（市政工程专业论文）自来水厂污泥减量化及性能改善研究.pdf

摘要 摘要 随着自来水厂排泥水直排河道的方法不再可行，水处理过程中产生的污泥 量及污泥性能将直接影响整个水厂的造价及运行费用。试验在水处理工艺流程 相同的条件下，分别使用了硫酸铝、氯化铁、聚合氯化铝( p a c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 、 聚合铝铁( p a f c ) 、高效聚合双酸铝铁( p a f c s ) 、硫酸铝+ l m g lp a m 、氯化铁+ l m g lp a i d 等不同混凝剂及其组合配方，以达到减少混凝沉淀后排泥水的污泥量 及改善排泥水的沉降性能和脱水性能的效果。同时通过对絮体电位、污泥颗 粒平均粒径及絮体分形维数的测定，探讨了其作用机理。 试验证明：在原水浊度较高的情况下，使用p f s 对混凝沉淀后产生的污泥的 减量效果最为明显。而浊度较低时则使用硫酸铝和p a m 的组合配方减量效果最 为明显。同时，使用p a f c 或p a c 来处理高、低浊度原水时的污泥减量效果也较 为稳定。在污泥沉降性能改善方面，使用p p d v i 作为助凝剂后，浓缩初期时的上 清液浊度明显优于单独使用无机混凝剂或高分子混凝剂，但由于混凝剂投加量 减少，使得对上清液u v 2 5 4 的去除效果不佳。在浓缩后期，污泥发生成层沉降时， 使用p a m 后污泥沉降界面下降速度极快，沉降性能改善效果明显。而单独使用 混凝剂时，使用高分子混凝剂也可以大大缩短污泥成层沉降的时间。在对污泥 脱水性能改善方面，使用高分子混凝剂要比使用无机混凝剂效果明显，尤其是 p a f c s 和p f s 效果较佳，当水处理过程中使用p a m 后，脱水性能有更为明显的改 善。 同时，笔者还通过对絮体电位、污泥颗粒平均粒径及絮体分形维数的测 定，对污泥沉降性能、脱水性能的改善机理进行了探讨。通过对絮体电位的 测定，当混凝剂按最佳投加量投加时，所产生的电位均在能消除电斥力的范 围内，说明试验所选取的各种混凝剂都有电性中和作用的参与，但发挥作用程 度有一定差别，从而影响絮体颗粒形成，使得污泥性能产生差异。通过污泥颗 粒的平均粒径的测定可以看出，使用硫酸铝后产生污泥颗粒的平均粒径稍小于 使用p a f c s 后产生污泥颗粒的平均粒径，而当使用p a d v i 后，污泥颗粒的平均粒 径则达到了1 3 9 5 7 8 i t l l l ，小颗粒絮体所占比例也大大减少，证明了使用p a m 为 助凝剂后，所产生污泥的沉降性能和脱水性能能够得到很大程度的改善。最后 通过对絮体分形维数的测定得出，絮体的分形维数体现了絮体颗粒的密实程度， 摘要 分形维数越大絮凝效果越好，絮体颗粒也具有更好的沉降性能和脱水性能。 关键词：混凝、污泥减量化、沉降性能、脱水性能、电位、污泥颗粒平均粒 径、分形维数 a b s t r a c t n o wt h ew a yt od i s c h a r g ew a t e r w o r k ss l u d g ed i r e c t l yi n t ot h en a t r u a lr i v e ri s i n v a l i d t h eq u a n t i t ya n dt h ed e n s i t yo f s e t t l e ds o l i d sf r o mc o a g u l a t i o na r et h ec r i t i c a l p a r a m e t e r sf o rw a t e r w o r k ss l u d g et r e a t m e n t i no u ra p p r o a c h , a l u m i n u ms u l f a t e ， p o l y - f e r r i cs u l f a t e ，p ：a c ，p f s ，队f c ，p a f c s ，a l u m i n u ms u l f a t e + l m g lp a ma n d p o l y - f e r r i cs u l f a t e + l m g lp a mw e r eu s e da sc o a g u l a n t si ne x p e r i m e n t sa n dt h e p a r a m e t e r so fs 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 na n ds e d i m e n t a t i o nt e s tw e r em e a s u r e dt o e s t i m a t et h ep r o p e r t i e so fs o l i ds e t t l i n ga n dd e w a t e f i n g z e t ap o t e n t i a l ，f l o es i z ea n d f r a c t a ld i m e n s i o nw e r ea l s om e a s