（环境工程专业论文）污泥粘壁影响因素实验探索及粘壁机理分析.pdf

摘要 污泥作为市政污水处理不可避免的副产物，给城市环境带来了越来越多的危 害。污泥产生量大，虽经压滤脱水，但由于其含水率高体积大，不仅给运输和处 置带来不便而且还导致了污泥处理处置的高成本。因此需要对污泥进行干化处理 以降低污泥含水率，减小污泥体积。然而在污泥热干化的过程中往往存在污泥粘 结在污泥干燥设备壁面上的现象，即污泥粘壁。由于污泥粘壁的存在，降低了污 泥干燥过程中热传递的效率，阻碍了污泥中水分的蒸发，也降低了污泥干燥的速 度，造成了能量的浪费，同时，污泥粘壁的存在还会影响污泥干燥设备的使用寿 命或对其直接造成破坏。 本文对不同的条件下污泥的含水率对污泥粘壁量的影响进行了实验研究，同 时探索了污泥的种类( 消化和未消化污泥) 、污泥干化方式( 直接热干化和间接 热干化) 、以及污泥热干化时采用的温度对污泥粘壁量的大小的影响。通过对实 验结果的分析，可得出如下规律： 污泥含水率是污泥干化过程中影响污泥粘壁量大小的最重要的因素。在干化 过程中污泥粘壁量大小的变化都有这样的规律，即：在热干化过程的初始阶段， 污泥的含水率较高，粘壁量较小，随着污泥含水率的逐渐降低，其粘壁量逐渐增 加，当含水率降低到6 0 左右时，污泥的粘壁量达到最大值。随着污泥含水率的 继续降低，污泥的粘壁量也随之降低。当污泥的含水率降低到3 0 附近时，污 泥的粘壁量已非常少； 污泥热干化加热温度对污泥粘壁量的影响具有很大的随机性，温度并不是决 定污泥热干化过程粘壁量大小的主要因素； 污泥种类可以对污泥热干化粘壁量的大小产生影响。未消化污泥在各种干燥 方式，不同的加热温度条件下，在干化的整个过程中的各个时刻的粘壁量均大于 消化污泥的粘壁量； 污泥热干化加热方式也可对污泥粘壁量的大小产生影响。采用间接加热方式 干化污泥时，污泥粘壁量较采用直接干化方式大。 本文还对污泥粘壁的机理进行了讨论，利用胶粘剂的粘结理论对污泥粘壁的 机理进行了分析。同时对污泥热干化过程中产生的各种现象进行了理论解释。 关键词：污泥干化粘壁含水率吸附 a b s t r a c t a sm eb y p r o d u c to fm u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n t ，s e w a g es l u d g eh a db r o u g h tt o c i t i e sl o t so fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s f i r s to fa l l ，a l t h o u g hh a db e e nm e c h n i c a l l y d e w a t e r e db yf i l t r a t i o n ，s e w a g es l u d g es t i l lc o n t e n t e dm u c hw a t e rw h i c hc a u s e d p r o b l e m si nt r a n s p o r t i n g ，d i s p o s i n ga n da l s oi ni n v e s t m e n t i ti sn e c e s s a r yt od r yt h e s l u d g et or e d u c ei t sm o i s t u r ec o n t e n ta n dv o l u m e s l u d g ea d h e r i n gb e h a v i o ri s a p h e n o m e n at h a ts l u d g ew o u l da d h e r eo nt h ed r y i n gd e v i c e sd u r i n gs l u d g eh e a td r y i n g i tr e d u c e st h ee f f e c to fh e a tt r a n s f e rw h e nd r y i n gt h es l u d g ea n db l o c kt h ee v a p o r a t i o n o fw a t e ri nt h es l u d g ea n dr e d u c et h ev e l o c i t yo fs l u d g ed r y i n ga n dr e s u l ti nt h ew a s t e o fe n e r g y a tt h es a m et i m es l u d g ea d h e r i n gb e h a v i o rc a na f f e c tt h el i f eo fd r y i n g d e v i c e so rd e s t r o yt h ed e v i c e sd i r e c t l y i td i s c u s s e st h ee f f e c to fs l u