（市政工程专业论文）武汉地区水厂废水处理研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 来自水处理过程中的两种主要废物为污泥和冲洗废水，前者来自沉淀池，由 化学混凝所产生，后者来自滤池反冲洗。这些排放物的成分变化很大，含有从原 水中去除的浓缩物质和在水处理过程中添加的化学药剂。从历史上看，废物处理 方法就是不加任何处理的将其排放到河道和湖泊中。如果处于这么一种观点，即 滤池的反冲水和沉淀固体物质被排回水系并没增添新的杂质，送回的不过是水中 原先就存在的物质，上述作法是合理的。这个论点现在已无市场，因为水体的水 质已降到部分水回抽的程度，并且用于水处理的化学药品带来了新的污染物。 本文对自来水厂排泥水处理的意义和国内外历史及现状进行了回顾，介绍了 水厂排泥水处理研究的一般方法，并对武汉白鹤嘴水厂排泥水进行了试验研究和 分析。试验分为实验室小试和现场中试两个阶段，小试阶段对水厂污泥的沉降性 能及影响污泥浓缩性能的主要因素进行试验研究。依据小试研究的成果，运用浓 缩的基本理论设计制作动态沉降试验中试模型。中试阶段包括浓缩池中试研究和 小型干化床试验研究。浓缩池中试试验选择不同的进泥负荷，测定中试装置在连 续工作时上清液的达标情况和底部泥水的浓缩情况，以之作为所取设计参数的验 证，另外还进行了投加p a m 药剂和加入不同间距的斜板的试验。接下来，进行 了污泥小型干化床的试验研究，对污泥干化床在武汉地区的适用性进行了尝试， 并对干化床设计计算方法中的一些问题进行讨论，还对加入p a m 药荆调质对于 化床干化效果的影响进行了评估。经过试验分析，得出如下结论： 白鹤嘴水厂污泥属于含无机物较多的河水污泥，沉降性能较好，且比阻小， 较容易脱水；阳离子p a m 和阴离子p a m 对水厂排泥水的沉降性能和脱水性能都 有非常明显的改善，阳离子p a m 的改善效果均优于阴离子p a m ，且前者的上清 液浊度较低，但阳离子p a m 的成本偏高；按照浓缩池设计理论进行浓缩池设计 是可行的；斜板间距对斜板浓缩池的浓缩能力有很大的影响，斜板间距为6 7 c m 时的浓缩池表面负荷比间距为1 2 c m 时的提高了近3 0 ：加入p a m 药剩后，斜板 华中科技大学硕士学位论文 浓缩池的浓缩能力有很大提高。浓缩池的最大表面负荷比不加药时的提高5 0 以 上；当进泥含固率大于1 5 时，上清液的浊度急剧增大，即使加入p a m 药剂仍 然没有显著改善；干化床的渗滤液的s s 很低，总是小于排放标准。在试验中来 发现污泥堵塞滤层或穿透滤层的现象；经过投加高分子絮凝剂p a m 的污泥，脱 水速度加快，干化周期缩短了1 0 天左右，使干化床的负荷能力明显提高。 关键词：自来水厂排泥水处理污泥浓缩池中试小型干化床污泥 调节聚丙烯酰胺斜板浓缩池 i i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et w op r i m a r ys o u i s c so f w a s t ef r o mw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e sa r es l u d g ef r o m t h e s e t t l i n gt a n k ，r e s u l t i n g f r o mc h e m i c a l c o a g u l a t i o n ，a n d w a s hw a t e rf r o m b a c k w a s h i n gf i l t e r s t h e s ed i s c h a r g e sa r eh i g h l yv a r i a b l ei nc o m p o s i t i o n ，c o n t a i n i n g c o n c e n t r a t e dm a t e r i a l sr e m o v e df r o mt h er a ww a t e r4 n dc h e m i c a l sa d d e di nt h e t r e a m e n tp r o c e s s h i s t o r i c a l l y , t h em e t h o do fw a s t ed i s p o s a lw a st o d i s c h a r g et o a w a t e rc o m s ea d d e dn on e w i m p u r i t i e s b u tm e r e l yr e t u r n e dm a t e r i a l 也a t h a d o r i g i n a l l y b e e np r e s e n ti nt h ew a t e r , t h i sa r g u m e n ti sn o tn o wc o n s i d e r e dv a l i d ，s i n c ew a t e r q u a l i t y i sd e g r a d e dt ot h ee x t e n tt h a ta p o r t