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污泥經(jīng)過干燥后，不僅可顯著減少體積，而且能夠明顯地減少臭味、病原菌、黏度等負面特性，干燥后的污泥更是具有多方面的用途。因此，干燥是污泥實現(xiàn)減量化、無害化和資源化處理的關(guān)鍵一步。由于污泥干燥是能量凈支出的過程，能耗的費用占整體干燥運行成本的80%左右，減少污泥干燥能耗可以有效降低干燥運行成本。選擇合適的熱源和干燥工藝是減少能耗的兩種主要途徑，選用熱電廠或垃圾發(fā)電廠排放的煙氣余熱作為熱源，可以在不增加新能源的情況下干燥污泥，從而大大減小污泥干燥的運行成本；另外通過一定的工藝減小污泥顆粒可以提高污泥干燥的效率。

經(jīng)過機械脫水的污水處理廠污泥含水質(zhì)量分數(shù)仍然高達70%以上，而且富含有機質(zhì)和具有高黏性，這些特性區(qū)別于普通的化工物料。除利用返混降低污泥含水質(zhì)量分數(shù)和黏性的工藝外，一般污泥在干燥時都呈直徑達數(shù)厘米以上的團粒狀，直至含水質(zhì)量分數(shù)降到一定程度后才會被進一步分散，這樣直接影響了污泥干燥的效率。Coackley等對污泥中的水分和污泥的干燥特性進行了實驗研究，初步了解了污泥含水質(zhì)量分數(shù)與干燥之間的相互聯(lián)系，并研究了污泥干燥過程中表觀形態(tài)的變化與水分析出的特性。然而，對于在低溫條件下污泥干燥熱量平衡與污水污泥顆粒大小之間的關(guān)系還不清楚，而這正是直接影響污泥干燥效率的因素。本文模擬在煙氣余熱溫度下，通過恒溫干燥實驗，研究了不同污泥顆粒在干燥過程中，含水質(zhì)量分數(shù)與干燥速率和干燥時間的變化趨勢，分析了溫度和顆粒大小對污泥干燥過程的影響，為低溫污泥干燥提供了理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

本次研究的污泥樣品來自浙江省桐鄉(xiāng)市污水處理廠經(jīng)過機械脫水后的新鮮污泥（污泥的相關(guān)理化性質(zhì)見下表：

表中w(H₂O)、w(OC)、w(OM)、w(S)、w(P)分別為污泥中水分、有機炭、有機質(zhì)、硫和磷的質(zhì)量分數(shù)，D為平均粒徑，q為濕污泥的密度。

重金屬的質(zhì)量分數(shù)見下表：

分別稱取1.0±0.05、2.5±0.05、5.0±0.1、10.0±0.1g的濕污泥，將其制成球狀，分別置于100、120、140、160、180、200℃（濕球溫度分別為48、52、56、60、64、68℃）的溫度下（風速均為0），進行恒溫干燥實驗，每隔6min稱量其質(zhì)量，直到恒重為止。一般工業(yè)鍋爐的排煙溫度為120～150℃，熱電廠鍋爐或垃圾發(fā)電廠鍋爐的實際排煙溫度略高，但是由于煙溫每升高10～20℃，鍋爐熱效率會降低1%左右，實際的煙氣溫度一般在100～200℃。

由于在確定不同污泥顆粒的干燥速率時，需要污泥的表面積參數(shù)，而實驗中污泥的表面積是無法實時測量的，并且在100～200℃時污泥有少量的有機物分解，因此在計算表面積時，假設(shè)原始污泥顆粒內(nèi)部水分均勻分布，污泥內(nèi)部各點的物性，如熱導率、密度和比熱容等都相等，且污泥在干燥過程中進行等比收縮，形狀保持球形不變，無裂紋產(chǎn)生，這樣可以通過污泥體積推算其表面積。污泥的體積近似等于水的體積和干污泥的體積之和，其計算公式如下：

