（模式识别与智能系统专业论文）利用城市给水厂污泥制砖技术研究.pdf

t e c h n o l o g ys t u d yo nb r i c k so fc i t yw a t e r w o r k ss l u d g e b y s h e n q i a n w e n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g i n m u n i c i p a le n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rx i em i n m a y 2 0 1l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 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。 作者签名： 日期：印、f 年f 月叩日 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，同意 学校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。本人授权长沙理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 弼玄夏 臼幺必 日期：7 , t 1 年厂月叶日 日期：知1 1 年f 月竹日 摘要 目i j i 净水厂所排出的生产废水一般占整个水厂总制水量的4 7 ，并且大 部分的给水厂将排泥水排入附近江河、湖泊等水体，或者直接排放在土地上储存， 这样的处置方式对取水水源和自然环境产生了不良影响。 本文参照普通陶瓷砖的生产工艺，利用城市给水处理厂脱水污泥为掺料烧制 污泥陶瓷砖。通过对烧后试件断裂模数检测及吸水率等其他主要影响因素分析， 探讨了利用城市水厂脱水污泥烧制陶瓷砖的可行性，确定了基本工艺流程和配方 参数。研究表明：烧制试件的断裂模数随着污泥含量增加，吸水率则下降，砖坯 中污泥最佳掺入量在4 0 - - 5 0 之间，产品吸水率为o 5 3 ，断裂模数高于 3 5 m p a ，满足千压炻瓷砖g b t 4 l0 0 3 2 0 0 6 标准，且它的耐化学腐蚀性较佳，达 到了耐腐蚀性检测g b t 3 8 1 0 1 3 - 2 0 0 6 的要求。 通过给水厂脱水污泥烧制普通烧结砖的实验工艺研究，对烧后砖块表观性 质、抗压强度及吸水率等其他主要影响因素分析，确定了砖坯中污泥最佳掺入量 在6 0 7 0 0 , 0 之间，烧结温度为8 5 0 一9 5 0 下，产品吸水率约为2 0 ；抗压强 度高于2 0 m p a ，达到了g b 5l0 1 2 0 0 3 烧结普通砖m u 2 0 和m u 2 5 等级：且浸出 液不具有腐蚀性，满足g b t 1 5 5 5 5 1 2 1 9 9 5 标准要求。 研究结果表明，城市给水厂脱水污泥制砖是可行的，且污泥制砖不仅可以资 源化利用污泥，减少污泥量的排放，还减少了粘土用量，节省了煤投加量，有利 于社会可持续发展。 关键词：脱水污泥；陶瓷砖；烧结砖；断裂模数；吸水率 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ev o l u m eo fi n d u s t r i a lw a s t e w a t e rd i s p o s e db yt h ew a t e rt r e a t m e n t p l a n tg e n e r a l l ya c c o u n t sf o r4 t o7 h o w e v e r t h e r ea r em a n yc a s e sw h e r et h e s l u d g ew a sd i s c h a r g e dd i r e c t l yi n t ot h en e a r b yr i v e r sa n dl a k e s ，o rt h ep o n d sw e r e u s e df o rs h o r t - t e r ms t o r a g ea n dr e g u l a rd r e d g i n gf o r t h e s l u d g e ，w h i c he x e r t sa n e g a t i v ei m p a c to nt h ew a t e rs o u r c e sa n dn a t u r a le n v i r o n m e