污泥高級厭氧消化前后的熱風(fēng)對流干燥特性

詹 詠， 葉匯彬， 董 濱， 黃遠(yuǎn)東

（1. 上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2. 同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

隨著我國污水處理的現(xiàn)代化進(jìn)程發(fā)展，污泥作為固體廢棄物逐漸成為環(huán)境方面的重點(diǎn)社會問題。污泥含水率通常很高，并且散發(fā)濃烈的異味和存在有毒有害物質(zhì)，如若無法合理處理此類固體廢棄物，將對周邊環(huán)境及人類產(chǎn)生非同尋常的危害[1]。因此需開發(fā)先進(jìn)技術(shù)，在將污泥作為固體廢棄物處理和處置的同時，把污泥當(dāng)中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢约右岳玫哪茉础Ｔ趯?shí)現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化的基礎(chǔ)上，達(dá)到污泥可持續(xù)化利用，這已成為世界上污泥處理處置研究的重中之重[2]。高級厭氧消化技術(shù)相比傳統(tǒng)中溫厭氧消化，更易于提高揮發(fā)性固體負(fù)荷降解率[3]。Deng等[4]研究了兩種不同的城市污泥的熱風(fēng)對流干燥特性以及動力學(xué)特性。Mahmoud 等[5]研究了干燥溫度、熱風(fēng)風(fēng)速、濕度等不同因素與干燥速率之間的函數(shù)關(guān)系。馬學(xué)文等[6]研究解析了不同質(zhì)量的污泥固體顆粒在恒溫干燥條件下的干燥特性；魏海娟[7]研究了油泥的薄層干燥特性和各物料樣品的薄層干燥動力學(xué)模型。馮俊亭等[8]則是對污泥進(jìn)行干燥特性試驗(yàn)，得出為有效提高污泥干燥速率，可將干燥溫度提升至沸點(diǎn)以上，同時還提出了兩種模擬模型—簡變擴(kuò)散模型及污泥干化常擴(kuò)散模型，用來預(yù)測不同工況下污泥含水率隨干化時長變化的曲線趨勢。文獻(xiàn)中大多處理研究對象是污水污泥，很少涉及沼渣干燥。在對流干燥實(shí)驗(yàn)中，熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流速及污泥厚度通常被認(rèn)為是影響干燥的幾個重要因素[9]。

本文對SS0（脫水污泥）及SS1（脫水污泥經(jīng)高級厭氧消化后產(chǎn)生的沼渣）進(jìn)行對流干燥試驗(yàn)，研究熱風(fēng)風(fēng)溫、風(fēng)速及樣品厚度對污泥干化特性的影響，進(jìn)而更深入地探究污泥的對流干燥過程，為優(yōu)化污泥熱干燥過程、降低干化時間和提高干化效率提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)樣品

本次試驗(yàn)樣品有兩種：一種來自上海曲陽污水處理廠的脫水污泥，編號為SS0；另一種來自脫水污泥經(jīng)高級厭氧消化后的污泥，編號為SS1。樣品統(tǒng)一保存在4 ℃的環(huán)境中（冰箱），其基本性質(zhì)見表1。其中，Mad為水分；Ad為灰分（干基）；Vd為揮發(fā)分（干基）；FCd為固定碳（干基）。

表 1 脫水污泥的基本性質(zhì)Tab.1 Basic characteristics of dewatering sludge

1.1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)主要使用儀器明細(xì)見表2。

表 2 試驗(yàn)儀器明細(xì)表Tab.2 List of experimental instruments

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)工況

該試驗(yàn)將用到SS0，SS1兩種樣品，都通過如下表3 工況進(jìn)行試驗(yàn)，對干燥過程的主要影響因素進(jìn)行研究。

表 3 試驗(yàn)工況Tab.3 Experimental conditions

1.2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)操作過程如下：首先選擇一種試驗(yàn)工況，將加熱鼓風(fēng)機(jī)的加熱溫度與風(fēng)速設(shè)定為所需值，開始預(yù)加熱，待設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后，取出試驗(yàn)樣品。將樣品按長方體的形狀制成工況要求下厚度的薄餅狀，之后再放置在物料托盤上置于干燥裝置中，操作定溫對流干燥試驗(yàn)。每相隔5 min 對樣品質(zhì)量進(jìn)行一次測量記錄。當(dāng)需要進(jìn)行其他工況的試驗(yàn)時，僅需改變試驗(yàn)工況，重復(fù)以上操作過程即可。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)測量所得數(shù)據(jù)計算幾個相關(guān)量[10-11]，如干基含水率、濕分比、干燥速率，其定義及計算如下。

