低溫條件下城市污泥干燥特性及動(dòng)力學(xué)分析

孟慶杭，宋 剛，胡遠(yuǎn)豐，胡光濤，王曉波

(江蘇徐礦綜合利用發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221000)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展，城市污水排放量和處理量逐年上升。2019年，我國城市污水排放量達(dá)554.65億立方米，處理量達(dá)536.93億立方米[1]，含水量為80%的濕污泥產(chǎn)量已達(dá)5514萬噸，呈逐年上升趨勢。污泥中含有的大量水分、重金屬、有機(jī)物、病原菌等，限制了其大規(guī)模利用，而干化處理是污泥大規(guī)模利用的關(guān)鍵前置步驟。如何使用高效、合理的方法去除污泥中的水分，從而實(shí)現(xiàn)污泥的綜合利用成為當(dāng)前污泥處置的熱點(diǎn)問題。因此，研究污泥的干燥特性，掌握污泥干燥的動(dòng)力學(xué)特性具有十分重要的意義。

對于污泥的干燥特性諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。馬學(xué)文等[2]研究了在100～200 ℃下不同質(zhì)量等級污泥顆粒的干燥特性，發(fā)現(xiàn)污泥干燥速率與干燥溫度、有效干燥面積密切相關(guān)。張緒坤等[3]研究了不同厚度污泥在160～280 ℃過熱蒸汽中的薄層干燥特性，得到了干燥模型參數(shù)與干燥溫度、污泥厚度的關(guān)系。吳生禮等[4]研究了50～150 ℃條件下不同厚度污泥的半干燥特性，發(fā)現(xiàn)Midilli模型適用于污泥的半干燥過程。姜瑞勛等[5]對脫水污泥進(jìn)行了熱干燥研究，發(fā)現(xiàn)Logarithmic模型更適用薄層污泥干燥過程，其有效擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而增大。張兆龍等[6]研究了在有無流動(dòng)氣氛環(huán)境和125～200 ℃的溫度條件下，不同比表面積污泥的干化效率，并提出了修正的Page模型。鄭龍等[7]研究了污泥水分比及干燥速率與干燥溫度、相對濕度的關(guān)系，并提出了水分遷移動(dòng)力學(xué)模型。目前污泥干燥方面的研究大多集中在較高溫度下的干燥特性方面，而在低溫下(80 ℃以下)的干燥特性研究較少。本文通過低溫條件下城市污泥不同厚度的干燥實(shí)驗(yàn)，對污泥的干燥動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，得出其干燥模型，分析干燥機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與裝置

城市污泥(含水量為78.90%)，徐州某污水處理廠。

DHG-91408電熱鼓風(fēng)干燥箱，常州市奧聯(lián)科技有限公司；ZYWK-D直源溫控儀，樂清市中唯儀表廠；UX420S電子天平，SHIMADZU。

1.2 試驗(yàn)方法

污泥干燥使用電熱鼓風(fēng)干燥箱，將污泥平鋪在搪瓷托盤中，分別鋪成3 mm、5 mm、7 mm、10 mm厚，放置在干燥箱中，控制加熱溫度為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃，考察不同溫度下不同厚度污泥的干燥特性。通過直源溫控儀測定污泥干燥過程中表層、中層及底層的溫度變化，分析污泥干燥的傳熱過程。

1.3 數(shù)據(jù)處理

(1)污泥干燥過程中任意時(shí)刻的含水量計(jì)算如下：

(1)

式中：M——污泥含水量，g/g

m0——污泥干燥后的質(zhì)量，g

mt——污泥干燥至t時(shí)刻的質(zhì)量，g

(2)污泥干燥速率計(jì)算如下：

(2)

式中：υ——污泥干燥速率，g/(g · min)

Mt——污泥干燥至t時(shí)刻的含水量，g/g

Mt+Δt——污泥干燥至t+Δt時(shí)刻的含水量，g/g

2 結(jié)果與討論

2.1 不同干燥溫度下污泥含水量的變化

不同干燥溫度下污泥的含水量隨干燥時(shí)間的變化如圖1所示。圖中，A、B、C、D分別表示污泥厚度為3 mm、5 mm、7 mm、10 mm的干燥曲線。從圖1中可以看出，在污泥厚度相同的條件下，隨著干燥溫度的提高，污泥干燥速度加快，干燥時(shí)間縮短。實(shí)驗(yàn)中污泥含水量由78.90%降至20%，干燥溫度從40 ℃提高至70 ℃，3 mm、5 mm、7 mm、10 mm厚的污泥干燥時(shí)間分別縮短56.62%、55.14%、53.03%、57.90%。干燥溫度的提高，促使污泥內(nèi)部水分子運(yùn)動(dòng)速度加快，提高了水分蒸發(fā)速度，干燥效率提高。