V=Vw+Vd=mw/qw+md/qd

式中：V、Vw、Vd分別為污泥、污泥中水分、污泥中干泥的體積；m、mw、md分別為污泥質(zhì)量、污泥中水分質(zhì)量、污泥中干泥質(zhì)量；qw、qd分別為水和干泥的密度，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，干泥密度為1.20×10³kg/m3。

實驗結(jié)果如下表所示：

表中θ為干燥溫度，W_Loss為失重率。從上表可以看出，在100℃時，污泥的失重率等于其含水質(zhì)量分數(shù)，而在120～200℃時，失重率僅略大于含水質(zhì)量分數(shù)，200℃時的失重率為71.13%，也與含水質(zhì)量分數(shù)僅差1.52%，為便于比較，假設(shè)100～200℃時含水質(zhì)量分數(shù)等于失重率，即約為70%。

2 實驗結(jié)果

下表給出了表征試驗污泥顆粒性狀的有關(guān)參數(shù)。

表中，S為污泥顆粒表面積，r為半徑。表中的質(zhì)量和污泥體積為140℃污泥干燥時3組實測數(shù)據(jù)的平均值，表面積和污泥半徑是假設(shè)污泥為球形時的計算值。

在給定溫度下，不同大小的污泥顆粒含水質(zhì)量隨干燥時間出現(xiàn)變化。在100～200℃時，污泥含水質(zhì)量分數(shù)從70%降到40%（半干化）或0（全干化）的所需時間隨著溫度的升高或污泥顆粒的減小而減小，例如10g污泥顆粒的全干化時間在100℃時為450min，到200℃時降到108min，而同樣在100℃下1g污泥的全干化時間為120min。

在不同溫度下，不同顆粒的污泥干燥速率隨含水質(zhì)量分數(shù)出現(xiàn)變化。污泥的干燥速率隨著溫度的升高或污泥顆粒的減小而變大，且所有的干燥曲線和干燥速率曲線趨勢是相同的，分別經(jīng)歷不穩(wěn)定加熱階段、恒速干燥階段、 降速干燥階段和第二降速干燥階段4個階段。由于不穩(wěn)定加熱階段的時間非常短，在討論時將其一并計入恒速干燥階段，并將恒速干燥階段結(jié)束時的含水質(zhì)量分數(shù)稱為臨界含水質(zhì)量分數(shù)， 降速干燥階段結(jié)束時的含水質(zhì)量分數(shù)稱為第二臨界含水質(zhì)量分數(shù)。

3 討論

3.1 污泥干燥過程的變化ZZ

從實驗結(jié)果中可以看出，污泥干燥過程中恒速干燥階段占總干燥時間的33%～50%，但是這個階段失去的水分卻占污泥總水分的50%～80%，因此恒速干燥階段是污泥干燥的主要階段?？傮w來說，當干燥溫度升高或污泥顆粒變大時污泥的臨界含水質(zhì)量分數(shù)變大，恒速干燥階段失去的水分比例減小。但在100和120℃時，臨界含水質(zhì)量分數(shù)保持在35%左右，不受溫度和顆粒大小的影響。從140℃開始，當污泥顆粒大小相同時，污泥臨界含水質(zhì)量分數(shù)隨干燥溫度的升高而變大。例如10g污泥在140℃時的臨界含水質(zhì)量分數(shù)為44%，在200℃時增加到53%；當干燥溫度相同時，污泥臨界含水質(zhì)量分數(shù)隨顆粒的變大而變大，例如在180℃下1.0、2.5、5.0、10.0g污泥顆粒的臨界含水質(zhì)量分數(shù)分別為43%、44%、46%、48%。

降速干燥階段占總干燥時間的0.50～0.67，然而這個階段失去的水分僅占總水分的0.20～0.50，并且第二降速干燥階段所占的比例隨著溫度升高或顆粒變大而逐漸增大，第二臨界含水質(zhì)量分數(shù)在100～120℃時僅為5%左右，而到180～200℃時，已增加到20%～30%。

