肖文平，龔惠娟，王巧玲，陳澤智

（1.污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心，江蘇 南京 210093）

回轉(zhuǎn)式污泥干化過(guò)程的試驗(yàn)研究及特性曲線擬合*

肖文平1，龔惠娟2，王巧玲1，陳澤智1

（1.污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心，江蘇 南京 210093）

對(duì)回轉(zhuǎn)式污泥干化過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究，從污泥顆粒粒徑、干燥介質(zhì)溫度和干污泥返混3個(gè)因素，探討對(duì)污泥干化過(guò)程的影響。結(jié)果表明：當(dāng)污泥粒徑越小時(shí)，干化速率越快；污泥粒徑相同時(shí)，干燥介質(zhì)溫度越高，污泥干化速率越大；當(dāng)干污泥返混率大于30%時(shí)，污泥干化所需要的時(shí)間明顯縮短。同時(shí)對(duì)干化過(guò)程特性進(jìn)行曲線擬合，引入Growth/Sigmoidal函數(shù)數(shù)學(xué)模型，得到了較好的擬合結(jié)果。

回轉(zhuǎn)式污泥干化；干化特性；Growth/Sigmoidal模型；曲線擬合

目前，污泥處置主要有填埋、堆肥和焚燒3種方法。其中，填埋和堆肥因占用土地較多和易產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題，無(wú)法滿足日益嚴(yán)格的城市污泥處置要求［1-2］。對(duì)污泥焚燒處理后填埋或制磚等，不但可充分發(fā)揮污泥含有大量可燃性物質(zhì)的特點(diǎn)，而且很好地達(dá)到減量化、無(wú)害化、資源化的污泥處理處置目標(biāo)。然而，污泥焚燒的主要問(wèn)題在于，其含水率普遍高達(dá)95%，即使經(jīng)過(guò)機(jī)械脫水，其含水率也高達(dá)80%，無(wú)法直接焚燒，必須先對(duì)污泥進(jìn)行有效地干化。

污泥焚燒在日本和歐洲廣為應(yīng)用，其干化技術(shù)也比較成熟，主要的干化技術(shù)是流化床干燥工藝、盤式干燥工藝、轉(zhuǎn)鼓干化工藝等［3］。目前，在國(guó)外較成熟的技術(shù)基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量污泥干化方面的研究，如姜瑞勛等對(duì)污泥采用薄層干燥方式進(jìn)行脫水研究［4］，侯鳳云等以河沙為干燥介質(zhì)的鼓泡流化床干燥實(shí)驗(yàn)研究［5］，在實(shí)際工程中除了流化床干燥工藝，其他工藝鮮有報(bào)道。筆者對(duì)回轉(zhuǎn)式污泥干化過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究，選擇污泥顆粒粒徑、干燥介質(zhì)溫度和干污泥返混3個(gè)因素探討對(duì)污泥干化過(guò)程的影響，同時(shí)對(duì)干化過(guò)程特性進(jìn)行曲線擬合，得到了較好的擬合結(jié)果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

脫水污泥取自某污水處理廠脫水污泥，顆粒較細(xì)，污泥含水率87.1%，污泥干基主要成分是：C 43.63%、H 6.77%、N 6.575%、P 1.31%、O 41.706%、有機(jī)物81.81%。

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)將污泥制成粒徑分別為0.9、1.5、3.0 cm的球粒，回轉(zhuǎn)爐溫度分別控制在160、200、240、280℃，將3種粒徑的污泥球粒分別在上述4種溫度條件下干化，每隔10 min測(cè)定其含水率，得到不同條件下的干化曲線。

本試驗(yàn)中還采用了類珍珠工藝，即將干化后的部分污泥返混，在預(yù)處理裝置中混合攪拌均勻，試驗(yàn)中干污泥返混的比例分別為20%、30%、40%和50%，按上述實(shí)驗(yàn)步驟，得到干化曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粒徑的污泥顆粒干化過(guò)程

圖1～4分別為160、200、240、280℃下不同粒徑的污泥干化曲線。如圖所示，隨著時(shí)間的推移，曲線的斜率逐漸變大，說(shuō)明污泥內(nèi)部水分隨時(shí)間的變化越來(lái)越大，干燥過(guò)程處于速率開(kāi)始逐漸加快階段。相同溫度下，污泥顆粒粒徑越大，干燥曲線向右偏移，所需的干燥時(shí)間越長(zhǎng)。

