（环境工程专业论文）超生辐射及絮凝剂在污泥脱水中的应用研究.pdf

东华土学硕士学位论文 超声辐射及絮凝剂在污泥脱水中的应用研究 摘要 本论文通过对近年来国内国际上的污泥处理处置技术历史和现 状的总结，选取上海市天山污水处理厂的剩余活性污泥作为研究对 象，采用超声波联合絮凝剂调理的方法对污泥进行分段处理。论文 探讨了剩余活性污泥中的絮体结构在作用前后的变化情况，对污泥 的脱水性指标c s t 、s r f 和流变性指标粘度等进行研究，并结合考 虑了超声波频率、功率、作用时间等因素的影响，以及污泥含水率 等因素改变后的规律重现性问题。实验结果表明： 1 ) 超声波作用可以通过调整污泥结构，促使污泥结构重组， 改变污泥中水的存在形态，从而使污泥体系中的易去除水含量提高， 改善污泥脱水性能。但作用时间的长短对污泥脱水性的影响至关重 要，太长时间的超声作用，会导致污泥颗粒尺寸过小，比表面积剧 增，脱水性能反而降低。 2 ) 超声波作用时间对污泥的流变性也有一定的影响，并且影 响规律类似于污泥脱水性变化规律；试验中还发现污泥的流变学指标 粘度随剪切速率的增大而减小，即剪切稀变，证实了污泥符合非 牛顿流体特性的观点。 3 ) 在压缩双电层和吸附架桥的作用下，污泥的表观粘度随着 调理剂投加量的增加而减小，脱水性能逐渐变好。 东肆丈学硕士学位论文 4 )污泥的沉降性能和脱水性能的变化趋势具有同向性，但并 不一定在同样的调理剂投加量下达到最佳，一般情况下，用于沉淀 的理想絮体应该是有较大尺寸和坚固紧密内部结构的絮体，而易于 过滤的絮体应该是多孔性较好，并有坚固开放内部结构的絮体。 5 )分段混合过程中搅拌速率起着较关键的作用，选用合适 的混合速度和时间能够使污泥颗粒和絮凝剂充分结合，相互作用完 全，不会产生二次破碎和絮凝不足的问题，从而提高脱水性能。并且 由实验中也可看出，选用合适的慢混条件比快混条件更能改善污泥的 脱水效果。 6 ) 超声波辐射能够有效的改变污泥结构，促使絮体内水的 存在形态发生改变，即向着易于脱水的形态转变。但此过程中污泥的 表面电学性质并没有出现明显的变化，说明该频率段的超声波辐射对 污泥的作用主要表现为类似于机械搅拌的力学机制，并没有上升为声 化学行为。 本文建立了超声辐射联合絮凝剂调理改善污泥脱水性的实验方 法，该试验方法处理对象为城市生活污水处理厂的剩余活性污泥，因 此该研究方法对于菲生活污水的剩余活性污泥的处理适用性还需进 一步研究。建议在运用该方法对生活污水的剩余活性污泥进行实际处 理时要综合考虑超声波频率、功率、辐射作用时间和絮凝剂类型、投 加量以及离子型絮凝剂的电荷量等参数条件，并分析其可行性。 关键词：超声波，污泥，絮凝剂，脱水性能 东华大学硕士学位论文 t h e e x p l o r a t o r y r e s e a r c ho n d e w a t e r a b i l i t y o f s l u d g e c o n d i t i o n e d b y u l t r a s o n i ca n df l o c c u l a n t a b s t r a c t t h i ss t u d ye v a l u a t e st h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gu l t r a s o n i cc o m b i n e d w j t hf l o c c u l a n tt oi m p r o v et h ed e w a t e r a b i l i t yo fo r g a n i cw a t e rs l u d g e t h e d e w a t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f c o n d i t i o n e ds l u d g ei nt e r m so f s p e c i f i c r e s i s t a n c et of i l t r a t i o n ( s m qa n dc a p i l l a r ys u c t i o nt i m e ( c s t ) w e r e i n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a t o r g a n i cw a t e rs l u d g e ， c o n d i t i o n e dw i n lu l t r a s o n i c c a ne f f e c t i v e l yd e c r e a s ei t ss r fa n dc s t v a l u e s s l u d g ec o n d i t i o n i n g w i t ht h ec o m b i n a t i o no fu l t r a s o n i ca n d f l o c c u l a n