n t t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r o d u c t i o no fc e r a m i ct i l e su s i n gd e w a t e r e ds l u d g eo f w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta sa d m i x t u r eb yr e f e r e n c et ot h en o r m a lp r o d u c t i o np r o c e s so f c e r a m i ct i l e s a n a l y s i si sm a d eo nt h em o d u l u sr u p t u r e ，w a t e ra b s o r p t i o nr a t ea n dt h e o t h e rk e yf a c t o r so fs p e c i m e na n dd i s c u s s i o ni sh e l d0 1 1t h ef e a s i b i l i t yo fp r o d u c i n g c e r a m i ct i l e su s i n gs l u d g ei no r d e rt od e t e r m i n et h eb a s i cp r o c e s sa n df o r m u l a t i o n p a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d u l u so fr u p t u r eo fs p e c i m e ni n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o n t e n to fs l u d g e ，w h i l et h ew a t e ra b s o r p t i o nr a t ed e c r e a s e d a n dt h eb e s ta d m i x t u r ea m o u n to fs l u d g ew a sa t4 0 t o5 0 w i t ht h ew a t e r a b s o r p t i o nr a t e0 5 t o3 a n dm o d u l u so fr u p t u r eo v e r3 5 m p a i nt h i sc o n d i t i o n ， t h es p e c i m e nm e e t e dt h es t a n d a r do fd r y - p r e s s e ds t o n e w a r et i l eg b t 4 10 0 3 - 2 0 0 6 ， a n di tw a so fg o o dc h e m i c a le r o s i o nr e s i s t a n c e ，w h i c hm e e t e dt h er e q u i r e m e n t so f g b t 3 8 1 0 1 3 2 0 0 6 b ys t u d y i n gt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s so fp r o d u c i n gc o m m o nb a k e db r i c ku s i n g d e w a t e r e dw a t e r w o r k ss l u d g ea n d a n a l y z i n g t h e a p p a r e n tn a t u r e ，c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ，w a t e ra b s o r p t i o nr a t ea n do t h e rm a j o rf a c t o r so fb a k e db r i c k ，s o m ed a t e s a r ed e t e r m i n e da sf o l l o w e d ：t h eo p t i m a la d m i x t u r ea m o u n to fs l u d g ei s6 0 t o7 0 ， t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s8 