（环境科学专业论文）新型复合混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究.pdf

t i t l e ：s t u d yo l lt h ea p p l i c a t i o no fn e wc o m p o u n df l o c c u l a n t i nt h ep r o c e s so fs l u d g ed e w a t e r i n g m a j o r ：e n v i r o n m e n ts c i e n c e n a m e ：s o n gx i a n q i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l e ih e n g y i a b s t r a c t a l a r g ea m o u n to fs l u d g ew i t hc o m p l e xc o m p o n e n ti sp r o d u c e di nm u n i c i p a l s e w a g et r e a t m e n tp l a n t t h es l u d g ec o n t a i nal o to fm o i s t u r e ，s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n t t od e v e l o pa ne f f i c i e n ts t r a t e g yf o rs l u d g ed e w a t e r i n g p r e l r e a t i n gs l u d g ew i t h c h e m i c a ld r u g s ，s u c ha sa l lk i n d so fc o n c r e t i o nm i x i n ga g e n t sa n dc o n c r e t i o n a i d a g e n t s ，i ss i m p l et oo p e r a t ea n dc a ng e tag o o de f f e c t ，s oi t i sc a nb eu s e dw i d e l y i ti s ar e a l i s t i cj o bf o ru st of i n dg o o dc o n c r e t i o nm i x i n ga g e n t sf o rt h ed i f f e r e n ts l u d g ea n d i n f l u e n t i a lf a c t o r s t h ep a p e ri n t r o d u c e san e wk i n d o fc o m p o u n df i o c c u l a n tn a m e do f f o n o c c u l a n t f r o mt h es e d i m e n t a t i o nc a p a b i l i t ye x p e r i m e n ta n dr e s i s t a n c et e s t i n g e x p e r i m e n ti nt h el a b o r a t o r y ，a n dt h es l u d g ed e w a t e r i n gt e s t i n gi nm u n i c i p a ls e w a g e t r e a t m e n tp l a n t ，w ec a l lg e tac o n c l u s i o na b o u tc o m p o s i t i o no ff of l o c c u l a n t t h e m a i nc o n c l u s i o n so ft h er e s e a r c ha r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 f of l o c c u l a n ti sm a d ef r o mt h r e ed r u g s a n di nt h er e s e a r c h ，w ew i l ls u b s t i t u t e a 、 ba n dcf o rt h e s ed r u g s t h ed o s a g eo ft h r e ed r u g sc a ni n f l u e n c et h es l u d g e d e w a t e r i n ge f f e c t t l a eb e s tc o n s u m p t i o n so ft h ed r u g sa r e 3 0 0 ，6 0 0 a n d 0 1 5 rt h ep r o p o r t i o no ft h ed r ys l u d g e ) 2 f of l o c c u l a n th a sas t r o n gf u n c t i o no ff l o c c u l a t i o n i tc a nw o r kb