d g em o i s t u r ec o n t e n to ns l u d g ea d h e r i n gb e h a v i o r w i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o n si nt h i sp a p e r a n dt h ee f f e c to fc l a r i f yo fs l u d g e ( d i g e s t e da n d u n d i g e s t e d ) d r y i n gm e t h o d s ( d i r e c td r y i n g a n di n d i r e c td r y i n g ) a n dh e a td r y i n g t e m p e r a t u r eo na d h e r i n gb e h a v i o ri sa l s od i s c u s s e d t h e r e s u l to ft h ee x p e r i m e n t s h o w st h a t ： s l u d g em o i s t u r ec o n t e n ti st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t st h ea d h e r i n gq u a l i t y t h ec h a n g eo fa d h e r i n gq u a l i t yc o m p l yt h er u l et h a ta tt h ei n i t i a ls t a g em o i s t u r e c o n t e n to fs l u d g ei sh i g ha n da d h e r i n gq u a l i t yi ss m a l l ，t h e na d h e r i n gq u a l i t yi n c r e a s e s a st h em o i s t u r ec o n t e n td e c r e a s e s s l u d g ea d h e r i n gq u a l i t yr e a c h e st om a x i s u mw h i l e t h em o i s t u r ec o n t e n ti sa b o u t6 0 a f t e rt h a t ，t h ea d h e r i n gq u a l i 够d e c r e a s e sa st h e m o i s t u r ec o n t e n td e c r e a s e s s l u d g ea d h e r i n gq u a l i t yi sv e r ys m a l lw h i l et h em o i s t u r e c o n t e n ti sa b o u t3 0 t h ee f f e c to fh e a td r y i n gt e m p e r a t u r eo na d h e r i n gq u a l i t y i sr a n d o m ，t h e t e m p e r a t u r ei s n t ap r i m a r yf a c t o ro fa f f e c t i n gt h ea d h e r i n gq u a l i t yo fs l u d g eh e a t d r y i n g a d h e r i n gq u a l i t yo fu n d i g e s t e ds l u d g ei sm o r et h a nt h a to fd i g e s t e ds l u d g ea t e a c ht i m eo ft h eh e a td r y i n gp r o c e s sw i t hd i f f e r e n td r y i n gm e t h o d so rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s a d h e r i n gq u a l i t yo fs l u d g ed r i e di n d i r e c t l yi sm o r et h a n t h a to fs l u d g ed r i e d d i r e c t l y a l s ot h em e c h a n i s mo fs l u d g ea d h e r i n gb e h a v i o ri sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r a d h e r i n gm e c h a n i s m o fg o o e yi su s e dt oe x