（工程热物理专业论文）超声对城市污泥特性及污泥煤浆成浆性的影响.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 为实现城市污泥的资源化和能源化利用，在实验室条件下，通过改变超声时 间和功率密度，研究超声对城市污泥特性和污泥煤浆成浆性的影响，结果表明： 随着超声作用时间增加，污泥表面活性不断提高，并趋于稳定，继续增加超 声时间，则表面活性变化不大；功率密度越大，污泥活性提高越快。污泥属于有 屈服应力的假塑性非牛顿流体，具有剪切变稀特性，不同含水率和温度的污泥， 流变指数n 均小于1 ；随着超声时间的增加，污泥的稠度逐渐降低，流变指数先降 低后升高，功率密度越大，流变特性变化越明显，但超声后的污泥仍然属于有屈 服应力的假塑性非牛顿流体。超声对改善污泥的稳定性效果显著，超声时间和功 率密度越大，污泥的稳定性越好。如果仅为获得较好的表面活性、流变性和稳定 性，采用高功率密度、短时间的处理方法是能够实现的，但从降低超声能耗的角 度考虑，应采用较低功率密度，长时间的处理方法。 随着超声时间的增加，污泥煤浆成浆性逐渐变好，成浆浓度从原污泥的6 0 经过1 0 m i n 超声后达到了6 6 ，提高了1 0 ，继续增加超声时间，成浆浓度变化 不大。在相同浓度下，污泥煤浆的稠度系数和流变指数都随超声时间逐渐降低， 在试验范围内，流变指数始终小于1 ，具有剪切变稀的特性，因此污泥煤浆也属于 有屈服应力的假塑性非牛顿流体。 本文通过实验研究了超声对城市污泥表面活性、流变性和稳定性，以及污泥 煤浆成浆性的影响，为城市污泥的资源化和能源化利用提供了理论和试验依据， 也为今后的深入研究提供了有价值的参考数据。 关键词：城市污泥，超声，表面活性，流变性，污泥煤浆 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t i o r d e rt or e a l i z et h eu t i l 娩a t i o no fm u n i c i p a ls l u d g er e s o u r c c 锄de n e 玛y ， a c c o r d i n gt 0t h es t u d yt h ei n l p a c t0 fu l t r a s o u n do nc h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g e 孤ds l u n y a b i l i t yo fc o a l w a g e s l u d g eb yc h a n 西n gt h eu l t r a s o n i c 雠i ea n dp a l w e rd e n s i t yi n 恤 l a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，也er e s u l t ss h o w t h a t ： w i mt h ei n c r e a s eo fu l t r a s o i l i ct i l n e ，t h es u r f a c e 拟i v i t yo fs l u d g ei n l p r o v e s c o n t i i l u o u s l y 觚dr e a c h e st h em 强i m u mu l t i m a t e l y ，t h eg r e a t e rt h ep o w e rd e n s i t y ，t h e f a s t e rt 1 1 es u d a c ea c t i v i t yi i l l p r o v e t l l l es l u d g pb e l o i 培st 0p s e u d o p l a s t i cn o n - n e 、t o n i a n n u i dw i t h ) ，i e l ds t r e s s ，i nt h ed i f f b r e mw a t e rc o n t e n ta n dt e m p e r a t u r e ，t h er h e o l o 百c a l e x p o n e n to ft h es l u d g ei sl e s st h 锄1 锄di t h a ss h e a rt h i 姗i n gc h a r a c t e r i s t i c s w i t ht h e i n c r e a s eo fu l t r 勰o n i ct i m e ，t h ec o n s i s t e n c yc o e f f i c i e n to fs l u d g e 伊a d u a l l yr e d u c e d ，m e r h e o l o 百c a ls t a t ef i r s ta w a yf 幻ma n dt h e nd o s et on e w t o n i 孤n u i d ，t h eg r e a t e rt h e p 0 、e rd e 璐i t y ，t h em o r eo b v i o u sc h a n g eo ft h er h e o l o 百c a lp r o p e n i e s ，b u tt h es l u d g ei s s 伽ap s e u d op l a s t i cn o n n e 叭o n i 锄n u i dw i t hy i e l ds t r e s sb yu l t r a s o u n d 1 1 l ee f 6 e c to f u l t r a s o u n dt oi m p r o v et h es t a b i l i t y0 ft h es l u d g ci ss i 乎蚯c 眦。