（生态学专业论文）污泥蛋白发泡特性及应用研究.pdf

摘要 将武汉市沙湖污水处理厂污泥经碱法高温强制水解、过滤、浓缩得到污泥蛋白，以 此污泥蛋白为实验材料，研究其发泡特性与应用。研究表明，在没有稳定剂的条件下， 污泥蛋白作为发泡剂的最佳稀释倍数范围在8 - 1 0 倍之问；在选择稳定剂实验研究中， c m c 、c r a b 、黄原胶对污泥蛋白制成的发泡剂泡沫均有一定的稳泡作用，其中，黄原 胶作为污泥蛋白泡沫稳定剂时，泡沫的稳泡性最好，污泥蛋白的初始发泡体积随着黄原 胶添加量的增加而降低，污泥蛋白泡沫的半衰期随着黄原胶添加量的增加而增加；以污 泥蛋白1 0 m l 、水9 0 m l 、黄原胶0 4 9 为研究对象，测得泡沫初始体积为7 7 0 m l ，泡沫泌 水时间大于1 5 小时；对该污泥蛋白发泡剂( 已添加稳定剂) 泡沫特性以及不同条件对 污泥蛋白发泡剂的泡沫稳定性作进一步研究，结果表明：污泥蛋白发泡剂搅拌5 m i n ， 其综合发泡能力最大为2 2 x1 0 6 m l m i n ；在研究环境温度对污泥蛋白发泡剂泡沫稳定 性影响试验中，温度设定为1 0 1 0 0 ，发现泡沫的泌水时间和泡沫的半衰期都是随 着温度的上升而下降；在研究环境酸碱度对泡沫稳定性影响试验中，发现在p h 为1 时 泡沫很不稳定，泡沫泌水时间为3 5 小时，p h 为3 。7 时泡沫泌水时间大于2 8 小时，p h 为9 1 3 时泡沫稳定性呈下降趋势，泌水时间大于1 5 小时，仍相当稳定；经过对高稳定 性污泥蛋白发泡剂发泡特性研究以及对水泥的胶凝时间、特性进行比较，研制污泥蛋白 泡沫混凝土发泡剂，制备污泥蛋白泡沫块；结果表明：污泥蛋白泡沫混凝土发泡剂的不 同添加量和调配水泥的不同加水量对泡沫混凝土块的密度、体积都有直接的影响，当污 泥蛋白泡沫混凝土发泡剂的用量分别为0 m l 、6 m l 、6 8 m l 、7 6 m l 、8 4 m l 、9 2 m l ，水泥 为2 0 0 9 时，用最小水量调配水泥并制备泡沫混凝土块，其密度由2 0 7 9 c m 3 下降到 0 4 6 9 c m 3 ，体积由1 3 0 c m 3 上升到7 3 0 c m 3 ；用最大水量调配水泥制备泡沫混凝土块，其 密度由2 0 7 9 c m 3 下降到0 3 4 9 c m 3 ，体积由1 3 0 c m 3 上升到7 5 5 c m 3 ；在泡沫混凝土块脱 模后的第1 天、第7 天、第2 8 天分别称量他们的重量变化情况，结果表明，泡沫混凝 土块第1 天和第7 天无重量变化，第2 8 天的重量明显减轻；污泥蛋白泡沫混凝土发泡 剂8 4 m l ，水泥2 0 0 9 ，分别用搅拌器搅动5 、1 0 、1 5 、2 0 分钟，经过倒模、成型制备泡 沫混凝土块，结果表明，所制备的泡沫混凝土块密度随着搅拌时间的增加而减小，体积 随着搅拌时间的增加而增加，但当搅拌2 0 m i n 时，所制备的泡沫混凝土块出现了严重的 塌模现象。在实验室研究利用污泥蛋白泡沫混凝土发泡剂制备泡沫混凝土块可行的基础 上，在武汉达权节能板材有限公司进行了以污泥蛋白泡沫混凝土发泡剂泡沫( 通风并搅 拌产生) 代替聚苯乙烯泡沫颗粒制备轻质节能板材的放大实验探索，结果表明，污泥蛋 白泡沫混凝土发泡剂泡沫可以代替聚苯乙烯泡沫颗粒，其生产工艺可行，配方为( 每5 m 2 轻质节能板材) ：污泥蛋白泡沫混凝土发泡剂1 2 k g ( 产生泡沫约o 3 m 3 ) ，水泥1 5 0 k g ， 粉煤灰2 5 k g ，纤维0 2 5 k g 。该公司技术人员现场估计所生产污泥蛋白泡沫混凝土轻质节 能板材的抗压强度、抗折强度、密度等参数应在标准之内，拟计划下一步完善工艺及配 方，实现污泥蛋白泡沫混凝土发泡剂代替聚苯乙烯泡沫颗粒，产业化生产污泥蛋白泡沫 混凝土轻质节能板材。 关键词：污泥蛋白；发泡特性；应用研究 i i a b s t r a c t s l u d g ep r o t e i ni sp r e p a r e db ya l k a l i n eh y d r o l y z a t i o no fs l u d g ea th i g h t e m p e r a t u r e ， f i l t r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o n s a m p l eo f s l u d g ew a s t a k e nf r o mw u h a ns h a h u s e w a g et r e a t m e n t p l a n t t os t u d yi t sc h a r a c t e r i s t i c so ff o a m i n ga n da p p l i c a t i o n ，av a r i e t yo ff a c t o r si n c l u d i n g d i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n da d d i t i v e sw a st e s t e d o u