yt h ew a yo f b r i d g el i k eb i n d i n ga n da d s o r p t i o na c t i o n t h a t sw i l lr e s u l t i n t h ec 0 8 9 u l a t i n g s e d i m e n t a t i n ga n d d e t a c ht h ew a t e rf r o mt h es l u d g e 3 f of l o c c u l a n tc a i m p r o v et h es e d i m e n t a t i o nc a p a b i l i t yo ft h es l u d g e a n di ta l s o c a nr e d u c et h er e s i s t a n c eo ft h es l u d g ef r o m2 0 3 1 0 9 s 2 gt o0 2 9 2 x l o g s 2 g t h a t s u l h i 曲l ya d v a n t a g e o u st om e c h a n i c a ld e w a t e r i n g 4 a f t e ru s i n gf of l o c c u l a n ti nt h ep r o c e s so fs l u d g ed e w a t e r i n g ，t h ec o n t a i n i n g w a t e ro rm o i s t u r ei nf i l t e rc a k ei s6 6 3 5 ，a n dt h es o l i dr e c o v e r yr a t ea p p r o a c h e s 9 5 c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o nc o a g u l a n t ，s u c ha sp a m ，t h eq u a n t i t yo f c o n t a i n i n gw a t e rd e c r e a s e s5 5 1 ，a n dt h es o l i dr e c o v e r yr a t ei n c r e a s e s6 6 6 s o i th a sa l la d v a n t a g ei ns l u d g e sf u r t h e ru s i n g 5 f of l o c c u l a n tn o to n l yc a nr e d u c et h ec o n t a i n i n gw a t e ri nt h es l u d g e ，b u ta l s oc a n s a v eo 4 9y u a np e rt o ni nt h ep r o c e s so fs l u d g ed e w a t e r i n g i t sw o r t h yo fb e i n g s p r e a d e d k e y w o r d s ：s l u d g e ，d e w a t e r i n g ，f o ，c o m p o u n df l o c c u l a n t ，s e d i m e n t a t i o nc a p a b i l i t y r e s i s t a n c e ，w a t e rc o n t e n t 中山大学硕+ 学位论文新型复台混凝剂席用于污泥脱水过程中的研究 第1 篇绪论 第1 章选题相关 1 1 选题的意义 我国污水处理事业起步较晚，经过二十多年的探索和实践，环境污染已基本 得到控制。人民生活水平不断提高，公众对环境质量的要求也日益提高。伴随着 我国城市经济的发展和人口的增加，水污染也日益严重，建设城市污水处理厂已 成为治理水污染的不可或缺的举措。在不久的将来，随着城市化的进一步发展， 下水道系统的进一步完善，更多的工业污水将排入城市下水道系统“2 “1 。为实 现我国在环境保护上对世界的承诺，减少水域污染，改善城市生态环境，实现经 济的可持续发展，现在及今后一段时间内，新的城市污水处理厂必将不断建立。 城市污水污泥是指城市污水处理厂处理废水所产生的固态废弃物，污泥量约占污 水总处理量的0 5 1 0 ”“，但处理费用约占污水厂总费用的5 0 。随着污 水处理技术的革新，处理程度的深化、污水处理率的不断提高，在污水处理过程 产生的污泥量也将大大增加。 据。1 统计，1 9 9 l 1 9 9 2 欧盟污泥产量为6 5 0 万吨干重，1 9 9 2 年日本污泥产 量达到了2 8 2 万吨干重。专家估计，2 0 0 5 年欧盟污泥产量将突破1 0 0 0 万吨干 重以上。根据资料“1 统计，英、美两国在过去的五年中，污泥的年增长率为5 1 0 ，分别达到1 7 0 万吨干污泥年和9 0 0 万吨干污泥年。 资料。73 统计，1 9 9 0 年我国已建成污水处理厂7 8 座，日处理污水能力3 5 0 余力_ 吨，处理率为2 5 ，每年排放的干污泥近2 0 万吨，折合湿污泥含量约为5 0 0 万吨( 9 6 的含水率) ，到1 9 9 3 年。