随着我国工业不断发展和城镇化速度不断加快,污水处理厂产生污泥的量快速增加。污泥干燥是污泥终端处置或再生利用处理前十分重要的预处理环节,热干燥是干燥污泥常用的方法。为了提高干燥污泥的效率,深入开展对污泥干燥过程传热传质特性及收缩特性的影响规律研究具有重要的科学意义和工程应用价值。(1)本文基于自行设计搭建的低温热风对流干燥试验台,对污泥薄层干燥过程的传热传质特性进行实验分析,研究了热风温度、空气流速及污泥厚度对污泥水分比、湿分迁移速率、薄层内温度影响规律等,并提出了污泥干燥动力学模型;基于传热传质理论、以液态扩散理论为基础的Fick第二定律和Arrhennius定律探讨了湿分迁移动力学特性;利用MATLAB软件中的图像处理技术开展了污泥干燥收缩特征研究;运用ANSYS FLUENT软件对污泥干燥过程的传热传质特性进行数值模拟计算。(2)对污泥水分比和湿分迁移速率特性研究分析,结果表明:污泥的干燥速率大致分为四个阶段即加速段、恒定段、第一降速段和第二降速段;同一湿分比下温度越高、风速越高、厚度越薄污泥干燥速率越大,且随着污泥湿分比的减少,污泥厚度、热风的风速和温度对污泥干燥速率的影响程度越来越小。接着对污泥干燥模型进行预测,发现Modified Page模型能够很好的预测出污泥干燥过程中水分比的变化规律。接着对有效湿分扩散系数进行计算分析,以污泥10 mm厚、风速4 m/s为例,干燥温度由40℃上升至60℃时,污泥干燥过程第一阶段和第二阶段有效湿分扩散系数分别增加了33.4%和54%。其他工况不变,改变污泥的厚度和热空气流速时,分别计算有效湿分扩散系数的变化范围。结果表明热风温度、风速和污泥厚度对污泥湿分扩散系数均有显著的影响,且污泥厚度对有效湿分扩散系数影响程度最大、热风风速对有效湿分扩散系数的影响程度最小。(3)本节自行编写一个对污泥图像灰度化及二值化处理的程序,调用到MATLAB软件中对污泥表观图像进行处理,研究污泥干燥过程收缩现象,结果表明:污泥干燥过程的中前期收缩幅度大,后期收缩现象则不明显;以污泥10mm厚、温度为40℃为例,改变风速为4 m/s、5 m/s、6 m/s,干燥结束时污泥体积比分别为0.44、0.48、0.46,污泥10 mm厚、5 m/s风速时,热风温度分别为40℃、50℃、60℃,干燥结束时污泥体积比分别为0.48、0.56和0.68,可见相同的风速和污泥厚度工况下,热风温度越高,干燥结束时刻的体积比越大、污泥收缩量越小;在相同的热风温度和污泥厚度工况下,风速改变对污泥的收缩量基本无影响。(4)基于三维ICEM-CFD软件建立干燥箱体和污泥薄层的物理模型,自行编写污泥源项的UDF(User Defined Function)程序,结合ANSYS FLUENT模拟分析软件对污泥干燥过程传热传质进行数值计算,将实验得到的结果与模拟计算的结果对比分析发现:在干燥过程污泥产生收缩裂缝现象前,污泥中水分变化的模拟值与实验值吻合程度较高,误差最大约5%,随着干燥过程的进行,污泥开始出现收缩裂缝现象时,模拟值与实验值开始产生误差且随着干燥过程的进行误差不断增大;污泥薄层内部平均温度的模拟值和实验值基本一致。由此得出,模拟计算过程中选用的数学模型和污泥物性参数适用于污泥干燥过程的模拟计算,同时也发现污泥干燥过程产生的收缩裂缝现象对污泥传质现象有较大的影响,而对污泥的传热则影响较小。