低温条件下城市污泥干燥特性及动力学分析

孟庆杭，宋 刚，胡远丰，胡光涛，王晓波

(江苏徐矿综合利用发电有限公司，江苏 徐州 221000)

随着我国城镇化建设的飞速发展，城市污水排放量和处理量逐年上升。2019年，我国城市污水排放量达554.65亿立方米，处理量达536.93亿立方米[1]，含水量为80%的湿污泥产量已达5514万吨，呈逐年上升趋势。污泥中含有的大量水分、重金属、有机物、病原菌等，限制了其大规模利用，而干化处理是污泥大规模利用的关键前置步骤。如何使用高效、合理的方法去除污泥中的水分，从而实现污泥的综合利用成为当前污泥处置的热点问题。因此，研究污泥的干燥特性，掌握污泥干燥的动力学特性具有十分重要的意义。

对于污泥的干燥特性诸多学者进行了相关研究。马学文等[2]研究了在100～200 ℃下不同质量等级污泥颗粒的干燥特性，发现污泥干燥速率与干燥温度、有效干燥面积密切相关。张绪坤等[3]研究了不同厚度污泥在160～280 ℃过热蒸汽中的薄层干燥特性，得到了干燥模型参数与干燥温度、污泥厚度的关系。吴生礼等[4]研究了50～150 ℃条件下不同厚度污泥的半干燥特性，发现Midilli模型适用于污泥的半干燥过程。姜瑞勋等[5]对脱水污泥进行了热干燥研究，发现Logarithmic模型更适用薄层污泥干燥过程，其有效扩散系数随温度升高而增大。张兆龙等[6]研究了在有无流动气氛环境和125～200 ℃的温度条件下，不同比表面积污泥的干化效率，并提出了修正的Page模型。郑龙等[7]研究了污泥水分比及干燥速率与干燥温度、相对湿度的关系，并提出了水分迁移动力学模型。目前污泥干燥方面的研究大多集中在较高温度下的干燥特性方面，而在低温下(80 ℃以下)的干燥特性研究较少。本文通过低温条件下城市污泥不同厚度的干燥实验，对污泥的干燥动力学进行研究，得出其干燥模型，分析干燥机理。

1 实 验

1.1 材料与装置

城市污泥(含水量为78.90%)，徐州某污水处理厂。

DHG-91408电热鼓风干燥箱，常州市奥联科技有限公司；ZYWK-D直源温控仪，乐清市中唯仪表厂；UX420S电子天平，SHIMADZU。

1.2 试验方法

污泥干燥使用电热鼓风干燥箱，将污泥平铺在搪瓷托盘中，分别铺成3 mm、5 mm、7 mm、10 mm厚，放置在干燥箱中，控制加热温度为40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃，考察不同温度下不同厚度污泥的干燥特性。通过直源温控仪测定污泥干燥过程中表层、中层及底层的温度变化，分析污泥干燥的传热过程。

1.3 数据处理

(1)污泥干燥过程中任意时刻的含水量计算如下：

(1)

式中：M——污泥含水量，g/g

m0——污泥干燥后的质量，g

mt——污泥干燥至t时刻的质量，g

(2)污泥干燥速率计算如下：

(2)

式中：υ——污泥干燥速率，g/(g · min)

Mt——污泥干燥至t时刻的含水量，g/g

Mt+Δt——污泥干燥至t+Δt时刻的含水量，g/g

2 结果与讨论

2.1 不同干燥温度下污泥含水量的变化

不同干燥温度下污泥的含水量随干燥时间的变化如图1所示。图中，A、B、C、D分别表示污泥厚度为3 mm、5 mm、7 mm、10 mm的干燥曲线。从图1中可以看出，在污泥厚度相同的条件下，随着干燥温度的提高，污泥干燥速度加快，干燥时间缩短。实验中污泥含水量由78.90%降至20%，干燥温度从40 ℃提高至70 ℃，3 mm、5 mm、7 mm、10 mm厚的污泥干燥时间分别缩短56.62%、55.14%、53.03%、57.90%。干燥温度的提高，促使污泥内部水分子运动速度加快，提高了水分蒸发速度，干燥效率提高。

图1 不同干燥温度下的污泥干燥曲线Fig.1 Drying curve of sludge under different temperature conditions

2.2 不同干燥温度下污泥干燥速率的变化

不同干燥温度下污泥的干燥速率随含水量的变化如图2所示。图2A、B、C、D分别表示污泥厚度为3 mm、5 mm、7 mm、10 mm的干燥速率曲线。

由图2可以看出，污泥的干燥过程分为：预干燥阶段、恒速干燥阶段及降速干燥阶段。污泥在预干燥阶段，随着污泥温度的升高，干燥速率逐渐增大，待水分的蒸发速率与水分在污泥内部的扩散速率相当时，污泥干燥进入恒速干燥阶段，此阶段蒸发的主要是污泥中的间隙水。当污泥中的含水量降至一定阶段后，污泥中的毛细水和结合水开始蒸发，干燥速率降低，干燥进入降速干燥阶段。从图2还可以看出，污泥的干燥速率与污泥厚度有着密切的关系，相同干燥温度下，随着污泥厚度的增加，干燥速率呈下降趋势，这主要是由于污泥厚度增加，污泥中水分扩散阻力增大，扩散速率降低。

图2 不同干燥温度下的污泥干燥速率Fig.2 Drying rate curves of sludge under different temperature conditions

