污泥干燥动力学的研究进展

史继红

摘 要：污泥产量巨大且成分复杂，使其急剧减容最有效的方法之一是污泥干燥。干燥动力学的研究对污泥干燥具有重要的理论及应用指导意义。本文主要从干燥动力学特性、传热传质及模型方程三方面对干燥动力学在污泥干燥中的研究进展与应用状况进行了论述，并对其提出了展望。

关键词：污泥；干燥；动力学；研究进展；展望

中图分类号：X703 文献标识码：A

随着经济发展、工业发展、人口增长和城市化进程的加快，以及污水处理技术的提高，污泥的产量急剧增加。在污泥产量逐渐增加的同时，我国污泥的干燥技术和装备却普遍落后，污泥安全处理处置的有效措施非常有限，仅仅依赖于传统的干燥技术已经不能满足目前的污泥现状。为了避免污泥处理不当或不及时而对环境产生二次污染，污泥干燥的研究已经成为当今国内外高度重视的环保课题。污泥的干燥是一种非常复杂的传输现象，其中包含质量、能量和动量的传递，涉及到流体力学、热力学、传热传质学等一些基础学科，因此大多研究学者主要是针对污泥干燥特性以及其在工程应用等方面的研究，而关于污泥干燥的基础研究及机理论述方面并不多。干燥动力学，即是研究干燥过程中湿含量与各种支配因素之间的关系，从宏观和微观上间接地反映传热传质的变化规律，这对深入了解污泥干燥机理和提高污泥干燥技术非常有必要。因此，本文对近年来国内外学者在污泥干燥动力学特性、传热传质及模型方程方面的研究进行了总结与分析，为污泥干燥机理的论述及污泥干燥技术的改进提出了展望。

1 国内外污泥干燥动力学的研究状况

近年来，国内外学者对污泥干燥进行了大量的实验研究。污泥是含水率极高的物质，易腐败且有恶臭，一般情况下，经浓缩、消化后，尚有95%～97%含水率，经机械脱水后含水率为75%左右，经干燥后含水量可降至到20%左右，可见，干燥不但使污泥显著减容，还极大的改善了污泥臭味、黏度及病原菌等特性，是污泥减量化、无害化和资源化利用的关键一步。准确定性定量地研究污泥干燥动力学，以便精确的掌握污泥含水量的变化规律，这对科学制定干燥周期、调节干燥工艺、设计新的干燥工艺、提高效率、降低能耗及干燥设备的研发和实际操作的运行等有着重要的理论及现实意义。

1.1 污泥干燥动力学特性的研究状况

污泥干燥速率的变化是干燥过程中湿分迁移的宏观表现，其变化规律揭示的实为污泥干燥内部微观的传热传质动力学机理。在近年来国内外对污泥干燥动力学特性研究中，普遍表明污泥的干燥过程可分为加速（又称加热或预热）阶段、恒速阶段和降速阶段。

1.2 污泥干燥机理的研究状况

污泥干燥实质上就是去除水分的过程，而水分的传输同时伴随着热量的传递，这是一种非常复杂的传输过程。目前污泥干燥学术界普遍认为污泥干燥过程中水分的去除要经过蒸发和扩散两个过程。蒸发过程指的是污泥表面水分的汽化。由于污泥表面的水蒸气压低于干燥介质中的水蒸气分压，从而导致水分从污泥表面迁移到干燥介质；扩散过程指的是与汽化密切相关的传质过程。当污泥表面水分被蒸发掉，污泥表面的湿度低于污泥内部湿度，此时，热量产生的推动力将水分从内部转移到表面。这两个过程持续、交替的进行，说明污泥干燥是由表面水汽化和内部水扩散两个相互结合、同时并存的过程来完成的。

1.3 污泥干燥动力学模型的研究状况

近年来，污泥干燥动力学研究主要是对干燥过程进行数值模拟而得出干燥方程。为此国内外研究者对污泥干燥过程的数值模拟进行了大量研究，主要有三个方面：理论公式推导、干燥曲线的回归分析、理论和经验的数学模型，其中污泥薄层干燥研究最广。到目前为止，国内外研究者提出的薄层干燥模型有很多，一般分为理论与半理论方程、经验与半经验方程。

2 污泥干燥动力学的研究展望

经过污泥工作者多年的不断研究，至今无论是在污泥干燥理论还是实践方面都已取得了不少重要的研究成果。但是，由于污泥干燥是一个复杂的传热传质过程，干燥動力学又是综合了多个学科知识的交叉学科，仅依靠目前的研究成果与经验还存在一定的局限性。因此，干燥动力学在污泥干燥中的应用还需不断地研究。

