（环境工程专业论文）改性粉煤灰对城市污泥的调理作用及机理分析.pdf

硕卜学位论文 摘要 城市和工业废水在用活性污泥法处理的过程中常常会产生大量的剩余污泥，这些剩 余污泥由于含水率高，体积庞大，已成为城市污水处理厂污泥处理的“瓶颈”问题。机械 脱水是目前应用最多的减小污泥体积的方法。化学调理法被广泛应用于改善污泥的机械 脱水性能，但由于所使用的调理剂价格昂贵，导致处理的成本费用较高，制约了其的发 展。因此，寻找新的价格低廉、效果显著的调理剂成为目前重要的研究工作之一。 本文考察了改性粉煤灰对城市污泥的调理作用并对其作用机制进行了分析。粉煤灰 是电厂的废物，将其改性后，对城市污泥进行调理以改善污泥脱水性能，既处理了污泥， 同时也为粉煤灰提供了出路，是一种以废治废的方法。本文以硫酸作为改性剂，考虑酸 浓度、酸灰比和酸浸时间的影响，以污泥比阻作为评价指标，采用j 下交试验法确定粉煤 灰改性的最佳条件，所得出最佳的改性条件为：酸浓度为4m o l l ，酸狄比5 ：1m l g ，酸 浸时间为3h 。将改性后的粉煤灰应用于污泥调理，真空过滤脱水实验、离心脱水实验 和沉降实验被用于调理改善污泥脱水沉降性能的研究。结果显示，粉煤灰能有效地调理 污泥，降低污泥的比阻值，且改性后的粉煤灰比未改性的粉煤灰具有更好的调理性能。 改性粉煤灰投量为3 0 l 时，污泥比阻由原来的1 8 6 x 1 0 1 3m k g 下降到4 2 3 x 1 0 m k g ， 滤饼的含水率由8 6 9 0 下降到5 6 5 2 。通过对调理前后污泥的扫描电镜照片和显微镜 照片，以及对胞外聚合物组成和含量、z e t a 电位等参数的测定，对改性粉煤灰调理污泥 的机理进行了分析，为改性粉煤狄在污泥调理中的实际应用提供理论基础和指导。 关键词：城市污泥；污泥调理：粉煤灰改性；机理 i i 改忤粉烘耿对城市污泥的i l i ；j 理怍丌j 殷机婵分析 a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s st ot r e a tm u n i c i p a la n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e rp r o d u c e sh u g e a m o u n t so fe x c e s ss l u d g e a st h i sw a sh i g hm o i s t u r ec o n t e n t ，i t st r e a t m e n tb e c o m et h e b o t t l e n e c kp r o b l e mo fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t c h e m i c a lc o n d i t i o nh a sb e e n e m p l o y e dw i d e l yt oi m p r o v es l u d g em e c h a n i c a ld e w a t e r i n g ，b u tt h ec o s ti sh i g h ，t h u si t i s v e r yi m p o r t a n tt of i n dc h e a pa n de f f e c t i v ec o n d i t i o n e r s t h i sp a p e rw a st oe x p l o r et h ep o s s i b i l i t yo fi m p r o v e m e n to ft h ee x c e s ss e w a g es l u d g e d e w a t e r a b i l i t yb yc o a lf l ya s hm o d i f i e db ys u l f u r i ca c i d c o a lf l ya s hi st h ew a s t ep r o d u c to f c o a l b u f i n gp o w e rp l a n t s a f t e rm o d i f i e d ，c o a lf l ya s hc o u l de f f e c t i v e l yc o n d i t