土地回用污泥薄层干燥特性研究

周 炀,谷志攀,陶乐仁

(1.杭州市临安区土地整理中心,浙江 杭州 311300;2.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;3.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093;4.嘉兴学院建工学院，浙江 嘉兴 314001)

污泥是污水处理过程中形成的以有机物为主要成分的泥状物质，含有大量的水分及难降解的有机物、重金属和盐类、病原菌、寄生虫卵等[1]，如不加以妥善处理，任意排放，将会造成二次污染。我国随着污水处理率地不断提高，污泥产量越来越大。污泥处理最终需要实现污泥的资源化利用，但是污泥的资源化对污泥含水率有明确要求[2]。我国城镇污水处理厂排出的脱水污泥含水率较高，无法满足资源化利用要求，需要干燥降低污泥含水率。马学文等[3]、Tao[4]、Leonard[5]对污泥干燥特性进行研究，吴生礼等[6]、刘凯等[7]、马侠等[8]、魏瑞军等[9]对污泥薄层干燥模型进行研究。

本文针对不同厚度的污泥在不同干燥温度下进行恒温干燥实验，研究污泥干燥的变化规律，为分析污泥干燥过程提供必要的技术参数和理论依据。

1 实验方法

实验设备由Sartorius SECURA3102-1精密电子天平、电加热装置组成。污泥厚度分别为2.5,5,7.5,10,12.5mm，加热温度控制在50,75,100,125,150℃，加热时间设置为90min。使用天平实时测量污泥样品的质量，并将数据传输到计算机存储。

2 实验结果及数据分析

本文主要研究针对时间、厚度和温度三个因素对污泥干燥过程的影响。

2.1 时间对污泥干燥过程的影响

干燥时间对污泥质量和含水率的影响实验结果见表1，污泥含水率随干燥时间变化见图1。

表1 干燥时间对污泥质量和含水率的影响变化

图1 污泥含水率随干燥时间变化

从表1和图2中可以发现，随着干燥的进行，污泥的质量和含水率均呈下降趋势。污泥中含有四种水分，自由水，毛细结合水，表面吸附水和结合水[2]。在第一阶段干燥的水分主要是与污泥结合强度最弱的自由水和表面吸附水，水分蒸发所需克服的水分结合力较小。在第二阶段干燥的水分主要存在于细胞内部的毛细结合水和结合水，水分蒸发需要克服较大的毛细结合力，因此水分蒸发的速率越来越慢。

2.2 温度对污泥干燥过程的影响

温度对污泥干燥过程影响的实验结果见表2，污泥含水率随干燥温度的变化见图2。

表2 干燥温度对污泥质量和含水率的影响变化

图2 污泥含水率随干燥温度的变化图

在相同的干燥时间下，随着干燥温度的升高，污泥的质量越来越少，也就是污泥的失重越来越大，污泥的含水率也越来越低，在150°C干燥的条件下，恒温干燥90min，污泥的含水率为零，说明污泥中的水分已经被完全干燥去除。

温度是影响水分的蒸发速度重要因素，温度越高，水分蒸发速度越快。而污泥的质量变化也是由于污泥中的水分变化而变化，所以温度越高，污泥的质量也就减少越多。温度保持在100℃往上，污泥中的水分在90mins内就可以基本干燥去除完毕。干燥温度在100℃以前，污泥的质量随温度的升高减少的速度较快，100℃以后，污泥的质量随温度的增加继续减少，但速度降低。在不同的温度情况下，污泥在100℃左右达到最大的干燥速率，且最大干燥速率与升温速率成正比，但干燥温度增加到一定程度后，其对干燥速率的影响逐渐减少，继续增大干燥温度，干燥速率的提高不明显且增加了能耗，这是因为污泥内部松孔的表面积有限，因而水分从污泥内部蒸发的路径也是有限的，继续升温对提升干燥效率的效果减弱`[10]。因此，从节能角度考虑，建议实际应用中，干燥前期可采用较高的干燥温度，而后期可适当的降低干燥温度。

2.3 厚度对污泥干燥过程的影响

不同厚度污泥在干燥温度为100℃下的实验结果见表3，不同厚度污泥含水率变化曲线见表3。

表3 不同厚度的污泥对污泥干燥过程的影响

图3 污泥的含水率随污泥厚度的变化图

从表3和图3发现，在恒温干燥90min后，随着污泥厚度的增加，污泥的最终含水率是逐渐增加的，曲线的变化趋势是先平缓，接着变陡，最后又变的平缓。由于厚度为2.5mm和5mm的污泥较薄，恒温干燥过程中，内部水分很容易受热蒸发去除，在不到90分钟的时间其内部水分已经被蒸发干净，所以两者的最终含水率趋近相同；在5mm到10mm期间曲线陡增的原因是由于污泥厚度的进一步增加，90min的干燥时间较难对厚度比较大的污泥中的水分蒸发干净，对于厚度越厚的污泥来说，在干燥时间结束后，其内部的水分也留的越多，所以其含水率也会增大；而当污泥的厚度到达一定程度后(>10mm)，污泥的最终含水率变化趋势又变的平缓。从实验现象发现，不同厚度的污泥干燥过程中开裂的方式也不一样，厚度大的污泥开裂的程度小，而厚度小的污泥开裂程度大，而且向上卷曲，开裂程度大，加上向上卷曲，增加了污泥与热空气的接触面积，也加速了污泥内部水分的析出。

3 结论

本文研究了不同干燥时间，不同的干燥温度及不同的厚度对污泥干燥过程的影响：

(1)污泥的质量和含水率随干燥时间的变化并不是标准的线性关系，前面第一阶段干燥过程为恒速阶段，第二阶段曲线斜率越来越小，干燥阶段为减速阶段。

(2)在相同的干燥时间下，随着干燥温度的升高，污泥的质量越来越少，污泥的含水率也越来越低，但是干燥温度超过100℃以后，干燥速率增长较缓。

(3)污泥的最终含水率随着污泥厚度的增加而增加，2.5mm和5mm的污泥较薄，污泥水分容易受热蒸发去除，10mm和15mm厚度较大，污泥水分干燥较慢。