干基含水率為污泥當(dāng)中的水分質(zhì)量同實(shí)時污泥質(zhì)量之比，其表達(dá)式為

式中：M為干基含水率；mi為實(shí)時污泥質(zhì)量；mf為絕干污泥質(zhì)量。

濕分比為污泥中某一時刻所含水分質(zhì)量同初始水分質(zhì)量之比，其表達(dá)式為

式中：MR為濕分比，無量綱；m0為初始污泥質(zhì)量。

干燥速率為污泥中所含水分損失的快慢程度，其表達(dá)式為

式中：DR為干燥速率，g/（g·min）；Mi為i時刻污泥干基含水率；Mi?1為i?1 時刻污泥干基含水率；?t為i與i?1 時刻時間之差。

按照所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，以時間為x對含水率為y（過去文獻(xiàn)中多數(shù)是用干基含水率作圖，而因?yàn)樵趯?shí)際干燥工業(yè)中通常用濕基含水率來作產(chǎn)品目標(biāo)，因此本文采用濕基含水率）作圖，最終獲得的是污泥含水率隨時間變化的干燥曲線。同時再把干燥速率對時間變化作圖得干燥速率曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫水污泥對流干燥試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 熱風(fēng)溫度對脫水污泥干燥的影響

圖1 和圖2 提供了在熱風(fēng)流速為4 m/s、樣品厚度為10 mm 的對流干燥條件下，SS0在不同干燥溫度下的濕分比和干燥速率的變化趨勢。

從圖1 可知，SS0的濕分比隨著熱風(fēng)溫度的提升，SS0的濕分比斜率依次增大，即失重的速率依次增大，干燥所需時間依次縮短，但不成比例。80 ℃的曲線相對其他溫度最為平緩，干燥至相同水分所需時間也最多。而風(fēng)溫在140 ℃的條件下，SS0干燥至最終所需時間大致是90 min，而80 ℃條件下則需要220 min，后者是前者所需時間的2.4 倍。當(dāng)樣品SS0在初始MR、污泥種類及厚度相同的情況下，干燥的熱風(fēng)溫度提升，干燥時長隨之變短，干燥速率加快。這表明，在干化過程中，溫度越高，熱空氣對污泥水分的熱推動力越大，更有便于接觸面的水分揮發(fā)和內(nèi)部水分向接觸面轉(zhuǎn)移。

圖 1 SS0 在不同熱風(fēng)溫度下的濕分比Fig. 1 Wet ratio of SS0 at different hot air temperatures

圖 2 SS0 在不同熱風(fēng)溫度下的干燥速率Fig. 2 Drying rate of SS0 at different hot air temperatures

圖2 為SS0在不同熱風(fēng)溫度下的干燥速率隨干燥時長的變化趨勢圖。對比圖中的5 個熱風(fēng)溫度可知，熱風(fēng)溫度為80 ℃時，干燥速率趨勢可見相對平緩，先上升至最高干燥速率47.6 mg/（g·min），然后進(jìn)入降速干燥階段；而溫度在100 ℃條件下，最高干燥速率為57.2 mg/（g·min）；之后溫度為120，130，140 ℃時，可以看到干燥速率變化幅度較大，最大干燥速率依次為65.4，78.9，98.6 mg/（g·min）。當(dāng)熱風(fēng)溫度從80 ℃提高到140 ℃的時候，最大干燥速率增大2.1 倍。這表明，熱風(fēng)溫度越高，初始干燥速率達(dá)到最高的數(shù)值就越高。

熱風(fēng)溫度高，污泥在更高的加熱條件下，短時間內(nèi)樣品吸收熱量也越多。而且，高溫還有破壞間隙水的作用，加快了內(nèi)部水分向表面的遷移，使污泥內(nèi)部的水分子自由運(yùn)動更為劇烈。以上作用都是推動對流干燥的動力，因此干燥過程中熱風(fēng)溫度對脫水污泥來說是影響其干燥時間的因素之一。

2.1.2 熱風(fēng)流速對脫水污泥干燥的影響

圖3 和圖4 分別在熱風(fēng)溫度120 ℃、樣品厚度為10 mm 條件下，不同的流速條件下SS0的濕分比MR及干燥速率的曲線情況。熱風(fēng)流速在2～6 m/s 范圍內(nèi)，流速越高，干燥速率越大，干燥時長則越小。流速為2 m/s 時，最終干燥需要的時間是180 min；而在4 m/s 的熱風(fēng)流速條件下，所用干燥時間便減少為130 min；而從4 m/s 的熱風(fēng)流速上升至6 m/s 時，縮短至110 min。流速每降低2 m/s，干燥時間分別增加18.2%和63.6%。所以流速亦是影響干燥效率的重要因素，流速越大，干燥效率越高。

