石灰调质污泥恒温干燥特性及动力学模型研究*

丁 晶 葛仕福 杨叙军 涂 勇 李 渊 田甲蕊

（1.东南大学能源与环境学院 2.无锡国联环保科技有限公司 3.江苏省环境科学研究院)

干燥技术

石灰调质污泥恒温干燥特性及动力学模型研究*

丁 晶**1葛仕福1杨叙军2涂 勇3李 渊1田甲蕊1

（1.东南大学能源与环境学院 2.无锡国联环保科技有限公司 3.江苏省环境科学研究院)

对添加石灰的市政污泥进行恒温干燥实验，研究在不同的石灰添加量和不同的温度条件下污泥干燥特性、有效水分扩散系数和干燥活化能。结果表明：高温干燥时，石灰添加量的增加对平均干燥速率以及有效扩散系数的提高影响显著，低温干燥时影响不显著；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准确地描述石灰调质污泥的干燥特性；模型方程预测值和实验值吻合，均方根误差为0.32%。

干燥 污泥 石灰 干燥动力学 干燥活化能 水分扩散系数

0 前言

随着污水处理量及处理率的逐年提高，污泥产量急剧增加。全国每年污泥总产量已达3000万t[1-2]。污泥含水率高、易腐烂、有恶臭、含有大量寄生虫卵与病原微生物，如不加以妥善处理，将会造成二次污染[3]。干化是污泥处置的关键。目前主要的干化方法是热干化，其成本很高，很难全面推广使用[4-5]。采用石灰调质及自然干燥或低温干燥，投资少、运行成本低。目前在污泥石灰调质对污泥稳定性、臭度控制、重金属钝化和建材利用等的影响方面已开展了大量的研究工作[6-9]，而对石灰调质后污泥干燥过程的热传递特性、恒温干燥特性等方面研究还很少。

本文研究调质污泥时石灰的用量和干燥温度对污泥干燥特性的影响规律，以及石灰用量对干燥能耗的影响，分析干燥曲线，建立干燥模型，对比分析模型计算值与实验值，验证数学模型正确性，并进而对石灰调质污泥的干燥优化设计提供理论依据和实验依据。

1 材料与方法

1.1 原材料及实验装置

污泥取自南京某污水处理厂脱水间，生石灰为粉末状， 纯度≥98%。实验用天平为精度0.01 g的梅特勒-托利多电子天平，红外线快速水分测定仪,称重范围为 0～90 g，测温范围为293～523 K，称重最小读数0.001 g，功率为270 W，频率为50 Hz，分辨率为 0.000 1 K，以及恒温干燥箱（42 cm×30 cm×30 cm）、气压式压滤机和搅拌器。实验装置如图1所示。

图1 实验装置

1.2 实验方法

取300 g污泥，其初始含水率测定为 75%～77%。污泥经过气压式压滤机压滤90 min后，测定含水率为 64%～65%，压滤机设置压力为 1.2 MPa。将污泥分为4等分，分别向污泥中加入生石灰，生石灰添加量（CaO）与污泥总固体量（TS）之比分别为0、0.2、0.3、0.4，将污泥置于搅拌器中进行搅拌处理。将搅拌后的污泥制成粒径为2～4 mm的小球。将石灰调质后的污泥放进恒温干燥箱，干燥温度分别设定为50、70、90、110、130℃。干燥时每隔60 s采集并记录样品的实时质量，即可得到污泥中被蒸发的水分质量，直到数据不再变化。

为减少随机误差，所有实验均做3组平行样，以3组数据的平均值来绘制含水率和干燥速率随时间变化的曲线。

1.3 数据处理

设污泥含水率（MR）为：

式中 Mt——干燥过程中污泥干基含水率，g/g；

M0——初始污泥干基含水率，g/g；

Me——干燥平衡时污泥干基含水率，g/g。

干燥速率是指单位质量绝干物料在单位时间内蒸发的水量：

式中 DR——干燥速率，g/（g·s）；

W′——蒸发的水分量，g；

t——干燥时间，s；

Mt+Δt——t+Δt时刻污泥干基含水率，g/g。

2 实验结果分析

2.1 温度对干燥过程的影响

图2示出了不同温度下、生石灰添加量与污泥总固体量之比为CaO/TS=0.3时的干燥曲线。 图3示出了含水率降至30%时，干燥时间随干燥温度的变化曲线。随着温度的升高，干燥所需的时间缩短；在CaO/TS=0、干燥温度为70℃条件下，含水率下降至30%所需的时间是29 min，是110℃条件下所需时间（10 min）的2.9倍，是130℃条件下所需时间（5 min）的5.8倍。此外，由图3能看出，添加石灰也能缩短干燥时间。

图2 不同温度下污泥含水率随时间的变化曲线

图3 污泥干燥时间t随温度T的变化曲线

2.2 石灰添加量对干燥速率曲线的影响

图4示出了石灰添加量对污泥干燥特性的影响。由图4可以看出，干燥过程中未出现等速干燥阶段，初始阶段平均干燥速率下降较快，当含水率MR较小时，干燥速率匀速下降。污泥颗粒的最大干燥速率随着石灰添加量的增大而变大。以温度110℃为例，当CaO/TS=0.4及0时，污泥的最大干燥速率分别为4.18 mg/(g·s)、2.79 mg/(g·s)，前者是后者的1.5倍。这是由于向污泥中投加CaO后，产生电性中和和吸附架桥的作用，破坏了污泥胶体颗粒的稳定[10-13]。石灰还会破坏以蛋白质为基础的细胞壁和酶、酸性RNA、碳水化合物的细胞组织和油质，释放污泥颗粒中的细胞水，从而提高污泥的干燥速率。