u r e dt od i s c u s st h ec o a g u l a t i o nm e c h a n i s m t e s t e d ：w h e nt h et u r b i d i t yo fr a ww a t e ri sh i g h ，p f sc a ng e n e r a t et h em o s t o b v i o u se f f e c to fm a s sr e d u c t i o n w h e nt h et u r b i d i t yi sl o w , t h eu s eo fa l u m i n u m s u l f a t e + l m g l 洲i st h eb e s tw a y i na d d i t i o n t h ee f f e c t so f u s i n gp a f c o rp a ct o t r e a tr a ww a t e ro fh i 【g ho rl o wt u r b i d i t ya r er e l a t i v e l ys t a b l e i nt h es i d eo fs e t t l i n g p r o p e r t i e si m p r o v e m e n t ，w h e np a m i su s e da sac o a g u l a n ta i d ，t h et u r b i d i t yi sl o w e r t h a nt h et u r b i d i t yo fu s i n gi n o r g a n i cc o a g u l a n t so rp o l y m e r i cc o a g u l a n t sa l o n ei n i n i t i a lc o n c e n t r a t i o n h o w e v e r , t h ee f f e c to ft h er e m o v a lu v 2 5 4i sp o o ha tt h el a a t s t a g eo fc o n c e n t r a t i o n , t h eu s eo fp a mh a st h eo b v i o u se f f e c t w h e nc o a g u l a n ti s u s e da l o n e ，t h eu s eo fp o l y m e rc o a g u l a n t si sb e t t e r f o rd e w a t e r i n gp r o p e r t i e s i m p r o v e m e n t ，t h ee f f e c to fu s i n gp o l y m e rc o a g u l a n ti sb e t t e rt h a nt h a to fu s i n g i n o r g a n i cc o a g u l a n t s ，e s p e c i a l l yp f sa n dp a f c s i f p a mi su s e d ，t h ee f f e c tw o u l db e t h eb e s t m e a n w h i l e ，t h ea u t h o ra l s od i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo ft h ei m p r o v e m e n to f s e t t l i n gp r o p e r t i e sa n dd c w a t e r i n gp r o p e r t i e sa c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n to fz e t a p o t e n t i a l ，f l o es i z ea n d f i a c t a ld i m e n s i o n f r o mt h em e a s u r e n l e n to f z e t ap o t e n t i a l ，w e c a nc o n c l u d et h a te l e c t r i c i t yn e u t r a l i s a t i o nw i l lb ep r o d u c e dw h e nc o a g u l a n t sa r eu s e d , b u tt h ee f f e c t sa r ed i f f e r e n t a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n to ff l o es i z e , t h ea v e r a g e s l u d g ep a r t i c l es i z ec a l lr e a c h1 3 9 5 7 8u mi f p a