不同形狀污泥干燥特性的差異性及其成因分析

馬學文,翁煥新,章金駿 (浙江大學環境與生物地球化學研究所,浙江 杭州 310027)

不同形狀污泥干燥特性的差異性及其成因分析

馬學文,翁煥新*,章金駿 (浙江大學環境與生物地球化學研究所,浙江 杭州 310027)

通過對100～300℃恒速干燥條件下餅狀污泥和球狀污泥的失重速率、干基質量變化的測定,系統分析了不同形狀污泥干燥特性的差異及造成這種差異的原因.結果表明,餅狀污泥在干燥過程中會產生裂縫,并分裂成若干小塊,而球狀污泥僅僅會產生體積收縮,形狀并未發生變化.由于表觀形態變化的差異,導致了污泥干燥過程的差異,餅狀污泥的干燥過程分為升速和降速2個階段,而球狀污泥的干燥過程則分為升速、恒速和降速 3個階段;餅狀污泥的平均干燥速率大于球狀污泥.在150℃以上干燥時,餅狀污泥的有機物在水分蒸發的同時即開始分解,而球狀污泥則在水分蒸發完后才開始發生有機物分解.

污泥；餅狀污泥；球狀污泥；干燥特性

污水處理過程中會產生大量的污泥,據估計,2010年我國污泥的產生量將超過3000萬t[1].污水處理廠經過機械脫水后的污泥含水率一般在 75%～85%之間,由于污泥中含有大量的水分,使其體積龐大,這為污泥的堆放、運輸和處置帶來極大的困難[2-4],因此,污泥要得到有效地處理,必須對污泥進行深度脫水,實現減量化,這是污泥實現無害化和資源化處理的基礎,也是關鍵的一步.熱干化是污泥深度脫水的主要方法之一[5-6].

認識污泥的干燥特性,對于污泥干化裝置的設計和運轉管理,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關數據,污泥干化裝置的設計只能依賴于經驗[7].污泥是一種由有機物和無機物組成的固液混合物質,其干燥特性不同于傳統物料[8-9],傳統物料的干燥經驗并不適用于污泥干燥.特別是由于不同的熱干化工藝對污泥的形態要求不同,而不同形態污泥的干燥特性存在很大的差異,因此,為了使污泥干化工藝與干化設備之間充分協調,污泥干化效率達到最大化,必須深入了解不同形狀污泥的干燥特征.目前,國內外有關污泥干燥特性的研究多集中在處理工藝[10-12]和有害氣體釋放及控制方面[13-15],盡管有人對餅狀污泥干燥過程中裂縫的發育情況進行了分析[16],以及對球狀、餅狀和柱狀污泥干燥過程中的表觀體積和孔隙率等進行了測定[17],并對球狀污泥在 100～200℃的干燥特性進行了實驗研究[18],但是對于不同形狀污泥干燥過程和干燥速率等特性的動態變化仍知之甚少.本研究通過對球狀污泥和餅狀污泥的干燥過程、干燥速率變化和有機物分解等方面的深入研究,系統分析了不同形狀污泥的對干燥工藝的影響,旨在為實際的污泥干化工藝設計提供理論基礎和技術參數.

1 材料與方法

1.1 污泥性質

本實驗的污泥樣品來自杭州四堡污水處理廠機械脫水后的新鮮污泥,污泥的含水率約為77%,自然風干后污泥的性質見表 1.將新鮮污泥制成若干份質量為10g±0.1g的餅狀和球狀,2種污泥的有關參數見表2.

表1 自然風干污泥的性質Table 1 Properties of air-dried sludge

表2 餅狀污泥和球狀污泥的有關參數Table 2 Parameters of cake sludge and spherical sludge

1.2 污泥失重速率計算

分別取若干份餅狀和球狀污泥(初始質量記為m0),在100,150,200,250,300℃,風速為0的條件下進行干燥,每隔5min記錄其質量(時間為t,不同時間污泥質量記為mt),直至恒重為止.

