含固率对污泥热常数的影响

程英超，李　欢，张玉瑶

(1.深圳市环境微生物利用与安全控制重点实验室，清华大学深圳研究生院，深圳　518055；2.清华大学深圳研究生院—格林美城市资源循环利用工程技术研究中心，清华大学深圳研究生院，深圳　518055)

· 试验研究 ·

含固率对污泥热常数的影响

程英超1, 2，李欢1，张玉瑶1

(1.深圳市环境微生物利用与安全控制重点实验室，清华大学深圳研究生院，深圳518055；2.清华大学深圳研究生院—格林美城市资源循环利用工程技术研究中心，清华大学深圳研究生院，深圳518055)

对不同含固率污泥的导热系数、热扩散系数和比热容等热物性参数进行了研究，并探讨了含固率和有机质含量对热物性参数的影响规律。结果表明：低含固率污泥的导热系数与水接近，随污泥浓度增加变化不大，然而在含固率12%～15%时出现拐点，污泥导热系数较低含固时显著下降，且有机质含量高的污泥导热系数下降更快；含固率对热扩散系数及比热容也有类似的影响，含固率15%是污泥热物性参数变化的临界值。

污泥；导热系数；热扩散系数；比热容；含固率

污泥是污水生物处理过程中排出的废弃物，含有大量水分。在污水处理厂，污泥首先经浓缩处理，含固率增加至2%～4%；浓缩污泥经厌氧消化后产生消化污泥，消化污泥经调理后进行机械脱水，浓缩污泥也可直接进行机械脱水，脱水后污泥含固率增加至20%左右。除上述工艺外，一些新的污泥处理工艺还会用到更多不同的含固率污泥。例如，高固体厌氧消化工艺采用高含固污泥作为进泥，进泥含固率为6%～20%[1]。因此，在污水处理厂的泥区，不同的处理工艺会采用不同含固率的污泥。这些在传输散热和换热过程设计时，常用到其导热系数、热扩散系数和比热容等热常数，例如厌氧消化设施的能耗计算和换热、搅拌系统的设计等。在传统的污泥处理设施设计方法中，往往采用纯水的热常数值替代污泥的相关参数。对于低浓度污泥而言，这种方法可以取得近似的计算结果。然而，随着高含固率污泥输送、处理、处置设备设施的应用，这种计算方法已经存在较大偏差。

目前关于这方面的研究还很少，不同浓度污泥的热常数，特别是高含固污泥的热常数尚未见文献报告。本研究采用多种方式对污泥导热系数、热扩散系数和比热容等参数进行分析，以求获得含固率对污泥热常数的影响规律，为高含固污泥处理处置设备、设施的设计提供参考。

1　材料和方法

1.1实验材料

实验所用污泥分别取自深圳和昆明的两座污水处理厂。昆明A厂采用厌氧-兼氧-好氧(AAO)工艺，深圳B厂采用曝气生物滤池(BAF)工艺。脱水污泥取回后，保存在冰箱中，测试前用去离子水分别稀释至不同含固率。A厂污泥含固率(TS)为17.3%±0.2%，有机质含量为54.1%±0.6%；B厂污泥TS为23.4%±0.5%，有机质含量为44.5%±0.5%。

1.2实验方法

材料热常数测量方法包括稳态法和瞬态法，目前常用的是瞬态法中的热线法、热板法和激光闪射法[2]。为便于对照，根据不同设备的特点，本文首先采用热线法和热板法分别测定不同浓度污泥的导热系数，然后采用激光闪射法测定不同浓度污泥的热扩散系数，最后根据热常数之间的关系c=λ/(ρ·α)计算污泥的比热(事先测定污泥的密度)。式中，c为污泥比热，J/kg/K；λ为污泥导热系数，W/m/K；α为污泥热扩散系数，m2/s；ρ为污泥密度，kg/m3。热线法采用西安夏溪TC3010导热系数仪，实验采用固态探针，采集时间为1s，实验电压为1.3V；平面热源法采用HotDisk的TPS2500测量仪，实验采用直径2.001mm探头，功率为0.01W，时间为10s；激光闪射法采用德国耐驰的LFA457，激光电压为1538 V，检测器为InSb，数据拟合采用Cowan 模型并脉冲修正。每组污泥在室温下(28℃±2℃)至少平行测定3次，取平均值。

