净水技术|污泥薄层干燥特性及动力学模型分析
专家点评
城市污水厂污泥的薄壁干化处理是常用的干化技术之一。论文以桐乡污水处理厂为例，进行污泥薄层干燥特性研究，得到其在不同温度、厚度条件下半干化处理的干燥速率、失水曲线，引入了干燥动力学模型——Midilli模型，获得污泥中湿分的有效扩散系数和干燥活化能等参数。论文选题切合污泥处理的难点问题，以实际污水厂污泥为对象，有实用价值，试验方法合理，数据分析结论可信，有一定的参考价值。
近年来，随着城镇化的蓬勃发展，环境问题也日益严重。十三五规划建议明确指出，我国现有的污水处理系统存在巨大空缺，应大力建设，实现城镇生活污水垃圾处理设施全覆盖和稳定运行。据预测，未来5年间我国将排放4 000 亿t污水，处理这些污水的污泥产量约为4 亿t，年平均产量8 000 万t。目前，城镇污水处理厂污泥的主要处理方式是重力脱水与机械压滤，处理后的脱水污泥含水率仍有约80%，且成分复杂，含有多种有害物质，不加以处理很可能会造成二次污染。
研究表明，污泥的含水率由80%下降到60%，体积可减少至一半，下降到干燥平衡状态，减量可达95%，可见热干化对污泥的减量效果十分明显，但其致命的缺点是能耗极高，特别是含水率下降到55%以下后，表面板结，内部水分扩散缓慢。而以生活污水处理厂污泥的焚烧处理为例，要使其自持燃烧，含水率需降至55%以下，显然，这已经超出了污泥机械脱水的能力。因此应对污泥进行半干化处理，即用热干燥的方法，将污泥含水率降低到40%~50%，达到了减量、干化的效果，便于进一步处理，同时也减少了能量损耗。姜瑞勋等采用薄层干燥方式对脱水污泥的热干燥进行了研究，结果表明，Logarithmic模型最适合用于污泥薄层干燥分析，80~150 ℃有效扩散系数为8.486×10-10~4.386×10-9m2/s，活化能为29.56 kJ/mol。
由于污泥是一种含水率高，成分复杂的物质，研究其间壁干燥难度很大，前人研究大多针对球状污泥或是质量很小的薄层状试样，而实际处理中的量要大得多。针对这一特征，本研究对较大质量污泥在低温热源加热情况下的薄层干燥特性进行了分析，并对试验结果进行动力学模型拟合，找到最优解，分别控制污泥的厚度、加热温度，得到污泥干化的理论依据。
试验内容与试验物料
1.1
试验装置与试验方法
试验装置由精度为0.01 g赛多利SECURA3102-1精密电子天平、电加热装置、图像采集系统等组成，如图1所示。天平实时测量污泥样品的质量，并通过数据采集模块传输到计算机内，功率为2 000 W的电加热膜通过铝板为污泥干燥提供热量。将污泥平铺在铝板上，试样为圆饼状，其直径为10 cm，厚度分别为2.5、5、7.5、10、12.5 mm，控制加热温度分别为50、75、100、125、150 ℃，设定加热时长为90 min，每30 s自动采集天平读数，得到相同加热时间内不同温度与厚度污泥的干燥特性。
图1 试验装置原理图
1.2
试验物料
试验所用污泥取自浙江省嘉兴市桐乡城市污水处理厂经过浓缩脱水后的原泥，含水率高，有机质成分复杂。经试验测定，平均湿基含水率为86%。
2
试验结果与分析
2.1
污泥的含水率及干燥速率随厚度及时间的变化
含水率MR是衡量污泥中湿分百分比随时间变化的重要参数，其定义如式（1）。
污泥失水的快慢用干燥速率DR[g/(g·s)]来表示，如式（2）。
150 ℃下不同厚度污泥的含水率、干燥速率变化曲线分别如图2、图3所示。相同的加热温度，污泥的厚度越大，含水率曲线越平缓，干燥速率的值越低。由图2可知，随着污泥厚度的减小，达到同一含水率所需的时间越短，如厚度从12.5 mm降低到2.5 mm，同样得到含水率为30%的试样，干燥所需时间减少了78 min。
图2 150 ℃不同厚度污泥的失水曲线
图3 150℃不同厚度污泥干燥的干燥速率
由图3可知，污泥的干燥速率随着含水率的变化而改变，大致可以分为：预干燥阶段，恒速干燥阶段和降速干燥阶段。在含水率区间Ⅰ内，干燥过程处于预热阶段，随着温度提高，干燥速率有迅速增高的趋势；Ⅱ区间内，加热板输出的热量主要用于自由水的转移与蒸发，污泥表面的水分蒸发速率与污泥内部水分扩散速率相当，干燥速率波动较为平稳，可近似看作恒速干燥；Ⅲ区间内，随着含水率逐渐降低，污泥中的间隙水与吸附水开始减少，扩散阻力增加，干燥速率减慢，即降速干燥阶段。
2.2
相同厚度的污泥，在不同的温度下的干燥特性
