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章华熔
（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）
随着我国经济社会的快速发展，污泥产量逐年增加而无法得到有效处理处置的问题日益突出［1］。目前，大多数污水处理厂仅对浓缩污泥进行机械脱水处理，但得到的脱水污泥含水率仍然高达80%，无法达到卫生填埋、焚烧等后续处理处置的要求［2］。热干化技术作为一种降低污泥含水率的有效手段，近年来越来越受到市场的认可。它是通过专门的设备对污泥进行加热干化，能最大限度地实现污泥减量化、无害化的处理要求［3］。其中，带式干燥机因具备不存在污泥粘滞阶段运行的问题、污泥干化产物含水率便于调整且维护费用小、热源广等诸多优点而普遍应用于污泥干化领域，其工作原理是直接利用热的干燥介质与污泥直接接触，以对流方式传递热量，并将蒸发的水分带走［4］。
工业应用的带式干燥机通常采用上进风或下进风方式对污泥进行干燥，热风穿透网带和污泥层的过程中会产生局部的压降。为了便于开展污泥带式干燥机结构设计、风机选型等工作，需要研究不同条件下网带上泥层的形态及各泥层在干燥过程中的压降变化，为工程设计提供理论依据。目前，该领域的研究非常少，本文通过搭建小型的压降测试实验台，研究污水处理厂脱水污泥干燥过程各阶段的压降变化。
2.1 实验装置
本研究应用的污泥带式干燥机采用3 层传送网带结构，利用热泵系统进行供热。建设的泥层压降测试实验装置如图1 所示，空腔干燥箱设计成圆柱体，上、下端均设有气流均布格栅。用于盛放污泥的孔板托盘直径与干燥箱内腔一致，通过称重系统悬吊在干燥箱内部，设计成恰好接触干燥腔内壁而不与其发生挤压碰撞，实验时关闭干燥箱箱门，在密闭空间内对污泥进行干燥实验。
图1 污泥热风干化压降测试装置示意
在本研究中，污泥经过挤压生成一定尺寸的泥条自然掉落在托盘上，摊铺成一定厚度的污泥层，高温空气自下而上进入干燥箱，经过格栅的整流作用形成均匀分布的气流对污泥层进行对流干燥，其中托盘的开孔规格与带式干燥机不锈钢网带的开孔规格一致。在热风穿透托盘和污泥层的过程中产生压力损失（压降），其中压降为动压差与静压差之和。由于干化段上、下游管道尺寸未变，动压影响较小，因此可以直接用静压差表示泥层压降。本研究分别在孔板托盘的上方和下方设置静压测试口，通过压差计测量孔板托盘上、下方的压损数值。
2.2 实验方法
本研究着重考察泥条直径、泥层厚度、污泥干化过程中不同含水率阶段、网带不同位置、不同热风风速（0.25～1.5 m/s）下对污泥层压降的影响。本研究所用污泥取自某污水处理厂，污泥含水率约85%，污泥压实密度为923.6 kg/m3。
3.1 孔板压降空白实验
孔板托盘会在干化过程产生局部压降，因此在研究泥层的压降之前，对孔板压降进行空白实验，以排除孔板对泥层压降测试的影响。本研究在70 ℃、RH 5%的工况条件下进行。当孔板托盘内未放置污泥时，分别设定进风风速为0.25，0.50，0.75，1.00，1.50 m/s，测试孔板产生的压降，结果见图2。在不同风速下，孔板的压降分别为0，0，0，1.0，7.0 Pa，表明低风速下孔板产生的压降极小，可忽略不计，而当风速提高至1.50 m/s 时，孔板托盘产生的压降为7.0 Pa，则不可忽略。后续实验在不同风速下得到的实测压降值减去孔板压降值，即可得到泥层的实际压降值。
图2 不同风速下的孔板压降分布
3.2 不同泥条直径对压降的影响
工业应用的带式干燥机在进行干化作业前，为了降低污泥内水分的传质和蒸发路径，会优先利用成型机将污泥切割成不同尺寸的泥条再进行干化，而不同直径的泥条组成泥层的干化效果也有所差异。因此本研究参考工业应用中将污泥压条成型制得5，7，9 mm 3 种常用的泥条直径，于孔板托盘内摊铺成50 mm 厚的污泥层，孔板托盘规格为：（π×100 mm2）×50 mm。
泥条不同直径下测得的堆积密度和孔隙率见表1。
表1 不同泥条直径下的泥层堆积密度和孔隙率
从表1 中可以看出，泥条直径从5 mm 增加到7 mm 时，污泥层的堆积密度从587.3 kg/m3降低到539.3 kg/m3，原因为泥条直径增加时，泥层孔隙率从34.4%提高至41.6%，从而降低了泥层的堆积密度。但当泥条直径进一步提高至9 mm 时，泥层的孔隙率却降低至35.8%，泥层对应的堆积密度提高至592.7 kg/m3，这是因为当泥条直径再度增加后，在压条成型过程中由于泥条的自重增加，使其容易断裂成小的泥粒，泥粒的体积小，比表面积大，在摊铺过程中容易形成紧凑夯实的泥层［5］。此外，泥条直径在5 mm 时的泥层孔隙率低于泥条直径9 mm 时的泥层孔隙率，但是泥层堆积密度却更低，造成这一反常现象的原因是5 mm 泥条成型过程中受到的挤压力更大，在泥条成型过程中部分间隙水被脱除，使得泥层的堆积密度降低。最终测得不同泥条直径下泥层产生的压降结果见图3。
