史繼紅

摘 要：污泥產(chǎn)量巨大且成分復(fù)雜，使其急劇減容最有效的方法之一是污泥干燥。干燥動力學(xué)的研究對污泥干燥具有重要的理論及應(yīng)用指導(dǎo)意義。本文主要從干燥動力學(xué)特性、傳熱傳質(zhì)及模型方程三方面對干燥動力學(xué)在污泥干燥中的研究進展與應(yīng)用狀況進行了論述，并對其提出了展望。

關(guān)鍵詞：污泥；干燥；動力學(xué)；研究進展；展望

中圖分類號：X703 文獻標(biāo)識碼：A

隨著經(jīng)濟發(fā)展、工業(yè)發(fā)展、人口增長和城市化進程的加快，以及污水處理技術(shù)的提高，污泥的產(chǎn)量急劇增加。在污泥產(chǎn)量逐漸增加的同時，我國污泥的干燥技術(shù)和裝備卻普遍落后，污泥安全處理處置的有效措施非常有限，僅僅依賴于傳統(tǒng)的干燥技術(shù)已經(jīng)不能滿足目前的污泥現(xiàn)狀。為了避免污泥處理不當(dāng)或不及時而對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，污泥干燥的研究已經(jīng)成為當(dāng)今國內(nèi)外高度重視的環(huán)保課題。污泥的干燥是一種非常復(fù)雜的傳輸現(xiàn)象，其中包含質(zhì)量、能量和動量的傳遞，涉及到流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)等一些基礎(chǔ)學(xué)科，因此大多研究學(xué)者主要是針對污泥干燥特性以及其在工程應(yīng)用等方面的研究，而關(guān)于污泥干燥的基礎(chǔ)研究及機理論述方面并不多。干燥動力學(xué)，即是研究干燥過程中濕含量與各種支配因素之間的關(guān)系，從宏觀和微觀上間接地反映傳熱傳質(zhì)的變化規(guī)律，這對深入了解污泥干燥機理和提高污泥干燥技術(shù)非常有必要。因此，本文對近年來國內(nèi)外學(xué)者在污泥干燥動力學(xué)特性、傳熱傳質(zhì)及模型方程方面的研究進行了總結(jié)與分析，為污泥干燥機理的論述及污泥干燥技術(shù)的改進提出了展望。

1 國內(nèi)外污泥干燥動力學(xué)的研究狀況

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對污泥干燥進行了大量的實驗研究。污泥是含水率極高的物質(zhì)，易腐敗且有惡臭，一般情況下，經(jīng)濃縮、消化后，尚有95%～97%含水率，經(jīng)機械脫水后含水率為75%左右，經(jīng)干燥后含水量可降至到20%左右，可見，干燥不但使污泥顯著減容，還極大的改善了污泥臭味、黏度及病原菌等特性，是污泥減量化、無害化和資源化利用的關(guān)鍵一步。準(zhǔn)確定性定量地研究污泥干燥動力學(xué)，以便精確的掌握污泥含水量的變化規(guī)律，這對科學(xué)制定干燥周期、調(diào)節(jié)干燥工藝、設(shè)計新的干燥工藝、提高效率、降低能耗及干燥設(shè)備的研發(fā)和實際操作的運行等有著重要的理論及現(xiàn)實意義。

1.1 污泥干燥動力學(xué)特性的研究狀況

污泥干燥速率的變化是干燥過程中濕分遷移的宏觀表現(xiàn)，其變化規(guī)律揭示的實為污泥干燥內(nèi)部微觀的傳熱傳質(zhì)動力學(xué)機理。在近年來國內(nèi)外對污泥干燥動力學(xué)特性研究中，普遍表明污泥的干燥過程可分為加速（又稱加熱或預(yù)熱）階段、恒速階段和降速階段。