5 0 9 5 0 ，t h ew a t e r a b s o r p t i o nr a t ei sa b o u t2 0 ； t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hi sh i g h e rt h a n2 0 m p aw h i c hr e a c h e st h em u 2 0a n dm u 2 5 c l a yb r i c k sg r a d eo fg b 5101 2 0 0 3 ；a n dt h ei n f u s i o ni sn o tc o r r o s i v ew h i c hm e e t s t h es t a n d a r d so fg b t 1 5 5 5 5 1 2 1 9 9 5 t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sf e a s i b l et op r o d u c ec e r a m i ct i l e su s i n gw a t e r w o r k s s l u d g e ，w h i c hm a k e st h es l u d g et r a n s f e ri n t ou s e f u lr e s o u r c e s ，r e d u c e st h ea m o u n to f s l u d g ed i s c h a r g e ，a n dt h eu s a g eo fc l a ya sw e l la st h ed o s a g eo fc o a l k e yw o r d s ：d e w a t e r e ds l u d g e ；c e r a m i c r u p t u r e ； w a t e ra b s o r p t i o n t i l e s ；b a k e db r i c k ；m o d u l u so f r a t e 目录 摘要i a b s t r a c t - i i 第一章绪论 1 1 本课题研究背景及意义l 1 2 本课题的提出2 1 3 本课题研究目标、内容、及创新点”3 1 3 1 研究目标3 1 3 2 研究内容“3 1 3 3 项目创新点“3 第二章城市给水厂污泥处理工艺 2 1 城市给水厂污泥处理工艺5 2 2 国内外净水厂排泥水处理现状及实例9 2 3 小结1 l 第三章城市给水厂污泥资源化利用 3 1 城市给水厂污泥的产生和物化性质”1 2 3 1 1 给水污泥的物理性质w 一1 2 3 1 2 给水污泥的化学性质”1 2 3 2 给水污泥的综合利用1 3 3 2 1 再生( 回收) 铝盐l3 3 2 2 再生( 回收) 铁盐1 4 3 2 3 再生( 回收) 石灰1 4 3 2 4 给水污泥的建材利用”1 5 3 2 5 给水污泥作垃圾场覆土1 5 3 2 6 给水污泥土地利用1 6 3 2 7 其他研究进展1 7 3 3 水厂污泥制砖的理论技术一1 7 3 3 1 国内外污泥制砖技术一1 8 3 3 2 水厂污泥制砖优缺点1 9 3 4 小结1 9 第四章给水厂污泥制备陶瓷砖的试验研究 4 1 污泥烧制陶瓷砖的原料2 1 4 2 试验工艺流程”2 2 4 2 1 配料2 2 4 2 2 陈腐2 2 4 2 3j 成型2 3 4 2 4 生坯干燥一2 3 4 2 5 烧制2 3 4 3 实验仪器和设备2 5 4 4 实验成品物理力学性能测试方法2 6 4 4 1 吸水率的测试一2 6 4 4 2 断裂模数的测试2 6 4 4 3 耐化学腐蚀性的检测2 7 4 5 制备工艺条件的选择”2 7 4 5 1 正交试验分析2 7 4 5 2 污泥陶瓷砖各工艺参数对性能的影响3 0 4 6 经济社会效益初步分析一3 6 4 7 小结3 7 第五章高掺量水厂污泥制备普通烧结砖的试验研究 5 1 试验原料“3 8 5 2 实验样品制作3 8 5 3 实验成品物理力学性能测试方法4 0 5 3 1 密度p 测试4 0 5 3 2 抗压强度试验4 0 5 3 3 泛霜试验“4 l 5 3 4 烧结砖浸出液腐蚀性能检测4 l 5 4 结果与讨论41 5 4 1 表观性质分析一4 1 5 4 2 抗压强度分析4 l 5 4 3 抗折强度分析4 3 5 4 4 吸水率及其它性能分析4 4 5 4 5 水厂污泥烧结砖浸出液腐蚀性能检测4 4 5 5 小结4 4 第六章结论与展望 6 1 结论4 6 6 2 展望4 6 参考文献4 7 到c谢51 附录5 2 第一章绪论帚一早珀y 匕 1 1本课题研究背景及意义 净水厂的排泥水一般占整个水厂总制水量的4 7 ，它的直接排放，对环 境造成了很大的污染，这引起了人们的高度重视。