i o no f t h e w a t e ri sw i t h d r a w na n dc h e m i c a l s u s e di np r o c e s s i n gi n t r o d u c en e w p o l l u t a n t s t h i st h e s i sh a sr e v i e w e dt h eb e n e f i to fw a t e r t r e a t m e n t p l a n t ( w t p ) w a s t e s d i s p o s a l ，i t sh i s t o r ya n d s t a t e - o f - t h e - a r ti nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s t h ee x p e r i m e n ti s m a d e o f j a r t e s ta n ds p o tt e s tp h a s e s 。d u r i n gt h ec o u r s eo ft h e j a rt e s tp h a s e ，t h es t u d y w a sc o n d u c t e do nt h es l u d g et h i c k e n i n gp r o p e r t i e sa n ds o m ef a c t e r st h a ta f f e c tt h e s l u d g et h i c k e n i n gi n w a t e r w o r k s a c c o r d i n gt o t h ec o n c e n t r a t i o nt a n kd e s i g nt h e o r i e s ，am o d e lc o n c e n t r a 廿o nt a n k w a s d e s i g n e da n d m a d e b y f r u i to ft h e j a rt e s t t h es p o t t e s tp h a s ei sd i v i d e di n t ot w o s t e p s ：m i d d l et e s to nc o n c e n t r a t i o nt a n ka n dr e s e a r c ho np i l o ts l u d g ed r y i n gf i e l d i n m i d d l et e s to nc o n c e n r t r a t i o nt a n k ，d i f f e r e n tb u r t h e n so ff l u xw e r ec h o s e n ，t h e s u s p e n d e ds o l i di ns u l 口e r n a t a n ta n dt h es o l i dc o n t e n ti nt h es l u d g ea f t e rt h i c k e n i n ga r e i n s p e c t e dd u r i n gt h ec o u l s co fp e r s i s t e n tw o r k i n gs t a t ei n o r d e rt ov a l i d a t et h ed e s i g n p a r a m e t e r , b e s i d e st h i s ，t h et e s tb ym e a n so ft r e a t i n gb yp o l y a c r y l a m i d eb e f o r et h e s l u d g ee n t e r st h et h i c k e n i n gt a n ka n da d d i n g d i f f e r e n ti n c l i n e db o a r d sw e r ec o n d u c t e d t h e nb a s e do nt h er e s u l t so ft h ef i e l de x p e r i m e n to fp i l o ts a n dd r y i n gb e d ，t h e p e r f o r m a n c eo fs a n dd r y i n gb e d sf o rw a t e r w o r k ss l u d g ed e w a t e r i n gi nw u h a nw a s r e s e a r c h e d ，a n ds o m ep r o b l e m se x i s t e di nt h ep r e s e n td e s i g nm e t h o d sf o rs a n dd r y i n g b e d sw e r es t u d i e d t h ep e r f o r m a n c ef o rs l u d g et r e a t e db yp