（市政工程专业论文）CEPT工艺混凝剂投加量模型及污泥特性研究.pdf

摘要 我国近年来新建的城市污水处理厂多数采用二级生物处理工艺，能耗和运 行费用较高，很多污水处理厂建成后无法正常运行。针对我国南方城市污水中 的有机物含量偏低的特点，考虑经济和环保的要求，化学絮凝强化一级的处理 工艺具有以较低的投入削减较大的污染负荷的优点，能大大提高一级处理对有 机物的去除效率，因而具有较为广泛的应用前景。 基于c e p t 处理城市污水的机理，本文对c e p t 工艺处理的城市污水污染物 质进行了物理形态分析，在对混凝剂( p a c ) 投加量影响因素进行了考察的基础 上推求混凝剂投加量的数学模型公式，同时对c e p t 工艺产生的污泥的特性进行 了试验研究，旨在为c e p t 工艺的进一步推广应用奠定基础。 试验结果表明：随着p a c 投药量的增加，c o d 去除率有所提高，最佳投药 量为2 0 m g l 左右；c e p t 工艺可去除污水中颗粒粒径范围为0 2 2 - 4 3 3 0un l 以上 的绝大多数悬浮态和胶体态污染物，亚微粒子构成了其排放废水中非溶解性固 体物质的绝大部分。 混凝剂( p a c ) 投加量的主要控制因素有原水水温、p h 值、s s 浓度和浊度 等。原水水温的越高，混凝剂投加量越少；当p h 为7 时，混凝剂投加量最小； 随着s s 及浊度的升高，混凝剂投加量也会增大。试验研究推求的混凝剂投加量 数学模型，可应用到今后采用c e p t 工艺的污水处理厂的混凝剂( p a c ) 投加量 高效自动控制系统中去。 c e p t 工艺对非溶解性固体的去除效果较常规初沉池会有很大改善，其污泥 的密实性、流动性均比常规初沉污泥差。对于采用c e p t 工艺的污水处理厂而言， 较合理的初沉池的排泥周期宜小于8 h 。 规范排泥斗的设计和排泥操作，可有效防止c e p t 工艺中出现的初沉污泥上 浮问题。鉴于化学污泥的粘滞系数高于常规初沉污泥，在排泥管及污泥泵房的 设计时，管道坡度和水头损失计算宜留有适当的富余空间。 关键词：化学强化一级，混凝荆投加量数学模型，化学污泥， 沉降性能，粘滞性能 a b s t r a c t m o s to fn e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t sb u i l tt h e s ey e a r si nc h i n aa d o p tt h e s e c o n db i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s sw h i c hn e e d sal o to fe n e r g ya n do p e r a t i n gc o s t s ， s ot h a tm a n yo ft h e mc a l ln o to p e r a t en o r m a l l y f o rt h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i c s u b s t a n c e si nt h es e w a g ei s1 0 wi no u rs o u t h e r nc i t i e s t h ec h e m i c a le n h a n c e d p r i m a r yt r e a t m e n t ( c e p t ) p r o c e s s ，w h i c hc a nr e m o v em o r ep o l l u t a n t sa tl e s sc o s t a n dg r e a t l yi n c r e a s et h er e m o v a lo fo r g a n i cs u b s t a n c e si np r i m a r yl r e a t m e n tp r o e e s s ， w i l lb ew i d e l ya p p l i e d b a s e do nt h em e c h a n i s mo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，i nt h i sp a p e ri th a sa n a l y z e d t h a tt h ep h y s i c a lf o r mo fr e m o v e dp o l l u t a n t sb yt h ec e p tp r o c e s s a s c e r t a i n e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp a cd o s ea c c o r d i n gt ot h 最r e s e a r c ho nr e l a t e di n f l u e n c i n g f a c t o r s a n ds t u d i e dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h e m i c a ls l