p l a i nt h a to fs l u d g e k e y w o r d s ：s l u d g e ，d r y i n g ，a d h e r i n gb e h a v i o r , m o i s t u r ec o n t e n t ，a d h e r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一虢娜期：如7 年旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 辩日期护7 年，删同 导师签名：夕名，告l 签字同期：矽7 车9f 月弓同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 污泥的产生、成分、性质和分类 随着社会的发展和人类的进步，人们对生存环境的保护和改善意识不断加 强。加之国家对环境保护政策实施力度的不断加强，使全国范围内污水处理率不 断提高，各城市纷纷建设污水处理厂，大、中、小型污水处理厂已达几百座，而 且还在迅速增加。各污水处理厂每天都会产生大量的剩余污泥。污泥处置问题已 经成为多数污水处理厂急待解决的问题，污泥处置是否妥当已关系到污水处理厂 的生存。 1 1 1 污泥的产生 1 1 1 1 污泥的来源 对于工业废水处理产生的污泥来说，由于工业废水本身的性质多变，相应的 处理工艺变化很大，因此，工业废水处理过程中的具体污泥来源环节较难定义。 而城市污水处理厂的污泥，则因污水性质和处理工艺具有相似性，其在污水处理 过程中的来源相对确定。有关污水污泥在污水处理过程中的污泥来源【1 1 见表1 1 。 表1 1 传统城市污水处理常中污泥( 包括固体) 的来源 1 1 1 2 污泥的产生量 污泥的产生量是指各种废水净化处理后所排出的污泥量。由于废水的水质和 第一章绪论 处理方法不同，即使采用相同的方法处理产生的污泥量也不一样，加之操作控制 不同，污泥的含水率不确定，推断污泥的产生量极为困难。 2 0 0 0 年我国工业和城市生活废水排放总量为4 1 5 亿吨，其中工业废水排放 量为1 9 4 亿吨，城市生活污水排放量为2 2 1 亿吨。c o d 排放总量1 4 4 5 万吨，其 中工业废水重c o d 排放量7 0 5 万吨，生活污水中c o d 排放总量7 4 0 万吨。由 此可见工业废水和生活污水平均c o d 浓度大致相同。如果万吨废水污泥产生量 的平均值为2 7 t ( 干重) ，4 1 5 亿吨废水6 5 用生物处理，则将产生污泥7 2 8 万 吨( 干重) 。2 0 0 0 年全国工业废水处理率为9 4 7 ，生活污水2 5 ，按此计算我 国每年产生的污泥量约4 2 0 万吨，折合含水率8 0 的脱水污泥为2 1 0 0 万吨【2 1 。 1 1 2 污泥的成分和性质 正确把握污泥的性质是科学合理地处理处置和利用污泥的先决条件，只有根 据污泥地性质指标才能正确选择有效的处理工艺和合适的处理设备及资源化的 趋向。同时，污泥的成分和性质也会对污泥干化工艺效果产生影响。 1 1 2 1 污泥的含水率和固体含量 单位质量污泥所含水分的质量百分数称为含水率，相应的固体物质在污泥中 所含的质量百分数称为含固量( ) 。污泥的含水率一般都很高，而含固率很低。 一般来说，固体颗粒越小，其所含有机物越多，污泥的含水率越高3 1 。 污泥的含水率可用如下公式计算： 污泥含水率： p w ： 竺 x1 0 0 ( 1 - 1 ) = 二一x () + s 式中凡污泥含水率，； 矽污泥中水分质量，g ； s 污泥中总固体质量，g 。 1 1 2 2 污泥中的水分 污水厂生物处理工艺产生的新鲜剩余污泥的最主要成分就是水分。未经处理 的原始污泥中含有大量的水分，含水率通常达到9 9 以上，原始污泥经机械脱 水处理后可使得含水率降低至8 0 左右。污泥中的大量水分，使得污泥的体积 增大，从而给后续的运输和处理处置带来很大困难。降低污泥的含水率可以极大 的减小污泥的体积。污泥含水率降低的同时也可以降低污泥处理及最终处置的费 第一章绪论 用。除此以外，由于水分的存在，使得污泥容易发生变质反应，带来恶臭、土壤 污染等一系列的环境问题。因而，有效减少污泥中的水分一直是污泥处理处置过 程的一个不容忽视环节。 污泥中水分有多种存在形式，不同的存在形式对于污泥处理有不同的影响。 一般机械脱水，只能脱除以自由形式存在的水分，而其它存在形式的水分，就需 要通过干燥、焚烧等手段来脱除。 按照水分存在的形式，污泥中的水分大致分为4 类： ( 1 ) 间隙水，这是由大小污泥颗粒包围着的游离水。它并不与固体直接结 合，因而很容易被分离。间隙水一般占污泥总含水量的6 5 8 5 ，是污泥浓 缩的主要对象。 ( 2 ) 表面吸附水，这是由于表面张力作用所吸附的水分。表面吸附水用普 通的浓缩脱水方法去除比较困难，用混凝电解质使胶体颗粒的电荷中和，颗粒凝 聚，比表面减小，表面张力降低，表面吸附水随之从颗粒上脱离。 ( 3 ) 毛细结合水，两固体颗粒接触表面之间、固体颗粒自身裂缝中存在着 各类毛细结合水，占污泥总含水量1 5 2 5 。