1 已建成污水处理厂1 1 9 座，年处理污水量1 5 6 8 亿吨，湿污泥量为6 5 6 万吨( 含水率以9 6 计) 。据不完全统计”3 ，我国现有不同 规模、不同处理程度的城市污水厂1 5 3 座，城市污水年排放量达1 3 3 7 亿吨，处 理率为1 4 3 ，每年产生的城市污水污泥达l 亿n 屯以上“”。根据“全国2 0 0 0 年 环境保护规划纲要”，2 0 0 0 年城市污水处理率提高到2 0 3 0 ，比9 0 年代初提高 中山大学硕十学位论文一新型复合混凝剂应用十污泥脱水过程中的研究 7 1 0 倍，污泥产量也将增加7 1 0 倍。 城市污泥的物流特性中，含水率高是一个显著的特征。城市污水厂污泥产 生状态的含水率为9 7 ( 初沉污泥) 9 9 ( 二沉污泥) “。城市污泥的预处 理就是为后续的污泥处理和利用提供更为适宜的物流特性条件。由于污泥的高含 水率特性，不仅会因其体积、质量大，造成后续物流输送困难、处理设备容量大、 经济性差的问题，而且绝大部分的污泥最终处理和利用过程也与过高含水率的物 流不相容。因此，污泥的预处理技术中脱除污泥水分( 脱水) 的方法( 技术单元) 占有重要的地位。 从二沉池出来的污泥含水率为9 7 9 9 ，必须经过浓缩处理，以去除污 泥中的空隙水，达到减容的目的。经过浓缩以后，可使污泥含水率降低到9 4 9 6 ，污泥的体积可缩小到原来的1 4 左右。但是这样的污泥仍然处于流动状态， 污泥经过浓缩处理后，其含水率为9 5 左右，但仍为流动液状，易腐败发臭，不 利于运输和处置，所以常需要进一步脱水至含水率为7 0 8 0 左右。污泥脱 水后其容积大大降低，而且也减少了外运的费用和填理场的渗滤液量，污泥可利 用物质的含量增加( 如农用的肥分、焚烧的热值等) ，且利于污泥的后续处置和利 用4j 1 “。 污泥的另一类处理技术是调理，污泥调理的实质是改变污泥固相颗粒的形态 特征。对城市污水厂污泥，其固相颗粒有胶质状絮体的特征，絮体的形成可源于 有机碎屑颗粒和黏土颗粒的自絮凝( 污水厂初沉污泥) 或由产胶质物微生物( 或 称为絮体微生物，如丝状菌、胶团黏液菌等) 分泌的胞外物质与其他悬浮颗粒物 絮凝而成，也可由水处理过程中加入的混凝剂与水中的悬浮颗粒絮凝而成。胶质 絮体结构松散，比表面积和空隙率极高，使絮体颗粒中能包含比例很高的间隙水 分和吸附水分，因此污泥固相的胶质絮体特征是污泥难以有效脱水的基本依据。 污泥的调理就是采用物理、化学或生物的方法，通过压缩絮体的体积( 使絮体密 度提高) 、改变絮体的亲水性、代谢絮体中的胶质物质等途径，使絮体中的间隙 水和吸附水分减少，从而有利于污泥进行脱水“。 由于污泥调理对污泥管理而言，并无独立存在的价值，囡此调理通常与相虑 的脱水技术环节联合应用，通过提高污泥的脱水效率，来体现调理的作用。 2 中山人学硕士学位论文一新型复合混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 我国城市污水处理厂污水泥排放标准第4 3 条指出：在厂内经稳定处理后城 市污水处理厂污泥宜进行脱水处理，其含水率宜小余8 0 。污泥脱水的关键是 污泥脱水性能的改善，在目前用于污泥调理的方法中，化学调理因操作简单，效 果好而应用最广，其关键是混凝剂的选择，其中有机高分子混凝剂的应用效果较 好，尤其是阳离子聚丙烯酰胺更为常用。但有文献指出，常用混凝剂只能增加脱 水速度，不能提高脱水程度，而表面活性剂则可以有效地改善污泥的脱水性能， 提高脱水程度“。因此，针对不同种类的污泥以及各种影响絮凝脱水效果的因素， 选择用量省、成本低、效果好的混凝技术是一项具有实际意义的工作。 1 2 研究进展概述 1 2 1 关于混凝齐j 发展进程的研究 混凝剂工业应用已经有近百年的历史。在污水处理和污泥处理中使用的药剂 有几十种，获专利的末被推广的有几百种。 无机低分子混凝剂由于应用中存在许多问题，正逐渐被无机高分子混凝剂所 取代，已形成主流药剂趋势。目前，日本、德国、俄罗斯及西欧等国生产无机高 分子混凝剂已达到工业化和规模化，流程控制自动化，产品质量稳定。聚合类混 凝剂生产已经占混凝剂总产量的3 0 一6 0 。我国生产聚铝与聚铁也有了相当 的发展，并开发了各种原料和工艺制造方法。目前，我国生产无机高分子混凝剂 的工厂有数百家，但多数厂家规模小、工业化程度低、产品质量不够稳定，进入 国际市场的产品不多。 有机高分子混凝剂主要有合成和改性两种。7 0 年代以来，美、英、法、曰 和印度等国家结合本国天然高分子物质资源，重视化学改性有机高分子混凝剂的 开发研制。经改性后的天然高分子混凝剂，具有选择性强、无毒、价廉等优点。 其中，甲壳质的开发、应用研究十分活跃。日本、美国、加拿大、意大利、瑞典、 荷兰、比利时、挪威等国都己建成一定规模的甲壳质生产工厂。我国对甲壳质的 研究始于5 0 年代末，近十几年来发展较快，已取得相当成效，产地一般分布在 沿海一带，如大连、青岛、舟山、南通等地，不过多数产量不大，产鼎层次不深， 均以粗产品居多，设备简陋，工艺粗糙，质量不高，离实现工业化的规模尚有一 3 中山大学硕士学位论文一新型复合混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 段距离。壳聚糖及其衍生物的应用实例早在5 0 年代国外就有报道，至今应用的 工程范例已很多。