城市污泥的特性及管道输送技术研究

第２卷　第２期环境工程学报Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．２２００８年２月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｅｂ．２００８城市污泥的特性及管道输送技术研究吴　淼１　赵学义１　潘　越１，２　苏明辉１　尤福祯３（１．中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京１０００８３；２．河北工程大学机电工程学院，邯郸０５６０３８；３．河北沧州通用机械有限公司，沧州０６１００１）摘　要　城市脱水污泥常见的处置方式是焚烧、燃烧发电、堆肥后土地化利用和填埋等。无论采用哪种无害化、资源化处置方法，输送环节都是必不可少的。城市污泥管道输送技术是以管道输送设备为核心，融合城市污泥的预处理和处置工艺的集成化系统。通过对城市污泥的流变特性和输送特性实验测试，其流变方程符合幂定律关系式；通过环管实验拟合出了污泥在管道中的阻力损失与输送距离和输送流量之间的关系，经验证，其理论计算和实际测定基本相符，证明管道输送方式能够成功地应用于城市污泥的远距离输送，为城市污泥管道输送系统的优化设计提供了理论依据。关键词　城市污泥　流变特性　管道输送　输送设备中图分类号　Ｘ７０３　　文献标识码　Ａ　　文章编号　１６７３９１０８（２００８）０２０２６００６ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｅｗａｇｅｓｌｕｄｇｅａｎｄｉｔｓｐｉｐｅｌｉｎｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＷｕＭｉａｏ１　ＺｈａｏＸｕｅｙｉ１　ＰａｎＹｕｅ１，２　ＳｕＭｉｎｇｈｕｉ１　ＹｏｕＦｕｚｈｅｎ３（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３；２．ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，Ｈａｎｄａｎ０５６０３８；３．ＨｅｂｅｉＣａｎｇｚｈｏｕＧｅｎｅｒａｌＭａｃｈｉｎｅＬｔｄ．，Ｃａｎｇｚｈｏｕ０６１００１）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｄｉｓｐｏｓａｌｍｅａｎｓｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｅｗａｇｅｓｌｕｄｇｅ（ＭＳＳ）ａｒｅｂｕｒｎｉｎｇａｆｔｅｒｂｅｉｎｇｄｅｈｙｄｒａｔｅｄ，ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ｄｕｎｇｈｉｌｌｆｏｒｓｏｉｌａｎｄｂｕｒｙｉｎｇ．Ｎｏｍａｔｔｅｒｗｈｉｃｈｃｌｅａｎａｎｄｈａｒｍｌｅｓｓｄｉｓｐｏｓａｌｗａｙｉｓｕｓｅｄ，ｔｈｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｏｆＭＳＳｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭＳＳ．ＩｔｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｓｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｐｏｓａｌｆｏｒＭＳＳ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｓｔｉｎｇｏｆｔｈｅｓｌｕｄｇｅ’ｓｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｉｔｓｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｅｑｕａｔｉｏｎｉｓａｃｃｏｒｄａｎｔｗｉｔｈＰｏｗｅｒｌａｗｒｅｌａｔｉｏｎｓ．Ｂｙｔｈｅｃｙｃｌｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐａｎｄｄｉｓｔａｎｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅ＆ｔｈｅｆｌｕｘｉｓｆｉｔｔｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙｍａｔｃｈｃｌｏｓｅｌｙｗｉｔｈｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｗａｙｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｃａｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｙｔｏｒｅｍｏｔｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｏｆＭＳＳ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒＭＳＳ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｅｗａｇｅｓｌｕｄｇｅ；ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｐｉｐｅｌｉｎｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ；ｔｒａｎｓｐｏｒｔｄｅｖｉｃｅ基金项目：科技部科技型企业创新基金资助项目（２００２１１０４０２１７９９）；教育部博士点专项基金资助项目（２００２０２９００１１）收稿日期：２００７－０８－０６；修订日期：２００７－１０－２０作者简介：吴淼（１９５８～），男，博士，教授，主要研究方向：粘稠物料管道输送，机电设备故障检测等。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　据资料介绍［１］，目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量（干重）大约为１３０～４２０万ｔ（折合成含水率８０％的污泥为６５０～２１００万ｔ），年增长率大于１０％，在城市化水平较高的城市与地区，污泥出路问题已十分严重。若城市污水全部得到处理，将产生污泥量（干重）８４０万ｔ（折合成含水率８０％的污泥为４２００万ｔ）。污泥处置的主要方法有填埋、焚烧、燃烧发电和土地资源化利用。目前国内污泥处置方式简单，有的污水处理厂甚至将未处理的湿污泥随意外运、简单填埋或堆放，造成严重的空气污染，并给生态环境带来安全隐患［２］。无论采取何种方式处理处置城市污泥，管道输送是避免二次污染的最佳选择。在煤矿，管道输送煤泥进入锅炉燃烧发电技术的应用已经成熟，管道输送城市污泥进入锅炉燃烧技术在个别城市已经开第２期吴　淼等：城市污泥的特性及管道输送技术研究始试用，并取得了较好的经济效益和社会效益，因此，管道输送污泥技术的推广应用是保护环境、节约能源的重要方式之一。１　城市脱水污泥的理论研究１．１　污泥的流变特性及流变方程城市脱水污泥的特点是浓度高、颗粒细、粘度高、流动性差，含有大量的纤维，为絮状胶体结构，不易脱水，含水率８０％以上，属于均匀高固多相流体的范畴，具有一定的发热量。通过对北京某污泥样本的粘度测试，结果为假塑性流体，如图１和图２所示。其流变方程和粘度表达式如表１所示。图１　城市脱水污泥的流变特性曲线Ｆｉｇ．１　Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙｃｕｒｖｅｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｌｕｄｇｅ图２　城市脱水污泥表观粘度曲线Ｆｉｇ．２　ＶｉｓｃｏｓｉｔｙｃｕｒｖｅｏｆＢｅｉｊｉｎｇｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｌｕｄｇｅ上述测试结果表明，城市脱水污泥属于非牛顿流体，随着剪切速率的增加，粘度值呈下降的趋势，即提高剪切速率可以达到降低粘度的目的，该结果为脱水污泥的管道输送实现提供了理论依据。表１　城市污泥流变特性方程Ｔａｂｌｅ１　Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｌｕｄｇｅ项目城市脱水污泥含水率（％）３１．６流变类型假塑性流体流变方程τ＝３６５５ｒ·０２５４粘度表达式μｅ＝３４０４（１＋ｒ·）－１８３１．２　污泥的粒度特性及粒度方程１．２．１　颗粒粒度分布及其表示方法表征物料粒度分布常用的方法有列表法、作图法和函数法［３］，分别称为粒度分布表、粒度分布曲线和粒度分布函数。