o l y a c r y l a m i d ew a sa l s o r e s e a r c h e d ，a f t e rm a k i n ga n a l y s i sw ec a l lm a k ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： t h es l u d g ei nb a l h e z u iw a t e rp l a n tb e l o n g e dt or i v e rs l u d g ec o n t a i n i n gm u c h m i n e r a l ，h a v eg o o dt h i c k e n i n gp r o p e r t i e s a n d d e w a t e r a b l i t y w i t hl e s s s p e c i f i c r e s i s t a n c e ；t h i c k e n i n ga n dd e w a t e r i n gp r o p e r t i e so fs l u d g ew i l lb ea m l i e r a t e db y m e a n so fb e i n gt r e a t e db yc a t i o np o l y a c r y l a m i d eo ra n i o np o l y a c r y l a m i d e ，t h ee f f e c to f i i i 华中科技大学硕士学位论文 c a t i o np o l y a c r y l a m i d ei s b e t t e r ，t h et u r b i d i t yo fs u p e r n a t a n to ft h ef o r m e ri sa l s o l o w e r , b u tc o s to f c a t i o np o l y a c r y l a m i d ei sh i g h e r t h er e s u r o f e x p e r i m e n ta n da n l y s i s i n d i c a t e st h a tu s i n gt h ec o n c e n t r a t i o nt a n kd e s i g nt h e o r i e st od e s i g nc o n c e n r a t i o nt a n k w a s f e a s i b l e ；s p a c eb e t w e e n t h ei n c l i n e db o a r d se x e r tg r e a ti n f l u e n c e0 1 1t h et h i c k e n i n g c a p a b i l i t yo ft h ec o n c e n t r a t i o nt a n k ，t h eb u r t h e no ft h e c o n c e n t r a t i o nt a n kw i t ht h e s p a c e o f6 7 c mi s3 0 p e r - c e n th i g h e r t h a nt h a to f12 c m ；t h eb u r t h e no ft h e c o n c e n t r a t i o nt a n kw i t ha d d i n gp o l y a c r y l a m i d ew i l lb ei m p r o v e dm o r et h a n5 0p e r c e n t t h a nw i t h o u t t h et u r b i d i t yo f s u p e r n a t a n tw i l lh o 血r a p i d l ye v e ni fp o l y a c r y l a m i d ei s a d d e dl a r g e l yw h i l es o l i dc o n t e n ti ni n f l u e u ts l u d g ei sm o r et h a n1 5 p e r c e n t ；t h e s u s p e n d e ds o l i do f l e a e h a t et h r o u g ht h ed r y i n gs a n db e di sv e r yl o wa n di sa l w a y sl e s s t h a nc r i t e r i o no f d r a i n a g e d u r i n gt h es t u d y i n gt i m e ，p h e n o m e n a t h a ts l u d g ec h o k et h e f i l t e rb e do rp e n e t r a t et h r o u g ht h ef i l t e rb e dn e v e rh a p p e n s ；w h i l es l u d g ei st r e a t e db y p o l y a c r y l a m i d e ，c o u l s eo f a i rd e h y d r a t i o ni sa c c e l e r a t e do b v i o u s l ya n dt h ec y c l eo fa i r d e h y d r a t i o ni sc u r t a i l e da b o u tt e nd a y s ，t h eb u r t h e no f t h ed r y i n gb e di sa g g r a n d i z e d d i s t i n c t l y k e y w o r d s ：t r e a t m e n t o f s l u d g ei nw a t e rp l a n tp o l i ts l u d g et h i c k e n i n g t a n k p o l i ts a n dd r y i n gb e ds l u d g ec o n d i t i o n i n g ，p o l y a c r y l a m i d e i n c l i n e db o a r d sc o n c e n t r a t i o nt a n k 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：薄毒- 鼠 日期；钳。孕年l ；月) 日 学位论文版权使用授权书 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：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密吐 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：帮，盘轧 日期：p 铲f 争月7 日 指导教师签名施彳夸氓 日期如中年妒月计日1 华中科技大学硕士学位论文 1 1 自来水厂生产废水 1 综述 在我国长期以来废水处理的概念中，仅限于污水处理厂。但面对着短缺的水资 源以及污染日益严重的水源，这种情况改变了。 长期以来，我国的给水工作者积极开源节流，开发新的水处理技术，使我国绘 水事业自七十年代以来，得到迅猛的发展，缓解了部分城市的缺水问题。其中大 多数自来水厂都是从江河、湖泊或水库等地表水体取水作为其水源。原水中大多 数的泥沙、腐殖质、藻类、细菌和胶体颗粒等无机和有机杂质，均能通过自来水 厂的混凝、沉淀、过滤及消毒等水处理工艺得到去除，从而生产出符合饮用水卫 生标准的产品自来水。自来水厂在净化过程中，沉淀池或澄清池排出的泥水 以及滤池反冲洗产生的反冲洗废水，在这里统称自来水厂的生产废水。随着水厂 数量的增多及规模的扩大，水厂的生产废水的摊放量也日益增大。以往，水厂的 生产废水摹本上不经任何处理直接排入水体，造成水体污染，并且浪费了大量东 资源。以一个5 0 万吨的中型水厂为例，自用水量按7 进行估算，每天有3 4 万 吨生产废水直接排入水体，这相当于一个小城镇的日供水量；并且每天有1 5 吨的 固体悬浮物( 以干污泥计) 排入水体。作为可持续发展的一个方面，保护水源、 节约水资源已成为人们的共识。因此给水厂大量的生产废水的处理目益受到人 们的重视。 排泥水中杂质的成分，因不同水源、不同季节及不同的水处理工艺存在较大的 差别。一般来说，排泥水含有大量悬浮物，其总固体含量一般在0 1 1 o 之间。 这些悬浮物包括来自原水的胶体颗粒、泥沙，藻类、细菌、给水处理中加入的混 凝剂( 如硫酸铝、氯化铁、聚合氯化铝等) 形成的氢氧化物沉淀、以及水处理中 的其它添加物( 如助凝剂、粉末活性炭、硅藻土等) 等。它们在水处理过程中通 过混凝工艺共聚形成可沉淀物，然后在沉淀池( 澄清池) 及滤池中截留下来，再 通过沉淀池( 澄清池) 排泥和滤池反冲洗从水处理系统中被清除出去，形成大量 的排泥水。 自来水厂的排泥水中含有较多的污染物。据资料报道，铝盐混凝排泥水中的总 固体含量在1 0 0 0 1 7 0 0 r n g 1 之间，其中总悬浮固体占7 5 9 0 ，挥发性总固体 含量占2 0 3 5 之间。排泥水中的生化需氧量( b o d ) 相对较低，a l m q i s t 报道 美国c o n n e c t i c c u t 州十三家水厂排泥水的平均b o d 为3 3 7 m g l ，典型的五日生化 需氧量( b o d 5 ) 约在3 0 1 5 0 r a g 1 之间，研究表明排泥水的b o d 5 只占总生化需 氧量( b o d ) 的3 0 左右。排泥水的化学需氧量( c o d ) 则较高，在5 0 0 1 5 0 0 0 r a g l 1 华中科技大学硕士学位论文 之间，此值较高是因为排泥水中含有活性炭的原因f 。国内有关自来水厂排泥水的 测定表明，排泥水c o d 在4 7 0 2 5 0 0 m g 1 之间。 1 2 自来水厂生产废水直接排放的危害 由以上对给水厂生产废水成分的研究可知，废水中不仅含有较多的悬浮固体， 而且有较高含量的有机物成分。