由于污泥干燥過程中會產生收縮,表面積會發生變化,而且在 100℃以上進行干燥時,除了水分蒸發外,還會伴隨著化學結合水的析出和少量有機物的分解,因此不能準確地計算污泥含水率和干燥速率.為此,分別計算了污泥質量百分比(M)和單位質量污泥的失重速率(v),計算公式如式(1)、式(2):

1.3 污泥殘留干基率計算

污泥干燥過程中除水分蒸發外,干燥溫度過高也會引起有機物分解,從而使污泥干基質量發生變化,通過對干基變化的分析可以間接獲得污泥有機物分解的規律.具體實驗步驟如下:取若干份污泥,將其在 150,200,250,300℃的恒溫條件下分別干燥 5,10,15,20,30,60min,并記錄其質量,然后 105℃恒溫干燥 8h后,稱量其最終干基質量,記為mdb.計算污泥的干基殘留率(Rdb):

2 結果與討論

2.1 不同形狀污泥的干燥特性差異

圖1 餅狀污泥和球狀污泥的干燥時間曲線Fig.1 Drying time curves of cake sludge and spherical sludge

餅狀污泥和球狀污泥由于形狀的差異,導致其干燥特性存在差異.圖1顯示了餅狀污泥和球狀污泥在不同溫度下的干燥時間曲線,從圖1中可以看出,2種不同形狀污泥的干燥時間存在明顯的差異:同樣質量的餅狀污泥在相同溫度下的干燥時間遠小于球狀污泥,如餅狀污泥和球狀污泥在 100℃下干燥,從原始污泥質量干燥至質量為25%時所需的干燥時間分別為185,395min,球狀污泥的干燥時間約為餅狀污泥的 2.14倍;在300℃下干燥,所需的干燥時間則分別為 25, 45min,球狀污泥的干燥時間約為餅狀污泥的 1.8倍;在同樣的干燥溫度下,餅狀污泥的最終干基質量要小于球狀污泥,如餅狀和球狀污泥在 100℃下的最終干基質量分別為 23.6%和 24.2%,而在300℃下分別為16.5%和20.4%.

不同形狀污泥的干燥時間存在差異,說明它們的干燥過程不同.圖2顯示了不同形狀污泥在不同溫度下的干燥速率曲線,從圖2中可以看出,餅狀污泥和球狀污泥的干燥過程有很大的差別,其中球狀污泥的干燥過程明顯經歷了3個階段,即升速階段(I)、恒速階段(II)和降速階段(III),其中恒速階段(II)是干燥速率最大且失去水分比例最大的階段;而餅狀污泥的干燥過程僅經歷升速(I)和降速(III)2個階段.雖然餅狀污泥不存在恒速階段,但是餅狀污泥的總體干燥速率要大于球狀污泥,例如球狀污泥在100℃下干燥時,質量減少到原始質量的 90%左右時,即進入恒速(II)干燥階段,這時污泥的干燥速率雖然仍在緩慢上升,但是基本保持在 0.004g/(g·min)左右.而餅狀污泥在100℃下干燥,質量減少到原始質量的90%以后,其干燥速率仍然快速升高,最高可以達到0.0113g/(g·min),約為球狀污泥最大干燥速率的3倍.

餅狀污泥和球狀污泥之所以會表現出截然不同的2種干燥過程,是由于污泥在干燥過程中形態變化不同所引起的.污泥在干燥過程中會隨著水分的蒸發產生干燥收縮,當收縮產生的干燥應力超過污泥的抗拉極限時會產生應力裂紋,而收縮速率與物料表面積和體積之比有關[19],該比值越大越容易產生裂縫.這是由于物料干燥過程中裂紋產生與物料中心濕度和表面濕度的最大允許濕度差有關[20],球體的表面積與體積之比最小,其允許濕度差最大,是平面體的 1.67倍,因此最不容易產生裂縫.本實驗中球狀污泥和餅狀污泥的表面積與體積之比分別為0.24,0.30m-1,因此球狀污泥在同等條件下進行干燥最不容易產生裂縫.從圖3中可以看出,在100～300℃的干燥條件下,球狀污泥基本不產生裂縫,只是體積產生收縮;而餅狀污泥則會在體積收縮的過程中產生大量的裂縫.

圖2 餅狀污泥和球狀污泥在不同溫度的干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curves of cake sludge and spherical sludge at different temperature

球狀污泥干燥初期經過升速階段后,污泥表面單位面積的水分蒸發速度和內部水分向表面的擴散速度達到平衡,此時污泥的體積隨著水分的失去而逐漸收縮,內部水分的擴散距離也逐漸縮短,內部水分仍然能夠保持污泥表面濕潤,單位面積的污泥干燥速率仍然保持恒定.

