詹 詠, 葉匯彬, 董 濱, 黃遠(yuǎn)東
(1. 上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093;2. 同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)
隨著我國(guó)污水處理的現(xiàn)代化進(jìn)程發(fā)展,污泥作為固體廢棄物逐漸成為環(huán)境方面的重點(diǎn)社會(huì)問題。污泥含水率通常很高,并且散發(fā)濃烈的異味和存在有毒有害物質(zhì),如若無(wú)法合理處理此類固體廢棄物,將對(duì)周邊環(huán)境及人類產(chǎn)生非同尋常的危害[1]。因此需開發(fā)先進(jìn)技術(shù),在將污泥作為固體廢棄物處理和處置的同時(shí),把污泥當(dāng)中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢约右岳玫哪茉?。在?shí)現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化的基礎(chǔ)上,達(dá)到污泥可持續(xù)化利用,這已成為世界上污泥處理處置研究的重中之重[2]。高級(jí)厭氧消化技術(shù)相比傳統(tǒng)中溫厭氧消化,更易于提高揮發(fā)性固體負(fù)荷降解率[3]。Deng等[4]研究了兩種不同的城市污泥的熱風(fēng)對(duì)流干燥特性以及動(dòng)力學(xué)特性。Mahmoud 等[5]研究了干燥溫度、熱風(fēng)風(fēng)速、濕度等不同因素與干燥速率之間的函數(shù)關(guān)系。馬學(xué)文等[6]研究解析了不同質(zhì)量的污泥固體顆粒在恒溫干燥條件下的干燥特性;魏海娟[7]研究了油泥的薄層干燥特性和各物料樣品的薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型。馮俊亭等[8]則是對(duì)污泥進(jìn)行干燥特性試驗(yàn),得出為有效提高污泥干燥速率,可將干燥溫度提升至沸點(diǎn)以上,同時(shí)還提出了兩種模擬模型—簡(jiǎn)變擴(kuò)散模型及污泥干化常擴(kuò)散模型,用來(lái)預(yù)測(cè)不同工況下污泥含水率隨干化時(shí)長(zhǎng)變化的曲線趨勢(shì)。文獻(xiàn)中大多處理研究對(duì)象是污水污泥,很少涉及沼渣干燥。在對(duì)流干燥實(shí)驗(yàn)中,熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流速及污泥厚度通常被認(rèn)為是影響干燥的幾個(gè)重要因素[9]。
本文對(duì)SS0(脫水污泥)及SS1(脫水污泥經(jīng)高級(jí)厭氧消化后產(chǎn)生的沼渣)進(jìn)行對(duì)流干燥試驗(yàn),研究熱風(fēng)風(fēng)溫、風(fēng)速及樣品厚度對(duì)污泥干化特性的影響,進(jìn)而更深入地探究污泥的對(duì)流干燥過程,為優(yōu)化污泥熱干燥過程、降低干化時(shí)間和提高干化效率提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。
1.1.1 試驗(yàn)樣品
本次試驗(yàn)樣品有兩種:一種來(lái)自上海曲陽(yáng)污水處理廠的脫水污泥,編號(hào)為SS0;另一種來(lái)自脫水污泥經(jīng)高級(jí)厭氧消化后的污泥,編號(hào)為SS1。樣品統(tǒng)一保存在4 ℃的環(huán)境中(冰箱),其基本性質(zhì)見表1。其中,Mad為水分;Ad為灰分(干基);Vd為揮發(fā)分(干基);FCd為固定碳(干基)。
表 1 脫水污泥的基本性質(zhì)Tab.1 Basic characteristics of dewatering sludge
1.1.2 試驗(yàn)儀器
試驗(yàn)主要使用儀器明細(xì)見表2。