t ，c a l l e dc o o p e r a t i v ee f f e c t ，n o to n l yi m p r o v e sd e w a t e r a b i l i t y f u r t h e r , b u ta l s or e d u c e sf l o c c u l a n td o s a g e sc o n s i d e r a b l y t h ef a c t o r so f f r e q u e n c y 、p o w e r a n d w o r k i n g t i m ew e r ec o n s i d e r e d 1 ) t h e u l t r a a u d i b l es o u n da c t i o nm a yi m p e lw e i g h t ys e r i e so n m i r ec o m p o s i t i o nb ym e a n so f r e g u l a t e st h em i r ec o m p o s i t i o n ，r e v i s e s i nt h em i r ew a t e rf o r m b e i n g ，t h e r e b yc a u s i n g i nt h em i r es e t u p c h a n g e s l e a v e i n g t ol i f t e x c e p t f o rw a t e rc o n t e n t ，t h e i m p r o v e m e n t m i r e d e h y d r a t i o np e r f o f i n a n c e y e tt h ea c t i o nt i m es t r o n ga n dw e a k p o i n t st om i r ed e h y d r a t i o nt h e 东华大学硕士学位论文 e f f e c ti su t m o s ti m p o r t a n c e ，t h eu l t r a s o u n da c t i o no fv e r ym u c he l d e r t i m eb ea b l et oc a u s et h a tt h em i r ep e l l e td i m e n s i o n si su n d u l yl i t t l e ，o n t h ec o n t r a r yt h ed e h y d r a t i o np e r f o r m a n c ed e g r a d u t i o nt h a ns u r f a c ea r e a s h a r p i n c r e a s e 2 ) t h e u l t r a a u d i b l es o u n da c t i o nt i m ea d j u s tt h es p e c i f i e de f f e c t t h a tm i r er u n st h ed e n a t u r a t i o na l s ot op o s s e s s ，m o r e o v e rt h ee f f e c t r e g u l a rp a t t e r na n a l o g o u s l yc h a n g e s t h e r e g u l a rp a t t e m t om i r e d e h y d r a t i o n ； s t i l ld i s c o v e ri nt h ee p e r i m e n tm i r er u n s c h a n g e s i n t ot h e t a r g e t i n i m m e d i a t ef u t u r et h e v i s c o s i t y i ss l i c et h a tt h er a t eb r o a d e n sa n d d e c r e a s e sw i t hc u t s ，c u t ss u r e l ys c a r c e l yc h a n g i n gi n t o ，a n dc o n f i r m e d t h e c o n c e p tt h a t t h em i r ea c c o r d sw i t hn o n - n e w t o n sf l u i dm e d i u m 3 ) i s l i v i n gc o m p r e s s e sb e l o wt h ea c t i o nt h a tt w i ne l e c t r i c i t y s t r a t u r ma n d s t i c k i n g sw e r ep u