mi su s e d ，w h i l et h ea v e r a g ep a r t i c l e s i z ei so n l y1 4 2 4 8 t mi f a l u m i n u ms u l f a t ei su s e da l o n e i ts h o w st h a tt h ep r o p e r t i e s o fs e t t l i n ga n dd e w a t e r i n gc a nb ei m p r o v e di fp a mi su s e d f i n a l l y , i ft h ef i a c t a l d i m e n s i o ni sl a r g e r t h es l u d g ew i l lh a v eab e t t e rf l o e e u l a t i o ne f f e c ta n dab e t t e r i i i a b s t r a c t p r o p e r t yi m p r o v e m e n te f f e c t k e yw o r d s ：c h e m i c a lc o a g u l a t i o n , m a s sr e d u c t i o n , s e t t l i n gp r o p e r t y , d e w a t e r i n g p r o p e r t y , z e t ap o t e n t i a l ，f l o es i z e ，f r a c t a ld i m e n s i o n i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：茹泞 细) 怦7 ；月扣日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国自来水厂排泥水处理现状 目前，我国给水事业得到巨大发展，自来水厂数量不断增加，供水能力与 日俱增，但也使得自来水厂的排泥水量不断增大。而在我国对环境保护的关注 目益提高，水质排放标准更为严格的同时，水源地却不断遭受破坏，原水水质 下降，使自来水厂处理相同水量所产生的污泥量加大，排泥水中有机物含量剧 增，排泥水的质量也越来越差。但是在我国，绝大多数自来水厂几乎全部把这 些泥水直接排放到就近的水体，大量的排泥水集中排人江河，不仅是对河道的 污染，也是对水资源的巨大浪费。以上海市为例，市区的1 0 多家水厂，每年排 入江河的悬浮物就达1 1 万吨( 以干固体计) ，好氧有机物c o d c r 达6 万吨以上【l 】。 在可持续发展的大环境下，作为水源污染受害者之一的自来水厂更不应该将排 泥水不经处理直接排入河道，自来水厂排泥水处理和污泥处置的重要意义越来 越受到人们的重视。 在我国，由于经济和脱水设备等方面的原因，自来水厂排泥水处理和污泥 处置研究工作起步较晚，经过脱水处理的污泥量所占比例极低，一般均不经处 理，直接就近排入江河、湖泊等水体。而欧美大部分国家，经过脱水处理的污 泥量，占全部自来水厂污泥量的7 0 【2 】。我国的污泥处理工艺，很大程度上也只 是沿用污水厂的污水和污泥处理方法进行设计和应用，没能结合自来水厂排泥 水的特点来合理考虑。但随着人类环境意识的增强和国家系列水资源保护的 法律、法规的颁布实行，我国许多主要城市的大型自来水厂也在逐渐开始重视 排泥水的处理。 自来水厂排泥水处理的方法一般可分为两种：将排泥水排入城市污水管道， 运至城市污水处理厂进行集中处理，或在自来水厂内进行处理。自来水厂排泥 水与污水厂污水统一处理的方法可以减少排泥水处理费用及自来水厂建造费 用，并且可以增加污水处理过程中悬浮固体的去除，提高b o d 或c o d 的去除率。 但是当自来水厂日处理规模较大时，排泥水纳入城市污水处理厂会对污水厂的 日处理量产生很大的影响，适用性不强，且会给污水处理厂的污泥焚烧带来诸 多困难；给水厂排泥水中的有机物含量低，导致污水厂污泥热值下降；铝离子 或铁离子的存在对焚烧操作和排出的废渣及废气都有较大的影响1 3 1 。故在自来 第1 章绪论 水厂内进行污泥处理己成为自来水厂进行污泥处理的主要方式。目前，我国的 排泥水处理工艺一般如图1 1 所示： 上清液回用或排放 图1 1 自来水厂排泥水处理工艺图 在自来水厂中增加一套排泥水处理工艺，必然会大幅度提升自来水厂的造 价及运行费用，而自来水厂中的排泥水主要包括：沉淀池排泥水和滤池的反冲 洗水，但沉淀池排泥水的含泥量远大于后者，因此沉淀池排出污泥的泥量、浓 度对给水厂的污泥处理有很大的影响，直接关系到给水厂污泥处理构筑物的形 式和规模，从而影响整个水厂的造价及运行费用。所以，若能通过对水处理工 艺过程的优化，在水处理过程中对排泥水中的污泥进行减量，并改善污泥的沉 降性能及脱水性能，就可以大幅度节省自来水厂的建造及运行费用。本课题以 此为出发点，将通过使用不同混凝剂及混凝剂、助凝剂的组合配方，对水处理 过程中产生污泥的污泥量和污泥性能进行了研究。