表 2 試驗(yàn)儀器明細(xì)表Tab.2 List of experimental instruments
1.2.1 試驗(yàn)工況
該試驗(yàn)將用到SS0,SS1兩種樣品,都通過如下表3 工況進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)干燥過程的主要影響因素進(jìn)行研究。
表 3 試驗(yàn)工況Tab.3 Experimental conditions
1.2.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)操作過程如下:首先選擇一種試驗(yàn)工況,將加熱鼓風(fēng)機(jī)的加熱溫度與風(fēng)速設(shè)定為所需值,開始預(yù)加熱,待設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后,取出試驗(yàn)樣品。將樣品按長(zhǎng)方體的形狀制成工況要求下厚度的薄餅狀,之后再放置在物料托盤上置于干燥裝置中,操作定溫對(duì)流干燥試驗(yàn)。每相隔5 min 對(duì)樣品質(zhì)量進(jìn)行一次測(cè)量記錄。當(dāng)需要進(jìn)行其他工況的試驗(yàn)時(shí),僅需改變?cè)囼?yàn)工況,重復(fù)以上操作過程即可。
根據(jù)測(cè)量所得數(shù)據(jù)計(jì)算幾個(gè)相關(guān)量[10-11],如干基含水率、濕分比、干燥速率,其定義及計(jì)算如下。
干基含水率為污泥當(dāng)中的水分質(zhì)量同實(shí)時(shí)污泥質(zhì)量之比,其表達(dá)式為
式中:M為干基含水率;mi為實(shí)時(shí)污泥質(zhì)量;mf為絕干污泥質(zhì)量。
濕分比為污泥中某一時(shí)刻所含水分質(zhì)量同初始水分質(zhì)量之比,其表達(dá)式為
式中:MR為濕分比,無(wú)量綱;m0為初始污泥質(zhì)量。
干燥速率為污泥中所含水分損失的快慢程度,其表達(dá)式為
式中:DR為干燥速率,g/(g·min);Mi為i時(shí)刻污泥干基含水率;Mi?1為i?1 時(shí)刻污泥干基含水率;?t為i與i?1 時(shí)刻時(shí)間之差。
按照所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,以時(shí)間為x對(duì)含水率為y(過去文獻(xiàn)中多數(shù)是用干基含水率作圖,而因?yàn)樵趯?shí)際干燥工業(yè)中通常用濕基含水率來(lái)作產(chǎn)品目標(biāo),因此本文采用濕基含水率)作圖,最終獲得的是污泥含水率隨時(shí)間變化的干燥曲線。同時(shí)再把干燥速率對(duì)時(shí)間變化作圖得干燥速率曲線。
2.1.1 熱風(fēng)溫度對(duì)脫水污泥干燥的影響
圖1 和圖2 提供了在熱風(fēng)流速為4 m/s、樣品厚度為10 mm 的對(duì)流干燥條件下,SS0在不同干燥溫度下的濕分比和干燥速率的變化趨勢(shì)。
從圖1 可知,SS0的濕分比隨著熱風(fēng)溫度的提升,SS0的濕分比斜率依次增大,即失重的速率依次增大,干燥所需時(shí)間依次縮短,但不成比例。80 ℃的曲線相對(duì)其他溫度最為平緩,干燥至相同水分所需時(shí)間也最多。而風(fēng)溫在140 ℃的條件下,SS0干燥至最終所需時(shí)間大致是90 min,而80 ℃條件下則需要220 min,后者是前者所需時(shí)間的2.4 倍。當(dāng)樣品SS0在初始MR、污泥種類及厚度相同的情況下,干燥的熱風(fēng)溫度提升,干燥時(shí)長(zhǎng)隨之變短,干燥速率加快。這表明,在干化過程中,溫度越高,熱空氣對(duì)污泥水分的熱推動(dòng)力越大,更有便于接觸面的水分揮發(fā)和內(nèi)部水分向接觸面轉(zhuǎn)移。
