太阳能干燥污泥的研究

天津大学

硕士学位论文太阳能干燥污泥的研究

姓名：雷海燕申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：李惟毅

20021201

摘要

为研究利用太阳能进行污泥干燥的技术，本文设计了一台总采光面积为３ｍ２的混合型太阳能干燥实验装置，利用太阳能加热的空气流和太阳辐射对污水处理厂机械脱水后的污泥进行双重加热，将其含水率从８０％左右降到６０％以下。

本文采用混合型太阳能干燥器对污泥进行干燥研究，通过对实验结果和现有干燥模型的分析比较，选用精度较高的双项指数模型对不同工况下的实验数据进行回归分析，得到了不同形状不同重量污泥的干燥特性方程，理论曲线与实验曲线吻合较好；根据实验结果得到污泥形变、干燥介质的温度、风速、相对湿度、太阳辐射强度及污泥形状等对干燥过程的不同影响；计算了实验装置在各工况下的脱水量及平均干燥速率，本研究结果对于今后研制工业型太阳能污泥干燥器及能源的综合利用有一定的参考价值。

关键词

污泥太阳能集热器干燥模型于燥曲线干燥速率曲线回归

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｉｎｇｓｏｌａｒｓｌｕｄｇｅｄｒｙｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｃｏｍｐｏｕｎｄｓｅｌａｒｄｒｖｅｒｗｉｔｈａｐｅｒｔｕｒｅａｒｅａｏｆ３ｍ。ｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｂｕｉｌｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｒｓｌｕｄｇｅ

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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，也不包含为获得盘注盘鲎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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名；荡海燕签字目期：埘；年Ｊ爿工－日

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学位论文作者签名；荡海拯导师签名掷文』

签字日期：Ｍｊ年１月工日签字日期工。笋，月厂日

第一章绪论

§１．１污泥处理技术的发展与现状

工农业生产的发展和城市人口的剧增，带来了大量的生活污水和工业废水，据不完全统计，全国日污水排放量己达１３３．７亿吨。污水体积的０．５％＿１．Ｏ％转化为固态的凝聚体沉降下来，这就是通常所说的污泥。随着废水处理技术的不断发展和废水排放标准制定的日趋严格，污泥的产量会越来越大，大量的未经处理的污泥的任意堆置对环境产生了二次污染，其处置费用也逐年上涨（约占污水处理系统总费用的２５％－３０％）。因此，如何将产量巨大，成分复杂的污泥科学处理，使其无害化、资源化，已成为我国乃至全世界环保界深为关注的课题之一。

从１９０６年第一个双层沉淀池——殷霍夫池在德国诞生以来，污泥处理己有９０多年的历史。目前大多数国家主要采用填埋、焚烧、投海、土地利用等实用性方法来处置污泥（见表１－１、１－２），这些方法都能容纳大量的污泥。是污泥处置的有效途径，但其中也存在一些问题。

表１－１污泥处置与利用途径表１—２部分国家污泥产出量与处理途径

第一章绪论

１．１．１常用污泥处置方法及存在问题

１．１．１－ｌ填埋

污泥填埋一直是最经济的一种污泥处置方法，它投资少，容量大，见效快。而且对于不能资源化利用的废物，是目前唯一的最终处理途径““。截至１９９２年，欧共体国家通过填埋处置的污泥量占总量的４０％左右。

但是，填埋也存在一些问题，如形成的渗出液和气体，可能造成对环境的危害。渗出液是一种被严重污染的液体，如果填埋选址或运行不当，这种液体就会进入地下水层，污染地下水质，填埋厂产生的气体主要是甲烷，若不采取适当措施会引起爆炸和起火，另外，适合填埋的场所因城市污泥的大量产出而越来越有限，这也限制了该法的进一步发展，美国环保局估计未来十几年近８０％的填埋厂将关闭。１。１．１。２焚烧

