石灰調(diào)質(zhì)污泥恒溫干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型研究*

丁 晶 葛仕福 楊敘軍 涂 勇 李 淵 田甲蕊

（1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 2.無(wú)錫國(guó)聯(lián)環(huán)?？萍加邢薰?3.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院)

干燥技術(shù)

石灰調(diào)質(zhì)污泥恒溫干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型研究*

丁 晶**1葛仕福1楊敘軍2涂 勇3李 淵1田甲蕊1

（1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 2.無(wú)錫國(guó)聯(lián)環(huán)?？萍加邢薰?3.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院)

對(duì)添加石灰的市政污泥進(jìn)行恒溫干燥實(shí)驗(yàn)，研究在不同的石灰添加量和不同的溫度條件下污泥干燥特性、有效水分?jǐn)U散系數(shù)和干燥活化能。結(jié)果表明：高溫干燥時(shí)，石灰添加量的增加對(duì)平均干燥速率以及有效擴(kuò)散系數(shù)的提高影響顯著，低溫干燥時(shí)影響不顯著；石灰的添加可以降低干燥活化能；基于Modified Page模型建立的通用干燥模型能準(zhǔn)確地描述石灰調(diào)質(zhì)污泥的干燥特性；模型方程預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值吻合，均方根誤差為0.32%。

干燥 污泥 石灰 干燥動(dòng)力學(xué) 干燥活化能 水分?jǐn)U散系數(shù)

0 前言

隨著污水處理量及處理率的逐年提高，污泥產(chǎn)量急劇增加。全國(guó)每年污泥總產(chǎn)量已達(dá)3000萬(wàn)t[1-2]。污泥含水率高、易腐爛、有惡臭、含有大量寄生蟲卵與病原微生物，如不加以妥善處理，將會(huì)造成二次污染[3]。干化是污泥處置的關(guān)鍵。目前主要的干化方法是熱干化，其成本很高，很難全面推廣使用[4-5]。采用石灰調(diào)質(zhì)及自然干燥或低溫干燥，投資少、運(yùn)行成本低。目前在污泥石灰調(diào)質(zhì)對(duì)污泥穩(wěn)定性、臭度控制、重金屬鈍化和建材利用等的影響方面已開展了大量的研究工作[6-9]，而對(duì)石灰調(diào)質(zhì)后污泥干燥過程的熱傳遞特性、恒溫干燥特性等方面研究還很少。

本文研究調(diào)質(zhì)污泥時(shí)石灰的用量和干燥溫度對(duì)污泥干燥特性的影響規(guī)律，以及石灰用量對(duì)干燥能耗的影響，分析干燥曲線，建立干燥模型，對(duì)比分析模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型正確性，并進(jìn)而對(duì)石灰調(diào)質(zhì)污泥的干燥優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原材料及實(shí)驗(yàn)裝置

污泥取自南京某污水處理廠脫水間，生石灰為粉末狀， 純度≥98%。實(shí)驗(yàn)用天平為精度0.01 g的梅特勒-托利多電子天平，紅外線快速水分測(cè)定儀,稱重范圍為 0～90 g，測(cè)溫范圍為293～523 K，稱重最小讀數(shù)0.001 g，功率為270 W，頻率為50 Hz，分辨率為 0.000 1 K，以及恒溫干燥箱（42 cm×30 cm×30 cm）、氣壓式壓濾機(jī)和攪拌器。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取300 g污泥，其初始含水率測(cè)定為 75%～77%。污泥經(jīng)過氣壓式壓濾機(jī)壓濾90 min后，測(cè)定含水率為 64%～65%，壓濾機(jī)設(shè)置壓力為 1.2 MPa。將污泥分為4等分，分別向污泥中加入生石灰，生石灰添加量（CaO）與污泥總固體量（TS）之比分別為0、0.2、0.3、0.4，將污泥置于攪拌器中進(jìn)行攪拌處理。將攪拌后的污泥制成粒徑為2～4 mm的小球。將石灰調(diào)質(zhì)后的污泥放進(jìn)恒溫干燥箱，干燥溫度分別設(shè)定為50、70、90、110、130℃。干燥時(shí)每隔60 s采集并記錄樣品的實(shí)時(shí)質(zhì)量，即可得到污泥中被蒸發(fā)的水分質(zhì)量，直到數(shù)據(jù)不再變化。

為減少隨機(jī)誤差，所有實(shí)驗(yàn)均做3組平行樣，以3組數(shù)據(jù)的平均值來(lái)繪制含水率和干燥速率隨時(shí)間變化的曲線。