重力浓缩不能将毛细结合水分 离，而需借助机械脱水才行； ( 4 ) 内部结合水，指主要包含在污泥中微生物细胞体内的水分。由于微生 物的数量不同，初沉泥内部结合水少于二沉泥。要去除这部分水，必须破坏细胞 膜，机械法去除困难，需采用生物分解、高温加热或冷冻法脱水。该部分水占污 泥含水总量的1 0 左右。 1 1 2 3 污泥中的有机物和营养成分 污泥中含有大量有机物、腐殖质以及植物生长所需要的氮、磷、钾、钙、镁、 锌、铜、铁、硫等可以被植物吸收和利用的有益成分【4 1 。 由于受到来源和生产日期影响，不同地区污水处理厂污泥的养分含量相差很 大。一般经济发达地区污泥中有机质含营较高，例如，西方发达国家的污水污泥 中有机物含量可以达到7 0 - - 8 0 ，而我国污泥的有机质平均含量只有3 7 1 t 5 1 。 我国各地城市污泥氮含量没有明显的规律性。南方城市污水处理厂污泥中磷含量 普遍比北方污水处理厂高；同一地区城市污泥中钾的含量变化不大。表1 1 列出 了城市污水处理厂污泥中的主要营养成分。 第一章绪论 表1 2城市污水处理厂污泥中营养物质含量( 单位：) 脱水污泥 项目湿污泥带有化学除磷的污泥 带式脱水板框压滤机 干固体含量4 0 ( 1 6 1 6 ) 6 4 ( 1 6 1 4 ) 2 4 0 ( 1 2 3 6 )4 2 o ( 2 8 7 1 ) 灼烧减量 3 9 5 ( 2 5 8 2 )4 0 0 ( 1 9 7 2 )4 2 0 ( 9 7 5 )2 8 2 ( 1 8 5 6 ) 总氮 2 6 ( o 5 1 2 3 )3 6 ( 1 7 1 0 7 )2 8 ( 1 1 5 )1 4 ( 1 0 - 1 8 ) 无机氮1 0 ( 0 8 - 4 o )1 4 ( 1 0 5 3 )1 1 ( o 7 1 4 )0 1 ( 0 0 1 0 2 ) 磷2 0 ( 0 4 5 4 )3 9 ( 1 2 7 4 )1 9 ( 0 5 5 5 )1 8 ( o 6 5 2 ) 钙8 0 ( 0 5 - 4 0 )7 5 ( 2 2 2 7 5 )7 5 ( 1 5 1 6 8 )2 2 5 ( 8 5 6 5 ) 钾0 2 ( 0 0 2 一1 4 )0 2 ( 0 0 5 1 4 )o 2 ( 0 1 1 2 )o 2 ( 0 1 - 1 o ) 镁 0 5 ( o 0 1 2 7 )0 8 ( 0 0 2 一1 3 )o 6 ( 0 1 2 5 )0 7 ( 0 1 3 5 ) 钠 0 5 ( o 0 4 1 2 )o 4 ( o 1 0 8 ) 注：本表参考污泥处理技术及装置，表中括号前数据为平均值，括号中为范围值。 表中除干固体含量是与湿污泥比较外，其余都是与干固体量做比较。 从长远来看，随着二级污水处理工艺的增加，氮、磷含量也将增加，这将有 利于污泥土地利用和堆肥。通常，新鲜污泥中有机物含量越高，消化分解的程度 越高。污泥中有机物养分和微量元素可以明显改善土壤的理化性质，改善土壤结 构，促进团粒结构的形成，调节土壤p h 值和阳离子交换量，将对土壤容重，增 加土壤孔隙和透气性，以及田间持水量和保肥能力等；城市污泥还可以增加土壤 根际微生物群落生物量和代谢强度、抑制腐烂和病原菌【6 】。污泥农用，可以减少 化肥施用量，从而减少农业成本和化肥对环境的污染。 污泥的来源和处理方法很大程度上决定着它们的化学组成【7 。污泥的化学构 成包括有植物营养元素、无机营养物质、有机物质、微量营养物质、污染物质等。 1 1 2 4 污泥的安全性 随着工业的发展和废水区域治理的实施，污泥的成分越来越复杂，污泥最终 处置前进行安全性试验和评价显得十分重要。污泥中含有大量细菌及各种寄生虫 卵，为了防止应用过程中传染疾病，必须对污泥进行寄生虫卵的检查。作农肥使 用的污泥要根据农用污泥中污染物控制标准( g b 4 2 8 4 8 8 8 8 ) 分析其中的重 金属和有毒有害成分【8 】。即使进行填埋的污泥也必须按照有关法规和标准进行各 种安全性评价。 第一章绪论 1 2 污泥干化 城市污泥处理厂产生的污泥需要进行后续处理，从而减少污泥的体积，便于 填埋或进行另外的处理。为了进一步降低脱水后污泥的含水率以减少污泥的体积 需采用干化工艺。干化，顾名思义就是利用热能将污泥中水分快速蒸发的一种处 理工艺【9 】。经干燥后污泥的含水率可降至约2 0 左右。 污泥干化技术具有以下优点： ( 1 ) 干化使需要处置或再利用的污泥体积显著减小，一般可减少4 5 倍。 ( 2 ) 干污泥形成小球状，产品无臭，无病原体，使得经处理后的污泥更容 易被后续的处置方式所接受。 ( 3 ) 产品具有多种最终用途，例如：作为肥料和土壤改良剂农业利用；作 为建材添加剂：作为焚烧填埋处置的原料；作为能源回收或进一步回收化工产品 的原料。 随着设备性能的提高以及其它处置方式社会矛盾的突出，污泥干化装置的高 效、灵活、安全、稳定的优势逐渐被认同，并在十年的时间里，在欧美市政行业 迅速扩展。由于海洋处置已被禁止，填埋标准越来越严，在国外近年来迫使人们 更多的考虑采用污泥热干化技术作为污泥处理处置的一个环节。