在不同混凝剂均达最佳投加 量的条件下，研究混凝剂的种类和产生污泥量的关系，以及对污泥沉降性能和 脱水性能的改善程度，并从微观的角度探讨了其作用机理。 1 2 自来水厂排泥水与污水厂污泥成分的差异 自来水厂排泥水和污水厂污泥在浓度、成分上均有很大的差别，调查自来 水厂排泥水和净水处理工艺之间的关系，分清自来水厂排泥水和污水厂污泥性 2 第1 章绪论 能的差别，根据自来水厂排泥水的特点来进行工艺设计，是自来水厂排泥水处 理的关键。 污水处理过程中所产生的污泥其数量占处理水量的0 3 o 5 ，污泥中含 有大量的有毒有害物质( 寄生虫卵、病原微生物、细菌及重金属离子等) 、有机 物及营养元素( n 、p 、k a ) 等【4 j 。 给水厂排出的排泥水主要由滤池反冲洗排水和沉淀池或澄清池排泥水组 成，约占水厂总净水量的4 7 。其中，滤池反冲洗排水约占总净水量的l 2 5 ，它主要由悬浮盐类、粘土、有机物及化学药剂残余物组成【5 1 ，其排泥水 含固率很低，一般为0 0 2 - 0 0 5 。而沉淀池排泥水可分为石灰软化污泥和化学 絮凝沉淀污泥两种，软化污泥主要产生于原水的软化过程，主要成分为碳酸钙、 氢氧化镁、淤泥、过剩软化药剂和有机物，化学絮凝沉淀污泥则由：原水中的 悬浮物、胶体颗粒以及混凝时所加入的混凝剂和助凝剂组成。沉淀池排泥水含 固率远较滤池反冲洗水高，一般0 5 - - , 1 ，是给水厂排泥水处理的主要对象【6 】。 而污水厂污泥含固率一般较高，如城市污水厂初沉污泥含固率在2 - - 4 ，剩余 活性污泥含固率也在0 5 - - , 0 8 之间【7 】。 自来水厂排泥水与污水处理厂污泥其有机物含量上差别较大，自来水厂排 泥水有机物痕量通常在1 5 2 5 范围内，但由于目前我国大部分水体受到严 重污染，自来水厂排泥水有机物含量有显著地域性差别。据测定，上海市各原 水取自黄浦江的水厂，其中有机物含量在1 0 左右，而以藻类繁生的湖泊、水 库水为原水的有些水厂。其排泥水中有机物成分高达3 0 。而污水处理厂所产 生的污泥富含有机物，一般需采用厌氧消化法进行生物稳定，即在无氧条件下， 由兼性菌及专性厌氧细菌降解有机物。有机物含量的不同，也使得自来水厂排 泥水和污水厂污泥的脱水性能有很大区别，污水厂污泥一般属于脱水性能中等 的污泥或不易脱水污泥，其比阻一般为0 5 1 0 1 2 c m g 1 0 1 3 e m g ，自来水厂排泥 水一般属于易脱水污泥。 1 3 自来水厂干泥量的组成 由于排泥水中的固体污染物成份主要包括了原水中的悬浮物、胶体颗粒以 及混凝时所加入的混凝剂和助凝剂，自来水厂总干泥量的确定比较困难。但可 第1 章绪论 以根据混凝中的化学反应，原水悬浮固体对污泥的贡献及其它污泥成分的来源， 近似地计算出于污泥产量。国外在此方面做了一定的研究，建立了一些干污泥量 的计算公式。如日本水道协会8 3 推荐采用下式来计算干污泥量： s = q ( t e l + c e 2 ) 1 0 6 ( 1 1 ) 式中，s 一干污泥量，( t o n d ) ； q 一水厂净水量，( m 3 d ) ： t 一原水浊度，( n t u ) ； e 1 一原水浊度与s s 的换算率； c 一铝盐混凝剂得投加率，( 以a 1 2 0 3 计，m g l ) ： e 2 一i 5 3 。 英国水研究中心【9 骓荐使用： s = 2 t + o 2 c + 1 5 3 a + i 9 f( 1 _ 2 ) 式中，s 一干污泥量，( m g l ) , t 一去除的原水浊度，0 q t r 0 ； c 一去除的原水色度，； a 一铝盐混凝剂投加率，( 纠, a 1 2 0 3 计，m g l ) ； f 一铁盐混凝剂投加率，( 以f e 计，m g l ) 。 而美 雪c o m w e l l 加垤荐使用式1 3 和式1 4 分别计算用铝盐和铁盐作混凝剂时的污 泥产量： s = 8 3 4 q ( 0 4 4 a l + s s + a ) ( 1 3 ) s = 8 3 4 q ( 2 9 f e + s s + a 1 ( 1 4 ) 式中，s 一千污泥量，( 1 b d ) ； q 一水厂净水量，( m 3 d ) ； a l 一铝盐混凝剂投加率，( 以a 1 2 ( s 0 4 ) 3 1 4 h 2 0 计，m g l ) - f e 一铁盐混凝剂投加率，( 以f e 计，m g l ) , s s 一原水总悬浮固体，( m g l ) ； a 一水处理中的其它添加剂，如高分子絮凝剂、黏土或粉末活性炭 ( m g l ) 4 第1 章绪论 同时，c o m w e l l 推荐使用式1 5 为原水浊度- - s s 关系式： s s = 6 t ( 1 5 ) 式中：b s s 与浊度的相关关系系数； t 一原水浊度，( n t u ) 。 1 4 污泥重力浓缩 1 4 1 重力浓缩的基本原理 自来水厂排泥水的浓缩过程一般采用重力浓缩的方式，利用重力作用自然 沉降分离，是一种节能的污泥浓缩方法，但浓缩率变化较大，需严格操作控制。 污泥重力沉降可以分为四种形态：自由沉降，絮凝沉降、成层沉降，压缩 沉降( 压密) 。 自由沉降是当悬浮物浓度不高时，沉降颗粒互不碰撞，各自独立完成沉降 过程。