t h el o n g e ft h eu l t r a s o n i c t i i i l e ，t h eg r e a t e rt h ep o w e rd e n s i t y ，t h eb e t t e rt h es 劬i l i t yo ft h es l u d g e ho m y t 0g e ta g o o ds u r f a c ea c t i v i t y ，r h e o l o 百c a lp r o p e r t y 觚ds t a b i l i t y ，t h el l i g hp o 、e rd e n s i t ya n d s h o f t - t e 皿u l t r a s o u n dc a nb ea c h i e v e d b u t 伽mt h ep e r s p e c t i v eo fl o w e ru l t r a s o i l i c e r j 盱c 0 璐伽叩t i o n ，i ti s m o r ea d v i s a b l et 0t a k eal o w e rp o w e rd e n s i t ya n dl o n g a p p r o a c h w i t ht 1 1 e 血r e a s eo fu l t r a s o i l i c 血e ，t l l es l u r r ya b i l i t yo fc o a ls e w a g e s l u d g ei s 伊a d u a l l yb e t t e r ，t h ec o n c e n t r a t i o ni i l l p r o v e df r o m6 0 o ft h eo r i 百n a ls l u d g et 06 6 a f t e r1 0 m i n su l t r a s o u n d ，i i l c r e a s e d1 0p e r c e n t ，c o n t i m l et oi 1 1 c r e a s et h eu l t r a s o i l i ct i i n e ， t h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g e dal i t e a tt h es 锄ec o n c e n t r a t i o n ，t h ec o n s i s t e n c yc o e f f i d e n t a n dr h e o l o 酉c a li 1 1 d e xd e c r e a s e dw i t ht h eu l t r a s o n i c 劬e ，t h er h e o l o 百c a li i l d e xi s a l w a y sl e s st h 觚1i nt h ee x p e 血e 叫r 锄g e ，孤dc o a ls e w a g e - s l u d g eh a ss h e 甜讪i i n n i n g p r 叩e n i e s ，i ta l s ob e l o 璎芦t op s e u d op l a s t i cn o n - n e w t o i l i a nn u i dw i t hy i e l ds t r e s s t h i sp a p e rs t u d i e dt h e i i i l p a c t o fu l t r a s o u n do ns u 血c ea c t i 、，i t y ，r h e o l o 哲c a l p r 叩e n y 肌ds t a b i l i t yo fm u i l i c i p a ls l u d g c ，醛w e l la st h es l u n ya b i l i t yo fc o a ls e w a g e u i 超声对城市污泥特性及污泥煤浆成浆性的影响 一s l u d g ee x p e r h e n t a l l y p r o v i d e dt h e o r e t i c a la l l de x p e r i m e n t a lb a s i s e sf o rf e s o u r c ea n d e n e 唱yu t i l 娩a t i o no fm u n i c i p a ls l u d g e 