据资料显示， 2 0 0 0 年全世界干污泥产量是1 9 9 0 年的l o 倍；另据预测，欧盟在未来的十年，采 用干化的污泥量还将翻一番。尽管如此，污泥干化过程产生的大量的废气净化费 用问题、运行费用，都是使用干燥工艺必须考虑的问题【l o 】。 污泥热干化是污泥最终处置和利用前的重要一步。污泥热干化技术在整个污 泥管理体系中越来越显示出它的重要性和发展优势【l 。下面简单就污泥干化的理 论和设备做一些介绍。 1 2 1 1 干燥理论 ( 一) 干燥静力学 利用热能去除污泥中的水分，是一种污泥与干燥介质( 通常为灼热气体) 之 间的传热与传质的过程。 ( 1 ) 物料平衡计算 污泥中的水分蒸发量计算： 既2 嘭一w 22 彤赫2 形赫圳( m m 2 ) ( 1 - 2 ) 其中，矾一干燥器中被蒸发的水分重量( k g ) ； 第一章绪论 - 干燥前污泥湿重( k ) ； 形广一干燥后污泥湿重( k g ) ； 污泥中干固体重量( k g ) ； 尸，干燥前污泥湿基含水率( ) ； b 干燥后污泥湿基含水率( ) ； m 干燥前的干基含湿量( k g k g ) ； 尬干燥后的干基含湿量( k g k g ) 。 干燥介质消耗量计算： 睨：旦( 1 - 3 ) 石2 一而 其中，形广一通过干燥器的干灼热气体重量( k g ) ； x l 进入干燥器的空气含湿量 k g ( 水) k g ( 干空气) 】； 勋排出干燥器的空气含湿量【k g ( 水) 蚝( 干空气) 】。 ( 2 ) 热量平衡计算 蒸发每公斤水分的耗热量计算： g ：生量w 2 c d ( e 2 - o , ) ( 1 - 4 )1 x 2 一x l w w q 损 其中，q 蒸发每公斤水分的耗热量( k c a l ) ； 口r 一干燥器进口的污泥温度( ) ； 9 广干燥器出口的污泥温度( ) ； 乃进入干燥器湿的空气热焓( k c a l k g ) ： 易出干燥器湿的空气热焓( k c a l k g ) ： c 卜干污泥的比热( k c a l k g 。) ； q 扩_ 干燥器周围的热损失 k c a l k g ( 水) 。 ( 二) 干燥动力学 干燥动力学是讨论在干燥过程中任一时间的含水率与各因素之间的关系。这 些因素包括污泥性质，灼热气体的湿度、温度、流动方向和速度等。根据干燥动 力学，可以确定去除的水分与干燥时间的关系，并在特定的干燥情况下，计算干 燥的程度和所需时间。 干燥速度与干燥时间的关系： 甜：盟 ( 1 5 ) f d t 其中，甜干燥速度( k g m 2 。h ) ： 第一章绪论 ，干燥器干燥面积( h 2 ) ： t 干燥时间( h ) 。 如果u 为已知，则干燥时间： f ：w ( c l - c 2 )( 1 6 ) 时 形污泥中干固体重量( k g ) o 韧始含水率( ) 。 c 2 最终含水率( ) 。 ( 三) 干燥的影响因素 污泥干燥是一个非常复杂的热传递和质量传递过程，诸多因素都会对这一过 程产生影响，但是总体来说可以归结为两方面：一个是干燥介质的性质的影响， 这主要包括介质的温度、湿度以及流速等影响因素，这也是在干燥装置的研究中 讨论最多的方面：另一方面是被干燥的物料本身的性质的影响，主要包括被干燥 物质的成分、水分的存在形式以及物料的分散程度等因素。 目前对污泥干燥的研究，集中在提高干燥设备效率的研究上。提高热交换效 率，减少能量浪费确实可以有效的提高干燥效率，通过机械力改变污泥在干燥设 备中的形状和分散度也可以达到提高污泥干燥效率的目的【1 2 】。但是，通过改善污 泥本身的性质从而提高污泥干燥效率的方法却长期被人们忽略，同时由于其难度 较大而未找到有效的方法。 1 2 1 2 污泥干化工艺和设备 污泥干化设备按热介质与污泥的接触方式分类： 直接加热式：将燃烧室产生的热气与污泥直接进行接触混合，使污泥得以加 热，水分得到蒸发并最终形成干污泥产品，是对流干化技术的应用。代表设备有 转鼓干燥器、流化床等。 间接加热式：将燃烧炉产生的热气通过蒸汽、热油介质传递，加热器壁，从 而使器壁另一侧的湿污泥受热从而使水分得到蒸发，是传导干化技术的应用。代 表设备有螺旋、圆盘、薄层、蝶片、浆式等。 直接一间接联合加热式：是对流干化技术和传导干化技术的结合应用。代表 设备有带式、螺旋式等。 按进料方式和产品形态分类： 干料返混系统：湿泥在进料前先与一定比例的干料混合，从而使含水率降至 3 0 - 4 0 ，然后才进入干燥器，产品为球状颗粒。 第r 一章绪论 湿泥直接进料系统：湿污泥直接进入干燥器，进泥含水率较高，产品多为粉 末状。 以下为几种常见的污泥干化工艺： ( 一) 转盘式干燥工型1 3 】 该干燥机主要由定子( 外壳) 、转子( 转盘) 和驱动装置组成。其工作原理 是通过转盘边缘的推进搅拌器的作用，污泥被均匀缓慢的输送通过整个干燥机， 并通过与转盘的热接触从而被干化。 