此时，颗粒与上清液之间不形成清晰的界面，但可以看见澄清区域。由 s t o c s 公式可知1 ，颗粒沉降速度不受固体颗粒浓度影响，而取决于颗粒的大小 和密度。 “；土业2 ( 1 6 ) 1 8 。 式中，u 一颗粒沉降速度，m s ； 只一污泥颗粒密度，k g m 3 ； p 一水的密度，k g m 3 口一动力粘度，p a j ； g 一重力加速度，9 8 1 m s 2 ； d 一球形污泥颗粒直径，m 。 絮凝沉降是指固体浓度增大，颗粒在沉降过程中相互碰撞，产生絮凝作用， 沉降速度减缓。颗粒沉降速度可由下式计算 1 2 1 ： ”= 去业g d 2 e 2 ，( 占) ( 1 7 ) 1 8“ 。、7 式中，占：群体颗粒的孔隙率。 s t e i n o u r 提出以下经验关系式： 厂( ) = lo - l 。2 ( “司 ( 1 8 ) 从而， 第1 章绪论 ：上型鲥2 占2 1 0 1 s 2 ( 1 _ ( 1 9 ) 1 8 。 成层沉降是指在沉降过程中相邻颗粒相互妨碍、干扰，沉速大的颗粒也无 法超越沉速小的颗粒，各自保持相对位置不变，在聚合力的作用下一并下沉， 与澄清水之间形成一清晰的沉降界面。界面下沉的初始阶段，由于浓度较稀， 沉速是悬浮物浓度的函数u = f i c ) ，呈等速沉淀。k y n c h 在计算污泥浓缩速度时， 假设均质颗粒成层沉降，沉速为该层颗粒浓度的函数，并忽略污泥颗粒本身的 被压缩性，通过圆筒沉降得出硒m c h 公式【4 】： c i = 币c o h 百o ( 1 1 。) 式中，c i 一界面高度为h i 时的污泥固体浓度，k g ，m 3 ； c o 一试验开始时的污泥固体浓度，k g f m 3 ； h 一h 时的污泥界面高度，m ； v 广时的界面沉速，m ，s ； k 一沉降时间，s ； 凰一试验开始时的污泥层总高度，m 。 压缩沉淀则为成层沉降的继续，随着界面继续下沉，悬浮物浓度不断增加， 沉降速度不断下降，上层颗粒在重力的作用下压出下层颗粒的间隙水，颗粒间 接触更为紧密，污泥得到浓缩。压缩沉淀中界面的沉降速度与成层沉降速度不 同，其受到堆积粒子层的影响，速度非常缓慢。 1 4 2 重力浓缩的影响因素 1 ) 悬浮液的沉降浓度 除了自由沉淀外，颗粒的沉降速度随着悬浮液中固体浓度的增大而减小， 这是由于：悬浮液中固体浓度增大，使得颗粒与液体间的表观密度差减小，而 液体的表观粘度增大，流体力学条件发生变化，同时颗粒沉降而被置换出来的 液体上升速度，因空隙率的减小而增大，阻碍了颗粒的沉降。 2 ) 温度 悬浮液的粘度随着温度的升高而降低，污泥颗粒的沉速无论是在自由沉淀、 絮凝沉淀、成层沉淀或是压缩沉淀阶段，都与液体粘度成反比，所以温度升高 污泥颗粒沉速增大。但污泥颗粒的沉速与温度变化也不是成简单的比例关系， 6 第1 章绪论 温度还会影响污泥颗粒的絮凝状态，同时，温度升高，浓缩池周边四壁的冷却 会形成悬浮液内的对流，从而影响颗粒沉降。 3 ) 搅拌强度 浓缩池中有适当强度的搅拌，有利于促进污泥颗粒絮凝，增大沉降速度， 但搅拌强度太大时，往往会打碎已经凝聚的颗粒，影响污泥颗粒的凝聚状态， 从而影响沉速。 1 5 污泥的脱水性能 污泥经浓缩后，其含水率还在9 5 左右，呈流动状态，体积很大，后续处理 相当困难，因此需要进行脱水，将污泥中的表面吸附水和毛细水分离出来。这 部分水虽然只占总含水率的1 5 屯5 ，但污泥经脱水后，呈固体状态，体积减 少为原来的1 1 0 以下，大大减少了后续处理的难度。 1 5 1 污泥调质机理1 1 3 l 污泥调质是在污泥中加入混凝剂等化学药剂，使污泥颗粒絮凝，以改善污 泥脱水性能。水处理过程中使用不同混凝剂对产生污泥比阻的改善原因可用以 下三方面机理来解释：去水化作用、电中和作用和吸附架桥作用。去水化作 用是指，胶体与高分子两组分之间发生活性反应或形成络合物将亲水胶体转变 为憎水胶体，从而实现絮凝。电中和作用：由于胶体颗粒具有带电性使得胶 体颗粒能够稳定悬浮于水中，加入与胶体颗粒带相反电荷的聚电解质，可以压 缩胶体颗粒的反离子扩散层，若加入的电解质价态较高则电解质可进入反离子 吸附层降低电位并同时压缩扩散层，使胶体颗粒脱稳、絮凝。吸附架桥作 用指：高分子聚电解质通过某些官能团的架桥作用或氢键的吸附作用将众多小 颗粒吸附形成大颗粒或将两个异号的大颗粒连接在一起形成絮体下沉。 1 5 2 污泥比阻与c s t 测定 污泥脱水目前最常用的方法是过滤，表征过滤脱水性能指标的常用测定方 法一般有污泥比阻的测定和毛细管吸附时间( c s t ) 试验。 污泥比阻是目前我国给水厂使用最多的测定污泥脱水性能的方法之一。污 泥比阻r 是指在单位过滤面积上，单位干重滤饼所具有的阻力，它是表示污泥阻 7 第1 章绪论 扰固液分离倾向的指标。有文献表明【1 4 】，比阻r 1 0 x 1 0 9s 2 g 时为不易脱水的 污泥，比阻r 在( o 5 o 9 ) x 1 0 9s 2 g 时为脱水性能中等的污泥，比阻r o 5 x 0 9s 2 g 时为较易脱水的污泥。