（１）列表法列表法是将粒度分析得到的原始数据及由此计算的数据列成表格即可，其优点是通过列表能表示出各粒级的分布情况，列表后的数据可以作为其他表示法的基础资料。列表法的不足之处是当数据量大时，列表非常麻烦，而且表中数据不连续。（２）作图法作图法是根据测试物料的的粒径绘制的颗粒分布图，常用的有矩形图、密度函数图（频率分布图）、分布函数图。矩形图优点是可一目了然地看出各粒级的变化及主导级别等情况；缺点是非连续分布，无法完整地反映粒级的粒度特性。密度函数图来自概率分布，是通过数学方法确定的粒度颗粒频率范围内各级的相对百分含量等。分布函数图也称作累积分布曲线，当统计大于某粒径Ｄ′的百分数时，表示正累积分布曲线，用Ｒ（Ｄ）表示；小于某粒径Ｄ′的百分数表示负累积曲线，用Ｆ（Ｄ）表示。Ｒ（Ｄ）＝１００－Ｆ（Ｄ）　　　＝∫ＤｍａｘＤｆ（Ｄ）ｄＤ＝１００－∫ＤＤｍｉｎｆ（Ｄ）ｄＤ（１）曲线的斜率就是密度分布函数，即：Ｆ′（Ｄ）＝ｄＦ（Ｄ′）ｄ（Ｄ）＝ｆ（Ｄ）（２）（３）函数法函数法是用数学方法将物料粒度分析数据归纳、整理并建立能反映物料粒度分布规律的粒度特性方程，然后进行统计分析、数学计算和计算机１６２环境工程学报第２卷处理。１．２．２　颗粒粒度分布数学模型从统计规律上来讲，概率密度函数ｆ（ｘ）和累积分布函数Ｆ（ｘ）之间的关系为：Ｆ（ｘ）＝∫ｘ０ｆ（ｕ）ｄｕ（３）而且满足：０≤ｆ（ｘ）≤１　　　　　　Ｆ（０）＝０，Ｆ（∞）＝１对于常见的物料有以下几种模型［３，４］：（１）正态分布对于某些气溶胶和经沉淀法制得的粉末，其颗粒个数的分布规律近似符合正态分布，其概率密度函数为：ｆ（Ｄ）＝ｄＦｄＤ＝１２槡πσｅｘｐ－（Ｄ－Ｄｍｅａｎ）２２σ()２（４）函数中的两个参数：平均粒径Ｄｍｅａｎ与标准偏差σ完全决定了颗粒的粒度分布。（２）对数正态分布许多粉体物料的粒度组成服从对数正态分布，其密度函数式数学表达式为：ｆ（ｌｇＤ）＝ｄｎｄ（ｌｇＤ）＝１２槡πｌｇσｇｅｘｐ－（ｌｇＤ－ｌｇＤｇ）２２ｌｇ２σ[]ｇ（５）分布函数式：Ｆ（ｌｇＤ）＝１２槡πｌｇσｇ∫ＤＤｍｉｎｅｘｐ（ｌｇＤ－ｌｇＤｇ）２２ｌｇ２σ[]ｇｄ（ｌｇＤ）（６）式中：Ｄｇ—几何平均直径；σｇ—几何标准偏差。（３）罗辛拉姆勒（ＲｏｓｉｎＲａｍｍｌｅｒ）分布罗辛拉姆勒分布简称为ＲＲＳＢ方程，它实际上是一种概率分布函数，其累积分布函数的表达式为：Ｒ（Ｄ）＝１００ｅｘｐ－ＤＤ()ｅ[]ｎ（７）式中：Ｒ（Ｄ）———正累积产率，％；Ｄ———粒度；Ｄｅ———临界粒度，即Ｒ（Ｄ）＝３６８％或Ｆ（Ｄ）＝６３２％时对应的粒度；ｎ———均匀系数，表示粒度范围宽窄。对上述方程两边倒数取二重对数得：ｌｇｌｇ１００Ｒ（Ｄ）＝ｎｌｇＤ－ｎｌｇＤｅ＋ｌｇｌｇｅ＝ｎｌｇＤ＋Ｋ（８）以ｌｇｌｇ１００Ｒ（Ｄ）为纵坐标，以ｌｇＤ为横坐标，得到一条斜率为ｎ的直线，截距为Ｋ。由Ｒ（Ｄ）＝３６８％处可得Ｄ。（４）盖茨高登舒兹曼模型该模型即ＧａｔｅｓＧａｕｄｉｎＳｃｈｕｈｍａｎｎ模型，简称为ＧＧＳ模型。当颗粒度满足这种分布规律时，颗粒粒度为Ｄ的筛下余量Ｆ（Ｄ＜）为：Ｆ（Ｄ＜）＝ＤＤ()ＬＮ（９）式中：ＤＬ为颗粒体系中的最大颗粒粒径，Ｎ为反映颗粒离散度的特征分布参数。（５）Ａｌｆｒｅｄ模型Ａｌｆｒｅｄ粒度分布模型是在ＧＧＳ模型的基础上改进而来，其颗粒粒度为Ｄ的筛下余量Ｆ（Ｄ＜）满足：Ｆ（Ｄ＜）＝ＤＮ－ＤＮＳＤＮＬ－ＤＮＳ（１０）式中：ＤＳ为颗粒体系中的最小颗粒粒径。除上述模型外，还有独立模式分布，非完整的截断正态分布等。１．２．３　污泥的颗粒粒度分布模型城市脱水污泥成分复杂，既含有直径不等的颗粒、粘粒，又含有大量的纤维物质，对其粒径测试比较困难，因此，研究颗粒分布规律和对物料性质的影响，找出影响规律，最终为高浓度粘稠物料的管道输送提供理论依据。图３是北京某污泥的粒度分布图。由图３可知，城市污泥基本属于单峰分布，并且粒径集中在８００～１０００μｍ，占总颗粒数的６４％，且呈正态分布，粒径在４００～６００μｍ之间的颗粒约占１０％。污泥的分布特征表明，由于存在大小颗粒和粘粒，因此，污泥具有较好的保水性能，不易沉积，流变特性稳定，非常适合管道输送。图４为城市污泥ＲｏｓｉｎＲａｍｍｌｅｒ分布曲线。污泥的颗粒粒度ＲｏｓｉｎＲａｍｍｌｅｒ分布方程：ｌｇｌｇ１００Ｒ（Ｄ）＝１０４８０２ｌｇＤ－３５５９４７（１１）拟合直线可信度Ｒ＝０９８８８５，方差ＳＤ＝００６７６４。图５为城市污泥ＧＧＳ分布曲线。颗粒粒度ＧＧＳ分布方程：２６２第２期吴　淼等：城市污泥的特性及管道输送技术研究图３　城市污泥粒径分布曲线Ｆｉｇ．３　Ｇｒ