排泥水中的污泥主要由原水中 大部分的悬浮物、一部分的溶解物质和混凝剂形成的矾花等无机成分组成，其中 悬浮物含量一般高于1 0 0 0m g l ，有时甚至高达1 0 0 0 0m g l ，极大程度上超过了 国家污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 。 目前我国大多数自来水厂将排泥水未经过任何处理而直接排入附近江河、湖 泊等水体，或排放于土地上堆存( 图1 1 ) ，占据着大量的土体面积。这样的处 置方式对给水厂取水的水源和周遭的自然环境产生了不良影响。其中不良影响表 现在：( 1 ) 排泥水中的悬浮物沉积在水体底端形成污泥层。该污泥层极易在水 体底部形成厌氧环境，而污泥和土壤中的金属在厌氧环境下又容易溶解在水中， 所以由于它们的溶解，降低了水域底层水体的p h 值，并且还会有嗅味的释放。 学者l a m b 和b a i l e y 通过研究得到【l l ，铝盐作为混凝刺应用于给水厂时，污泥中 随着a 1 ( o h ) 3 浓度的增加，生活在水体底端的生物死亡率也伴随着升高；国内 外研究学者通过试验认为，藻类的生长与排泥水中铝盐的含量存在一定联系，而 未经处理排放的给水厂污泥中会含有的大量铝盐，很大程度上限制了藻类的生 长；另外污泥层中某些有毒沉积物会毒害某些鱼类食物，引起食物短缺，从而也 降低了鱼卵的成活率1 2 1 。( 2 ) 大量排泥水直接排入河流湖泊，长此以往污泥会 不断淤积在水体底部，将拾高整个河床或湖底，影响行洪排涝能力和航运1 4 4 l 。 ( 3 ) 排泥水中还存在有机物、重金属离子、硝酸盐和放射性物质等其他污染物 质，也将会对水体质量产生不利影响，或者超过国家污水综合排放标准，使不同 区域之间的整个河流体系形成排出一吸入的循环【，】。 图1 1 给水污泥的堆存 从另一种意义上说，随着我国经济的迅猛发展，陶瓷工业也正在经历着突飞 猛进的发展，目前陶瓷工业已成为国民经济中一个重要产业，建筑瓷、卫生瓷的 产量均居世界第一。据有关资料报道，2 0 0 3 年我国建筑陶瓷生产达3 1 0 9 m 2 ，占 世界总产量的4 0 ；2 0 0 4 年我国建筑瓷砖年产量约为3 0 x1 0 9 m 2 ，约占世界总产 量的5 0 ，按2 0 2 4 k g m 2 计算，则每年消耗泥料和石料6 0 0 0 7 0 0 0 万吨，按每 平方米消耗油1 4 1 5 l 计算，每年消耗燃油高达4 2 4 5 亿升；而到了2 0 0 6 年， 我国陶瓷墙地砖的产量为6 1 0 9 m 2 以上，约占全世界产量的6 0 以上，由此可见 我国陶瓷工业发展势头迅猛【s 1 。 虽然我国陶瓷产量遥遥领先于世界，但总的来说，现有的产品存在档次低、 能耗高、资源消耗大、综合利用率低等问题。尤其最近几年能源价格攀升，且能 源成本在陶瓷生产成本所占比例达3 0 以上，所以节能降耗是陶瓷生产的大势 所趋，也是陶瓷工业可持续发展的重要的影响因素。因此廉价的能源材料可以促 进企业良性发展，而且也是陶瓷工业发展的内在要求。现在我国制备陶瓷砖的主 要原料是高岭上，寻求一种新型的原料代替高岭土制备同等质量的陶瓷砖是实现 节约资源、节能减排的必由之路，也将开创建筑材料生产的新技术。 另外由国家发改委、建设部等由五部委联合下发的2 0 0 5 【2 6 5 6 】号文件规 定从2 0 0 8 年1 月1 日起全国第二批2 5 0 多个城市禁止使用粘土实心砖，由此需 要新的产品来替代粘土实心砖，替代产品要符合国家政策，要做到化害为利，变 废为宝，节省耕地，保护环境，综合利用等；又要使生产企业在不过大增加设备 改造投入的情况下，最大限度地利用现有的生产设备及生产工艺，实现产品的更 新换代。 1 2 本课题的提出 从2 0 0 0 年起，国家环境保护总局要求，新建的或在建的大型给水厂污泥必 须进行处理，并达标测试后再排放出去。往后几年，我国会有1 0 0 0 多个城市给 水厂会开始逐步建设污泥处理设施，并完善脱水污泥的综合利用问题。所以这将 要考虑另外一个重大问题如何处置利用大量污泥。而一种积极有效的污泥处 置方式，应要结合环境效益、社会效益和经济效益进行综合考虑，并缺一不可。 因此我们现在所需研究的方向是如何尽快采取最经济、最可行、最安全的处置方 法对给水污泥进行最大程度的利用，以最大限度地减少污泥对环境的破坏。 