市政污泥干燥特性的實驗研究和模擬分析

馮金鉆，陶樂仁，黃理浩，谷志攀,2，吳生禮

（1. 上海理工大學 能源與動力工程學院/上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093；2. 嘉興學院 建工學院，浙江 嘉興 314001）

污水處理處置一直是關系著人們生活和工業發展的重大問題。根據2018年12月住房和城鄉建設部統計數據顯示，2017年我國污水處理量達15743萬m·日。如果按照污水處理廠平均以負荷率80%運行，每萬t污水產生6 t含水率（質量分數）為80%的污泥來算，我國每天產生污泥超過7.55萬t。

污泥如果得不到妥善處理，污泥中的重金屬、細菌病原體等微生物、有機污染物將會對環境造成難以預料的損害，甚至危害到人類及其他動植物的生存。由于污泥焚燒能徹底消滅病原體等微生物，使有機物碳化，且所釋放的能量可供熱、發電，焚燒渣可制作附屬產品，真正使污泥實現減量化、穩定化、無害化和資源化的目的，因而被認為是最有發展前景的污泥處理方法之一。一般經過機械脫水的污泥含水率仍在80%以上，此時污泥的熱值接近于0，無法直接焚燒，需經干燥預處理將污泥含水率降到50%，污泥的熱值才能利用起來。而且，干燥過程使污泥含水量降低，減小了污泥的容量，便于污泥的后續處理。

很多國內外學者對污泥干燥展開了相關研究，大多是圍繞污泥成分分布、不同形狀污泥的干燥特性、不同干燥工藝對干燥的影響等方面去研究，缺乏對污泥干燥過程中深層次動力學機理的研究。本實驗研究污泥厚度和溫度對污泥干燥特性的影響，通過引入薄層干燥動力學模型，對污泥干燥進行動力學模擬，得出污泥干燥的最優模型和有效擴散系數，為污泥干燥工藝提供新的技術參數和依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本次實驗污泥樣品取自嘉興市某污水廠的脫水市政污泥，呈深黑色，黏稠狀，含水率達85%。污泥的主要成分C、H、O、N、Cl和苯乙烯的質量分數分別為18.34%、3.82%、16.27%、1.91%、32.21%和1.69%。

1.2 實驗裝置和方法

實驗中采用精度為0.01 g的德國sartorius電子天平并通過VB軟件編寫程序對污泥質量進行30″一次數據采集。將污泥平鋪成餅狀置于溫度可控的電加熱板上。首先，控制加熱溫度為110 ℃，分別對3、6、9、12 mm厚度的污泥進行加熱，考察污泥在不同厚度下的干燥情況；然后，控制污泥厚度為9 mm，分別設定加熱溫度為70、90、110、130 ℃，通過繪制污泥的失水曲線，探究不同溫度下污泥的干燥特性。

1.3 數據處理方法

污泥的含水率隨時間變化，即

式中：

U

為污泥的含水率，為無因次量；

M

、

M

、

M

分別為初始時刻、干燥至

t

時刻、干燥至平衡狀態下的單位干污泥含水質量，g·g。由于

M

很 小，其相對于

M

和

M

可以忽略，因此式（1）可簡化為

污泥的失水效果可用干燥速率表示，即

式中：

V

為污泥的干燥速率，g·（g·min）；

M

為

t

+Δ

t

時刻單位干污泥含水質量，g·g。

2 實驗結果與分析

2.1 不同厚度下污泥的干燥特性

溫度110 ℃下不同厚度污泥的含水率隨時間的變化如圖1所示。

圖1 不同厚度的污泥含水率隨時間的變化Fig. 1 Relationship between moisture content in the sludge and time under different thicknesses

從圖1中可看出，污泥越薄，干燥至平衡含水率的時間越短。這是因為，污泥越薄，水分從污泥內部遷移到污泥表面的路徑越短，傳質阻力也越小，因此所需時間越短，水分蒸發得越快。當污泥厚度從12 mm減小至3 mm時，干燥至平衡含水率所用的時間從約200 min縮短至接近30 min。因此，將污泥鋪平使其變得更薄，會大大縮短污泥干燥時間。

2.2 不同溫度下污泥的干燥特性

不同溫度下厚度為9 mm的污泥含水率隨時間的變化如圖2所示。

從圖2中可看出，在污泥厚度相同的情況下，提高干燥溫度，污泥干燥至平衡含水率的時間越短。這是因為提高干燥溫度，即增大了污泥內部的傳熱溫差，在傳熱溫差的驅動作用下，污泥內的水分遷移加快。當溫度從70 ℃上升到130 ℃時，污泥干燥至平衡含水率的時間從200 min縮短至60 min。

圖2 不同溫度下污泥含水率隨時間的變化Fig. 2 Relationship between moisture content in the sludge and time under different temperatures

