框壓濾機處理后粒徑<10 mm的污泥顆粒為研究對象，該污泥的理化性質(zhì)：水分66.739 9%、揮發(fā)分16.210 1%、灰分15.191 2%、固定碳1.858 8%。

1.2 實驗方法

實驗儀器：電子天平，ML204T/02，梅特勒-托利多(上海)有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱，101-2型，北京科偉永興儀器有限公司。實驗步驟：稱取(1±0.1) g不同粒徑的污泥顆粒置于干燥箱中，分別于95、105、115 ℃溫度下進行恒溫干燥實驗，每隔5 min稱取污泥的質(zhì)量，直至烘至恒重。為避免實驗誤差，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，樣品采用一式9份重復(fù)實驗，且每次只放入同一粒徑的污泥顆粒。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制干燥曲線及干燥速率曲線，探究粒徑、溫度對污泥干燥性能的影響。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

污泥實時含水率，即

式中：wt，污泥實時含水率，gH2O/g；mo，污泥的初始質(zhì)量，g；mt，干燥至t時刻質(zhì)量，g；me，干燥至恒重的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑對污泥顆粒恒溫干燥過程的影響

2.1.1粒徑>3 mm的污泥顆粒恒溫干燥過程的變化為了研究污泥顆粒在恒溫干燥過程中的干燥性能，考察了粒徑>3 mm的污泥顆粒干燥過程中干基含水率的變化，結(jié)果見圖1。

圖1 粒徑為3～10 mm的污泥顆粒在105 ℃的干燥曲線圖

從圖1可看出，在105 ℃恒溫條件下，粒徑與干燥至恒重的時間、干燥至恒重的干基含水率與粒徑成正比。如粒徑3～4 mm、5～6 mm、6～7 mm的污泥顆粒干燥至恒重的時間分別為40、45、50 min；干燥至恒重時的干基含水率分別為0.060 0、0.065 2、0.067 7 gH2O/g。粒徑為9～10 mm、8～9 mm、7～8 mm的污泥顆粒在55 min時干燥至恒重，干基含水率分別為0.081 9、0.095 2、0.100 2 gH2O/g。這是因為污泥顆粒粒徑的減小，有效增大了其表面積，減小了內(nèi)部水向污泥表面?zhèn)髻|(zhì)的距離，說明粒徑對污泥恒溫干燥過程有著重要影響。

為了進一步研究粒徑>3 mm的污泥顆粒恒溫干燥過程中的干燥性能，考察了粒徑為3～10 mm的污泥顆粒在干燥過程中干燥速率與干基含水率的關(guān)系，結(jié)果見圖2(a)。從圖2可以看出，不同粒徑的污泥顆粒在恒溫干燥過程主要由加速與減速階段組成，部分污泥出現(xiàn)明顯的恒速干燥階段。所有污泥顆粒的加速段均在前10 min，且均在10 min附近達到最大干燥速率。其中粒徑為3～4 mm的污泥顆粒干燥速率最大，為0.736 9 gH2O/(g·min)。然而粒徑為8～9 mm、9～10 mm的污泥顆粒在加速干燥階段后(10～15 min)出現(xiàn)明顯的恒速干燥階段，其他粒徑的污泥顆粒恒速干燥階段不明顯。這是由于恒速干燥階段受污泥粒徑等因素影響，污泥顆粒粒徑越小，內(nèi)部水分含量越少，水分傳質(zhì)距離越短，恒速階段持續(xù)的時間越短。粒徑為8～9 mm的污泥顆粒結(jié)束恒速干燥階段(15 min時)的干基含水率為1.273 8 gH2O/g，粒徑為9～10 mm、7～8 mm的污泥顆粒在15 min的干基含水率分別為1.188 9 gH2O/g(已進入減速干燥階段)、1.300 3 gH2O/g(未進入減速干燥階段)，說明不同粒徑的污泥顆粒在105 ℃恒溫條件下進入減速干燥階段的臨界干基含水率在1.270 0 gH2O/g附近。