rr e s u l t ss h o w st h a t8 1 0f o l dd i l u t i o no f s l u d g ep r o t e i ni sf o ri t sf o a m i n gw i t h o u ts t a b i l i z e r c m c ，c t a b ，x a n t h a ng u m ，s l u d g ep r o t e i n s t a b i l i z e r , h a v ec e r t a i ns t a b l ee f f e c t a sc o m p a r e dw i t hc m c ，c t a b ，x a n t h a ng u mi st h eb e s t f o a ms t a b i l i t y t h em o r ei n i t i a lf o a mv o l u m eo fs l u d g ep r o t e i ni s ，t h el e s st h ea m o u n to f x a n t h a ng u mn e e d s h a l f - l i f eo fs l u d g ep r o t e i nf o a mi sp o s i t i v e l yr e l a t e dw i t ht h ea m o u n to f x a n t h a ng u m w h e n1 0 m ls l u d g ep r o t e i n ，9 0 m lw a t e ra n d0 4 9x a n t h a ng u mm i x e dt o g e t h e r , t h ei n i t i a lv o l u m eo ff o a ma p p r o a c h e dt o7 7 0 m la n df o a ms e e p i n gt i m ew a sm o r et h a n1 5 h o u r s t oi n v e s t i g a t ef o a m i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g ep r o t e i nf o a m i n ga g e n ta n df o a m s t a b i l i t yo fs l u d g ep r o t e i nf o a m i n ga g e n tu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e l a r g e s tc o m p r e h e n s i v ef o a m i n gc a p a c i t yo ft h ef o a ml i q u i dr e a c h e s2 2 x 1 0 0 m l m i na f t e r s t i r r i n gi n5m i n u t e s t ot e s tt h ei m p a c to ft e m p e r a t u r e ( 1 0 - 1 0 0 。c ) o nf o a ms t a b i l i t yo fs l u d g e p r o t e i nf o a m i n ga g e n t ，w ef o u n df o a ms e e p i n gt i m ea n df o a mh a l f - l i f ei n c r e a s e da st h e t e m p e r a t u r ed e c r e a s e d w ea l s ot e s t e de f f e c to fp h1 1 3a n df o u n d ( 1 ) t h ef o a mi su n s t a b l e a n dt h ef o a ms e e p i n gt i m ei s3 5 ha tp h1 0 ( 2 ) t h ef o a mi ss t a b i l i t ya tp h3 0 7 0a n df o a m s e e p i n gt i m ei sm o r et h a n2 8 ha n d ( 3 ) t h ef o a mi sl e s ss t a b l ea tp h9 0 - - - ，1 3 0a n df o a m s e e p i n gt i m ei sm o r et h a n1 5 h b a s e do nt h ef o a m i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t yo fs l u d g e p r o t e i nf o a m i n ga g e n ta n dc e m e n tg e l a t i o nt i m ea sw e l la sc e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，f