由圖4 可知，最大干燥速率會隨著熱風(fēng)流速的上升而變大，當(dāng)風(fēng)速分別為2，4，6 m/s 時，干燥速率依次為47.1，64.3，80.7 mg/（g·min）。薄層污泥樣品都是單面?zhèn)髻|(zhì)且接觸空氣的表面積相同，風(fēng)速越大，越有利于污泥與熱風(fēng)進(jìn)行質(zhì)熱交換。原理是熱空氣在相對濕度保持不變的情況下，風(fēng)速越大，單位時間內(nèi)通過污泥表面的空氣體積就越大，不單單能夠較快帶走樣品表面的水分，同時還可以保持污泥表面水分濃度和熱空氣中水蒸氣濃度的差值，更有利于熱干燥的進(jìn)行。

2.1.3 污泥樣品厚度對脫水污泥干燥的影響

圖5 和圖6 給出了SS0在不同樣品厚度條件下熱風(fēng)溫度為120 ℃、熱風(fēng)流速為2 m/s 時，其濕分比及干化速率的變化情況。

圖 3 SS0 在不同熱風(fēng)流速下的濕分比Fig. 3 Wet ratio of SS0 at different hot air flow rates

圖 4 SS0 在不同熱風(fēng)流速下的干燥速率Fig. 4 Drying rate of SS0 at different hot air flow rates

圖 5 SS0 在不同樣品厚度下的濕分比Fig.5 Wet ratio of SS0 at different sample thicknesses

圖 6 SS0 在不同樣品厚度下的干燥速率Fig.6 Drying rate of SS0 at different sample thicknesses

由圖5 可知，在樣品厚度變薄的情況下，SS0的濕分比下降速率明顯。5 mm 的樣品干燥所需時長大約是85 min，同時15 mm 厚度的樣品干燥速率則是250 min 左右，后者的干燥時間是前者的2.94 倍。就圖6 中干燥速率方面而言，污泥樣品的厚度變大的過程中，干燥速率跟著逐漸減小，5 mm 厚的樣品最大干燥速率是88.2 mg/（g·min），而15 mm 厚的樣品最大干燥速率則是36.3 mg/（g·min）。這表明，在樣品厚度變薄的情況下，單位質(zhì)量的污泥樣品空氣的接觸表面積隨之增大，干燥速率亦增大。

在相同的熱風(fēng)溫度條件下，單位傳熱面積的污泥接收到的熱量是一樣的，但是一部分的熱量傳達(dá)到了污泥內(nèi)部，厚度大的污泥樣品質(zhì)量較大，內(nèi)部的溫度梯度也較大，因此需要傳入污泥樣品內(nèi)部的熱量也需要大于厚度較薄的污泥樣品，即實(shí)際用于蒸發(fā)水分的熱量需要小于厚度較小的污泥樣品。同時，污泥本身特質(zhì)就是多孔介質(zhì)的，厚度越小，熱空氣越容易將污泥樣品的平均溫度升高，污泥樣品內(nèi)的水分向固體接觸面擴(kuò)散需要克制的內(nèi)部阻力也變小，擴(kuò)散速率加速，水分就越容易從內(nèi)至外遷移，干燥速率隨之升高，最終干化需要的時長也跟著減少。

2.2 污泥高級厭氧消化沼渣對流干燥試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 熱風(fēng)溫度對消化沼渣干燥的影響

SS1在熱風(fēng)流速4 m/s、樣品厚度10 mm、不同熱風(fēng)溫度的對流干燥情況下，其濕分比和干燥速率的變化情況如圖7 和圖8 所示。

從圖7 可知，與脫水污泥SS0試驗(yàn)結(jié)果類似，隨著熱風(fēng)溫度的升高，SS1的濕分比斜率依次增大，即失重的速率依次增大，干燥所需時間也越短，但不成比例。80 ℃的曲線相對其他溫度較為平緩，干燥達(dá)到相同含水量需要的時間也最長。而風(fēng)溫在140 ℃的條件下，SS1干燥至最終所需時間大致是85 min，而80 ℃條件下則需要約170 min，后者是前者所需時間的2 倍。風(fēng)溫為120 ℃和130 ℃時，所需干燥時間幾乎一致。當(dāng)樣品SS1在初始含有水分、污泥種類及厚度相同的情況下，干燥的熱風(fēng)溫度升高，干燥達(dá)到終點(diǎn)的時長也隨之變短，干燥速率加快。