污泥比阻可以通过布氏( b u c h n c r ) 漏斗试验测定，在 恒压下过滤有公式： ，：2 p a 2 b ( 1 1 1 ) c 式中，p 一过滤压力，g ，c m 2 ； a 一过滤面积，c m 2 ； c 一单位体积滤液在过滤介质上截留的干固体重量，g c m p 一滤液的动力粘滞系数，g c m s ； b t ，v v 线性关系斜率，s e r a 6 ； r 一污泥比阻抗值，s 2 g 。 污泥比阻虽然可以表明污泥脱水性能，但试验得到的结果并不十分精确， 重现性差，而且由于操作熟练程度不同，引入误差也较大。例如：同济大学在 对上海两座分别以黄浦江和长江为水源的给水厂排泥水用p a m 进行的调质试 验后得出：污泥的比阻并不总是随着投加量的增大而进一步降低，当投加量达 到一定值后，进一步增大投加量会出现相反的效果【1 5 1 。而哈尔滨工业大学研究 福建九龙江流域给水厂污泥脱水性能后则认为，污泥比阻应随p a m 投加量的增大 而减小。产生污泥的比阻与p a m 投加率的曲线图显示有最佳投加点存在的原因 可能是由于溶解的p a m 分子黏附在滤纸上，阻塞滤孔，使水分难以被抽滤；或 者由于投加过量的p a m 后，多余的p a m 长链分子与污泥颗粒吸附架桥，形成结 构更加紧密的絮体结构，使水分不易透过1 6 1 。由于以上原因，人们引入了另外 一些容易测量和重现性好的参数，如b a s k e r v i l l e 年i g a l e 提出的毛细管吸附时间试 验( c s t ) 便是其中之一【1 7 】。 c s t 是指污泥与滤纸接触时，在毛细管的作用下，水在滤纸上渗透i c m 的时 间。c s t 与污泥的过滤特性和脱水性能存在着密切关系，目前已有相应的c s t 测 试仪器可以简便地测试出污泥的c s t 值。 1 5 3 污泥比阻的理论基础 污泥过滤时，滤液不仅要克服过滤介质的阻力，同时还需要克服滤饼本身 的阻力，在压强为p 、过滤面积为a 、过滤时间为t 的条件下，滤液体积v 有如下 第1 章绪论 计算公式： v - p a t z r r 5 所+ 占：竖 4 ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 式中，v 一滤液体积，m l ； p 一过滤时压强，p a ； a 一过滤面积，c l t l 2 ； t 一过滤时问，s ： z 一滤液粘度，p a s ； r 一单位过滤面积上，通过单位体积的滤液所产生的过滤阻力，t i n ； r 一污泥比阻，g c m ； 一过滤介质阻力，c n - i ； c 一过滤单位体积滤液，在过滤介质上截留的滤饼干固体重量，g c m 3 ； 占一滤饼的厚度，c m 。 由以上三式可得： 盟： 丝： ( 1 1 5 ) d t g ( c v r + r g a ) 定压过滤时，对时间进行积分： 胁r 孵+ 铮d y n 得： 三，a c v r + 一l a r g ( 1 1 7 ) v 2 p a p a 上式说明，在定压过滤下，t v 与v 呈正比，即有t v = b v + a g 式中： 6 ；墼 ( 1 1 8 ) j z p 芷 口：堕( 1 1 9 )口= _ 二1 j 9 第1 章绪论 因此，污泥比阻公式为：，：2 p _ a 2 - b 。 一 1 5 4 污泥比阻的影响因素【1 8 1 污泥颗粒的大小及粒径分布被认为是影响污泥脱水性能的最重要的两个物 理性质。由于超胶体颗粒粒径在1 1 0 0u m 之间( 比重等于或小于水的比重) ，与 滤网孑l 径相似，超胶体颗粒易透过滤网，强烈地影响污泥的脱水性能。国外研 究表明【旧】：超胶体颗粒在污泥中所占比例越大，污泥比阻越大，脱水性能越差。 使用不同混凝剂所产生沉淀池排泥水中的污泥颗粒尺寸是不同的，颗粒越大， 其比表面积越小，表面张力减小，比阻减小。 污泥中所含水分的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。表面吸附水的 存在是污泥水分影响污泥脱水性能的主要原因：污泥属于凝胶，颗粒体积很小， 但其比表面积很大，由于其表面张力的作用可以吸附很多水分，当污泥颗粒表 面张力减小时，表面吸附水便易于从胶体颗粒上脱离，脱水性能得到改善。 间隙水是指大小污泥颗粒包围着的游离水分，并不与胶体颗粒直接结合，只需 通过污泥浓缩便可将其分离。污泥由高度密集的细小固体颗粒组成，在固体 颗粒接触表面上或颗粒自身裂隙中，由于毛细力的作用形成毛细结合水。浓缩 作用不能将毛细结合水分离，分离毛细结合水需要较高的机械作用力和能量。 内部结合水是指包含在污泥中微生物细胞体内的水分。其含量与污泥中微生 物细胞体所占比例有关，需使用生物作用或高温加热和冷冻方法去除。给水厂 沉淀池排泥水中结合水含量较少，且结合水含量对脱水性能不产生影响，一般 不进行去除。 1 6 分形理论简介 1 6 1 分形与分形维数 1 9 7 5 年，美国m ( i n t e r n a t i o n a lb u s i n e s sm a c h i n e ) 公司研究中心物理部研 究员曼德尔布罗特( b e n o i t b m a n d e l b r o t ) 首先提出了“分形”一词，原义为“不 规则的、分数的、支离破碎的”物体。