不同形状污泥干燥特性的差异性及其成因分析

马学文,翁焕新,章金骏 (浙江大学环境与生物地球化学研究所,浙江 杭州 310027)

不同形状污泥干燥特性的差异性及其成因分析

马学文,翁焕新*,章金骏 (浙江大学环境与生物地球化学研究所,浙江 杭州 310027)

通过对100～300℃恒速干燥条件下饼状污泥和球状污泥的失重速率、干基质量变化的测定,系统分析了不同形状污泥干燥特性的差异及造成这种差异的原因.结果表明,饼状污泥在干燥过程中会产生裂缝,并分裂成若干小块,而球状污泥仅仅会产生体积收缩,形状并未发生变化.由于表观形态变化的差异,导致了污泥干燥过程的差异,饼状污泥的干燥过程分为升速和降速2个阶段,而球状污泥的干燥过程则分为升速、恒速和降速 3个阶段;饼状污泥的平均干燥速率大于球状污泥.在150℃以上干燥时,饼状污泥的有机物在水分蒸发的同时即开始分解,而球状污泥则在水分蒸发完后才开始发生有机物分解.

污泥；饼状污泥；球状污泥；干燥特性

污水处理过程中会产生大量的污泥,据估计,2010年我国污泥的产生量将超过3000万t[1].污水处理厂经过机械脱水后的污泥含水率一般在 75%～85%之间,由于污泥中含有大量的水分,使其体积庞大,这为污泥的堆放、运输和处置带来极大的困难[2-4],因此,污泥要得到有效地处理,必须对污泥进行深度脱水,实现减量化,这是污泥实现无害化和资源化处理的基础,也是关键的一步.热干化是污泥深度脱水的主要方法之一[5-6].

认识污泥的干燥特性,对于污泥干化装置的设计和运转管理,以及提高污泥干化的效率是不可缺少的,然而,由于缺乏污泥干燥特性的相关数据,污泥干化装置的设计只能依赖于经验[7].污泥是一种由有机物和无机物组成的固液混合物质,其干燥特性不同于传统物料[8-9],传统物料的干燥经验并不适用于污泥干燥.特别是由于不同的热干化工艺对污泥的形态要求不同,而不同形态污泥的干燥特性存在很大的差异,因此,为了使污泥干化工艺与干化设备之间充分协调,污泥干化效率达到最大化,必须深入了解不同形状污泥的干燥特征.目前,国内外有关污泥干燥特性的研究多集中在处理工艺[10-12]和有害气体释放及控制方面[13-15],尽管有人对饼状污泥干燥过程中裂缝的发育情况进行了分析[16],以及对球状、饼状和柱状污泥干燥过程中的表观体积和孔隙率等进行了测定[17],并对球状污泥在 100～200℃的干燥特性进行了实验研究[18],但是对于不同形状污泥干燥过程和干燥速率等特性的动态变化仍知之甚少.本研究通过对球状污泥和饼状污泥的干燥过程、干燥速率变化和有机物分解等方面的深入研究,系统分析了不同形状污泥的对干燥工艺的影响,旨在为实际的污泥干化工艺设计提供理论基础和技术参数.

1 材料与方法

1.1 污泥性质

本实验的污泥样品来自杭州四堡污水处理厂机械脱水后的新鲜污泥,污泥的含水率约为77%,自然风干后污泥的性质见表 1.将新鲜污泥制成若干份质量为10g±0.1g的饼状和球状,2种污泥的有关参数见表2.

表1 自然风干污泥的性质Table 1 Properties of air-dried sludge

表2 饼状污泥和球状污泥的有关参数Table 2 Parameters of cake sludge and spherical sludge

1.2 污泥失重速率计算

分别取若干份饼状和球状污泥(初始质量记为m0),在100,150,200,250,300℃,风速为0的条件下进行干燥,每隔5min记录其质量(时间为t,不同时间污泥质量记为mt),直至恒重为止.

由于污泥干燥过程中会产生收缩,表面积会发生变化,而且在 100℃以上进行干燥时,除了水分蒸发外,还会伴随着化学结合水的析出和少量有机物的分解,因此不能准确地计算污泥含水率和干燥速率.为此,分别计算了污泥质量百分比(M)和单位质量污泥的失重速率(v),计算公式如式(1)、式(2):

1.3 污泥残留干基率计算

污泥干燥过程中除水分蒸发外,干燥温度过高也会引起有机物分解,从而使污泥干基质量发生变化,通过对干基变化的分析可以间接获得污泥有机物分解的规律.具体实验步骤如下:取若干份污泥,将其在 150,200,250,300℃的恒温条件下分别干燥 5,10,15,20,30,60min,并记录其质量,然后 105℃恒温干燥 8h后,称量其最终干基质量,记为mdb.计算污泥的干基残留率(Rdb):