o a m c e m e n tb l o c kw a sm a d eu s i n gs l u d g ep r o t e i nf o a m i n ga g e n ta ss l u d g ep r o t e i nf o a mc o n c r e t e f o a m i n ga g e n t ，t h er e s u l t ss h o w d i f f e r e n ta m o u n to ft h es l u d g ep r o t e i nf o a mc o n c r e t ef o a m i n g a g e n ta n da d d i o no fw a t e rd i r e c t l yi m p a c to nt h ed e n s i t ya n dv o l u m eo ft h ef o a mc o n c r e t e b l o c k w h e n0 m l ，6 m l ，6 8 m l ，7 6 m l ，8 4 m l ，9 2 m lo fs l u d g ep r o t e i nf o a mc o n c r e t ef o a m i n g a g e n tw a sr e s p e c t i v e l ym i x e d w i t h2 0 0 g o fc e m e n tt om a k ef o a mc o n c r e t eb l o c k ，t h ed e n s i t y o ft h ef o a mc o n c r e t eb l o c kd e c r e a s e df r o m2 0 7 9 c m jt o0 4 6 9 c m j a n dt h ev o l u m eo ff o a m c o n c r e t eb l o c ki n c r e a s e df r o m1 3 0 c m 3t o7 3 0 c m 3w h e nt h em i n i m a la m o u n tw a t e rw a sa d d e d i n t oc e m e n tp o w d e r w h i l et h em a x i m a la m o u n to fw a t e rw a sa d d e di n t oc e m e n t ，t h ed e n s i t y o ft h ef o a mc o n c r e t eb l o c kd e c r e a s e df r o m2 0 7 9 c m jt o0 3 4 9 c m ，a n dt h ev o l u m eo ft h e f o a mc o n c r e t eb l o c ki n c r e a s e df r o m13 0 c m 3t o7 5 5 c m 3 t h ef o a mc o n c r e t eb l o c kw a s w e i g h t e da tl d ，7 da n d2 8 dr e s p e c t i v e l yi ne a c hc a s e ，t h ew e i g h to ff o a mc o n c r e t eb l o c kw a s u n c h a n g ea t lda n d7 d h o w e v e r , t h ef o a mc o n c r e t eb l o c kl o s si t sw e i g h ta t2 8 d 8 4 m l i i i f o a m i n ga g e n to fs l u d g ep r o t e i nf o a mc o n c r e t ew a sm i x e dw i t h2 0 0 9c e m e n ti nam i x e ra n d a g i t a t e df o r5 ，1 0 ，1 5a n d2 0m i n ，a n dp u tt h e mi n t oam o l d w ef o u n dt h el o n g e rt h em i x i n g t i m ew a s ，t h el e s si t sd e n s i t yi sa n dt h em o r ei t sv o l u m ei s w h e nt h ea g i t a t i n gt i m er e a c h e dt o 2 0m i n ，t h ef o a mc o n c r e t eb l o c kc o l l a p s e d o u rr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ti ti sf e a s i b l et om a k e f o a mc o n c r e t eb l o c kb yu s i n gs l u d g ep r o t e i nf o a mc o n c r