i o ns l u d g e ， i m p r o v i n go fs l u d g ed e w a t e r a b i l i t y t h eo p t i m a lc o n d i t i o n so f c o a lf l ya s hm o d i f i c a t i o nw e r e d e t e r m i n e db yo r t h o g o n a lt e s t s t h eo p t i m a lc o n d i t i o n so fc o n d i t i o n i n ga n dd e w a t e r i n ga n d r e l a t e dm e c h a n i s m sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sc o u l dp r o v i d ean e wa p p r o a c hf o rt h e p r a c t i c eo fs e w a g es l u d g ec o n d i t i o n i n ga n dc o a lf l ya s hu t i l i z a t i o n t h r o u g ho r t h o g o n a l e x p e r i m e n t sw i t hs 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 n ( s r f ) a st h et a r g e ti n d e x ，a c i dc o n c e n t r a t i o n a n ds o a k i n gt i m ew e r ev e r i f i e dt ob et h ei m p o r t a n ti n f l u e n c i n gp a r a m e t e r si nc o a lf l ya s h m o d i f i c a t i o n t h eo p t i m a lm o d i f i c a t i o nc o n d i t i o n sw e r e a c i dc o n c e n t r a t i o n ，4m o l l ；r a t i oo f a c i dt oc o a lf l ya s h ，5 ：1m l g ；a n ds o a k i n gt i m e ，3h t h ed e w a t e r a b i l i t ya n dt h es e t t l e a b i l i t yo f t h ec o n d i t i o n e ds l u d g ew e r ei n v e s t i g a t e dw i t hv a c u u mf i l t r a t i n gd e w a t e r i n gt e s t s ，c e n t r i f u g a l d e w a t e r i n gt e s t sa n ds e t t l i n ge x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t s r fo ft h es l u d g e s i g n i f i c a n t l y d e c r e a s e dw i t hc o a lf l ya s ha d d i t i o n ，a n dm c f as h o w e dm u c hs t r o n g e r c o n d i t i o n i n gc a p a c i t yt h a nn o n m o d i f i e dc o a lf l ya s h ( n m c f a ) u n d e r am c f a d o s a g eo f3 0 g l ，s r fo ft h es l u d g ed e c r e a s e df r o m1 8 6 x10 1 3m k gt o4 2 3 x 10 i im k g ，a n dt h ef i l t e rc a k e m o i s t u r ed e c