图3 不同泥条直径对污泥层压降的影响
从图3 中可以看出，当风速提高至1.50 m/s时，9 mm 泥条直径堆积的泥层产生的压降最高，为79.1 Pa。3 种不同泥条直径下泥层的压降差异并不显著，且未发现规律性变化。
3.3 不同泥层厚度对压降的影响
本研究选用7 mm 的泥条，对不同厚度下污泥层的压降进行测试，泥层堆积密度和孔隙率随泥层厚度的变化关系见表2。从表2 可以看出，当泥层厚度从30 mm 增加到70 mm 时，污泥层的堆积密度从548.9 kg/m3降低至517.0 kg/m3，但当泥层厚度进一步提高至90 mm 时，泥层的堆积密度却提高至590.3 kg/m3。分析原因为：当泥层厚度增加时，污泥条之间形成的搭桥越多，容易“架空”污泥层，所以泥层孔隙率会增加，但是泥层厚度过高时，受污泥自重影响，导致搭桥塌陷、污泥压实，从而使得污泥层的孔隙率降低［6］。
表2 不同厚度下的泥层堆积密度和孔隙率
不同泥层厚度下的压降变化如图4 所示。当泥层厚度提高时，泥层的压降也随之增加，且泥层压降随风速的提高而显著增加。泥层厚度为30 mm 时，当风速从0.25 m/s 提高至1.50 m/s 时，泥层的压降从0 Pa 提升至38.4 Pa；
但是在泥层厚度为90 mm时，当风速从0.25 m/s 提升至1.50 m/s 时，泥层的压降则从0 Pa 显著提高至203.2 Pa。这是因为泥层厚度越大，气流穿透泥层所需克服的阻力越大［7］。
图4 不同泥层厚度对污泥层压降的影响
3.4 干燥过程不同含水率下泥层的压降变化
在带式干燥机的运行过程中，污泥在传送网带的输送过程中不断被干化，污泥的含水率也在实时发生变化。在污泥的干化作业中，为了便于污泥的终端处置，通常需将湿污泥干化至含水率为30%～40%［8］，甚至更低。本研究采用7 mm 的泥条，铺设成50 mm 厚的泥层，当污泥干化至含水率分别为80%，70%，60%，50%，40%时，考察污泥层产生的压降变化，结果见图5。
图5 干化过程不同含水率条件下污泥层压降的变化
从图5 中可以看出，随着干化过程污泥含水率的降低，泥层的压降呈逐级降低趋势，这归咎于污泥干化过程中泥条发生收缩并皲裂，从而导致泥层的孔隙率增加，泥层厚度降低，从而降低了气流吹扫穿透泥层的压降［9］。值得注意的是，在同一风速下，污泥层大部分的压降集中发生在含水率从80%至70%的干化段，这是因为半数的失水量发生在这一阶段，其间污泥形态已经发生了较大改变。当污泥含水率从80%降至70%时，失水量高达1.67 g水/g干基，数值上等同于含水率从70%降低至40%时的污泥失水量。
3.5 带式干燥机不同位置处的泥层压降
工业应用的带式干燥机在干化污泥的作业中情况更为复杂，本研究用的带式干燥机采用下进风方式，热风依次自下向上穿透第三层、第二层和第一层的网带对污泥进行干化，干燥机设计热风风速0.6～0.9 m/s。本研究分别测得1 层网带进口、1～2 层网带交界处、2～3 层网带交界处和3 层网带出口处的污泥含水率分别为85.24%，79.31%，70.16%，42.01%；
各个位置处泥层的堆积密度为699.4，582.9，570.0，540.0 kg/m3。这说明随着干化过程的进行，污泥含水率和堆积密度逐步降低。在保持各个位置处污泥层的堆积形态、泥层厚度等条件不变的情况下，利用泥层压降检测实验装置，分别测得泥层的压降变化，结果见图6。
图6 干燥机不同位置处的泥层压降
从图6 中可以看出，在0.75 m/s 风速下，1 层网带进口的压降为22.5 Pa、1～2 层网带交界处泥层的压降为16.2 Pa、2～3 层网带交界处泥层的压降为10.5 Pa，3 层网带出口的泥层压降为6.4 Pa。上述现象表明，随着干化作业的进行，各位置的污泥层压降逐步降低。此外，在本研究工况中，在1 m/s 的限定风速下，计算得出3 层网带上污泥层产生的总压降达到了71.5 Pa。上述结果能够为干燥机的选型设计提供理论依据。
通过实验研究表明，不同工况下泥层产生的压降各不相同：（1）由于泥层会阻碍气流运动，泥层产生的压降都显著高于空载时的孔板产生的压降，且压降会随着风速的提高而显著增加。（2）5，7，9 mm 3 种不同泥条直径下泥层的压降差异并不显著，且未发现规律性变化。（3）30，50，70，90 mm 的泥层厚度下，泥层的压降随厚度的提高而增加。（4）在干化至80%，70%，60%，50%，40%的不同的含水率阶段，随着干化过程污泥含水率的降低，泥层的压降逐步减小，且泥层大部分的压降集中在含水率80%至70%的干化段。（5）随着干化作业的进行，各位置的污泥层压降逐步降低，在1 m/s 的限定风速下，计算各层网带上污泥层产生的总压降达到71.5 Pa。
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