2 结果与讨论

2.1 不同形状污泥的干燥特性差异

图1 饼状污泥和球状污泥的干燥时间曲线Fig.1 Drying time curves of cake sludge and spherical sludge

饼状污泥和球状污泥由于形状的差异,导致其干燥特性存在差异.图1显示了饼状污泥和球状污泥在不同温度下的干燥时间曲线,从图1中可以看出,2种不同形状污泥的干燥时间存在明显的差异:同样质量的饼状污泥在相同温度下的干燥时间远小于球状污泥,如饼状污泥和球状污泥在 100℃下干燥,从原始污泥质量干燥至质量为25%时所需的干燥时间分别为185,395min,球状污泥的干燥时间约为饼状污泥的 2.14倍;在300℃下干燥,所需的干燥时间则分别为 25, 45min,球状污泥的干燥时间约为饼状污泥的 1.8倍;在同样的干燥温度下,饼状污泥的最终干基质量要小于球状污泥,如饼状和球状污泥在 100℃下的最终干基质量分别为 23.6%和 24.2%,而在300℃下分别为16.5%和20.4%.

不同形状污泥的干燥时间存在差异,说明它们的干燥过程不同.图2显示了不同形状污泥在不同温度下的干燥速率曲线,从图2中可以看出,饼状污泥和球状污泥的干燥过程有很大的差别,其中球状污泥的干燥过程明显经历了3个阶段,即升速阶段(I)、恒速阶段(II)和降速阶段(III),其中恒速阶段(II)是干燥速率最大且失去水分比例最大的阶段;而饼状污泥的干燥过程仅经历升速(I)和降速(III)2个阶段.虽然饼状污泥不存在恒速阶段,但是饼状污泥的总体干燥速率要大于球状污泥,例如球状污泥在100℃下干燥时,质量减少到原始质量的 90%左右时,即进入恒速(II)干燥阶段,这时污泥的干燥速率虽然仍在缓慢上升,但是基本保持在 0.004g/(g·min)左右.而饼状污泥在100℃下干燥,质量减少到原始质量的90%以后,其干燥速率仍然快速升高,最高可以达到0.0113g/(g·min),约为球状污泥最大干燥速率的3倍.

饼状污泥和球状污泥之所以会表现出截然不同的2种干燥过程,是由于污泥在干燥过程中形态变化不同所引起的.污泥在干燥过程中会随着水分的蒸发产生干燥收缩,当收缩产生的干燥应力超过污泥的抗拉极限时会产生应力裂纹,而收缩速率与物料表面积和体积之比有关[19],该比值越大越容易产生裂缝.这是由于物料干燥过程中裂纹产生与物料中心湿度和表面湿度的最大允许湿度差有关[20],球体的表面积与体积之比最小,其允许湿度差最大,是平面体的 1.67倍,因此最不容易产生裂缝.本实验中球状污泥和饼状污泥的表面积与体积之比分别为0.24,0.30m-1,因此球状污泥在同等条件下进行干燥最不容易产生裂缝.从图3中可以看出,在100～300℃的干燥条件下,球状污泥基本不产生裂缝,只是体积产生收缩;而饼状污泥则会在体积收缩的过程中产生大量的裂缝.

图2 饼状污泥和球状污泥在不同温度的干燥速率曲线Fig.2 Drying rate curves of cake sludge and spherical sludge at different temperature

球状污泥干燥初期经过升速阶段后,污泥表面单位面积的水分蒸发速度和内部水分向表面的扩散速度达到平衡,此时污泥的体积随着水分的失去而逐渐收缩,内部水分的扩散距离也逐渐缩短,内部水分仍然能够保持污泥表面湿润,单位面积的污泥干燥速率仍然保持恒定.

图3 污泥干燥过程中形态的变化Fig.3 Apparent change of sludge during drying

图4 球状污泥的质量与表面积的关系Fig.4 Correlation between weight and surface area of spherical sludge

由于污泥收缩并无裂缝产生,污泥的体积近似等于水的体积和干污泥的体积之和[18],根据质量计算不同污泥质量时污泥的表面积,从图4可以看出,污泥干燥至其原始质量的 90%～30%的范围内(绝大多数污泥恒速干燥阶段在此范围之内),污泥的表面积与污泥质量基本呈线性关系,因此单位面积干燥速率恒定时,单位质量的干燥速率基本恒定,即图2中的恒速干燥阶段.当水分蒸发到一定阶段,污泥内部水分转移到表面的速度低于恒速阶段表面的汽化速度,物料表面不能维持全部湿润,即进入降速干燥阶段.因此,球状污泥的干燥过程分为升速阶段、恒速阶段和降速阶段.