圖 1 SS0 在不同熱風(fēng)溫度下的濕分比Fig. 1 Wet ratio of SS0 at different hot air temperatures
圖 2 SS0 在不同熱風(fēng)溫度下的干燥速率Fig. 2 Drying rate of SS0 at different hot air temperatures
圖2 為SS0在不同熱風(fēng)溫度下的干燥速率隨干燥時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)圖。對(duì)比圖中的5 個(gè)熱風(fēng)溫度可知,熱風(fēng)溫度為80 ℃時(shí),干燥速率趨勢(shì)可見相對(duì)平緩,先上升至最高干燥速率47.6 mg/(g·min),然后進(jìn)入降速干燥階段;而溫度在100 ℃條件下,最高干燥速率為57.2 mg/(g·min);之后溫度為120,130,140 ℃時(shí),可以看到干燥速率變化幅度較大,最大干燥速率依次為65.4,78.9,98.6 mg/(g·min)。當(dāng)熱風(fēng)溫度從80 ℃提高到140 ℃的時(shí)候,最大干燥速率增大2.1 倍。這表明,熱風(fēng)溫度越高,初始干燥速率達(dá)到最高的數(shù)值就越高。
熱風(fēng)溫度高,污泥在更高的加熱條件下,短時(shí)間內(nèi)樣品吸收熱量也越多。而且,高溫還有破壞間隙水的作用,加快了內(nèi)部水分向表面的遷移,使污泥內(nèi)部的水分子自由運(yùn)動(dòng)更為劇烈。以上作用都是推動(dòng)對(duì)流干燥的動(dòng)力,因此干燥過程中熱風(fēng)溫度對(duì)脫水污泥來(lái)說是影響其干燥時(shí)間的因素之一。
2.1.2 熱風(fēng)流速對(duì)脫水污泥干燥的影響
圖3 和圖4 分別在熱風(fēng)溫度120 ℃、樣品厚度為10 mm 條件下,不同的流速條件下SS0的濕分比MR及干燥速率的曲線情況。熱風(fēng)流速在2~6 m/s 范圍內(nèi),流速越高,干燥速率越大,干燥時(shí)長(zhǎng)則越小。流速為2 m/s 時(shí),最終干燥需要的時(shí)間是180 min;而在4 m/s 的熱風(fēng)流速條件下,所用干燥時(shí)間便減少為130 min;而從4 m/s 的熱風(fēng)流速上升至6 m/s 時(shí),縮短至110 min。流速每降低2 m/s,干燥時(shí)間分別增加18.2%和63.6%。所以流速亦是影響干燥效率的重要因素,流速越大,干燥效率越高。
由圖4 可知,最大干燥速率會(huì)隨著熱風(fēng)流速的上升而變大,當(dāng)風(fēng)速分別為2,4,6 m/s 時(shí),干燥速率依次為47.1,64.3,80.7 mg/(g·min)。薄層污泥樣品都是單面?zhèn)髻|(zhì)且接觸空氣的表面積相同,風(fēng)速越大,越有利于污泥與熱風(fēng)進(jìn)行質(zhì)熱交換。原理是熱空氣在相對(duì)濕度保持不變的情況下,風(fēng)速越大,單位時(shí)間內(nèi)通過污泥表面的空氣體積就越大,不單單能夠較快帶走樣品表面的水分,同時(shí)還可以保持污泥表面水分濃度和熱空氣中水蒸氣濃度的差值,更有利于熱干燥的進(jìn)行。
2.1.3 污泥樣品厚度對(duì)脫水污泥干燥的影響
圖5 和圖6 給出了SS0在不同樣品厚度條件下熱風(fēng)溫度為120 ℃、熱風(fēng)流速為2 m/s 時(shí),其濕分比及干化速率的變化情況。
圖 3 SS0 在不同熱風(fēng)流速下的濕分比Fig. 3 Wet ratio of SS0 at different hot air flow rates
圖 4 SS0 在不同熱風(fēng)流速下的干燥速率Fig. 4 Drying rate of SS0 at different hot air flow rates
圖 5 SS0 在不同樣品厚度下的濕分比Fig.5 Wet ratio of SS0 at different sample thicknesses