2.3 污泥干燥过程中内部各层温度变化

图3 污泥干燥过程中各层温度变化Fig.3 The temperature changes of each layer during the sludge drying process

污泥干燥过程中内部各层温度变化如图3所示，以干燥温度70 ℃、污泥厚度10 mm为例。从图中可以看出，污泥内部各层温度在干燥初期，呈现迅速增加的趋势，随着干燥时间的增加，温度增加趋势减缓。在干燥初期，污泥初始温度为室内温度，放入干燥箱后，与干燥箱内温差大，此时热交换用于污泥温度的升高，温度由表层向内部传导，污泥各层温度上升较快，此过程对应污泥干燥的预干燥阶段；随着干燥过程的进行，污泥吸收的热量主要用于污泥中间隙水的蒸发，污泥吸收的热量较少，此时污泥各层的温度增加趋势减缓，该过程对应污泥干燥的恒速干燥阶段；在干燥后期，污泥中的毛细水和结合水开始蒸发，因毛细水和结合水的水分结合能大，不易蒸发，污泥吸收的热量多用于自身温度的提高，污泥各层温度升高较快，此过程对应污泥干燥的降速干燥阶段。

2.4 污泥干燥动力学分析

2.4.1 污泥干燥模型分析

污泥的薄层干燥模型可以预测污泥的干燥过程，分析污泥干燥机理。常见的污泥干燥模型见表1。

表1 常见污泥薄层干燥模型Table 1 The common drying models of thin-layer sludge

表2 不同污泥干燥模型拟合结果Table 2 Fitting results of different sludge drying models

续表2

表2列出了污泥在50 ℃、厚度7 mm条件下的干燥模型拟合结果。从表中可以看出，Midilli模型的R2最大，χ2及RSS最小，能很好的模拟污泥干燥过程，通过计算，其他干燥条件下的拟合结果具有相同的结论。表3为污泥在不同干燥条件下Midilli模型拟合结果，从表中数据可以看出，Midilli模型可以很好的模拟低温条件下的污泥干燥过程，通过模型计算可以预测污泥干燥过程，为污泥干燥规模化生产提供理论依据。图4为污泥在不同干燥条件下含水量的测定值与Midilli模型拟合值的对比情况，从图中可以看出，拟合值与测定值具有很好的线性关系，验证了Midilli模型模拟污泥低温干燥的正确性。

表3 不同干燥条件下Midilli模型拟合结果Table 3 Midilli model fitting results under different drying conditions

图4 污泥水分Midilli模型拟合值与测定值关系Fig.4 Relationships between fitted value and measured value of sludge moisture for the Midilli model

2.4.2 有效扩散系数

污泥的干燥过程是污泥中的水分从内部向外界扩散的过程，通过Fick定律可以计算污泥中水分的有效扩散系数，其计算式[8]如下：

(3)

式中：Deff——水分有效扩散系数，m2/s

L——污泥厚度，m

n——试验采样数量

为便于计算，将式(3)两边同时取对数，得到式(4)，由式(4)可以看出，lnM与t呈线性关系，通过其斜率即可计算出有效扩散系数。

(4)

表4 不同干燥条件下的污泥水分有效扩散系数Table 4 Effective diffusion coefficient of sludge under different drying conditions

经计算，不同干燥条件下的水分有效扩散系数见表4，从中可以看出相同厚度的污泥，随着干燥温度的提高，水分子运动速度加快，有效扩散系数呈上升趋势；随着污泥厚度的增加，有效扩散系数增加较为明显，厚度从3 mm增加至10 mm，温度从40 ℃提高至70 ℃，有效扩散系数分别提高了4.04倍、4.26倍、5.00倍、5.17倍。

2.4.3 表观活化能

根据Arrhenius方程可以得出有效扩散系数和表观活化能之间的关系，其计算式[9]如下：

(5)

式中：D0——Arrhenius方程指前因子，m2/s

Ea——表观活化能，kJ/mol

R——气体常数，8.314 J/(mol·K)

T——干燥温度，K

将式(5)两边同时取对数，得式(6)。

(6)

由式(6)可以看出，lnDeff与1/T呈线性关系，通过其斜率即可计算出Ea，通过截距即可计算出D0。经计算，3 mm、5 mm、7 mm、10 mm厚污泥的表观活化能分别为21.20 kJ/mol、23.13 kJ/mol、26.58 kJ/mol、29.32 kJ/mol。表观活化能的提高表明，污泥厚度增加，污泥干燥需要吸收更多的热量。因此，为提高污泥干燥效率、降低能耗，应在保证干燥规模的前提下尽量降低污泥厚度。

图5 不同厚度污泥lnDeff与1/T的拟合结果Fig.5 Fitting results between lnDeff and 1/T of sludge under different thicknesses

3 结 论

(1)在污泥厚度相同的条件下，随着干燥温度的提高，污泥干燥速度加快，干燥时间缩短。相同干燥温度下，随着污泥厚度的增加，干燥速率呈下降趋势。

(2)Midilli模型可以很好的模拟低温条件下的污泥干燥过程。

(3)3 mm、5 mm、7 mm、10 mm厚污泥在40～70 ℃下的水分有效扩散系数分别为3.610×10-8～7.440×10-8m2/s、5.670×10-8～1.226×10-7m2/s、1.033×10-7～2.562×10-7m2/s、1.459×10-7～3.850×10-7m2/s，表观活化能分别为21.20 kJ/mol、23.13 kJ/mol、26.58 kJ/mol、29.32 kJ/mol。