土地回用污泥薄層干燥特性研究

周 煬,谷志攀,陶樂(lè)仁

(1.杭州市臨安區(qū)土地整理中心,浙江 杭州 311300;2.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093;3.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093;4.嘉興學(xué)院建工學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

污泥是污水處理過(guò)程中形成的以有機(jī)物為主要成分的泥狀物質(zhì)，含有大量的水分及難降解的有機(jī)物、重金屬和鹽類、病原菌、寄生蟲(chóng)卵等[1]，如不加以妥善處理，任意排放，將會(huì)造成二次污染。我國(guó)隨著污水處理率地不斷提高，污泥產(chǎn)量越來(lái)越大。污泥處理最終需要實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用，但是污泥的資源化對(duì)污泥含水率有明確要求[2]。我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠排出的脫水污泥含水率較高，無(wú)法滿足資源化利用要求，需要干燥降低污泥含水率。馬學(xué)文等[3]、Tao[4]、Leonard[5]對(duì)污泥干燥特性進(jìn)行研究，吳生禮等[6]、劉凱等[7]、馬俠等[8]、魏瑞軍等[9]對(duì)污泥薄層干燥模型進(jìn)行研究。

本文針對(duì)不同厚度的污泥在不同干燥溫度下進(jìn)行恒溫干燥實(shí)驗(yàn)，研究污泥干燥的變化規(guī)律，為分析污泥干燥過(guò)程提供必要的技術(shù)參數(shù)和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由Sartorius SECURA3102-1精密電子天平、電加熱裝置組成。污泥厚度分別為2.5,5,7.5,10,12.5mm，加熱溫度控制在50,75,100,125,150℃，加熱時(shí)間設(shè)置為90min。使用天平實(shí)時(shí)測(cè)量污泥樣品的質(zhì)量，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)存儲(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

本文主要研究針對(duì)時(shí)間、厚度和溫度三個(gè)因素對(duì)污泥干燥過(guò)程的影響。

2.1 時(shí)間對(duì)污泥干燥過(guò)程的影響

干燥時(shí)間對(duì)污泥質(zhì)量和含水率的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，污泥含水率隨干燥時(shí)間變化見(jiàn)圖1。

表1 干燥時(shí)間對(duì)污泥質(zhì)量和含水率的影響變化

圖1 污泥含水率隨干燥時(shí)間變化

從表1和圖2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著干燥的進(jìn)行，污泥的質(zhì)量和含水率均呈下降趨勢(shì)。污泥中含有四種水分，自由水，毛細(xì)結(jié)合水，表面吸附水和結(jié)合水[2]。在第一階段干燥的水分主要是與污泥結(jié)合強(qiáng)度最弱的自由水和表面吸附水，水分蒸發(fā)所需克服的水分結(jié)合力較小。在第二階段干燥的水分主要存在于細(xì)胞內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)合水和結(jié)合水，水分蒸發(fā)需要克服較大的毛細(xì)結(jié)合力，因此水分蒸發(fā)的速率越來(lái)越慢。

2.2 溫度對(duì)污泥干燥過(guò)程的影響

溫度對(duì)污泥干燥過(guò)程影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，污泥含水率隨干燥溫度的變化見(jiàn)圖2。

表2 干燥溫度對(duì)污泥質(zhì)量和含水率的影響變化

圖2 污泥含水率隨干燥溫度的變化圖

在相同的干燥時(shí)間下，隨著干燥溫度的升高，污泥的質(zhì)量越來(lái)越少，也就是污泥的失重越來(lái)越大，污泥的含水率也越來(lái)越低，在150°C干燥的條件下，恒溫干燥90min，污泥的含水率為零，說(shuō)明污泥中的水分已經(jīng)被完全干燥去除。