该干燥机的主要特点为： 接触式干燥( 间接干燥，导热介质与污泥无直接接触) 设备系统中氧气含量低，杜绝了粉尘爆炸的可能性 令机内污泥荷载大，即使进料不均匀，也能保证平稳运行 令惰性气体含量少( 不需要空气循环) 夺维修少，持续运行性好，可昼夜运转，保证每年8 0 0 0 小时运行 半干化和全干化的干燥机可随时改装 ( 二) 污泥硬颗粒技术又称污泥“珍珠工艺”【1 4 】 这是由比利时的s e g h e r s 西格斯环保技术集团开发的一种污泥干燥工艺。 该工艺的主要特点为： 设备系统中氧气含量低，杜绝了粉尘爆炸的可能性 令接触式干燥( 间接干燥，导热介质与污泥无直接接触) 夺颗粒呈圆形、坚实、无灰尘，颗粒均匀 令颗粒具有较高的热值，可作燃料 令尾气经过较好的处理，能满足严格的排放标准 ( 三) 流化床污泥干化工型1 5 】 该工艺的主要特点为： 令无返料系统 夺接触式干燥( 间接干燥，导热介质与污泥无直接接触) 夺干化颗粒粒径无法控制 干燥机本身无动部件，故无需维修 ( 四) 涡轮薄层干化工艺 涡轮技术的核心在于成功利用了薄膜换热的原理，它将待处理的物料通过定 量卜料装置喂入一个圆柱状卧式处理器，处理器的衬套内循环有高温介质，如饱 和蒸汽或导热油，使反应器的内擘得到均匀有效的加热，干燥的主要热量交换通 过热壁的热传导来完成【1 6 】； 与此同时，工艺还可以采用一定量的经过预热的工艺气体，与物料的运动方 第一章绪论 向一致，在处理器的内部与高速涡流形成共同作用，推动物料沿内壁向出口方向 做螺线运动，物料颗粒在工艺气体的反复包裹、携带和穿流下，实现强烈的热对 流换热； 在圆柱形处理器内有与之同轴的转子，在转子的不同位置上装配有不同曲线 的桨叶，转子通过处理器外的电机驱动，高速旋转，形成强烈涡流。物料在高速 涡流的作用下，通过离心作用，在处理器内壁上形成一层物料薄层，该薄层以一 定的速率从处理器的进料端向出料端做环形螺线移动，物料颗粒在薄层内不断与 热壁接触、碰撞，完成接触、反应、灭菌或干燥等过程。 ( 五) 热泵干化工艺 热泵干燥设备由热泵的热力循环系统和热风干燥循环系统组成。热泵循环系 统为热风干燥系统提供热源和降低热风湿度。热风干燥系统，通过循环热风与物 料直接接触，提供水分蒸发所需要的热量，同时带走物料中的水分，达到干化的 目的。 1 3 国内外污泥粘壁研究现状 粘壁问题广泛存在于化学工业、制药、食品工业以及纺织工业等行业当中。 有不少国内外的专家对这些行业中存在的粘壁现象及其应对措施进行了研究与 探训17 1 。 化学工业尿素生产工艺中尿素造粒塔是化肥企业尿素生产中的一个重要环 节，在使用过程中多数都存在着粘壁问题【1 8 】。这不仅影响了尿素的产量和质量， 也为职工增加了清塔的麻烦，更为严重的是积块尿素的坠落造成尿素造粒塔漏斗 的损坏，给安全稳定长周期生产造成了许多影响。从尿素造粒塔的使用情况看， 在尿素造粒过程中，物料的粘壁主要有以下两方面的原因：在尿粒冷却干燥尚 未结束，尿素颗粒处于半干状态时，尿素颗粒与塔壁接触造成湿粘壁；由于造 粒塔内壁不太光滑造成干粉粘壁【1 9 】。从化肥企业尿素造粒塔使用反映情况来看： 尿素颗粒粘壁的显著部位在离心式喷头水平面的塔壁周围，这就说明离心式喷头 在旋转过程中喷出的雾滴是与塔壁碰撞后再做自由落体下落至出料口。通过如下 两种方式即可解决或降低尿素生产过程中的粘壁问题： 1 采取一种措施使离心式喷头喷出的雾滴形成伞状降落，这样就使尿素 颗粒不和塔壁碰撞，以此来达到消除粘壁的目的。 2 在塔壁内装旋转空气清扫器，使冷空气从塔底绕塔轴线旋转的蛇管内 通过，蛇管对准塔内壁处开许多小孔，冷空气即从小孔中喷出，直接 吹在塔壁上，将塔壁上的粉尘吹落，从而减少粘壁【2 0 】。 制药行业业中粘壁现象是妨碍喷雾干燥机正常操作的一个突出问题，固体制 第一章绪论 剂的喷雾干燥过程尤为明显【2 1 1 。物料粘壁不仅不利于收集操作，而且随着时间的 延长，敏感的粘壁物料会变质成为不合格物料。国内外专家对干燥过程中的粘壁 和结块问题进行了研究，认为造成喷雾干燥机内粘壁的主要原因是壁温【22 | 。以下 为防止其粘壁的五种可能途径： 1 采用夹壁干燥塔，其间用空气冷却，使壁温保持在5 0 以下。 2 通过塔壁旋气片切向引入二次空气冷却塔壁。 3 塔内近壁处安装由一排喷嘴组成的气扫帚，并使之沿塔壁缓慢转动。 4 塔壁增加气锤，通过气锤的敲击，强制使粘壁物料脱离。 5 增加加工的精度，塔内壁抛光也可以减轻粘壁【2 3 】。 以上是化工和制药行业关于粘壁的两个例子，粘壁的存在不仅不利于操作， 而且会影响生产的效率。各行业中对于粘壁问题的处理也主要是从原料的性质、 干化工艺参数以及操作方法等方面去考察。现阶段国内外对污泥的粘壁的影响因 素以及粘壁机理和粘壁解决办法的研究较少，大多数关于污泥干化的文献中只提 到在干化过程中会出现污泥粘壁的现象【2 4 1 ，但没有专门的文献对该现象产生的机 理及其防治办法进行论述。不过其它行业的污泥粘壁研究成果可以作为研究污泥 干化过程中粘壁问题的参考。现阶段污泥热干化工艺解决污泥粘壁问题的主要办 法也是从干化污泥的性质及干化工艺的角度进行考虑的【2 5 j 。 1 4 污泥粘壁解决办法 经过实验证明，当污泥的含水率在6 0 左右时，污泥的粘壁量会达到最大， 这被称为污泥的粘结副2 6 1 。