tu pb f i d g e t h ea p p a r e n tv i s c o s i t yo fm i r e i nt h ew a k eo ft a k e sc a r eo f d o s ei sf l i n gt h ea m o u n tt h e p l u s i n gi n c r e a s e b u ti sd e c r e a s e d ，a n dt h e d e h y d r a t i o np e r f o r m a n c ei m p r o v e so n eb yo n e 4 ) t h e m i r ea l t e r n a t i o n t e n d e n c yt o s u b s i d ep e r f o r m a n c ea n d t h ed e h y d r a t i o np e r f o r m a n c eh a v e e sw i t ht r o p i s m ，y e tn o ta ta l l s u r e l y b e i n gl i v i n ge q u n l yt a k e s c a r eo fd o s et o f l i n g t oa t t a i nb e l o wt h e a m o u n tp l u s i n g o p t i m u m ，b e l o wt h eo r d i n a r ys i t u a t i o n ，t h ei d e a l w a d d i n gp a r to ft h eb o d yo ft h ep r e c i p i t a t i o nb e i n gu s e ds h o u l db e 东华土学硕士学位论文 p o s s e s i n gg r e a t t e r d i m e n s i o n sa n ds o l i d i n s e p a r a b l e i n t e m a ls t r u c t u r e w a d d i n gp a r to f t h eb o d y ，b u tb e i n ge a s yt ot h ew a d d i n gp a r to ft h e b o d yf i l t e r i n g b et h ep o r o s i t yi sb e t t e r ，a n dt h e r ei st h es o l i do p e n i n t e r n a ls t r u c t u r ew a d d i n g p a r to f t h eb o d y 5 ) t h e b u r s tb l e n d e si nt h ep r o c e s st o a g i t a t et h er a t e a c t i o n r a k e dt h ek e y ，a n da p p r o p r i a t eb l e n d i n gv e l o c i t ya n dt h et i m ec h o o s i n g c a nc a u s et h em i r ep e l l e tw i t hf l o c c u l a t e sd o s es u f f i c i e n t l yu n i t e ，a n d t h em u t u a la c t i o nb eu n l i k e l yn o tc o m ei n t ob e i n gs e c o n d t i m eb r e a k a g e a n dt h ef l o c c u l a t e sd e f e c tp r o b l e m ，t h e r e b yi sl i f t dt h ed e h y d r a t i o n p e r f o r m a n c ec o m p l e t e l y m o r e o v e rt h r o u g h a l s om a ys e et oc h o o s e a p p r o p r i a t e l yc o n f u s e i n g t h a tt h et e r mc o n t r a s t s d e h y d r a t i o n e f f e c t c o n f u s e i n gt h a tt h et e r m s t i l lm o r ei m p r o v e dm i r eq u i c k l ys l o w l yi nt h e t e s t 61t h eu 1 自f a - a u d i b l es o u n dr a d i a t i o nc a r lb ev a l i dt h em t