污泥干燥動力學的研究進展

史繼紅

摘 要：污泥產量巨大且成分復雜，使其急劇減容最有效的方法之一是污泥干燥。干燥動力學的研究對污泥干燥具有重要的理論及應用指導意義。本文主要從干燥動力學特性、傳熱傳質及模型方程三方面對干燥動力學在污泥干燥中的研究進展與應用狀況進行了論述，并對其提出了展望。

關鍵詞：污泥；干燥；動力學；研究進展；展望

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A

隨著經濟發展、工業發展、人口增長和城市化進程的加快，以及污水處理技術的提高，污泥的產量急劇增加。在污泥產量逐漸增加的同時，我國污泥的干燥技術和裝備卻普遍落后，污泥安全處理處置的有效措施非常有限，僅僅依賴于傳統的干燥技術已經不能滿足目前的污泥現狀。為了避免污泥處理不當或不及時而對環境產生二次污染，污泥干燥的研究已經成為當今國內外高度重視的環保課題。污泥的干燥是一種非常復雜的傳輸現象，其中包含質量、能量和動量的傳遞，涉及到流體力學、熱力學、傳熱傳質學等一些基礎學科，因此大多研究學者主要是針對污泥干燥特性以及其在工程應用等方面的研究，而關于污泥干燥的基礎研究及機理論述方面并不多。干燥動力學，即是研究干燥過程中濕含量與各種支配因素之間的關系，從宏觀和微觀上間接地反映傳熱傳質的變化規律，這對深入了解污泥干燥機理和提高污泥干燥技術非常有必要。因此，本文對近年來國內外學者在污泥干燥動力學特性、傳熱傳質及模型方程方面的研究進行了總結與分析，為污泥干燥機理的論述及污泥干燥技術的改進提出了展望。

1 國內外污泥干燥動力學的研究狀況

近年來，國內外學者對污泥干燥進行了大量的實驗研究。污泥是含水率極高的物質，易腐敗且有惡臭，一般情況下，經濃縮、消化后，尚有95%～97%含水率，經機械脫水后含水率為75%左右，經干燥后含水量可降至到20%左右，可見，干燥不但使污泥顯著減容，還極大的改善了污泥臭味、黏度及病原菌等特性，是污泥減量化、無害化和資源化利用的關鍵一步。準確定性定量地研究污泥干燥動力學，以便精確的掌握污泥含水量的變化規律，這對科學制定干燥周期、調節干燥工藝、設計新的干燥工藝、提高效率、降低能耗及干燥設備的研發和實際操作的運行等有著重要的理論及現實意義。

1.1 污泥干燥動力學特性的研究狀況

污泥干燥速率的變化是干燥過程中濕分遷移的宏觀表現，其變化規律揭示的實為污泥干燥內部微觀的傳熱傳質動力學機理。在近年來國內外對污泥干燥動力學特性研究中，普遍表明污泥的干燥過程可分為加速（又稱加熱或預熱）階段、恒速階段和降速階段。

1.2 污泥干燥機理的研究狀況

污泥干燥實質上就是去除水分的過程，而水分的傳輸同時伴隨著熱量的傳遞，這是一種非常復雜的傳輸過程。目前污泥干燥學術界普遍認為污泥干燥過程中水分的去除要經過蒸發和擴散兩個過程。蒸發過程指的是污泥表面水分的汽化。由于污泥表面的水蒸氣壓低于干燥介質中的水蒸氣分壓，從而導致水分從污泥表面遷移到干燥介質；擴散過程指的是與汽化密切相關的傳質過程。當污泥表面水分被蒸發掉，污泥表面的濕度低于污泥內部濕度，此時，熱量產生的推動力將水分從內部轉移到表面。這兩個過程持續、交替的進行，說明污泥干燥是由表面水汽化和內部水擴散兩個相互結合、同時并存的過程來完成的。

1.3 污泥干燥動力學模型的研究狀況

近年來，污泥干燥動力學研究主要是對干燥過程進行數值模擬而得出干燥方程。為此國內外研究者對污泥干燥過程的數值模擬進行了大量研究，主要有三個方面：理論公式推導、干燥曲線的回歸分析、理論和經驗的數學模型，其中污泥薄層干燥研究最廣。到目前為止，國內外研究者提出的薄層干燥模型有很多，一般分為理論與半理論方程、經驗與半經驗方程。

2 污泥干燥動力學的研究展望

經過污泥工作者多年的不斷研究，至今無論是在污泥干燥理論還是實踐方面都已取得了不少重要的研究成果。但是，由于污泥干燥是一個復雜的傳熱傳質過程，干燥動力學又是綜合了多個學科知識的交叉學科，僅依靠目前的研究成果與經驗還存在一定的局限性。因此，干燥動力學在污泥干燥中的應用還需不斷地研究。