u d g ef r o mt h ep r o c e s s 1 1 1 u si ti s t oa i ma te s t a b l i s h i n gt h eb a s ef o rt h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no fc e p t i th a sb e e nf o u n dt h a t 血er e m o v a lo fc o dw i l li n c r e a s ew i t ht h ea u g m e n to f p a cd o s e ，t h eo p t i m a ld o s ei sa b o u t2 0 r a g l ；m o s to fr e m o v e dp o l l u t a n t si ns e w a g e b vc e p ta r ec o l l o i d a la n ds u s p e n d e dp a r t i c l e sw h o s ed i a m e t e ri sa b o r eo v e r 0 2 2 o 3 0 岫m o s to fr r l s o l v a b l es o l i dm a t t e ri nt h ew a s t e w a t e rd i s c h a r g e df r o mt h e p r o c e s si sc o m p o s e do fs u b m i e r o np a r t i c l e s t h ed o m i n a t i v ef a c t o r so fp a cd o s ei n c l u d et e m p e r a t u r e ，p h ，s sa n dt u r b i d i t y t h e1 l i g h e rt h et e m p e r a t u r ei s t h el e s st h ed o s ew i l lb e ；i tw i l lb eam i n i m u md o s e w h e np hc o m e su pt o7 o ：p a cd o s ei n c r e a s e sw i t ht h eh o i s to fs sa n dt u r b i d i t yo f t h ew a s t e w a t e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp a cd o s ec a l lb ea l p p t i e de f n c i e n t l yt o a u t o m a t i o ns y s t e mi nc e p tw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t si nt h ef u t u r e t h er e m o v a lo fu n d i s s o l v e ds o l i db vc e p tc a nb eo v e rt h a to fc o n v e n t i o n a l s e t t l i n gt a n k b u tt h ec o n d e n s a t i o na n df l u i d i t yp e r f o r m a n c eo ft h ef o r m e ri si n f e r i o r t o 血a to ft h el a t t e r a st ot h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti nc e pt t h er e a s o n a b l e i n t e r v a lt od i s c h a r g es l u d g ei sl e s st h a n8 h n l ed e s i g no fs l u d g e h o p p e ri ns e d i m e n t a t i o n - t a n ka n do p e r a t i o no fd i s c h a r g i n g s l u d g en e e d st ob es t a n d a r d i z e d i tc a na v o i ds l u d g e f l o a t i n g i n s e t t l i n g t a n k e f f i c i e n t l y f o rt h ev i s c i d i t yc o e f f i c i e n to fc h e m i c a ls l u d g ei sb i g g e rt h a nt h a to ft h e s l u d g ef r o mc o n v e n t i o n a lp r i m a r ys e t t l i n gt a n k , t h eg r a d i e n to fp i p e l i n ea n