e r a f i o n m i r ec o m p o s i t i o n ，t h ea l t e r a t i o nh a p p e n st h ef o r mb e i n gt oi m p e lt h e w a d d i n gp a r to f t h eb o d yi n l a n dw a t e r s ，a n dr e a c h e sf a c i n gb e i n ge a s y t ot h ef o r mo f d e h y d r a t i o nt ot r a n s f o r m y e tt h es u r p e r f i c i a le l e c t r i c i t y n a t u r eo fm i r ed o e sn o ta r i s et h eo b v i o u sa l t e m a t i o ni nt h i sp r o c e s s ， i l l u s t r a t e st h a t 矗e q u e n c yl e n g t ht h eu l t r a a u d i b l es o u n dr a d i a t i o nt om i r e m a i nt h e e x p r e s s i n g o fa c t i o ni nt h ei n t e r e s to fa n n o g o u st ot h e m e c h a n i c sm e c h a n i s mt h a tt h em a c h i n e a g i t a t e e e d ，a n dd o e s n o tm o v e u p w a r d i nt h ei n t e r e s to ft h ev o i c ec h e m i s t r ya c t i o n 东华史学硕士学位论文 t h eo r i g i n a le s t a b l i s ht h eu l t r a s o u n dr a d i a t i o n j o i n t l yf l o c c u l a t e s d o s et a k e sc a r eo ft h ei m p r o v e m e n tm i r ed e h y d r a t i o nt e s tm e a n s ，t h a t e p e r i m e n tm e a n sp r o c e s s i n go b j e c t i st h ea c t i v a t e dm i r eo ft o w nl i f e s e w a g et r e a t m e n t m i l l r e m a i n d e r ，h e n c et h a tr e s e a r c hm e a n s s t i l l r e q u i r e st or e s e a r c hf u r t h e ra st on o n l i f es e w a g ea c t i v a t e dm i r eo f t h e r e m a i n d e rh a n d l e a p p l i c a b i l i t y w i l ls y n t h e s i z e c o n s i d e rt h e u l t r a a u d i b l es o u n df r e q u e n c yw h e np r o p o s a li s l i v i n g t ou t i l i z et h e a c t i v a t e dm i r eo ft h er e m a i n d e rt ol i f es e w a g eo ft h a tm e a n st oc a r r yo n p r a c t i c eh a n d l e i n ga n dt h e m e r i t o r o u ss e r v i c er a t ea n dt h er a d i a t i o n a c t i o nt i m ea n df l o c c u l a t e st h ed o s ef o r ma n df l i n g sa m o u n tp l u s i n g a l o n g w i t hi o nm o u l df l o c c u l a t e sd o s ee l e c t r i cc h a r g ea m o u n ta n ds oo n t h ep a r a m e t e r t e r m ，a n da n a l y s e ss u c hf e a s i b l eq u a l i t y q i j i a n ( e n v i r o n m e n t s c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y p r o f e s s o r 塾壁堕! 