粒徑較小的污泥顆粒的干化速率高于粒徑較大的污泥顆粒，即粒徑越小干燥過(guò)程的時(shí)間越短。溫度越高，粒徑大小對(duì)污泥干化速率的影響越大。160℃時(shí)，3種粒徑污泥前30 min干化速率均為0.3 g/（g·min） 左右，之后粒徑3.0 cm污泥干化速率增大為 0.64 g/（g·min），而粒徑 1.5、0.9 cm 污泥干化速率增至 1.0、1.2 g/（g·min）。280℃時(shí)，3種粒徑污泥干化速率相差較大，粒徑3.0 cm污泥前30 min干化速率保持在3.0 g/（g·min），40 min 時(shí)降低至 0.59 g/（g·min），而 60 min 時(shí)又增至 1.73 g/（g·min），70 min 時(shí)繼續(xù)增至 2.58 g/（g·min），且此時(shí)含水率已低于20%；粒徑1.5 cm的污泥前30 min干化速率保持在1.0 g/（g·min），40～50 min 時(shí)增至 2.0 g/（g·min），此時(shí)含水降至20%；粒徑0.9 cm污泥10 min時(shí)干化速率為 0.8 g/（g·min），20～30 min 時(shí)增至 2.0 g/（g·min），干化40 min后含水率已經(jīng)降為11.9%。由于物料的干化特性為降速干燥，傳質(zhì)的主要阻力是內(nèi)部擴(kuò)散阻力，污泥的粒徑對(duì)其影響較大，而且粒徑越小，污泥汽化的比表面積就越大，從而大大加速了干化過(guò)程。

2.2 不同干化介質(zhì)溫度的污泥干化過(guò)程

在不同干化介質(zhì)溫度時(shí)，對(duì)污泥顆粒的干化曲線進(jìn)行對(duì)比。圖5～7分別為粒徑3.0、1.5、0.9 cm污泥在不同干化介質(zhì)溫度的污泥干化曲線。如圖所示，污泥的干化速率與干化介質(zhì)溫度成正比，溫度越高，所需干化時(shí)間越短。污泥粒徑較大時(shí)溫度對(duì)干化速率的影響，其時(shí)間變化幅度遠(yuǎn)小于粒徑較小的變化幅度，說(shuō)明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，干燥介質(zhì)溫度對(duì)污泥干化的影響受到污泥粒徑的限制，污泥粒徑越大影響越小，污泥粒徑越小影響越大。

2.3 不同干污泥返混比例的污泥干化過(guò)程

干污泥返混就是通過(guò)將部分已干燥的產(chǎn)品和未處理的濕物料進(jìn)行混合，以降低其黏性，提高污泥顆粒之間的透氣性，提高干燥效率［6］。圖8、9分別為200℃粒徑0.9 cm污泥和240℃粒徑1.5 cm污泥在不同干污泥返混比例下的污泥干化曲線。如圖所示，干污泥返混率為20%時(shí)，污泥干化速率變化較小，當(dāng)干污泥返混率達(dá)到30%以上時(shí)，污泥干化速率變化較大，所需的干化時(shí)間大大減少。200℃粒徑0.9 cm污泥，返混干污泥0%時(shí)，污泥干化速率變化，10 min時(shí)0.5 g/（g·min），20 min 時(shí) 0.4 g/（g·min），30 min 時(shí) 0.8 g/（g·min），40 min 時(shí) 0.8 g/（g·min），50 min 時(shí)0.8 g/（g·min），60 min 時(shí) 1.3 g/（g·min），70 min 時(shí) 1.8 g/（g·min）， 80 min 時(shí) 1.2 g/（g·min），含水率已經(jīng)降到13.18%；返混干污泥20%時(shí)，污泥干化速率沒(méi)有顯著變化；返混干污泥30%時(shí)，污泥干化速率變化，10 min時(shí)0.8 g/（g·min），20 min 時(shí) 0.8 g/（g·min），30 min 時(shí) 0.7 g/（g·min），40 min 時(shí) 0.7 g/（g·min），50 min 時(shí)1.0 g/（g·min），含水率已經(jīng)降到 21.36%；返混干污泥40%時(shí)，污泥干化速率變化，10 min時(shí)0.7 g/（g·min），20 min 時(shí) 0.7 g/（g·min），30 min 時(shí)1.0 g/（g·min），40 min 時(shí) 0.8 g/（g·min），含水率已經(jīng)降到20.63%；返混干污泥50%時(shí)，污泥干化速率變化，10 min 時(shí) 0.7 g/（g·min），20 min時(shí) 1.0 g/（g·min），30 min 時(shí) 0.9 g/（g·min），含水率已經(jīng)降到17.95%。