也许有人会认为水厂排泥水中的杂质，除水处理 过程中加入的混凝剂和其它可能的药剂外，其余的杂质均来自于原水，将排泥水 直接排入水体不应该产生污染的闯题。实际上，自来水排泥水中的污染物虽主要 来自原水，但它们经处理后被显著浓缩，不少指标已是原来的几十甚至上百倍， 排泥水的直接排放对环境的影响是肯定的 净水过程中使用的化学药剂也会对水源造成污染。自来水排泥水的水体流速较 慢，排泥水中大量的悬浮物就会在水体底部沉积，形成一层污泥层。该污泥层可 能在水体底部产生厌氧环境，使污泥中和土壤中的金属离子溶解出来，还会使水 域底层水体的p h 值降低，甚至释放出臭味。l a m b 和b a i l e y 对铝盐混凝污泥对底 栖生物的影响进行了研究，发现底栖生物的死亡率随氢氧化铝浓度上升而升高。 经生物医学研究认为铝对环境的危害主要有以下几个方面： 1 2 1 对水生生物的影晌 铝的毒性程度依赖于生物体生活环境中活性铝的含量。当铝的含量高于0 2 o 5 m g l 时可使鲑鱼死亡；铝对鲑鱼鱼苗的毒性主要来自于铝的无机态化合物，用 柠檬酸与铝盐反应可以大大的降低铝的毒性；在p h 值8 9 的条件下水中铝酸根 离子的浓度高于o ，5 m g l 时也可以使鲑鱼致死；沉淀的氢氧化物不会使鲑鱼急性中 毒，却能引起慢性中毒。在硬水中铝的浓度和价态有关外，还与硬度、p h 值有关。 在酸性土壤中a l ”会交换h + 并可能达到对水生生物的毒性水平( 0 2 m g l ) 。这就 意味着水的p h 值降低到还不足以杀死鱼类时，铝的毒性就会使大批鱼类死亡了， 这与北欧以及北美在这方面的报道相吻台。 1 2 。2 对植物的影晌 。 土壤中的铝含量的增加会导致植物出现铝害。有些植物对铝的含量变化不很敏 感，如水稻、高粱、茶叶等，但是，大部分植物没有耐受铝的能力。在根部细胞 内交换性铝优先与核酸中d n a 内的磷酸基团结合，使d n a 结构中的双键不能正 常打开，相应增加了d n a 的稳定性，降低了染色体的模板活性从而阻止了d n a 转录r n a 的过程，致使细胞不能正常分裂；铝还与植物细胞中的有机酸、三磷酸 腺苷及脱氧核糖核酸等主要生长分子发生螯合，严重干扰植物代谢的正常进行， 从而引起一系列代谢紊乱，出现细胞组织伤害的综合症状。在各种铝的形态中活 2 华中科技大学硕士学位论文 性铝的毒性最大，产生毒害的初始浓度最低。一般可以抑制蚕豆、豌豆、葱、小 麦、大麦的生长并使根茎受到危害。 1 2 3 对人体的危害 一般认为人体正常总铝含量是5 0 - - 1 0 0 m g ，生活中环境铝主要经翻转入人体， 在消化道内所吸收的铝因铝的化合物形式和内环境的不同而不尉。研究证实有机 铝的吸收率高于无机铝，可达到数倍到数十倍。无机铝进入人体内，由于它能够 和食物或体内的有机酸形成有机铝化合物( 如草酸铝、醋酸铝、乳酸铝等) ，增加 了某些铝化合物的吸收率。 正常人每曰从饮食中摄取铝的平均量为4 5 r a g ，经过胃肠道吸收进入人体内部， 主要分布在肝、肾、脑和甲状腺等聚集较多的器官。正常情况下，铝对肌体是有 益的，可以抵抗铅的某些毒害作用。但是也有研究人员认为铝是一种慢性毒物。 英国医学研究学会流行病分会的克里斯托费马蒂博士领导的研究人员查阅了 英格兰和威尔士8 8 个地区1 2 0 3 名患有老年痴呆症的病历，并化验了他们饮用水 中铝的平均浓度，结果发现铝的平均浓度超过o 1 l m g l 的地区所引发的老年痴呆 症患者要超过铝的平均浓度低于o 0 1 m g l 地区所引发起这类患者的5 0 。 对于铝在人体内的转化机制目前研究甚少，不过根据专家的意见划分其有毒和 无毒应从以下几个方面确定：视其是否能置换体内的微量元素的位置；能否干扰 和破坏人体所必须元索的功能；能否随摄入量增加出现体内积蓄。临床医学和环 境医学证实铝的化合物有一定的毒性。 近代医学表明过量的摄入铝会引起如下疾病：1 ，引起老年性痴呆症，记忆力减 退；2 使骨质变得疏松软化；3 肾功能失调，肾衰竭及尿毒症；4 使血液和心血管 发生疾病；5 对体细胞及生殖细胞有致突变作用。 有研究结果表明；净水厂中铝盐混凝剂处理原水后产生的生产废水中铝的含量 大大增加并且其中相当多的铝是易被人体吸收和结合的铝。所以，给水厂废水中 的铝比其它来源的铝对人体的危害程度更大。 除水厂废水中活化铝可能存在的环境影响外，自来水排泥水中还存在许多其它 的污染物，如有机物、重金属离子、氟、硝酸根、总固体和放射性物质等，也对 水环境质量存在影响，或者超过了国家污水综合排放标准。另外，大量的排泥水 直接排入河湖，可能使河床或湖底抬高，影响防洪和航运。 1 3 自来水厂生产废水处置方法 如果自来水厂附近有城市污水处理厂，且在污水厂处理能力许可的情况下，废水 可以直接排入下水道同城市污水道处理并处置。这种情况只适合于某些中小型 水厂，否贝l j 污水厂将不堪重负。将水厂污泥排入下水道，水厂内的污水和污泥处理 华中科技大学硕士学位论文 设施可以全部或部分省略。但是必须认真考虑污泥在下水道中可能沉积阻塞的问 题。据k r a s a u a k a s1 9 6 9 年的一份报告，美国有8 3 的自来水厂采用将污泥排入下水 道的方法进行处置。