粒径与干燥温度对污泥颗粒干燥特性的影响

赵 权 ，高爱华 ，刘 玥*，李志勇 ，毛 迪 ，郭 榕

(1.中原工学院 能源与环境学院，河南 郑州 451191；2.郑州市污水净化有限公司，河南 郑州 450000；3.郑州市格沃环保开发有限公司，河南 郑州 450000)

随着人口的增长，城市规模的进一步扩大，污水处理厂的处理量不断增加。截止2020年底，我国污水处理量高达1.92×108m3/d，由此产生的污泥量突破6 000×107m3/a(以含水率80%计)[1-2]。据前瞻产业研究院发布的《中国污泥处理处置深度调研与投资战略规划分析报告》统计数据显示，预计2022年我国污泥产生量将突破9 000 万t[3]。

污泥作为污水处理的副产物，含有大量氮、磷等植物生长所需的有机物，同时含有大量病原体、重金属等有害物质，这些物质会限制污泥作为肥料的应用[4-5]。污泥中含有大量有机物，易发腐发臭，处理不当对环境及人类健康危害性极大[6]。目前污泥处理处置的方法主要有卫生填埋、焚烧、热解、土地利用和建材利用等[7]。其中热解具有高温杀菌、固定重金属、产生可燃性气体等特性，被认为是减量化、稳定化、无害化和资源化极其重要的污泥处理处置方式[8-10]。但含水率较高的污泥不利于热解反应，需要经过热干燥预处理将污泥含水率降至20%左右才能符合热解要求[11]。干燥不仅能够降低污泥含水率，减小污泥容积，还具有杀菌消毒等功效[12]。

目前，国内外学者针对污泥干燥领域做了大量研究。LI等[13]以脱水污泥为研究对象，研究发现添加1%碱和2%工业木质素纤维具有最大的发泡率。DENG等[14]以脱水污泥为研究对象，以CaO为添加剂，研究发现当CaO和脱水污泥添加比为1∶100时干燥效率提高135%。LOUARN等[15]研究了3 mm的污泥在20～60 ℃干燥温度下的对流、传导和联合干燥实验，并建立了相关数学模型。张绪坤等[16]设计了5、10、15 mm的薄层污泥在干燥温度为50～90 ℃，风速为0.4、0.6、0.8 m/s的正交试验。研究发现，最优工艺参数为干燥温度90 ℃、薄层厚度10 mm、风速0.8 m/s。MA等[17]研究了电渗析脱水污泥的干燥特性，研究发现预处理后，污泥黏附性降低。与未预处理污泥相比，污泥干化速率更高。于镇伟等[18]研究了干燥温度与升温速率对污泥干燥过程中的质量、失重率、含水率、热量的影响，并建立了数学模型。结果表明，二次模型的预测值与实测值决定系数为0.992 4，均方根误差和残差平方和分别为0.035和0.032。在污泥干燥领域众多研究中，关于板框压滤机压滤后市政污泥干燥性能的相关研究较少。

为了研究市政污泥经板框压滤机压滤后的干燥性能，本论文采用恒温干燥的方式对经板框压滤机压滤后的粒径<10 mm的污泥颗粒进行实验研究，分析污泥颗粒粒径大小对干基含水率、干燥速率、干燥后粒径大小的影响，探讨温度对干基含水率、干燥速率、挥发分含量等因素的影响。

1 材料和方法

1.1 实验材料

本实验以某热解气化厂经板框压滤机处理后粒径<10 mm的污泥颗粒为研究对象，该污泥的理化性质：水分66.739 9%、挥发分16.210 1%、灰分15.191 2%、固定碳1.858 8%。

1.2 实验方法

实验仪器：电子天平，ML204T/02，梅特勒-托利多(上海)有限公司；电热鼓风干燥箱，101-2型，北京科伟永兴仪器有限公司。实验步骤：称取(1±0.1) g不同粒径的污泥颗粒置于干燥箱中，分别于95、105、115 ℃温度下进行恒温干燥实验，每隔5 min称取污泥的质量，直至烘至恒重。为避免实验误差，保证结果的准确性，样品采用一式9份重复实验，且每次只放入同一粒径的污泥颗粒。根据实验数据，绘制干燥曲线及干燥速率曲线，探究粒径、温度对污泥干燥性能的影响。

1.3 数据处理方法

污泥实时含水率，即

式中：wt，污泥实时含水率，gH2O/g；mo，污泥的初始质量，g；mt，干燥至t时刻质量，g；me，干燥至恒重的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 粒径对污泥颗粒恒温干燥过程的影响

2.1.1粒径>3 mm的污泥颗粒恒温干燥过程的变化为了研究污泥颗粒在恒温干燥过程中的干燥性能，考察了粒径>3 mm的污泥颗粒干燥过程中干基含水率的变化，结果见图1。

