污泥干燥動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展

史繼紅

摘 要：污泥產(chǎn)量巨大且成分復(fù)雜，使其急劇減容最有效的方法之一是污泥干燥。干燥動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)污泥干燥具有重要的理論及應(yīng)用指導(dǎo)意義。本文主要從干燥動(dòng)力學(xué)特性、傳熱傳質(zhì)及模型方程三方面對(duì)干燥動(dòng)力學(xué)在污泥干燥中的研究進(jìn)展與應(yīng)用狀況進(jìn)行了論述，并對(duì)其提出了展望。

關(guān)鍵詞：污泥；干燥；動(dòng)力學(xué)；研究進(jìn)展；展望

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)發(fā)展、人口增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，以及污水處理技術(shù)的提高，污泥的產(chǎn)量急劇增加。在污泥產(chǎn)量逐漸增加的同時(shí)，我國(guó)污泥的干燥技術(shù)和裝備卻普遍落后，污泥安全處理處置的有效措施非常有限，僅僅依賴于傳統(tǒng)的干燥技術(shù)已經(jīng)不能滿足目前的污泥現(xiàn)狀。為了避免污泥處理不當(dāng)或不及時(shí)而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，污泥干燥的研究已經(jīng)成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外高度重視的環(huán)保課題。污泥的干燥是一種非常復(fù)雜的傳輸現(xiàn)象，其中包含質(zhì)量、能量和動(dòng)量的傳遞，涉及到流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)等一些基礎(chǔ)學(xué)科，因此大多研究學(xué)者主要是針對(duì)污泥干燥特性以及其在工程應(yīng)用等方面的研究，而關(guān)于污泥干燥的基礎(chǔ)研究及機(jī)理論述方面并不多。干燥動(dòng)力學(xué)，即是研究干燥過程中濕含量與各種支配因素之間的關(guān)系，從宏觀和微觀上間接地反映傳熱傳質(zhì)的變化規(guī)律，這對(duì)深入了解污泥干燥機(jī)理和提高污泥干燥技術(shù)非常有必要。因此，本文對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者在污泥干燥動(dòng)力學(xué)特性、傳熱傳質(zhì)及模型方程方面的研究進(jìn)行了總結(jié)與分析，為污泥干燥機(jī)理的論述及污泥干燥技術(shù)的改進(jìn)提出了展望。

1 國(guó)內(nèi)外污泥干燥動(dòng)力學(xué)的研究狀況

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)污泥干燥進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。污泥是含水率極高的物質(zhì)，易腐敗且有惡臭，一般情況下，經(jīng)濃縮、消化后，尚有95%～97%含水率，經(jīng)機(jī)械脫水后含水率為75%左右，經(jīng)干燥后含水量可降至到20%左右，可見，干燥不但使污泥顯著減容，還極大的改善了污泥臭味、黏度及病原菌等特性，是污泥減量化、無害化和資源化利用的關(guān)鍵一步。準(zhǔn)確定性定量地研究污泥干燥動(dòng)力學(xué)，以便精確的掌握污泥含水量的變化規(guī)律，這對(duì)科學(xué)制定干燥周期、調(diào)節(jié)干燥工藝、設(shè)計(jì)新的干燥工藝、提高效率、降低能耗及干燥設(shè)備的研發(fā)和實(shí)際操作的運(yùn)行等有著重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 污泥干燥動(dòng)力學(xué)特性的研究狀況

污泥干燥速率的變化是干燥過程中濕分遷移的宏觀表現(xiàn)，其變化規(guī)律揭示的實(shí)為污泥干燥內(nèi)部微觀的傳熱傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。在近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)污泥干燥動(dòng)力學(xué)特性研究中，普遍表明污泥的干燥過程可分為加速（又稱加熱或預(yù)熱）階段、恒速階段和降速階段。