b v , s a l t t o 等人在辛辛那提所做的中试试验证明：自来水厂污泥 的混入对城市污水处理并无明显的不利影响，相反还有一定的促进作用。试验还表 明，水厂的污泥大部分会在初沉池中沉淀下来，因而提高了初沉污泥数量，大大降低 了初沉污泥中有机物含量的比例。从而使其更易沉降，这也是加入给水污泥后出水 悬浮固体和浊度降低的原因。另有文献记载：给水污泥的加入会提高污水处理对磷 的去除率。还有一种做法是通过专门管路输送到污水厂后，不经过污水处理工艺而 直接与污泥混合脱水一道处置。由于给水污泥脱水性能远优于污水污泥，它可以起 调节作用，提高污泥的可脱水性。 如果不具备以上条件。给水厂应有自己的废水回用及处理构筑物。目前生产废 水的处理方法分为以下几种： ( 1 ) 滤池反冲洗水与沉淀池排泥水的混和水共同处理后回用或外排； 图1 1滤池反冲洗水与沉淀池排泥水的混合处理工艺 ( 2 ) 滤池反冲洗水与沉淀池排泥水分开处理，沉淀池排泥水处理后的出水与滤池 反冲洗水混合后处理，再回用或排放； 图1 - 2 滤池反冲洗水与沉淀池排泥水的单独处理工艺 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 滤池反冲洗水直接回用，沉淀池排泥水处理后回用【2 】。 灞也反冲洗水回用 图1 3 滤池反冲洗水回用、沉淀池排泥水处理工艺 污泥浓缩池的上清液和污泥脱水设备产生的分离液的水质均较好，首要选择应 该是回收利用。回用的优点是，节约水资源及原水输送的能源消耗，减少自来水厂的 污水排放量。但分离水回用可能对水厂造成一个水量冲击负荷。 目前给水厂使用的滤池形式有四阀、双阀、虹吸、移动罩及v 型滤池等几种 形式。一般说来，除移动罩滤池外，其它几种形式的滤池在短时间内的冲洗水量 都比较大，对絮凝、沉淀和过滤工艺都有一定的冲击。王建西等人通过生产性试 验研究，认为只有当回流量的大小和沉淀池的其它参数能使系统抗冲击负荷的能 力大于或等于o 1 h 时，才能取得令人满意的效果。对于斜管沉淀池，由于其构造 方面的缺陷，设计时，抗冲击负荷的能力应取比较保守的指针，如0 1 4 h 。 对于没有条件回用的，分离水排放也是一个可行的选择，排入自然水体的分离 水应能满足污水排放的水质标准。 水处理厂污泥浓缩池污泥调节压游机 圈1 - 4 福顿的利用排泥水回收铝盐的处理流程 5 华中科技大学硕士学位论文 对于铝盐的回收也是一种可考虑的选择。在国外，大量的试验研究表明；当污 泥被充分酸化后，污泥中的铝就被溶解出来，成为稀释的液体铝盐。液体铝盐可 以回收利用，污泥的体积减小，聚合更紧，更易脱水。在德国德汉姆一个水厂回 收铝盐的试验表明：铝回收可以使该厂每年的污泥平均产量降低4 2 ，采用膜式 压滤机和离心机脱水在适当的聚合物调节下均能使泥饼含固率达3 0 以上。福顿 对于污泥中回收铝盐进行了大量研究，并且形成了一个成熟的铝回收工艺。该工 艺可以明显提高铝盐回收效率。 给水厂废水可有多种处理方式供选择，对于特定的水厂具体采用何种工艺， 最好的方法就是先进行初步的可行性研究，通过小规模试验来选择合理的工艺。 1 4 国内外给水厂废水处理的研究历史与现状 国步 最早对自来水厂废水处理的研究是在美国。1 9 4 6 年，美国给水工程协会 分别对“石灰一石灰苏打软化污泥处理”、“沸石法离子软化处理再生盐水”和“水 厂滤池反冲废水、沉淀池排泥水处理”展开调查和研究。他们对水厂污泥的性质 和处理方法进行了最初的探讨。后来，在英国和日本也开始有人对水厂的污泥作 了少量研究。随着研究的深入，专家越来越觉得有必要对水厂污泥的排放做出限 制以保护水体环境【3 】。六十年代中期，美国联邦政府颁布了水污染控制法，要 求各州制定标准，水厂污泥必须经处理再行排放；并且拟定了一个污泥处理发展 草案。其发展目标是：到7 0 年代朱，应用可实行技术合理进行污泥处理，并要求 各类水厂排除污水的p h 值及总悬浮物达标。到s o 年代初，必须考虑污泥处理工 艺的经济性，要求对污泥处理后的析出液或滤液回用；到八十年代中期，在全国 范围内消除污泥排放造成环境污染。日本于1 9 7 5 年也颁布了水质污浊防止法， 规定设有沉淀池和滤池的净水厂，其排出水必须经处理至符合水质排放标准。由 于有了法规的约束。各发达国家的各大、中城市新建的净水厂中均设置了较为完 善、自动化程度高的污水和污泥的处理设施。离心脱水、加压脱水等机械脱水方 法应用普遍。 在我国，开展水厂排泥水处理试验研究最早是上海自来水公司。8 0 年代末9 0 年代初，主要对污泥脱水机械用于自来水厂污泥脱水进行了小型实验研究，以找 到适合上海水厂污泥处理的机械脱水方式。1 9 9 8 年至1 9 9 9 年，程曦对福州市西区 自来水厂采用干化床污泥处理工艺进行了小试研究。 最早将水厂污泥处理的研究理论较为系统的引入国内的专家是谢志平。在给 水厂的污水和污泥处理一书中，他综合了西方发达国家的研究成果，对自来水厂 污水和污泥的种类、数量和组成成分、污水和污泥的处理方法、各种处理构筑物 的结构、设计与管理、污泥中混凝剂的回收和脱水泥饼的最终处置与利用等进行 了较为系统的阐述。 华中科技大学硕士学位论文 随着我国对环境保护和整治力度的不断加强，许多省市的环保部门近年来积极督 促各地自来水公司在扩建、新建自来水厂的同时，要筹措资金同步实施水厂的排泥水 处理工程。