垫壁g k e y w o r d s ：u l t r a s o n i c ，s l u d g e ，f l o c c u l a n t ，d e w a t e r a b i l i t y 东华大学硕士学位论文 主要图表 图1 1 活性污泥干燥特性曲线6 幽1 2 污泥中水分示意吲6 图2 - 1 不同类型流体的流变曲线简图 一 6 图2 - 2 流体分类图 1 7 图2 - 3 积电层结构示意图 一 2 1 图2 4 吸附架桥作用示意图2 2 图3 - 1s r f 测定装置 2 5 图3 - 2t ，v - v 关系曲线2 6 图3 - 3c s t 测定仪筒图 2 7 图3 - 4 两种频率下的粘度对照图( 1 6 0 w ) 3 0 圈3 - 5 两种频率下的s r f 对照图( 1 6 0 w ) 一3 0 圈3 - 6 两种频率下的c s t 对照图( 1 6 0 w )3 1 图3 7 两种频率下的s r f 对照图( 1 1 2 w ) 3 1 圈3 _ 8 两种频率下的c s t 对照国( 1 1 2 w ) 3 1 图3 - 9 同频率两种功率下脱水性能对照关系3 2 图3 1 0 污泥絮体结构摄影3 3 圈3 1 1 污泥干燥特性曲线 3 4 圈3 4 2 污坭比阻随超声波作用时间的变化关系3 5 图3 1 3 超声辐射时间与粘度关系曲线3 6 图3 1 4 剪切速率与粘度的关系曲线 珀 圈3 1 5 超声波作用时间对c s t 的影响 3 7 图3 1 6 污泥絮体结构摄影3 8 图3 1 7 舒母随超声辐射时问的变化关系 3 8 圈3 - 1 8c s t 随超声辐射时间的变化关系3 8 图3 1 9 桔度随超声辐射时间的变化关系3 9 图3 2 0 浊度随超声辆射时间的变化关系 3 9 图4 1p a m - c 投加量与粘度的关系曲线 4 1 圈4 2p a m q 2 投加量与s r f 的关系曲线4 1 圉4 - 3p a m c 投加量与c s t 的关系曲线一4 l 图4 - 4 样本污泥匕清液透过率和吸光度4 2 斟4 - 5 不同混台方式f 的粘度曲线一4 4 东华土学硕士荸慢论文 阔4 _ 6 絮凝剂湿合方式对污拢的s r f 的影响一4 4 圉4 - 7 絮凝剂灌台方式对羁混d s 的影响 4 4 陶48 小混台方式下的c s t 变化曲线 4 4 图4 - 9 快速泓台条件下的污泥袁观粘度 4 6 幽4 1 0 速棍台条件下的污泥比阻 、4 6 图4 - 1 1 慢速混台条件下的污泥表现粘度 一，4 6 圈4 - 1 2 慢速混合条件f 的污沈比阻 4 6 图5 - i 两组试验的s r f 对照曲线 。4 8 圈5 - 2 两组试验的c s t 对照曲线 4 b 圈5 _ 3 两组试验的z 电位对照曲线 一4 9 圈5 - 4 两组试验的粘厦对照曲线 4 9 图5 - 5 超声时间对c s t 的影响关系曲线5 0 圈5 _ 6 菩辐射时间后的污铌在不同絮凝剂投加量下的c s t 曲线 5 2 圈5 - 7 备辐射时间后 ： 勺污泥在不同絮凝齐j 投加量下的z 电柠曲线5 2 图5 - 8 超声辐射改善污泥脱水性过程示意圈 5 3 囤5 _ 9 絮凝剂调理污泥过程示意圈5 3 图5 一l o 不同超声辐射时间后絮凝剂最佳投加量变化曲线5 3 衰i - i 污泥中营养成分4 表1 2 污泥中各种水份的特点、7 表2 1 一些熟悉材料在室温下的粘度1 7 袁3 - i 污泥的基本性质 。3 0 表3 - 2 试验污混的初始物化性质 一 3 2 袭3 - 3 污泥比阻随超声波作用时间变他的计算数据表一一3 4 表4 1 不回絮凝荆投加量个剪切速率下的粘度h p a s ) 帅 表4 2 不同絮凝剂投加萤十剪切速率下的比盟r ( x 1 0 1 09 2 6 ) 4 0 袭4 ，3 絮凝剂挹台方式4 3 袭4 4 快速混台时不同剪切速率f 的粘度i ( p as ) 4 3 袭4 5 慢速混合时不同剪切速率下的粘度h ( p as ) 4 3 表4 - 6 混台强度的正空试验一 4 5 表5 一l 超卢预处理阶段污泥c s t 值( 单位：s )5 0 表5 - 2 不同超声辐射时闻j 舌絮凝调理污沈的c s t 值( 单位：s ) 5 1 袭5 - 3 不同超声辐射时间后絮凝捕调理污泥的z 电位值5 l 东华太学硕士学位论文 常见名词的缩写及中英文对照 c s r c a p l l l a r ys u c t i o n t i m e ：毛细吸水时间 s r f 、s p e c i f i cr e s i s t a n c et of i l t r a t i o n ：比阻抗，简称比阻 e c p e x t r ac e l l u l a