1.3 數(shù)據(jù)處理

設(shè)污泥含水率（MR）為：

式中 Mt——干燥過程中污泥干基含水率，g/g；

M0——初始污泥干基含水率，g/g；

Me——干燥平衡時(shí)污泥干基含水率，g/g。

干燥速率是指單位質(zhì)量絕干物料在單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水量：

式中 DR——干燥速率，g/（g·s）；

W′——蒸發(fā)的水分量，g；

t——干燥時(shí)間，s；

Mt+Δt——t+Δt時(shí)刻污泥干基含水率，g/g。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溫度對(duì)干燥過程的影響

圖2示出了不同溫度下、生石灰添加量與污泥總固體量之比為CaO/TS=0.3時(shí)的干燥曲線。 圖3示出了含水率降至30%時(shí)，干燥時(shí)間隨干燥溫度的變化曲線。隨著溫度的升高，干燥所需的時(shí)間縮短；在CaO/TS=0、干燥溫度為70℃條件下，含水率下降至30%所需的時(shí)間是29 min，是110℃條件下所需時(shí)間（10 min）的2.9倍，是130℃條件下所需時(shí)間（5 min）的5.8倍。此外，由圖3能看出，添加石灰也能縮短干燥時(shí)間。

圖2 不同溫度下污泥含水率隨時(shí)間的變化曲線

圖3 污泥干燥時(shí)間t隨溫度T的變化曲線

2.2 石灰添加量對(duì)干燥速率曲線的影響

圖4示出了石灰添加量對(duì)污泥干燥特性的影響。由圖4可以看出，干燥過程中未出現(xiàn)等速干燥階段，初始階段平均干燥速率下降較快，當(dāng)含水率MR較小時(shí)，干燥速率勻速下降。污泥顆粒的最大干燥速率隨著石灰添加量的增大而變大。以溫度110℃為例，當(dāng)CaO/TS=0.4及0時(shí)，污泥的最大干燥速率分別為4.18 mg/(g·s)、2.79 mg/(g·s)，前者是后者的1.5倍。這是由于向污泥中投加CaO后，產(chǎn)生電性中和和吸附架橋的作用，破壞了污泥膠體顆粒的穩(wěn)定[10-13]。石灰還會(huì)破壞以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的細(xì)胞壁和酶、酸性RNA、碳水化合物的細(xì)胞組織和油質(zhì)，釋放污泥顆粒中的細(xì)胞水，從而提高污泥的干燥速率。

圖4 不同石灰添加量時(shí)干燥速率曲線

單位質(zhì)量絕干物料總干燥時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的總水量，稱為平均干燥速率。圖5示出了石灰添加量對(duì)平均干燥速率的影響。干燥溫度為50℃時(shí)，平均干燥速率受石灰添加量的影響較小。溫度為130℃時(shí)，石灰添加量對(duì)平均干燥速率的影響很大。

圖5平均干燥速率隨CaO/TS變化曲線

3 干燥模型分析

3.1 干燥模型

建立干燥模型對(duì)探索干燥規(guī)律、預(yù)測(cè)不同工藝下的干燥參數(shù)，具有重要意義。物料干燥是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱、傳質(zhì)過程， 它不僅受干燥條件影響， 而且隨物料種類、結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)的不同而有所差異[14]。表1給出了3種常見薄層干燥模型的表達(dá)式及線性化處理后的計(jì)算公式。

表1 幾種薄層干燥模型表達(dá)式

采用3種薄層干燥模型，對(duì)不同CaO添加量在50、70、90、110、130℃下的干燥過程進(jìn)行擬合。以CaO/TS=0.3為例，表2列出了3種模型的擬合結(jié)果。由表2可知，Modified Page模型的相關(guān)性系數(shù)R2大和方差X2小，這說(shuō)明這些模型能較好地模擬石灰調(diào)質(zhì)污泥的干燥過程。本文基于Modified Page模型，建立了通用模型。

其中：基本風(fēng)壓 W0=750N/m2 (深圳市50年風(fēng)壓取值)；高度修正系數(shù)μz=2.64(建筑物高度按150m取值)；βz=1.0；體型系數(shù) μs=1.3φ(基本值)。

表2 CaO/TS=0.3污泥薄層干燥模型擬合結(jié)果

3.2 通用模型的建立

設(shè)定通用模型方程為：

K和n僅與干燥溫度T有關(guān)，假設(shè)其關(guān)系為二次多項(xiàng)式:

f僅與污泥添加量P有關(guān)，假設(shè)其為線性關(guān)系：

利用最小二乘法原理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到：

擬合結(jié)果表明，K、n、 f的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.97，表明以上假設(shè)是合理的。

3.3 通用模型驗(yàn)證

圖6為不同CaO/TS比、不同溫度下的實(shí)驗(yàn)值MR和通用模型的預(yù)測(cè)值MR的關(guān)系。由圖6可以看出，預(yù)測(cè)值MR和實(shí)驗(yàn)值MR分布在45°斜線的周圍，即兩值近似相等，計(jì)算出均方根誤差為0.32%，說(shuō)明通用模型能較好地描述石灰調(diào)質(zhì)污泥的干燥過程。