2.1 加速热分析动力学技术的应用

热分析动力学是一种新兴污泥处理工艺技术，主要是利用污泥中有机质的热不稳定性在一定条件下可以受热分解，能有效的使污泥减量化、资源化和无害化。近年来，不少研究者采用热分析动力学技术或联合干燥动力学方程来研究污泥干燥，获得了污泥干燥机理方程、表观活化能、指前因子、反应级数和干燥速率常数等，这对指导干燥设备的研发和实际操作运行具有现实意义。

2.2 提高污泥干燥动力学重要参数测定的准确度

污泥干燥有效扩散系数和活化能是研究污泥干燥动力学的两个重要参数。目前，大多研究者都是引用Fick扩散定律和Arrhenius公式通过相关软件进行数据处理而得出污泥干燥的有效扩散系数和活化能。而在简化Fick扩散定律时都做了“在干燥过程中污泥内部温度分布均匀且等于环境温度（干燥介质温度）”的主要假设，这与污泥干燥的实际情况是不相符的，即使是厚度很薄的污泥薄层干燥在传热过程中也存在温度梯度。

2.3 促进非线性动力学在污泥干燥机理中的研究

在污泥干燥动力学理论研究方面，可以引入非线性动力学理论，如：突变、混沌、分形理论等研究污泥干燥的突变现象。如马德刚等人通过功率谱分析对污泥干燥速度曲线进行了分形与混沌特性研究，实验结果表明污泥的干燥速率变化具有分形特性，即污泥干燥内部传质具有随机过程，这为建立干燥动力学模型或对污泥干燥传质的模拟增加了一种新的参考，即模型或模拟中应该考虑随机过程。同时实验结果分析出污泥的种类和干燥温度对干燥速率变化的分形有较大影响，利用Hausdorff维数和整体盒维数计算方法得到了内部传质动力学特性的分形维数，为后续的理论分析提供了强有力依据。王伟云等人也对污泥干燥速率曲线进行了分形特性研究，表明不同直径柱状污泥干燥速率曲线具有多重分形特性，并且直径越小，多重分形特征越明显。由此可见，结合这种非线性动力学来研究污泥干燥，可以间接的反映污泥干燥过程中内部传热传质的运动特性，这对丰富污泥干燥的理论研究、建立合理干燥动力学模型以及检验干燥动力学模型的合理性等方面将具有重要的理论意义和实用价值。

2.4 加速多效联合干燥新工艺技术的开发和联合处理的应用

近年来，有关组合工艺在污泥干燥中的研究越来越多，如多级卧式桨叶式组合干燥、过热蒸汽对流与传导联合干燥、桨叶-盘式组合干燥等工艺被应用在污泥干燥中。大量研究表明，这种将两种或两种以上不同形式的干燥器串联组合起来，或者在干燥设备上增加一些特殊装置，使改进后的干燥器在干燥过程中将各种干燥器优势互补或产生不同型式的干燥工艺，从而较好地控制整个干燥过程，同时又能降低能耗，是污泥干燥技术未来发展的趋势之一。

2.5 促进污泥干燥新技术开发

结合不同物料间干燥动力学的异同，进行新的污泥干燥工艺开发。污泥还能与一些量大价廉的副产品混合干燥可以提高干燥效率，如岳莲等人研究了污泥与木屑混合的干燥特性，对有效扩散系数与活化能进行了计算，结果表明木屑添加对污泥干燥有明显加快，并且木屑添加比例越大干燥速率越快。近年来，也有研究者从节能的角度进行了研究，如微波干燥、太阳能干燥等。如李志刚等人对城市污泥进行了微波干燥实验和经济分析，表明微波干燥具有干燥效率高，设备投资低、占地少，清洁卫生，操作管理简便等优势，并提出对“热干燥-微波干燥”联合工艺的效能进行系统研究以便进一步降低干燥成本；雷海燕等人采用自行设计制造的混合型污泥太阳能干燥器对污泥干燥的可行性进行了探索；郑宗和等人通过实验证明了利用太阳能进行污泥干燥是一项可行的新技术。

结论

综上所述，干燥动力学特性、传热传质及模型方程三方面对干燥动力学在污泥干燥中的研究进展成果是显著的，微波干燥、太阳能干燥等新技术的应用，可能给污泥干燥技术的开发带来新的方向。

参考文献

[1]刘长燕，葛仕福.污泥干燥特性及其模型[J].化工装备技术，2010，31（01）：1-7.

[2]魏砾宏，王雪华，李润东，等.脱水污泥等温干燥特性实验研究及回归分析[J].环境科学学报，2011，31（01）：123-129.

[3]赵由才，徐迪民，陈绍伟，等.污泥的DSC和TGA分析[J].环境工程，1994，12（04）：38-41.

[4]林云琴，周少奇.我国污泥处理、处置与利用现状[J].能源环境保护，2004，18（06）.