圖3 污泥干燥過程中形態的變化Fig.3 Apparent change of sludge during drying

圖4 球狀污泥的質量與表面積的關系Fig.4 Correlation between weight and surface area of spherical sludge

由于污泥收縮并無裂縫產生,污泥的體積近似等于水的體積和干污泥的體積之和[18],根據質量計算不同污泥質量時污泥的表面積,從圖4可以看出,污泥干燥至其原始質量的 90%～30%的范圍內(絕大多數污泥恒速干燥階段在此范圍之內),污泥的表面積與污泥質量基本呈線性關系,因此單位面積干燥速率恒定時,單位質量的干燥速率基本恒定,即圖2中的恒速干燥階段.當水分蒸發到一定階段,污泥內部水分轉移到表面的速度低于恒速階段表面的汽化速度,物料表面不能維持全部濕潤,即進入降速干燥階段.因此,球狀污泥的干燥過程分為升速階段、恒速階段和降速階段.

餅狀污泥則由于裂縫的產生,表現出截然不同的干燥過程.餅狀污泥經過升速階段后,污泥表面水分蒸發速度和內部水分向表面的擴散速度達到短暫平衡,但是由于干燥收縮產生了裂縫,導致表面積大大增加,因此污泥的干燥速率繼續增加.從圖2中可以發現,餅狀污泥的降速階段也分為2個階段.這是由于裂縫增大了污泥的表面積,使得水分擴散距離變小,污泥內部水分快速向裂縫表面移動而蒸發,直到裂縫不再產生,表面積不再增加,反而隨著體積縮小逐漸減小,即進入第 1降速階段.隨著污泥內部水分轉移到裂縫表面的速度低于表面的汽化速度時,污泥的干燥速率開始快速下降,即進入第2降速階段.所以,餅狀污泥的干燥過程僅僅表現出升速和降速2個階段.

2.2 溫度對不同形狀污泥干燥速率的影響

污泥的干燥溫度是影響污泥干燥速率的主要因素之一,然而,溫度對于不同形狀污泥的平均干燥速率所產生的影響程度是不同的.根據干化后污泥的最終含水率,可以將污泥干化分為全干化和半干化[21],全干化是指將污泥干化至平衡水分附近,即干化后污泥的最終含水率在10%以下,含固率在90%以上;半干化是指,

干化后污泥的最終含水率在 50%～40%以下,含固率在 50%～60%以上.由于餅狀污泥和球狀污泥降速階段(III)的存在,因此會導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會小于半干化的平均干燥速率.假如按照污泥干化至原始質量的 50%為半干化,干化至原始質量的25%為全干化,污泥干化平均干燥速率()的計算公式為:

從圖5中可以看到,無論是餅狀污泥還是球狀污泥,半干化和全干化平均速率的差值均隨著溫度的升高而逐漸變大,但是在半干化時,餅狀污泥和球狀污泥的平均干燥速率與溫度都呈二次方關系;在全干化時,餅狀污泥的平均干燥速率和溫度呈二次方關系,而球狀污泥的平均干燥速率和溫度則呈線性關系.

圖5 干燥溫度與平均干燥速率的關系Fig.5 Correlation between drying time and average drying rate

通過計算餅狀污泥和球狀污泥的各個干燥階段失重和干燥時間比例,可以發現溫度對不同形狀污泥干燥過程影響也存在差異.表3列出了不同形狀污泥在各個階段的失重和干燥時間比例.從表 3中可以看出,球狀污泥在干燥過程中升速階段(I)和降速階段(III)的失重比例和干燥時間比例隨著溫度升高而逐漸增大,而恒速階段(II)污泥的失重比例和干燥時間比例則逐漸下降.一般的普通物料在升速階段為預熱階段[22],時間和失重比例都非常短,可以忽略不計,而污泥在此階段的失重情況并不能忽略不計,球狀污泥的升速階段占總干燥過程的失重比例可以達到11.56%～34.30%;而恒速階段是球狀污泥干燥的主要階段,其失重比例達到 51.12%～81.56%,干燥時間比例達到 44.44%～70.89%.干燥對球狀污泥的干燥過程影響較大,主要是因為球狀污泥在干燥過程中僅僅發生體積收縮,水分蒸發在污泥表面進行,當干燥溫度升高時,污泥表面的干燥速率增大,污泥表面水分蒸發速度和內部水分向表面的擴散速度達到平衡所需時間同樣增加,因而升速階段的失重和干燥時間比例都隨溫度逐漸增大.同樣由于表面干燥速率增加,該平衡維持的時間也縮短,恒速階段比例同樣逐漸縮短,而降速階段則逐漸增大.