由图4可知，污泥的失水速度随着干燥温度的升高而增大，以100 ℃为界，两边的失水速度有很大区别，这是因为100 ℃以上的干燥温度使得污泥底层里的水分更多地以蒸汽的形式扩散，并且更大的传热温差增加了换热系数，水分转移的速率也越快。因此，薄层污泥热干化处理应尽量提高干燥温度，增大传热温差，以达到更好的干燥效果。
图4 7.5 mm污泥在不同温度下的失水曲线
2.3
污泥薄层干燥动力学分析
2.3.1
干燥模型
常见的污泥薄层干燥模型如表1所示。
表2为2.5 mm污泥150 m干燥失水曲线拟合结果。由表2可知，Midilli模型的相关系数R2数值最接近1，且残差平方和RSS最小，因此Midilli模型能较好地模拟出污泥薄层干燥的失水情况。与王静静等含油污泥薄层干燥研究的试验结论相同。表3为不同条件Midilli模型的拟合结果。
表2 不同模型的拟合结果
表3 污泥薄层干燥不同条件下Midilli模型的拟合结果
污泥的动力学模型可以预测不同厚度、温度的污泥薄层干燥所需时间。依据实验所用电加热膜的功率，计算在各含水率和厚度条件下，单位面积污泥加热到某含水率所需热量，为实际污泥干燥处理设备的设计提供了依据。
2.3.2
有效扩散系数
污泥的干燥过程可以简化为污泥内部水分向外界的扩散过程，描述物质扩散的Fick定律可用来计算污泥中水分的扩散系数，扩散系数与温度和含水率的关系由式(3)给出。
为方便研究，将上式进行线性转化得式（4），可见，lnMR的值与干燥时间t成一次函数关系，由其斜率可以计算得到有效扩散系数，即式（5）。
由式(4)可知，污泥的干燥时间t与其有效扩散系数成反比，与厚度的平方成正比。因此污泥的厚度越大，干燥到一定含水率所需的时间就越长，因此在实际运用中，将污泥平铺进行干燥能够有效减少干燥时间，提高干燥效率。经计算，150 ℃下2.5、5、7.5、10、12.5 mm厚度污泥的干燥有效扩散系数分别为5.130×10-9、1.556×10-9、1.207×10-9、7.671×10-10、4.860×10-10 m2/s，2.5 mm厚度的污泥在150、125、100、75、50 m下的有效扩散系数分别为5.130×10-9、4.060×10-9、3.430×10-10、2.353×10-10、3.382×10-10 m2/s。污泥的有效扩散系数随着干燥温度的提升、厚度的减小而逐渐提高，这也与前文试验结果相符。
2.3.3
活化能
根据Arrhenius公式，建立有效扩散系数与干燥参数间的关系，如式（6）。
由式（7）可知，ln Deff与1/T成线性关系。由图5可知，是直线的斜率，lnD0是直线的截距。经计算，活化能Ea=1.664 kJ/mol，D0=2.288×10-8 m2/s。
图5 ln Deff与1/T的关系
3
结 论
本试验对大质量的桐乡市政污泥在50~150 ℃下不同厚度的间壁式热干燥特性进行了研究，得到污泥干燥速率的影响因素，以及含水率随时间变化的动力学模型，为实际的污泥处理提供了理论依据，具有一定的实际意义。
（1）对污泥薄层进行加热可以有效地对其进行减量化处理。桐乡污水处理厂的市政污泥的干燥过程按干燥速率可以分为加速干燥阶段。恒速干燥阶段和减速干燥阶段，分别对应了不同的水分形态。污泥的干燥速率随着厚度减小、温度上升逐渐上升，干燥至所需含水率的时间也越短。
（2）在常用的干燥动力学模型中，污泥的含水率的变化过程可以用Midilli模型来模拟，可以用其预测单位质量不同形态污泥半干燥到一定含水率所需要的时间及所需热量。
（3）污泥在150 ℃以下，2.5~12.5 mm厚度内的有效扩散系数为3.383×10-10~5.130×10-9 m2/s，其值随着温度升高，厚度减小而增大。
（4）2.5 mm厚度的桐乡市政污泥的活化能为1.664 kJ/mol。
推荐参考
吴生礼,陶乐仁,谷志攀,等. 污泥薄层干燥特性及动力学模型分析[J].净水技术,2017,36(12):33-37.
Wu Shengli, Tao Leren, Gu Zhipan, et al. Characteristics of Thin-Layer Drying and Analysis of Kinetic Model for Sewage Sludge[J]. Water Purification Technology, 2017, 36(12):33-37.
吴生礼
上海理工大学能源与动力工程学院
研究方向为固废无害化处理
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