2.1 加速熱分析動力學技術的應用

熱分析動力學是一種新興污泥處理工藝技術，主要是利用污泥中有機質的熱不穩定性在一定條件下可以受熱分解，能有效的使污泥減量化、資源化和無害化。近年來，不少研究者采用熱分析動力學技術或聯合干燥動力學方程來研究污泥干燥，獲得了污泥干燥機理方程、表觀活化能、指前因子、反應級數和干燥速率常數等，這對指導干燥設備的研發和實際操作運行具有現實意義。

2.2 提高污泥干燥動力學重要參數測定的準確度

污泥干燥有效擴散系數和活化能是研究污泥干燥動力學的兩個重要參數。目前，大多研究者都是引用Fick擴散定律和Arrhenius公式通過相關軟件進行數據處理而得出污泥干燥的有效擴散系數和活化能。而在簡化Fick擴散定律時都做了“在干燥過程中污泥內部溫度分布均勻且等于環境溫度（干燥介質溫度）”的主要假設，這與污泥干燥的實際情況是不相符的，即使是厚度很薄的污泥薄層干燥在傳熱過程中也存在溫度梯度。

2.3 促進非線性動力學在污泥干燥機理中的研究

在污泥干燥動力學理論研究方面，可以引入非線性動力學理論，如：突變、混沌、分形理論等研究污泥干燥的突變現象。如馬德剛等人通過功率譜分析對污泥干燥速度曲線進行了分形與混沌特性研究，實驗結果表明污泥的干燥速率變化具有分形特性，即污泥干燥內部傳質具有隨機過程，這為建立干燥動力學模型或對污泥干燥傳質的模擬增加了一種新的參考，即模型或模擬中應該考慮隨機過程。同時實驗結果分析出污泥的種類和干燥溫度對干燥速率變化的分形有較大影響，利用Hausdorff維數和整體盒維數計算方法得到了內部傳質動力學特性的分形維數，為后續的理論分析提供了強有力依據。王偉云等人也對污泥干燥速率曲線進行了分形特性研究，表明不同直徑柱狀污泥干燥速率曲線具有多重分形特性，并且直徑越小，多重分形特征越明顯。由此可見，結合這種非線性動力學來研究污泥干燥，可以間接的反映污泥干燥過程中內部傳熱傳質的運動特性，這對豐富污泥干燥的理論研究、建立合理干燥動力學模型以及檢驗干燥動力學模型的合理性等方面將具有重要的理論意義和實用價值。

2.4 加速多效聯合干燥新工藝技術的開發和聯合處理的應用

近年來，有關組合工藝在污泥干燥中的研究越來越多，如多級臥式槳葉式組合干燥、過熱蒸汽對流與傳導聯合干燥、槳葉-盤式組合干燥等工藝被應用在污泥干燥中。大量研究表明，這種將兩種或兩種以上不同形式的干燥器串聯組合起來，或者在干燥設備上增加一些特殊裝置，使改進后的干燥器在干燥過程中將各種干燥器優勢互補或產生不同型式的干燥工藝，從而較好地控制整個干燥過程，同時又能降低能耗，是污泥干燥技術未來發展的趨勢之一。

2.5 促進污泥干燥新技術開發

結合不同物料間干燥動力學的異同，進行新的污泥干燥工藝開發。污泥還能與一些量大價廉的副產品混合干燥可以提高干燥效率，如岳蓮等人研究了污泥與木屑混合的干燥特性，對有效擴散系數與活化能進行了計算，結果表明木屑添加對污泥干燥有明顯加快，并且木屑添加比例越大干燥速率越快。近年來，也有研究者從節能的角度進行了研究，如微波干燥、太陽能干燥等。如李志剛等人對城市污泥進行了微波干燥實驗和經濟分析，表明微波干燥具有干燥效率高，設備投資低、占地少，清潔衛生，操作管理簡便等優勢，并提出對“熱干燥-微波干燥”聯合工藝的效能進行系統研究以便進一步降低干燥成本；雷海燕等人采用自行設計制造的混合型污泥太陽能干燥器對污泥干燥的可行性進行了探索；鄭宗和等人通過實驗證明了利用太陽能進行污泥干燥是一項可行的新技術。

結論

綜上所述，干燥動力學特性、傳熱傳質及模型方程三方面對干燥動力學在污泥干燥中的研究進展成果是顯著的，微波干燥、太陽能干燥等新技術的應用，可能給污泥干燥技術的開發帶來新的方向。

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