叠【e yw o r d s ：m u i l i c i p a ls l u d g e ；u l t r a s o u n d ；s u r f a c ea c t i v “y ；r h e o l o 西c a lp r o p e r t y ；c o a l i v 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着我国不断的城市化和社会经济的发展，城市污水的处理率逐年提高，污 泥产量也越来越大，据2 0 0 8 年数据统计，我国每年排放的干污泥约为5 5 1 0 6 6 0 1 0 6 t ，其中，城市污水厂每年排放的干污泥达3 o 1 0 5 t ，并以每年大于1 0 的速 度在增长f 1 1 0 城市污泥是城市污水生化处理过程的副产物，通常含有复杂的病毒、细菌、 真菌、藻类等微生物和原生动物群落，另外还含有难降解的重金属、无机盐等， 易腐败产生恶臭，如果处理不当，会对大气、地面水体、地下水体、土壤、生态 环境等方面造成二次污染【2 】。 在污水处理厂中，传统的污泥处理工艺费用较高，约占污水处理厂总运行费 用的2 0 巧o 【3 1 。目前，国内外污泥处置方式有很多种，其中焚烧工艺被世界各 国认为是污泥处理的最佳技术之一【4 】，因为它处理速度快，减量化程度高，可以实 现污泥的资源化利用，此外，污泥热值( 干基) 约为1 0 眦，最高可达2 0 m ，k g ， 是煤热值的1 3 以上【5 】。但因污泥堆积空隙率小，不易形成内部着火，不能达到维 持焚烧过程持续进行所需的能值，需加入其它辅助燃料。因此借鉴水煤浆技术， 刘海峰等【6 】提出将煤与含水污泥( 含水8 0 以上) 直接混合，补加水和合适的添加 剂后通过球磨机制备出高固含率污泥煤浆。这样不仅可利用污泥中有机物的热能， 实现污泥的资源化和能源化利用，而且可以代替部分煤和水，应用前景广阔。 考虑到污泥本身的特性，用超声对污泥进行处理，改变污泥的特性，提高对 污泥的有效利用，此外，利用污泥内部微生物产生的表面活性剂代替化学添加剂， 借鉴水煤浆技术，用处理后的污泥与煤混合制浆，对城市污泥资源化和能源化利 用具有重要的意义。 1 2 城市污泥的分类和组成 1 2 1 城市污泥的分类 ( 1 ) 按污水的处理方法，即污泥从污水中分离的过程，污泥可分为以下几类： 初沉污泥：指污水一级处理过程中产生的沉淀物，来自工艺过程的污秽杂物， 超声对城市污泥特性及污泥煤浆成浆陛的影响 以及从初沉池中排出的污泥，经由初步混凝后初级废水处理分离所得的污泥问。 活性污泥：指活性法处理污泥工艺中，二沉池所产生的沉淀污泥，主要由初 沉污泥经好氧或者厌氧消化，摄取营养物质进行生长繁殖形成【8 】。 化学污泥：指化学强化一级处理或三级处理后产生的污泥。 ( 2 ) 按污泥含有的成分和性质不同可分为： 有机污泥：主要成份为有机物，典型的有机污泥有活性污泥，消化污泥等， 此外还有油泥及固相有机污染物沉淀形成的污泥；其主要特点是有机物含量高， 颗粒细小，含水率高，呈絮体状态，相对密度较小，持水能力强，不易沉淀，脱 水比较困难；另外，有机污泥含有较多的植物营养素、寄生虫卵、致病菌及重金 属离子、毒性有机物等，容易腐败并产生恶臭；其稳定性差，流动性较好，易于 管道输送【9 1 。 无机污泥：以无机物为主要成分的污泥，如废水中的石灰沉淀、化学沉淀和 混凝沉淀等，金属化合物是其主要成分；无机污泥密度和固相颗粒较大，容易沉 淀、压密和脱水，颗粒持水能力差，含水率低，流动性差，不易用管道输送，污 泥稳定不腐化，但是可能出现重金属离子再溶出【1 0 1 。 ( 3 ) 按污泥在不同的处理阶段可分为【1 1 】： 生污泥：指从沉淀池包括初沉池和立沉池排出来的沉淀物的总称。 浓缩污泥：指生污泥经过浓缩处理以后得到的污泥。 消化污泥：指生污泥经过消化处理以后得到的污泥。在消化处理中，分解未 能分解的有机物，破坏污泥的高比表面积结构，将吸附于其上的水分剥除成为自 由水，改善沉降性与脱水性。 脱水污泥：指经过机械脱水处理后得到的含水率为2 0 一8 0 的污泥。 干化污泥：指经过加热干燥处理后得到的含水率较低的污泥。 1 2 2 城市污泥的组成 城市污泥的成分十分复杂，不仅含具有明显表面活性的两亲性有机物，如脂 类、糖类、蛋白质和腐殖质等，也含有可被植物利用的成分，如n 、p 、k 等植物 营养元素，还含有危害环境的重金属以及难降解有机物，其成分主要组成如图1 1 所示。 2 江苏大学硕士学位论文 污 泥 组 成 固相 有机物 元素组成：c 、h 、o 、n 、s 、a 叫罴釜圣 微生物组成：菌胶团、病原菌 f 水溶性组分 液相 o 水分：间隙水、表面吸附水、毛细结合水和内部结合水 图1 1 城市污泥的组成 f 唔1 1t h e m p o s i h 佃o fm 蛐i c i p a ls i u d g e 1 3 城市污泥的特性 1 3 1 城市污泥的物理特性 ( 1 ) 污泥含水率 污泥的含水率是一个重要的特性指标，反映污泥中含水量的多少，一般污泥 含水率都很高，这使得污泥具有很大的流动性。污泥含水率为污泥中所含水分的 质量与污泥的质量之比： r ：l 1 0 0 ( 1 1 ) w + s 其中，r 为污泥含水率，；w 为污泥中水分质量，g ；s 为污泥中总固体质量，g 。 