基于结构优化方法的污泥干燥图像分析及机理研究

Municipal sewage sludge seriously pollutes environment and endangers human health. Thermal drying is a means for sludge stabilization, which can reduce the damage from sludge. However, the sludge seriously shrinks in thermal drying, which leads to tight internal structure, poor heat and mass transfer, and poor drying effect. Previous studies found that mixing dry matter into wet sludge enhanced the drying effect of sludge. Therefore, the applicant speculates that mixing dry matter can improve the structure of sludge and inhibit its shrinkage effect during drying. On the basis of this hypothesis, the applicant intends to study the influence of structure improvement on sludge drying through experiments and image analysis. Two methods, mixing dried sludge and mixing sawdust into wet sludge respectively, are proposed in this project. The drying experiments of sludge in a fixed bed and the X-ray computerized tomography (CT) experiments of sludge will be carried out. The image analysis of the sludge bed and of the single columnar sludge will be done. The differences in structural characteristics and in drying characteristics caused by these two methods will be compared. The relationship between the structural characteristics of sludge and its drying characteristics will be studied, and then the mechanism of improving the drying effect of sludge by structure improvement will be clarified. This research will help to reduce the shrinkage effect of sludge during drying and to reveal the general rule of enhancing the drying effect of sludge by the structure improvement methods. Moreover, this research will furnish the experimental evidence and theoretic foundation for sludge stabilization, which has important scientific significance.

城市污水厂污泥严重污染环境和损害人类健康。采用热干燥这种污泥稳定化处理手段，可降低其危害。然而，污泥在热干燥中收缩严重，内部结构变得紧密，阻碍传热传质，导致干燥效果变差。既往研究发现，湿污泥中掺混干物质可改善干燥效果。申请人推测掺混干物质的本质是优化了污泥结构，抑制污泥在干燥中的收缩。基于此，申请人拟采用实验和图像分析的手段，研究结构优化对污泥干燥的影响。本项目提出向湿污泥中分别掺混干污泥和掺混木屑这两种结构优化方法，开展污泥固定床干燥实验和X射线CT扫描实验，对污泥床层和单个柱状污泥的图像进行分析，比较这两种方法引起的结构特性差异和干燥特性差异，并深入研究污泥结构特性与干燥特性的相关性，阐明通过结构优化提升污泥干燥效果的机理。对这一机理的阐明，将有助于减轻污泥在干燥中的收缩，揭示采用结构优化方法提升污泥干燥效果的一般性规律，并为污泥的稳定化处理提供实验依据和理论基础，具有重要的科学意义。

城市污水污泥严重污染环境，而热干化是一种有效的污泥稳定化手段，可降低其危害。由于污泥呈软膏状，直接进行热干化效果不佳。本项目采用向湿污泥中分别掺混干污泥和掺混木屑这两种方法，并采用X射线断层扫描装置测量污泥干化过程中其内部结构的变化，探寻掺混干物质提升污泥干化效果的机理。主要研究结果为：1. 向湿污泥中掺混木屑形成污泥-木屑混合物，可使污泥干化时间变短，在所用的三种污泥中，含水量最低的效果最为明显。高含水量会降低污泥的刚度，但掺混木屑会提升其刚度。此外，掺混木屑会使污泥床层体积、空隙率和总接触面积增大。当使用相同的污泥基体时，初始总接触面积随着刚度的增加而增大；但对于不同的污泥基体，其趋势不完全一致。然而，即使对于不同的污泥基体，最大干化速率几乎总与初始总接触面积成正比。因此，增加初始总接触面积是增大污泥干化速率的有效方法。2. 向湿污泥中掺混干污泥形成返混污泥，在干化过程中污泥的总接触面积和固体体积均随污泥含水量降低而线性减小。当掺混更大比例的干污泥时，干化速率、总接触面积、固体体积和对流传质系数都会增大。与原始污泥相比，对于70％的返混污泥，其平均干化速率提高了32.9％，初始总接触面积增加了29.8％，最终总接触面积增加了97.1％，初始固体体积增加了7.5％，最终固体体积增加了195.8％，平均对流传质系数也增加了60％。当增加干污泥的掺混量时，固体体积的收缩率从82.1％（原始污泥）降低到50.8％（70％返混污泥）。就其对污泥干化速率的影响而言，总接触表面比固体体积起更重要的作用。3. 与原始污泥相比，返混污泥的平均干化速率提高了5.26％，污泥-木屑混合物的平均干化速率提高了25％。因此，掺混木屑比掺混污泥对污泥干化的优化效果更好。对于原始污泥和返混污泥，固体体积和总接触面积都随着污泥含水量的减少而线性减小。对于污泥-木屑混合物，固体体积和总接触面积在干化初期几乎呈线性下降趋势，在30分钟后干化过程仍在进行但它们几乎保持恒定。固体体积收缩率的大小顺序为：原始污泥>返混污泥>污泥-木屑混合物。对于原始污泥和返混污泥，干化中它们的裂纹主要出现在单个柱状污泥的中心。但对于污泥-木屑混合物，单个柱状污泥中各处都出现裂纹。木屑在污泥干化中起到支撑作用，减轻了收缩效应，改善了污泥的干化效果。上述研究结果为城市污水污泥的稳定化处理提供了重要的指导依据。