從表3可以看出,干燥溫度對餅狀污泥各干燥階段的影響較小.餅狀污泥在干燥過程中升速階段(I)的失重比例基本占到總失重的 2/3左右,而干燥時間僅占總干燥時間的 1/2左右.餅狀污泥的干燥階段與裂縫的發育情況有關,裂縫增多增大時,呈升速階段;而裂縫停止發育時進入降速階段.溫度對餅狀污泥的干燥過程比例影響較小,說明餅狀污泥裂縫的產生情況不受干燥溫度和干燥速率的影響.

2.3 不同形狀污泥有機物分解的差異

在污泥干燥過程中水分蒸發的同時,也可能造成部分有機物受熱分解.有機物分解會給污泥干燥系統帶來諸多不利影響,包括有機物分解產生的惡臭氣體造成尾氣處理難度加大,有機物分解消耗熱量導致干燥設備的熱利用率下降,以及污泥中有機物分解造成成品污泥熱值降低.因此,需要對干燥過程中有機物的分解情況進行分析.

圖6中顯示了干燥溫度為150～300℃時餅狀污泥和球狀污泥殘留干基率的變化.從圖 5中可以看出,不同形狀污泥在相同條件下測出的初始干基率是不同的,采用風干粉碎的污泥所測的污泥含水率為77%左右,即干基率為23%,餅狀污泥的干基率基本接近 23%,而球狀污泥的干基率則在 24%左右.這說明球狀污泥中的水分不易蒸發,約有占總質量1%的水分在100℃時無法蒸發.

餅狀污泥和球狀污泥干燥過程中殘留干基率的變化也不相同.在 150℃時餅狀污泥和球狀污泥干燥過程中殘留干基率的變化很小,但接近終點時,球狀污泥的殘留干基率會從 24%降到23%左右,說明 150℃時球狀污泥干燥過程中基本不會發生有機物分解.在 200℃以上時,餅狀污泥在干燥過程中殘留干基率開始緩慢下降,當污泥質量降至30%左右時,殘留干基率急劇下降,而球狀污泥在干燥過程中殘留干基率基本不變,直至干燥終點才開始急劇下降,這說明在餅狀污泥干燥過程中水分蒸發的同時,已經有部分有機物開始分解,而且隨著溫度的升高,有機物的分解率也逐漸升高.而球狀污泥只有在污泥中水分基本蒸發完后,有機物才開始分解.在相同的干燥溫度下,餅狀污泥的最終殘留干基率要小于球狀污泥,在 150℃條件下,餅狀污泥和球狀污泥的殘留干基率分別為22.55%和23.16%,而在300℃條件下,則分別為 16.16%和 20.72%.這說明球狀污泥不僅水分不易蒸發,有機物也不易發生分解,而餅狀污泥則更容易發生有機物分解.

餅狀污泥在干燥過程中由于裂縫的產生,導致了不同部位污泥水分蒸發的差異,靠近裂縫位置的污泥水分快速蒸發,局部的溫度也快速上升,部分有機物即開始分解,因此餅狀污泥在污泥水分蒸發開始不久后污泥中有機物即開始緩慢分解.而球狀污泥則由于污泥的體積整體縮小,內部水分通過球體表面蒸發,導致在整個蒸發過程中污泥表面的溫度比較低,僅僅在水分基本蒸發完畢后,污泥表面的有機物才開始逐漸分解.同樣,由于球狀污泥與熱空氣的接觸表面遠小于餅狀污泥,因此,球狀污泥的有機物分解量也要少于餅狀污泥.

圖6 污泥干燥過程中殘留干基率的變化Fig.6 Change of residual dry basis of sludge during drying

3 結論

3.1 餅狀污泥在干燥過程中會分裂成許多小塊,干燥面積增大,而球狀污泥在干燥過程中僅向心收縮,污泥干燥面積逐漸變小,2種污泥干燥形狀的變化導致了2種截然不同的干燥過程.餅狀污泥的干燥過程分為升速和降速2個階段,而球狀污泥則分為升速、恒速和降速3個階段.但是餅狀污泥的平均干燥速率要大于球狀污泥.

3.2 餅狀污泥和球狀污泥半干化的平均干燥速率要大于全干化.半干化時,餅狀污泥和球狀污泥的平均干燥速率與溫度都呈二次方關系;全干化時,餅狀污泥的平均干燥速率和溫度呈二次方關系,而球狀污泥的平均干燥速率和溫度呈線性關系.