e t ef o a m i n ga g e n ta sf o a mc o n c r e t e f o a m i n ga g e n t ，a tl e s ti nt h el a b o r a t o r y w ea l s ou s e ds l u d g ep r o t e i nf o a mc o n c r e t ef o a m i n g a g e n ta sf o a mc o n c r e t ef o a m i n ga g e n ti n s t e a do fp o l y s t y r e n ef o a mt om a k el i g h t w e i g h tb o a r d i nw u h a nd a q u a n b o a r dc o m p a n y w ef o u n dt h a ti ti sf e a s i b l et ou s es l u d g ep r o t e i nf o a m c o n c r e t ef o a m i n ga g e n tt or e p l a c ep o l y s t y r e n ef o a m ，a n df o rp e r5 m 2b o a r d ：s l u d g ep r o t e i n f o a mc o n c r e t e1 2 k g ，c e m e n t1 5 0 k g ，f l ya s h2 5 k g ，f i b e r0 2 5 k g t h ec o m p a n y st e c h n i c a l p e r s o n n e le s t i m a t e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，f l e x u r a ls t r e n g t h ，d e n s i t ya n ds oo n ，w h i c hr e a c h j c t1 0 6 2 - 2 0 0 7 n e x t ，i t 1 1b ea c h i e v e dt h a ti n d u s t r i a l i z e dp r o d u c el i g h t w e i g h tb o a r do f s l u d g ep r o t e i nf o a m e dc o n c r e t e k e yw o r d s ：s l u d g ep r o t e i n ；f o a m i n gc h a r a c t e r i s t i c s ；a p p l i e dr e s e a r c h 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年月日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允 许采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 指导教师签名： 日期：年月日 日期： 1 前言 1 日l j 吾 改革开放三十年来，随着我们国家城市社会经济的高速发展，我国的城市污水处理 基础设施的建设取得了很大的进步。城市化建设步伐的加快，城市污泥的处理提上了议事 日程，2 0 0 8 年3 月在中国杭州召开了全国第三届污泥处理与综合利用研讨会，会上有关 专家和学者以及各污泥处理和应用研究企业讨论和发表了各自对污泥处理和利用的看 法及其先进技术，这说明国内对于污泥的有效处理和利用越来越重视【1 1 。城市污水处理能 力从过去的每天处理污水1 0 0 多万吨增长到今天的每天处理污水3 0 0 0 多万吨。按照这 样一个进程，至2 0 1 5 年，全国城市污水处理厂的数量将达到2 0 0 0 座以上，污水处理 率将达到7 0 以上，我国的水污染将得到有效控制，水环境将明显改观。一个经济发 展，社会健全，环境优美，以人为本的和谐社会才会显现。但是，在污水处理能力建设 的这一快速发展中，一个曾经忽视，而今又必须面对的问题是伴随着污水处理能力的提 高，污水处理的中间产物污泥必须要得到妥善的处理和处置。 城市污水厂污泥是城市生活污水和工业污水处理过程中产生的固体废弃物，经过活 性污泥法废水处理工艺，产生的剩余污泥量约占处理污水量的0 3 o 5 ( 含水率以 9 7 计) ，数量十分巨大1 2 1 。污泥处理的投资和运行费用巨大，可占整个污水厂投资及运 行费用的2 5 - - 4 0 ，甚至高达6 0 1 3 1 ，已成为城市污水处理厂所面临的沉重负担。污 泥处置的困难不仅仅是我国在环境综合整治工作中出现的问题，也是目前世界各国都面 临的挑战，大家集中努力的目标是污泥的减量化、无害化、稳定化、资源化的处置。一 种有效的污泥处理处置方法，应该是兼顾到环境生态效益，社会效益和经济效益相均衡 的，因此，寻求有效的污泥处理利用技术具有重要的现实意义，且迫在眉睫。 