我国有数万家大大小小的砖厂，年烧砖毁田6 7 0 0h m 2 以上，寻求低成本、 节地、节水的制砖原材料一直是制砖厂的一个重要课题。给水污泥是由水厂沉淀 池、反应池及滤池反冲洗等过程中产生的废弃物，由大量来自原水中的泥砂、水、 部分有机杂质及水处理过程中投加的絮凝物等组成，塑、液限较大，黏结性也强， 作为制砖厂原材料的利用，不仅得到了有效的资源化处置，而且能节约土地和水， 2 保护环境和自然资源。 由此，本课题针对给水厂污泥制砖进行一系列的相关研究，为今后给水污泥 的处置提供参考，也为我国广大地区解决城市给水厂污泥所造成的环境污染、占 用土地等问题找到一条新的有效途径。 1 3本课题研究目标、内容、及创新点 1 3 1 研究目标 ( 1 ) 以给水污泥为主要原料研制出高强陶瓷砖的主要性能指标达到国家标准 陶瓷砖( g b t 4 1 0 0 2 0 0 6 ) ，以期实现对污泥陶瓷砖的原料制备、成型工艺、 烧成工艺参数以及成型、烧成机理的认识理解，为将来的工业化生产打下良好的 实验基础； ( 2 ) 高掺量给水污泥制备普通烧结砖，其主要性能指标达到国家标准烧结 普通砖( g b t 51 0 1 - 2 0 0 3 ) ，为以后规模化生产奠定基础； ( 3 ) 研制出的污泥陶瓷砖和烧结砖在满足环境效益的同时取得一定的经济效 益，具有市场潜力。 1 3 2 研究内容 给水污泥烧制陶瓷砖： ( 1 ) 以各原料的不同配比、成型压力、最高烧结温度、保温时间等为因素， 进行正交试验，所得样品以断裂模数和吸水率为检测指标，探讨样品制备工艺性 能因素的影响大小，确定较佳的工艺技术条件。 ( 2 ) 在正交试验的基础上，进一步详细的确定每一个影响因素对成品较好性 能的最优条件，使其成品的各性能指标达到国家相关标准，并符合市场的发展。 ( 3 ) 根据g b t 3 8l0 陶瓷砖试验方法检测成品的尺寸偏差、表面质量、吸 水率、断裂模数、耐化学腐蚀性等指标是否达到国家g b t4 10 0 2 0 0 6 陶瓷砖 的标准。 ( 4 ) 分析给水污泥砖的成本，考虑市场的需求，进行经济效益评价。 给水污泥制备普通烧结砖。 以各原料的不同配比和最高烧结温度为影响因素，所得样品以抗压强度、抗 折强度、吸水率的为检测指标，探讨样品制备工艺性能的优劣，确定较佳的工艺 原料配方。 1 3 3 项目创新点 ( 1 ) 率先利用高掺量的城 亍水厂污泥，代替粘土制备一种新型的高强陶瓷砖， 不仅节约了自然资源，在一定程度上缓解了能源紧缺的状况，也减少了污泥对环 境的破坏，并能取得一定的经济效益。 ( 2 ) 通过给水污泥作为主要原料，添加其他适量的骨料烧制陶瓷砖，并通过 试验得到最佳的工艺技术条件，以解决前期文献报道给水污泥制砖易出现的裂纹 和变形问题。 4 第二章城市给水厂污泥处理工艺 2 1 城市给水厂污泥处理工艺 城市给水厂的排泥水处理系统将沉淀池排泥水和滤池冲洗废水两类排泥水 进行合并处理或分别处理。如图2 1 所示： ( a ) 沉淀池排泥水和滤池冲洗废水合并处理 ( b ) 沉淀池排泥水和滤池冲洗废水分开处理 图2 1 给水厂排泥水处理e 艺流程 ( 1 ) 调节 滤池反冲洗水和沉淀池排泥水都是间歇排放的，流量和含泥量都随着时间而 发生变化。调节池是图2 1 中所示的排水池和排泥池。反冲洗水和排泥水经过调 节后，排泥水进入浓缩池，开始污泥处理的首道工序。 简单来说，调节构筑物根据调节池数量分为两种，一种是分建式，如图2 1 b ， 即排水池与排泥池分开设置，相当于有两个单独的调节池，分别进行单独处理的 排泥水流入到浓缩池；另一种是合建式，如图2 1 a ，即排水池与排泥池合建，也 叫做综合排泥池，调节沉淀池排泥水和调节滤池反冲洗排水同时排入到综合排泥 池进行调节，过后一起进入浓缩池。 分建式的优势： l 滤池反冲洗水悬浮物浓度相比于沉淀池排泥水较低，沉淀池排泥水排放到 排泥池，若滤池反冲洗水也流入到排泥池，会在很大程度上稀释了排泥池水浓度。 反情况来考虑，若在此程度上再单设一个排水池，接受滤池反冲洗水。进入到浓 缩池的排泥池水初始浓度将会得到较大提高。进去浓缩池的初始浓度越集中，浓 缩到同一目标值所需时间就越短，越有利于后续污泥的沉降、浓缩。排泥池也可 设计成具备浓缩功能的浮动槽排泥池，并同时具备水量调节功能，进一步提高了 进入浓缩池的初始浓度，相对合建式来说，进入下一阶段连续式重力浓缩池的初 始污泥浓度要高很多，也就提高了脱水机的进机浓度。 2 由于滤池反冲洗水时间短、水量又大，冲洗负荷强度很高，考虑这些因素， 单独设排水池就是为了接纳大量的滤池反冲洗水这一强大的冲击负荷，然后回流 到净化构筑物。