要想在污泥干化的过程中越过这个粘结段，就是要使 热干化过程中进料污泥的含水率直接越过6 0 这个值。以下介绍的污泥返混工 艺即是从降低源污泥的含水率这个角度出发的。而间接回转室工艺则是从工艺的 角度提出的对污泥粘壁问题的解决办法。 1 4 1污泥返混工艺 为了解决污泥热干化过程中的粘壁问题，使污泥在热干化的过程中越过污泥 的粘结段，达到含水率低于1 0 的干燥效果，就产生了干料返混工艺。污泥返混 工艺一般要求将原含水率7 5 8 0 的湿泥，经过添加相当于湿泥重量l 一2 倍的 已经干化到含水率1 0o 6 0 以下的污泥干粒或污泥细粉，将其混合到平均含水率3 0 4 0 1 27 1 。从而干物质量增加了7 一1 0 倍以上。由于经混合后污泥含水率降到平 均含水率为3 0 - - 4 0 ，这样使污泥直接越过胶粘段，大大减轻了污泥在干燥器 内的粘结，干燥时只需蒸发混合颗粒表层的水分，使干燥容易进行，能耗降低。 第一章绪论 污泥干化直接加热系统多采用干料返混【2 8 】。早期的间接加热系统采用湿污泥 直接进料，由于湿污泥的粘结造成设备的磨蚀损耗相当严重，并由此引发了一些 安全事故，其中部分设备因此停产。后来有的间接加热系统如西格斯( s e g h e r s ) 的珍珠工艺也采用了干料返混，成功生产出球状颗粒【2 9 】。现阶段污泥返混已成功 应用于污泥直接及间接加热工艺中。在本文1 2 节中介绍的几种污泥热干化工艺 除流化床工艺外，均采用了污泥返混系统以防止污泥粘壁的产生或降低污泥粘壁 的影响。 1 4 2 间接回转室 间接回转室采用不等距双螺旋推进器，两套螺旋之间互相清洁表面，从而达 到清除粘壁的作用【3 0 1 。该系统采用湿污泥直接进料，实践表明也取得了较好的效 果，并使整套污泥干化系统的设备数量大为精简【3 l 】。但对于物料结块、粘壁层增 厚、壁面的薄层粘结等问题均未得到很好解决【3 2 】。 1 5 本研究的内容和意义 随着城市化和工业化的发展，城市污水的产量不断增加，污泥的产量也随之 增加。如果对污泥堆弃处置，不仅占用土地，而且由于其中还含有重金属、致病 菌等有害物质，以及其极其容易腐败发臭从而污染环境，因此对其进行无害化， 减量化和资源化处理是非常必要的。但是，机械脱水后的污泥其含水率在7 5 8 2 p 3 1 ，由于所含水分大，不仅造成后续的处理和资源化过程成本高，而且给处理 过程带来困难，因此进一步降低污泥含水率就成为污泥处理和资源化的必须过 程。污泥干化技术能够使污泥体积显著减少，产品稳定，无臭且无病原生物；干 化处理后的污泥可以用作肥料、土壤改良剂、替代能源等1 3 4 】。 污泥热干化技术按热介质与污泥接触方式分直接干燥、间接干燥和直接一间 接干燥结合等类型。直接干燥的实质是对流干燥技术的运用，即将燃烧室产生的 热气与污泥直接进行接触混合，使污泥得以加热，水分得以蒸发并最终得到干污 泥产品【35 1 。这种方式需要对处理污泥的热介质与产生的水蒸气进行除臭和余热回 收等处理，工艺复杂，产生的粉尘量较大，于是人们转向对间接式干燥技术的开 发1 3 6 1 。间接干燥实质上就是传导干燥，即将燃烧炉产生的热气通过蒸气、热油介 质传递，加热器壁，从而使器壁另一侧的湿污泥受热、水分蒸发而加以去除。这 种方式只对产生的水蒸气进行除臭和余热回收处理，处理量远小于直接干燥方 式，工艺较简单，但由于污泥粘性较大，粘壁现象十分严重，对设备的磨损加剧， 需要采用返混等相关技术处理【3 7 】。 第一章绪论 无论是直接干化工艺还是间接干化工艺都普遍存在高能耗、高成本的问题， 污泥粘壁是造成这些干化工艺能耗高、成本高的重要原因之一。 由于污泥粘壁的存在，降低了污泥干燥过程中热传递的效率，阻碍了污泥中 水分的蒸发，也降低了污泥干燥的速度，造成了能量的浪费，同时，污泥粘壁的 存在还会影响污泥干燥设备的使用寿命或对其直接造成破坏。 针对污泥热干化工艺中存在的粘壁问题，本文将对不同的条件下污泥的含水 率对污泥粘壁量的影响进行讨论，同时探索污泥的种类( 消化和未消化污泥) 、 污泥干化方式( 直接干化和间接干化) 、以及污泥热干化时采用的温度对污泥粘 壁量的大小的影响，还会对污泥粘壁的机理进行探索，对污泥干化过程中出现的 粘壁现象进行理论解释，为解决污泥粘壁问题从而降低污泥干化设备的损耗、提 高污泥干化的效率提供基础依据。 第二章污泥粘壁实验材料、装置、方法与内容 第二章污泥粘壁实验材料、装置、方法与内容 2 1 实验材料 实验分别选用消化和未消化两种不同性质的污泥作为实验材料。消化污泥取 白天津市东郊污水处理厂，未消化污泥取白天津市纪庄子污水处理厂。东郊污水 处理厂采用活性污泥法二级生物处理工艺，该工艺的特点是二级生物处理的剩余 活性污泥，不直接排入浓缩池，而是用泵打回到初沉池，与初沉污泥共同沉淀。 污泥中的有机物含量较高。浓缩池污泥经中温厌氧消化处理进入压滤机房，压滤 处理后的出厂污泥含水率在8 6 左右。纪庄子污水处理厂的剩余污泥不进行回 流，浓缩池的污泥均来自于剩余污泥。浓缩池污泥不经过消化处理进入压滤机房， 出厂压滤污泥含水率在8 3 左右。纪庄子污水处理厂污泥中有机物含量略高于东 郊污水处理厂污泥。 