1 1 污泥的特性及处理、利用概况 1 1 1 污泥的简介 污泥是污水处理后的产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的 极其复杂的非均质体【4 1 ，含有一定量的难降解有机物和重金属，并含有病原微生物和寄 生虫卵等。有机物主要有蛋白质、油脂、粗纤维、腐植酸等；无机物则有各种金属化合 物及无机酸盐。生污泥约含6 5 的有机物和3 5 的无机物：消化污泥则含5 5 的有机物 和4 5 的无机物【5 j 。污泥中含有丰富的可以利用的氮、磷、钾、多种微量元素和有机质， 同时也含大量的病原体、寄生虫( 卵) 、重金属和多种有毒有害有机污染物，如果不能妥 善安全的处置，将给生态环境带来巨大的压力。 湖北人学硕+ 学位论文 1 1 1 1 污泥的分类 由于污泥的来源及水处理方法不同，产生的污泥性质不一，污泥的种类很多，分类 比较复杂，目前一般可以按以下方法分类。 ( 1 ) 按来源分。污泥主要有生活污水污泥，工业废水污泥和给水污泥。 ( 2 )按处理方法和分离过程分。污泥可分为以下几类：初沉池污泥，指污水一级处 理过程中产生的沉淀物；活性污泥，指活性污泥法处理工艺二沉池产生的沉淀 物，排出系统的污泥称为剩余活性污泥；腐殖污泥，指生物膜法( 如生物滤池、 生物转盘、部分生物接触氧化池等) 污水处理工艺中二次沉淀池产生的沉淀物： 化学污泥，指化学强化一级处理( 或三级处理) 后产生的污泥。 ( 3 ) 按污泥的不同产生阶段分。生污泥，指从沉淀池( 包括初沉池和二沉池) 排出来 的沉淀物或悬浮物的总称；消化污泥，指生污泥经厌氧分解后的污泥；浓缩 污泥，指生污泥经浓缩处理后的污泥；脱水干化污泥，指经脱水干化处理后的 污泥；干燥污泥，指经干燥处理后的污泥。 ( 4 ) 按污泥的成分和性质分。污泥可分为有机污泥和无机污泥；亲水性污泥和疏水性 污泥。 1 1 1 2 污泥的特性 污泥的主要特性是含水量高，含固率低，占用场地大，有病原微生物，还含重金属 离子，具有恶臭，氮、磷和有机物含量高，易腐败，很难通过沉降进行固液分离，易对 环境造成污染【刚，如果处理不当或不规范处理，将对生态环境造成潜在威胁。 我国城市污水污泥，与国外先进国家相比，具有以下几个特点门： ( 1 ) 有机质含量低，一般含量只有5 0 左右，而国外发达国家的城市污水污泥的有机 组份为7 0 - - - - 8 0 ； ( 2 ) 污泥质差，属于低脂肪高碳水化合物污泥； ( 3 ) 碳氮l l ( c n ) - - 般在1 0 - - 2 0 ：1 的范围内，消化效果较好； ( 4 ) p h 值和总碱度基本属于正常范围，不会对消化反应产生太大的影响； ( 5 ) 重金属含量较多，这是因为我国城市污水中工业废水比重较大，经过二级处理后， 相当一部分重金属转移到污泥中去。 1 1 1 3 污泥的毒性和环境危害性 污泥的毒性和危害性主要因其含有毒有机物、致病微生物和重金属三类物质。污泥 中重金属的种类及含量因城市的工业结构和布局、城市性质的不同而略有差异。大多数 2 1 前言 城市生活污泥的重金属含量较低( p b 、c d 、c r 等的含量均低于国家农用标准) ，不会造成 危害。污泥中的病原体主要来源于粪便，其中危害较大的是肠道病原菌和寄生虫类；有 毒有机物主要是难分解的有机氯杀虫剂。这些有毒病原菌和有机物必须经过处理处置， 降低其毒害性，使其符合有关法规和标准规定的安全性要求，方可实现污泥的资源化利 用。工业污泥根据其来源，性质组成上有着非常大的差异。这些差异主要表现在其粘度、 吸湿性、污染物性质、含油率、含水率、有机质比例、无机物比例等多方面。与市政污 泥相比较而言，工业污泥粘度大、含油率高、无机物比例高，有时使得其处理难度更高。 来自化学、制药工业的污泥因其高浓度的污染成份，必须妥善处置。 1 1 2 污泥主要处置方式 污泥处置的困难不仅仅是我国在环境综合整治工作中出现的问题，也是目前世界各 国都面临的挑战，目前的主要处置或利用方式均存在着不少缺点，有些缺点甚至是无法 克服的缺点，在任何城市均不能全面推广应用，具体状况如下： 直接农用：污泥的直接农用具有投资少、能耗低、运行费用低以及有机部分可转化 成土壤改良剂成分等优点，污泥含有丰富的有机营养成分如氮、磷、钾等和植物所需的 各种微量元素如c a 、m g 、c u 、z n 、f e 等。如能合理利用，将是非常有价值的资源。但 污泥成分及来源相当复杂，在含有营养成分同时，不可避免的也会含有一些有害成分， 如含有大量病原菌、寄生虫( 卵) ，以及铜、砷、铅、锌、铝、汞等重金属和多氯联苯、 二恶英等难降解的有机化合物及放射性核素等，如不经处理就利用，将会导致土壤或水 体污染，目前这种方式已很难推广【8 ，9 1 。 土地利用：城市污泥的土地利用，也许是最古老、最经济的处置方法。由于城市污 泥中含有丰富的有机质和氮、磷、钾、微量元素等植物所需的营养成分，是肥田、改良 土壤、园林绿化的好材料。但是我国在城市污泥的土地利用时，一般只是经过简单的脱 水处理后，直接用于农作物的施肥，这样势必造成污染物( 如重金属) 在植物体内的富集， 如果是可食性植物，则会通过食物链进入人畜体内，危害人类的身体健康【加】。 