污泥真空干燥特性及污染物释放规律研究
作者单位：东南大学
学位级别：硕士
导师姓名：葛仕福;陈奎续
授予年度：2022年
学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学]
摘 要：污泥是污水处理厂在处理污水过程中产生的一种副产物,经机械脱水后含水率仍处于较高水平,难以储存和运输,需要对污泥进行干燥进一步去除水分。污泥热干燥设备耗能高、设备费用昂贵及过程产生的干燥尾气及干燥冷凝水含有污染物需要处理且具有产生二次污染的风险,降低了污泥循环利用的效果和经济性。真空干燥技术发展成熟,可利用废热在低温下蒸发水分,并可收集尾气进行集中处理。但国内外对于污泥真空干燥的研究寥寥无几,本文开展污泥真空干燥特性及污染物释放规律的研究,对于利用低品位热源、污染物释放少的污泥干燥技术的研发具有一定的工程指导意义。本文设计并搭建了实验室规模的污泥真空导热干燥实验装置,开展污泥静态真空导热干燥实验,结果表明:污泥静态真空导热干燥全为降速干燥过程,一次降速和二次降速阶段的临界含水率约为0.6-1.0g/g处;污泥厚度越薄,热壁温度越高,污泥平均干燥速率越大;不同污泥厚度条件下真空度对污泥平均干燥速率的影响不同,污泥厚度小于6.8mm时,平均干燥速率在真空度为-0.08Mpa时最低,在-0.09Mpa达到峰值;污泥厚度大于10.2mm时,真空度越高,平均干燥速率越慢;污泥厚度为6.8mm、10.2mm和13.6mm时干燥速率最快的真空度分别为-0.09Mpa、-0.07Mpa及-0.06Mpa;Page模型是最适合用来预测污泥静态真空干燥过程,平均相对误差为4.52%;通过Page模型拟合计算得到的有效水分扩散系数在6.31×10-2.30×10m/s间。利用工业相机及远红外温度检测仪对污泥干燥过程表面形态及表面温度变化进行记录,使用可视化的方法对污泥真空干燥机理进行研究,结果表明:污泥厚度是影响污泥静态真空导热干燥速率的主要因素,真空抽吸引起的表面收缩快速结壳、主裂纹率低是真空抑制水分扩散的主要原因;污泥厚度较薄时（污泥厚度小于6.8mm）,真空度从-0.06Mpa升至-0.08Mpa时,真空抽吸作用下污泥表面收缩形成的致密结壳层越厚,阻碍了内部水分的扩散,主裂纹率下降16.0%,平均干燥速率均值减少了29.3%,到真空度至-0.08Mpa后结壳厚度到达加热热壁,热流的强烈作用使得污泥底部表面开裂,表面硬壳在热壁处形成了较大裂缝,内部水分通过裂缝向外扩散,平均干燥速率提高了33.47%;污泥厚度较大时（污泥厚度大于10.2mm）,真空度到达-0.09Mpa时,真空抽吸作用下污泥表面收缩形成的致密结壳层仍小于污泥厚度,没有形成污泥底部表面开裂现象,真空度的提高对干燥的抑制效果越大;为提高污泥真空干燥速率,在实际工程中,可通过设置刮板尽量减少加热面上污泥的厚度,刮板与加热面间距离应小于10.2mm。通过3因素4水平的正交实验对污泥真空干燥过程中污染物释放特性进行了研究,干燥时长是导致干燥冷凝水化学需氧量和氨氮浓度上升的主要因素,热壁温度达到140℃时氨氮浓度显著提高。化学需氧量释放最少的工况为污泥厚度3.4mm、热壁温度80℃、真空度-0.06Mpa,氨氮释放最少的工况为污泥厚度3.4mm、热壁温度80℃、真空度-0.08至-0.09Mpa;污泥厚度是干燥尾气恶臭浓度高的主要因素,污泥厚度越小,释放的恶臭气体量越大,恶臭释放最少的工况为污泥厚度13.6mm、热壁温度120℃、真空度-0.07或-0.08Mpa;真空度-0.06Mpa时干燥尾气内氨气峰值较低,真空度升至-0.07至-0.09Mpa时达到300 mg·m左右,远超过短时间接触容许浓度30 mg/m3;硫化氢的释放量处于较低水平,浓度峰值仅为1.62 mg/m。基于真空耙式干燥机对污泥进行真空干燥中试实验,研究了物料填充率、热壁温度及干燥机转速对污泥干燥特性、能耗及污染物释放的影响,实验结果表明:干燥速率与物料填充率、热壁温度及干燥机转速成正比,污泥量（污泥厚度、物料填充率）及热壁温度对干燥速率的影响规律与实验室结果一致;干燥至10%及50%含水率时,单位质量水的干燥能耗分别为0.31、0.17元/千克,干燥速率越快时,能耗越低;冷凝水中总磷、氨氮、固体悬浮物、氯离子浓度和电导率均达到国家一级排放标准,COD浓度约400-500mg/L,基于干燥速率及污染物释放得到的最佳工艺条件为物料填充率70%、热壁温度145℃和干燥机转速12rpm。本研究成果对于污泥真空圆盘式干燥机的开发应用具有一定的参考价值。
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