活性污泥干燥过程中水分传递控制条件研究
[摘要]城市污泥是污水处理过程中的副产物，污泥脱水是污泥处理的关键环节。本文以成都污水处理厂的污泥为研究对象，在探讨污泥含水率、黏度等基本参数的基础上，将一定厚度的平铺的污泥作为主体，取其中的一定体积大小的污泥球为研究对象，探讨污泥球中的水分传递过程，结果表明水分在污泥中的传递过程分为两种情况：（1）污泥主体水分扩散到表面的扩散速率大于等于表面蒸发速率时，即污泥表面处于充分润湿状态，水分传递经历了三个过程：①污泥中的水分从污泥主体扩散到污泥表面；②污泥表面会形成一层气膜，默认为污泥表面的水分的传递阻力集中于这层气膜；③水分从污泥表面传递到气相主体；（2）随着脱水的进行，污泥主体水分扩散到表面的扩散速率小于污泥表面水分蒸发速率，污泥表面会形成致密的硬壳，由于外界热量的作用，使污泥壳体内部水分汽化，水汽冲破壳体，壳体皲裂，形成新的传质界面，新的传质界面形成后，重复进行水分迁移的①②③三个过程。而且实验数据显示，污泥球体直径越大、外界温度越高，越易形成硬壳，水分传递阻力越大。
[关键词]污泥 含水率 黏度 气膜 气相主体
[中图分类号] TU992.3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-2-231-2
随着经济社会的快速发展，我国城镇化水平的不断提高，生活污水和生产污水排放量不断增加。污泥是污水处理厂在净化污水时得到的固体沉淀物质，含有混入生活污水或工业废水中的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物，是各种胶体、有机质及吸附的金属元素、微生物、病菌、虫卵等物质的综合体，组成十分复杂，变异性大，有机物含量高，容易腐化发臭。由此可见，如果不对生活污水处理的过程产生的污泥进行适当的处理处置，则会对其堆放地区的水体、土壤和大气等周围环境产生极大的破坏，也会对生活在周围的人们和栖息在附近的动物的健康造成一定的危害。妥善处置污泥，使其减量化、稳定化、无害化、资源化已成为全球关注的课题，而污泥处理的过程中最为重要的一步即是污泥的脱水，本文尝试以某污水处理厂中的生活污泥为例，探索污泥中水分传递的过程和机理，为污泥处理提供有益的参考。
1污泥的含水率及其粘度的测定
影响污泥中水分迁移的主要因素有污泥中的水分含量、水分的存在状态、污泥的浓度、风速、温度、污泥的平铺厚度等等，单以污泥中水分存在状态考虑，可分为自由水和结合水，自由水比较容易脱除，而结合水多是由于污泥中的细胞壁所含有的亲水性物质的对水分的亲和束缚所产生的水的另一种存在状态，相对难以脱除。而污泥作为变粘度流体，污泥的粘度是污泥浓度、温度以及搅拌速度等因素的函数，粘度越大，污泥对分子的束缚力越大，干燥过程中污泥表面越易结壳，水分迁移阻力越大，因此测定污泥含水率及其粘度显得尤为重要。
1.1实验仪器及方法
电热鼓风干燥箱TST-PK121；成都特斯特仪器有限公司；
电子天平BS-150M；上海友声衡器有限公司；
数字式粘度计NDJ-5S；上海精天电子仪器有限公司；
1.2按照国标CJ/T 221-2005所给的方法对成都市的生活污泥进行测定，前后三批污泥样品的含水率稳定在75%左右。
采用数字粘度计测定污泥的粘度，考虑污泥的温度、浓度及转子的转速对污泥的粘度的影响，室温下污泥粘度随着转子转速及污泥浓度的变化规律如图1所示。