即可免除反冲洗水对排泥池的冲击，而且也减少了进入下一阶段 浓缩池的水量，有助于提高浓缩池的污泥浓度。 分建式调节构筑物适用于以下条件【，1 ： 1 有的水厂先建了排水池( 即滤池反冲洗水回收系统) ，后又补建排泥水处 理系统。 2 适用排泥水处理规模较大的工程。 ( 2 ) 浓缩 浓缩是整个污泥处理过程中必不可少的一个工序，原因是浓缩可以降低污泥 的含水率，缩减污泥的体积，这就为后阶段的污泥脱水处理做足了充分的准备一 节省设备投资，降低处理成本。目前污泥浓缩方法有重力浓缩、隔膜浓缩、微孔 浓缩、生物浮选和气浮浓缩等，比较常见的是重力浓缩【3 l ，即压缩沉淀，它本质 上是一种沉降分离工艺。而悬浮液的浓度、温度、搅拌强度及设备的结构决定了 排泥水在浓缩池内所能浓缩的一个程度。据研究，含混凝剂的排泥水通过重力浓 缩可使污泥含固率达2 3 ，含碳酸钙的排泥水通过重力浓缩町达到3 0 的含固率 【9 l 。 6 重力浓缩工序的工艺流程( 图2 2 ) 主要有以下几种： ( a )一级浓缩 ( b )二级浓缩 ( c ) 二级浓缩加酸处理 图2 2 重力浓缩工艺流程 ( 3 ) 污泥预处理 污泥进行预处理，主要是因为污泥比阻较大，不易直接进行脱水。污泥的预 处理可分为化学预处理、物理预处理和生物预处理。化学预处理有酸处理、碱处 理和高分子絮凝剂处理等几种；物理预处理有污泥淘洗法、热预处理法和冷冻熔 解处理法；生物预处理法是使含有机物及病原菌的污泥无害化，一般将污泥士地 还原时可以采用。 7 在物理预处理中，加热或冷冻熔解的最终目的都是让污泥变得更容易脱水。 当污泥中有机物含量较多时，加热能加速粒子的热运动，降低液体的粘滞系数， 提高粒子碰撞和结合的频率，达到粒子相互间的凝聚。有条件的地区可利用废热、 废气提供的热量对污泥进行热调质。冰冻熔解法是将含大量水分的污泥冷冻，使 温度下降到凝固点以下，污泥冻结，破坏污泥颗粒间的絮体结构，然后加热熔解， 脱水性能得到较大提高，但是在加热熔解的过程中，会有臭气的产生。所以这种 方法并不适合广泛应用。冰冻熔解法在自然条件满足的情况下是具备经济可行性 的，在冰冻期较长的国家，如丹麦、前苏联及日本等国有采用天然冰冻法对污泥 进行预处理，均达到了一定处理成效并伴随着经济效果的产生。 在化学预处理方法中，最常用的是加高分子絮凝剂，如氯化铁、氯化铝、聚 丙烯酰胺等。由于无毒、无二次污染，天然高分子絮凝剂是今后絮凝剂发展的方 向 i o l ，其投量取决于它的种类、污泥的性质、p h 值、浓度及温度等。目前我国 已拥有污水和污泥处理的几家给水厂也均采用高分子絮凝剂聚丙烯酰胺。 ( 4 ) 污泥脱水 污泥脱水是污泥处理的关键，通过脱水，分离出污泥中的表面吸附水和毛细 水，不过这部分水份只占污泥中总含水量的l5 2 5 。但经脱水之后，污泥呈 固体状态，体积减少为原来的1 1 0 以下，便于运输，也较大程度地降低了后续处 理的难度。 目i i 国内外最常用的是自然脱水和机械脱水。自然脱水虽然一次投资及运行 费低，但由于占地面积大，脱水时间长，维护和管理工作量大，且气候条件好坏 对其影响较大，对环境又有一定的负荷影响。而机械脱水则需要综合考虑污泥的 脱水特性，运行费用和工程造价等问题。目i j 国内外比较广泛引用的是离心脱水 和加压过滤。 ( 5 ) 泥饼处置j 】 比起排泥水的处理，脱水后的泥饼处置问题更关键，因为泥饼排放对环境影 响会更大，处置费用更高，因而处置方法也研究得比较多。目i ； 运用比较多的泥 饼处置方法有陆上埋弃、卫生填埋、海洋投弃和综合利用。 陆上埋弃 污泥的陆上埋弃是利用附近较充裕的一些废地来埋置泥饼。进行陆上埋弃， 应遵循有关的法律规定，具体考虑以下一些问题- 1 需要详细记录埋弃后污泥的吸水率和承载能力状况； 2 具有宽阔的埋弃场所； 3 脱水污泥从自来水厂送到埋弃场所，应有安全可靠的运输方案； 卫生填埋 卫生填埋是将给水厂的脱水泥饼与城市垃圾处理场中的生活垃圾混合后一 8 起填埋，用作垃圾处理场的覆土。此方法具有处置彻底，成本低廉等优点，是一 项比较成熟的污泥处置技术【- s 1 。给水厂脱水污泥有害物质或者重金属含量都较 低，毒性也就低，因而一般能满足垃圾填埋场的覆土要求。 海洋投弃 海边城市由于地形优势，又比其他内陆城市多了一种给水污泥的处置方式一 一海洋投弃。因为水厂脱水污泥含有害物质较少，对海水的污染程度会相对较低， 因此可将排泥水不作任何物化处理直接通过管道排入海中，另外考虑相关规范和 潮汐、海水流向、岸边地形等一些因素，也可以将脱水后的污泥用运船将泥饼运 到海中投弃。但是由于人们的环保意识薄弱，海洋的污染正逐年加剧，并未有相 关积极措施来处理，所以污泥的海洋投弃将会开始受到越来越多的制约。