1.2 污泥干燥機理的研究狀況

污泥干燥實質(zhì)上就是去除水分的過程，而水分的傳輸同時伴隨著熱量的傳遞，這是一種非常復(fù)雜的傳輸過程。目前污泥干燥學(xué)術(shù)界普遍認為污泥干燥過程中水分的去除要經(jīng)過蒸發(fā)和擴散兩個過程。蒸發(fā)過程指的是污泥表面水分的汽化。由于污泥表面的水蒸氣壓低于干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓，從而導(dǎo)致水分從污泥表面遷移到干燥介質(zhì)；擴散過程指的是與汽化密切相關(guān)的傳質(zhì)過程。當(dāng)污泥表面水分被蒸發(fā)掉，污泥表面的濕度低于污泥內(nèi)部濕度，此時，熱量產(chǎn)生的推動力將水分從內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面。這兩個過程持續(xù)、交替的進行，說明污泥干燥是由表面水汽化和內(nèi)部水?dāng)U散兩個相互結(jié)合、同時并存的過程來完成的。

1.3 污泥干燥動力學(xué)模型的研究狀況

近年來，污泥干燥動力學(xué)研究主要是對干燥過程進行數(shù)值模擬而得出干燥方程。為此國內(nèi)外研究者對污泥干燥過程的數(shù)值模擬進行了大量研究，主要有三個方面：理論公式推導(dǎo)、干燥曲線的回歸分析、理論和經(jīng)驗的數(shù)學(xué)模型，其中污泥薄層干燥研究最廣。到目前為止，國內(nèi)外研究者提出的薄層干燥模型有很多，一般分為理論與半理論方程、經(jīng)驗與半經(jīng)驗方程。

2 污泥干燥動力學(xué)的研究展望

經(jīng)過污泥工作者多年的不斷研究，至今無論是在污泥干燥理論還是實踐方面都已取得了不少重要的研究成果。但是，由于污泥干燥是一個復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，干燥動力學(xué)又是綜合了多個學(xué)科知識的交叉學(xué)科，僅依靠目前的研究成果與經(jīng)驗還存在一定的局限性。因此，干燥動力學(xué)在污泥干燥中的應(yīng)用還需不斷地研究。

2.1 加速熱分析動力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用

熱分析動力學(xué)是一種新興污泥處理工藝技術(shù)，主要是利用污泥中有機質(zhì)的熱不穩(wěn)定性在一定條件下可以受熱分解，能有效的使污泥減量化、資源化和無害化。近年來，不少研究者采用熱分析動力學(xué)技術(shù)或聯(lián)合干燥動力學(xué)方程來研究污泥干燥，獲得了污泥干燥機理方程、表觀活化能、指前因子、反應(yīng)級數(shù)和干燥速率常數(shù)等，這對指導(dǎo)干燥設(shè)備的研發(fā)和實際操作運行具有現(xiàn)實意義。

2.2 提高污泥干燥動力學(xué)重要參數(shù)測定的準(zhǔn)確度

污泥干燥有效擴散系數(shù)和活化能是研究污泥干燥動力學(xué)的兩個重要參數(shù)。目前，大多研究者都是引用Fick擴散定律和Arrhenius公式通過相關(guān)軟件進行數(shù)據(jù)處理而得出污泥干燥的有效擴散系數(shù)和活化能。而在簡化Fick擴散定律時都做了“在干燥過程中污泥內(nèi)部溫度分布均勻且等于環(huán)境溫度（干燥介質(zhì)溫度）”的主要假設(shè)，這與污泥干燥的實際情況是不相符的，即使是厚度很薄的污泥薄層干燥在傳熱過程中也存在溫度梯度。