dt h el o s s o l w a t e rh e a do u g h tt ob ea m p l ep r o p e r l yi nt h ed e s i g no ft h es l u d g e - p i p e l i n ea n d s l u d g e p u m p i i k e yw o r d s ：c h e m i c a l l ye n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t ( c e p t ) ，m a t h e m a t i c a lm o d e l o fc o a g u l a n td o s e ，c h e m i c a ls l u d g e ，s e t t l i n gp e r f o r m a n c e ，v i s c i d i t y p e r f o r m a n c e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章总论 目前我国经济尚不发达，为缓解资金不足与环境污染的矛盾，许多城市在 所建或将建的城市污水处理厂中采用先建设一级处理设施以后再逐步完善二级 处理设施的策略。在城市污水处理中，以沉淀为主的一级处理对有机物的去除 率较低，悬浮固体去除率一般为4 0 - - 5 0 ，b o d 5 去除率仅为2 0 3 0 ，c o d 去除率为2 5 3 5 左右。仅采用一级处理，难以有效控制水污染，为进一步提高 一级处理污染物质去除率，需要进行强化。由于二级生物处理单元能耗大，运 行费用高，在目前资金缺乏的情况下，相当数量的污水处理厂经常处于停止运 转或半运转状态，实际处理深度达不到设计要求，使已投入的大量资金没有充 分发挥其环境效应。因此在二级生物处理污水厂中，也可以通过强化一级处理 的方法来减轻二级处理的负荷。正因为如此，近年来城市污水强化一级处理技 术已逐渐引起国内外水处理工程界的重视，成为新的研究热点。 化学絮凝强化一级的处理工艺具有以较低的投入削减较大的污染负荷的优 点，能大大提高一级处理对有机物的去除效率；当迸水有机物浓度较低时，出 水可达到国家二级排放标准。因此该工艺将会得到越来越广泛的应用。与此同 时，如何处理随之所产生的化学污泥的问题也越来越突出。然而国内外对于污 泥的研究主要集中在初沉池所产生的初沉污泥、生物处理所产生的污泥，人们 对于化学污泥特性的认识还比较少，对于化学混凝产生的污泥的含水率以及污 泥的沉降性能、流动性能等问题了解还不够。 随着化工工业迅速发展，出现了许多新型、高效和廉价的混凝剂。并且工 业自动化技术在市政工程领域的应用越来越广泛，可以实现按水质指标自动控 制混凝剂投药量。本课题就是在对武汉地区生活污水水质特征分析的基础之上， 针对具体水质条件，选配最佳的混凝剂和助凝剂，考察混凝剂投加量的影响因 素，诸如s s 、p h 值和水温等，找到投药量与这些因素之间的相互关系，以便具 体地建立c e p t 工艺混凝剂投加量模型，指导高效经济地自动控制投药量以达到 优异的絮凝效果，降低污水处理成本。同时由于投加混凝剂造成大量化学污泥 的产生，对化学污泥特性的研究，可为确定污泥排泥周期提供可靠的理论依据， 提高污水处理厂后续污泥处理能力。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2c e p t 污水处理技术的概述 1 ，2 。1 城泰污水强化一级处理工艺简介 强化一级处理能以较少的投入较大地提高有机物和其它污染物的去除率。 考虑经济与环保的要求，城市污水强化级处理的适用情况主要有 1 】：( i ) 对于 低浓度的城市污水经过强化一级处理直接排放。我国许多中小城镇的污水处理 可采用此种方式，可以较少的投资削减较大量的污染负荷：( 2 ) 近期内先建一 级半处理厂，经过强化一级处理取得较好的投资环境效益，待有条件时再续建 完整的二级处理工艺；( 3 ) 对于以二级生物处理为主的城市污水处理厂，通过 强化一级处理，去除难于用生化处理去除的有机物、重金属和无机盐，同时减 轻二级处理的负荷，降低能耗。 城市污水强化一级处理能够削减较大的污染负荷，减缓水环境的污染，因 而近年来得到国内外环保工作者的广泛关注。西前研究较多的强化一级处理技 术主要有水解工艺、预曝气强化一级处理工艺、生物吸附絮凝工艺、化学絮凝 工艺等。 1 2 1 1 水解强化一级处理工艺 水解工艺就是将厌氧发酵过程控制在水解与产酸阶段。在水解产酸菌的作 用下，污水中的非溶解性有机物被水解为溶解性有枧物，大分子物质被降解为 小分子物质，因此经过水解工艺后，污水的可生化性得到较大提高。 在水解强化一级处理工艺中，用水解池替代初沉池。污水从水解池底部由 穿孔配水管脉冲进池，由于瞬间保持o 5 1 8 m s 的上升流速，在水解池内形成厚 2 5 m e 右的悬浮厌氧活性污泥层，其水力特性类似于绘水处理中的水力澄清池。 当污水自下而上通过污泥层时，进水中悬浮物质和胶体物质被厌氧生物絮凝体 凝聚，截留于厌氧污泥絮体表面的有机污染物，慢慢地被微生物分解，因此水 解池的s s 的去除效果明显。