圖 6 SS0 在不同樣品厚度下的干燥速率Fig.6 Drying rate of SS0 at different sample thicknesses
由圖5 可知,在樣品厚度變薄的情況下,SS0的濕分比下降速率明顯。5 mm 的樣品干燥所需時(shí)長(zhǎng)大約是85 min,同時(shí)15 mm 厚度的樣品干燥速率則是250 min 左右,后者的干燥時(shí)間是前者的2.94 倍。就圖6 中干燥速率方面而言,污泥樣品的厚度變大的過程中,干燥速率跟著逐漸減小,5 mm 厚的樣品最大干燥速率是88.2 mg/(g·min),而15 mm 厚的樣品最大干燥速率則是36.3 mg/(g·min)。這表明,在樣品厚度變薄的情況下,單位質(zhì)量的污泥樣品空氣的接觸表面積隨之增大,干燥速率亦增大。
在相同的熱風(fēng)溫度條件下,單位傳熱面積的污泥接收到的熱量是一樣的,但是一部分的熱量傳達(dá)到了污泥內(nèi)部,厚度大的污泥樣品質(zhì)量較大,內(nèi)部的溫度梯度也較大,因此需要傳入污泥樣品內(nèi)部的熱量也需要大于厚度較薄的污泥樣品,即實(shí)際用于蒸發(fā)水分的熱量需要小于厚度較小的污泥樣品。同時(shí),污泥本身特質(zhì)就是多孔介質(zhì)的,厚度越小,熱空氣越容易將污泥樣品的平均溫度升高,污泥樣品內(nèi)的水分向固體接觸面擴(kuò)散需要克制的內(nèi)部阻力也變小,擴(kuò)散速率加速,水分就越容易從內(nèi)至外遷移,干燥速率隨之升高,最終干化需要的時(shí)長(zhǎng)也跟著減少。
2.2.1 熱風(fēng)溫度對(duì)消化沼渣干燥的影響
SS1在熱風(fēng)流速4 m/s、樣品厚度10 mm、不同熱風(fēng)溫度的對(duì)流干燥情況下,其濕分比和干燥速率的變化情況如圖7 和圖8 所示。
從圖7 可知,與脫水污泥SS0試驗(yàn)結(jié)果類似,隨著熱風(fēng)溫度的升高,SS1的濕分比斜率依次增大,即失重的速率依次增大,干燥所需時(shí)間也越短,但不成比例。80 ℃的曲線相對(duì)其他溫度較為平緩,干燥達(dá)到相同含水量需要的時(shí)間也最長(zhǎng)。而風(fēng)溫在140 ℃的條件下,SS1干燥至最終所需時(shí)間大致是85 min,而80 ℃條件下則需要約170 min,后者是前者所需時(shí)間的2 倍。風(fēng)溫為120 ℃和130 ℃時(shí),所需干燥時(shí)間幾乎一致。當(dāng)樣品SS1在初始含有水分、污泥種類及厚度相同的情況下,干燥的熱風(fēng)溫度升高,干燥達(dá)到終點(diǎn)的時(shí)長(zhǎng)也隨之變短,干燥速率加快。
圖 7 SS1 在不同熱風(fēng)溫度下的濕分比Fig. 7 Wet ratio of SS1 at different hot air temperatures
圖 8 SS1 在不同熱風(fēng)溫度下的干燥速率Fig. 8 Drying rate of SS1 at different hot air temperatures
同時(shí)將SS0與SS1在不同熱風(fēng)溫度下的濕分比圖作對(duì)比,風(fēng)溫在80 ℃的條件下,SS0需要的干燥時(shí)間是220 min,SS1需要的干燥時(shí)長(zhǎng)僅為170 min。從干燥時(shí)間來(lái)看,SS1的干燥時(shí)間明顯小于SS0的干燥時(shí)間。
