不同形状污泥干燥特性的差异性及其成因分析

中国环境科学2011,31(5)：803~809ChinaEnvironmentalScience不同形状污泥干燥特性的差异性及其成因分析马学文,翁焕新*,章金骏(浙江大学环境与生物地球化学研究所,浙江杭州310027)摘要：通过对100~300℃恒速干燥条件下饼状污泥和球状污泥的失重速率、干基质量变化的测定,系统分析了不同形状污泥干燥特性的差异及造成这种差异的原因.结果表明,饼状污泥在干燥过程中会产生裂缝,并分裂成若干小块,而球状污泥仅仅会产生体积收缩,形状并未发生变化.由于表观形态变化的差异,导致了污泥干燥过程的差异,饼状污泥的干燥过程分为升速和降速2个阶段,而球状污泥的干燥过程则分为升速、恒速和降速3个阶段;饼状污泥的平均干燥速率大于球状污泥.在150℃以上干燥时,饼状污泥的有机物在水分蒸发的同时即开始分解,而球状污泥则在水分蒸发完后才开始发生有机物分解.关键词：污泥；饼状污泥；球状污泥；干燥特性中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1000-6923(2011)05-0803-07Differenceandcauseanalysisofdryingcharacteristicsofdifferentshapessludge.MAXue-wen,WENGHuan-xin*,ZHANGJin-jun(InstituteofEnvironmentandBiogeochemistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(5)：803~809Abstract：Throughdeterminationofweightlossratesanddrybasischangeofcakesludgeandsphericalsludgedriedat100~300℃,differencesofdryingcharacteristicsofthetwokindsofsludgewereanalyzed.Cakesludgecrackedandsplitintoseveralsmallpieces,whilesphericalsludgeonlyshrankwithoutshapechange.Differentapparentchangeledtodifferentdryingprocess.Cakesludgedryingprocesswasdividedintotwostages:accelerationstageanddecelerationstage,whilesphericalsludgedryingprocesswasdividedintothreestages:accelerationstage,constantspeedstageanddecelerationstage.Theaveragedryingrateofcakesludgewasbiggerthansphericalsludge.Whendriedabove150℃,organicmatterofcakesludgebegantodecomposewithwaterevaporating,whileorganicmatterofsphericalsludgedidn’tdecomposeuntilmostofwaterevaporated.Keywords：sewagesludge；cakesludge；sphericalsludge；dryingcharacteristics污水处理过程中会产生大量的污泥,据估计,2010年我国污泥的产生量将超过3000万t[1].污水处理厂经过机械脱水后的污泥含水率一般在75%~85%之间,由于污泥中含有大量的水分,使其体积庞大,这为污泥的堆放、运输和处置带来极大的困难[2-4],因此,污泥要得到有效地处理,必须对污泥进行深度脱水,实现减量化,这是污泥实现无害化和资源化处理的基础,也是关键的一步.热干化是污泥深度脱水的主要方法之一[5-6].认识污泥的干燥特性,对于污泥干化装置的设计和运转管理,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关数据,污泥干化装置的设计只能依赖于经验[7].污泥是一种由有机物和无机物组成的固液混合物质,其干燥特性不同于传统物料[8-9],传统物料的干燥经验并不适用于污泥干燥.特别是由于不同的热干化工艺对污泥的形态要求不同,而不同形态污泥的干燥特性存在很大的差异,因此,为了使污泥干化工艺与干化设备之间充分协调,污泥干化效率达到最大化,必须深入了解不同形状污泥的干燥特征.目前,国内外有关污泥干燥特性的研究多集中在处理工艺[10-12]和有害气体释放及控制方面[13-15],尽管有人对饼状污泥干燥过程中裂缝的发育情况进行了分析[16],以及对球状、饼状和柱状污泥干燥过程中的表观体积和孔隙率等进行了测定[17],并对球状污泥在100~200℃的干燥收稿日期：2010-09-08基金项目：浙江省重大科技资助项目(2005C13005),浙江省重点科技资助项目(2005C23051)*责任作者,教授,[e-mail]804中国环境科学31卷特性进行了实验研究[18],但是对于不同形状污泥干燥过程和干燥速率等特性的动态变化仍知之甚少.本研究通过对球状污泥和饼状污泥的干燥过程、干燥速率变化和有机物分解等方面的深入研究,系统分析了不同形状污泥的对干燥工艺的影响,旨在为实际的污泥干化工艺设计提供理论基础和技术参数.1材料与方法1.1污泥性质本实验的污泥样品来自杭州四堡污水处理厂机械脱水后的新鲜污泥,污泥的含水率约为77%,自然风干后污泥的性质见表1.将新鲜污泥制成若干份质量为10g±0.1g的饼状和球状,2种污泥的有关参数见表2.