超声波辅助污泥热风干燥热湿耦合迁移过程的研究

摘要

污泥的高含水率使污泥体积庞大，易发生变质反应，带来恶臭、水体及土壤污染等一系列的环境问题，机械脱水后的污泥不能满足当前污染排放的环境要求，因此污泥热力干燥是污泥减量化及资源化处理中至关重要的一个环节。然而，污泥粘度大、固液分离性能差及干燥能耗大是当前污泥干燥处理中所面临的关键问题。本文正是针对污泥干燥过程中所存在的问题，将超声波技术与热风干燥结合在一起，对超声波辅助热风作用下污泥干燥热湿耦合迁移过程进行研究，通过超声波在污泥中的传播特性及作用机制强化污泥中湿分的迁移过程，有效提高污泥的干燥效率。
　　首先对超声波预处理前后污泥孔隙结构进行显微观察，采用分形几何对污泥内部微观孔隙结构进行描述，通过分形维数表征污泥内部孔隙尺寸分布特征，同时建立了污泥宏观热湿输运特性参数的分形模型。根据超声处理前后污泥孔隙结构的黑白二值图像，对应计算出污泥表面分形维数df及孔隙通道曲折度分形维数dw。通过研究在超声波作用下污泥内部孔隙分形维数的变化，进而分析超声作用参数对污泥宏观热湿迁移特性的影响关系。研究结果表明，超声波预处理使污泥内部孔隙结构发生改变，污泥絮体颗粒被分散，污泥内部孔隙的平均孔径尺寸逐渐增大。且随着声能密度及处理时间的增加，孔隙表面分形维数df随之增大，而孔隙通道曲折度分形维数dw逐渐减小，污泥渗透率及污泥内部水分有效扩散系数均逐渐递增，超声波作用有效改善了污泥内部流体的输运性能。
　　基于非平衡热力学理论，建立了超声波辅助污泥热风干燥热湿耦合迁移过程的数学模型。模型中考虑了超声作用对污泥孔隙率、渗透率及湿扩散速率的影响及污泥内部声压梯度引起的物料液相湿分渗流。对超声声能密度、污泥厚度、热风温度等不同参数下污泥内部湿度及温度场分布进行了数值模拟。模拟结果表明，超声作用有效加速了污泥湿分迁移速率，且声能密度越大，超声波对污泥干燥过程的强化效果越明显。由于超声波在污泥中沿传播距离会逐渐衰减，因此超声作用对污泥干燥过程的强化程度随着污泥厚度的增加而逐渐减小。此外，超声波热效应虽然使污泥温度有所升高，但污泥内部的温度梯度却略有降低，因此，污泥内部由温度梯度引起的湿分扩散并没有因超声波作用而得到强化。
　　设计并搭建了超声波辅助作用下污泥热风干燥的小型试验台，对超声波与热风联合作用下的污泥干燥特性进行试验研究。通过试验测定了不同超声频率、声能密度及超声作用时间下污泥干燥过程中含湿量及温度的变化，同时对不同声能密度作用下污泥厚度、初始含水率及干燥介质参数包括热风温度、风速等因素对污泥干燥速率的影响进行研究。研究结果表明，超声波作用可以加速污泥样品的热风干燥过程，且污泥初始含水率越大，超声作用对污泥干燥过程的强化效果越好。在声能密度为0.2W/ml～1.0W/ml范围内，与超声作用频率为20kHz时相比，超声频率增加为45kHz时对污泥干燥速率的强化效果没有明显的提高。污泥干燥速率随着热风温度及风速的增加均有所提高，但与热风温度相比，热风风速对污泥干燥过程的影响程度较小。此外，通过将污泥含湿量与温度值的试验数据与数值模拟结果进行对比，二者吻合程度较好，验证了模型的正确性与合理性。