r e a s e df r o m8 6 9 0 t o5 6 5 2 t h es l u d g ec o n d i t i o n i n gb e f o r ea n da f t e r ，t h e c o m p o s i t i o na n dc o n t e n to fe x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ( e p s ) a n dt h ez e t ap o t e n t i a l w e r em e a s u r e d t h ef i e l de m i s s i o ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( f e s e m ) i m a g e so f t h e m c f a ，t h ec h a n g e do fz e t ap o t e n t i a la n dm i c r o g r a p h so ft h ec o n d i t i o n e ds l u d g es u g g e s t e d t h a tt h ec o n d i t i o n i n gm e c h a n i s m sw i t hm c f am i g h tb ec h a r g en e u t r a l i z a t i o na n da d s o r p t i o n b r i d g i n g a l lt h e s ep r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sf o rs l u d g ec o n d i t i o n i n gw i t hc o a lf l ya s h m o d i f i e db ys u l f u r i ca c i di np r a c t i c a l k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ；s l u d g ec o n d i t i o n i n g ；c o a lf l ya s hm o d i f i c a t i o n ；m e c h a n i s m i l l 改- r p 粉煤灰对城市污泥的渊胖f 1 用及机理分折 插图索引 图1 1 改性前后粉煤狄的扫描电镜图2 5 图3 1 原粉煤狄及改性粉煤狄投加量对污泥比阻的影响3 l 图3 2 滤饼含水率随改性粉煤厌投量的变化情况3 2 图3 3 粉煤狄投量对污泥离心后上清液浊度的影响3 3 图3 4 调理后污泥的沉降曲线3 5 图4 1 改性粉煤灰投量对污泥胞外聚合物的影响4 1 图4 2 改性粉煤灰投量对污泥z e t a 电位的影响4 2 图4 3 污泥的显微镜照片4 3 图4 4 改性粉煤灰投量对污泥热值的影响4 3 v i i 硕卜学位论文 附表索引 表1 1 不同污水处理工艺的污泥产量2 表1 2 污泥中有机物含量5 表1 3 我国某些地区污泥中重金属含量6 表1 4 中国已建污水处理厂污泥处理流程9 表2 2 粉煤灰改性实验主要实验仪器清单2 0 表2 1 供试污泥的基本性质2 l 表2 2 粉煤灰的化学组成2 l 表2 3 三因素三水平正交设计实验表2 3 表2 4 正交试验因素水平排列( l 9 ( 3 4 ) ) 与粉煤灰改性结果表2 4 表2 5 正交试验方差分析表2 5 表3 1 检测项目及目的2 8 表3 1 污泥调理实验主要实验仪器清单2 8 表3 1 离心后上清液体积3 2 表4 1 机理分析实验主要实验仪器清单3 7 改悍粉煤灰对城市污泥的调理作用及机理分析 第1 章绪论 1 1 我国污泥的概况 近年来，随着我国国民经济的迅速发展和人民生活水平的逐步提高，城市生活污水 的处理率也迅速提高。污水处理过程中产生的污泥也随之成为人们关注的焦点问题。 污泥一般指介于液体和固体之问的浓稠物，悬浮浓度一般在1 0 o , - 1 0 ，低于此浓度 常称为泥浆。现在通行的污水处理技术是通过微生物的代谢作用及物理化学方法，将污 水中的污染物大量转移到剩余污泥中，其实质是污染物的相转移，即可溶性的污染物变 成不可溶的固体。