干燥百科:污水污泥干燥过程中表观形态变化及水分析出特性

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科学基金项目（ No101014）和沈阳市科学技术计划项目引言未经处理的原始污泥含水率高达95以上，原始污泥经机械脱水处理后可使含水率降至70 80，要进一步降低污泥的含水率，必须对污泥进行干燥处理。干燥后的污泥不但大大降低了其庞大的体积和高度渗透性，也有利于堆肥、填埋或焚烧处理污泥在干燥过程中的表观形态的变化直接影响干燥过程中的热质传递特性，进而影响干燥装置的设计与运行，因此对污泥干燥过程中表观形态特性的研究具有重要的理论意义和实用价值。目前有关方面的研究还没有专门的论述。本文主要研究3种形状污泥干燥过程中表观形态（表观体积、孔隙率）的变化特性。

1实验装置与物料实验装置实验装置如图1所示。污泥试样3放置于电热鼓风干燥箱2内，动态电子天平1实时测定污泥的质量，污泥的表观形态由图像采集系统（由放大镜、CCD、图像采集卡和计算机组成）采集。

实验物料污泥取自沈阳市北部污水处理厂，含水率为 3.实验物料参数见表污泥的孔隙率设初始时污泥内孔隙完全被水分占据，孔隙率为0.在干燥过程中污泥内水分蒸发产生孔隙，同时污泥体积也在减小，可得水式中V为任一时刻污泥的体积， cm水为任一时刻污泥失去水的体积， cm为物料的初始体积， cmE为任一时刻污泥的孔隙率。

2实验结果及分析球状污泥的干燥过程表观形态及水分析出特性污泥干燥开始时，表面呈光滑亮泽状态，如图污泥的表面逐渐粗糙，失去光泽，且有裂纹出现，体积开始变化，如图2中20 min图片。从图3的水分析出速率曲线来看，前20 min水分析出速率变化很大，水分析出速率快速升高至0 gmin这一阶段主要是污泥表面水分的蒸发，基本没有内层水分的迁移和体积的收缩，如图4.孔隙率的变化是污泥球内蒸发掉水分所占的体积和污泥表观体积共同作用、相互影响的结果。从图5孔隙率曲线变化趋势来看可将其分为3个阶段，**阶段由于上述污泥球表面水分蒸发逐渐加快，之后留下一些小的孔隙，以及体积变化很小的结果，使得**阶段污泥球的孔隙率逐渐增大，呈上升趋势。

随着外层水分的蒸发和热量的向内部传递，污泥球内部温度逐渐升高，内层水分因为扩散机理和毛细管机理，逐渐向外层转移。但由于外干燥层的逐渐增厚会阻碍水分的向外扩散和迁移，所以内部水分蒸发较外层的慢，污泥球的水分析出速率逐渐减小，如图3水分析出速率变化曲线。污泥的组成成分较复杂，既含有无机物，又含有大量的有机物，水分蒸发后无机物间留有空隙，有机物中由于含有某些纤维性物质，在失去水分后会发生弹性收缩，使相邻的无机物间空隙压缩减小，逐渐出现收缩、裂纹和坍塌现象，如图2中150 min图片。体积也随之减小，从体积变化曲线可看出，至225 min左右体积已减至18198 cm 3，约是初始体积的015倍。图5中孔隙率变化的第二阶段数据有略微下降的趋势，说明污泥球体积变化速率大于水分散失速率。可见，污泥干燥的减量、减容的效果明显。

到干燥的后期，污泥球内部的水分已经很少，外部的干燥层又逐渐增厚且致密，使得水分扩散很难，见图2中325 min图片。而且污泥内的有机纤维物收缩力已达到极限，此时只有内部水分的迁移和扩散。所以水分析出速率降得更低，体积收缩到3，如图2和图3.而孔隙率却因体积基本不变和仍有少量水分蒸发的共同作用进入第三阶段，呈现上升趋势至*大值40 ，直至污泥球内部水分完全蒸发掉为止。这时污泥球内部留有孔隙，而且整体的强度不大。