rp o l y m e r s ：胞外多聚物 e p s e x 仃ac e l l u l a rp o l y s a c c h a r i d e s ：胞外聚多糖 w w e x b o u n dw a t e rc o n t e n t ： e p s r t 0 t a le p sc o n t e n t e p s p l 一c o n t e m o f p r o t e i n s c e p r _ t h es u r f a c ec h a r g eo f e p s f d y n a 耐cv i s c o z i t y ：动力学牯度 廿切应力 k 绝对锰度 东华土学硕士学位论文 东华大学学位论文原创性声明 本 郑重声明：我隅守学术道德，崇尚严谨学风。所毕交的学f 市论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或枭体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写， 我对所写的内容负责，并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： 靠龚二 日期：一hr 年月z - z 日 东华土学硕士学位语文 东华大学学位论文版权使用授权书 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，陶意学校保留并向国家 有关部i 、j 或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅或借阅。本人授权东华人学 可以将本学位论文的垒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，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名丢吏 日期：艘f 年，月 碉 指导教师签名 日期：埘年，月，扫 、乏 心r 东华大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 1 1 1 前言 第一章绪论 污泥处理工艺的目的在于最大限度的降低污泥的含水率、减少污泥的产量， 达到减容减量的目的。污泥由于其较高的含水率、复杂的成分和巨大的容量，一 直都是其处理处置的难点。在污泥脱水前的超声波作用和化学调理过程中，超声 作用时间与频率和絮凝剂投加量的问题非常关键，如何确定超声波作用时间、频 率与絮凝剂投加量之间的组合关系使其发挥协同效应，不仅关系到污泥脱水的最 终效果，同样也与污水厂运营效益息息相关。 目前国内外研究的重点在于研究污泥调理过程中絮体结构的变化情况及其 与随后脱水效果的关系。采用超声波联合絮凝剂调理的方法却很鲜见，从微观的 角度，用流变学的方法来对其进行研究的更是少之又少，国内则几乎没有。能否 用某些流变参数作为超声波理想作用时间、频率和调理剂最佳投加量的控制指 标，目前还没有很统一的结论。 1 1 2 污泥性质及存在问题的分析 城市污水厂的污泥是指处理污水过程中所产生的种介于液体和固体之间 的浓稠状废弃物。污泥的成分十分复杂，是由多种微生物形成的菌胶团及其吸附 的有机物和无机物组成的集合体。污泥除含有大量的水分外( 能商达9 9 以上) ， 还含有相当数量的有机质、病原菌、寄生虫卵及有毒害物质( 如重金属等) 。污 泥的产量巨大而且呈攀升趋势，据报道，以现有的技术水平及经济发展状况， 一般的二级污水处理厂，每天产生的污泥量的体积占污水处理量的5 o 1 0 0 0 。2 0 0 0 年我国废水排放总量约为3 3 2 亿吨【，按照污泥量与污水量的比 例5 0 0 1 0 0 0 计算，年产污泥量在1 6 6 0 3 3 2 0 万吨。目前，上海市每天产生 大约5 ，4 0 0 ，0 0 0 吨城市污水，按通常比例计算，上海市每天要产生2 7 0 0 0 5 4 0 0 0 东华主学硕士学位论文 吨待处理污泥。并且，随着污水量的增加和污水处理程度的提高，污泥产量将旱 明显的增加趋势。此外，污泥处理处置的费用较大，约占污水处理系统总费用的 2 5 3 0 【3 】。 有机污泥多由亲水性带电负荷的胶体颗粒组成，颗粒细小，挥发性含量高， 比阻值大，脱水性能较差。特别是活性污泥，体积大，含水率在9 9 以上，比重 在o 9 5 1 0 4 之间 4 1 ，其中的固体悬浮物，颗粒极细，直径在0 ，1 i o g m 之间， 以胶体状态分散，一般带负电荷，颗粒之间相互排斥，比较稳定，污泥的比阻值 非常高，直接脱水极其困难。投加调理剂也很难有理想的效果( 由于国内尚无效 果较理想的脱水絮凝剂) ，还会造成污泥处理成本的上升。如果处理不好，会带 来严重的二次污染问题，如恶臭，寄生虫卵，重金属离子等污染地下水资源。 因此，如何将产量大、成分复杂的污泥经科学处理后，使其无害化、资源化， 已成为我国乃至全世界环境领域深为关注的问题。 