圖2(b)為時間與干燥速率的曲線圖。結(jié)合圖2(a)可以看出，不同粒徑的污泥顆粒干燥速率曲線均在25～30 min相交，交點前粒徑較大的污泥顆粒的干燥速率較小，交點后反之。如粒徑為9～10 mm、3～4 mm的污泥顆粒交點前的瞬時干燥速率分別為0.041 05、0.045 09 g/(g·min)，交點后為0.035 06、0.029 53 gH2O/(g·min)。因此可以將同一恒溫狀態(tài)下，不同粒徑的污泥顆粒干燥速率的交點作為第一減速干燥階段和第二減速干燥階段的臨界干基含水率的分界點。

圖2 粒徑為3～10 mm的污泥顆粒在105 ℃恒溫狀態(tài)下的干燥速率曲線圖

2.1.2粒徑<3 mm的污泥顆粒恒溫干燥中的變化為了進一步研究粒徑與干燥速率的關(guān)系，考察了粒徑<3 mm的污泥顆粒在105 ℃恒溫狀態(tài)下干基含水率的變化，結(jié)果見圖3。

圖3 粒徑<3 mm的污泥顆粒在105 ℃恒溫狀態(tài)下的干燥曲線圖

結(jié)合圖1可以看出，粒徑<3 mm的污泥顆粒干燥曲線總體上與3～4 mm趨勢基本相同，但曲線整體呈現(xiàn)出相互纏繞的現(xiàn)象。從圖3(b)可以明顯看出粒徑<1 mm的污泥顆粒在10 min時的干基含水率大于粒徑為2～3 mm、1～2 mm的顆粒，干基含水率分別為1.336 3、1.292 7、1.314 8 gH2O/g，20 min時反之，粒徑越小顆粒污泥的干基含水率越低。圖4(a)為粒徑<3 mm的干燥速率曲線圖，曲線現(xiàn)象和圖3一致，呈現(xiàn)出紊亂的狀態(tài)。從圖4(b)可看出，粒徑為2～3 mm、1～2 mm、<1 mm的污泥顆粒在5 min時瞬時干燥速率分別為0.073 9、0.069 18、0.067 03 gH2O/(g·min)，此時粒徑<1 mm的污泥顆粒均小于其他粒徑污泥顆粒的干燥速率；20 min時反之，粒徑<1 mm的污泥顆粒均大于其他粒徑污泥顆粒的干燥速率。因此可以確定粒徑是污泥干燥曲線及干燥速率曲線紊亂的主要影響因素。

圖4 粒徑<3 mm的污泥顆粒在105 ℃的干燥速率曲線圖

為進一步研究粒徑<3 mm的污泥顆粒干燥曲線、干燥速率曲線的紊亂現(xiàn)象，考察了不同污泥顆粒在105 ℃恒溫干燥后的粒徑分布，結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出，在105 ℃恒溫狀態(tài)下，粒徑>3 mm的污泥顆粒干燥至恒重后存在明顯的濃縮現(xiàn)象。如粒徑9～10 mm的污泥顆粒經(jīng)恒溫干燥后過篩分別產(chǎn)生5.99%、71.43%、21.87%、0.71%粒徑為7～8 mm、6～7 mm、5～6 mm、<1 mm的污泥顆粒；粒徑為9～10 mm、8～9 mm、7～8 mm、6～7 mm、5～6 mm、4～5 mm、3～4 mm的污泥顆粒干燥至恒重分別產(chǎn)生0.71%、0.72%、0.68%、0.94%、0.76%、1.54%、1.46%粒徑<1 mm的污泥顆粒，說明在恒溫干燥過程中，粒徑>3 mm的污泥顆粒穩(wěn)定濃縮，無明顯破碎現(xiàn)象。粒徑<3 mm的污泥顆粒在105 ℃恒溫狀態(tài)下存在明顯的粒徑增大現(xiàn)象，如粒徑1～2 mm的污泥顆粒過篩后存在3.65%粒徑2～3 mm的污泥顆粒，粒徑<1 mm的污泥顆粒過篩后存在1.48%粒徑2～3 mm的污泥顆粒及7.38%粒徑1～2 mm的污泥顆粒。污泥中含有間隙水、毛細水、吸附水和結(jié)合水，其中吸附水是由于表面張力作用吸附在污泥顆粒表面的水分，具有極強的表面吸附力[19-20]。粒徑<3 mm的污泥顆粒質(zhì)量較輕，相互接觸時會由于吸附水的表面吸附力形成粒徑較大的污泥顆粒，同時在恒溫干燥中粒徑不規(guī)則的增大會造成干燥曲線及干燥速率曲線紊亂，由此說明顆粒間的吸附水具有不利影響。結(jié)合圖1～4可以確定，在105 ℃恒溫干燥條件下，粒徑為3～4 mm的污泥顆粒具有干燥至恒定的時間短，干燥至恒定的干基含水率低，高干燥速率以及干燥過程穩(wěn)定等優(yōu)勢。