污水在水解池中h r t 一般为2 0 4 o h ，其b o d 5 去除 率为3 0 , - - 4 0 ，c o d 去除率3 5 - - - 4 5 ，s s 去除率7 0 9 0 t 2 j 。 1 2 1 2 预曝气强化一级处理工艺 颈曝气强化一级处理工艺是在传统一级处理基础上的改进。在污水进入沉 淀池前进行预曝气，改善悬浮物的沉淀性能，促使悬浮物互相碰撞絮凝，使比 武汉理工大学硕士学位论文 重接近于1 的微小颗粒，经絮凝后在沉淀池内去除。预曝气构筑物可与曝气沉砂 池合二为一，或在沉淀池前专设预曝气池，曝气时间均取2 肛3 0 1 1 1 i n 。若仅进行 曝气即自然预曝气，可使沉淀池s s 去除率提高5 8 ，b o d s 的去除率可提高到 2 5 3 5 。若在预曝气池中投加剩余活性污泥，即生物絮凝预曝气，则可使沉 淀池的s s 和b o d 5 去除率分别提高到8 0 和3 5 q 5 p l 。 该工艺可以起到强化一级处理的目的，但与常规一级处理相比，自然预曝气 对s s 和b o d 5 的去除率仅能提高5 左右，强化效果不太明显。生物絮凝预曝气对 s s 去除率较高，但由于回流剩余污泥加大了进入初沉池的s s 浓度，其出水s s 值 与常规一级处理相比相差不大；生物絮凝预曝气对b o d 5 去除率可提高1 5 左右， 效果明显。但该工艺仅适用于处理规模较大，可以设置曝气沉砂池，且剩余污 泥量足以连续排放的污水处理厂。进行预曝气强化后，其一级出水很难达到二 级排放标准，要使处理厂出水达标，必须后续生物处理设施。 1 2 1 3 生物絮凝吸附强化一级处理工艺 该工艺是在原有初沉池的基础上增设絮凝吸附池和曝气再生池。主要是利用 活性污泥的絮凝吸附作用，来提高沉淀池对污水中非溶解性有机污染物的去除 率。其去除机理既有物理吸附、化学吸附和生物吸附作用，又有吸附架桥、沉 淀网捕等絮凝作用，同时还进行着一定量的生物降解。目前较为广泛接受的机 理是聚合物架桥理论即生物絮凝体通过接触凝聚作用去除水中的污染物质。它 不仅能去除粒径大于1 0 m 的颗粒，而且通过絮凝还能去除自然沉淀难以分离的 粒径为o 1 9 m 1 0 m 的部分颗粒。师绍琪【4 】、尤作引副等人的研究成果表明，当 絮凝吸附池污泥浓度为l 也g ，l 且h r t = 3 0 m i n 、沉淀池沉淀时间为m 、曝气再生池 曝气2 h 时，c o d 和s s 去除率分别可达6 0 7 0 年n 7 0 9 0 。与常规一级处理工艺相 比，其处理效果显著提高。 当进水中有机污染负荷不高时( b o d 58 0 r a g l ) ，采用该工艺替代初沉池， 不必投加任何药剂，即可使出水达到二级排放标准。但工艺中仍然需要曝气设 备与污泥回流设备，致使能耗较高，且剩余污泥量较大；另外，当远期污水中 有机物有所提高时，为使出厂水达标，仍需后续生物处理工艺，使整个污水处 理厂成为a b 工艺。 由于该工艺在初沉池基础上增设的构筑物较多，因此，不适宜常规一级或二 级污水厂的一级强化改造，仅适用于新建的污水厂。 武汉理工大学硕士学位论文 1 。2 1 。4 化学絮凝强化一级处理工艺 以投加混凝剂的方式对污水进行混凝处理的c e p t 工艺较为简单。般是对 二级处理工艺初沉池进行简便改造，将其前部改造成絮凝反应区，后部作为沉 淀区，中间用隔板隔开，以形成化学强化一级处理工艺。化学强化一级处理的 主要工艺流程为： 化学药剂 化学污泥 图1 1c e p t 主要工艺流程 化学强化一级处理( c h e m i c a l l ye n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t ，简称c e p t ) 工艺是在一级处理工艺基础上，投加低剂量的化学混凝剂，通过电中和、吸附 架桥、网捕、卷扫等絮凝作用，使微小的悬浮颗粒、胶体颗粒脱稳，聚集形成 较大的颗粒，从而提高沉淀效率。该工艺可去除悬浮固体9 0 ，b o d 。5 0 7 0 ， c o d6 0 7 0 ，细菌8 0 - 9 0 ，t p8 0 - 9 0 ，对于溶解性b o d 5 和t n 的去除率较 低州。对于低浓度的城市污水或在排放要求不高的地方，经过强化一级处理可直 接达标排放或排海处理；与二级生物处理联用处理高浓度的污水时，可起到强 化预处理的作用，降低后续处理负荷；同时，大量去除磷，抑制富营养化3 1 9 】。 对武汉城市污水强化处理的试验研究表明【l0 1 ，c e p t 工艺处理低浓度废水， 可使出水达到或接近二级排放标准，但其运行费用仅为常规活性污泥法处理工 艺的2 3 左右，当进水有机物浓度较高时，采用c e p t + 活性污泥法，可确保出 水水质达标，且运行费用为活性污泥法的7 0 左右。 由此可见，c e p t 工艺的优点是设备简单，维护操作易于掌握，处理效果好， 耐冲击负荷较强，间歇或连续运行均可；缺点是对氨的去除作用不明显，低温 时出水水质下降。c e p t 工艺可在短时间内以较少的投资和较低的运行费用大 幅度削减污染负荷，缓解我国当前急需解决的水环境污染问题。近年来，由于 新型、高效、廉价的絮凝剂的不断出现，该工艺在污水处理中应有广泛的前景。 武汉理工大学硕士学位论文 1 。2 2 采用c e p t 工艺的可行性和必要性 目前，我国对于量大面广的城市水体污染问题缺乏适合国情的高效低耗处 理技术。