污泥密度ρ测量时，先称重污泥，再利用量筒测量污泥样品的体积，其质量与体积之比为污泥密度。

1.3污泥其它性质测试方法

污泥含固率(TS，%)、有机质含量(VS，%)分别采用重量法[3]。

2　结果和讨论

2.1含固率对污泥导热系数的影响

污泥的导热系数实际上为平均导热系数，反映了污泥中热量传递的效率。从图1可以看出，无论是瞬态热线法还是瞬态平板法，所得结果基本一致。随着污泥含固率从2%升高至15%，污泥的导热系数有轻微下降，但下降幅度不明显，基本与水相当；当污泥含固率进一步升高时，污泥的导热系数明显下降。这一变化趋势与于明志、赵秀峰和傅志前等[4～6]针对土壤、多孔性含湿岩土和麦秸砖墙的研究结果一致。然而由于污泥含水率较土壤、岩土及麦秸砖墙等明显偏高，因此在低含固情况下，大量自由间隙水的存在使得污泥具有与水相当的热物性参数值，污泥的导热系数随含固率变化并不明显。但当含固率达到15%及以上时，污泥间的水存在形态发生改变，污泥颗粒孔隙中可能存在空气，使得污泥导热能力减弱，从而造成污泥导热系数的骤降。

图1　瞬态热线法(a)和瞬态热板法(b)测定污泥(A与B)导热系数的结果Fig.1　Experiment results of thermal conductivity for sludge A and B determined by transient hot strip and transient plane source method

同时，实验结果表明导热系数下降幅度受污泥性质影响，有机质含量较高的A污泥其导热系数下降速度较有机质含量较低的B污泥更快。这主要是因为含固率小于15%的污泥，其导热系数主要由污泥悬浮液的分散剂(即水)决定，因此污泥中有机质含量对污泥悬浮液的导热系数影响轻微而可以忽略。而当污泥含固率大于15%时，有机质含量较高的污泥，其悬浮液中污泥颗粒形态及颗粒间距可能与低有机质含量污泥有所不同，同时由于分散剂的减少，间隙中自由的游离水亦减少，污泥颗粒对导热系数的贡献与水相比不能忽略，此时，含固率和有机质含量都对污泥的导热系数有影响。高有机质污泥因受到的影响更显著，从而表现出导热系数随含固率更快的下降趋势。

从上述变化情况可以认为，含固率15%是污泥导热系数变化的临界值。以上两种不同方法的实验结果均显示，当污泥含固率小于15%时，其导热系数与水的导热系数十分接近(经过验证，二者相对标准偏差仅在2%～3%之间)，而当含固率超过15%时，其导热性能迅速降低。含固率低于15%时，污泥呈现流动态，为假塑性流体；而当含固率超过15%时，污泥为不流动的粘弹性固体[7]，这可能与微观状态污泥颗粒接近到一定程度导致突变有关。因此，在导热方面，当污泥含固率小于15%时，可以认为其更接近悬浊液，导热系数可近似采用水的数值；而含固率高于15%时，其导热性能明显受到污泥固体组分的影响。

2.2含固率对污泥热扩散系数的影响

热扩散系数，又叫导温系数，表征了材料中温度变化的传播能力及温度均衡性能，热扩散系数越大，材料某处受热后，材料其余各处达到同一温度所需的时间越短(无对流作用时)[8]。在实验过程中，由于污泥性质的不均匀性和测试方法的限制，热扩散系数测试数据的偏差相对导热系数测试结果偏差较大，但变化趋势与导热系数测试结果类似(图2)。污泥含固率较低时，两种污泥的平均热扩散系数均与水接近(相对标准偏差分别为9%和5%)，随污泥含固率变化不大，这与赵秀峰等针对岩土的研究结果一致[5]。

对于有机质含量较高的A污泥，污泥含固率超过12%时，热扩散系数有所下降；对于有机质含量较低的B污泥，污泥含固率超过15%时，热扩散系数有所下降。两者的下降幅度均较小，这说明在所测试的含固率范围内，污泥的热扩散能力仍主要取决于其含有的水分，而固体组分的影响很小。