3 干化過(guò)程特性曲線擬合

引入一些常規(guī)干化模型如表1，對(duì)污泥干化曲線進(jìn)行了擬合，結(jié)果表明擬合度普遍較低，表明本試驗(yàn)結(jié)果不適合這些常規(guī)干化模型，需要另外尋找合適的數(shù)學(xué)模型。

表1 常規(guī)干化模型

為此，引入Growth/Sigmoidal函數(shù)數(shù)學(xué)模型對(duì)污泥干化曲線進(jìn)行擬合，該模型表達(dá)式為：

對(duì)在不同溫度、不同污泥粒徑條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到污泥含水率與干燥時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線系數(shù)，如表2所示。

圖10是對(duì)部分試驗(yàn)值和Growth/Sigmoidal擬合值進(jìn)行對(duì)比，其數(shù)據(jù)基本上在斜率45°的直線周圍，說(shuō)明Growth/Sigmoidal模型較適于本試驗(yàn)中回轉(zhuǎn)式污泥干化過(guò)程的模擬。

4 結(jié)論

1）污泥粒徑越小，干化速率越快。當(dāng)污泥粒徑較小時(shí)，溫度對(duì)干化速率才有較大的影響。因此在溫度一定時(shí)，盡量分散污泥、減小顆粒粒徑是提高干燥速率的最有效方法。

表2 污泥含水率與干燥時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合曲線系數(shù)

2）通過(guò)干污泥返混能夠減少污泥干化時(shí)間，特別是當(dāng)污泥返混率在30%以上時(shí)污泥干化速率變化較大，對(duì)工程應(yīng)用有較大意義。

3）污泥粒徑相同時(shí)，干燥介質(zhì)溫度越高污泥干化速率越大。干燥介質(zhì)溫度在160、200℃時(shí)，對(duì)污泥干化影響較??；干燥介質(zhì)溫度在240、280℃時(shí)，對(duì)污泥干化影響較大。

4） Growth/Sigmoidal函數(shù)數(shù)學(xué)模型更適合回轉(zhuǎn)式污泥干化過(guò)程，可用于預(yù)測(cè)不同含水率污泥的干化時(shí)間。

［1］張寧生，周強(qiáng)泰，芮新紅.污泥的焚燒處理技術(shù)［J］.能源研究與利用，2003（1）：35-37.

［2］ Brenton M.Process Control Advances Safe SludgeDrying［J］.Water&Wastewater Int，2003，18 （5）：36-42.

［3］郭淑琴，孫孝然.幾種國(guó)外城市污水處理廠污泥干化技術(shù)及設(shè)備介紹［J］.給水排水，2004，30（6）：33-37.

［4］姜瑞勛，李愛(ài)民，王偉云.脫水污泥薄層干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型分析［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2009，29（1）：22-25.

［5］侯鳳云，呂清剛，那永潔，等.濕污泥顆粒的流化床干燥實(shí)驗(yàn)及模型［J］.過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2007，7（4）：647-654.

［6］王釗.北京污水處理廠污泥干化處理工藝選擇的探討［J］.市政技術(shù)，2004，22 （6）：374-378.

Experimental Study on Rotary Sludge Drying Process and Its Characteristic Curve Fitting

Xiao Wenping1,Gong Huijuan2,Wang Qiaoling1,Chen Zezhi1
（1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse,School of the Environment,Nanjing University,Nanjing Jiangsu 210046;2.Center of Modern Analysis,Nanjing University,Nanjing Jiangsu 210093）

The experiment of rotary sludge drying process was carried out.Sludge particle size,drying medium temperature,and dried sludge back mixing were chosen as the main influencing factors for researching sludge drying process.The results showed that drying rate was faster when sludge particle size was relatively small.Higher drying medium temperature increased drying rate when sludge particle size was same.When back mixing ratio of dried sludge was more than 30%,sludge drying time reduced significantly.In addition,characteristic curve of drying process was fitted.The Growth/Sigmoidal model was used to get a better fitting result.

rotary sludge drying；drying characteristic；Growth/Sigmoidal model；curve fitting

X703

A

1005－8206（2011） 03－0011－04

江蘇省環(huán)保廳環(huán)?？蒲姓n題（2009009）；南京大學(xué)分析測(cè)試基金

2011-02-22

肖文平 (1986—)，南京大學(xué)碩士研究生，主要從事固體廢物處理處置技術(shù)研究。

E-mail:xiaowping@126.com。

（責(zé)任編輯：鄭雯）