1 1 3 污泥处理处置原则及基本方法 污泥的处理处置也应同其他固体废弃物一样遵循减量化、稳定化、无害化的 原则。污泥的处理应达到以下标准： ( 1 ) 污泥减量化，减少污泥最终处置前的体积，以降低污泥处理、处置的 费用； ( 2 ) 污泥稳定化，使污泥中的有机组分转化成稳定的最终产物，保证污泥 的长期稳定； ( 3 ) 使污泥达到无害化和卫生化，减少污泥当中的病原菌及重金属离子等 有毒有害物质的二次污染的可能性； ( 4 ) 污泥资源化，在解决污泥问题的同时使其资源化，达到综合利用和保 护环境的目的【5 】。 污泥若不加处理的任意排放，会对环境造成严重的污染。国内外的主要处理、 处置方法很多，一般采用浓缩、消化、脱水、干化、填埋、焚烧和资源化利用等 不同的处理、处置方法，或用其中某几个方法组合处置f 6 。但这些处置方法也相 应的有各自的优点和缺点： 东华大学硕士学位论文 1 污泥的填埋 污泥的卫生填埋始于上个世纪6 0 年代，是在传统填埋的基础上从保护环境 的角度出发，经过科学选址和必要的场地防护处理，具有严格管理制度的科学的 ，f 程操作方法。其优点是投资较少、容量大、见效快【“。缺点是浪费了良好的有 机肥料资源、占用大量土地，因而受到场地的限制，况且出于污泥含有很高的含 水率，即使是脱水后其含水率也在7 0 以上，因而会产生大量的渗漏液，易造成 地下水的污染。 2 污混的焚烧 。以焚烧为核心的处理方法是最彻底的处理方法，主要可分为两大类：一类是 将脱水污泥直接送焚烧炉焚烧，另一类是将脱水污泥先干化再焚烧。污泥焚烧要 求污泥有较高的热值，因此污泥一般不进行消化处理i ”。虽然污泥焚烧可以迅速 和较大程度的使污泥达到减量化嘲，但其最大的缺点是在焚烧过程中形成大量含 有重金属和毒性有机物的烟雾而污染大气。残余灰烬的填埋处理也易造成二次污 染。此外，由于污泥的含水率很高，故焚烧法对能源的消耗也是很大的。 3 污泥的资源化利用 城市污泥中含有丰富的肥份，如果简单的填埋和焚烧，不仅会对环境造成二 次污染，还是对资源的一种浪费，城市污泥中的肥料成分如表1 1 所示。从经济 的发展、资源的开发利用、城市生态环境的保护等方面来看，城市污泥处置的理 想出路应该是资源化利用，以促进城市的可持续发展。 城市污泥迫切需要寻求一种处理容最大、环境安全和经济可行的处置方法。 实践证明，农用资源化正是这样一种具有广阔前景的污泥处置方法，一直深受世 界各国重视。污泥农用资源化有利于维持和提高土壤肥力，有利于土壤资源的可 持续利用和农业可持续发展，充分利用了污泥中丰富的氮磷等营养元素，有研究 表明【8 1 ，施用污泥或污泥堆肥能明显改善土壤的物理性质，如有利于团粒的形成 和提高团粒的水稳定性；可增加土壤的孔隙度，提高土壤的持水能力和保水能力 等。但是，污泥中存在多种毒性污染物，若含量超标或使用不当可能会使作物生 长不良，产量下降，甚至造成土壤一水体一植物的污染f 8 】。此外，堆肥过程中的 臭味问题也是不容忽视的。保证污泥质量，主要是污泥含量不超过控制标准，这 东华大学硕士学位论文 是城市污泥资源化利用于农业或城市园林绿地建设的前提条件。 表1 1 污泥中营养成分 污泥类别总氨总磷有机质，灰份，脂肪酸， 初沉池污泥 2 01 0 - 3 05 0 6 04 0 - - 5 01 岳一2 0 初沉池污泥消化后 1 6 34 40 ，5 5 0 7 72 5 3 07 0 7 54 5 生物膜污泥消化后 2 8 3 1 41 ，0 3 19 8 活性污泥 35 l 7 1 53 3 4 9 76 0 7 0 4 其他处置方法 国外对污泥制动物饲料、包埋处理以及焚烧灰制砖等处置方式均有一定的研 究，也有成功的报道，但要将这些处置方法作为一种主要的污泥处置方法被采用 尚需迸一步研究。 综上所述，无论采用何种处置方法，污泥过高的含水率都是一个无法回避的 障碍，也是使各种处置方法产生问题的原因之一。国内外对污泥脱水减容化已进 行了很多年的研究，也摄出了一些比较有效地方法和措施，如上面提到的压滤脱 水、真空过滤脱水、离心脱水等，也有从污泥预处理的角度采取的措施，如对混 凝剂、助凝荆等化学调质剂种类的选择及用董的研究，在热处理和冷冻法方面的 研究，这些方法的目的都是想通过污泥絮体颗粒大小的变化来改善污泥的脱水性 能，其研究的重点在于脱水效果的改善，而很少对污泥结构本身进行研究。 1 1 4 污泥调质 城市污水处理厂排出污泥中的固体物质主要为胶质，有复杂的结构，与水的 亲和力很强，含水率很高，浓缩和脱水都非常困难，为了提高污泥浓缩和脱水效 率，需要采用多种方式对污泥进行适当的调质，既改变污泥的理化性质，减少泥 水间的亲和力，破坏污泥的胶态结构，使固体粒子重组，凝聚力增强，颗粒增大， 从而改善污泥的脱水性能。污泥调质是污泥浓缩和机械脱水前的处理，调质工艺 包括化学调质、加热加压调质和冷冻融化调质等。为了有效的进行污泥干燥、焚 烧及进步处理，必须充分的脱水而减量化，使污泥当作固态物质来处理。所以 在整个污泥处理系统中，脱水是最重要的减量化手段，可减到原体积的l l o 4 东华大学硕士学位论文 l 5 。