污泥含水率决定于污泥中的固体含量，而污泥中所含的固体含量与污水处理 的程度及污水处理的工艺类型直接相关。自然沉淀过程可以除去大部分的可沉淀 固体物，而生化处理过程则可以去除大部分细颗粒固体、溶解性有机物和胶状有 3 c 物 、 ，j 陬 靴 昧 锄 锄 昏 讹 瓯 垮 舭 “ h 等 孙 凤 赙 m 队 a = 洲 h m 陬 乙 ： ： ： 分 物 属 养 矿 金 物 机 重 植 无厂、【 物机无 超声对城市污泥恃性及污泥煤浆成浆性的影响 机物。表1 1 列出了不同污水处理工艺中污泥平均固含量和含水率。 表1 1 城市污水处理中污泥的平均舍固量和含水率 m i b l e1 1t h e a v e 瑚哩弦h da n dw a t e r n t e n to fs l u d g ei nm l l i c i p 甜s e w a 萨咖细e n t 带有厌氧或好氧稳定的活性污泥法 ( 2 ) 污泥热值 在燃料化学中，污泥热值是指污泥燃烧过程中所释放出来的热量，它与污泥 的有机物含量，特别是与含碳量密切相关。城市污泥有机物含量一般为3 3 4 8 ， 热值一般为6 0 0 0 1 1 0 0 0 k j k g 。 表1 2 给出了城市污泥和煤的燃烧热值对比，可以看出，干燥后污泥的发热量 相当于烟煤的2 5 巧0 ，接近于褐煤的发热量，如果作为能源资源，具有较高的 开发利用价值，因此，可以将干化后的污泥看做一种中热值高挥发分燃料【1 2 1 。 表1 2 污泥和煤的热值对比 t a b l e1 2t h e m p a r i no f h e a t i u eb e 佃ns h d g e 舳d a l 4 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 污泥比阻 污泥比阻是指单位质量的污泥在一定压力下过滤时，单位过滤面积上的阻力， 是衡量污泥脱水难易程度的一个物理参数；污泥的渗滤性质用压缩系数s 来反映， 指单位压力变化时引起的液体单位体积的变化量；s 大的污泥，其比阻随过滤 压力的升高较快。表1 3 列出了城市污泥的比阻和压缩系数【1 3 1 。 表1 3 城市污泥的比阻和压缩系数 】阻b k1 3t h es 即c 墒cn s i s t a n a n d m p 聪蹒m m t y 纽c t o ro fm u n i c i p 蚰s i u d g e ( 4 ) 污泥粒度 污泥粒度指废水生物处理系统中，微生物在适当的环境条件下相互聚集形成 的微生物聚集体，不仅是反映污泥特性的一个重要参数，也是污泥能否得到有效 处理和资源化利用的一个基本条件，不同类型的污泥，粒度分布存在明显差异， 表1 4 给出了城市污泥中不同粒度的百分含量。 表1 4 城市污泥中不同拉度的百分含量【1 4 】 髓b k1 4t h ep e r n t a 擎n t e n to fd i f 亿阳n tg 豫n u i a 一锣o fm u n i d p ms l u d g e 5 超声对城市污泥特性及污泥煤浆成浆性的影响 ( 5 ) 污泥密度 污泥密度是指单位体积污泥的质量，常用相对密度来表示，它的数值等于污 泥密度与标准状态水的密度之比。城市自来水厂污泥的密度大于污水处理厂污泥， 一般为1 0 6 1 3 c m 3 ，排水管道污泥的密度范围为1 0 2 0 c m 3 ，河湖疏浚污泥 密度由污泥的颗粒密度计其含水率共同决定，一般为1 6 2 4 鲥c i i l 3 。污泥相对密度 的计算公式为： y = 业学 ( 1 2 ) 其中，7 为污泥的相对密度； 为污泥的含水率；弘为污泥的干固体平均相对密 度。 1 3 2 污泥的化学特性 ( 1 ) 污泥中的重金属 重金属是指原子序数在2 1 8 3 的金属或相对密度大于4 的金属，重金属不能 被微生物分解，进而在生物体内富集，从而对人类或生态环境造成危害。污泥中 的重金属主要有汞h g 、镉c d 、铅p b 、铬c r 、砷触、锌z n 、铜c u 、镍n i 、锡 s n 、铁f e 、锰m n 等，城市污泥重金属含量如表1 5 所示。 表1 5 城市污水处理厂污泥中重金属含量1 1 5 】 ，i a b i e1 5c o n t e n to fh e a v ym e t a i so fs i u d 铲i n 眦n i d p a i w a 寥t 弛釉e n tp i 蛆t ( 2 ) 污泥的矿物组成 污泥的矿物组成是评价污泥作为可利用资源的一个重要的理化指标，直接关 系到污泥可以作为那一种资源开发利用。矿物组成不仅取决于污水的来源和污泥 的类型，而且与污水处理的方法有关。对近三年3 年江苏省城市污泥的矿物质含 6 江苏大学硕士学位论文 量进行x r d ( x 射线衍射) 半定量分析检测数据如表1 6 所示，x l m 半定量分析 是对x l m 衍射图谱的简单分析，介于定量和估算之间，是一种带有科学依据的结 果分析。 表1 6 城市污泥的x r d 半定量分析结果 ，l h b i e1 71 km s u l t so fs e n l i q 咖n t i t a 廿w 舳a l y s i so f 缅e m 内rm u n i c i p a is l u d 妒 ( 3 ) 污泥的化学组成 典型城市污水处理厂近3 年检测的消化污泥的主要化学成分数据如表1 7 所 示。