图4 不同石灰添加量时干燥速率曲线

单位质量绝干物料总干燥时间内蒸发的总水量，称为平均干燥速率。图5示出了石灰添加量对平均干燥速率的影响。干燥温度为50℃时，平均干燥速率受石灰添加量的影响较小。温度为130℃时，石灰添加量对平均干燥速率的影响很大。

图5平均干燥速率随CaO/TS变化曲线

3 干燥模型分析

3.1 干燥模型

建立干燥模型对探索干燥规律、预测不同工艺下的干燥参数，具有重要意义。物料干燥是一个复杂的非稳态传热、传质过程， 它不仅受干燥条件影响， 而且随物料种类、结构、物理化学性质的不同而有所差异[14]。表1给出了3种常见薄层干燥模型的表达式及线性化处理后的计算公式。

表1 几种薄层干燥模型表达式

采用3种薄层干燥模型，对不同CaO添加量在50、70、90、110、130℃下的干燥过程进行拟合。以CaO/TS=0.3为例，表2列出了3种模型的拟合结果。由表2可知，Modified Page模型的相关性系数R2大和方差X2小，这说明这些模型能较好地模拟石灰调质污泥的干燥过程。本文基于Modified Page模型，建立了通用模型。

其中：基本风压 W0=750N/m2 (深圳市50年风压取值)；高度修正系数μz=2.64(建筑物高度按150m取值)；βz=1.0；体型系数 μs=1.3φ(基本值)。

表2 CaO/TS=0.3污泥薄层干燥模型拟合结果

3.2 通用模型的建立

设定通用模型方程为：

K和n仅与干燥温度T有关，假设其关系为二次多项式:

f仅与污泥添加量P有关，假设其为线性关系：

利用最小二乘法原理对实验数据拟合，得到：

拟合结果表明，K、n、 f的相关系数R2均大于0.97，表明以上假设是合理的。

3.3 通用模型验证

图6为不同CaO/TS比、不同温度下的实验值MR和通用模型的预测值MR的关系。由图6可以看出，预测值MR和实验值MR分布在45°斜线的周围，即两值近似相等，计算出均方根误差为0.32%，说明通用模型能较好地描述石灰调质污泥的干燥过程。

图6实验值MR和通用模型预测值MR的比较

4 有效水分扩散系数及干燥活化能

污泥石灰调质干燥过程中的传质现象主要是外部水分的蒸发和内部水分的迁移。可以使用Fick第二定律来描述干燥过程中的水分扩散规律[15]，

其计算公式如下：

式中 Deff——有效水分扩散系数，m2/s；

L——干燥薄层的厚度，m；本次实验中物料厚度L=3×10-3m；

t——干燥时间，s。

由于干燥时间较长，式 (6)可以近似简化为：

对式 (7)两边取自然对数得：

图7 lnMR随干燥时间t变化曲线

图8 有效扩散系数随石灰添加量的变化曲线

图7为CaO/TS=0.2时，lnMR与时间t的曲线图，其相关系数 R2大于 0.98。利用式 (9)以及图7的斜率可以求出有效扩散系数Deff。图8示出了污泥在不同干燥温度下的有效水分扩散系数。污泥干燥过程的有效水分扩散系数随温度升高而增加。温度从110℃升高至130℃时，不同CaO/TS比的污泥有效水分扩散系数分别增加了 0.85、1.39、2.10、2.86倍。当干燥温度高于100℃时，石灰的添加量对污泥的有效扩散系数影响很大，而低温干燥时，石灰添加量的影响不显著。

4.2 干燥活化能

干燥活化能是表示干燥过程中脱除单位摩尔水分需要的能量，物料的干燥活化能越大，说明其干燥越困难。物料有效水分扩散系数与干燥温度活化能之间关系，可采用Arrhennius方程计算：

式中 D0——指前因子， m2/s；

Ea——水分扩散的活化能，J/mol；

T——实验温度，K；

R——摩尔气体常数，为8.3143 J/(mol·K)。

对式 (10)进行线性化处理得到：

由式 (11)可知，有效水分扩散系数的自然对数lnDeff与T-1呈线性关系。 图9示出了 CaO/TS= 0.2时lnDeff与T-1的关系。利用图9求出的斜率及式 (11)可得到干燥活化能Ea及指前因子D0，计算结果见表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，说明添加石灰有利于污泥的干燥，所需能量相应降低。

图9 CaO/TS=0.2时温度与有效扩散系数的关系

表3 不同CaO/TS比时的干燥动力学参数

5 结论

（1）基于Modified Page模型建立了石灰调质污泥通用干燥模型方程，模型方程预测值与实验值吻合较好，均方根误差为0.32%。

（2）高温干燥时，石灰添加量的增加对平均干燥速率、有效扩散系数的提高影响显著，但低温干燥时影响不显著。

（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）

水体污染控制与治理科技重大专项（2010ZX07319-002）；江苏省2012年环保科研计划（2012033）。

**丁晶，女，1989年生，硕士研究生。南京市，210096。