回转式污泥干化过程的试验研究及特性曲线拟合*

肖文平，龚惠娟，王巧玲，陈泽智

（1.污染控制与资源化研究国家重点实验室南京大学环境学院，江苏 南京 210046；2.南京大学现代分析中心，江苏 南京 210093）

回转式污泥干化过程的试验研究及特性曲线拟合*

肖文平1，龚惠娟2，王巧玲1，陈泽智1

（1.污染控制与资源化研究国家重点实验室南京大学环境学院，江苏 南京 210046；2.南京大学现代分析中心，江苏 南京 210093）

对回转式污泥干化过程进行试验研究，从污泥颗粒粒径、干燥介质温度和干污泥返混3个因素，探讨对污泥干化过程的影响。结果表明：当污泥粒径越小时，干化速率越快；污泥粒径相同时，干燥介质温度越高，污泥干化速率越大；当干污泥返混率大于30%时，污泥干化所需要的时间明显缩短。同时对干化过程特性进行曲线拟合，引入Growth/Sigmoidal函数数学模型，得到了较好的拟合结果。

回转式污泥干化；干化特性；Growth/Sigmoidal模型；曲线拟合

目前，污泥处置主要有填埋、堆肥和焚烧3种方法。其中，填埋和堆肥因占用土地较多和易产生二次污染等问题，无法满足日益严格的城市污泥处置要求［1-2］。对污泥焚烧处理后填埋或制砖等，不但可充分发挥污泥含有大量可燃性物质的特点，而且很好地达到减量化、无害化、资源化的污泥处理处置目标。然而，污泥焚烧的主要问题在于，其含水率普遍高达95%，即使经过机械脱水，其含水率也高达80%，无法直接焚烧，必须先对污泥进行有效地干化。

污泥焚烧在日本和欧洲广为应用，其干化技术也比较成熟，主要的干化技术是流化床干燥工艺、盘式干燥工艺、转鼓干化工艺等［3］。目前，在国外较成熟的技术基础上，国内开展了大量污泥干化方面的研究，如姜瑞勋等对污泥采用薄层干燥方式进行脱水研究［4］，侯凤云等以河沙为干燥介质的鼓泡流化床干燥实验研究［5］，在实际工程中除了流化床干燥工艺，其他工艺鲜有报道。笔者对回转式污泥干化过程进行试验研究，选择污泥颗粒粒径、干燥介质温度和干污泥返混3个因素探讨对污泥干化过程的影响，同时对干化过程特性进行曲线拟合，得到了较好的拟合结果。

1 材料与方法

1.1 试验材料

脱水污泥取自某污水处理厂脱水污泥，颗粒较细，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%、有机物81.81%。

1.2 试验装置与方法

试验将污泥制成粒径分别为0.9、1.5、3.0 cm的球粒，回转炉温度分别控制在160、200、240、280℃，将3种粒径的污泥球粒分别在上述4种温度条件下干化，每隔10 min测定其含水率，得到不同条件下的干化曲线。

本试验中还采用了类珍珠工艺，即将干化后的部分污泥返混，在预处理装置中混合搅拌均匀，试验中干污泥返混的比例分别为20%、30%、40%和50%，按上述实验步骤，得到干化曲线。

2 结果与讨论

2.1 不同粒径的污泥颗粒干化过程

图1～4分别为160、200、240、280℃下不同粒径的污泥干化曲线。如图所示，随着时间的推移，曲线的斜率逐渐变大，说明污泥内部水分随时间的变化越来越大，干燥过程处于速率开始逐渐加快阶段。相同温度下，污泥颗粒粒径越大，干燥曲线向右偏移，所需的干燥时间越长。

粒径较小的污泥颗粒的干化速率高于粒径较大的污泥颗粒，即粒径越小干燥过程的时间越短。温度越高，粒径大小对污泥干化速率的影响越大。160℃时，3种粒径污泥前30 min干化速率均为0.3 g/（g·min） 左右，之后粒径3.0 cm污泥干化速率增大为 0.64 g/（g·min），而粒径 1.5、0.9 cm 污泥干化速率增至 1.0、1.2 g/（g·min）。280℃时，3种粒径污泥干化速率相差较大，粒径3.0 cm污泥前30 min干化速率保持在3.0 g/（g·min），40 min 时降低至 0.59 g/（g·min），而 60 min 时又增至 1.73 g/（g·min），70 min 时继续增至 2.58 g/（g·min），且此时含水率已低于20%；粒径1.5 cm的污泥前30 min干化速率保持在1.0 g/（g·min），40～50 min 时增至 2.0 g/（g·min），此时含水降至20%；粒径0.9 cm污泥10 min时干化速率为 0.8 g/（g·min），20～30 min 时增至 2.0 g/（g·min），干化40 min后含水率已经降为11.9%。由于物料的干化特性为降速干燥，传质的主要阻力是内部扩散阻力，污泥的粒径对其影响较大，而且粒径越小，污泥汽化的比表面积就越大，从而大大加速了干化过程。