据统计，2 0 0 4 年废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿吨，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨【l “。按照国家“十五”环保规划，n 2 0 0 s 年我 国城市污水处理率要达到5 0 以上，需开工建设的城市污水处理厂多达2 0 0 多个， 总投资逾千亿元，加上市政管网建设费用，总投资超过2 0 0 0 亿元，年运行费用 约2 5 0 亿元以上。 解决城市污水污染的根本措施是分批建设集中式城市污水处理厂。在近期 内先大力发展并逐步普及一级处理厂，但以自然沉淀为主体的一级处理污染物 去除率较低，难以有效地控制水环境污染，为了提高去除效率，必须加以强化 处理。经过强化一级处理，能够以较少的投资削减较大量的污染负荷，到条件 成熟后再续建二级处理工艺。而己建成的二级生物处理厂，由于其高昂的运行 费用和离能耗，也希望能够通过强化一级处理，减轻二级处理的负荷，降低能 耗。这对我国这样经济不发达而环境污染又较严重的国家，具有十分重要的现 实意义。发达国家的历史经验已经证明了这一点，其他发展中国家也采取了类 似的分批建设的方案。因而，推广简易适用的强化絮凝处理工艺切实可行，一 级处理强化技术的研究已引起了国内外水处理工程界的关注和重视。 另一方面，纳污河流治理往往需要投入大量费用。强化絮凝工艺具有适应 天然河道水力条件及污染物负荷变化大的特点，特别是去除磷与c o d 污染物的 效果更明显，这对减轻我国南方区域性河流和湖泊富营养化具有重要应用价值。 因此，暂时利用纳污河道进行人工强化絮凝净化处理，尤其是桔水期在其上游 构筑简易强化絮凝净化处理设施，或在下游修建小型强化絮凝处理厂作为水环 境污染治理的应急工程，这对于缓解由于治理资金严重不足而无法开展治理区 域性水环境污染的困难局面具有十分重要的意义。 1 2 3c e p t 工艺国内外研究现状和工程应用 国外开展化学絮凝强化一级处理工艺研究较早，1 8 7 0 年在英国就已成为 种污水处理方法，十九世纪后期英美等国广泛采用化学沉淀处理城市污水，但 不久即被生物处理法所取代。到了2 0 世纪8 0 年代，为进一步提高污水中有机 物和磷的去除程度，化学沉淀又重新得到重视。 武汉理工大学硕士学位论文 化学强化一级处理与絮凝剂的发展密切相关。早期由于受絮凝剂技术的限 制，药剂投加量较多，污泥量增加幅度较大，使污水处理成本偏高，污泥处理 负担过重；投加絮凝剂对去除污水中溶解性有机物作用十分有限，当溶解性有 机物偏高时，单独采用此工艺，处理水不易达标；此外城市污水水质变化大， 投药量不易控制。基于以上原因，混凝技术在城市污水处理中的应用受到了一 定的限制。近年来，随着化工工业的迅速发展，新型、高效、廉价絮凝剂不断 出现，并可根据水质选配最佳的复合絮凝剂组成，达到优异的絮凝效果。同时， 有机高分子絮凝剂种类也逐渐增多，性能更佳，当作为助凝剂与无机絮凝剂复 配使用时，可以提高处理效果，并可降低投药量，减少污水处理成本。此外， 工业自动化技术在水处理领域的应用已曰益成熟，根据水质指标变化自动调整 絮凝剂投加量已成为现实。因此在一定原水水质条件下，混凝法与生物处理方 法相比，具有越来越大的竞争力，采用化学法强化城市污水一级处理的研究也 有了很大的进展。 对此工艺的研究表明，随着絮凝剂技术的发展，药剂费用的降低，其在污 水处理中有广阔的前景。由于我国对c e p t 技术的深入应用研究起步较晚，还没 有大规模的工程应用；在外国，如在瑞典、挪威和美国等国家已经有相当数量 的c e p t 工艺运行，且效果良好。 以色列在六、七十年代就曾针对城市污水浓度高的特点，为减轻后续处理 的负荷，以石灰和氯化铁为絮凝剂，来提高一级处理对污染物的去除率。此外， 在埃及、中国台湾和韩国及一些欧洲国家的污水处理厂中，为去除难降解有机 物或降低后续处理负荷，也开展了化学絮凝强化一级处理的工程应用，并取得 了一定的效果。 瑞典、挪威等北欧国家的中小城镇污水处理厂也广泛采用化学处理，以较 低的投资和运行费用达到或接近生化处理效果，尤其磷的去除率明显超过生化 处理( 达到9 0 以上) 。如挪威现有其中最大的污水处理厂( o s l o w e s t ) 处理能 力为4 0 x1 0 4 m 3 t d ，c o d 和总磷的去除率分别超过7 0 和9 0 1 6 】。 美国、加拿大等国家也采用c e p t 法或结合生化工艺处理城市污水i l 。如 美国圣地亚哥和洛杉矶污水处理厂连续运行五年，s s 、总磷、重金属去除率一 直保持在8 5 以上，b o d 5 去除率为5 1 5 6 ，而基建投资和运行费用却只有 二级生化处理厂的3 0 , - - 4 0 。其他一些污水处理厂通过采用c e p t 和生化法结合， 不仅大幅度提高了s s 、b o d 5 和磷的去除率，同时又显著削减了运行费用。 武汉理工大学硕士学位论文 我国台湾、香港l l 驯【1 4 】等地是研究和利用c e p t 法处理城市污水的典型地区 和城市。根据香港环境署研究报告，利用c e p t 技术可使污水的s s 、总磷去除 率提高到8 5 以上，b o d 5 去除率很容易达到5 0 ，可节省投资4 0 5 0 。