圖 7 SS1 在不同熱風(fēng)溫度下的濕分比Fig. 7 Wet ratio of SS1 at different hot air temperatures

圖 8 SS1 在不同熱風(fēng)溫度下的干燥速率Fig. 8 Drying rate of SS1 at different hot air temperatures

同時將SS0與SS1在不同熱風(fēng)溫度下的濕分比圖作對比，風(fēng)溫在80 ℃的條件下，SS0需要的干燥時間是220 min，SS1需要的干燥時長僅為170 min。從干燥時間來看，SS1的干燥時間明顯小于SS0的干燥時間。

圖8 為在不同熱風(fēng)溫度條件下SS1的干燥速率隨干燥時長的變化趨勢圖。對比圖中的5 個熱風(fēng)溫度可知，當(dāng)熱風(fēng)溫度在80 ℃和100 ℃時，干燥速率趨勢相對平緩，先上升至最高干燥速率85.9 mg/（g·min）和101.7 mg/（g·min），然后進(jìn)入降速干燥階段；在溫度為120，130，140 ℃的工況下，可以看到干化速率的變化幅度較大，最大干燥速率依次為142.5，151.3，156.2 mg/（g·min）。這表明，熱風(fēng)溫度升高，初始干燥速率達(dá)到最高的數(shù)值隨之增大；140 ℃和80 ℃的最大干燥速率數(shù)值相差甚多。當(dāng)熱風(fēng)溫度由80 ℃上升達(dá)到140 ℃時，最大干燥速率增大180%。

在不同熱風(fēng)溫度下，將SS0與SS1的干燥速率趨勢作對比，例如在風(fēng)溫140 ℃條件下，SS0的最大干燥速率為98.6 mg/（g·min），而SS1的最大干燥速率是156.2 mg/（g·min）。再結(jié)合濕分比圖來看，在不同的熱風(fēng)溫度下，SS1的干燥效率明顯高于SS0，沼渣相對于脫水污泥的水分更容易被脫除，效率更高。這是因?yàn)榻?jīng)過高級厭氧消化后，污泥內(nèi)部的細(xì)胞膜被破壞，使內(nèi)部結(jié)合水釋放出來變成了更易去除的自由水，導(dǎo)致SS1的水分增大，揮發(fā)分變小，使其水分更容易揮發(fā)。2.2.2 熱風(fēng)流速對消化沼渣干燥的影響

圖9 和圖10 給出了SS1在不同的熱風(fēng)流速條件下，熱風(fēng)溫度為120 ℃、樣品厚度為10 mm時，其濕分比及干燥速率的變化趨勢。熱風(fēng)流速在2～6 m/s 范圍內(nèi)，風(fēng)速逐漸升高，干燥速率隨之增大，干燥時間減少。在風(fēng)速2 m/s 工況下，最終干燥需要的時間大約是120 min；在風(fēng)速4 m/s時，所需干燥時間則縮短為105 min；而 在風(fēng)速6 m/s 時，干燥時間縮短至80 min。熱風(fēng)流速每降低2 m/s，干燥時長分別增加31.3%和50%。

圖 9 SS1 在不同熱風(fēng)流速下的濕分比Fig.9 Wet ratio of SS1 at different hot air flow rates

圖 10 SS1 在不同熱風(fēng)流速下的干燥速率Fig.10 Drying rate of SS1 at different hot air flow rates

由圖10 可知，最大干燥速率會隨著熱風(fēng)流速的上升而增大，分別為119.8，142.5，486.2 mg/（g·min）。薄層污泥樣品都是單面?zhèn)髻|(zhì)，且與空氣接觸的表面積相同，風(fēng)速越大，越有利于污泥與熱風(fēng)進(jìn)行質(zhì)熱交換。