饼状污泥则由于裂缝的产生,表现出截然不同的干燥过程.饼状污泥经过升速阶段后,污泥表面水分蒸发速度和内部水分向表面的扩散速度达到短暂平衡,但是由于干燥收缩产生了裂缝,导致表面积大大增加,因此污泥的干燥速率继续增加.从图2中可以发现,饼状污泥的降速阶段也分为2个阶段.这是由于裂缝增大了污泥的表面积,使得水分扩散距离变小,污泥内部水分快速向裂缝表面移动而蒸发,直到裂缝不再产生,表面积不再增加,反而随着体积缩小逐渐减小,即进入第 1降速阶段.随着污泥内部水分转移到裂缝表面的速度低于表面的汽化速度时,污泥的干燥速率开始快速下降,即进入第2降速阶段.所以,饼状污泥的干燥过程仅仅表现出升速和降速2个阶段.

2.2 温度对不同形状污泥干燥速率的影响

污泥的干燥温度是影响污泥干燥速率的主要因素之一,然而,温度对于不同形状污泥的平均干燥速率所产生的影响程度是不同的.根据干化后污泥的最终含水率,可以将污泥干化分为全干化和半干化[21],全干化是指将污泥干化至平衡水分附近,即干化后污泥的最终含水率在10%以下,含固率在90%以上;半干化是指,

干化后污泥的最终含水率在 50%～40%以下,含固率在 50%～60%以上.由于饼状污泥和球状污泥降速阶段(III)的存在,因此会导致污泥全干化和半干化的平均干燥速率有所不同,即污泥全干化的平均干燥速率会小于半干化的平均干燥速率.假如按照污泥干化至原始质量的 50%为半干化,干化至原始质量的25%为全干化,污泥干化平均干燥速率()的计算公式为:

从图5中可以看到,无论是饼状污泥还是球状污泥,半干化和全干化平均速率的差值均随着温度的升高而逐渐变大,但是在半干化时,饼状污泥和球状污泥的平均干燥速率与温度都呈二次方关系;在全干化时,饼状污泥的平均干燥速率和温度呈二次方关系,而球状污泥的平均干燥速率和温度则呈线性关系.

图5 干燥温度与平均干燥速率的关系Fig.5 Correlation between drying time and average drying rate

通过计算饼状污泥和球状污泥的各个干燥阶段失重和干燥时间比例,可以发现温度对不同形状污泥干燥过程影响也存在差异.表3列出了不同形状污泥在各个阶段的失重和干燥时间比例.从表 3中可以看出,球状污泥在干燥过程中升速阶段(I)和降速阶段(III)的失重比例和干燥时间比例随着温度升高而逐渐增大,而恒速阶段(II)污泥的失重比例和干燥时间比例则逐渐下降.一般的普通物料在升速阶段为预热阶段[22],时间和失重比例都非常短,可以忽略不计,而污泥在此阶段的失重情况并不能忽略不计,球状污泥的升速阶段占总干燥过程的失重比例可以达到11.56%～34.30%;而恒速阶段是球状污泥干燥的主要阶段,其失重比例达到 51.12%～81.56%,干燥时间比例达到 44.44%～70.89%.干燥对球状污泥的干燥过程影响较大,主要是因为球状污泥在干燥过程中仅仅发生体积收缩,水分蒸发在污泥表面进行,当干燥温度升高时,污泥表面的干燥速率增大,污泥表面水分蒸发速度和内部水分向表面的扩散速度达到平衡所需时间同样增加,因而升速阶段的失重和干燥时间比例都随温度逐渐增大.同样由于表面干燥速率增加,该平衡维持的时间也缩短,恒速阶段比例同样逐渐缩短,而降速阶段则逐渐增大.

从表3可以看出,干燥温度对饼状污泥各干燥阶段的影响较小.饼状污泥在干燥过程中升速阶段(I)的失重比例基本占到总失重的 2/3左右,而干燥时间仅占总干燥时间的 1/2左右.饼状污泥的干燥阶段与裂缝的发育情况有关,裂缝增多增大时,呈升速阶段;而裂缝停止发育时进入降速阶段.温度对饼状污泥的干燥过程比例影响较小,说明饼状污泥裂缝的产生情况不受干燥温度和干燥速率的影响.

2.3 不同形状污泥有机物分解的差异

在污泥干燥过程中水分蒸发的同时,也可能造成部分有机物受热分解.有机物分解会给污泥干燥系统带来诸多不利影响,包括有机物分解产生的恶臭气体造成尾气处理难度加大,有机物分解消耗热量导致干燥设备的热利用率下降,以及污泥中有机物分解造成成品污泥热值降低.因此,需要对干燥过程中有机物的分解情况进行分析.

图6中显示了干燥温度为150～300℃时饼状污泥和球状污泥残留干基率的变化.从图 5中可以看出,不同形状污泥在相同条件下测出的初始干基率是不同的,采用风干粉碎的污泥所测的污泥含水率为77%左右,即干基率为23%,饼状污泥的干基率基本接近 23%,而球状污泥的干基率则在 24%左右.这说明球状污泥中的水分不易蒸发,约有占总质量1%的水分在100℃时无法蒸发.