目前 香港昂船州污水处理厂期采用f e c l 3 强化絮凝处理，处理量为3 5 0 1 0 4 m 3 d ， 并在此基础上加建生化处理( 二期) 。我国台湾的c h e nc h i u - y a n g ，研究了城市 污水排海前的一级强化处理技术，投加硫酸铝和聚合氯化铝( p a c ) 各3 0m 乩， 沉淀1 h 。s s 和b o d s 的去除率分别为7 0 和6 0 ，比强化处理前的4 5 和2 5 增加了许多。我国大陆地区目前正处于研究探索阶段，但在上海和广东等地区 也相继出现了实际工程范例。 王东海【l5 1 、任杰【l 卅等人的研究成果表明：采用无机混凝荆处理低浓度生活 污水，当投药量为3 0 5 0 m g l 时，c o d 去除率达到7 0 以上。用混凝法强化处 理武汉市城市污水的实验研究表明：原水b o d 5 较低，一般在8 0 m g l 左右，在 实验室进行烧杯实验时，当聚合铝投加量为1 3 m g l 时，其b o d 5 去除率可达 6 5 ，药剂投加萤指标为0 2 7 2 m g p a c m g 胶体c o d 。在生产性实验过程中，有 机高分子絮凝剂m 1 0 1 1 的投加量为0 1 5m g ，l ：当进水b o d 5 7 0 8 0m g l 、p a c 投加量为2 5 4 5m g 几时，出水可达到b o d 5 3 0m g l 、s s 一 7 0 8 0m g l 、投加p a c 5 0m g l 和m 1 0 1 1 0 1 5m g l 时，出水可达到b o d 5 去除率 6 0 、出水s s 3 0m g l 。此外，总磷 的去除率可达6 0 左右【m 】 1 7 】。 c e p t 工艺对小流域纳污河道的治理也有较好的效果。采用c e p t 工艺对深 圳龙岗、观澜和燕川等污水河流进行了实验研究，结果表明：对c o d 为1 2 0 2 0 0 m g l 、总磷为3 巧m g l 、s s 为1 5 0 1 8 0m g l 的3 条纳污河水，处理后出水除 了氨氮外均达到地表水v 类标准。由于该法在短时间内可有效改善并缓解广东 东江水质污染加剧状况，在流量为( 3 q ) 1 0 4 m 3 d 的污水河( 河水水质里黑 褐、恶臭状，c o d 、氮、磷和s s 含量分别为2 0 0 , - , 3 0 0m e t e 、1 8 3 0m g ，l 、5 - 7m l 和2 0 0 3 0 0r a g l ) 进行中试试验，利用河道构筑简易拦水坝和水力混凝反应设 施，处理出水水质呈清澈透明状，c o d 降至6 01 1 1 l ，磷降至0 8 1 2m l ，s s 降至1 5m g l 以下u 8 l 。对广州市河涌治理的研究结果表明，分段投加聚合氯化 铝，渠式混凝沉淀，可以有效地改善城市污水，c o d 的去除率比一次加药提高 1 5 ，混凝后生成的絮体体积沉淀速度比一次加药提高近2 倒1 9 】。 综合以上研究成果可知，投加无机絮凝剂能够大幅度提高悬浮物质、胶体 7 武汉理工大学硕士学位论文 物质和磷的去除效率，强化效果明显。但一般无机絮凝剂的投加量较多，运行 费用较高，污泥量较大。 与常规一级处理相比，化学强化级处理工艺能够大幅度地提高有机物的 去除效率，强化效果明显，运行费用较低，处理成本为o ，3 0 5 元吨。c e p t 工 艺是一种处理量大、费用低、效果较好以及能减少病原体的污水处理技术。在 水污染严重、资金有限的国家和地区新建城市污水处理厂或改建现有污水处理 厂时可选用该工艺。在对b o d 5 和氨氮等指标的排放要求不高的区域，可单独使 用c e p t 工艺；c e p t 和二级生物处理联合使用时，可起到强化级处理、减少 二级处理有机负荷的作用，但需要控制营养元素的比例和数量问题。 1 2 4c f p t 工艺的发展趋势 环境污染的加剧和经济发展水平决定了在相当长的一段时间内，污水强化一 级处理应是中小城市污水处理的重要方式，提高污染物去除效率，也必将是污 水处理研究的重要内容之一。c e p t 工艺的系统基建投资、占地面积小于活性污 泥法( 包括a o ，a z o 等工艺) ，而且运行管理灵活简单，处理过程稳定可靠、 近期投资环境效益好。目前化学强化一级处理技术研究的主要方向有：( 1 ) 研 究开发适用于化学强化处理的高效、廉价絮凝剂的规模化产业化技术；( 2 ) 研 究无机絮凝剂与有机絮凝剂的复配使用及其优化；( 3 ) 研究助凝剂的助凝效果 及其优化；( 4 ) 研究化学一生物联合絮凝强化一级处理；( 5 ) 研究化学法强化 级处理与一级出水过滤或与生物膜联合使用的处理效率；( 6 ) 研究如何改善 絮凝剂与废水的混合方式及状态，提高絮凝效率；( 7 ) 研究强化一级处理中以 废治废的可能性及实用性1 1 】。 1 3 化学污泥的特性及处置 污泥泛指由水处理与废水处理中所产生的一种含水率很高的沉淀物，其含 固量一般在0 2 5 1 2 之间。污泥组成十分复杂，其中含有污水中的悬浮物、 微生物所吸附的有机颗粒以及微生物代谢活动所形成的聚集体。污泥中有机质、 n 、p 含量很高，重金属含量也很高，还含有大量的病原微生物。