2.2 溫度對污泥顆粒恒溫干燥過程的影響

為了進一步研究粒徑為3～4 mm污泥顆粒的干燥性能，考察了其在不同溫度下的干燥曲線，結(jié)果見圖6(a)。由圖6可以看出，干燥至恒定的時間、干燥至恒定的干基含水率與溫度成反比。如在95、105、115 ℃的恒溫條件下，粒徑為3～4 mm的污泥顆粒干燥至恒定的時間為55、40、40 min，干基含水率分別為0.094 8、0.060 0、0.055 3 gH2O/g。圖6

圖6 粒徑3～4 mm的污泥顆粒不同溫度下的干燥曲線圖和干燥速率曲線圖

(b)為干燥速率曲線圖，由圖6(b)可以看出，隨著溫度的升高，污泥的干燥速率呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，95 、105、115 ℃均在10 min附近達到最大干燥速率，瞬時干燥速率分別為0.066 44、0.073 69、0.088 56 gH2O/(g·min)，115 ℃與105 ℃是105 ℃與95 ℃最大干燥速率差值的2.05倍，最大干燥速率差值分別為0.148 7、0.072 5 gH2O/(g·min)。說明溫度是同一粒徑的污泥顆粒恒溫干燥過程中的重要因素。

粒徑為3～4 mm的污泥顆粒在95、105、115 ℃恒溫干燥后的理化性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 粒徑為3～4 mm的污泥顆粒在不同溫度下的理化性質(zhì)

結(jié)合圖6可以看出，在95、105、115 ℃恒溫干燥條件下，粒徑為3～4 mm的污泥顆粒干燥至恒重后水分含量、揮發(fā)分含量與恒溫溫度成反比。如95、105、115 ℃的水分含量分別為8.656 27%、5.660 47%、5.240 3%。去除水分的影響，折合為干基，95、105、115 ℃恒溫干燥條件下?lián)]發(fā)分的含量分別為47.147 1%、47.018 3%、46.855 3%，說明溫度升高，一些VOCs(揮發(fā)性有機物)達到沸點以氣體的形式揮發(fā)。溫度由105 ℃升至115 ℃水分含量差值、揮發(fā)分含量差值分別為0.420 0%、0.163 0%，揮發(fā)分含量差值約為95 ℃升至105 ℃的1.27倍。這就說明恒溫溫度105 ℃相對于95 ℃具有更高的干燥效率、更低的水分含量，相對于115 ℃具有幾乎相同的干燥效率及更低的VOCs揮發(fā)量。

3 結(jié)論

①粒徑為3～10 mm的污泥顆粒在105 ℃恒溫條件下干燥至恒重的時間和干基含水率與粒徑大小成正比；粒徑<3 mm的污泥顆粒由于吸附水的吸附作用形成較大顆粒，在恒溫過程中具有負影響作用。②當(dāng)污泥粒徑均為3～4 mm，恒溫溫度105 ℃相對于95 ℃具有更高的干燥效率、更低的水分含量，相對于115 ℃具有幾乎相同的干燥效率及更低的VOCs揮發(fā)量。③粒徑<10 mm的污泥顆粒最佳干燥條件為：恒溫溫度105 ℃、粒徑3～4 mm。