直接制砖：其缺点是污泥中有机质在高温下燃烧导致砖的表面不平整、掺量低和抗 压强度低，以及烧结后的微孔较多、吸水率高、烧成尺寸减少分数较大、烧成质量损失 率较高、烧成密度较低等缺点【1 1 】。 热能利用：剩余污泥中含有大量热值，在污水处理厂内设置消化池，利用产生的沼 气建立自给发电站是可行的。如天津东郊污水厂沼气发电于1 9 9 8 年获得成功，但沼气 发电有技术复杂、投资高等缺点，同时又有新的污泥产生【1 2 】。 3 湖北大学硕+ 学位论文 制取活性炭：剩余污泥中主要物质是有机物，在适当条件下添加一定的活化药品如 z n c l 2 等，隔绝空气加热，可用于制取活性炭，但活性炭的质量远低于传统商业活性炭， 仅可用在处理有机废水【1 3 】。 填埋：我国目前采取的污泥填埋一般是运至垃圾填埋场，与城市垃圾一起进行处置。 这种填埋方式的问题是污泥中的n 、p 和重金属在无防渗情况下污染地下水，有时还会 出现严重污染的液体及臭气现象，渗出的气体主要是甲烷，易引起火灾和爆炸l l 训，同时 污泥填埋需要投入运输和管理费用，并且填埋将占用大量土地，花费大量运输费用，在 目前我国城乡耕地越来越少的情况下，显然不符合社会持续发展的要求。 焚烧：污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维素、木质素，可用来焚烧。城市污 泥焚烧后的残渣无菌、无臭，体积减少6 0 ，使运输和最后处置大为简化，焚烧后产生 的热量也可以充分利用。但污泥在焚烧时会产生二氧化硫、二哑英等气体而造成空气污 染，同时重金属也会随烟尘的扩散而污染空气。此外，焚烧前必须脱水，费用较高1 1 5 】。 排海：该方法是利用水体消除城市污泥，一般不需要进行严格的无毒无害化处理， 也无需脱水便可直接排入水体，而且容量很大。对于靠近海岸的大型污水处理厂，这是 一种方便的城市污泥处置方法。但此法并未从根本上解决环境问题，同时也造成了海洋 污染，对海洋生态系统和人类食物链已造成威胁，受到越来越强烈的反对1 1 6 1 。 1 1 3 污泥的稳定化处理技术 一般城市污水处理厂的污泥，含有5 0 , - - - 7 0 的有机物和较多的氮、磷等营养成份 以及病菌、寄生虫卵等有害物质。其化学性质极不稳定，如不加处置或处置不当，就会 形成污染转移，乃至污染环境，特别是地下水环境，散发臭气，甚至传播疾病。因此， 后续的污泥处置工艺必须有效地防止这些问题的发生，即必须进行污泥的稳定化和无害 化处理。污泥稳定是污泥处理处置中重要的一环，可以减少各种病原体、消除讨厌的气 味，减少液体和固体数量，抑制腐化的潜力。污泥稳定过程是以降低污泥的挥发性或有 机组分的含量为目标的。2 0 0 3 年7 月1 日我国开始实施的城镇污水厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 0 7 规定对城镇污水厂的污泥应进行稳定化处理，稳定化处理后污泥应达 到表1 规定。 4 1 前言 表1 污泥稳定化控制指标1 1 1 国内目前常用的污泥稳定方法是厌氧消亿，好氧消化和污泥堆肥，并且污泥堆肥正 处于不断研究阶段，而热解和化学稳定方法或者是由于技术的原因或者是由于经济、能 耗的原因而很少被采用i 堋。我国污水厂所采用的污泥稳定方法的情况见图1 。 口 口 一好氧消化2 8 1 口无污泥稳定 5 5 7 0 图1 几种污泥稳定法在我国所占的比例【1 9 l 污泥消化的主要目的是改善污泥的卫生条件和使污泥易于脱水。生物固体的消化是 指在人工控制条件下，通过微生物的代谢作用，使生物固体中的有机质稳定化的过程。 目前，比较适用又能同时评价好氧污泥和厌氧污泥稳定程度的指标主要是污泥的挥发性 固体含量。该指标越高，污泥进一步降解的能力越大；指标越低表明污泥中的有机物 含量和进一步降解的能力也越低，污泥的稳定程度也越大。一般挥发性固体含量在“5 5 ) ，可认为污泥已得到较好的稳定。如果当污水采用延时曝气工艺处理时，它所产 生污泥的挥发性固体含量已降至5 0 左右，与厌氧消化稳定的结果很接近，因此再进行 厌氧消化处理意义不大i 驯。有机污泥经过消化后，不仅有机污染物得到进一步的降解、 稳定和利用，而且污泥数量减少。污泥经过生物处理然后进行高温好氧消化，污泥量减 少7 5 口”，污泥的生物稳定性和脱水性大为改善，有利于污泥再作进一步的处理。污泥 消化在废水生物处理厂中是必不可少的，它同废水处理目前比较广泛采用的厌氧消化工 艺主要分为三类：标准消化法，快速厌氧消化法和两级厌氧消化法。污泥消化不仅现在 湖北人学硕士学位论文 是，而且将来仍将是应用最为广泛的污泥稳定化工艺。 1 1 4 污泥的减量化处理技术 所谓污泥减量技术，是指在保证污水处理效果的前提下，采用适当的措施使处理相 同量的污水所产生的污泥量降低的各种技术。当污泥的含水率由9 5 降到8 0 时，其体 积可减少到原来的1 4 。故对污泥减量化十分重要。表2 表示了污泥的物理状态与其含 水率的对应关系。因此，可根据不同的污泥处理工艺和装置要求，确定合适的物理、化 学等手段从根本上、实质上减少污泥量。 