1 9 8 2 年，他出版了自然界的分形几何 1 0 第1 章绪论 学后，“分形”这个概念在全世界不胫而走，它不仅是科学家们讨论最兴奋最 热烈的概念，而且逐渐传播到外行公众之中，至此，分形理论初步形成。 分形是指由各个部分组成的形态，每个部分以某种方式与整体相似。一般 地把分形看作大小碎片聚集的状态，是没有特征长度的图形、构造和现象的总 称。即它既可以是几何图形，也可以是由“功能”或“信息”架起的数理模型。 分形有两个重要特征：自相似性和标度不变性。自相似性是指某种结构或过程 的特征从不同的时间尺度和空间尺度来看都是相似的，或者某系统或结构的局 部性质或局部结构与之整体相似，一旦系统被放大或缩小，表征其结构的定量 性质如分形维数并不会因此而发生改变，所改变的只是其外部表现形式。自相 似性可以是严格的，也可以是统计意义上的相似，自然界大多数的分形都是统 计意义上的相似，分形可以同时具有形态、功能和信息三方面的自相似性，也 可以只有其中某一方面的自相似性。标度不变性是指分形上任选一局部区域， 对它进行放大，这时得到的放大图又会显示出原图的形态特征。任何规则的几 何形状都具有一定的特征尺度。如一个圆，从特征尺度内观察，它是圆，尺度 变小时观察它的一部分，就成为一段圆弧。然而分形没有特征尺度，它含有一 切尺度的要素，不论将其放大或缩小，它的形态、复杂程度、不规则性等各种 特性均不会发生变化 2 0 - 2 2 1 。 “分形维数”是定量描述分形的基本参量，它是标度变换下的不变量。传 统欧式空间几何学中，一向认为维数是整数值，但随着非规则几何图形( 如p c a n o 曲线、k o c h 曲线、c a n t o r 集等) 的出现，波恩大学数学家豪斯道夫( e h a u s d o r f f ) 提出了维数可以是分数的概念，并测定了豪斯道夫测度和维数理论【2 3 】。其归纳 出下述结论：对于一个有确定维数的几何体，若用与它相同维数的长为r 的“尺” 去量它，就可以得到一确定的数值n ；若用低于它维数的“尺”去量它，结果为 无穷大；若用高于它维数的“尺”去量它，结果为零。其数学表达为： n ( r 1o c ，一嘞 ( 1 2 0 ) 对上式两边取自然对数可得： d h = i n n ( r ) l n ( 1 r ) ( 1 2 1 ) 式中的d h 称为h a u s d o r f f 维数，它可以是整数，也可以是分数。当h a u s d o r f f 维数为分数时，且物体具有自相似性和标度不变性时，该物体称为分形，此时 的d h 值称为该分形的分形维数。 第1 章绪论 1 6 2 分形维数的计算1 2 4 1 目前计算混凝絮体分形维数有实验方法和计算机模拟，应用实验方法计算 分形维数的有影像分析法、絮体沉降法、散射法、粒经分步法等，本实验采用 应用较多的影像分析法。影像分析法是根据分形维数的定义：絮体的投影面积a 与其周长p 成指数关系，其指数为絮体的二维分形维数d 2 。口为比例常数( 由絮体 性质决定，不影响d 2 的计算) 。即 a = 口p 岛( 1 2 2 ) i g a = i n t r + d 2 h a p ( 1 2 3 ) 通过作a 与p 的双对数坐标得到相关直线l n a 瞳d ，h a p ，可得两者的斜率即 为二维分形维数d 2 。 1 6 3 分形与絮凝形态学睁卅 在传统的絮凝过程研究中，人们为了简化影响因素，将絮凝体视为均匀的 球体，对絮凝体的形状因素考虑较少，但实际上在给水处理过程中，絮凝体的 大小、形状、结构等因素对调节絮凝体在流体中的传输和去除有着较大的影响。 而分形理论是非线性数学研究中十分活跃的一个分支，研究对象主要是自然界 和非线性系统中出现的不光滑和不规则的几何形体，对于絮凝体表面和内部的 高度不规则性，运用分形的方法可从更接近真实的角度来刻画絮凝体及其形成 过程。通过分形维数这个分形絮凝体的一个特征参数，可以定量地表征混凝絮 体的形态特征，描述絮凝体的不规则程度，并以此描述絮凝体的形成过程和“长 大”规律。分形维数是对应于分形体的不规则性和复杂性或空间填充度量的程 度。 1 6 3 1 絮凝体的分形构造特征 按照分形的定义，物体的质量m 与其特征长度d p 2 _ n 的关系可表示为： m a c d ， ( 1 2 4 ) 式中：d f 一分形维数； 对于絮凝体，我们通常以其当量直径( 与平面投影面积相同的圆的直径) 作为 特征长度。显然，在欧几里德系统中d r y 3 ，而对于非欧几里德系统d 1 3 ，具有 d r o ，絮凝体的分形维数d f 就小于3 ，呈现出分形的特 征。 1 , 6 3 2 分形与絮凝体自由沉降速度 絮凝体的自由沉降速度可以通过实心球体颗粒在水中的受力平衡推导，颗 粒在水中受到重力w 、浮力f 和阻力f 而处于平衡状态： w f = f( 1 2 9 ) 即： v ( p - p o ) g = i 2 c d p , a v 2 ( 1 3 0 ) 式中：v 一絮凝体体积，m 3 ； 岛一初始颗粒密度，k g m 3 ； p 一絮凝体密度，k g m 3 ； 风水的密度，k g m 3 ； a 一颗粒表面积，m 2 ； g 阻力系数，； v 一自由沉降速度，m s 。 