圖8 為在不同熱風(fēng)溫度條件下SS1的干燥速率隨干燥時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)圖。對(duì)比圖中的5 個(gè)熱風(fēng)溫度可知,當(dāng)熱風(fēng)溫度在80 ℃和100 ℃時(shí),干燥速率趨勢(shì)相對(duì)平緩,先上升至最高干燥速率85.9 mg/(g·min)和101.7 mg/(g·min),然后進(jìn)入降速干燥階段;在溫度為120,130,140 ℃的工況下,可以看到干化速率的變化幅度較大,最大干燥速率依次為142.5,151.3,156.2 mg/(g·min)。這表明,熱風(fēng)溫度升高,初始干燥速率達(dá)到最高的數(shù)值隨之增大;140 ℃和80 ℃的最大干燥速率數(shù)值相差甚多。當(dāng)熱風(fēng)溫度由80 ℃上升達(dá)到140 ℃時(shí),最大干燥速率增大180%。
在不同熱風(fēng)溫度下,將SS0與SS1的干燥速率趨勢(shì)作對(duì)比,例如在風(fēng)溫140 ℃條件下,SS0的最大干燥速率為98.6 mg/(g·min),而SS1的最大干燥速率是156.2 mg/(g·min)。再結(jié)合濕分比圖來(lái)看,在不同的熱風(fēng)溫度下,SS1的干燥效率明顯高于SS0,沼渣相對(duì)于脫水污泥的水分更容易被脫除,效率更高。這是因?yàn)榻?jīng)過高級(jí)厭氧消化后,污泥內(nèi)部的細(xì)胞膜被破壞,使內(nèi)部結(jié)合水釋放出來(lái)變成了更易去除的自由水,導(dǎo)致SS1的水分增大,揮發(fā)分變小,使其水分更容易揮發(fā)。2.2.2 熱風(fēng)流速對(duì)消化沼渣干燥的影響
圖9 和圖10 給出了SS1在不同的熱風(fēng)流速條件下,熱風(fēng)溫度為120 ℃、樣品厚度為10 mm時(shí),其濕分比及干燥速率的變化趨勢(shì)。熱風(fēng)流速在2~6 m/s 范圍內(nèi),風(fēng)速逐漸升高,干燥速率隨之增大,干燥時(shí)間減少。在風(fēng)速2 m/s 工況下,最終干燥需要的時(shí)間大約是120 min;在風(fēng)速4 m/s時(shí),所需干燥時(shí)間則縮短為105 min;而 在風(fēng)速6 m/s 時(shí),干燥時(shí)間縮短至80 min。熱風(fēng)流速每降低2 m/s,干燥時(shí)長(zhǎng)分別增加31.3%和50%。
圖 9 SS1 在不同熱風(fēng)流速下的濕分比Fig.9 Wet ratio of SS1 at different hot air flow rates
圖 10 SS1 在不同熱風(fēng)流速下的干燥速率Fig.10 Drying rate of SS1 at different hot air flow rates
由圖10 可知,最大干燥速率會(huì)隨著熱風(fēng)流速的上升而增大,分別為119.8,142.5,486.2 mg/(g·min)。薄層污泥樣品都是單面?zhèn)髻|(zhì),且與空氣接觸的表面積相同,風(fēng)速越大,越有利于污泥與熱風(fēng)進(jìn)行質(zhì)熱交換。
將SS0與SS1在不同熱風(fēng)溫度下的濕分比圖作對(duì)比,在風(fēng)速為2 m/s 的工況下,SS0,SS1所需的干燥時(shí)間分別為180 min 和120 min;在熱風(fēng)流速為6 m/s 的工況下,SS0,SS1所需的干燥時(shí)間分別為110 min 和80 min。從干燥時(shí)間來(lái)看,不同熱風(fēng)流速條件下,SS1的干燥時(shí)間明顯小于SS0的干燥時(shí)間。再將SS0與SS1在不同干化溫度下的干燥速率趨勢(shì)圖作對(duì)比,SS0的最大干燥速率分別為47.1,64.3,80.7 mg/(g·min),SS1的最大干燥速率分別為119.8,142.5,486.2 mg/(g·min)。對(duì)比之下,明顯看到SS1的最大干燥速率都高于SS0的最大干燥速率。最后再結(jié)合濕分比圖來(lái)看,在不同的熱風(fēng)風(fēng)速工況下,SS1的干燥效率明顯高于SS0。同理,污泥經(jīng)高級(jí)厭氧消化產(chǎn)生的沼渣,其自身的特性相對(duì)于脫水污泥已經(jīng)發(fā)生了變化,如活化能小于脫水污泥,所以在相同的工況下,SS1的干燥效率高于SS0。