表2 污泥含水率及其物理状态 含水率物理状态 9 0 以上 8 0 9 0 7 0 8 0 6 0 7 0 5 0 3 4 4 0 1 0 1 5 近似液态 粥状 柔软状 近似固态 粘土状 可离散状 粉末状态 物理方面： 膜生物反应器：指将膜分离技术中的膜系统与污水处理工程中生物反应器相结合形 成的新工艺。利用加热加速细胞溶解，陈健等【2 2 】在膜生物反应器处理生活污水的小试研 究中加入了一个热水解处理装置。研究表明，污泥经热水解处理后，大部分细胞被杀死 并溶解，促进了微生物的隐性增长，污泥产量减少了6 0 。 破坏生物细胞：如利用超声波技术降解污水中的污染物，是近年来发展起来的一种 新型水处理技术。在超生波作用下，液体中将产生大量空化气泡，瞬间破灭时产生极短 暂的强压力脉冲，在气泡周围微小空间内形成局部热点，产生高温高压和具有强烈冲击 力的微射流，可以压碎细胞壁、释放细胞内含物。 化学方面： 臭氧处理：由日本的h y a s u i 等提出【2 3 1 。它的优点是：污泥减量可达到1 0 0 ；污 泥沉降性能好；运行成本比常规活性污泥法低；只需控制臭氧剂量就可控制污泥产量。 缺点是：n ，p 去除效果不好；由于污泥量为零，会有重金属积累；耗氧量增大；臭氧 6 1 前言 不是选择性氧化剂，能同其他还原性物质反应，降低活性污泥的氧化效率【2 4 1 。 氯气处理：氯气处理虽然比臭氧处理便宜，但也有缺点：污泥沉降性能恶化；出水 c o d 增加；污泥产生泡沫；最主要的还是会产生致癌物质。 酸碱处理：酸或碱也能使细胞溶解，r o c h e r m 2 2 l 研究表明：n a o h 的溶解效果最好。 碱一热处理污泥，细胞溶解最稳定，污泥量是常规活性污泥的3 8 - - - 4 3 2 5 1 。化学法处 理污泥也有一些缺点：如工艺的运行、控制以及化学物质对设备的腐蚀等等。 1 1 5 污泥的资源化利用 农林利用： 目前我国仍是一个发展中国家，又是一个农业大国，城市污水厂污泥的农林利用在 污泥其它资源化利用方面还不成熟的前提下仍是一个重要的途径。随着污泥农林利用条 件的日趋严格，针对污泥中重金属可能造成土壤及作物二次污染，病原体可能对环境造 成危害，过高浓度的氮磷等物质可能造成地下水污染等问题。污泥农林利用前应严格控 制污泥中有毒、有害物质及病原微生物、重金属的含量，同时根据被施用土壤背景值等 情况，严格按照计算得到的污泥施用量进行施用。 堆肥：污泥中含有大量的有机质、氮、磷、钾等植物需要的养分和有机腐殖质【2 4 1 ， 能够起到农家肥的作用，并且能够改良土壤的结构。但是污泥中含有大量的病原菌、寄 生虫卵，因此必须对它进行无公害化，目前主要是通过堆肥进行处理。污泥堆肥根据处 理过程起作用的微生物对氧气要求不同可分为好氧法和厌氧法。通过污泥堆肥，可生化 有机物得到进一步降解，污泥体积减少1 4 左右，挥发性成分减少，臭味减低，重金属 有效态的含量也降低，速养分量有所增加，病原菌、寄生虫卵、杂草种子等基本被杀死。 生产复混肥：污泥堆肥产品可与市场销售的无机氮、磷、钾化肥配合生产有机无 机复混肥。这种复混肥在向农作物提供速效肥源的同时，还能向农作物根系引植有益微 生物，充分利用土壤潜在肥力，并提高化肥利用率。 生产动物饲料：污泥中含有大量价值的物质，其中粗蛋白占2 8 7 - 4 0 9 、灰分占 2 6 4 4 6 o 、纤维素占2 6 6 - - - 4 4 o 、脂肪酸占0 - 一3 7 。污泥蛋白中含有几乎所有家 畜饲料所需的氨基酸，且各种氨基酸之间相对平衡，因此是一种很好的饲料蛋白加工原 料。研究者用活性污泥生产的饲料来喂养家禽，经过1 年多的实验表明对动物没有毒害 或副作用，用这种饲料和一般饲料混合来饲养鸡与完全由一般饲料来饲养鸡进行对比， 鸡体重有所增加，产蛋率也有提高1 2 5 1 。 7 湖北大学硕+ 学位论文 建材化利用： 污泥中含有大量的有机物，除此之外还含有2 0 3 0 的无机物，主要是硅、铝、 铁、钙等，这与许多建筑材料常用的原料成分相近。各地学者积极探索利用污泥中的无 机成分和有机成分并使之建材化的可行性并被证实，且多项技术已经转向产业化，但污 泥建材化利用的比例还很低。由于科学技术的发展往往表现出不平衡性，因此污泥的建 材化利用将来可能会成为污泥资源化利用的一个重要发展方向之一【2 6 】。 制砖：污泥制砖有两种方法，一种是用干污泥直接制砖；另一种是用污泥焚烧灰渣 制砖。用干污泥直接制砖需要在成分上进行适当的调整，使其成分与制砖黏土的化学成 分相当，一般可掺入煤渣、石粉、粉煤灰、黏土或水泥。当污泥与黏土按质量比1 ：1 0 配 料时，污泥砖与普通红砖的强度基本上一样。用污泥焚烧灰制砖时，因污泥的性质不同 焚烧灰成分相差很大，要注意加以区别【2 7 1 。 生产水泥：由于污泥中含有大量的灰分，将污泥干化、磨细后，添加一定量的石灰 可制得水泥。面临水泥需求量的增加，根据各地污泥中无机成分含量的差异与不同添加 剂的结合工艺研制不同类型的水泥具有重要的现实意义。近年来，日本已成功利用城市 垃圾( 污泥) 焚烧灰和下水道污泥为原料生产水泥，并将这种水泥叫做“生态水泥，【2 8 1 。 目前，污泥生产的水泥还主要用于地基的增强固化材料、素混凝土、道路铺装混凝土、 大坝混凝土、重力式挡土墙等，由于污泥中含有一定的氯，致使污泥制品腐蚀钢筋是造 成使用受限的因素之一，因此通过控制污泥中的含氯量，就可获得适用面更广的污泥水 泥，进一步拓宽污泥水泥制品的市场空间。 