污泥的化学组成主要决定于污泥的来源，对于污水处理厂污泥来说，不同的 处理工艺和不同的处理阶段，污泥化学成分会发生明显的变化。 表1 7 城市污水处理厂污泥的化学组成1 1 0 j i h b k1 6t h ec h e m i 傀i m p o s i 6 0 no f 蚰u d 星r em 曲em u n i d 睥l 靶w a 罢，et r 嘲i t m e n tp l a n t 含量 3 5 加2 1 85 4 02 8 07 2 0 0 6 90 5 l1 3 50 7 薪离 3 5 7 8 3 7 36 4 44 6 88 4 70 8 20 6 2 2 9 00 8 ( 4 ) 污泥中的有机物 污泥的有机物部分主要包括蛋白质、碳水化合物和脂肪，这些有机物都是由长 链分子构成的。在污水不同处理阶段，污泥的有机物含量是不同的，如表1 8 所示。 表1 8 城市污泥不同处理阶段有机物含- 量【1 7 】 t h m e1 8t h eo 曙蚰i c n t e to fm u i c i p a ls l u d 妒i nd i f f e r e tt n a t m e n tp m s s 7 超声对城市污泥特性及污泥煤浆成浆性的影响 1 3 3 污泥的生物学特性 污泥中含有大量的细菌、病毒、原生动物、放线菌、寄生虫、轮虫和真菌等 微生物体及寄生虫卵，并且在当时条件下形成相对稳定的微生态体系和污泥絮凝 体，其结构如图1 2 所剥1 8 1 。污泥絮体的主要组成部分是胞外聚合物( e p s ) ，约 占污泥有机物的5 0 。9 0 ，主要来源于微生物的新陈代谢、进水基质和细胞溶解。 e p s 主要由蛋白质、多聚糖脂、核酸和腐植酸等组成，其中多聚糖脂和蛋白质的 含量约为7 5 8 9 【1 9 1 ，大多为两亲物质，具有一定的表面活性。此外，胞内聚合 物( 口s ) 是构成微生物细胞膜、细胞质以及细胞核的要物质，其组成大多与e p s 相近，有些具有转化为这些活性物质的可能性。 曲群和e p s 丝状曲 e p s 和分散细菌 图1 2 污泥絮体结构 1 2 m 舨咖c 觚o f s 污泥中的微生物种类和数量与城市生活水平有关，并随时间和地方的不同不 断变化，表1 9 列出了不同类型污泥中含有的种微生物的浓度俐： 表1 9 不同类型污泥中各种微生物的浓度 嘞i e1 9c 佃n 劬临no fs p e d e so fm i c m d r g a 曲脚i n 也e 蚰u d 寥 污泥 总大肠粪便大肠粪便链球噬菌体沙门氏菌 青绿色假单胞 类型 杆菌( 个g ) 杆菌( 个g ) 菌( 个g )( 个值)( 个g ) 菌( 个鹰) 初沉污泥 1 1 0 6 。l 1 0 6 ， 8 9 1 0 51 3 1 0 5 4 1 1 0 22 8 1 0 3 1 2 1 0 02 0 1 0 7 二沉污泥 混合污泥 1 7 1 0 6 8 8 1 0 21 1 1 0 4 1 6 1 0 6 3 7 1 0 6 3 3 1 0 3 7 0 2 9 0 。 4 4 1 旷 囝 w 心m 引 一 m 机心舻神州一拙 江苏尹学硕士学位论文 1 4 污泥的处理与处置 污泥含水量高、有恶臭、易腐败、含有毒物质以及大量有害病原菌，如果不 及时处置，会对大气、地面水体、地下水体、土壤、生态环境等方面造成二次污 染。污泥的处理处置一般应遵循减量化、无害化、稳定化的要求。目前，国内外 污泥的处理方法主要有浓缩、消化、调理等，最终处置方法主要有卫生填埋、土 地利用、焚烧、以及排海等。污水处理厂污泥处置的主要流程如图1 3 。 圈一回一回 l 斤两 i _ j i 障吲 i 。一 图1 3 污泥处理处置主要流程 f 蟾1 3 i h e 砌i np m s so ft 嘞t m e n ta n dd i s p o 鼢if o rs l u d 驴 1 4 1 污泥处理方法 污泥处理是对污泥进行浓缩、消化、调理、脱水的加工过程，目的是减少或 消除污泥中的有毒有害物质对环境和人类造成的危害。 ( 1 ) 污泥浓缩 污泥浓缩的目的是去除污泥中的间隙水，缩小污泥的体积，为污泥的输送、 消化、脱水、利用与处理处置创造条件，浓缩后含水率可降为9 5 一9 7 ，近似糊 状。浓缩可以达到污泥的减量化，浓缩方法包括重力法、气浮法和离心法。 重力浓缩法是在容器中利用重力作用使污泥沉淀，从而实现泥水分离的方法， 是目前广泛采用的一种方法。 气浮法是使大量的微小气泡附着在污泥颗粒的表面，从而使污泥颗粒的密度 降低而上浮，实现泥水的分离。因此，气浮法适用于浓缩活性污泥和生物滤池污 泥等颗粒密度较小的污泥。与重力法相比，气浮法所得的出流污泥含水率低，但 运行费用相对较高。 9 超声对城市污泥恃性及污泥煤浆成浆性的影响 离心法是利用污泥中固体颗粒和水的密度差异，在高速旋转的离心机中，固 体颗粒和水分别受到大小不同的离心作用而导致固液分离，从而实现污泥浓缩的 目的。此方法可连续运行，占地面积小，造价低，但运行费用与机械维修费用较 高，且存在噪声问题。 ( 2 ) 污泥消化 污泥消化是在人工控制下，让污泥中的有机物在无氧条件下被细菌降解为以 甲烷为主的污泥气和稳定的污泥的一种方法，一般包括厌氧消化和好氧消化。 厌氧消化是在厌氧环境下，由厌氧细菌使污泥中有机物分解成无机物和气体， 从而使污泥得到稳定的过程。传统的工艺分为中温消化、高温消化根据操作温度 j 划分1 ，目前较多采用两种工艺结合应用的方式。 好氧消化跟活性污泥法类似，先在曝气池中曝气，时间为1 0 。2 0 天，依靠有 机物和微生物的代谢作用稳定污泥中的有机物。 ( 3 ) 污泥调理 调理是污泥机械脱水前的处理，可以破坏污泥的胶态结构，减少泥水间的亲 和力，改善污泥的脱水性能。污泥调理工艺有加热加压调理、冷冻融化调理和洗 涤药等。在过去，加药法主要采用铁盐洗涤和以石灰、铁盐为主要添加剂，其操 作方便，应用较广。近年来，有加热加压调理和冷冻融化调理开始受到重视，在 利用污泥作为肥料时，用冷冻融化调理可以保护泥中有用成分不被分解。 ( 4 ) 污泥脱水 污泥脱水的目的是进一步减少污泥的体积，便于后续处理、处置和利用。污 泥脱水一般采用机械脱水，自然干化和干燥等方式。 机械脱水主要是通过机械作用使污泥脱水，目前应用较为广泛，主要的脱水 机械有转筒离心机、板框压滤机、带式压滤机和真空过滤机。 自然干化是污泥深度脱水的一种形式，主要是通过蒸发等作用，从污泥中去 除大部分含水量的过程，其中应用的脱水能量主要自然热源，一般指采用污泥干 化场( 床) 等自蒸发设施。 干燥过程是指利用人工热源对污泥进行脱水的方法，主要对象是毛细管水、 吸附水和颗粒内部水，经干燥后含水率可降至约2 0 左右。 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 4 2 污泥处置方法 污泥处置是指经过处理后的污泥，实现再利用或者弃置于自然环境中， 能够达到长期稳定，并且不对生态环境和人类造成不良影响的最终方式。一 般包括卫生填埋、土地利用、焚烧和排海。 ( 1 ) 卫生填埋 卫生填埋是指污泥经过简单的灭菌处理直接倾倒于低地或谷地制造人工平原 的方法。它是从保护环境的角度出发，在传统填埋的基础上，经过科学选址和必 要的防护，具有严格管理制度的环境工程方法。污泥卫生填埋成本低，不需要高 度脱水( 自然干化) ，既解决了污泥出路问题，又可以增加城市建设用地；然而，许 多问题也存在于污泥卫生填埋工艺中，如污泥中存在的有毒有害物质，会通过雨 水的侵蚀和渗漏作用污染地下水环境；此外，因城市污泥产量不断增加，填埋的 场所显得越来越有限。所以，在进行污泥卫生填埋时，不但要考虑地理位置问题， 还要考虑环境卫生问题。污泥卫生填埋场地址须应遵循以下几点：1 配设渗滤液收 集装置及净化配套设施，以防新污染的产生；2 土壤渗透系数低且地下水位不高的 区域；3 填坑铺设防渗性能好的材料。 ( 2 ) 污泥土地利用 土地利用是将污泥用于农田施肥，垦荒地或贫瘠地土壤的修复及改良，以及 园林绿化等，这种方式主要越来越被认为是一种积极、有效、有前途的污泥处置 技术。因为污泥中含有大量的有机营养成分和一定量的氮( n ) 、磷( p ) 、钾( k ) 等，以及植物生长所需的多种微量元素如m g 、c a 、f e 、z n 、c u 等，对于改良土 壤结构，增加肥力，促进植物生长有显著的效果，如能合理利用，将是非常有价 值的资源。一般来说，污泥在进行土地利用前，必须经过无毒无害化处理，降低 或者去除其中病原菌、有毒有害有机物、重金属等，其原则是施用污泥中的有害 成分不能超过受施土壤的环境容量。 ( 3 ) 污泥焚烧 污泥焚烧是指在大于6 0 0 的温度下，使污泥中的有机组分全部碳化成稳定的 无机物。焚烧是利用城市污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维素和木质素， 这些物质含量较高，具有一定热值。在所有的污泥处置中，污泥焚烧可以迅速和 较大程度地使污泥达到减量化，并且产生的剩余物最少，既解决了污泥的处置问 超声对城市污泥特性及污泥煤浆成浆性的影响 题又充分地利用了污泥中的能源，而且不需要作杀灭病原菌的处理。 但是，由于污泥焚烧设备的一次性投资巨大，能耗和运行费用均很高。另外， 污泥直接焚烧，操作管理复杂，可能产生废气、噪声等污染，特别是在不充分燃 烧时，会产生二嗯英等有害气体，污泥中的重金属可能随着烟尘的扩散而污染空 气。 ( 4 ) 污泥排海 沿海城市或有通往海洋航道的城市，会采用排海的方法。这种方法一般不需 进行严格的无毒化和无害化处理，也不需要脱水，而且一次处理量大；但污泥排 海只是处理污泥的一种权宜之计，并没有从根本上解决问题；把污泥长年累月排 入大海，污泥中的有毒有害物逐渐溶入海水，导致海水环境不断恶化，从而威胁 到人类的生存。现在全世界已经基本禁止这种方法。 1 4 3 污泥处理处置现状 对于我们国家的一些中小城市，污水处理设施相对较少，即使有其污泥处理 设施9 0 以上也不配套。在已建成的污水处理厂中，污泥未经任何处理就直接农 用的占7 0 以上。国内不同污泥处理处置方法所占比例如图1 4 所示【2 2 】。 