圖6實(shí)驗(yàn)值MR和通用模型預(yù)測(cè)值MR的比較

4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)及干燥活化能

污泥石灰調(diào)質(zhì)干燥過程中的傳質(zhì)現(xiàn)象主要是外部水分的蒸發(fā)和內(nèi)部水分的遷移?？梢允褂肍ick第二定律來(lái)描述干燥過程中的水分?jǐn)U散規(guī)律[15]，

其計(jì)算公式如下：

式中 Deff——有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；

L——干燥薄層的厚度，m；本次實(shí)驗(yàn)中物料厚度L=3×10-3m；

t——干燥時(shí)間，s。

由于干燥時(shí)間較長(zhǎng)，式 (6)可以近似簡(jiǎn)化為：

對(duì)式 (7)兩邊取自然對(duì)數(shù)得：

圖7 lnMR隨干燥時(shí)間t變化曲線

圖8 有效擴(kuò)散系數(shù)隨石灰添加量的變化曲線

圖7為CaO/TS=0.2時(shí)，lnMR與時(shí)間t的曲線圖，其相關(guān)系數(shù) R2大于 0.98。利用式 (9)以及圖7的斜率可以求出有效擴(kuò)散系數(shù)Deff。圖8示出了污泥在不同干燥溫度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。污泥干燥過程的有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨溫度升高而增加。溫度從110℃升高至130℃時(shí)，不同CaO/TS比的污泥有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別增加了 0.85、1.39、2.10、2.86倍。當(dāng)干燥溫度高于100℃時(shí)，石灰的添加量對(duì)污泥的有效擴(kuò)散系數(shù)影響很大，而低溫干燥時(shí)，石灰添加量的影響不顯著。

4.2 干燥活化能

干燥活化能是表示干燥過程中脫除單位摩爾水分需要的能量，物料的干燥活化能越大，說(shuō)明其干燥越困難。物料有效水分?jǐn)U散系數(shù)與干燥溫度活化能之間關(guān)系，可采用Arrhennius方程計(jì)算：

式中 D0——指前因子， m2/s；

Ea——水分?jǐn)U散的活化能，J/mol；

T——實(shí)驗(yàn)溫度，K；

R——摩爾氣體常數(shù)，為8.3143 J/(mol·K)。

對(duì)式 (10)進(jìn)行線性化處理得到：

由式 (11)可知，有效水分?jǐn)U散系數(shù)的自然對(duì)數(shù)lnDeff與T-1呈線性關(guān)系。 圖9示出了 CaO/TS= 0.2時(shí)lnDeff與T-1的關(guān)系。利用圖9求出的斜率及式 (11)可得到干燥活化能Ea及指前因子D0，計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可知，CaO/TS=0的干燥活化能最大，CaO/TS=0.4干燥活化能最小，說(shuō)明添加石灰有利于污泥的干燥，所需能量相應(yīng)降低。

圖9 CaO/TS=0.2時(shí)溫度與有效擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系

表3 不同CaO/TS比時(shí)的干燥動(dòng)力學(xué)參數(shù)

5 結(jié)論

（1）基于Modified Page模型建立了石灰調(diào)質(zhì)污泥通用干燥模型方程，模型方程預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，均方根誤差為0.32%。

（2）高溫干燥時(shí)，石灰添加量的增加對(duì)平均干燥速率、有效擴(kuò)散系數(shù)的提高影響顯著，但低溫干燥時(shí)影響不顯著。

（3）添加石灰可以降低干燥活化能。

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Study on Isothermal Drying Characteristics and Kinetics Model of Lime Sludge

Ding Jing Ge Shifu Yang Xujun Tu Yong Li Yuan Tian Jarui

Dried the municipal sludge added lime at constant temperature,studied the drying characteristics, effective moisture diffusion coefficient and activation energy of the sludge with different lime addition and under different temperature.The results showed that at high temperature,the average drying rate and the effective diffusion coefficient increased significantly with the increase of lime dosage.However,the influencing effect of lime was not remarkable at low temperature.In addition,the addition of lime could reduce the activation energy.The general drying model based on Modified Page could accurately describe the drying characteristics of lime sludge,the predictor of model equation matched well with the experimental data,and the root mean square error was 0.32%.

Drying;Sludge；Lime；Drying kinetics；Drying activation energy；Moisture diffusion coefficient

TQ 051.8+92

2013-06-19）

水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2010ZX07319-002）；江蘇省2012年環(huán)?？蒲杏?jì)劃（2012033）。

**丁晶，女，1989年生，碩士研究生。南京市，210096。