1 9 9 6 年以来，北京市第九水厂、石家庄润石水厂、深圳梅林水厂、上海 闵行水厂、河北保定二水厂，厦门杏林水厂等几个水厂的排泥水处理工程的先后建 成投产，标志着我国水厂排泥水处理研究开始了生产性研究阶段。 1 5 课题的意义和研究内容 我国幅员辽阔，水系水质多样化，给水厂废水差别较大，这从一方面反映除出 我国给水f 废水处理问题的复杂性。水厂废水处理技术体系的形成，依赖于广泛 的研究和实际应用，获得大量的资料。鉴于我国目前的实际情况，在众多水厂没 有实施废水处理工程计划的情况下，在武汉地区开展水厂废水处理的小规模试验 研究，以获得丰富的资料信息，为今后实越废水处理工作做准备。“武汉市给水厂 废水处理的试验研究”正是基于这种现实情况提出来的。 本课题分为三个部分进行。第一部分是数据收集阶段，主要对水厂历年的原水 浊度、色度和加药量数据进行收集和统计，根据一定的统计概率，确定三者的设 计平均值。一般可取历年出现概率7 5 的数据作为设计平均值，雨将历年出现最 高值作为设计最大值。接下来是原水浊度n t u 和悬浮固体s s 比值的测定，一般 通过现场检测一段时间原水的n t u 和s s 值，获得不同情况下两者的比值，最终 确定设计所采用的两者比值。根据这些数据，可以用公式法计算平均干泥量和最 高干泥量。由于第一阶段试验时间较短，计划在水厂的常规检测指标中加测悬浮 固体s s 的测定，为排泥水处理的研究作准备。 第二部分是生产废水的沉降试验。本文着重叙述这一部分，它分为静态沉降试 验和动态沉降试验两个阶段。生产废水静态沉降试验有助于了解污泥的沉降特性， 以之确定浓缩池的设计固体通量和排泥所需的压密时间，最终得出所需的浓缩池 面积和池深；生产废水动态沉降试验则可对得到的设计参数进行验证。投加有机 高分子絮凝剂能有效的改善污泥的沉降性能和脱水性能，为了了解具体影响效果， 特选用阴离子p a m 和阳离子p a m 进行了试验，内容包括比阻试验、抽滤试验、 加药静态沉降试验和加药动态沉降试验。 第三部分是污泥脱水的研究。污泥脱水是排泥水处理的关键环节，目前常见的处 理设施及脱水方法有：天然干化、带式压滤，板框压滤、冰冻解冻、离心机脱水等。 对白鹤嘴水厂污泥的脱水主要进行小型干化床试验，由于试验经费和试验设备的原 因，对机械脱水问题采取考察方式调研。 第一阶段的研究工作将主要包括以下几个方面的内容： 1 1 武汉市水质条件下，水厂废水的性质、特性参数和处理方法； 2 1 各种污泥的调节方法对武汉水厂污泥沉降性能和脱水性能的影响； 华中科技大学硕士学位论文 3 1 确定水厂生产废水浓缩设施的设计、运行参数，并模拟生产运行情况，验 证所选择参数是否合理。： 4 ) 千化床脱水工艺在武汉地区适用性的试验研究。 希望本论文能对今后武汉地区经济合理的实施自来水厂废水处理有所助益。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 1 污泥的调质机理 2 试验的理论基础 2 1 1 污泥中水分的存在形式及其性质1 4 j 污泥中所含水分形态，尽管不同的文献有不同的分类，但一般都认为有四种形 态，即表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水。毛细结合水又可分为裂 隙水、空隙水和楔形水。 1 ) 表面吸附水 污泥属于凝胶，是由絮状的胶体颗粒集合而成。污泥的胶体颗粒很小，与其 体积相比表面积很大，由于表面张力的作用吸附的水分也就很多。胶体颗粒全部 带有相同性质的电荷，互相排斥，妨碍颗粒的聚集、长大，而保持稳定状态，因 而表面吸附水用普通的浓缩或脱水的办法去除比较困难，只有加入能起混凝作用 的电解质，使胶体颗粒的电荷得到中和后，颗粒成不稳定的状态，粘附在一起， 最后沉降下来。颗粒增大后其比表面积减小，表面张力随之降低，表面吸附水也 随之从胶体颗粒上脱离。污混胶体颗粒一般带负电荷，因此应加入带正电荷的电 解质离子。刚好中和胶体的中性点称为等电点。一到等电点，其同性电荷的相斥 作用立即停止，小颗粒胶体开始聚集、收缩，其容积减小。电解质的加入量不足 或过量，达不到等电点，凝聚效果差，浓缩或脱水效果也不好。 2 ) n 隙水 间隙水是指大小污泥颡粒包围着的游离水分，它并不与固体直接结合，因而 很容易分离。只需在浓缩池总部控制适当的停留时间，利用重力作用，就能将其 分离出来。间隙水一般要占污泥中总含水量的6 5 8 5 ，这部分水是污泥浓缩的 主要对象。 3 ) 毛细结合水 污泥由高度密集的细小固体颗粒组成，在固体颗粒接触表面上，由于毛细力 的作用，形成毛细结合水，这种结合水称为楔形毛细结合水；固体颗粒自身裂隙 中的毛细水，称为裂隙毛细结合水；固体颗粒和颗粒之间空隙中的毛细结合水， 称为间隙毛细水。各类毛细结合水约占污泥中含水量的1 5 一2 5 。 浓缩作用不能将毛细结合水分离，如果将固体颗粒间充满水分的污泥柱浸入水 中，间隙水由予重力作用从上部开始流出。但到达一定高度h 。后，由于毛细力的 作用，水分不再流出，一直保持不变。因此，要分离毛细结合水，需要有较高的 机械作用力和能量，如真空过滤，压力过滤和离心分离才能去除这部分水分。 