我国海岸线漫长，拥有不少优良渔港，生产甲壳质的虾、蟹壳 原料可谓取之不尽，用之不竭，只要通过科学地管理和组合，甲壳质和壳聚糖的 生产，天然高分子混凝剂的开发、应用必将在我国取得巨大的成功。 1 2 2 关于混凝剂对污泥脱水性能影响的研究 一般而言，对于污泥来说，有机聚合物能极大地提高过滤速度，但不能降低 污泥的可压缩性；无机混凝剂对过滤速度的提高不如有机混凝剂，但可作为骨架， 使污泥絮体形成持久坚固的结构，在脱水时保持多孔性，阻止絮体崩溃，降低泥 饼的可压缩性。有研究显示“：对于污泥挤压，无机调理优于有机调理，尤其当 泥饼越厚、压力越高时，优势越明显。t e m ( 电镜透射) 照片也证明3 ：加入氯化 铁和石灰后，在絮体外表面形成晶体壳，e d x ( e n e r g yd i s p - e r s e v ex r a ys p e c t r o s c o p y ) 分析发现，f e 、p 、c a 是其主要组成元素。无机药剂与有机药剂相比的另 一优势为：可以把溶解性磷酸盐固定在污泥颗粒上，降低上清液含p 量。 对于每一种污泥，不同的脱水机械都存在一个能够去除水量的极限( 最大脱 水程度) ，阳离子高分子药剂或f e 3 + 均不能改变这个极限“，但对不能达到最大 脱水程度的脱水过程来说，加混凝剂增加脱水速度，从而提高脱水泥饼的含固率。 陈银广等“”研究结果显示，酸和表面活性剂通过改变污泥絮体的表面性质，降低 了e c p 含量，释放出间隙水，从而提高了污泥的脱水性和沉降性。 此外，还有很多学者研究了两种药剂联用( 如阳离子型表面活性剂和阳离子 型聚合物联用、阳离子型聚合物和非离子型聚合物联用、无机金属混凝剂和有机 两性聚合物联用等) 对污泥脱水性能的影响，也都取得了一定的成果。“”3 。 1 2 3 关于两种药剂联合调理对污泥脱水性能影响的研究 1 2 3 1 阳离子型表面活性剂和阳离子型聚合物联用 单独加入表面活性剂( 阳离子型或阴离子型) ，对明矾污泥的调理作用均不 大。若先加入阳离子型表面活性剂再加入阳离子型聚合物，则有较好的调理作用。 表面活性剂吸附在污泥颗粒表面，使表面特性从憎水性变为亲水性，分散了污泥 中山大学硕+ 学位论文一新型复合混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 颗粒，颗粒与聚合物能更好地接触，减缓了絮体在过滤过程中的沉降速度，防止 了滤孑l 堵塞”。 1 2 3 2 阳离子型聚合物和非离子型聚合物联用 先加入阳离子型聚合物，使其吸附在污泥表面，形成初级絮体。再加入非离 子型聚合物，通过水和力和范德华力，吸附在初级絮体上，形成更大的絮体。混 合聚合物的吸附层更密集更扩展，聚合物一聚合物的接触导致了更强的架桥作 用，从而加强了絮凝和脱水。此外，架桥作用也能连接过多的聚合物，使水中的 游离聚合物变少，从而克服了加一种聚合物调理易发生的加药量过大，效果明显 降低的问题”“。 1 2 3 3 无机金属混凝剂和有机两性聚合物联用 由无机金属混凝剂和有机两性聚合物联用开发的颗粒化浓缩系统( 在一个 池中完成颗粒化和浓缩) ，用来取代传统的污泥浓缩池。先用无机金属混凝剂中 和污泥表面的负电荷，然后用两性聚合物形成大而强的絮体，在絮凝过程中进行 合适的搅拌可使大的絮体颗粒化( 8 2 0 m m 的球状颗粒) ，此颗粒有足够的机械强 度，易脱水。中试实验显示此装置适用于各种类型的污泥( 对进泥浓度也无要求) ， s s 回收率大于9 5 。与传统方法( 重力浓缩+ 阳离子聚合物絮凝+ 带式压滤) 比较， 可将脱水速率提高2 倍，产生泥饼含水率2 5 ，明显降低了磷酸盐释放”“。 l _ 2 4 关于污泥挤压固化脱水过程的研究“”“ 有关于过滤和固化过程的理论和模型已经有几十年的发展历史，大多数研究 者是在固体和液体段的物料平衡、压力平衡及达西定理的基础上形成了他们的模 型。近来，随着数字计算机的发展，颗粒动力学模拟也被应用于泥饼过滤及固化 的理论研究中，但由于活性污泥系统具有与传统颗粒系统极为不同的性质，如高 度可压缩性、非弹性、高孔隙率、分维结构、难脱水性、高数量结合水等，所以 传统的过滤固化理论需要修正才能应用到污泥脱水实践上，因此需要更进一步的 研究。 在颗粒泥浆挤压同化两阶段理论及日本研究者s h i r a t o 等提出的t e r z a g h i v o i g t 模型基础上，c h a n gil 等对生物污泥挤压固化过程进行了研究，提出了 三阶段理论及模型。认为对于含有大量内部水的活性污泥，存在第3 级固化阶段， 5 中山大学硕士学位论文一新型复合混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 此时，污泥颗粒达到它们的最大稳定状态，颗粒系统达到平衡，分布在泥饼上的 压力变成恒定状态，但仍有部分结合水会缓慢地排放出来。污泥含结合水的多少 与3 级固化阶段存在与否有密切关系。挤压压力和调理剂调理将在很大程度上影 响固化各阶段去除水分的分布。 活性污泥是典型可压缩的泥浆，在脱水过程中，在泥浆和过滤介质交界处会 形成一层薄的高度压紧层( s k i n ) ，几乎所有的阻力都来自于该层。活性污泥存在 一个临界压力，当压力超出此临界压力时，过滤速度不再变化( 达西定律不再适 用) ，更重要的是发现通常机械装置使用的压力总是高于l 晦界压力。