圖3為不同溫度下干燥速率和時間的關系。圖4為不同溫度下干燥速率和含水率的關系。結合圖3、4可看出，當污泥剛開始被加熱時，其表面含有大量的自由水，隨著時間的增長，污泥表面溫度不斷上升，水分不斷蒸發，干燥速率明顯上升，此為升速干燥階段。當加熱到一定時間，污泥的自由水含量減少，間隙水和剩余的自由水變成了主要干燥對象，污泥內部的水分向表面遷移的速率接近表面水分的蒸發速率，表現為近似恒速干燥，而且溫度越高，恒速干燥階段范圍越小。當溫度達到130 ℃時，恒速干燥階段已不明顯。恒速干燥階段后，污泥開始出現干區，這增加了傳熱傳質阻力，污泥中的水分為剩下的部分間隙水和結合水；這部分水分難以去除，因此干燥速率降低，此時為降速干燥階段。最大干燥速率出現在恒速干燥階段，當溫度從70 ℃上升到130 ℃時，相應的最大干燥速率從0.02587 g·（g·min）上升到0.08158 g·（g·min）。

圖3 不同溫度下干燥速率和時間的關系Fig. 3 Relationship between drying rate and time under different temperatures

圖4 不同溫度下干燥速率和含水率的關系Fig. 4 Relationship between drying rate and moisture content under different temperatures

從圖4中還可知，在對應的含水率區間溫度越高，恒速干燥階段范圍越小，溫度升高使得污泥更快地進入降速干燥階段，造成更多的能量用來加熱污泥的干區。這表明，若將污泥干燥至相同的含水率，從能源利用的角度分析，溫度過高會導致有更多的能量消耗在污泥干質上，不利于能源的有效利用。因此，在滿足生產的前提下，干燥溫度應控制在合理的范圍。

2.3 干燥模型分析

引入薄層干燥模型對污泥干燥曲線進行模擬分析，模型表達式如表1所示，其中：

k

、

k

和

k

均為模型的經驗系數；

a

、

b

、

c

和

y

均為模型的經驗常數。

表1 薄層干燥模型
Tab. 1 Models of thin layer drying

模型來源 表達式Lewis［9]U=exp(-kt)Page［10]U=exp(-kty)Modified Page［11]U=exp[-(kt)y]Henderson and Pabis［12]U=aexp(-kt)Logarithmic［13]U=aexp(-kt)+c Midilli［14]U=aexp(-kty)+bt Two term［15]U=aexp(-k1t)+bexp(-k2t)

以9 mm薄層污泥在70、90、110和130 ℃下的干燥曲線為例，應用Origin軟件分別利用每個薄層干燥模型進行數據擬合，得出模型參數，并用相關系數

R

、標準差

S

和殘差平方和

R

來評價模型的擬合優度。

R

越接近1，

S

和

R

越小，說明模型的擬合效果越好。

表2 70℃污泥薄層干燥模型擬合結果
Tab. 2 Fitting results of thin layer drying models of the sludge at 70℃

模型來源 參數值R2SDRSS Lewis［9]k = 0.01122 0.96508 0.04429 0.03923 Page［10]k = 0.00447，y = 0.88961 0.96975 0.04122 0.03229 Modified Page［11]k = 0.01131，y = 0.88944 0.96975 0.04122 0.03229 Henderson and Pabis［12]k = 0.00992，a = 0.89912 0.98883 0.02504 0.01192 Logarithmic［13]k = 0.01007，a = 0.89418，c = 0.03767 0.98823 0.02571 0.01190 Midilli［14]k = 0.00149，y = 1.45879，a = 0.84388，b = 6.64 × 10-4 0.99988 0.00262 0.00011 Two term［15]k1 = 0.01017，k2 = -0.06407，a = 0.90575，b = 1.33 × 10-7 0.99041 0.02320 0.00915

表3 90℃污泥薄層干燥模型擬合結果
Tab. 3 Fitting results of thin layer drying models of the sludge at 90℃

模型來源 參數值R2SDRSS Lewis［9]k = 0.01122 0.96508 0.04429 0.03923 Page［10]k = 0.00447，y = 0.88961 0.96975 0.04122 0.03229 Modified Page［11]k = 0.01131，y = 0.88944 0.96975 0.04122 0.03229 Henderson and Pabis［12]k = 0.00992，a = 0.89912 0.98883 0.02504 0.01192 Logarithmic［13]k = 0.01007，a = 0.89418，c = 0.03767 0.98823 0.02571 0.01190 Midilli［14]k = 0.00149，y = 1.45879，a = 0.84388，b = 6.64 × 10-4 0.99988 0.00262 0.00011 Two term［15]k1 = 0.01017，k2 = -0.06407，a = 0.90575，b = 1.33 × 10-7 0.99041 0.02320 0.00915

表4 110℃污泥薄層干燥模型擬合結果
Tab. 4 Fitting results of thin layer drying models of the sludge at 110℃