在污水水质得到净化的同时，其中的污染物质作为污泥被分离出来， 这些污泥一般富含有机物、病菌等，可以说，污泥就是被浓缩的污染物质，若不加以处 理随意堆放，不但占用大量的有限耕地，还会对地表环境和地下水以及周围环境造成严 重的污染，因此污泥处理、处置是废水处理过程中必不可少的重要环节，城市处理厂所 产生的污泥约为处理水体积的o 5 1 o 左右，其费用占污水处理的2 5 - - 5 0 。废水 处理系统只有具备了污泥处理单元才称得上是一个完善、成套的处理工艺。因此，无论 从污染物净化的完善程度，废水处理技术开发中的重要性及投资比例来看，污泥处理均 占十分重要的地位。然而与废水处理技术相比，污泥处理技术还相对落后，很大程度制 约了废水处理设施的建设和环境污染状况迅速有效的改善。 1 1 1 城市污水污泥的来源及分类 污泥是按废物相态特征分类的一类废物。污泥的相念特征首先是固液混合，即污泥 是固体和液体的混合物，且所含的固体和液体依然保持各自的相态特征，固液组成比有 一定的稳定性，在无外加作用力的条件下，其固液比例能保持相对的稳定性，这构成了 污泥应按其特殊的混合相态进行处理的依据。 在人们的生活和生产中，污泥主要来自城市污水处理厂、城市自来水厂、河湖疏浚、 城市排水管道系统等，其中产量最大、危害最大、污染程度最高、最难处理的当属城市 污水处理厂产生的污泥。因此，污泥处理处置技术的关键是污水污泥，其中所涉及的技 术、方法、原则可以相应地应用于其他类型的污泥。 城市污水处理厂产生的污泥是在城市生活污水和工业废水进行净化处理的过程中 产生的沉淀物质及污水表面漂出的浮渣，它是一种同液混合物质，在没有外力干预的情 况下，其固液比相对稳定。在污水处理厂( 站) 进行处理的过程中都将产生各种污泥， 根据污泥从污水中分离的过程，产生污泥的主要环节有：格栅、沉砂池、初沉池和二沉 池。栅渣足污水通过城市排水系统进入污水厂，由格栅或滤网所截留的漂浮物和部分悬 浮状态的污染物质，组成与生活垃圾相似。沉砂池沉渣是经沉淀形成的密度较大的稳定 无机固体颗粒物，其数量取决于沉砂池的设计和运行情况。栅渣与沉砂池沉渣一般作为 垃圾处理。初次沉淀池污泥中的固体是截留下来的悬浮物质，通常为灰色糊状物，其主 要成分为污水所含有的可沉降性物质，另外当污水处理采用混凝沉降工艺时，因投加药 剂而形成化学污泥，这两种污泥可称为一次污泥，主要成分为无机物，它的特性是有机 物含量少，颗粒粗、密度大、含水率低，一般呈疏水性，容易脱水。二沉池污泥，是曝 气池活性污泥的沉降产物，基本上是微生物机体。由生物处理系统排出的污泥即为生物 污泥，生物污泥又称为生物固体，是在生物处理过程中，由污水中悬浮状、胶体状或溶 解状的有机污染物组成的某种活性物质，其中的大部分固体是由细菌块( 或菌群) 组成 的，其特点是有机物含量高( 6 0 一8 0 ) ，颗粒细( 0 0 2 - , 0 2m m ) ，密度小( 1 0 0 2 1 0 0 6 g c m 3 ) ，呈胶体结构，是一种亲水性污泥，脱水性能差。前面提到的前三种污泥来源于 废水中原来含有的悬浮固体，称为初沉污泥或一次污泥；二沉池产生的污泥则由废水中 的胶体和溶解性污染物经微生物代谢而产生，一般称二沉污泥或剩余污泥。由于初沉池 污泥含有病原体和重会属化合物等，而二沉池污泥含水率高，数量多，破坏环境，两者 均须妥善处理与处置。 1 1 2 污泥的产生量 污泥的产生量是指各种废水净化处理后所排出的污泥量。城市污水厂污泥( 以下简 称污泥) 是城市污水处理的产物，城市污水厂的建设与运行是其产生的前提。从整体上 看，城市污水厂污泥的产量与城市污水集中处理率成诈比。影响污泥产泥率的因素有很 多，如废水水质、污水处理量、处理工艺、处理程度、运行方式、计算方式等等。由于 废水的水质和处理方法不同，即使使用相同的处理方法产生的污泥量也不一样，并且操 作控制情况不同，所产生污泥的含水率也不定，因此，推断污泥的产生量极为困难。 污泥的产生主要受到污水水质及污水处理工艺的各个工艺环节运行状况的影响。各 种污水处理工艺与污泥产生量之问的关系见表1 1 。 表1 1 不同污水处理工艺的污泥产量【4 1 ( 干污泥污水：g m 3 ) 当污水处理采用二级生物处理时，污水污泥产量的主要影响因素为污水水质和生物 改r | 粉煤灰对城市污泥的 l i j 理作用及机理分析 处理系统的运行条件。