饼状污泥和球状污泥干燥过程中残留干基率的变化也不相同.在 150℃时饼状污泥和球状污泥干燥过程中残留干基率的变化很小,但接近终点时,球状污泥的残留干基率会从 24%降到23%左右,说明 150℃时球状污泥干燥过程中基本不会发生有机物分解.在 200℃以上时,饼状污泥在干燥过程中残留干基率开始缓慢下降,当污泥质量降至30%左右时,残留干基率急剧下降,而球状污泥在干燥过程中残留干基率基本不变,直至干燥终点才开始急剧下降,这说明在饼状污泥干燥过程中水分蒸发的同时,已经有部分有机物开始分解,而且随着温度的升高,有机物的分解率也逐渐升高.而球状污泥只有在污泥中水分基本蒸发完后,有机物才开始分解.在相同的干燥温度下,饼状污泥的最终残留干基率要小于球状污泥,在 150℃条件下,饼状污泥和球状污泥的残留干基率分别为22.55%和23.16%,而在300℃条件下,则分别为 16.16%和 20.72%.这说明球状污泥不仅水分不易蒸发,有机物也不易发生分解,而饼状污泥则更容易发生有机物分解.

饼状污泥在干燥过程中由于裂缝的产生,导致了不同部位污泥水分蒸发的差异,靠近裂缝位置的污泥水分快速蒸发,局部的温度也快速上升,部分有机物即开始分解,因此饼状污泥在污泥水分蒸发开始不久后污泥中有机物即开始缓慢分解.而球状污泥则由于污泥的体积整体缩小,内部水分通过球体表面蒸发,导致在整个蒸发过程中污泥表面的温度比较低,仅仅在水分基本蒸发完毕后,污泥表面的有机物才开始逐渐分解.同样,由于球状污泥与热空气的接触表面远小于饼状污泥,因此,球状污泥的有机物分解量也要少于饼状污泥.

图6 污泥干燥过程中残留干基率的变化Fig.6 Change of residual dry basis of sludge during drying

3 结论

3.1 饼状污泥在干燥过程中会分裂成许多小块,干燥面积增大,而球状污泥在干燥过程中仅向心收缩,污泥干燥面积逐渐变小,2种污泥干燥形状的变化导致了2种截然不同的干燥过程.饼状污泥的干燥过程分为升速和降速2个阶段,而球状污泥则分为升速、恒速和降速3个阶段.但是饼状污泥的平均干燥速率要大于球状污泥.

3.2 饼状污泥和球状污泥半干化的平均干燥速率要大于全干化.半干化时,饼状污泥和球状污泥的平均干燥速率与温度都呈二次方关系;全干化时,饼状污泥的平均干燥速率和温度呈二次方关系,而球状污泥的平均干燥速率和温度呈线性关系.

3.3 干燥温度对饼状污泥各干燥阶段的失重和干燥时间比例影响较小,而球状污泥的各阶段则受到温度的影响很大,升速阶段和降速阶段的失重比例和时间比例随着温度升高而逐渐增大,而恒速阶段的比例则随温度升高而逐渐减小.

3.4 饼状污泥和球状污泥在 150℃以上干燥时会有有机物发生分解,但是饼状污泥在水分蒸发过程中即开始有部分有机物发生分解,而球状污泥则基本在污泥水分完全失去后才开始发生有机物分解.

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Difference and cause analysis of drying characteristics of different shapes sludge.

MA Xue-wen, WENG Huan-xin*, ZHANG Jin-jun (Institute of Environment and Biogeochemistry, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：803～809

Through determination of weight loss rates and dry basis change of cake sludge and spherical sludge dried at 100～300℃, differences of drying characteristics of the two kinds of sludge were analyzed. Cake sludge cracked and split into several small pieces, while spherical sludge only shrank without shape change. Different apparent change led to different drying process. Cake sludge drying process was divided into two stages:acceleration stage and deceleration stage, while spherical sludge drying process was divided into three stages: acceleration stage, constant speed stage and deceleration stage. The average drying rate of cake sludge was bigger than spherical sludge. When dried above 150℃, organic matter of cake sludge began to decompose with water evaporating, while organic matter of spherical sludge didn’t decompose until most of water evaporated.

sewage sludge；cake sludge；spherical sludge；drying characteristics

X705

A

1000-6923(2011)05-0803-07

2010-09-08

浙江省重大科技资助项目(2005C13005),浙江省重点科技资助项目(2005C23051)

* 责任作者, 教授, gswenghx@zju.edu.cn

马学文(1982-),男,山西太谷人,博士后,主要从事污泥无害化、减量化和资源化处理研究.发表论文11篇.