污泥脱水一般采用自然干化和机械脱水两种方式，后者应用较多，用该方 法处理的污泥占的7 0 以上，主要的脱水机械有转桶离心机、板框压滤机、带式 压滤机和真空过滤机。目前，真空过滤机己逐步被淘汰，而转桶离心机和带式压 滤机因其优点显著，发展较快。 影响污泥脱水性能的因素主要是颗粒的大小、电萄的水合程度和颗粒间的相 互作用，污泥颗粒大小是影响污泥脱水性能的最主要的因素。污泥颗粒越小，颗 粒的比表面积越大，同时颗粒水台程度也越高，对脱水过程的阻力也越大。 污铌调质中应用较多的是化学调质法，即在污泥脱水前投加某种化学药剂， 以克服水合作用和静电排斥作用，改变污泥絮体颗粒的大小和结构，使之脱稳、 絮凝沉降，从而有利于随后的脱水过程，改善脱水效果。由于污泥成分和结构的 复杂性，调质中最大的问题就在于如何确定调质剂的最佳投加量。调质剂投加量 不足，则无法产生预期的絮凝效果；调质剂过量投加不仅会增加处理费用，还会 使脱水效果恶化。因而寻求一种方便、直观、有效的调质剂投加量控制指标，将 是一个刻不容缓的问题。 污泥中颗粒的分散度和水的存在形态对污泥的脱水性能有很大影响f 鼾，对水 的存在形态进行考察也有助于对污泥脱水性能的研究。t s a n g 和v e s i l i n d 1 哪通过 对污泥的干燥曲线进研究，发现在恒温( 3 5 。c ) 恒湿条件下，污泥干燥可分为三 个明显的阶段：恒速干燥阶段、第一加速阶段和第二加速阶段( 见图1 - 1 ) 。通过 干燥特性曲线，可将污泥中水份分为以下几种： 自由水( f r e em o i s t u r e ) ：在恒速干燥阶段去除的水，这些水份与固体颗粒没 有相互作用关系，存在于污泥颗粒之间称游离状态，也可以借助重力浓缩去 除，这部分约占污泥总含水量的6 5 8 5 。 间隙水( i n t e r s t i t i a lm o i s t u r e ) ：在第- a n 速干燥阶段去除的水份，当污泥处 于悬浮时的絮体水分，当泥饼形成时则在毛细管中。这些水份与污泥颗粒间 有较强的作用力，重力浓缩无法分离，只有施加加大的外力，才能把这部分 水分离出来。这部分水约占污泥总水份的2 0 左右。 表面水( s u r f a c em o i s t u r e ) ：在第二加速阶段去除的水份，这部分水吸附或 附着在固体颗粒表面，能随固体粒子移动，可用化学调质结合机械方法予以 排除。 东华太学硕士学位论文 化学结合水( c h e m i c a lb o u n dw a t e r ) ：在r 燥实验中不能被去除的水分，这 些水份通过化学力结合在污泥的颗粒的表面或存在于污泥颗粒内部( 包括生 物细胞内的) ，与固体粒子结合较牢固，单用机械方法不能达到排出目的， 必须采用生物化学法等方法才能排除。 奈 一 辟 * 如 图1 1 活性污泥干燥特性曲线 图1 - 2 给出了污泥中这四种水分的示意图。 图1 - 2 污泥中水分示意图 从表1 2 可以看出污泥中各水分的结合强度由小到大的顺序为自由水、间隙 水、表面水、和化学结合水，结合强度越大，分离就越困难。一般认为，重力浓 缩、真空抽滤和离心脱水等单纯的机械脱水方法只能取出部分自由水和间隙水， 不能取出污泥中的表面水和化学结合水。有研究表明【l l + t 2 ，采用无机混凝剂调理 东牟大学硕士学位论文 污泥带正电荷的金属离子可以替换部分污泥颗粒表面吸附水份，从而可使这部分 表面水有可能被机械分离。而对于污泥中的化学结合水，必须才其他技术手段( 如 超声波等) 刁能转移或去除。 表1 - 2 污泥中各种水份的特点 水份类型水与固体的关系作用力类型可用去除方法相对含量( a ) u 3 百百习：一一疆j 爵百重丽i 污裤甭i 万重j 再磊i i 一一；一i j 瓦、一一 关系 间隙水 表面水 化学结合水 包含在絮体的间机械力 隙和毛细管中 附着在污泥固体物理力 颗粒的表面 通过化学键与固化学力 体结合 离心力、负压等2 0 左也 加无机混凝剂后2 左右 可部分机械脱水 不能机械去除 3 左右 ( a ) 以未经过处理的污泥为倒，污泥含水率为9 92 4 - a 通常污泥含水率在8 5 以上时，污泥里流态；6 5 8 5 时呈塑态：低于6 0 时呈固态。污泥含水率从9 9 5 降至9 5 ，其体积缩减为原污泥的1 1 1 0 。污泥中 的各水分的含量随污泥性质和污泥含固率变化而改变。有机污泥中结合水的含量 比无机污泥中的含量高，从表1 - 2 可以看出：污泥中结合水的含量( 以g g 干固 体表示) 随污泥含词率的增大而减小，说明在脱水过程中有部分结合水被去除； 但随着污泥含固率的增大，结合水在污泥总水量中的比例会增大，说明在机械脱 水中自由水最容易去除，而结合水很难去除。同时，随着污泥含固率的上升，污 泥中结合水在总水分中的比傍j 就会增加，结合水对污泥含水率的影响就越大，因 此污泥中结合水的相对含蠡是表征污泥脱水性能的关键。 1 1 5 课题研究现状及流变学在污泥调质和脱水中的应用 污泥在脱水前添加化学药剂进行调质，是世界备