表1自然风干污泥的性质Table1Propertiesofair-driedsludgew(H2O)(%)w(OC)(%)ρ(g/cm3)w(S)(%)q(J/g)15.144.82.230.8210320注:w(H2O)为风干污泥的含水率,w(OC)为干污泥中有机质的含量,ρ为污泥的密度,w(S)为干污泥中硫的含量,q为干污泥的热值表2饼状污泥和球状污泥的有关参数Table2Parametersofcakesludgeandsphericalsludge污泥形状m(g)r(mm)h(mm)S(mm2)球状污泥10.033012.92097饼状污泥9.943515.012.72606注:m为质量,r为半径,h为饼状污泥的高度,S为表面积1.2污泥失重速率计算分别取若干份饼状和球状污泥(初始质量记为m0),在100,150,200,250,300℃,风速为0的条件下进行干燥,每隔5min记录其质量(时间为t,不同时间污泥质量记为mt),直至恒重为止.由于污泥干燥过程中会产生收缩,表面积会发生变化,而且在100℃以上进行干燥时,除了水分蒸发外,还会伴随着化学结合水的析出和少量有机物的分解,因此不能准确地计算污泥含水率和干燥速率.为此,分别计算了污泥质量百分比(M)和单位质量污泥的失重速率(v),计算公式如式(1)、式(2):0tmMm=(1)12211()tttmmvttm−=−⋅(2)1.3污泥残留干基率计算污泥干燥过程中除水分蒸发外,干燥温度过高也会引起有机物分解,从而使污泥干基质量发生变化,通过对干基变化的分析可以间接获得污泥有机物分解的规律.具体实验步骤如下:取若干份污泥,将其在150,200,250,300℃的恒温条件下分别干燥5,10,15,20,30,60min,并记录其质量,然后105℃恒温干燥8h后,称量其最终干基质量,记为mdb.计算污泥的干基残留率(Rdb):ddb0bmRm=(3)2结果与讨论2.1不同形状污泥的干燥特性差异050100150200250300102030405060708090100M(%)t(min)a.饼状污泥0100200300400500102030405060708090100b.球状污泥M(%)t(min)图1饼状污泥和球状污泥的干燥时间曲线Fig.1Dryingtimecurvesofcakesludgeandsphericalsludge100℃150℃200℃250℃300℃5期马学文等：不同形状污泥干燥特性的差异性及其成因分析805饼状污泥和球状污泥由于形状的差异,导致其干燥特性存在差异.图1显示了饼状污泥和球状污泥在不同温度下的干燥时间曲线,从图1中可以看出,2种不同形状污泥的干燥时间存在明显的差异:同样质量的饼状污泥在相同温度下的干燥时间远小于球状污泥,如饼状污泥和球状污泥在100℃下干燥,从原始污泥质量干燥至质量为25%时所需的干燥时间分别为185,395min,球状污泥的干燥时间约为饼状污泥的2.14倍;在300℃下干燥,所需的干燥时间则分别为25,45min,球状污泥的干燥时间约为饼状污泥的1.8倍;在同样的干燥温度下,饼状污泥的最终干基质量要小于球状污泥,如饼状和球状污泥在100℃下的最终干基质量分别为23.6%和24.2%,而在300℃下分别为16.5%和20.4%.不同形状污泥的干燥时间存在差异,说明它们的干燥过程不同.图2显示了不同形状污泥在不同温度下的干燥速率曲线,从图2中可以看出,饼状污泥和球状污泥的干燥过程有很大的差别,其中球状污泥的干燥过程明显经历了3个阶段,即升速阶段(I)、恒速阶段(II)和降速阶段(III),其中恒速阶段(II)是干燥速率最大且失去水分比例最大的阶段;而饼状污泥的干燥过程仅经历升速(I)和降速(III)2个阶段.虽然饼状污泥不存在恒速阶段,但是饼状污泥的总体干燥速率要大于球状污泥,例如球状污泥在100℃下干燥时,质量减少到原始质量的90%左右时,即进入恒速(II)干燥阶段,这时污泥的干燥速率虽然仍在缓慢上升,但是基本保持在0.004g/(g·min)左右.而饼状污泥在100℃下干燥,质量减少到原始质量的90%以后,其干燥速率仍然快速升高,最高可以达到0.0113g/(g·min),约为球状污泥最大干燥速率的3倍.饼状污泥和球状污泥之所以会表现出截然不同的2种干燥过程,是由于污泥在干燥过程中形态变化不同所引起的.污泥在干燥过程中会随着水分的蒸发产生干燥收缩,当收缩产生的干燥应力超过污泥的抗拉极限时会产生应力裂纹,而收缩速率与物料表面积和体积之比有关[19],该比值越大越容易产生裂缝.这是由于物料干燥过程中裂纹产生与物料中心湿度和表面湿度的最大允许湿度差有关[20],球体的表面积与体积之比最小,其允许湿度差最大,是平面体的1.67倍,因此最不容易产生裂缝.本实验中球状污泥和饼状污泥的表面积与体积之比分别为0.24,0.30m-1,因此球状污泥在同等条件下进行干燥最不容易产生裂缝.从图3中可以看出,在100~300℃的干燥条件下,球状污泥基本不产生裂缝,只是体积产生收缩;而饼状污泥则会在体积收缩的过程中产生大量的裂缝.100806040200.0000.0020.0040.0060.0080.0100.012ⅠⅢM(%)a.T=100℃ⅠⅢⅡV[g/(g⋅min)]100806040200.000.010.020.030.04ⅡⅠⅢⅢⅠb.T=200℃M(%)V[g/(g⋅min)]100806040200.000.010.020.030.040.050.060.07ⅠⅠⅢⅡⅢc.T=300℃M(%)V[g/(g⋅min)]图2饼状污泥和球状污泥在不同温度的干燥速率曲线Fig.2Dryingratecurvesofcakesludgeandsphericalsludgeatdifferenttemperature饼状污泥球状污泥球状污泥干燥初期经过升速阶段后,污泥表806中国环境科学31卷面单位面积的水分蒸发速度和内部水分向表面的扩散速度达到平衡,此时污泥的体积随着水分的失去而逐渐收缩,内部水分的扩散距离也逐渐缩短,内