除了脱水速 率外，机械脱水的另一要素是脱水程度。尽管高压设备不能提高过滤速率，但其 能提高水分去除的整体数量，这也是高压设备被使用的原因。挤压段的脱水特性： 随着泥饼变厚，挤压脱水能力大大降低：无机调理优于有机调理，尤其当泥饼越 厚、压力越高时；无论哪种类型调理，提高压力都将导致挤压脱水速度的降低。 1 2 5 关于污泥脱水性能改善的研究趋势“5 3 1 污泥脱水，是污泥处理中费用较高、机理较不清楚的过程之一，而污泥脱水 性能的好坏又直接关系到整个污泥处理系统的优劣。从目前的发展趋势来看，今 后对于污泥脱水性能的改善的研究将主要集中在以下几个方面。 1 2 5 1 不断加强污泥脱水性能及影响因素方面的研究，从而为污泥脱水提 供强大的理论支持。 1 2 5 2 致力于探索新的高效污泥脱水设备，研究重点应该是连续操作自动 化程度高、费用低、占地少、脱水效果好的设备。 l _ 2 5 3 研究开发高效、价格低廉的混凝剂用于污泥的调理，改善污泥的结 构，以利于进行脱水操作。 1 3 课题来源 本课题来源于广东省重大科技攻关项目市政污泥无害化、减量化及堆肥技 术产业化研究，项目编号：2 0 0 3 a 3 0 4 0 4 0 4 。 6 中山人学硕上学位论文一新型复台混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 1 4 研究内容及思路 针对不同种类的污泥以及各种影响絮凝脱水效果的因素，选择用量省、成本 低、效果好的絮凝剂是一项具有实际意义的工作。本研究拟针对广州市某污水处 理厂的浓缩池污泥，自行研制f o 混凝剂，确定其组成及投加量，以期能够比传 统混凝剂用量更省、成本更低、效果更好。综合国内外的研究现状和我们积累的 工作基础，提出以下思路( 图1 1 ) ： 1 4 1 确定研究内容，制定实验方案。 1 4 2 采用静态浓缩法研究f o 混凝剂对污泥沉降特性的影响。 1 4 3 采用真空过滤装置研究f o 混凝剂对污泥比阻的影响。 1 4 ，4 采用其它常见混凝剂，进行效果比较实验。 】4 5 进行污泥脱水现场中试，检验各混凝剂的效果。 1 4 6 分析实验结果，得出研究结论。 图1 1 论文设计思路框图 7 中山大学硕上学位论文一新型复台混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 第2 篇文献综述 第2 章污泥的产生与处理 2 1 污泥的产生 自从a r d e r n 和l o c k e t t 于1 9 1 4 年在英国化学学会发表有关活性污泥法的论 文以来，活性污泥法已经有了8 0 多年的历史”。今天，活性污泥法已广为世界 各国所采用，成为一种重要的污水生物处理技术。所谓活性污泥即是以好氧菌为 主体形成的絮状体，其中混杂着污水中的有机的及无机的悬浮物质、胶体物质， 并在其表面上附聚着多种原生动物、后生动物等。也就是说，在活性污泥中充满 了活的微生物。 在用活性污泥法处理污水的过程中，由于活性污泥中的微生物利用污水中营 养物质代谢要产生一定量的生物物质，另外污泥絮体对污水中的一些悬浮物由于 吸附等物理过程而使得污泥的量不断增加，因此都要产生一定量的污泥。我国一 般以每万吨污水处理量的干污泥( d s ) 产率来表述污泥的产生量。据对全国2 9 家城市污水厂的调查，每处理力- 吨污水的污泥产生量为0 3 3 o td s ”。 影响污泥产率的主要因素是单位污水处理量中的b o d 和悬浮物( s s ) 去除量。 在处理过程中采用了深度处理( 三级处理) 工艺的污水厂，一般而言，污泥产量要 高于未采用深度处理工艺的污水厂。预计今后随着人们对环境质量要求的提高， 将导致污水处理率的提高，相应污泥的产量也将会显著增长。因此，采用何种经 济有效的处理与处置技术来接纳日益增长的污水厂污泥，己愈来愈受至0 世界各国 的关注。 2 2 污泥的成分及分类 2 2 1 污泥的成分 污泥是城市污水处理及废水处理中不可避免的副产品，成分非常复杂，它包 9 中山大学硕士学位论文一新型复含混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 括混入污水中的泥砂、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种 微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物、重金属元素和盐类、少量的病原微生物、 寄生虫卵等综合固体物质“7 ”3 。简单地说，污泥是污水中的固体部分。 污泥的主要特性是含水率高( 可高达9 9 以上) ，有机物含最高，容易腐化 发臭，并且颗粒较细，比重较小，呈胶状液态。 污泥中含有植物生长所需的氮、磷、钾等营养元素以及维持植物正常生长发 育的多种微量元素和能改良土壤结构的有机物及腐殖质；所含的有机物和腐殖质 也是一种有价值的有机肥料。“。同时也含有多种病原菌、寄生虫卵、重金属及某 些难降解的有机物。由于污水来源，污水处理工艺及季节的不同，污泥的组成差 异较大，污泥中有机质含量随季节变化，夏低冬高。“”。 2 2 2 污泥的分类“o 污泥是污水净化过程中的产物。由于污泥产生于污水处理厂不同的处理部 位，比如机械处理段、生物处理段、化学处理段等等，所以所产生的污泥量和污 泥类型也不相同。