3.3 干燥溫度對餅狀污泥各干燥階段的失重和干燥時間比例影響較小,而球狀污泥的各階段則受到溫度的影響很大,升速階段和降速階段的失重比例和時間比例隨著溫度升高而逐漸增大,而恒速階段的比例則隨溫度升高而逐漸減小.

3.4 餅狀污泥和球狀污泥在 150℃以上干燥時會有有機物發生分解,但是餅狀污泥在水分蒸發過程中即開始有部分有機物發生分解,而球狀污泥則基本在污泥水分完全失去后才開始發生有機物分解.

[1] 王洪臣.污泥處理處置設施的規劃建設與管理 [J]. 中國給水排水, 2010,26(14):1-6.

[2] 姜瑞勛,李愛民,王偉云.脫水污泥薄層干燥特性及動力學模型分析 [J]. 中國環境科學,2009,29(1):22-25.

[3] Fytilia D, Zabaniotou A. Utilization of sewage sludge in EU application of old and new methods—A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008,12(1):116-140.

[4] Chai L H. Statistical dynamic features of sludge drying systems [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2007,46(8): 802-811.

[5] Stasta P, Boran J, Bebar L, et al. Thermal processing of sewage sludge [J]. Applied Thermal Engineering, 2006,26(13):1420-1426.

[6] USEPA (U.S.Environmental Protection Agency). Biosolids technology fact sheet heat drying [S]. Washington: US EPA/ 832/F-06/029, 2006.

[7] 潘永康.現代干燥技術 [M]. 北京:化學工業出版社, 2007: 85-112.

[8] 翁煥新.污泥無害化、減量化、資源化處理新技術 [M]. 北京:科學出版社, 2009:65-73.

[9] Werther J, Ogada T. Sewage sludge combustion [J]. Progress in Energy and Combustion Science, 1999,25:55-116.

[10] Salihoglu N K, Pinarlia V, Salihoglu G. Solar drying in sludge management in Turkey [J]. Renewable Energy, 2007,32(10): 1661-1675.

[11] 翁煥新,馬學文,蘇閩華,等.利用煙氣余熱干化城市污泥工藝的應用 [J]. 中國給水排水, 2008,24(4):58-61.

[12] 王明根,方躍飛,袁福平,等.利用太陽能和高溫熱泵的城市污泥熱干化系統技術研究 [J]. 干燥技術與設備, 2007,5(6):311-314.

[13] Deng W Y, Yan J H , Lia X D, et al. Emission characteristics of volatile compounds during sludges drying process [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,162(1):186-192.

[14] Yia S M, Pagillab S R, Seo Y C,et al. Emissions of polychlorinated biphenyls (PCBs) from sludge drying beds to the atmosphere in Chicago[J]. Chemosphere, 2008,71(6):1028-1034.

[15] 褚 赟,翁煥新,章金駿,等.污泥干化過程中苯系物(BTEX) 的釋放及其致癌風險評價 [J]. 環境科學學報, 2009,29(4):777-785.

[16] Hsu J P, Tao T, Su A, et al. Model for sludge cake drying accounting for developing cracks [J]. Drying Technology, 2010, 28(7):922-926.

[17] 李愛民,曲艷麗,楊子賢等.污水污泥干燥過程中表觀形態變化及水分析出特性 [J]. 化工學報, 2004,55(6):1011-1015.

[18] 馬學文,翁煥新.溫度與顆粒大小對污泥干燥特性的影響[J].浙江大學學報(工學版), 2009, 43(9):17-23.

[19] 覃維祖.結構工程材料 [M]. 北京:清華大學出版社, 2000:51-60.

[20] 契津斯基.陶瓷原料與制品的干燥 [M]. 北京:中國建筑工業出版社, 1980:31-40.

[21] 王興潤,金宜英,聶永豐.國內外污泥熱干燥工藝的應用進展及技術要點 [J]. 中國給水排水, 2007,23(8):5-8.

[22] Wang L K, Shammas N K, Hung Y T.Biosolids engineering and management volume 7 (handbook of environmental engineering) [M].New York:Humana Press, 2008:273-342.

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

浙江省重大科技資助項目(2005C13005),浙江省重點科技資助項目(2005C23051)

* 責任作者, 教授, gswenghx@zju.edu.cn

馬學文(1982-),男,山西太谷人,博士后,主要從事污泥無害化、減量化和資源化處理研究.發表論文11篇.