圖1 不同干燥溫度下的污泥干燥曲線Fig.1 Drying curve of sludge under different temperature conditions

2.2 不同干燥溫度下污泥干燥速率的變化

不同干燥溫度下污泥的干燥速率隨含水量的變化如圖2所示。圖2A、B、C、D分別表示污泥厚度為3 mm、5 mm、7 mm、10 mm的干燥速率曲線。

由圖2可以看出，污泥的干燥過程分為：預(yù)干燥階段、恒速干燥階段及降速干燥階段。污泥在預(yù)干燥階段，隨著污泥溫度的升高，干燥速率逐漸增大，待水分的蒸發(fā)速率與水分在污泥內(nèi)部的擴(kuò)散速率相當(dāng)時(shí)，污泥干燥進(jìn)入恒速干燥階段，此階段蒸發(fā)的主要是污泥中的間隙水。當(dāng)污泥中的含水量降至一定階段后，污泥中的毛細(xì)水和結(jié)合水開始蒸發(fā)，干燥速率降低，干燥進(jìn)入降速干燥階段。從圖2還可以看出，污泥的干燥速率與污泥厚度有著密切的關(guān)系，相同干燥溫度下，隨著污泥厚度的增加，干燥速率呈下降趨勢，這主要是由于污泥厚度增加，污泥中水分?jǐn)U散阻力增大，擴(kuò)散速率降低。

圖2 不同干燥溫度下的污泥干燥速率Fig.2 Drying rate curves of sludge under different temperature conditions

2.3 污泥干燥過程中內(nèi)部各層溫度變化

圖3 污泥干燥過程中各層溫度變化Fig.3 The temperature changes of each layer during the sludge drying process

污泥干燥過程中內(nèi)部各層溫度變化如圖3所示，以干燥溫度70 ℃、污泥厚度10 mm為例。從圖中可以看出，污泥內(nèi)部各層溫度在干燥初期，呈現(xiàn)迅速增加的趨勢，隨著干燥時(shí)間的增加，溫度增加趨勢減緩。在干燥初期，污泥初始溫度為室內(nèi)溫度，放入干燥箱后，與干燥箱內(nèi)溫差大，此時(shí)熱交換用于污泥溫度的升高，溫度由表層向內(nèi)部傳導(dǎo)，污泥各層溫度上升較快，此過程對應(yīng)污泥干燥的預(yù)干燥階段；隨著干燥過程的進(jìn)行，污泥吸收的熱量主要用于污泥中間隙水的蒸發(fā)，污泥吸收的熱量較少，此時(shí)污泥各層的溫度增加趨勢減緩，該過程對應(yīng)污泥干燥的恒速干燥階段；在干燥后期，污泥中的毛細(xì)水和結(jié)合水開始蒸發(fā)，因毛細(xì)水和結(jié)合水的水分結(jié)合能大，不易蒸發(fā)，污泥吸收的熱量多用于自身溫度的提高，污泥各層溫度升高較快，此過程對應(yīng)污泥干燥的降速干燥階段。

2.4 污泥干燥動(dòng)力學(xué)分析

2.4.1 污泥干燥模型分析

污泥的薄層干燥模型可以預(yù)測污泥的干燥過程，分析污泥干燥機(jī)理。常見的污泥干燥模型見表1。

表1 常見污泥薄層干燥模型Table 1 The common drying models of thin-layer sludge

表2 不同污泥干燥模型擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of different sludge drying models