替代沥青细骨料：沥青混合物中必须加入细骨料，才能增强沥青的黏度、稳定性和 耐久性。目前一般多用石灰石粉末做细骨料，污泥灰经筛分、磁选除去其中的黑色及有 色金属后可以代替石灰石用作沥青细骨料。 制轻质陶粒：基于陶粒及其制品是具有发展潜力的新型建材，具有轻质、高强、隔 热、保温、耐久等特性，且其市场需求量大。因此，利用污泥烧制陶粒等轻质材料不仅 对开辟新的陶粒原料，而且对开发新的轻质陶粒都有重要意义。通过控制污泥的掺量及 焙烧温度可以获得性能较好的陶粒及轻质材料，不仅充分利用了污泥中的有机质作为陶 粒焙烧过程中的发泡物质，而且污泥中的无机成分也得到了利用，并大大降低了原料的 成本，一定程度上解决了污泥出路的问题。 能源化利用： 消化制沼气：污泥中含有的大量有机物，在厌氧条件下经厌氧菌的分解产生一种清 8 1 前言 洁能源一沼气。此过程可分为液化、产酸、产甲烷三个阶段，前两个阶段不产生甲烷， 第三个阶段产生甲烷【2 9 1 。污泥厌氧消化的影响因素主要有温度、污泥投配率、营养与碳 氮比、搅拌、p h 值和酸碱度等。 燃烧发电：传统的污泥焚烧只是单纯地将污泥进行减量化、无公害化，焚烧的能量 没有得到有效利用，近年来国内研究者在焚烧炉的设计和操作方面进行了一些革新，可 以从废气中获得剩余能量用来发电。美国h y d e r 环保公司提出了一种将污泥( 已经机械 脱水过) 首先进行热干燥，然后再在沸腾炉中燃烧产生高压蒸汽，推动蒸汽机发电的综 合系统，和焚烧系统相比，全年处理9 5 万t 干污泥，可节省资金6 0 0 0 1 。 低温热解制油：在3 0 0 5 0 0 、常压( 或高压) 和缺氧条件下，借助污泥中所含的 硅酸铝和重金属( 尤其是铜) 的催化作用将污泥中的脂类和蛋白质转变成碳氢化合物，、 最终产物为油、碳、非冷凝气体和反应水。英、美、日等国家主要研究的是热化学液化 法，即在3 0 0 ，1 0 m p a 左右的条件下对脱水污泥进行热化学液化，使污泥反应成油状 物。德国和加拿大以热分解油化法为主，即把干燥的污泥在无氧条件下加热到3 0 0 5 0 0 ，使之干馏气化，再将气体冷却转换成油状物。 吸附剂技术： 污泥中含有大量有机物，其含量随社会发展水平的提高而提高，因此它具有被加工 成类似活性炭吸附剂的客观条件。在一定的高温下以污泥为原料通过改性可以制得含碳 吸附剂【3 1 】。由污泥制成的活性炭吸附剂对c o d 及某些重金属离子有很高的去除率，是 一种优良的有机废水处理剂。用过的吸附剂若不能再生，可以用做燃料在控制尾气条件 下进行燃烧。因此采用不同添加剂来提高污泥中的含碳量及控制污泥中重金属的含量能 大大提高污泥活性炭的质量及拓宽其使用范围。 污泥中蛋白质的利用： 李亚东等【3 2 l 利用剩余活性污泥制成蛋白发泡剂，代替植物蛋白、动物蛋白发泡剂， 应用于泡沫灭火剂或泡沫混凝土发泡剂，提出了污泥资源化利用的另一技术思路。 1 2 泡沫混凝土及发泡剂的泡沫特性 1 2 1 泡沫混凝土研究和应用现状 泡沫混凝土是利用机械方式将发泡剂制作成泡沫，再将泡沫混入到硅质材料( 砂、 粉煤灰) 、钙质材料( 水泥、石灰) 等以及各种外加剂和水组成的混合料中，搅拌均匀 浇筑成各种所需的规格，经养护而成的含有大量封闭气孔的轻质混凝土【3 3 l 。 9 湖北大学硕十学位论文 泡沫混凝土具有质轻、保温、隔热、耐火、抗冻性能。混合浆在成型时可自流平、 自密实；同其它建筑材料都会有良沫混凝土内含有众多独立不贯通细小孔洞，形成良好 的热工性能，正常的导热系好的相容性，强度可根据需要调型3 4 】。其主要性能体现在以 下几个方面：( 1 ) 质轻密度小：泡沫混凝土的密度小，其干密度一般为2 0 0 k g m 3 7 0 0 k g m 3 ，相当于黏土砖的1 3 , - - - 1 1 0 、普通水泥混凝土的1 5 1 1 0 ，也低于一般轻集 料混凝土【3 5 1 。在建筑物的内外墙体、层面、楼面、立柱等建筑结构中采用该种材料，可 以减轻建筑物的自重，从而减少建筑物对地基的压力，实现建筑物的高层化；还可以减 少建筑物梁、柱的结构尺寸，节约材料和成本，具有显著的经济效益。( 2 ) 热工性能好： 泡数在0 0 8 - 0 2 5 w ( m k ) 之间，保温隔热隔音效果明显。( 3 ) 隔热防火性能好：由 于泡沫混凝土属于多孔轻质材料，可用于楼层的向阳隔热层和沿公路一侧的隔音层使 用。同时在防火、防水性能方面也具有良好效果，充分利用废弃材料、节省耕地和能源、 降低价格。( 4 ) 防水性能：利用泡沫混凝土的隔潮防水能力强和吸水率低等特点，可将 泡沫混凝土随意浇注成各种不透水的防水隔潮构件使用。( 5 ) 其他性能：泡沫混凝土还 具有可泵性好、抗震性强、调节室内湿度、可大量利用工业废渣等优点。 泡沫混凝土在我国起步较晚，在我国“十一五”建筑节能政策的大力推动下，要求 我国墙体材料革新工程的节约达到以下预期目标及其效果：到2 0 1 0 年年节地1 7 万亩， 到2 0 2 0 年年节地3 0 万亩；到2 0 1 0 年年节能8 0 0 万吨标准煤，到2 0 2 0 年年节能1 4 0 0