溫度是影響水分的蒸發(fā)速度重要因素，溫度越高，水分蒸發(fā)速度越快。而污泥的質(zhì)量變化也是由于污泥中的水分變化而變化，所以溫度越高，污泥的質(zhì)量也就減少越多。溫度保持在100℃往上，污泥中的水分在90mins內(nèi)就可以基本干燥去除完畢。干燥溫度在100℃以前，污泥的質(zhì)量隨溫度的升高減少的速度較快，100℃以后，污泥的質(zhì)量隨溫度的增加繼續(xù)減少，但速度降低。在不同的溫度情況下，污泥在100℃左右達(dá)到最大的干燥速率，且最大干燥速率與升溫速率成正比，但干燥溫度增加到一定程度后，其對(duì)干燥速率的影響逐漸減少，繼續(xù)增大干燥溫度，干燥速率的提高不明顯且增加了能耗，這是因?yàn)槲勰鄡?nèi)部松孔的表面積有限，因而水分從污泥內(nèi)部蒸發(fā)的路徑也是有限的，繼續(xù)升溫對(duì)提升干燥效率的效果減弱`[10]。因此，從節(jié)能角度考慮，建議實(shí)際應(yīng)用中，干燥前期可采用較高的干燥溫度，而后期可適當(dāng)?shù)慕档透稍餃囟取?/p>

2.3 厚度對(duì)污泥干燥過(guò)程的影響

不同厚度污泥在干燥溫度為100℃下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，不同厚度污泥含水率變化曲線見(jiàn)表3。

表3 不同厚度的污泥對(duì)污泥干燥過(guò)程的影響

圖3 污泥的含水率隨污泥厚度的變化圖

從表3和圖3發(fā)現(xiàn)，在恒溫干燥90min后，隨著污泥厚度的增加，污泥的最終含水率是逐漸增加的，曲線的變化趨勢(shì)是先平緩，接著變陡，最后又變的平緩。由于厚度為2.5mm和5mm的污泥較薄，恒溫干燥過(guò)程中，內(nèi)部水分很容易受熱蒸發(fā)去除，在不到90分鐘的時(shí)間其內(nèi)部水分已經(jīng)被蒸發(fā)干凈，所以兩者的最終含水率趨近相同；在5mm到10mm期間曲線陡增的原因是由于污泥厚度的進(jìn)一步增加，90min的干燥時(shí)間較難對(duì)厚度比較大的污泥中的水分蒸發(fā)干凈，對(duì)于厚度越厚的污泥來(lái)說(shuō)，在干燥時(shí)間結(jié)束后，其內(nèi)部的水分也留的越多，所以其含水率也會(huì)增大；而當(dāng)污泥的厚度到達(dá)一定程度后(>10mm)，污泥的最終含水率變化趨勢(shì)又變的平緩。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，不同厚度的污泥干燥過(guò)程中開(kāi)裂的方式也不一樣，厚度大的污泥開(kāi)裂的程度小，而厚度小的污泥開(kāi)裂程度大，而且向上卷曲，開(kāi)裂程度大，加上向上卷曲，增加了污泥與熱空氣的接觸面積，也加速了污泥內(nèi)部水分的析出。

3 結(jié)論

本文研究了不同干燥時(shí)間，不同的干燥溫度及不同的厚度對(duì)污泥干燥過(guò)程的影響：

(1)污泥的質(zhì)量和含水率隨干燥時(shí)間的變化并不是標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系，前面第一階段干燥過(guò)程為恒速階段，第二階段曲線斜率越來(lái)越小，干燥階段為減速階段。

(2)在相同的干燥時(shí)間下，隨著干燥溫度的升高，污泥的質(zhì)量越來(lái)越少，污泥的含水率也越來(lái)越低，但是干燥溫度超過(guò)100℃以后，干燥速率增長(zhǎng)較緩。

(3)污泥的最終含水率隨著污泥厚度的增加而增加，2.5mm和5mm的污泥較薄，污泥水分容易受熱蒸發(fā)去除，10mm和15mm厚度較大，污泥水分干燥較慢。