污水水质对污泥产量的影响主要体现在进水有机物和进水悬浮固 体浓度对产量的影响，有研究表明污泥产量与污水中b o d 和c o d 含量之间存在着显著 的正相关关系；运行条件的影响因素有泥龄、负荷、溶解氧等，其中起关键作用的是 泥龄，泥龄的长短将影响有机物的生物降解效果和微尘物固体的内源衰减量，从而影响 污泥的产量。一般来说，一座二级污水处理厂产生的污泥量约占污水处理总量的 0 3 加5 ( 体积分数) ，如进行深度处理，污泥量还可能再增加o 5 1 o 倍【2 1 。污水处 理厂污泥主要有初沉池产生的初沉污泥和二次沉淀池产生的剩余活性污泥，我国实行二 级处理的城市污水厂污泥产生量中初沉污泥约占6 0 0 0 , - 7 0 ，剩余污泥为3 0 0 0 4 0 1 3 1 。 1 1 3 污泥的性质 污泥是污水处理的产物，成分很复杂，包括混入生活污水或工业废水中的泥沙、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。污泥中大 部分为生物絮凝态组分，约占其总量的6 9 ，颗粒念组分约占2 3 ，可溶念和胶体组分 所占比例较小，分别约占8 和小于1 t 1 1 。由于污泥的来源和形成过程十分复杂，且不 同来源的污泥其物理、化学和微生物学特性存在差异，而污泥性质又对污泥处理处置过 程有明显的影响，因此，正确把握污泥的各种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正确选择有效的处理工艺和合适的处理设备， 从而取得明显的经济和环境效益。 污泥的性质指标包括：含水( 固) 率、密度、粒度、可压缩性、水力特性、p h 值、 有机物含量、营养成分含量、有毒有害物质、热值等等。 1 1 3 1 污泥的物理性质 表征污泥物理性质的常用指标有含水( 固) 率、密度、可压缩性、水力特性等。污 泥减量化技术的选择通常基于其物理性质。 1 含水( 固) 率 含水率是指单位质量污泥中所含水分的质量百分数，它反映了污泥中水分含量的多 少。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。 含水率是污泥最重要的物理性质，它决定了污泥的体积。污泥的含水率取决于污泥中的 固体含量，而污泥中所含固体的含量又与污水处理的程度及污水处理的工艺类型直接相 关。污泥含水率与其相念有一定的关系，随着含水率的降低，污泥由液体逐渐转变为固 体。通常含水率在8 5 以上时，污泥呈流念，6 5 8 5 时呈塑念：低于6 0 时，则呈 固念 5 】。在含水率高、污泥呈流态时，污泥的体积与含固鼍基本上呈反比关系。当污泥 的含水率自9 9 5 降低至9 8 5 时，污泥的体积减缩成原污泥的1 3 左右；再降低至9 5 时，污泥的体积减缩成原污泥的1 1 0 左右。因此，含水率降低( 含固量的提高) 将能大 大地降低湿泥量。污泥的含水率一般都很高，而含固量很低，例如城市污水厂初沉污泥 硕i j 学位论史 含固量在2 4 ，而剩余活性污泥含固量在o 5 0 - - 0 8 【3 】。一般来说，固体颗粒愈小， 其所含有机物愈多，污泥中污泥的含水率愈高；而污泥中原水悬浮固体所占的比例越高， 污泥的含水率越低。 2 密度 污泥密度是指单位体积污泥的质量，通常用相对密度表示，它的数值等于污泥与标 准状态下水的密度之比。由于污泥是一种混合物，其所含的固体物质包括有机物和无机 物，因此，污泥的密度随其中的有机物和无机物的比例不同而变化。一般有机物的密度 为1 0 c m 3 ，无机物的密度为2 5e g c r n 3 【3 1 。通常含固量 = - 5 c m ) 、玻璃棒、碾钵、蒸发皿、干燥器 2 3 材料与方法 2 3 1 药品及试剂 浓硫酸( h 2 s 0 4 ，分析纯) 、蒸馏水 改十牛粉煤灰对城市污泥的渊砰作用歧机理分析 2 3 2 供试污泥 供试污泥采自湖南省长沙国祯水处理有限公司( 原长沙市第二污水处理净化中心) ， 该公司采用改良型氧化沟工艺处理污水，服务区域1 0 2k m 2 ，服务人口3 0 余万，日处 理污水能力1 4 万t ，日排出污泥约5 0t 。试验污泥采自污泥浓缩池。静置2 h 后，去除 上清液即为实验用污泥。样品采回后，保存于聚乙烯塑料桶中并置于在4 c 的冰箱备用 3 s 3 9 ，最长贮存时间不超过一个月【4 0 1 。实验使用前，将污泥置于2 0 c 的水浴中3 0 m i n ， 基本性质如表2 1 。 