9 华中科技大学硕士学位论文 4 ) 内部结合水 内部结合水是指包含在污泥中微生物细胞体内的水分。它的含量多少与污泥中 微生物细胞体所占比例有关。这种内部结合水与固体结合得很紧密，使用机械方 法去除这部分水分是行不通的。要击除这部分水分，必须破坏细胞膜，使细胞液 渗出，由内部结合水变为外部液体。为了去除这种内部结合水，可采用推肥，或 采用高温加热和冷冻等措施。内部结合水的量不多，内部结合水和表面吸附水一 起只占污泥中总含水量的1 0 左右。 2 1 2 悬浮颗粒物的性质及粒子群的形成 悬浮粒子群作为固液分离，特别是浓缩脱水操作的对象，不仅粒子细小，而且 往往粒度分布广，密度不均，因而难以将其直接处理。因此需要深入了解悬浮颗 粒物的性质，研究形成悬浮粒子群的条件，采取切实有效的措施，才能使污泥浓 缩脱水顺利进行【5 】。 1 ) 颗粒物的基本性质 ( 1 ) 粒度分布广 污泥中固体颗粒物在一定的范围分布，但往往达到数量级差异。同类颗粒物的 不同体系若粒度分布有很大区别，自然会使它们的特性有所不同。因此，颗粒物 的特性往往是整个体系的统计平均值，在必要时应表明粒度分布的特性。 ( 2 ) 形状形态多样性 颗粒物的微观形态可以是线状、块状、球状或各种不规则形态，但同类形状 的长短大小也有很大差别。多个单体还可结合起来成为聚集体，大多数单体可聚 集成絮体。颗粒物多种多样的形状和形态将会影响其特性。 ( 3 ) 电学特性显著 颗粒优先吸附一些带电荷的物质，生物颗粒物的生命活动，也会产生电荷。 因此，大多数颗粒物带有一定电荷，成为它们的基本特性，而且有时电荷量很大， 在溶液中构成复杂的双电层，强烈的影响着颗粒物本身的稳定性和各方面的相互 作用特性。 ( 4 ) 组成复杂密度不均 污泥是处理水产生的，水体本身是一个复杂体系，由此产生的污泥组成相当复 杂，既有有机物如腐质酸、微纤维，又有无机物如碳酸盐、硅酸盐等矿物颗粒。 因此密度很不均匀。 2 ) 悬浮粒子群的形成 污泥中颗粒物的性质各异，具有胶体性质，对水的亲和力和过滤比阻大，浓缩、 过滤脱水相当困难，如何形成悬浮粒子群，使其性质归一化，以利采取针对性的 措施，使固液分离获得全方位的效果，这是形成悬浮粒子群的根本目的。这样的 操作，即所谓污泥调质。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 , 1 。3 污泥调质的一般方法 1 ) 冷冻融解法 冷冻融解法是将含有大量水分的污泥冷冻，使温度下降到凝固点以下，污泥开 始冻结，然后加热融解。污泥经过冷冻一融解过程，由于温度发生大幅度变化， 使胶体颗粒脱稳凝聚，颗粒由细变大，失去了毛细状态。冷冻处理后污泥中细胞 破裂，细胞内部水分变成自由水分，从而提高了污泥的沉降性能和脱水性能【6 1 。不 同浓度的污泥经冷冻融解处理后，沉降速度几乎在1 0 m i n 内达到5 0 0 m m m i n 以上。 冷冻处理污泥过滤速率的影响更大，自来水厂污泥过滤速率一般为5 1 0 k g m 3 h ， 冷冻处理后过滤速率可提高到2 0 0 k g m 3 h 以上，泥饼含水率为5 0 7 0 ，比加 药调质污泥脱水泥饼含水率低j 。 2 1 化学调质法 胶体粒子在水中保持悬浮的根本原因，一是它的粒径小，二是它的表面带有电 荷。因此，在一般情况下，由胶体粒子组成的悬浮液能长时间保持稳定，即使粒 径大于胶体的固体颗粒( 粒径在1 1 0 l am ) ，也不会在短时间内自动沉降下来。胶 体粒子的平均粒径一般为0 1 l m ，每小时的自然沉降距离仅为1 0 _ 2 1 0 c m ， 这样的沉降速度毫无工程意义。 胶体粒子由于粒径小，因而有巨大的比表面，以直径为1um 的胶体粒子为例。 如果胶体总体积为1 c m 3 ，则其表面积可达6 0 0 m 2 。大比表面( 或分散度) 的悬浮 颗粒体系具有很大的表面能，在范德华力的作用下。能自发靠拢，以减少其比表 面或分散度。但这一自发倾向往往被胶体粒子表面电荷的相互排斥而抵消，胶体 仍保持其分散状态和稳定性。 胶体粒子表面带电的原因比较复杂【8 】，但污泥主要有三种基本方式。一是胶体 表面上的化学反应。许多固体表面含有可离解的基团，如羟基、羧基等，这些基 团离解，即可使胶体粒子产生表面电荷。二是粒子之间能形成共价键、离子键、 氢键、偶极键或诱导偶极键，由于粒子得失电子或共享电子，使胶体带电。三是 胶体表面吸附h + 、o h 。或其它离子也能自身带电。由此可知胶体所带电荷的性质， 电荷的多少与胶体本本身的性质、介质的p h 值条件等都有密切的关系。 构成污泥的固体颗粒一般都很细小，而且常带负电荷，形成一种稳定的胶体悬 浮液，使污泥中的固体与水的分离，即浓缩和脱水都比较困难。为了解决这个问 题，需要破坏污泥胶体的稳定性。化学调质的目的是利用药剂中和固体颗粒所带 的电荷，减小固体颗粒与水分子的亲和力，增大颗粒之间的凝聚力，增大粒径【9 j 。 2 2 浓缩的基本理论 自来水厂排泥水的含固率很低，沉淀池排泥水的含固率一般在0 1 一1 之间 华中科技大学硕士学位论文 滤池反冲洗水的含固率则要低得多，因此排泥水的体积很大。在进行排泥水处理 之前，一般需要对其进行浓缩。 污泥浓缩的主要目的就是要提高泥水的含固率，减少泥水的体积。根据浓缩前 后的物料平衡，若忽略上清液中的固体