根據(jù)Fick擴散定律，水分在物料中的分布呈拋物線型，實際污泥干燥時由于表面干燥速率不同，污泥內(nèi)部水分分布情況也是不同的，主要有兩種類型，即均衡分布型與不均衡分布型。當干燥強度較弱時，表面水分蒸發(fā)速率小于污泥內(nèi)部向表面?zhèn)鬟f速率，因此在包括預熱的恒速干燥階段，污泥表面和內(nèi)部的水分飽和度整體均衡下降，污泥內(nèi)部水分屬于均衡分布型。直至當表面水分達到臨界飽和度時，內(nèi)部水分也接近臨界飽和度，如再干燥則無法保持表面的整體濕潤，污泥顆粒表面將出現(xiàn)干區(qū)，此時的含水質(zhì)量分數(shù)即為臨界含水質(zhì)量分數(shù)；均衡分布型的特點是，在整個干燥過程中污泥顆粒內(nèi)部的含水質(zhì)量分數(shù)和表面的含水質(zhì)量分數(shù)相差很小，因此外界條件對臨界含水質(zhì)量分數(shù)和降速轉(zhuǎn)折點含水質(zhì)量分數(shù)的影響也很小，如實驗中100和120℃時的干燥特性。當污泥的干燥速率大于一定值時，污泥內(nèi)部水分向表面的傳遞速率小于表面水分蒸發(fā)速率，因此在整個過程中污泥近表面的水分飽和度遠小于內(nèi)部的水分飽和度，污泥內(nèi)部水分屬于不均衡分布型，并且溫度增大和顆粒變大將加劇這種情況，因此在140℃以后，臨界含水質(zhì)量分數(shù)和第二臨界含水質(zhì)量分數(shù)均隨溫度升高及污泥顆粒增大而增大。

3.2 顆粒大小和干燥溫度對干燥速率的影響

污泥的干燥速率隨溫度的升高或污泥顆粒的減小而增大。100～160℃時，各顆粒污泥的干燥速率隨著干燥溫度的增加而平緩增加，說明此時溫度對干燥速率的影響相對是比較平均的；而在180～200℃時，小污泥顆粒（1.0和2.5g）的干燥速率明顯加快，說明此時溫度對小顆粒污泥的影響更加明顯。結(jié)果說明，減小污泥顆?？梢栽谠龃蟊缺砻娣e的同時提高其干燥速率，例如：10g污泥顆粒的干燥速率從100℃時的1.4mg/（c㎡ min）增加到120℃時的2.0mg/（c㎡ min），而10g污泥顆粒與1.0g污泥顆粒相比較，同樣在100℃，可以將干燥速率提升到2.3mg/（c㎡ min），也就是說污泥顆粒減小，即將污泥顆粒從10g減小到1.0g，比干燥溫度提高20℃更有利于提高污泥干燥效率。

在同樣的干燥溫度下，減小污泥顆粒可以提高干燥速率，說明污泥的干燥速率并不僅僅取決于干燥溫度，否在在同一溫度下不同大小的污泥顆粒在恒速干燥階段的干燥速率應(yīng)該是相同的。污泥顆粒表面單位面積得到的實際用于蒸發(fā)水分的熱量決定了污泥的干燥速率。干燥過程是傳熱和傳質(zhì)的矛盾體，熱量由外向內(nèi)傳遞形成的溫度梯度和水分由內(nèi)向外傳遞形成的濕度梯度相互制約，當熱量傳遞和水分蒸發(fā)達到一定平衡時，污泥干燥便進入了恒速干燥階段。此時，干燥介質(zhì)向單位面積的污泥表面?zhèn)鬟f的熱量是相同的，其中部分熱量又傳到了污泥內(nèi)部，由于大污泥顆粒單位表面積占有的質(zhì)量大于小顆粒，而溫度梯度大于小污泥顆粒的溫度梯度，大污泥顆粒表面?zhèn)魅雰?nèi)部的熱量大于小污泥顆粒，實際用于蒸發(fā)水分的熱量小于小污泥顆粒，因此表面干燥速率也小于小污泥顆粒。