图2　激光闪射法测定两种污泥(A与B)热扩散系数的结果Fig.2　Experiment results of thermal diffusion coefficient for sludge A and B determined by laser flash method

2.3含固率对污泥比热容的影响

材料的比热容反映了物质容纳热量的能力。利用热常数公式计算污泥比热容之前，需要预先测定不同含固率污泥的密度，研究结果表明本实验所用污泥密度与含固率的关系可以用下式表示(R2=0.9417)：

ρ= 1.0 + 0.005TS

根据污泥导热系数与热扩散系数随含固率的变化规律，低含固率污泥的相关参数与水相同，而高含固率污泥的相关参数采用实测值，可以得到污泥比热随含固率的变化规律(图3)。从图中可以看出，在污泥含固率小于15%时，污泥比热仅略有下降，基本与水接近；随着污泥含固率超过15%，污泥A的比热明显下降，而污泥B的比热仍沿之前趋势缓慢下降。这可能是污泥固体组分差异造成的。对于低含固率的污泥，其性质与含沙浑水类似，污泥中的无机组分对比热容起主导作用[9]。此时，污泥比热容随污泥含固率增加而下降(呈负线性关系)，但下降速度较慢[10]。当污泥含固率达到15%时，污泥中有机组分对比热也产生影响，有机质含量高的污泥其比热下降速度更快。这与张敏[11]等对果蔬比热容的研究结果相似，可溶性固形物含量大的果蔬亦具有较小的比热容。

图3　采用TPS2500数据计算两种污泥(A与B)比热容的结果Fig.3　Experiment results of thermal diffusion coefficient for sludge A and B calculated using TPS2500 data

3　结　论

3.1污泥含固率从2%升高至15%，其导热系数略有下降，但下降幅度不明显，基本与水相当；当污泥含固率进一步升高时，污泥的导热系数明显下降，且有机质含量高的污泥下降速度更快。

3.2污泥含固率较低时，其平均热扩散系数均与水接近；而污泥含固率超过15%时，污泥热扩散系数有所下降。在所测试的含固率2%～15%的范围内，污泥的热扩散能力主要取决于其含有的水分，而固体组分的影响很小。

3.3污泥含固率小于15%时，污泥比热随含固率增加仅略有下降，基本与水接近；随着污泥含固率超过15%，污泥比热明显下降，且有机质含量较高的污泥下降速度更快。

整体上，污泥浓度增大对污泥热常数的影响在含固率12%～15%以内影响不大，但在此之后，热常数随含固率明显下降，且有机质含量高的污泥导热系数、热扩散系数和比热容下降更快，含固率15%也是污泥热常数变化的临界值。

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Influence of Total Solid Content on Thermal Physical Properties of Sewage Sludge

CHENG Ying-chao1,2, Li Huan1, ZHANG Yu-yao1

(1.KeyLaboratoryofMicroorganismApplication&RiskControlofShenzhen,GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen518055,China; 2.JointResearchCenterofUrbanResourceRecyclingTechnologyofGraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity&ShenzhenGreenEco-ManufacturerHigh-TechCo.Ltd.,Shenzhen518055,China)

Thermal conductivities, thermal diffusion coefficient and thermal capacity of sewage sludge with different solid content were investigated in this study, and the effects of solid content and organic matter on the thermal physical properties were discussed. The experimental results show that for sludge with low solid content, thermal conductivities were almost the same as water, and no significant increase with the increase of total solid content. However, there was a inflection point appeared at the solid content of 12%～15%, the thermal conductivities decrease significantly compared with that of low solid content, and sludge with higher organic matter decrease faster than lower ones. And solid content has similar effect on thermal diffusion coefficient and thermal capacity, 15% is the critical value for the variation of sludge thermal physical properties.

Sludge; thermal conductivity; thermal diffusion coefficient; thermal capacity; total solid content

2015-02-15

国家自然科学基金(51478239);国家水专项课题(2011Z X07302)。

程英超(1989-)，女，江苏徐州人，2015年毕业于清华大学环境工程专业，硕士，研究方向为固体废物处理与资源化。

X703

A

1001-3644(2015)06-0001-04