污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维木质索，可用来焚烧。污泥焚烧后的残渣无菌无臭，体积减少６０％，含水率为０，使运输和最后处置大为简化。脱水后的干污泥发热量约为９３６ｋＪ／ｋｇ，可作为二次能源，因此焚烧法具有一定的应用前景，日本采用该法处置的污泥占总量的６０％以上。如将焚烧后的灰渣作为沥青填料、路床和路基材料等。此法缺点在于污泥焚烧时产生的二氧化硫等气体会造成空气污染；研究表明，即使在焚烧过程中改进技术，回收热能等，仍无法大幅度降低能源消耗，因此成本昂贵。在日本，一套处理量在５０ｍ。／ｄ左右的焚烧设备成本高达２８亿日元。焚烧法在欧美发达国家有较多应用，在我国电已经起步。

１．１．１．３投海

利用水体消纳污泥一般不需要进行严格的无毒无害化处理，污泥无需脱水便可直接排入水体，容量大，对于靠近海岸的大型污水处理厂是一种方便的污泥处置方法，英国２０世纪８０年代初开始采用此法“１，美、日等沿海国家电有较多应用。但此法并未从根本上解决环境问题，同时也造成了海洋污染。美国１９９８年已禁止向海洋倾倒污泥，欧共体也规定从１９９９年开始禁止在海洋中处置污泥。

１．１．１．４土地利用

可以接纳污泥的土地类型很多，如农林业耕地，牧业草地，园林绿地等。近年来污泥的土地利用日益受到重视。欧共体成员国及美国的污泥总产量的４０％Ｊ拖用于农田。污泥中富含的氮、磷、钾及微量元素是植物生长所需的营养成分，因此污泥是肥田、改良土壤、园林绿化建设的好材料。但是污泥中也含有大量的病原菌，寄生虫（卵）以及铜、砷、铝、汞等重金属和难降解的有机化合物，农田施用时，必须采取措施以尽可能降低污泥中污染物带来的危害。２

第一章绪论

§１．２污泥干燥技术的发展与现状

污泥是一种由有机物和无机物组成的含水率很高的混合物，性质相当复杂，国内外关于污泥干燥的基础研究及机理论述方面的成果不多１４１。８０年代，Ｍｕｌｌｅｒ，Ｓａｔｏｅｔａｌ及Ｓｍｏｌｌｅｎｐ】等人对污泥干燥特性进行了研究，发现其与晶体物质的特性有很大差异。他们认为，水分在污泥中有４种存在形式：自由水分，间隙水分，表面水分以及结合水分，他们分别反映了水分与污泥的固态颗粒物的不同结合情况。如图１－１所示。

样晶重量

图卜１污泥的热干燥曲线

１自由水分：蒸发速率恒定时除去的水分。

２间隙水分：蒸发速率第一次下降时期所除去的水分。通常指存在于泥饼

颗粒间的毛细管中的水分。

３表面水分：蒸发速率第二次下降时期所除去的水分。通常指吸附或黏附

于固体表面的水分。

４结合水分：在该干燥过程中不能被去除的水分。这部分水分一般以化学

结合方式与固体颗粒相结合。

污泥与水分的结合方式是影响污泥干燥过程的基本因素．依靠表面张力润湿污泥表面和孑Ｌ隙的纯机械结合的游离水分，结合力弱，在干燥过程中容易除去；由于毛细管作用等分子力而结合的吸收水分，结合力较强，水分含量较稳定，干燥过程中较难除去。根据干燥的目的，干燥过程的计算不必考虑去除化学结合水分．

污泥的干燥过程中，首先是表面结合力弱的游离水分汽化和扩散到干燥空气中去。表面水分汽化后，污泥内部的水分便不断的扩散补充到表面一ｔ－来，维持干燥条件

第一章绪论

（热空气韵温度．湿度和速度）不变，按一定时间测量污泥的含水量，可得到污泥的干燥曲线。在一定的干燥条件下，干燥初期呈现表面水分汽化的等速干燥阶段．在此阶段，污泥表面保持润湿状态，表面温度等于空气湿球温度，热空气供给的热量全部用于水分蒸发。当污泥层的水分向表面扩散的速度降低不足以补充表面的蒸发时，污泥表面水膜消失，干燥速度降低，进入降速干燥阶段，这是干燥的主要阶段。在此阶段中，热空气供应的热量除用于水分蒸发之外，还将加热污泥，使污泥表面温度脱离湿球温度而升高，而污泥水分蒸发形成的水蒸气分压力则逐步接近空气的饱和水蒸气分压力。