1.2 污泥干燥機(jī)理的研究狀況

污泥干燥實(shí)質(zhì)上就是去除水分的過程，而水分的傳輸同時(shí)伴隨著熱量的傳遞，這是一種非常復(fù)雜的傳輸過程。目前污泥干燥學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為污泥干燥過程中水分的去除要經(jīng)過蒸發(fā)和擴(kuò)散兩個(gè)過程。蒸發(fā)過程指的是污泥表面水分的汽化。由于污泥表面的水蒸氣壓低于干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓，從而導(dǎo)致水分從污泥表面遷移到干燥介質(zhì)；擴(kuò)散過程指的是與汽化密切相關(guān)的傳質(zhì)過程。當(dāng)污泥表面水分被蒸發(fā)掉，污泥表面的濕度低于污泥內(nèi)部濕度，此時(shí)，熱量產(chǎn)生的推動(dòng)力將水分從內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面。這兩個(gè)過程持續(xù)、交替的進(jìn)行，說明污泥干燥是由表面水汽化和內(nèi)部水?dāng)U散兩個(gè)相互結(jié)合、同時(shí)并存的過程來完成的。

1.3 污泥干燥動(dòng)力學(xué)模型的研究狀況

近年來，污泥干燥動(dòng)力學(xué)研究主要是對(duì)干燥過程進(jìn)行數(shù)值模擬而得出干燥方程。為此國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)污泥干燥過程的數(shù)值模擬進(jìn)行了大量研究，主要有三個(gè)方面：理論公式推導(dǎo)、干燥曲線的回歸分析、理論和經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，其中污泥薄層干燥研究最廣。到目前為止，國(guó)內(nèi)外研究者提出的薄層干燥模型有很多，一般分為理論與半理論方程、經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)方程。

2 污泥干燥動(dòng)力學(xué)的研究展望

經(jīng)過污泥工作者多年的不斷研究，至今無論是在污泥干燥理論還是實(shí)踐方面都已取得了不少重要的研究成果。但是，由于污泥干燥是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，干燥動(dòng)力學(xué)又是綜合了多個(gè)學(xué)科知識(shí)的交叉學(xué)科，僅依靠目前的研究成果與經(jīng)驗(yàn)還存在一定的局限性。因此，干燥動(dòng)力學(xué)在污泥干燥中的應(yīng)用還需不斷地研究。

2.1 加速熱分析動(dòng)力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用

熱分析動(dòng)力學(xué)是一種新興污泥處理工藝技術(shù)，主要是利用污泥中有機(jī)質(zhì)的熱不穩(wěn)定性在一定條件下可以受熱分解，能有效的使污泥減量化、資源化和無害化。近年來，不少研究者采用熱分析動(dòng)力學(xué)技術(shù)或聯(lián)合干燥動(dòng)力學(xué)方程來研究污泥干燥，獲得了污泥干燥機(jī)理方程、表觀活化能、指前因子、反應(yīng)級(jí)數(shù)和干燥速率常數(shù)等，這對(duì)指導(dǎo)干燥設(shè)備的研發(fā)和實(shí)際操作運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 提高污泥干燥動(dòng)力學(xué)重要參數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確度

污泥干燥有效擴(kuò)散系數(shù)和活化能是研究污泥干燥動(dòng)力學(xué)的兩個(gè)重要參數(shù)。目前，大多研究者都是引用Fick擴(kuò)散定律和Arrhenius公式通過相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理而得出污泥干燥的有效擴(kuò)散系數(shù)和活化能。而在簡(jiǎn)化Fick擴(kuò)散定律時(shí)都做了“在干燥過程中污泥內(nèi)部溫度分布均勻且等于環(huán)境溫度（干燥介質(zhì)溫度）”的主要假設(shè)，這與污泥干燥的實(shí)際情況是不相符的，即使是厚度很薄的污泥薄層干燥在傳熱過程中也存在溫度梯度。