污泥变异性大， 水分比例极高且不易脱水，徒增了许多处理上的难度。经过脱水后的污泥有臭 味；此外，原本废水中所含的有机物、氨、氮、重金属、致病微生物等有害物 武汉理工大学硕士学位论文 质在移出水后被浓缩于污泥中，着处理不当，会造成环境的二次污染。因而污 泥处理技术已成为重要的环保课题。 利用絮凝剂处理污水时会产生含大量絮凝荆成分的化学污泥。在这节中 将主要介绍化学污泥的有关特性，了解化学污泥的形成过程以及采用一般的污 泥处理工艺处理化学污泥对对环境造成的影响。 1 3 1 化学污泥的特性 用化学法( 如混凝法、化学沉淀法) 处理废水所产生的污泥称为化学污泥。 如混凝沉淀法去除污水中的磷，投加硫化物去除污水中的重金属离子，酸碱中 和反应等过程产生的污泥等， 化学污泥的含水率很高，呈凝胶状，质轻并且蓬松，如果不改变其物理性 质，它将保持半流化状态【2 0 】。其组成粒子为水中悬浮固体经物理聚集、化学凝 聚、生化繁衍吸附或三者共存的方式，胶结凝聚丽成。其结构松散，形状不规 则，比表面积与孔隙率较高，具有分形结构，外观上具有类似绒毛的分支与网 状结构。污泥含水和脱水性与污泥物理结构密切相关。化学污泥颗粒的絮凝体， 粒径相对较小( 酸处理 慢速搅拌 碱处理 原污泥。采用酸处理 时，较为合适的p h 值为3 左右。 对化学污泥进行酸处理、碱处理或投加高分子絮凝剂后，污泥的脱水性能 也会发生变化。酸处理和投加高分子絮凝剂后污泥的脱水性能有所改善，其中 投加高分子絮凝剂的效果更明显；但碱处理后会使污泥的脱水性能有所下降。 化学污泥中重金属离子的环境效应不可忽视。由于污水的性质不同，化学 污泥中所投加的无机絮凝剂的不同( 主要是铁盐和铝盐) ，污泥中重金属离子的 种类、含量也不同。以铝盐作絮凝剂所产生的化学污泥为例，铝的含量非常高， 如给水厂的污泥固体中含铝率为1 5 0 a t , - 4 0 2 。化学污泥中大量铝( 含离子和络 合物) 因转移和积累会对环境造成很大影响，其生物效应主要体现在以下四个 方面：( 1 ) 对水生生物的毒性效应。有文献报道，在一定条件下，当水中铝含 量高于0 2 , - 0 5 m g l 时，即可使鲑鱼致死。沉淀的氢氧化铝不会使鲑鱼急性中毒， 但能引起慢性中毒。( 2 ) 对植物体的毒性效应。由铝盐絮凝法产生的污泥若用 于农田施肥，将使土壤中铝含量升高。土壤中只要有0 5 1 0 6 交换性铝就会使 植物根系的生长产生抑制；交换性铝若超过2 0 1 0 ，根的生长会受到明显的抑 制。( 3 ) 对人体的毒性效应。正常人体含铝总量是5 0 1 0 0 m g ，每天从饮食中摄 入铝平均为4 5 m g ，进入胃肠道的铝吸收率为0 1 。根据有关研究，过量铝的摄 入在临床上表现为铝性脑病、铝性贫血和铝性骨病。( 4 ) 对生物处理过程中微 生物的毒性效应。据报道，铝对活性污泥的抑制浓度为8 7 5 m g l ，且为可逆抑 制作用。当铝含量 2 5 m g l 时，会对活性污泥产生毒性影响，并使整体的去除效 果下降口5 1 。 1 3 2 化学污泥的处置 污水处理过程中产生的污泥含有大量的有机物和氮、磷等营养物质，如果 不加以处理随意排放，会造成水体富营养化现象；如果利用到农业生产上，污 泥中的重金属会污染土壤和作物；污泥中还含有致病菌、寄生虫卵，处理不当 可能引起疾病传播。这些问题将会造成环境的二次污染。 武汉理工大学硕士学位论文 污泥处理的最终目标在于达到减量化、稳定化、无害化和资源化。减量化： 由于污泥含水率很高，体积很大且呈流动性，需要将水从污泥中分离并去除， 以降低污泥处理及其最终处置的费用。稳定化：含有大量有机物的污泥，有一 部分容易腐败和产生恶臭，需要将其分解转化，方便运输和后续处理。无害化： 污泥中，尤其是初沉污泥中，含有大量病原菌、寄生虫卵和病毒，需经过消毒 处理达到卫生指标。资源化：污泥是一种资源，其热值在1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 k j f k g ( 干 泥) 之间1 1 。另外污泥中的氮、磷、钾等成分具有较高的肥效；在适当的条件和 规模下应考虑综合处置，对能源和物质加以利用。 由于污泥高含水率以及疏松颗粒结构等物理性质和具有多变、极不稳定的 化学特性使其处理过程耗费成本很大。一般污泥的处理分为两步：污泥预处理 和污泥处置。污泥预处理包括浓缩、稳定、调节、脱水、消毒，污泥处置则根 据污泥的最终去向可分为污泥利用和无害化处理。污泥利用包括农用、制油、 作为动物饲料、提取蛋白质、制作建筑材料、改性为吸附剂等。污泥无害化处 理有卫生填埋、投海、焚烧、湿式氧化等。我国的污泥处置技术大部分以农用、 简易填埋为主。 工业废水处理过程中产生的污泥，尤其是化工、医药等行业的处理过程中 混凝沉淀( 气浮) 等物化工艺过程中产生的化学污泥，成分复杂，有毒有害物 质多，如生产农药的化工厂废水污泥，往往含有毒性化合物；生产激素类药物 的医药公司废水污泥，可能含有致畸变致突变成分。如不妥善处置与严格控制， 必然会对环境和人体健康产生严重的影响。 1 3 3 化学污泥的资源化 为了降低污泥处理成本，减少环境污染，尽量做到以废治废，不少的学者 在化学污泥的回用或复用方面展开了一系列的研究。研究成果如下： 1 3 3 1 再生铝盐 化学污泥中铝盐的回用，主要有酸化法、碱化法和离子交换萃取法等。 ( 1 ) 酸化法：在低p h 值 3 7 5 时【2 6 ，可用强酸将铝盐以铅离子的形式从 絮凝体中溶解出来，此类方法称为酸化法。一般包括以下三个步骤：污泥脱 水。目的在于减小污泥的总体积，提高污泥的含固率，确保回用的铝有足够的 浓度，一般大于2 才适台回用。可采用重力和离心脱水。酸化处理。经浓缩 武汉理工大学硕士学位论文 后的污泥同硫酸或盐酸反应，生成相应的铝盐溶液。较低的p h 值有助于减少污 泥体积，提高其沉降性能，改善剩余物的脱水和过滤性能。研究表明f 2 7 】：当口h 值较低时，酸化溶解污泥中溶胶铝的能力较强，铝的回收率较高，在p h 分别为 1 和3 时，其回收率分别为9 0 和1 0 。在两个p h 值之间，铝的回收率与酸度 呈一定的比例关系。分离净化。通过沉淀和过滤将不需要的固体剩余物与铝 盐溶液进行分离。用活性炭对含有腐殖质的铝溶液脱色，再过滤、蒸发、结晶， 得到具有絮凝效用的晶体铝盐。在实际使用时，考虑与新型絮凝剂混合投加。 酸化法在美国、日本和英国等国外的很多污水处理厂应用较广泛。1 9 7 2 年美国 纽约州e r i e 县中试规模的硫酸铝回收试验表明【2 8 1 ，回收的铝赫作为净水混凝剂 使用效果良好。此法的缺陷在于：混凝剂的循环使用可能导致污泥中的其它杂 质，如各种有机物质和金属沉淀物铁、锰、铬等，在水中重新溶入而得到富集 和浓缩。 ( 2 ) 碱化法：铝为两性物质，可以和过量的碱生成溶解性的铝酸盐，所用 的碱可以是氢氧化钠或石灰乳。碱性条件下铁等非两性重金属会以氢氧化物的 形式沉淀下来，但有可能造成锌的累积。铝酸盐最后要加酸调节以形成具有凝 聚作用的铝盐。和酸化法相比，此法产生的絮凝剂纯度较高，但不够经济。据 报道t 2 9 l ，研究布鲁塞尔某水厂的化学污泥时，用氢氧化钠回收铝盐，最优p h 值 为1 1 扯1 1 8 ，回收率可达到8 0 ；用石灰乳时，最优p h 值为1 1 2 1 1 6 ，回收 率只有2 5 。但石灰乳对于重金属离子有很好的去除作用。污泥中铝离子的初 始浓度越高，则与碱的反应越慢，能回用的铝越少，故污泥中铝离子初始浓度 不宜大于2 0 9 l 。 ( 3 ) 离子交换萃取法：该法是一种液液提取法1 2 引，通过一种载体混合液能 从酸化的污泥中分离和浓缩铝盐。载体混合液由稀释液及溶解在其中的数量较 少的提取剂组成。稀释液可以是煤油或其他性质相似的烃化物，和污泥水不混 溶。美国于7 0 年代初进行了这方面的研究，得到如下结论：此法可回收沉淀污 泥中9 0 以上的铝盐，由于萃取剂的选择性很好，再生硫酸铝的浓度、纯度都 很高。但是，离子交换萃取法还需解决一些问题，如：价廉、毒性小的萃取剂 的选择；萃取过程过于复杂，需要灵敏的控制系统。如果能够降低成本，简化 工艺流程，它将会有很大的发展前途。 ( 4 ) 膜法：其核心是一种特殊的复合膜，它由厚约o 5 m m 的多孔聚四氟乙 烯膜及嵌入其中的直径约1 0 0 l _ t m 的细球粒组成。细球粒对铝离子有很强的亲和 武汉理工大学硕士学位论文 力，起着交换剂的作用。铝回收分两步：第一步，选择性吸附。在p h 值为3 5 时，放入酸化污泥中的膜将会有选择性的吸收溶解铝，而氢氧化铝业会不断溶 解，直到膜饱和。第二步，解析与膜的再生。将饱和态的膜放入2 1 0 硫酸的 搅拌池中。可使细球粒交换萃取剂获得较高的再生效率并生成液体铝盐。复合 膜对溶解性铝的吸收具有选择性和排他性，对自然有机物、重金属和锰几乎没 有吸附，持久性较好。 1 3 3 2 再生铁盐 在水处理中，铁盐也常被用作混凝剂。铁盐基本上以沉淀物的形式混合在 沉淀污泥中。有资料报道，向沉淀污泥中加入大量的酸，使沉淀污泥的p h 值降 到1 5 2 0 ，污泥中的氢氧化铁溶于水中，溶液中会有一定量的再生铁盐，铁盐 的再生率最高可达6 0 7 0 1 3 0 l 。朱又春f 3 1 1 等人对混凝法处理印染废水所产生 的化学污泥的再生利用研究表明：用硫酸回收污泥中的铁盐是可行的，铁的回 收率达9 6 左右，污泥溶解率为7 4 4 5 ；污泥溶解液作混凝剂回用于废水处理， 效果与硫酸亚铁混凝剂相当。酸化法回收铁赫的缺点是酸的用量大，并且酸处 理后较低p h 值的剩余污泥的化学调节费用也高。此法还存在一些问题，如对于 再生液中存在的剩余还原剂( n a 2 s ) ，如何用简单的方法将其取出苒使用；如何 进一步降低处理成本等。 1 3 3 3 从软化污泥中再生石灰 由于我国水质标准对水的硬度要求不高，石灰。苏打软化法作为一种较为经 济的软化原水暂时硬度的工艺暂不多见。此工艺会产生较多的化学污泥，主要 成分是c a c 0 3 、m g ( o h ) 2 以及一些从水中去除的杂质离子。m g ( o h ) 2 的含量视 原水中镁硬度含量而定，一般在1 8 7 0 之间，而c a c 0 3 的含量则在8 5 9 5 之间 3 0 1 。同自来水厂的其它污泥相比，石灰苏打软化污泥较稳定，纯度高，密 度大。由于其中c a c 0 3 含量高，因此用这种污泥回收石灰具有一定的可行性。 上述几种方法大都是基于给水厂的化学污泥的回用。铝盐、铁盐、生石灰 作为化学药剂在污水处理中也得到了广泛的应用。和给水水源不同的是，污水 中的污染物种