根招污泥从污水中分离的过程，可将其分为如下几类： 沉淀污泥( p r i m a r ys e t t l i n gs l u d g e ) ：初次沉淀池中截留的污泥，包括用 化学药剂沉淀下来的污泥。 生物处理污泥( b i o l o g i c a ls l u d g e ) ：在生物处理过程中，用于污水中悬浮 状、胶体状或溶解状的有机污物组成的某种活性物质，称为生物处理污泥。这种 生物体中的大部分固体是由细菌块( 或菌群) 组成的。根据生物处理方式的不同， 又可进一步分为：生物物滤池污泥( f i1t e rh u m u s ) ：采用生物滤池处理时产生的 污泥：活性污泥( a c t i v a t e ds l u d g e ) ：采用活性污泥法处理时产生的污泥。在这 处理过程中，一部分污泥作为接触体而循环，称为回流污泥( r e t u r ns l u d g e ) ； 剩余下来的需要送去处理的称为剩余污泥( e x c e s ss l u d g e ) 。 因此，污水处理厂的污泥主要是初沉池污泥与剩余活性污泥的混合污泥。 生活污泥一般均易腐化，可进一步区分为： 生污泥( f r e s hs l u d g e ) ：从沉淀池( 初沉池和二沉池) 分离出来的沉淀物或悬 浮物； 消化污泥( d i g e s t e ds l u d g e ) ：污泥经厌氧消化后得到的污泥。 1 0 旦些人学硕士学位论文一新型复合混凝荆应用于污泥脱水过程中的研究 2 3 污泥的性质指标 f 确把握污泥的性质是科学合理地处理处置和利用污泥的先决条件，只有 根据污泥的性质指标才能准确选择有效的处理工艺和合适的处理设备及资源化 的趋向。通常需要对污泥的下述性质指标进行分析测定。 2 3 1 含水率与含固率 含水率是污泥中水含量的百分数，含固率则是污泥中固体或干泥含量的百分 数。湿泥量与含固率的乘积就是干污泥量。含水率降低( 即含固量的提高) 将大 大地降低湿泥量。在含水率高、污泥呈流态，6 5 8 5 时呈塑念；低于6 0 时，则呈故态。 污泥的体积v 、质量1 i r 、含水率p 和固体浓度c 之间存在如下数量关系： v 。v 。= w ，w ：= ( 1 0 0 p ：) ( 1 0 0 p ) = c 。c ，“” 式中，各项参数指污泥脱水前后的污泥体积( l 或m 3 ) 、质量( k g 或t ) 、含 水率( ) 、固体浓度( m g l 或g l ) 。 2 3 2 挥发性固体“2 1 挥发性固体( 用v s s 表示) ，是指污泥中在6 0 0 e 的燃烧炉中能被燃烧，并以 气体逸出的那部分固体。它通常用于表示污泥中的有机物的含量，常用i i l g 几表 示，有时也用重量百分数表示。 v s s 也表示污泥的稳定化程度。 2 3 3 污泥的安全性”3 城市污水处理厂的污泥中含有相当数量的氮( 约含污泥干重的4 ) 、磷( 约 含2 5 ) 和钾( 约含0 5 ) ，有一定肥效，可用于改善土壤。但其中也含有病 菌、病毒、寄生虫卵等，在砸用之前应采取必要的处理措臆【如污泥消化) 。污 泥中的重金属是主要的有害物质，重金属含量超过规定的污泥不能用作农肥。 中山大学硕士学位论文一新型复合混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 2 4 污泥处理处置的原则及流程 2 4 1 污泥处理处置的一般原则”。4 4 2 4 1 1 减量化 污泥的含水率高，一般大于9 5 ，体积很大，不利于贮存、运输和消纳，减 量化十分重要。图2 1 为l m 3 含水率为9 5 的生活污水污泥其体积含水率降低 而减小的变化情况。由图可知含水率降低到8 5 ，体积只有原来的1 3 ( 3 3 3 l ) ； 降低到6 5 ，体积只有原来的1 7 ( 1 4 3 l ) ；进一步降低到2 0 ，体积只剩下原 来的1 1 6 ( 6 2 5 l ) 。可以用泵输送的污泥，一般含水率均在8 5 以上。含水率 为7 0 7 5 的污泥呈柔软状，6 0 6 5 的污泥几乎成为固体状念，3 4 4 0 时已呈可离散状态，l o 1 5 的污泥则成粉末状态。因此可以根据不同的 污泥处理工艺和装置要求，确定合适的减量化程度。 1 0 9 0 0 8 7 0 0 d6 0 0 嚣5 6 0 4 3 2 l 0 叁 3 3 3 蕊 1 4 3 熟辆6 2 5 1 0 09 d 7 0 卯如4 03 02 01 0 0 含水事雕 卜l 兰巡堂已卜王世堕一i 含水状态 图2 - - 1l m 3 含水率9 5 的生活污水污泥含水率降低与容积减少的关系“4 1 2 中山大学硕士学位论文一新型复台混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 2 4 1 2 稳定化 污泥中有机物含量6 0 7 0 ，会发生厌氧降解，极易腐败并产生恶臭。因 此需要采用生物好氧或厌氧消化工艺，使污泥中的有机组分转化成稳定的最终产 物：也可添加化学药剂，终止污泥中微生物的活性来稳定污泥。p h 值在1 1 0 1 2 2 时可使污泥稳定，同时还能消灭污泥中的病原体微生物。 2 4 1 3 无害化 污泥中含有大量病原菌，寄生虫卵及病毒，易造成传染病大面积传播。肠道 病原菌可随粪便排出体外，并进入废水处理系统，感染个体排泄出的粪便中病毒 多达1 0 6 个g 。