2.3 促進非線性動力學(xué)在污泥干燥機理中的研究

在污泥干燥動力學(xué)理論研究方面，可以引入非線性動力學(xué)理論，如：突變、混沌、分形理論等研究污泥干燥的突變現(xiàn)象。如馬德剛等人通過功率譜分析對污泥干燥速度曲線進行了分形與混沌特性研究，實驗結(jié)果表明污泥的干燥速率變化具有分形特性，即污泥干燥內(nèi)部傳質(zhì)具有隨機過程，這為建立干燥動力學(xué)模型或?qū)ξ勰喔稍飩髻|(zhì)的模擬增加了一種新的參考，即模型或模擬中應(yīng)該考慮隨機過程。同時實驗結(jié)果分析出污泥的種類和干燥溫度對干燥速率變化的分形有較大影響，利用Hausdorff維數(shù)和整體盒維數(shù)計算方法得到了內(nèi)部傳質(zhì)動力學(xué)特性的分形維數(shù)，為后續(xù)的理論分析提供了強有力依據(jù)。王偉云等人也對污泥干燥速率曲線進行了分形特性研究，表明不同直徑柱狀污泥干燥速率曲線具有多重分形特性，并且直徑越小，多重分形特征越明顯。由此可見，結(jié)合這種非線性動力學(xué)來研究污泥干燥，可以間接的反映污泥干燥過程中內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的運動特性，這對豐富污泥干燥的理論研究、建立合理干燥動力學(xué)模型以及檢驗干燥動力學(xué)模型的合理性等方面將具有重要的理論意義和實用價值。

2.4 加速多效聯(lián)合干燥新工藝技術(shù)的開發(fā)和聯(lián)合處理的應(yīng)用

近年來，有關(guān)組合工藝在污泥干燥中的研究越來越多，如多級臥式槳葉式組合干燥、過熱蒸汽對流與傳導(dǎo)聯(lián)合干燥、槳葉-盤式組合干燥等工藝被應(yīng)用在污泥干燥中。大量研究表明，這種將兩種或兩種以上不同形式的干燥器串聯(lián)組合起來，或者在干燥設(shè)備上增加一些特殊裝置，使改進后的干燥器在干燥過程中將各種干燥器優(yōu)勢互補或產(chǎn)生不同型式的干燥工藝，從而較好地控制整個干燥過程，同時又能降低能耗，是污泥干燥技術(shù)未來發(fā)展的趨勢之一。

2.5 促進污泥干燥新技術(shù)開發(fā)

結(jié)合不同物料間干燥動力學(xué)的異同，進行新的污泥干燥工藝開發(fā)。污泥還能與一些量大價廉的副產(chǎn)品混合干燥可以提高干燥效率，如岳蓮等人研究了污泥與木屑混合的干燥特性，對有效擴散系數(shù)與活化能進行了計算，結(jié)果表明木屑添加對污泥干燥有明顯加快，并且木屑添加比例越大干燥速率越快。近年來，也有研究者從節(jié)能的角度進行了研究，如微波干燥、太陽能干燥等。如李志剛等人對城市污泥進行了微波干燥實驗和經(jīng)濟分析，表明微波干燥具有干燥效率高，設(shè)備投資低、占地少，清潔衛(wèi)生，操作管理簡便等優(yōu)勢，并提出對“熱干燥-微波干燥”聯(lián)合工藝的效能進行系統(tǒng)研究以便進一步降低干燥成本；雷海燕等人采用自行設(shè)計制造的混合型污泥太陽能干燥器對污泥干燥的可行性進行了探索；鄭宗和等人通過實驗證明了利用太陽能進行污泥干燥是一項可行的新技術(shù)。

結(jié)論

綜上所述，干燥動力學(xué)特性、傳熱傳質(zhì)及模型方程三方面對干燥動力學(xué)在污泥干燥中的研究進展成果是顯著的，微波干燥、太陽能干燥等新技術(shù)的應(yīng)用，可能給污泥干燥技術(shù)的開發(fā)帶來新的方向。

參考文獻

[1]劉長燕，葛仕福.污泥干燥特性及其模型[J].化工裝備技術(shù)，2010，31（01）：1-7.

[2]魏礫宏，王雪華，李潤東，等.脫水污泥等溫干燥特性實驗研究及回歸分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，31（01）：123-129.

[3]趙由才，徐迪民，陳紹偉，等.污泥的DSC和TGA分析[J].環(huán)境工程，1994，12（04）：38-41.

[4]林云琴，周少奇.我國污泥處理、處置與利用現(xiàn)狀[J].能源環(huán)境保護，2004，18（06）.