3.3 溫度對干燥時間的影響

干燥溫度越高，污泥顆粒達到相同含水質(zhì)量分數(shù)所需的干燥時間越短，而且通過對干燥時間和溫度的分析，發(fā)現(xiàn)相同污泥顆粒在不同溫度下的干燥時間具有一定的比例關(guān)系。

以5g污泥顆粒的干燥過程為例，假設(shè)間歇干燥實驗中的單位時間間隔內(nèi)干燥速率是一定的，利用差值法計算出干燥到含水質(zhì)量分數(shù)分別為65%、60%、50%、40%、30%、20%、10%時所需的時間，并將100℃時的干燥時間作為基準值，各溫度干燥時間與基準值的比值為P。結(jié)果顯示：

（1）隨著干燥溫度的升高，每升高20℃干燥時間差值逐漸減小，以達到含水質(zhì)量分數(shù)40%為例，100和120℃時的干燥時間差值僅為6.3min。

（2）各溫度下的干燥時間具有一定的比例關(guān)系，例如120℃時的干燥時間為100℃時的77%左右，而200℃時的干燥時間為100℃時的30%左右。

通過對各污泥顆粒干燥時間平均比例與干燥溫度之間的關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，二者之間均呈現(xiàn)二次方關(guān)系。但是各個顆粒的關(guān)系式存在差異，說明干燥時間與污泥的顆粒大小間也具有一定的關(guān)系。

3.4 污泥顆粒大小與干燥時間的關(guān)系

以干燥溫度為140℃為例，以10.0g污泥的干燥時間作為基準值求出P?？梢园l(fā)現(xiàn)，相同污泥顆粒的干燥時間與顆粒表面積呈線性關(guān)系，當干燥溫度不同時，污泥顆粒與表面積之間的關(guān)系式存在一定的差異，這進一步說明了污泥顆粒大小對干燥時間的影響；另外，100和120℃的線性方程非常接近，其他4各溫度的線性方程比較接近，這與污泥干燥過程中弱干燥強度和強干燥強度的兩種情況是相對應(yīng)的。

3.5 煙氣濕度及速度對實驗結(jié)果的影響

本文探討了溫度對污泥干燥過程的影響，前提是假設(shè)煙氣的氣速和溫度不變，但是在實際干燥工程中煙氣速度和濕度也會影響干燥速率。江陰康順污泥處理廠的數(shù)據(jù)顯示，該熱電廠煙氣溫度均為155℃，煙氣體積流量為13.5萬m3/h，相對濕度為8%～10%，20℃下實驗室的相對濕度為75%～80%，加熱到155℃時的相對濕度僅1%～1.27%?？梢?，實際煙氣的相對濕度略大于實驗空氣濕度，因此在實際工程中其干燥速率比實驗數(shù)據(jù)略小，但是干燥趨勢是相同的，上述實驗結(jié)果同樣適用于實際工程中的干燥過程。江陰工程中干燥其內(nèi)煙氣的速度達8～10m/s，其對干燥速率及干燥過程的影響仍需進一步研究。

4 結(jié)論

（1）污泥在100～120℃時，屬于弱干燥強度，污泥干燥過程中臨界含水質(zhì)量分數(shù)不受溫度和顆粒大小的影響；在120～200℃時，屬于強干燥強度，溫度升高或顆粒變大時臨界含水質(zhì)量分數(shù)增大，這是因為在弱干燥強度和強干燥強度下污泥內(nèi)部水分分布類型不同所致。

（2）污泥表面的干燥速率不是取決于干燥介質(zhì)的溫度，二是取決于污泥顆粒表面單位面積上實際用于蒸發(fā)水分的熱量。

（3）提高干燥溫度或減小污泥顆粒都可以提高干燥速率，減少干燥時間，但是減小顆粒大小可以更大幅度地提高干燥效率，因為減小污泥顆粒大小不僅提高了單位面積的干燥速率，而且增大了比表面積。

（4）干燥溫度與干燥時間呈二次方關(guān)系，污泥顆粒的表面積與干燥時間呈線性關(guān)系。