2.2.3 樣品厚度對(duì)消化沼渣干燥的影響
圖11 和圖12 給出了SS1在不同樣品厚度工況下、熱風(fēng)溫度為120 ℃、熱風(fēng)流速為2 m/s 時(shí),其濕分比及干化速率的變化情況。
圖 11 SS1 在不同樣品厚度下的濕分比Fig.11 Wet ratio of SS1 at different samples thicknesses
圖 12 SS1 在不同樣品厚度下的干燥速率Fig.12 Drying rate of SS1 at different sample thicknesses
如圖11 可見,隨著樣品厚度變薄,SS1的濕分比下降速率明顯。5 mm 的樣品干燥需要的時(shí)長(zhǎng)大約是65 min,15 mm 厚度的樣品干燥時(shí)間約是190 min,后者的干燥時(shí)間是前者的2.92倍。同時(shí)就圖12 中干燥速率方面而言,樣品SS1的厚度逐漸增大,干燥速率隨之減少,樣品在5 mm 厚度下的最大干燥速率是170.8 mg/(g·min),而15 mm厚的樣品干燥速率最高達(dá)到91.8 mg/(g·min)。這表明,污泥沼渣樣品的厚度越小,單位質(zhì)量的沼渣樣品接觸空氣的表面積就越大,干燥速率也就越大,試驗(yàn)結(jié)果與SS0類似。
將SS0與SS1在不同熱風(fēng)溫度下的濕分比圖作對(duì)比,在樣品厚度為5 mm 的條件下,SS0干燥至最終所需時(shí)間大致是85 min,而SS1干燥所需總時(shí)長(zhǎng)大致為65 min;在樣品厚度為15 mm 的條件下,SS0所需的干燥時(shí)長(zhǎng)是250 min,而SS1所需的干燥時(shí)間為190 min。從干燥時(shí)間來(lái)看,SS1的干燥時(shí)間在不同樣品厚度下依舊明顯小于SS0的干燥時(shí)長(zhǎng)。再將SS0與SS1在不同樣品厚度下的干燥速率圖作對(duì)比,樣品SS0厚度為5 mm 后的最大干燥速率為88.2 mg/(g·min),15 mm 厚的樣品SS0最大干燥速率為36.3 mg/(g·min);樣品SS1厚度為5 mm 的最大干燥速率為170.8 mg/(g·min),15 mm 厚的樣品最大干燥速率為91.8 mg/(g·min)。對(duì)比之下,明顯看到SS1的最大干燥速率都高于SS0的最大干燥速率。在實(shí)際工廠生產(chǎn)和工藝中,可考慮將污泥先經(jīng)過厭氧消化之后,再通過干化手段來(lái)減量,可大大縮短干化時(shí)間,減少干化成本。
本文對(duì)脫水污泥樣品SS0及高級(jí)厭氧消化污泥沼渣SS1進(jìn)行對(duì)流干燥實(shí)驗(yàn),并從樣品干燥過程中主要影響干燥效率的熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流速及樣品厚度的干燥特點(diǎn)進(jìn)行探究分析,得出以下結(jié)論:
a. 結(jié)合SS0和SS1自身的特性,可以發(fā)現(xiàn):污泥經(jīng)高級(jí)厭氧消化后產(chǎn)生的沼渣,其內(nèi)部的部分細(xì)胞膜被破壞,使內(nèi)部結(jié)合水釋放出來(lái)變成了更易去除的自由水;污泥經(jīng)高級(jí)厭氧消化后降低了自身的活化能,活化能越小,其干燥阻力越小。在實(shí)際工廠生產(chǎn)和工藝中,可考慮將污泥先經(jīng)過高級(jí)厭氧消化后,再通過干化手段來(lái)減量,可大大縮短干化時(shí)間,減少干化成本。
b. 不論污泥樣品的干燥實(shí)驗(yàn)工況和種類如何,干燥過程的基本規(guī)律都基本相似,按主要曲線規(guī)律可劃分為兩個(gè)階段:升速階段和降速階段。在對(duì)流干燥過程中,熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速和樣品厚度是能夠作用導(dǎo)致干燥效果有所改變的幾個(gè)重要要素。