图1 粒径为3～10 mm的污泥颗粒在105 ℃的干燥曲线图

从图1可看出，在105 ℃恒温条件下，粒径与干燥至恒重的时间、干燥至恒重的干基含水率与粒径成正比。如粒径3～4 mm、5～6 mm、6～7 mm的污泥颗粒干燥至恒重的时间分别为40、45、50 min；干燥至恒重时的干基含水率分别为0.060 0、0.065 2、0.067 7 gH2O/g。粒径为9～10 mm、8～9 mm、7～8 mm的污泥颗粒在55 min时干燥至恒重，干基含水率分别为0.081 9、0.095 2、0.100 2 gH2O/g。这是因为污泥颗粒粒径的减小，有效增大了其表面积，减小了内部水向污泥表面传质的距离，说明粒径对污泥恒温干燥过程有着重要影响。

为了进一步研究粒径>3 mm的污泥颗粒恒温干燥过程中的干燥性能，考察了粒径为3～10 mm的污泥颗粒在干燥过程中干燥速率与干基含水率的关系，结果见图2(a)。从图2可以看出，不同粒径的污泥颗粒在恒温干燥过程主要由加速与减速阶段组成，部分污泥出现明显的恒速干燥阶段。所有污泥颗粒的加速段均在前10 min，且均在10 min附近达到最大干燥速率。其中粒径为3～4 mm的污泥颗粒干燥速率最大，为0.736 9 gH2O/(g·min)。然而粒径为8～9 mm、9～10 mm的污泥颗粒在加速干燥阶段后(10～15 min)出现明显的恒速干燥阶段，其他粒径的污泥颗粒恒速干燥阶段不明显。这是由于恒速干燥阶段受污泥粒径等因素影响，污泥颗粒粒径越小，内部水分含量越少，水分传质距离越短，恒速阶段持续的时间越短。粒径为8～9 mm的污泥颗粒结束恒速干燥阶段(15 min时)的干基含水率为1.273 8 gH2O/g，粒径为9～10 mm、7～8 mm的污泥颗粒在15 min的干基含水率分别为1.188 9 gH2O/g(已进入减速干燥阶段)、1.300 3 gH2O/g(未进入减速干燥阶段)，说明不同粒径的污泥颗粒在105 ℃恒温条件下进入减速干燥阶段的临界干基含水率在1.270 0 gH2O/g附近。

图2(b)为时间与干燥速率的曲线图。结合图2(a)可以看出，不同粒径的污泥颗粒干燥速率曲线均在25～30 min相交，交点前粒径较大的污泥颗粒的干燥速率较小，交点后反之。如粒径为9～10 mm、3～4 mm的污泥颗粒交点前的瞬时干燥速率分别为0.041 05、0.045 09 g/(g·min)，交点后为0.035 06、0.029 53 gH2O/(g·min)。因此可以将同一恒温状态下，不同粒径的污泥颗粒干燥速率的交点作为第一减速干燥阶段和第二减速干燥阶段的临界干基含水率的分界点。

图2 粒径为3～10 mm的污泥颗粒在105 ℃恒温状态下的干燥速率曲线图

2.1.2粒径<3 mm的污泥颗粒恒温干燥中的变化为了进一步研究粒径与干燥速率的关系，考察了粒径<3 mm的污泥颗粒在105 ℃恒温状态下干基含水率的变化，结果见图3。

图3 粒径<3 mm的污泥颗粒在105 ℃恒温状态下的干燥曲线图

结合图1可以看出，粒径<3 mm的污泥颗粒干燥曲线总体上与3～4 mm趋势基本相同，但曲线整体呈现出相互缠绕的现象。从图3(b)可以明显看出粒径<1 mm的污泥颗粒在10 min时的干基含水率大于粒径为2～3 mm、1～2 mm的颗粒，干基含水率分别为1.336 3、1.292 7、1.314 8 gH2O/g，20 min时反之，粒径越小颗粒污泥的干基含水率越低。图4(a)为粒径<3 mm的干燥速率曲线图，曲线现象和图3一致，呈现出紊乱的状态。从图4(b)可看出，粒径为2～3 mm、1～2 mm、<1 mm的污泥颗粒在5 min时瞬时干燥速率分别为0.073 9、0.069 18、0.067 03 gH2O/(g·min)，此时粒径<1 mm的污泥颗粒均小于其他粒径污泥颗粒的干燥速率；20 min时反之，粒径<1 mm的污泥颗粒均大于其他粒径污泥颗粒的干燥速率。因此可以确定粒径是污泥干燥曲线及干燥速率曲线紊乱的主要影响因素。