在某些 城市不得不选用海洋投弃时，应注意有关法令的修改和进展。 综合利用 在污泥的综合利用方面，国内外学者已通过试验研究结果表明从给水污泥中 回收铝盐、铁盐以及再生石灰是可行的，但回收方法成本偏高，有待于通过进一 步的试验研究来降低回收成本；还可以将给水污泥作为建材利用，如生产水泥， 制轻质陶粒、制熔融资材和熔融微晶玻璃等；另外给水厂污泥町用于农业或林业 中，因为污泥虽肥效偏低，但污泥中含有粘土、腐殖质以及其他悬浮物，适度用 于土壤后，会通过发生类似于水处理过程中的絮凝反应促进土壤的凝聚反应，良 好的改善土壤结构，利于耕作。 目前国内对于脱水污泥的综合利用还不是很广泛，主要是因为污泥的综合利 用工艺比较复杂、成本也相对较高，但针对我国人口多、污泥量大的国情，探寻 低成本、无害化、多用途的污泥处置方式和综合利用的途径，并兼顾生态效益、 环境效益、经济效益和社会效益，污泥资源化利用将是今后给水污泥处置的主要 趋势。 2 2 国内外净水厂排泥水处理现状及实例 给水厂排泥水处理在国外起步较早，一些发达国家( 如美国、日本、英国、 法国) 的各大、中城市新建的给水厂均设置了自动化程度高的污水和污泥的处理 设施。据相关资料统计，欧洲许多国家7 0 左右的给水厂污泥都经过了浓缩和 脱水处理。由于各国的自然条件有明显差异。下面具体介绍日本东京朝霞净水厂 ( 图2 2 ) 和法国雷恩市水厂( 图2 3 ) 。从下图国外实例可以看出以下相同点【7 】： 1 都有一套比较完善的、自动化程度高的排泥水处理流程，包括调节、浓 缩、脱水、处置四道工序。 2 都以不同方式在浓缩和脱水工序前加了不同程度的前处理。如东京朝霞 给水厂排泥水处理在一级浓缩池与二次浓缩池之间增加了酸处理，并在 9 二级浓缩池之后脱水之前投入石灰；法国雷恩市给水厂在一级浓缩池前 投加高分子混凝剂，在二级浓缩池后板框压滤机前投加石灰。 脱水滤液排放 图2 2 东京朝霞净水厂污泥处理流程 脱水滤液排放 图2 3 法国雷恩市水厂第四期 程排泥水处理流程 净水厂排泥水处理国内处于起步阶段。目前国内大多数给水厂的排泥水还是 直接排入自然水体。因为他们认为，除了添加了一些絮凝剂和混凝剂之外，给水 厂污水和污泥的组成与水体的原有固体组成成分相差不大，排入水体不会对水体 造成太大影响。但是国内中华人民共和国水法、中华人民共和国水污染防治 法等一系列水资源保护法律法规的颁布实行，政府也日益莺视对水资源保护工 作，并密切关注给水厂的污水和污泥排放问题，对水厂污泥进行无害化处理已成 为目前国内城市供水行业的重要任务之一。据报导，目前已在运行的给水厂排泥 水处理有石家庄第八水厂，水厂规模3 0 力m 3 d ；北京市第九水厂，水厂规模1 5 0 万m 3 d ；广州市西洲水厂，水厂规模5 0 万m 3 d ；深圳梅林水厂，水厂规模6 0 力m 3 d ；大连市沙河口净水厂，水厂规模4 0 万m 3 d ；长沙市第八水厂，水厂设 计规模5 0 万m 3 d u 6 3 。 以北京市第九水厂( 图2 4 ) 和长沙第八水厂( 图2 5 ) 为例，介绍国内排泥 水处理流程。 1 0 排 运 图2 4 北京市第九水厂排泥水处理系统图 分离水回流至排泥池 适 图2 5长沙市第八水厂排泥水处理1 2 艺流程 从以上国内几个实例可以看出： 1 同发达国家一样，是一套完整的排泥水处理系统，具备有调节、浓缩、 脱水、处置四道基本工序，只是各道工序的具体处理方式有所差异。 2 虽然浓缩工序均采用重力浓缩池，只是构筑物形式不同。 3 虽然都采用机械脱水，但脱水机械的选型上有差异。 4 都不同程度地在浓缩和脱水工序增加了前处理或预留措施。 目前，由于我国重视水厂排泥水处理较晚，造成这方面的技术研究落后，所 以水厂排泥水处理污泥的应用的起步相对西方发达国家较晚，然而随着环保力度 的不断加大，净水厂排泥水处理将越来越多。这些水厂排泥水处理建成投产后， 运行情况良好，为我国处于起步阶段的净水厂处理起了一定的推动和示范作用。 2 3 小结 1 一般情况下，无论是发达国家还是国内新建的给水厂，其污泥处理工艺 均采用调节、浓缩、预处理、脱水、污泥处置等工序流程。 2我国的水厂排泥水处理正逐步发展，已建成的处理设施运行情况良好， 起到了一定的推动和示范作用。 第三章城市给水厂污泥资源化利用 3 1 城市给水厂污泥的产生和物化性质 据目前国内的情况，绝大部分水厂是以地表水为水源，水处理工艺主要采用 混凝、沉淀、过滤工艺，处理过程中所产生的絮凝污泥主要来自絮凝池、沉淀池 的排泥水及滤池的反冲洗排水，而沉淀池排出泥在数量上占绝对优势。