2.3 促進(jìn)非線性動(dòng)力學(xué)在污泥干燥機(jī)理中的研究

在污泥干燥動(dòng)力學(xué)理論研究方面，可以引入非線性動(dòng)力學(xué)理論，如：突變、混沌、分形理論等研究污泥干燥的突變現(xiàn)象。如馬德剛等人通過功率譜分析對(duì)污泥干燥速度曲線進(jìn)行了分形與混沌特性研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明污泥的干燥速率變化具有分形特性，即污泥干燥內(nèi)部傳質(zhì)具有隨機(jī)過程，這為建立干燥動(dòng)力學(xué)模型或?qū)ξ勰喔稍飩髻|(zhì)的模擬增加了一種新的參考，即模型或模擬中應(yīng)該考慮隨機(jī)過程。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析出污泥的種類和干燥溫度對(duì)干燥速率變化的分形有較大影響，利用Hausdorff維數(shù)和整體盒維數(shù)計(jì)算方法得到了內(nèi)部傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)特性的分形維數(shù)，為后續(xù)的理論分析提供了強(qiáng)有力依據(jù)。王偉云等人也對(duì)污泥干燥速率曲線進(jìn)行了分形特性研究，表明不同直徑柱狀污泥干燥速率曲線具有多重分形特性，并且直徑越小，多重分形特征越明顯。由此可見，結(jié)合這種非線性動(dòng)力學(xué)來研究污泥干燥，可以間接的反映污泥干燥過程中內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特性，這對(duì)豐富污泥干燥的理論研究、建立合理干燥動(dòng)力學(xué)模型以及檢驗(yàn)干燥動(dòng)力學(xué)模型的合理性等方面將具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2.4 加速多效聯(lián)合干燥新工藝技術(shù)的開發(fā)和聯(lián)合處理的應(yīng)用

近年來，有關(guān)組合工藝在污泥干燥中的研究越來越多，如多級(jí)臥式槳葉式組合干燥、過熱蒸汽對(duì)流與傳導(dǎo)聯(lián)合干燥、槳葉-盤式組合干燥等工藝被應(yīng)用在污泥干燥中。大量研究表明，這種將兩種或兩種以上不同形式的干燥器串聯(lián)組合起來，或者在干燥設(shè)備上增加一些特殊裝置，使改進(jìn)后的干燥器在干燥過程中將各種干燥器優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)或產(chǎn)生不同型式的干燥工藝，從而較好地控制整個(gè)干燥過程，同時(shí)又能降低能耗，是污泥干燥技術(shù)未來發(fā)展的趨勢(shì)之一。

2.5 促進(jìn)污泥干燥新技術(shù)開發(fā)

結(jié)合不同物料間干燥動(dòng)力學(xué)的異同，進(jìn)行新的污泥干燥工藝開發(fā)。污泥還能與一些量大價(jià)廉的副產(chǎn)品混合干燥可以提高干燥效率，如岳蓮等人研究了污泥與木屑混合的干燥特性，對(duì)有效擴(kuò)散系數(shù)與活化能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明木屑添加對(duì)污泥干燥有明顯加快，并且木屑添加比例越大干燥速率越快。近年來，也有研究者從節(jié)能的角度進(jìn)行了研究，如微波干燥、太陽能干燥等。如李志剛等人對(duì)城市污泥進(jìn)行了微波干燥實(shí)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)分析，表明微波干燥具有干燥效率高，設(shè)備投資低、占地少，清潔衛(wèi)生，操作管理簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，并提出對(duì)“熱干燥-微波干燥”聯(lián)合工藝的效能進(jìn)行系統(tǒng)研究以便進(jìn)一步降低干燥成本；雷海燕等人采用自行設(shè)計(jì)制造的混合型污泥太陽能干燥器對(duì)污泥干燥的可行性進(jìn)行了探索；鄭宗和等人通過實(shí)驗(yàn)證明了利用太陽能進(jìn)行污泥干燥是一項(xiàng)可行的新技術(shù)。

結(jié)論

綜上所述，干燥動(dòng)力學(xué)特性、傳熱傳質(zhì)及模型方程三方面對(duì)干燥動(dòng)力學(xué)在污泥干燥中的研究進(jìn)展成果是顯著的，微波干燥、太陽能干燥等新技術(shù)的應(yīng)用，可能給污泥干燥技術(shù)的開發(fā)帶來新的方向。

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