纪庄子污水处理厂未消化污泥性质如表2 1 所示： 表2 1纪庄子污水处理厂未消化污泥性质 东郊污水处理厂消化污泥性质如表2 2 所示： 表2 2 东郊污水处理厂消化污泥性质 污泥含水率、v s 采用如下方法测定： ( 1 )污泥含水率：重量法，在1 0 5 下烘干至恒重进行测定； ( 2 ) 污泥的v s 重量法，在6 0 0 下灼烧4 5 m i n 测定； 第二章污泥粘壁实验材料、装置、方法与内容 2 2 实验装置与方法 2 2 1实验装置 2 2 1 1 间接加热实验装置 本实验采用的间接加热实验装置如图2 - 1 所示，其中电炉的加热功率可以进 行调节，从而改变间接加热污泥泥饼的温度。电子天平被固定安置在操作柜上， 不锈钢加热板则通过钢丝架悬吊放置在电子天平上，电子天平的读数由计算机自 动采集记录。采集频率为1 次m i n 。 1 钢丝架2 污泥泥饼3 不锈钢加热板4 电炉5 操作柜6 电子天平 图2 1 污泥间接加热干化装置 2 2 1 2 直接加热实验装置 本实验采用的直接加热实验装置如图2 2 所示，其中石英加热管共有6 根， 加热温度由输入电压控制( o 2 2 0 v ) ：支架、托盘及管道系统均由铁皮制成，干燥 室为长7 5 c m ，直径2 0 c m 的圆筒，管道系统出口直径1 4 c m 。 第二章污泥枯壁实验材料、装置、方法与内容 1 鼓风机2 电热丝3 加热间4 金属加热板及其支架5 脱水污泥6 出风口7 温度计 8 金属支架9 控制板1 0 挡风板 图2 2污泥间接加热干化装置 2 2 2 实验方法 在间接加热污泥干化实验中，将污泥在加热板上布置成直径为9 0 m m 、厚度 5 m m 的饼状。用电炉对加热板持续加热。计算机以1 次m i n 的频率记录电子天 平的读数。通过测定污泥的初始含水率以及电子天平的读数可以计算出在整个加 热过程中每个时刻污泥的含水率。本次试验设置1 0 0 、1 2 0 ，1 4 0 和1 6 0 四个间接加热温度，通过调节固定温度下污泥的加热时间从而改变污泥的含水 率，观测在不同的加热温度条件下污泥含水率对污泥的粘壁量大小的影响情况。 在直接加热污泥干化实验中，也将污泥在加热板上布置成直径为9 0 m m 、厚 度5 m m 的饼状。通过控制热通风时间改变污泥的含水率。实验过程中污泥的含 水率采用重量法进行测量，即在1 0 5 条件下将污泥烘干称重，利用烘干前后污 泥的重蕈差计算出污泥的含水率。实验总共测定低温( 4 0 ，5 0 ，6 0 ，7 0 ) 直接加热条件下八个不同含水率时污泥的粘壁量。 本次实验中各变量测定的方法如下： ( 一) 污泥粘壁量的测试 待选定的污泥加热时间完成后，刮剥( 刮剥角度为3 0 0 ，平行于加热面反复刮 剥5 次) 残留在加热板上的干污泥，然后称量污泥在加热板上的残留质量，并测 量干污泥与加热板的粘结面积【3 9 1 。根据所测数据计算得到刮剥后的单位面积所 第二章污泥粘壁实验材料、装置、方法与内容 粘附的干污泥残留量( 单位为c m 2 ) ，以此来表示污泥热干燥后的粘壁量。 ( - - ) 实验温度的确定 在间接加热干化污泥实验中温度可以通过调节电炉功率的大小而控制。实验 过程中，将电子温度计金属感应片置于金属托盘上，测量污泥间接加热的温度， 从而根据电子温度计的读数调节电炉的功率，使加热温度保持在设定值附近。提 高实验的准确性。 在直接加热干化污泥实验中温度通过调节电压的大小而控制。温度采用水银 温度计测定。在每次进行实验之前，首先对实验装置进行加热通风预热，微调电 压，从而对实验温度进行确定。 ( 三) 污泥含水率的测定 在污泥干化过程中污泥的含水率在不断的变化，此实验要求能测定在污泥干 化过程各个时刻的污泥含水率。实验采用电子天平读数通过电脑程序可以自动记 录干化过程各个时刻金属加热板及污泥的总重。在开始进行污泥加热干化前可以 先采用重量法测定污泥的最初含水率以及金属加热板的重量，从而通过电脑自动 记录的读数采用如下公式计算出各个时刻的污泥含水率。 p ，：坠二l 坐盟二旦坐1 0 0 ( 2 1 ) ” z 一7 。 式中尸矽干化过程中某时刻污泥的含水率，； 初始污泥的重量，g ； 风污泥的最初含水率，； 耽干化过程中某时刻污泥和金属加热板的总重，g ； 丁干化金属加热板的质量，g 。 2 3 实验内容 2 3 1污泥间接干化粘壁实验 这部分实验主要考察污泥间接加热干化过程中，污泥含水率、污泥间接加热 温度以及污泥种类对污泥粘壁量的影响。实验采用4 0 ，5 0 ，6 0 ，7 0 ， 1 0 0 ，1 2 0 ，1 4 0 ，1 6 0 这八个不同的温度条件对污泥进行干化。之所以采 用这几个温度，主要是同时考虑低温状态( 4 0 ，5 0 l ，6 0 。c ，7 0 ) 加热温度 对污泥粘壁的影响以及高温状态( 1 0 0 ，1 2 0 ，1 4 0 ，1 6 0 ) 加热温度对污 泥粘壁的影响。在现阶段的污泥干化工艺中，采用合适的温度可以降低污泥干化 的处理成本。采用不同的温度进行实验是为在污泥干化工艺中解决污泥粘壁问题 第二章污泥粘壁实验材料、装置、方法与内容