当滤池排 放仞滤水时，还包括反冲洗废水排放后的初滤水，其污泥成分主要包括原水中的 悬浮物质、部分溶解物质和药剂所形成的矾花。 3 1 1 给水污泥的物理性质 ( 1 ) 含水率 给水污泥的含水率主要与原水的水质、药剂种类用量及工艺设施类型有密切 关系。在一般情况下，给水污泥的含水率与固相中来自原水悬浮固体的比例和碳 酸钙的含量呈反比，其悬浮固体比例越高和碳酸钙的含量越多，含水率就会越低。 ( 2 ) 密度 给水污泥的无机物含量与产生状态的含固率都会比污水厂污泥高，所以给水 污泥密度较大，一般产生状态的密度为1 0 6 1 3 9 c m 3 。 ( 3 ) 比阻 通常情况下，给水污泥比阻要比污水厂污泥小，但给水污泥比阻与原水水质 的密切相关，且同类混凝处理剂对污泥的比阻的影响也会有比较大差异。 3 1 2 给水污泥的化学性质 ( 1 ) 基本理化性质 因为城市给水污泥来源于原水水源中的悬浮物质和水处理药剂，所以城市 给水污泥的有机质含量相对于污水厂污泥要低很多。其无机成分由原水中的颗 粒状物和药剂组成，前者类似于黏土矿物，后者则以铝或铁的氢氧化物为主。 另外地表水源的水处理厂多使用硫酸盐类处理药剂，所以给水污泥的p h 偏酸 性。 ( 2 ) 植物养分 因为给水污泥的所含有的植物养分比较有限，所以从污泥中能提供的植物 营养成分，会比绝大多数的农田土壤所能提供的植物营养成分少。 ( 3 ) 能量含量 一般情况下，给水污泥的有机质含量都比较的低，缺乏能量利用价值，以 1 2 热值表征的能量值为污水厂污泥的1 2 至1 4 。 ( 4 ) 毒害物质含量 给水污泥中一般很少存在毒害性有机化合物。污泥中含有的大部分重金属 是由添加物( 如絮凝剂) 中的杂质引起的，c r 、c u 、c d 、n i 、p b 、z n 的含量 一般为污水厂污泥的1 0 3 5 ，并且没有特别显著的生物毒性 t 7 l 。 如某水厂实测沉淀池排泥水水质见下表3 1 ： 表3 1某水厂实测沉淀池排泥水水质 3 2 给水污泥的综合利用 3 2 1 再生( 回收) 铝盐 给水厂水处理的混凝剂一般应用聚合氯化铝和硫酸铝等铝盐，因此排泥水中 污泥固体铝含量较高，含铝率大约在1 5 4 0 左右【i s l ，而低浊度原水污泥中 a i ( o h ) 3 的比重更高，而a i ( o h ) 3 的存在不仅在某些程度上阻碍了污泥脱水，也对 取水水源和自然环境产生了不良影响。g r x u t m 等人研究表明若铝的田l 收率达 到8 4 5 ，污泥量能减少3 5 5 ，且回收的铝盐还能重新利用，在去浊度方面还 优于新鲜的混凝剂。l a m b t o l 研究发现：铝盐混凝污泥中氢氧化铝浓度的增加会 伴随着水体底栖生物死亡率升高。所以从给水污泥中回收铝盐，不仅可以使排泥 水在处理过程中变得更容易浓缩和脱水，提高污泥浓度，大大减少污泥的总固体 量，也减少了对生态环境的二次污染，减少投资。除此之外，从给水污泥中回收 的铝盐既又可反过来用作处理过程中的混凝剂，还可以用于城市污水处理除磷， 减少部分自来水厂污泥处理费用，具有一定的不可忽视的经济效益 2 q 。 根据国内外文献报导，现有的水厂污泥铝回收方法主要有酸碱法1 2 2 1 、离子交 换萃取法 2 3 1 和组合膜法 2 4 1 ，而灼烧化学法【：s 】是目前国内最新的实验研究。相对来 说，酸碱法的成本相对较低，它包括三个过程1 2 6 l ：脱水、酸( 碱) 化、分离。其中 酸溶法在低p h 值下，有较高的回收效率f 2 7 】，但它的选择性较差；碱溶法可以克 1 3 服酸溶法选择性差的不足，大部分金属离子在碱性条件下沉淀从而过滤，但是成 本却相对酸性法较高。离子交换萃取法能回收沉淀污泥中大量的铝盐【2 。】，大约有 9 0 左右，并且再生硫酸铝的浓度高，纯度也相对较高，但硅酸盐易形成第三相， 使萃取操作的顺利进行有一定的负面影响，同时造成萃取剂在水相中的残留和流 失，造成二次污染，增加处理成本。如果通过进一步研究能够简化工艺流程，降 低其成本，离子交换萃取法将是一种很有前景的回收工艺 z 9 l 。组合膜法对溶解铝 的吸附具有选择性和排他性，可大大降低回用铝盐中的杂质浓度；并且组合膜有 较好的耐污染性，即使经过3 0 次循环也没有明显的污垢阻塞和膜污染；吸附于膜 上的部分铝盐有可能会重新回到水中，使得经膜吸附后的污泥中仍含有一定量的 铝盐。该法目前仅处于实验室研究阶段，其工程可行性及经济性尚不清楚 3 0 l 。灼 烧化学法是一种经济高效的铝回收方法，给水污泥在5 0 0 灼烧3 0 - - - 6 0 m i n ，有机 质的去除率可达9 9 5 左右，经过灼烧后，酸溶铝浸出率比碱溶高，因此以灼烧 酸溶作为