材料处理系统进行污泥干燥实验，实验设备如图1所示。
1.2 实验步骤
1.2.1 污泥含水率测定
①将100ml烧杯置于天平托盘内，重量W1；
②取约20g污泥至烧杯中，达到衡中后记下重量W2，则污泥重量W=W2-W1；
③将烧杯放入烘箱里105℃下烘2小时，放入干燥器内30分钟冷却至室温，称重；
④重复步骤③，至重量不变，得到W3。污泥含水率=（W2-W3）/W*100%。
1.2.2 微波功率对污泥微波干燥效果的影响
取100g污泥置于500ml烧杯中，称重W0，温度计T0；将污泥置于微波干燥设备中加热干燥5min；取出污泥称重W1，同时记录温度T1，蒸发水量=W0-W1；调节微波功率重复上述实验得到不同功率下的水分蒸发量。
1.2.3 辐射时间对污泥微波干燥效果的影响
方法同1.2.2实验，微波功率保持不变，改变辐射时间。
2 结果与分析
2.1 污泥含水率测定结果
本次试验污泥选用北京清河污水处理厂机械脱水后泥饼，经实验测定污泥含水率为82%。
2.2 微波功率对污泥干燥效果的影响
污泥分别在1000W、650W和400W微波功率下进行干燥，不同功率的微波辐射后，污泥重量和含水率变化情况如图2、图3、图4所示，污泥温度变化情况如图5。
实验结果表明，污泥经过微波辐射后，重量显著降低，含水率由82%降至30%以下。由图可知，污泥微波干化分三个阶段：加速干燥、恒速干燥和减速干燥。
微波辐射功率越大，污泥减量速度越快，污泥干化所需时间越短[7]。10分钟时，功率1000W微波干燥下的污泥含水率降至30%，功率650W微波干燥下的污泥含水率降至50%，功率为400W微波干燥下的污泥含水率降至65%。
由污泥温度变化曲线图可知，污泥在微波辐射下，温度迅速升高至100℃，污泥中的水分子优先吸收微波，产生热能使污泥升温；此后污泥温度恒定在100℃，此阶段污泥中的水分迅速蒸发，微波能转化为水蒸发所需的热能，因此污泥温度保持不变；随着污泥含水率的下降，污泥中的固体开始吸收微波，污泥固体温度迅速上升（系统设定污泥温度为120℃时，停止微波辐射）。
2.3 微波干燥效能分析
不同功率下微波干燥污泥能耗变化如图6所示。
由图可知，实验开始的4分钟内，微波能主要转化为污泥升温的热能，水分蒸发量较小，因此污泥干燥效能较高。此时，高功率微波使污泥快速升温，干燥效能降低。随着实验的进行，污泥温度达到水的沸点100℃，大量水分子从污泥内部扩散到污泥表面，再从表面逸出，微波能转化为水分子蒸发焓，污泥干燥效能降低。当污泥温度均达到100℃时，微波功率越低，污泥干燥效能越低，其中400W时，干燥效能为1.47kWh/kg水。微波辐射10分钟后，污泥含水率较低，干燥效能缓慢升高。这主要是因为污泥水分蒸干后，固体组分吸收微波，使微波干燥效能升高。
2.4 微波干燥经济性分析
2.4.1 污泥干燥理论能耗及成本计算
设污泥起始温度20℃，常压下汽化温度为100℃，微波能量转化率η取80%，水比热4.2kJ/kg℃，100℃时水的蒸发焓ΔvapHm（100℃）=40.63kJ·mol-1（即2257kJ/kg），电价按0.7元/kWh（1kWh=3600kJ）。
①1kg含水率80%污泥处理至含水率50%所需能量W总：
1）污泥升温所需能量：
W1=4.2*1000*0.8*（100-20）=269kJ
2）水分蒸发所需要的能量：
W2=2257*（1000-1000*0.2/0.5）=1354kJ
3）所需能量W总=（W1+W2）/η=2029kJ
4）将1kg含水率80%的污泥处理至含水率50%的成本N：
N=W总/3600*0.7=0.394元。
②1kg含水率80%污泥处理至含水率30%所需能量W总：
1）污泥升温所需能量：
W1=4.2*1000*0.8*（100-20）=269kJ
2）水分蒸发所需要的能量：
W2=2257*（1000-1000*0.2/0.7）=1612kJ
3）所需能量W总=（W1+W2）/η=2351kJ
4）将1kg含水率80%的污泥处理至含水率30%的成本N：N=W总/3600*0.7=0.457元。
③1kg含水率80%污泥处理至含水率10%所需能量W总：
1）污泥升温所需能量：
W1=4.2*1000*0.8*（100-20）=269kJ
2）水分蒸发所需要的能量：
W2=2257*（1000-1000*0.2/0.7）=1755kJ
3）所需能量W总=（W1+W2）/η=2530kJ
4）将1kg含水率80%的污泥处理至含水率10%的成本N：N=W总/3600*0.7=0.492元。
污泥干化后热值约为1500大卡/kg，即6300kJ/kg，3吨干燥污泥相当于1吨4500大卡燃煤[8]。1kg含水率80%污泥含0.2kg干污泥，热值约为1260kJ。
理论计算结果：含水率80%的污泥处理至50%时，成本为394元/t污泥；处理至30%时，能耗为650kWh/t污泥，成本为457元/t污泥；处理至10%时，能耗为910kWh/t污泥，成本为492元/t污泥。
2.4.2 经验公式计算污泥干燥能耗及成本技术
工业微波干燥固体的能耗经验值约为1.3kWh/kg水，含水率80%的污泥处理至50%时，能耗为780kWh/t污泥（按80%含水率算），成本为546元/t污泥（每度电0.7元）；处理至30%时，能耗为929kWh/t污泥，成本为650元/t污泥；处理至10%时，能耗为1011kWh/t污泥，成本为707元/t污泥。
2.4.3 微波干燥污泥实验能耗及成本计算
含水率82%污泥进行微波干化实验，处理至含水率为50%时，干燥污泥能耗为867kWh/t污泥（以每度电0.7元算，约607元/t污泥）；处理至含水率为30%时，干燥污泥能耗为1133kWh/t污泥（793元/t污泥）；处理直含水率10%时，干燥污泥能耗为1300kWh/t污泥（910元/t污泥）。污泥干燥成本比较如表1所示。由表1可知，实验干燥污泥成本远高于理论成本及经验成本，推测原因，微波加热产生的水蒸气不能及时排走，消耗微波能。
3 结论
微波干燥技术可高效降低污泥含水率，含水率82%的机械脱水污泥通过微波干燥后含水率降至10%以下。微波功率越高，污泥干燥速度越快，干燥能耗越大。微波法干燥污泥减量效果明显，处理速度快，但运行成本较高。
参考文献：
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