續(xù)表2

表2列出了污泥在50 ℃、厚度7 mm條件下的干燥模型擬合結(jié)果。從表中可以看出，Midilli模型的R2最大，χ2及RSS最小，能很好的模擬污泥干燥過程，通過計(jì)算，其他干燥條件下的擬合結(jié)果具有相同的結(jié)論。表3為污泥在不同干燥條件下Midilli模型擬合結(jié)果，從表中數(shù)據(jù)可以看出，Midilli模型可以很好的模擬低溫條件下的污泥干燥過程，通過模型計(jì)算可以預(yù)測污泥干燥過程，為污泥干燥規(guī)?；a(chǎn)提供理論依據(jù)。圖4為污泥在不同干燥條件下含水量的測定值與Midilli模型擬合值的對比情況，從圖中可以看出，擬合值與測定值具有很好的線性關(guān)系，驗(yàn)證了Midilli模型模擬污泥低溫干燥的正確性。

表3 不同干燥條件下Midilli模型擬合結(jié)果Table 3 Midilli model fitting results under different drying conditions

圖4 污泥水分Midilli模型擬合值與測定值關(guān)系Fig.4 Relationships between fitted value and measured value of sludge moisture for the Midilli model

2.4.2 有效擴(kuò)散系數(shù)

污泥的干燥過程是污泥中的水分從內(nèi)部向外界擴(kuò)散的過程，通過Fick定律可以計(jì)算污泥中水分的有效擴(kuò)散系數(shù)，其計(jì)算式[8]如下：

(3)

式中：Deff——水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

L——污泥厚度，m

n——試驗(yàn)采樣數(shù)量

為便于計(jì)算，將式(3)兩邊同時(shí)取對數(shù)，得到式(4)，由式(4)可以看出，lnM與t呈線性關(guān)系，通過其斜率即可計(jì)算出有效擴(kuò)散系數(shù)。

(4)

表4 不同干燥條件下的污泥水分有效擴(kuò)散系數(shù)Table 4 Effective diffusion coefficient of sludge under different drying conditions

經(jīng)計(jì)算，不同干燥條件下的水分有效擴(kuò)散系數(shù)見表4，從中可以看出相同厚度的污泥，隨著干燥溫度的提高，水分子運(yùn)動(dòng)速度加快，有效擴(kuò)散系數(shù)呈上升趨勢；隨著污泥厚度的增加，有效擴(kuò)散系數(shù)增加較為明顯，厚度從3 mm增加至10 mm，溫度從40 ℃提高至70 ℃，有效擴(kuò)散系數(shù)分別提高了4.04倍、4.26倍、5.00倍、5.17倍。

2.4.3 表觀活化能

根據(jù)Arrhenius方程可以得出有效擴(kuò)散系數(shù)和表觀活化能之間的關(guān)系，其計(jì)算式[9]如下：

(5)

式中：D0——Arrhenius方程指前因子，m2/s

Ea——表觀活化能，kJ/mol

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/(mol·K)

T——干燥溫度，K

將式(5)兩邊同時(shí)取對數(shù)，得式(6)。

(6)

由式(6)可以看出，lnDeff與1/T呈線性關(guān)系，通過其斜率即可計(jì)算出Ea，通過截距即可計(jì)算出D0。經(jīng)計(jì)算，3 mm、5 mm、7 mm、10 mm厚污泥的表觀活化能分別為21.20 kJ/mol、23.13 kJ/mol、26.58 kJ/mol、29.32 kJ/mol。表觀活化能的提高表明，污泥厚度增加，污泥干燥需要吸收更多的熱量。因此，為提高污泥干燥效率、降低能耗，應(yīng)在保證干燥規(guī)模的前提下盡量降低污泥厚度。

圖5 不同厚度污泥l(xiāng)nDeff與1/T的擬合結(jié)果Fig.5 Fitting results between lnDeff and 1/T of sludge under different thicknesses

3 結(jié) 論

(1)在污泥厚度相同的條件下，隨著干燥溫度的提高，污泥干燥速度加快，干燥時(shí)間縮短。相同干燥溫度下，隨著污泥厚度的增加，干燥速率呈下降趨勢。

(2)Midilli模型可以很好的模擬低溫條件下的污泥干燥過程。

(3)3 mm、5 mm、7 mm、10 mm厚污泥在40～70 ℃下的水分有效擴(kuò)散系數(shù)分別為3.610×10-8～7.440×10-8m2/s、5.670×10-8～1.226×10-7m2/s、1.033×10-7～2.562×10-7m2/s、1.459×10-7～3.850×10-7m2/s，表觀活化能分別為21.20 kJ/mol、23.13 kJ/mol、26.58 kJ/mol、29.32 kJ/mol。