2.2 不同干化介质温度的污泥干化过程

在不同干化介质温度时，对污泥颗粒的干化曲线进行对比。图5～7分别为粒径3.0、1.5、0.9 cm污泥在不同干化介质温度的污泥干化曲线。如图所示，污泥的干化速率与干化介质温度成正比，温度越高，所需干化时间越短。污泥粒径较大时温度对干化速率的影响，其时间变化幅度远小于粒径较小的变化幅度，说明在试验范围内，干燥介质温度对污泥干化的影响受到污泥粒径的限制，污泥粒径越大影响越小，污泥粒径越小影响越大。

2.3 不同干污泥返混比例的污泥干化过程

干污泥返混就是通过将部分已干燥的产品和未处理的湿物料进行混合，以降低其黏性，提高污泥颗粒之间的透气性，提高干燥效率［6］。图8、9分别为200℃粒径0.9 cm污泥和240℃粒径1.5 cm污泥在不同干污泥返混比例下的污泥干化曲线。如图所示，干污泥返混率为20%时，污泥干化速率变化较小，当干污泥返混率达到30%以上时，污泥干化速率变化较大，所需的干化时间大大减少。200℃粒径0.9 cm污泥，返混干污泥0%时，污泥干化速率变化，10 min时0.5 g/（g·min），20 min 时 0.4 g/（g·min），30 min 时 0.8 g/（g·min），40 min 时 0.8 g/（g·min），50 min 时0.8 g/（g·min），60 min 时 1.3 g/（g·min），70 min 时 1.8 g/（g·min）， 80 min 时 1.2 g/（g·min），含水率已经降到13.18%；返混干污泥20%时，污泥干化速率没有显著变化；返混干污泥30%时，污泥干化速率变化，10 min时0.8 g/（g·min），20 min 时 0.8 g/（g·min），30 min 时 0.7 g/（g·min），40 min 时 0.7 g/（g·min），50 min 时1.0 g/（g·min），含水率已经降到 21.36%；返混干污泥40%时，污泥干化速率变化，10 min时0.7 g/（g·min），20 min 时 0.7 g/（g·min），30 min 时1.0 g/（g·min），40 min 时 0.8 g/（g·min），含水率已经降到20.63%；返混干污泥50%时，污泥干化速率变化，10 min 时 0.7 g/（g·min），20 min时 1.0 g/（g·min），30 min 时 0.9 g/（g·min），含水率已经降到17.95%。

3 干化过程特性曲线拟合

引入一些常规干化模型如表1，对污泥干化曲线进行了拟合，结果表明拟合度普遍较低，表明本试验结果不适合这些常规干化模型，需要另外寻找合适的数学模型。

表1 常规干化模型

为此，引入Growth/Sigmoidal函数数学模型对污泥干化曲线进行拟合，该模型表达式为：

对在不同温度、不同污泥粒径条件下的试验数据进行拟合，得到污泥含水率与干燥时间的试验结果拟合曲线系数，如表2所示。

图10是对部分试验值和Growth/Sigmoidal拟合值进行对比，其数据基本上在斜率45°的直线周围，说明Growth/Sigmoidal模型较适于本试验中回转式污泥干化过程的模拟。

4 结论

1）污泥粒径越小，干化速率越快。当污泥粒径较小时，温度对干化速率才有较大的影响。因此在温度一定时，尽量分散污泥、减小颗粒粒径是提高干燥速率的最有效方法。

表2 污泥含水率与干燥时间的实验结果拟合曲线系数

2）通过干污泥返混能够减少污泥干化时间，特别是当污泥返混率在30%以上时污泥干化速率变化较大，对工程应用有较大意义。

3）污泥粒径相同时，干燥介质温度越高污泥干化速率越大。干燥介质温度在160、200℃时，对污泥干化影响较小；干燥介质温度在240、280℃时，对污泥干化影响较大。

4） Growth/Sigmoidal函数数学模型更适合回转式污泥干化过程，可用于预测不同含水率污泥的干化时间。

［1］张宁生，周强泰，芮新红.污泥的焚烧处理技术［J］.能源研究与利用，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，孙孝然.几种国外城市污水处理厂污泥干化技术及设备介绍［J］.给水排水，2004，30（6）：33-37.

［4］姜瑞勋，李爱民，王伟云.脱水污泥薄层干燥特性及动力学模型分析［J］.中国环境科学，2009，29（1）：22-25.

［5］侯凤云，吕清刚，那永洁，等.湿污泥颗粒的流化床干燥实验及模型［J］.过程工程学报，2007，7（4）：647-654.

［6］王钊.北京污水处理厂污泥干化处理工艺选择的探讨［J］.市政技术，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

江苏省环保厅环保科研课题（2009009）；南京大学分析测试基金

2011-02-22

肖文平 (1986—)，南京大学硕士研究生，主要从事固体废物处理处置技术研究。

E-mail:xiaowping@126.com。

（责任编辑：郑雯）