污泥中还含有多种重金属离子和有毒有害的有机物，这些物质可 从污泥中渗滤出来或挥发，污染水体和空气，造成二次污染。因此污泥处理处置 过程必须充分考虑无害化原则。 2 4 2 污泥处理处置的工艺流程 污泥处理处置的方法很多，但最终目的是实现减量化、稳定化和无害化。污 泥处理处理处置的基本工艺流程见图2 2 。 - 1 _ _ - - i 图2 2 污泥处理与处置的基本流程“ 图中：污泥：一返回处理的污泥固体；返回处理的废液 污泥的处理和处置可以在污水处理厂综合考虑解决，也可在专门建立的污泥 中山大学硕士学位论文一新型复合混凝剂脚用于污泥脱水过程中的研究 处理厂进行。可以根据需要选用不同的污泥处理系统，常见系统分为下述四类“”： 浓缩一机械脱水一处置脱水滤饼； 浓缩一机械脱水一焚烧一处置灰分： 浓缩一消化一机械脱水一处置脱水滤饼； 浓缩一消化一机械脱水一焚烧一处置狄分。 如上所述，污泥浓缩、消化及脱水是应用最广的主要处理方法。在决定污泥 处理系统时，应当进行综合性研究。不仅要从社会效益、经济效益、环境效益全 面衡量，还要对系统各处理工艺进行探讨和评价，最后进行选定。 1 4 中山丈学硕士学位论文一新型复合混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 第3 章污泥脱水的理论基础 污水处理构筑物中产生的污泥，其中大部分为水分，一般占到9 6 9 9 8 左右，需进步进行浓缩和脱水处理，以减少污泥体积，有利于后续的处理、 运输和利用。般经过浓缩处理后，污泥含水率降至9 6 0 ，再经过脱水作用， 可将污泥含水率降到8 0 以下，从而使污泥形成半固态的状态。 3 1 污泥中水分的存在形式及脱除原理”。4 4 6 污泥中所含水分形态，尽管不同的文献有不同的分类，但一般均认为有四种 形态，即表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水。毛细结合水又可分为 裂隙水、空隙水和楔形水。图3 一l 为污泥颗粒与水分形态示意图。 3 1 1 表面吸附水 图3 1 污泥中水分的存在形态 污泥属于凝胶，是由絮状的胶体颗粒集合而成。污泥的胶体颗粒很小，与其 体积相比表面积很大，由于表面张力的作用吸附的水分也就很多。胶体颗粒全部 带有相同性质的电荷，相互排斥，妨碍颗粒的聚集、长大，而保持稳定状态，因 而表面吸附水用普通的浓缩或脱水方法去除比较困难。只有加入能起混凝作用的 电解质，使胶体颗粒的电荷得到中和后，颗粒呈不稳定状态，粘附在一起，最后 沉降下来。颗粒增大后其比表面积减小，表面张力随之降低，表面吸附水也随之 “中山大学硕上学位论文一新型复台混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 从胶体颗粒上脱离。污泥胶体颗粒一般带负电荷，因此应加入带正电荷的电解质 离子。刚好中和胶体电荷的中性点称为等电点。一到等电点，其同性电荷的相斥 作用立即停止，小颗粒胶体开始聚集、收缩，其容积减小。电解质的加入量不足 或过量，达不到等电点，凝聚效果差，浓缩或脱水效果也不好。 3 i 2 间隙水 间隙水是指大小污泥颗粒包围着的游离水分，它并不与固体直接结合，因而 很容易分离，只需在浓缩池中控制适当的停留时间，利用重力作用，就能将其分 离出来。间隙水一般要占污泥总含水量的6 5 8 5 ，这部分水是污泥浓缩的 主要对象。 3 i 3 毛细结合水 将一根直径细小的管子插入水中，在表面张力的作用下，水在管内上升使水 面达到一定高度，这一现象口q 毛细现象。水在管内上升的高度与管子半径成反比， 就是说管子半径愈小，毛细力愈大，上升高度愈高，毛细结合水就愈多。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，由于毛细力的作用，形 成毛细结合水，这种结合水称为楔形毛细结合水，如图3 2 所示；固体体颗粒 自身裂隙中的毛细水，称为裂隙毛细结合水；固体颗粒和颗粒之间空隙中的毛细 水，称为间隙毛细水。各类毛细结合水约占污泥中总含水量的1 5 2 5 。 体颗粒 图3 2 两球形颗粒接触处的楔形毛细结合水”3 中山大学硕十学位论文新型复合混凝荆应用于污泥脱水过程中的研究 毛细管污泥拄 图3 3 重力作片5 下粒子层中水分分布的时间变化l 4 3 j 浓缩作用不能将毛细结合水分离，图3 3 表示重力作用下颗粒中水分分布 的时间变化。如果将固体颗粒间充满水分的污泥柱浸入水中，间隙水由于重力作 用从上部开始流出。但到达一定高度h 。后，由于毛细力的作用，水分不再流出， 一直保持不变。因此，要分离毛细结合水，需要有较高的机械作用力和能量，如 真空过滤，压力过滤和离心分离才能去除这部分水分。 3 1 4 内部结合水 内部结合水是指包含在污泥中微生物细胞体内的水分。它的含量多少与污泥 中微生物细胞体所占比例有关。一般初沉污泥内部结合水较少，二沉污泥中内部 结合水较多。这种内部结合水与固体结合得很紧密，使用机械方法去除是行不通 的。要去除这部分水分，必须破坏细胞膜，使细胞液渗出，由内部结合水变为外 部液体。为了去除这种内部结合水，可以通过好氧菌或厌氧菌的作用进行生物分 解，如好氧消化、堆肥、厌氧消化等，或采用高温加热和冷冻等措施。结合水含 量对污泥的脱水性能不产生影响，它与污泥的比阻问不具有相关性。