由图1可以得出：（1）室温下的同一浓度的污泥在不同转速下的粘度变化，得出了污泥的粘度随转子转速的变化趋势：转子转速越大，则污泥的粘度越小；（2）室温下同一转速下不同浓度的污泥的粘度的变化趋势：污泥浓度越大，则污泥的粘度越大。即同一温度下，污泥的粘度是污泥的浓度及其所受剪切力的函数。
2污泥中水分传递机理研究
污泥中的水分传递受到空气的温度、风速及污泥的平铺厚度的影响，实验过程中，在空气静止状态下，考察不同的空气温度及污泥平铺厚度对污泥中水分传递的影响。将一定厚度的平铺的污泥作为主体，取其中的一定体积大小的污泥球为研究对象，探讨污泥球中的水分传递过程。
2.1实验仪器
电热鼓风干燥箱TST-PK121；成都特斯特仪器有限公司；
电子天平BS-150M；上海友声衡器有限公司；
2.2实验方案
将污泥样品捏成规则的直径为5cm和7cm的球体，在60℃、70℃、80℃、90℃的烘箱内，烘干5～10h后，取出污泥球，分别同时取厚度为0.3cm、0.6cm、0.9cm的壳体，称取质量为m，放入烘箱内，于103～104℃进行干燥，取出冷却至室温，称重，反复多次，直至恒重为止，此时称取质量为m0。根据如下公式计算出所取壳体的含水率W：
W=（m-m0）/m×100% 式（1）
污泥球体在干燥的过程中，表面会产生收缩，而且经验性地认为缩芯界面的含水率为污泥含水率的0.68倍，即51.99%。认为污泥的含水率随着壳体厚度呈线性变化，根据内插法，计算得到缩芯界面处壳体厚度分别为：
由上表可以大致看出：在污泥球体的直径相对恒定的时候，污泥球体结壳的壳体厚度在60℃-90℃的范围内，呈现出先增加大后减小的趋势。这个趋势在污泥球体直径偏大的时候体现得比较明显，在80℃时结壳厚度达到最大值，这可能是在相对较低温度（60℃）条件下，污泥内部水分传递到干化界面的速率略小于污泥表面水蒸发的速率，污泥中的水分缓缓到达界面得以脱除，污泥表面结壳厚度相对较小；而在高温（90℃）条件下，球体表面迅速形成坚实的外壳，壳内水分汽化速度大，壳内外温差较80℃时大，冲破污泥表层壳体，形成不规则的有一定深度的裂缝，裂缝的出现使污泥干燥面积增加，形成新的固气接触面，从而使壳体覆盖下的球体内部污泥中的水分得以脱除，一定程度上避免了壳体向污泥球径向方向发展，降低了壳体的厚度。
温度恒定的条件下，直径为7cm的球体在60℃-90℃的范围内，结壳的厚度比直径为5cm的球体偏大，可见球体直径对结壳的厚度有重要影响，这点告诉我们，为了使污泥高效地脱水，有必要降低污泥饼的实际厚度，以提高污泥的脱水效率，降低干化过程中的能耗。
3结论
一定温度下，当水分由污泥主体传向污泥表面的速率大于等于水分在污泥表面的蒸发速率时，即污泥表面处于充分润湿时，污泥中的水分由污泥主体传递到大气主体经历了三个过程：（1）水分由污泥主体扩散到污泥表面；（2）水分在污泥表面气化，形成一层气膜，传质阻力主要集中在气膜内；（3）水蒸气由气膜扩散到大气主体。水分由污泥主体传向污泥表面的速率小于水分在污泥表面的蒸发速率时，污泥表面在外部热量作用下持续蒸发，形成一层致密的硬壳，并且随着时间的推移，壳体厚度增大。壳体作为热导体，污泥主体和外部环境温差作为传热推动力，将热量源源不断地沿径向方向向污泥球球心处传递，污泥主体的水分在球体内部气化，冲破壳体的束缚，直接向气相主体扩散。与此同时，形成新的传质界面，新形成的传质界面处于润湿状态，水分传递重复（1）（2）（3）三个过程，即传质阻力集中在气膜-壳体-气膜，如此循环往复，直至污泥内部水分全部蒸出或污泥内部水分不足以冲破壳体束缚，污泥内部蒸汽压强与壳体束缚力达到平衡，而固定在壳体内。