口3 u 3 4 5 图1 4 国内污泥处置情况 飚1 4 s m 寥m 删纽如删嘲i c 在污泥处理处置方面，国外在已有1 0 0 多年历史了，表1 1 0 是国外几个国家 在污泥处置方法上所占比例【2 1 1 ，可以看出，日本主要是焚烧为主，而填埋和土地 利用多为欧美国家处置污泥所采用的方法。 1 2 埋填& 口埋混 填圾理烧用化地垃处焚农绿卜与未口口日口囝 江苏大学硕士学位论文 1 5 污泥煤浆技术 水煤浆( 简称c i w s ) ，是把洗选后的煤加工研磨成煤粉，按6 5 一7 0 的煤和 2 9 码4 的水以及适量的添加剂配制而成的一种煤水混合物【2 3 1 。污泥煤浆是借鉴 水煤浆技术，用含水污泥替代一部分水，把煤粉、污泥还有水按一定比例混合， 再添加合适的活性剂制成浆体，既能保持煤的物理化学性能，燃烧效率高，又能 像石油一样具有良好的流动性和稳定性，可以泵送，易储运和调整，可以雾化燃 烧，又可以使污泥这种大宗废弃物得到资源化和能源化利用，属低污染洁净燃料， 有着节能、环保等多种效益。 一一二j ：r 1 5 1 污泥煤浆的性质 作为一种燃料，污泥煤浆跟水煤浆一样必须具备下述性质： ( 1 ) 为利于燃烧，污泥煤浆的含煤浓度要高，通常煤的质量分数为5 0 。7 5 。 ( 2 ) 为利于泵送和雾化，污泥煤浆粘度要低。通常要求在常温下，剪切率为 1 0 0 s 。1 时，表观粘度不高于1 0 0 0 i 】心a s 。 ( 3 ) 为防止在存储和运输过程中产生沉淀，其稳定性要好。一般要求静置存 放3 0 d 不产生不可恢复的硬沉淀。 ( 4 ) 为提高燃烧效率，污泥煤浆中煤粉粒度应达到一定的限度和比例。一般 要求粒度上限为3 0 0 m ，其中小于7 4 p m 的煤粉质量分数不少于7 5 。 使污泥煤浆满足其中单项性能并不难，但要同时满足各项性能却不容易，因 为有些性能之间是相互制约的。如要使污泥煤浆中含煤粉浓度高，就不能多用水； 然而水少了会使得粘度升高，流动性变差；要流动性好，就应降低粘度，但粘度 降低又会使稳定性变差。 1 3 超声对城市污泥特性及污泥煤浆成浆性的影响 1 5 2 污泥煤浆的应用优势 ( 1 ) 代油燃烧：可以像油一样的输送，储存和燃烧，具有很好的流动特性； 除了煤有很大的热量外，污泥中的有机成分也具有大量热能，是代油的理想代用 燃料。 ( 2 ) 清洁：污泥煤浆由洗精煤制成，含灰、硫和有害物质等远低于常规动力 煤；污泥煤浆为煤和含水污泥混合物，大量的水分，在燃烧时的还原作用，使氮 氧化物还原为氮气，水分还能使燃烧火焰温度比烧油和煤粉低1 0 0 2 0 0 ，可大大 减少s 0 2 的析出和n o x 的生成；可见，它是一种低污染的洁净煤燃料，即能解决 煤炭燃烧造成的环境污染问题，又可以利用废弃的污泥。 ( 3 ) 经济节能：解决了现有含水污泥热处理费用高的问题，减少了处理污泥 的投入：污泥煤浆为雾化燃烧，燃烧效率高，达9 5 9 9 。成本比油降低很多。 另外，减少了储煤场和污泥填埋场的土地占用，节约了资源。 1 5 3 发展现状 王惠桐【刎的研究表明污泥的表面张力与电动电位对污泥煤浆最佳浓度、流变 特性具有显著影响，煤的变质程度越高和污泥表面活性越好，对污泥煤浆的成浆 性越有利。 李伟东【冽等，通过添加阴离子型表面活性剂作为分散剂，考察了不同污泥用 量时污泥煤浆的成浆性能。结果表明，当添加的污泥( 干基) 量为煤质量的4 时， 成浆浓度超过6 0 ，随着污泥量的增加，污泥煤浆的成浆浓度降低。加入污泥后， 浆体的稳定性增强，污泥比例越高，产生沉淀的时间越长，超过1 6 0h ，与使用稳 定剂效果相当。另外，用不同添加剂制各的污泥煤浆均呈假塑性。造成污泥煤浆 成浆浓度下降，稳定性增加的主要原因是污泥疏松的絮状结构，蜂窝状的外表面 以及强大的吸水性。 王丹【矧等，通过将两种高含水率城市污泥与煤粉混合制水煤浆的可行性，研 究了污泥掺混比例、分散剂用量、温度及剪切时间等对成浆性能的影响。结果表 明，在三种不同分散剂配合下，两种污泥的掺混比例控制在1 0 以内，污泥能够 与煤粉顺利成浆。在两种污泥掺混比例分别为5 、1 0 时，浆体的表观粘度随分 散剂用量的增加而降低，温度升高有利于改善浆体的流动性，添加污泥的水煤浆 1 4 江苏大学硕士学位论文 其稳定性有所改善。 刘海峰等【6 】提出将污泥饴水率5 0 9 0 ) 直接与煤混和，补加合适的添加剂 和水后，通过球磨机制备出高固含率的污泥煤浆。用它作为水煤浆的替代品，采 用成熟的气化工艺实现污泥与煤的共气化，克服了污泥单独气化时热值低，有效 气体组分低的缺点。气化过程中大量重金属转移到炉渣中，同时避免了二噫英、 呋喃等有害气体的产生，防止产生二次污染，仅有的副产物就是灰【明。 1 6 本课题研究目的和主要内容 1 6 1 研究目的和意义 为了实现污泥的资源化和能源化利用，采用超声对污泥进行处理，并用超声 后的污泥与煤混合制浆，研究超声对污泥特性和污泥煤浆成浆性的影响，以期为 污泥的资源化和能源化利用提供试验和理论的依据。 1 6 2 研究主要内容 在前人研究的基础上，本课题主要研究超声对污泥特性和污泥煤浆成浆性的 影响，主要内容如下： ( 1 ) 超声对污泥表面活性的影响，主要研究超声时间和超声功率密度对污泥 表面张力的影响规律。 ( 2 ) 超声对污泥分散稳定性的影响，主要研究超声时间和超声功率密度对污 泥z e t a 电位的影响规律。 ( 3 ) 超声对污泥流变性和流动性的影响，主要研究超声时间和超声功率密度， 以及不同剪切速率、含水率和温度对污泥表观粘度的影响规律，并对实验结果进 行拟合，进一步研究污泥流变性和流动性。 ( 4 ) 超声对污泥稳定性的影响，主要研究超声处理时间和功率密度对污泥的 z e t a 电位、沉降比和沉降指数的影响规律。 ( 5 ) 超声对污泥煤浆成浆浓度的影响，主要包括极限成浆浓度、流变性和稳 定性，研究不同超声时间对污泥煤浆的极限成浆浓度、流变性和稳定性的影响。 超声对城市污泥特性及污泥煤浆成浆性的影响 第二章基础理论 2 1 超声处理污泥技术 2 1 1 超声及其应用特性 超声波是物质介质中的一种弹性机械波，其频率范围在1 0 4 h z 到1 0 1 2 h z 之间， 常用的频率大约在2 0 z 3 m h z 之间【冽。超声波具有声波的特征，既能在气体中 传播，也能在液体和固体中传播。当超声波在液体中传播时，液体受到时正时负 的几个大气压的拉力或压力作用，液体抗拉强度不大，当压力为负时，液体被拉 断，形成许多极小的空气泡，称之为空化泡；当压力变为正压时，这些空化泡很 快被压缩破碎，在这个过程中会在污泥局部产生高温高压，并形成很高的剪切力， 破坏作用极大，称为空化作用。超声波具有几个显著的应用特征如表2 1 所示。 表2 1 超声波应用特性 t h b l e2 1a p p 肛c a t i o nc h a r a c t e r i s 戗c so fu l 帆s o n i cw a v e 应用特性具体描述 方向性好 功率大 穿透能力强 空化作用 其他效应 容易得到定向而集中的波束，既便丁目标定位及定向发射，又便于聚焦，以 获得较大能量。 超声波功率比一般声波功率大的多，一般人说话的功率约为1 0 击w 细3 ( 能波 密度) ，而超声波能产生1 0 5 1 0 6w m 3 的功率 超声波在气体中衰减很强，在液体、固体中衰减很弱，故其有较强的穿透作 用。 超声波在液体中传播时，是液体介质不断受到压缩和拉伸，从而会在液体中 形成暂时的近似真空的空洞( 尤其是在含有杂质、气泡的地方) ，而在压缩阶 段，这些空洞会发生崩溃，瞬间产生高达几千的大气压，并使局部温度猛升。 由于高能量超卢波强烈的机械振动在击碎、搅拌、去气、扩散、渗透等效应 中有重大作用，所以有时会产生凝聚和分散效应。 2 1 2 超声对污泥的作用原理 超声效应主要是对污泥内生物组织或细胞等产生作用，不同频率的超声波在 污泥中可以产生不同的作用，如图2 1 所示。另外，不同的超声波强度、作用时间， 甚至不同的生物体结构和功能状态，都会对超声效果产生影响；在低声强作用下， 1 6 江苏大学硕士学位论文 其效应是可逆的，经过一段时间后污泥会恢复原来的特性，但当声强超过一定阈 值，超声作用产生的效果是不可逆的。按作用机理不同，超声对污泥的效应可分 为：机械效应、热效应、弥散效应、空化效应及触变效应等。 2 0 k l h i- - - i- -。- - i _- ，l ，r 卅 1 0 k l h 1 0 0 k h z1 h h 声被低频 l 中频 高频 n l 空化作用物质文换作用 剪切作用 i 声化学作用 图2 1 超声波频率范围及各频段主要作用 f i g2 1u n 礴n i cf t q u e n c y 咫n 酽粕dm 面o r m k so f c hb a n d ( 1 ) 机械效应 超声波在污泥中传播时，会引起污泥内生物介质交替的压缩与拉伸，构成压 力变化引起机械效应。当声强较低时，生物体产生弹性振动；但声强较高时，机 械振动超过生物体的弹性极限，会造成生物细胞或组织的断裂或粉碎，使细胞内 部结构发生变化，导致细胞一系列功能变化。 ( 2 ) 热效应 由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡，介质问相互摩擦而发热， 这种能量使液体、固体温度升高，从而影响污泥内生物介质的代谢活动。 ( 3 ) 弥散效应 适当剂量超声可增强污泥内生物半透膜渗透作用，促进物质交换，进而加速 代谢，改善组织营养。 ( 4 ) 空化效应 。 当一定强度的超声波作用于污泥时，会在污泥中产生大量的空化泡，随着超 声波变化，这些气泡会瞬间破灭，形成瞬间热点，产生高温( 5 0 0 0 k ) 、高压 ( 5 1 0 4 l 【p a ) ，还会产生很高的剪切力，因此，超声波可以在常温下完成一些需要 极端条件的化学反应，能够使污泥絮体破碎，胞外聚合物分解，甚至使生物细胞 破壁。加速固液分离工程，改善污泥的表面活性、流变性、稳定性和沉降性。 1 7 超声对城市污泥特性及污泥煤浆成浆性的影响 2 1 3 超声处理污泥技术的研究现状 ( 1 ) 超声改善污泥微生物活性 李欢等人【2 9 】研究发现，超声对污泥的作用过程可以分为2 个阶段，第一阶段 为絮体破碎阶段，污泥颗粒被分成直径为十几um 的小凝集体，胞外有机质分解， 主要是紧密黏附e p s ，使得污泥微生物活性增强；随着超声的继续，污泥絮体被 进一步破碎，污泥颗粒直径降至1 0 um 以下，胞内有机质开始溶出，主要是送上 附着e p s 和胞内聚合物( 口s ) ，污泥微生物活性开始下降；但是，由于污泥是不 均匀的，2 个阶段并非截然分开，研