内部结合水 的量不多，内部结合水和表面吸附水一起只占污泥中总含水量的1 0 左右。 中山大学硕 学位论文一新型复合混凝剂应用十污泥脱水过程中的研究 3 2 污泥脱水性能及参数“2 。” 不同性质的污泥脱水的难易程度差别很大，衡量污泥的脱水性能的研究通常 着眼于污泥过滤的难易，即滤速的快慢。人们先后提出了两个指标：比阻值和毛 细吸水时间。 3 2 1 比阻值 污泥比阻是表示污泥过滤特性的综合性指标，它的物理意义是：单位质量的 污泥在一定压力下过滤时在单位面积上的阻力，一般用a 表示( 有时也用r 表 示) 。求此值的作用是比较不同的污泥( 或同一种污泥加入不同量的混凝剂后) 的过滤性能。污泥比阻值愈大，过滤性能愈差。 关于污泥比阻的测定实验及公式的推导将在第六章中详细介绍。 3 2 2 毛细吸水时间 毛细吸水时间常用符号c s t 表示，是英文c a p i l l a r ys u e t i o nt i m e 的缩写， 由巴斯构维尔( b a s k e r v ill e ) 和加尔( g a l e ) 于1 9 6 8 年提出。其值等于污泥与滤纸 接触时，在毛细管作用下，水分在滤纸上渗透l c m 长度的时间，以秒计。在一定 范围内污泥的毛细吸水时间( c s t ) 与其比阻值r 有关系。同济大学对上海污水厂 污泥的研究结果也表明。比阻值r 与毛细吸水时间c s t 的对数具有线性关系。 图3 4c s t 测定装置示意图【4 5 中山大学硕上学位论文一新型复合混凝剂成用于污泥脱水过程中的研究 c s t 的测定装置如图3 4 所示。c s t 越大，污泥的脱水性能越差。 一般来说，上述两个污泥脱水性能评价指标，当采用压滤或吸滤的方法进行 污泥脱水时，可以相对评价某种污泥的脱水性能的好坏。 3 3 污泥脱水方法 污泥脱水的方法较多，有压滤、真空过滤及离心等机械脱水法，也有干化床 自然脱水法。其中，机械脱水法是污泥脱水的主要方法。 污泥的自然干化是一种比较古老和简便的污泥脱水方法，污泥在干化床上由 于水分的自然蒸发和渗透逐渐变干，容积减小，流动性逐渐消失，污泥含水率可 降低到6 5 。尽管这种方法需要大量的场地和劳动力，但目前仍有不少中小规 模的污水处理厂采用”3 。 表3 1 几种污泥脱水方法的优缺点及使用范围“1 “ 机械脱水的原理是以过滤介质( 多孔性物质) 两面的压力差作为推动力，使污 泥中的水分强制通过过滤介质( 称滤液) ，固体颗粒被截流在介质上( 称滤饼) ，从 中山人学硕上学位论文一新型复合混凝剞应用于污泥脱水过程中的研究 而达到脱水的目的。造成压力差推动力的方法可有如下几种： 在过滤介质的一面造成负压( 如真空吸滤脱水) ； 硼压污泥把水压过过滤介质( 如压滤脱水) ； 形成离心力( 如离心脱水) 。 目前，普遍常用的机械为板框压滤机、带式压滤机和离心机，真空过滤机已 逐渐被淘汰。表3 1 为几种污泥脱水方法的优缺点和使用范围。 3 4 污泥脱水的评价指标“o 污泥脱水指标主要包括脱水效果和经济性两方面。 脱水效果主要反映设备的污泥脱水分离性能是否符合要求，主要指标有：滤 清液含固率、泥饼含固率和污泥回收率等。 经济性指标主要指设备运行成本，主要指标有：絮凝剂投加量、污泥处理量 和电耗等。 絮凝剂投加量：指每吨干污泥( 不含水分) 与干粉絮凝剂投加量之比，单位： k g t 或o o o ，絮凝剂一般占到运行成本的3 4 左右，是一个重要的经济指标。 污泥处理量：是设备的污泥处理能力，反应劳动生产率。 电耗：反应设备能耗。 表3 2 是城市污泥脱水对这些指标的具体要求。 表3 2 污泥脱水指标 中山人学硕士学位论文一新型复古混凝剂应用于污泥脱水过程中的研究 第4 章污泥调理及其机理探讨 污泥调理是为了提高污泥浓缩和脱水效率，采用多种方法，改变污泥的理化 性质( 减小与水的亲和力，调整固体粒子群的性质及其排列状态) ，使凝聚力增强， 颗粒变大。它是污泥浓缩和脱水过程中不可缺少的工艺过程。 4 1 污泥调理的目的 有机质污泥( 包括初沉污泥、腐殖污泥、活性污泥及消化污泥) 均是以有机物 微粒为主体的悬浊液，颗粒大小不均且很细小，具有胶体特性。由于和水有很大 的亲和力，可压缩性大，过滤比阻抗值也大，因而过滤脱水性能较差。其中活性 污泥由各类粒径胶体颗粒组成，过滤比阻抗值高，脱水更为困难。 污泥调理的目的是为了提高污泥浓缩脱水的效率、经济地进行后续处理而有 计划地改善污泥性质的措施。 4 2 污泥调理的原理 4 “3 带式压滤机主要脱除的是污泥浓缩后残留的自由水和部分毛细水。毛细水的 含量取决于污泥中毛细管的数量和毛细压力。物料越细，颗粒越小，相同体积内 形成的缝隙数( 即毛细管数) 就越多，毛细管的半径也越小。根据y o u n g l a p l a c e 公式，液体的毛细压力p ： 小p g h 。等咖日( 4 - - 1 ) 式中p7 一液体的毛细压力； p 液体密度； g 一重力加速度； h 一液体在毛细管中的上升高度； o 一液体的表面张力； 0 一固液接触角； 2 1 中山大学硕l 学位论文一新型复台混凝剂应用十污泥脱水过程中的研究 r 一毛细管半径。 从( 4 一1 ) 式可知，液体的毛细压力与毛细管的半径r 成反比，与液体的表面 张力。成正比，同时和固体表面的亲水性一即固液接触角0 有关。毛细压力越大， 毛细水的含量也随之增大。同时，细微物料的总表面积会