模型來源 參數值R2SDRSS Lewis[9]k = 0.02529 0.97463 0.04065 0.03305 Page[10]k = 0.00715，y = 0.99849 0.97329 0.04170 0.03304 Modified Page[11]k = 0.02531，y = 0.99569 0.97329 0.04170 0.03304 Henderson and Pabis[12]k = 0.02303，a = 0.90947 0.98407 0.03220 0.01970 Logarithmic[13]k = 0.02448，a = 0.90025，c = 0.01737 0.98472 0.03155 0.01791 Midilli[14]k = 0.00501，y = 1.39340，a = 0.85678，b = 2.79 × 10-4 0.99946 0.00595 0.00060 Two term[15]k1 = 0.02358，k2 = -0.02739，a = 0.91548，b = 2.00 × 10-4 0.98679 0.02933 0.01463

表5 130℃污泥薄層干燥模型擬合結果
Tab. 5 Fitting results of thin layer drying models of the sludge at 130℃

模型來源 參數值R2SDRSS Lewis[9]k = 0.03755 0.96481 0.04649 0.04322 Page[10]k = 0.01625，y = 1.24201 0.97054 0.04253 0.03437 Modified Page[11]k = 0.03627，y = 1.24169 0.97054 0.04253 0.03437 Henderson and Pabis[12]k = 0.03489，a = 0.92101 0.97022 0.04277 0.03475 Logarithmic[13]k = 0.03599，a = 0.91457，c = 0.00954 0.96944 0.04332 0.03378 Midilli[14]k = 0.00326，y = 1.66047，a = 0.84789，b = 1.90 × 10-4 0.99882 0.00851 0.00123 Two term[15]k1 = 0.03528，k2 = -0.02270，a = 0.92291，b = 4.12 × 10-4 0.97058 0.04250 0.03071

表2～5為每個薄層干燥模型的擬合結果。由此可看出：Midilli模型的

R

均超過0.99，在所有模型中最接近1；

S

和

R

在所有模型中也最小。說明Midilli模型較適用于污泥薄層干燥的模擬。

圖5給出了Midilli模型擬合值和實驗值的對比結果，其數據基本上在斜率為45°的直線上，說明Midilli模型在70～130 ℃下能夠很好地對市政污泥干燥進行模擬。由于模型能夠描述含水率隨時間的變化，因此對于估算污泥干燥程度有重要的指導意義。

圖5 含水率實驗值與Midilli模型擬合值的比較Fig. 5 Comparison between experimental values and fitting ones of moisture content by Midilli

2.4 水分有效擴散系數和活化能

污泥中的水分遷移是一個從內向外擴散的過程，根據Fick擴散定律可以推導出包含有效水分擴散系數的薄層干燥理論方程，即

式中：

D

為有效擴散系數，m·s；

L

為污泥厚度，實驗中取

L

= 0.009 m；

n

為實驗采樣次數。

由于干燥時間較長，取式（4）第1項并兩邊取對數將其簡化為

通過式（5）可以發現，由ln

U

與

t

的線性關系可以計算有效擴散系數

D

。經計算，70、90、110、130 ℃下有效擴散系數分別為5.96 ×10、1.04 × 10、1.54 × 10、3.24 × 10m·s。由此可知，有效擴散系數隨溫度的升高而增大。

通過Arrhenius方程建立水分有效擴散系數與溫度的關系，即

式中：

D

為方程指前因子，m·s；

E

為水分擴散活化能，kJ·mol；

T

為干燥溫度，K；

R

為氣體常數，值為8.314 × 10kJ·（mol·K）。

將式（6）兩邊取對數，得

由式（7）可知，ln

D

與1 /

T

呈線性關系，作出ln

D

和1 /

T

的關系圖，結果如圖6所示。根據圖中直線斜率和截距即可求得

E

和

D

，

D

=3.33×10m·s，

E

=31.32kJ·mol。由于大多數生物質廢棄物干燥熱解的活化能在20～400 k J·mol，因此，污泥干燥活化能處在一個較低水平，說明市政污泥屬于一類相對易干燥的生物質廢棄物。

lnDeff與1/T的關系Fig. 6 Relationship between lnDeff and

3 結論

本文通過對市政污泥在不同厚度和溫度下進行的干燥實驗，引入常見的薄層干燥模型，分析市政污泥在不同厚度和溫度下的干燥特性，并計算出市政污泥在干燥過程中的水分有效擴散系數和活化能，從而得出以下結論：

（1）污泥干燥可以近似區分為3個階段：升速干燥階段、恒速干燥階段和降速干燥階段。溫度越高，恒速干燥階段范圍越小，越快進入降速干燥階段。從能源利用的角度分析，溫度過高會導致有更多的能量消耗在污泥干質上，不利于能量的有效利用。

（2）在多個工況下利用Midilli模型擬合得到的相關系數均在0.99以上，且

S

和

R

均表現出很好的擬合優度，表明可用Midilli模型來預測市政污泥干燥過程含水率的變化和干燥時間。（3）70～130 ℃下市政污泥水分的有效擴散系數

D

為5.96 × 10～3.24 × 10m·s，有效擴散系數隨著溫度的升高而增大；（4）市政污泥干燥過程中水分擴散的活化能

E

為31.32 kJ·mol，處在一個較低的水平，說明市政污泥是一類相對易干燥的生物質廢棄物。