將SS0與SS1在不同熱風(fēng)溫度下的濕分比圖作對比，在風(fēng)速為2 m/s 的工況下，SS0，SS1所需的干燥時間分別為180 min 和120 min；在熱風(fēng)流速為6 m/s 的工況下，SS0，SS1所需的干燥時間分別為110 min 和80 min。從干燥時間來看，不同熱風(fēng)流速條件下，SS1的干燥時間明顯小于SS0的干燥時間。再將SS0與SS1在不同干化溫度下的干燥速率趨勢圖作對比，SS0的最大干燥速率分別為47.1，64.3，80.7 mg/（g·min），SS1的最大干燥速率分別為119.8，142.5，486.2 mg/（g·min）。對比之下，明顯看到SS1的最大干燥速率都高于SS0的最大干燥速率。最后再結(jié)合濕分比圖來看，在不同的熱風(fēng)風(fēng)速工況下，SS1的干燥效率明顯高于SS0。同理，污泥經(jīng)高級厭氧消化產(chǎn)生的沼渣，其自身的特性相對于脫水污泥已經(jīng)發(fā)生了變化，如活化能小于脫水污泥，所以在相同的工況下，SS1的干燥效率高于SS0。

2.2.3 樣品厚度對消化沼渣干燥的影響

圖11 和圖12 給出了SS1在不同樣品厚度工況下、熱風(fēng)溫度為120 ℃、熱風(fēng)流速為2 m/s 時，其濕分比及干化速率的變化情況。

圖 11 SS1 在不同樣品厚度下的濕分比Fig.11 Wet ratio of SS1 at different samples thicknesses

圖 12 SS1 在不同樣品厚度下的干燥速率Fig.12 Drying rate of SS1 at different sample thicknesses

如圖11 可見，隨著樣品厚度變薄，SS1的濕分比下降速率明顯。5 mm 的樣品干燥需要的時長大約是65 min，15 mm 厚度的樣品干燥時間約是190 min，后者的干燥時間是前者的2.92倍。同時就圖12 中干燥速率方面而言，樣品SS1的厚度逐漸增大，干燥速率隨之減少，樣品在5 mm 厚度下的最大干燥速率是170.8 mg/（g·min），而15 mm厚的樣品干燥速率最高達(dá)到91.8 mg/（g·min）。這表明，污泥沼渣樣品的厚度越小，單位質(zhì)量的沼渣樣品接觸空氣的表面積就越大，干燥速率也就越大，試驗(yàn)結(jié)果與SS0類似。

將SS0與SS1在不同熱風(fēng)溫度下的濕分比圖作對比，在樣品厚度為5 mm 的條件下，SS0干燥至最終所需時間大致是85 min，而SS1干燥所需總時長大致為65 min；在樣品厚度為15 mm 的條件下，SS0所需的干燥時長是250 min，而SS1所需的干燥時間為190 min。從干燥時間來看，SS1的干燥時間在不同樣品厚度下依舊明顯小于SS0的干燥時長。再將SS0與SS1在不同樣品厚度下的干燥速率圖作對比，樣品SS0厚度為5 mm 后的最大干燥速率為88.2 mg/（g·min），15 mm 厚的樣品SS0最大干燥速率為36.3 mg/（g·min）；樣品SS1厚度為5 mm 的最大干燥速率為170.8 mg/（g·min），15 mm 厚的樣品最大干燥速率為91.8 mg/（g·min）。對比之下，明顯看到SS1的最大干燥速率都高于SS0的最大干燥速率。在實(shí)際工廠生產(chǎn)和工藝中，可考慮將污泥先經(jīng)過厭氧消化之后，再通過干化手段來減量，可大大縮短干化時間，減少干化成本。

3 結(jié) 論

本文對脫水污泥樣品SS0及高級厭氧消化污泥沼渣SS1進(jìn)行對流干燥實(shí)驗(yàn)，并從樣品干燥過程中主要影響干燥效率的熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流速及樣品厚度的干燥特點(diǎn)進(jìn)行探究分析，得出以下結(jié)論：

a. 結(jié)合SS0和SS1自身的特性，可以發(fā)現(xiàn)：污泥經(jīng)高級厭氧消化后產(chǎn)生的沼渣，其內(nèi)部的部分細(xì)胞膜被破壞，使內(nèi)部結(jié)合水釋放出來變成了更易去除的自由水；污泥經(jīng)高級厭氧消化后降低了自身的活化能，活化能越小，其干燥阻力越小。在實(shí)際工廠生產(chǎn)和工藝中，可考慮將污泥先經(jīng)過高級厭氧消化后，再通過干化手段來減量，可大大縮短干化時間，減少干化成本。

b. 不論污泥樣品的干燥實(shí)驗(yàn)工況和種類如何，干燥過程的基本規(guī)律都基本相似，按主要曲線規(guī)律可劃分為兩個階段：升速階段和降速階段。在對流干燥過程中，熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速和樣品厚度是能夠作用導(dǎo)致干燥效果有所改變的幾個重要要素。