将下式代入： a = 口2 l 0 2 - d z d i ( 1 3 1 ) p = m v = p o ( g o 口) ( 厶l ) 。妒3 。 ( 1 3 2 ) q = a r ；6 ( 1 3 3 ) r = v l v ( 1 3 4 ) 得： 第1 章绪论 v _ 寻堕( p 训，窜d + 岛v - s l o 岫r ( 1 3 5 ) l 只锡j 式中：k 一初始颗粒特征长度，m 5 一初始颗粒形状系数； l - - 絮凝体特征长度，m ； 盯一絮凝体形状系数； d - - 絮凝体分形维数； d 2 一絮凝体二维分形数； 矾一絮凝体二维形状系数； r e 一雷诺数； y 一运动粘滞系数，m 2 s ； b 一常数，与r t 有关； 妒= p a | a o 1 3 6 ) p ：聚集系数。 因此，絮凝体自由沉降速度与分形的关系为： ，o c0 0 + “岛) h 2 - b ) ( 1 3 7 ) 1 4 第2 章研究目的、内容和实验设计 第2 章研究目的、内容和实验设计 2 1 研究目的 在混凝过程中使用硫酸铝、氯化铁、聚合氯化铝( p a c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 、 聚合铝铁0 a f c ) 、高效聚合双酸铝铁( p a f c s ) 等混凝剂，并与助凝剂p a m 相结合。 经过混凝试验找出使用不同混凝剂的最佳投加区间后，对混凝、沉淀后产生的 排泥水进行污泥量的测定、污泥沉降性能及脱水性能的研究。即通过对水处理 工艺过程的改变，达到水厂污泥减量化、沉降性能和脱水性能改善的目的。随 后进行污泥颗粒粒径分布、电的测定，以及污泥颗粒分形理论试验研究，从 理论上对污泥减量化、脱水性能、沉降性能改善进行分析。 2 2 六联搅拌机转速选取及反应器设计 在混合阶段，需要使药剂快速均匀地分散于水中以利于混凝剂快速水解、聚 合及颗粒脱稳。六联搅拌机转速采用5 0 0 n r a i n ，g 值7 5 4 s ，混合时间3 0 s 。 在絮凝阶段。为了达到完善的絮凝，需要反应池应能提供颗粒间充分的接触 碰撞机会而不致使颗粒破碎。要使颗粒获得较高的接触碰撞机会，就要求水流 提供较高的g 值，而较高的g 值又会带来水流对颗粒切应力的增加，造成颗粒破 碎。因此，寻求二者之间的平衡是絮凝池设计的关键。颗粒在絮凝池中的成长 过程是渐变的，从最初的微絮粒逐渐形成为易沉的粗大絮凝体。在初始阶段， 颗粒细小，可以承受破碎的剪切应力大，为了达到充分的碰撞机会，就应采用 较大的g 值。随着絮凝过程的进行，为了不使絮粒破碎，g 值将逐渐降低。理想 的g 值分布使絮凝过程的任何一点都处在不致造成絮粒破碎的最大g 值。实际上 由于存在颗粒的不同粒径分布，情况要复杂得多。絮凝池设计采用连续的而不 是间断式的g 值降低是一个合理的选择，但在实际工艺中是不可行的，可按以下 方式确定分段后的g 值。 假设g 值降低曲线方程为g = a - b t ，则： 111 g 12 志j 3 础2 志j3 ( 口一b t ) d t = a - 主m ( 2 1 ) 第2 章研究目的，内容和实验设计 g 2 = 去r 馓= 去m 口圳面= 口一丢地圳 c 2 g 32 i 芝n g 西= i 笔r 一所) 衍= 口一j 16 也+ f 3 ) ( 2 3 ) 用 = 乞一，l = 岛一f 2 = 量代入得，g l = 石5 ，g 2 = 罢，g = 云。因此，若g 值分段可 按5 ：3 ：1 的选取。 g g g g t 图2 1g 值分布图 絮凝阶段，絮凝时间t = 1 5 m d u 。选定六联搅拌机转速时，采用g = 3 0 0 2 0 t 。 按以上方法得出g l = 2 5 0 s ，g 2 = 1 5 0 s 一，g 3 = 5 0 s 。实际采用g 值及六联搅拌 机转速如下： 表2 1 六联搅拌机程序设定 名称转速( n r a i n ) 时间( m i n ) g 值( s _ 1 )g t 值 快速混和 5 0 0o 57 5 42 2 6 2 0 絮凝第1 阶段 2 2 052 4 97 4 7 0 0 絮凝第2 阶段 1 5 05 1 4 9 4 4 7 0 0 絮凝第3 阶段 7 055 31 5 9 0 0 沉淀 o2 0 此外，试验中按g 值相同对六联搅拌机进行模拟，设计一絮凝沉淀池来满 足试验所需的污泥量( 见图1 ) 。其g 值计算公如下： g = 岳= 痧 旺4 ， 其中：g 一速度梯度，s 一； p 一水流所耗功率，w ； 1 6 第2 章研究目的、内容和实验设计 一水的动力粘度，p a s ； v 一水流体积，m 3 ； c d 一阻力系数； p 一水的密度，k g m 3 ； 卜一浆板长度，m ； f 2 一浆板外缘旋转半径，m ； r l 一浆板内缘旋转半径，m ； 国一浆板相对于水的旋转角速度，r a d s 。 可以得出混合阶段n o = 2 3 8 n m i n ，絮凝阶段n l ；1 1 3 7 n m i n ，n 2 =