图4 粒径<3 mm的污泥颗粒在105 ℃的干燥速率曲线图

为进一步研究粒径<3 mm的污泥颗粒干燥曲线、干燥速率曲线的紊乱现象，考察了不同污泥颗粒在105 ℃恒温干燥后的粒径分布，结果见图5。

由图5可以看出，在105 ℃恒温状态下，粒径>3 mm的污泥颗粒干燥至恒重后存在明显的浓缩现象。如粒径9～10 mm的污泥颗粒经恒温干燥后过筛分别产生5.99%、71.43%、21.87%、0.71%粒径为7～8 mm、6～7 mm、5～6 mm、<1 mm的污泥颗粒；粒径为9～10 mm、8～9 mm、7～8 mm、6～7 mm、5～6 mm、4～5 mm、3～4 mm的污泥颗粒干燥至恒重分别产生0.71%、0.72%、0.68%、0.94%、0.76%、1.54%、1.46%粒径<1 mm的污泥颗粒，说明在恒温干燥过程中，粒径>3 mm的污泥颗粒稳定浓缩，无明显破碎现象。粒径<3 mm的污泥颗粒在105 ℃恒温状态下存在明显的粒径增大现象，如粒径1～2 mm的污泥颗粒过筛后存在3.65%粒径2～3 mm的污泥颗粒，粒径<1 mm的污泥颗粒过筛后存在1.48%粒径2～3 mm的污泥颗粒及7.38%粒径1～2 mm的污泥颗粒。污泥中含有间隙水、毛细水、吸附水和结合水，其中吸附水是由于表面张力作用吸附在污泥颗粒表面的水分，具有极强的表面吸附力[19-20]。粒径<3 mm的污泥颗粒质量较轻，相互接触时会由于吸附水的表面吸附力形成粒径较大的污泥颗粒，同时在恒温干燥中粒径不规则的增大会造成干燥曲线及干燥速率曲线紊乱，由此说明颗粒间的吸附水具有不利影响。结合图1～4可以确定，在105 ℃恒温干燥条件下，粒径为3～4 mm的污泥颗粒具有干燥至恒定的时间短，干燥至恒定的干基含水率低，高干燥速率以及干燥过程稳定等优势。

2.2 温度对污泥颗粒恒温干燥过程的影响

为了进一步研究粒径为3～4 mm污泥颗粒的干燥性能，考察了其在不同温度下的干燥曲线，结果见图6(a)。由图6可以看出，干燥至恒定的时间、干燥至恒定的干基含水率与温度成反比。如在95、105、115 ℃的恒温条件下，粒径为3～4 mm的污泥颗粒干燥至恒定的时间为55、40、40 min，干基含水率分别为0.094 8、0.060 0、0.055 3 gH2O/g。图6

图6 粒径3～4 mm的污泥颗粒不同温度下的干燥曲线图和干燥速率曲线图

(b)为干燥速率曲线图，由图6(b)可以看出，随着温度的升高，污泥的干燥速率呈现逐渐增大的现象，95 、105、115 ℃均在10 min附近达到最大干燥速率，瞬时干燥速率分别为0.066 44、0.073 69、0.088 56 gH2O/(g·min)，115 ℃与105 ℃是105 ℃与95 ℃最大干燥速率差值的2.05倍，最大干燥速率差值分别为0.148 7、0.072 5 gH2O/(g·min)。说明温度是同一粒径的污泥颗粒恒温干燥过程中的重要因素。

粒径为3～4 mm的污泥颗粒在95、105、115 ℃恒温干燥后的理化性质指标如表1所示。

表1 粒径为3～4 mm的污泥颗粒在不同温度下的理化性质

结合图6可以看出，在95、105、115 ℃恒温干燥条件下，粒径为3～4 mm的污泥颗粒干燥至恒重后水分含量、挥发分含量与恒温温度成反比。如95、105、115 ℃的水分含量分别为8.656 27%、5.660 47%、5.240 3%。去除水分的影响，折合为干基，95、105、115 ℃恒温干燥条件下挥发分的含量分别为47.147 1%、47.018 3%、46.855 3%，说明温度升高，一些VOCs(挥发性有机物)达到沸点以气体的形式挥发。温度由105 ℃升至115 ℃水分含量差值、挥发分含量差值分别为0.420 0%、0.163 0%，挥发分含量差值约为95 ℃升至105 ℃的1.27倍。这就说明恒温温度105 ℃相对于95 ℃具有更高的干燥效率、更低的水分含量，相对于115 ℃具有几乎相同的干燥效率及更低的VOCs挥发量。

3 结论

①粒径为3～10 mm的污泥颗粒在105 ℃恒温条件下干燥至恒重的时间和干基含水率与粒径大小成正比；粒径<3 mm的污泥颗粒由于吸附水的吸附作用形成较大颗粒，在恒温过程中具有负影响作用。②当污泥粒径均为3～4 mm，恒温温度105 ℃相对于95 ℃具有更高的干燥效率、更低的水分含量，相对于115 ℃具有几乎相同的干燥效率及更低的VOCs挥发量。③粒径<10 mm的污泥颗粒最佳干燥条件为：恒温温度105 ℃、粒径3～4 mm。