化工学报污泥形状对表观形态及水分析出特性的影响21对水分析出速率的影响饼状污泥的干燥与球状污泥干燥的水分析出速率变化趋势一致，只是饼状污泥外层水分汽化快，水分析出速率较球状污泥大。从表1可见，饼状污泥和球状污泥的初始质量相近，污泥的来源也一样，所以初始体积相近。主要不同之处在于表面积不相同，表面积越大，表面的附着水分越多，与热空气接触后蒸发量越大，单位时间的水分析出量越大，用时越少。饼状污泥的初始表面积为177 cm除了表面积影响水分析出速率外，不同形状污泥干燥时周围的热空气流场有很大变化，干燥的热气流从干燥箱下部进入，造成饼状污泥的上半部低温区较大。如果能把薄饼竖起来，薄饼的水分析出速率会进一步提高。由于污泥含水率较大，泥饼又薄，用物体固定又会影响污泥表面的受热均匀，不便竖起放置。根据实验数据及图3和图6曲线得出，饼状与球状污泥的水分析出速率比值是14 12对体积变化的影响由于饼状污泥体表比小，相对球状污泥来说，内部水分向表面扩散的路径短，所以当外层水分汽化时，内部水分也同时明显地向外层迁移和扩散，所以污泥成分中的有机纤维物质收缩引起整个污泥体积一直在减小。如图7体积变化曲线，没有图4中球状污泥初始体积变化很小的阶段，而直接达到体积收缩状态。且污泥饼干燥180 min后就基本没有体积变化，而球状污泥要250 min左右才没有明显收缩，干燥效率明显高于球状污泥，*终体积也明显小于球状污泥。另外，从图9中/饼状干燥终了0图片来看，因为干燥收缩主要表现在径向这个平面上，所以对于因水分扩散引起的内部应力变化，在饼状污泥干燥过程中体现得较明显，这种现象有利于研究水分析出的动力学及对污泥产生的应力变化，初步分析是液体扩散的传质推动力作用使水分析出，以及某些纤维物质弹性收缩共同作用的结果。

13对孔隙率变化的影响相应于饼状污泥水分析出速率和体积变化曲线，图8孔隙率前期变化李爱民等：污水污泥干燥过程中表观形态变化及水分析出特性一直在增大，直至37 ，和球状污泥末期孔隙率一样，说明饼状污泥较球状污泥的减容减量效率高。后期污泥饼的孔隙率变化没有图5污泥球的明显，下降和上升的趋势大体一致，但在数值上没有太大变化。

柱状污泥干燥研究柱状污泥干燥约20 min出现较大裂纹，至100 min完全在径向开裂成两半，见图9中20 min和100 min柱状图片。从图10水分析出速率曲线来看，柱状污泥因干燥开裂表面积增大，水分析出速率也一直较大，下降趋势同饼状、球状相比不明显。因其开裂不规则，其他数据无法记录。但从图9中/干燥终了时0图片看，柱状污泥干燥在高度方向的收缩较径向明显。

污泥体积收缩速率为了研究污泥干燥过程中水分散失及物料本身体积收缩的速率变化规律，引入体积收缩系数式中V是物料的体积， a是物料的干基含水率，是物料的体积收缩系数。

积收缩数系数随干基含水率变化曲线。从其变化趋势看出，球状和饼状污泥在干燥过程中的体积变化很复杂，体积收缩系数在不同的阶段呈现不同的变化趋势。球状污泥在初始阶段收缩不很明显，约20 min表层水分汽化基本完成，含水率降为70，即干基含水率为，之后体积收缩系数在0 5之间变化，收缩很不稳定。这是由于污泥正处于内层水分向外层迁移和扩散，同时有机物成分中某些纤维物质因失去水分产生收缩的阶段，导致污泥逐渐出现裂纹和坍塌。当含水率降为40，即干基含水率为0167时，污泥球的体积收缩较稳定，收缩系数降为015，此时干燥处于末期，收缩基本停止，只剩下少量水分的扩散蒸发。可见，球状污泥干燥过程中体积收缩系数变化的机理与表观形态变化的机理一致。图12中饼状污泥收缩系数变化*复杂的阶段是初始阶段，其范围也是在化工学报0 5之间，但当含水率降为63，即干基含水率为时，饼状污泥的体积收缩就达到了稳定状态，收缩系数从0逐渐减小至0.

3结论（ 1）污泥的干燥从表面光滑、亮泽状态逐渐变得粗糙、暗淡。随着内层水分的迁移和扩散，污泥会产生裂纹，并有收缩、结团现象。

（ 2）污泥的水分析出速率、体积、孔隙率变化相互联系。初始阶段主要是表层水分的汽化，表观体积无明显变化，但随着水分析出速率增大，孔隙率呈上升趋势。整个干燥过程中可将孔隙率变化分为3个阶段，*后污泥的孔隙率达到*大值为（ 3）通过其他形状污泥和球状污泥干燥的对比分析，得出污泥干燥的体表比和其表层水分析出速率的*大值呈反比。且饼状污泥的体积和孔隙率变化与球状也有所不同，饼状污泥孔隙率在**阶段很快达到*大值37，以后变化不明显。

（ 4）体积收缩系数同含水率、体表比有关，它的变化机理与污泥表观形态和水分析出机理一致。

污泥在干燥过程中的体积收缩系数有个变化很不稳定的阶段，在该阶段内，体积收缩系数在0 5之间变化。

李爱民等：污水污泥干燥过程中表观形态变化及水分析出特性