表2 1 供试污泥的基本性质 2 3 3 供试粉煤灰 粉煤狄由湖南省株洲华银火力发电有限公司提供。粉煤灰为无烟煤粉于锅炉炉膛中 在1 1 4 0 c 下燃烧后由烟气带到炉尾，经过除尘器分离、收集的粉状残留物。粉煤灰在使 用之前于烘箱中1 0 5 ( 4 - 2 ) 烘4 h 备用。粉煤灰的化学组成见表2 2 。 表2 2 粉煤灰的化学组成( 单位：) 2 3 4 主要性能参数与测定方法 对实验用的浓缩污泥进行相关的特性分析，主要的特性参数包括：含水率( 含固率) 、 p h 值、挥发性固体( v s s ) 、比阻值( s r f ) 。 2 3 4 1p h 值的测定 试验污泥p h 值的测定采用o r p - - - 4 1 2 便携式测定仪，重复三次，取平均值。 2 3 4 2 含水率测定 原理：污泥含水率是指在一个大气压，1 0 5 c 左右或在减压的情况下于一定温度下 干燥至恒重后污泥的失重。 测定方法：准确称取适量的污泥样品于已恒重的蒸发皿中，在恒温水浴上蒸干后移 坝l 彳：1 l z 论义 至1 0 5 ( 士2 ) 的烘箱中，继续干燥2 3 h ，取出并放入干燥器中冷却，半小时后称重。 重复以上操作，直到前后两次质量差不超过o 0 0 2 9 ，即为恒重。按下式计算： 污泥含枰( ) 学卜 ( 2 1 ) 式中：彤一污泥样品质量，g ； 矽卜蒸发皿质量，g ； 形r _ 烘干后污泥样品加蒸发皿质量，g 。 2 3 4 3 挥发性固体 原理：污泥中挥发性固体含量( v s s ) ，为干污泥经过高温灼烧后减少的那一部分， 而残留的污泥部分称为灰分。它反映污泥的稳定性，通常用于表示污泥中有机物的量， 常用m g l 表示，有时也用重量百分数表示，此处用重量百分数表示。 测定方法：取坩埚于6 0 0 。c 下进行灼烧，称量，直到恒重即可，并记下坩埚重量为 m ，；然后放入一定量的体积为v ( m 1 ) 的供试污泥于坩埚中，在1 0 5 ( 4 - 2 ) 下烘干至恒 重，并记下该重量为m 2 ；接着将烘干污泥和坩埚一起放入马弗炉中于6 0 0 。c 下烘lh ， 等冷却后耿出称量，记为m 3 ，则污泥中挥发性有机物含量按式( 2 2 ) 计算得： 脚：f 业l 1 0 6 ( 2 2 ) v ， 式中：耶螂发性固体含量，m g l ； 所广烘干后污泥样品加坩埚质量，g ； ，l 广灼烧后污泥样品加坩埚质量，g ； 卜污泥的体积，m h 同时做三组平行样，v s s 含量以三组平行样测得的平均值表示。 2 3 4 4 比阻值的测定 用量筒量取1 0 0m l 污泥样品倒入御氏漏斗中，在抽滤压力约0 0 3 0 m p a 下真空抽滤 脱水，记录不同时间f 及其所对应的滤液体积v ，抽滤至真空度破坏时，测定其相应滤液的 浊度、抽滤时间、滤液体积，以及得到相同滤液所需时问和滤饼的含水率，并根据式2 3 计算污泥的比阻。 船2 p a 2 b ( 2 3 ) , u c o 式中：s ! r 卜污泥比阻抗值，m k g ： p 一过滤压力，n m 2 ； 彳一过滤面积，m 2 ； 扛过滤直线v t v 的斜率，n m 2 ； “一滤液的动力黏度系数，n s m 2 ： 改忤粉煤灰对城市污泥的渊理作用及机理分析 & 卜- 单位过滤面积的滤液在介质上截留的固体质量，k 咖3 ； 2 4 实验内容 2 4 1 粉煤灰的预处理 原粉煤灰去除其中的大颗粒物及其他杂质，用1 2 0 目标准检验筛筛分，筛下物在1 0 5 ( 士2 ) 的烘箱中烘4 h ，于干燥器中冷却2h ，备用。 2 4 2 粉煤灰的改性 通过正交实验找出粉煤狄改性的最佳条件。同时考察各个影响因素在硫酸改性粉煤 灰中所占的权重。通过查阅文献【4 卜4 2 1 可知酸浓度、酸狄比、酸浸时间是反应进行的重要 影响因素，每个因素设计3 个水平，每个变量均选取三个不同的量值，即硫酸浓度选取 表2 3 三因素三水平正交设计实验表 2 m o l l 、4 m o l l 、6 m o l l 三个水平，酸灰比选取1 ：l m l g 、3 ：l m l g 、5 ：l m l 儋三个水平， 酸浸时i h j 选取l h 、2 h 、3 h 三个水平。设计一个l 9 ( 3 4 ) 正交实验，见表2 3 。 称取9 份备用的原粉煤灰，每份2 0 9 ，分别置于2 5 0 m l 的玻璃烧杯中，按表2 3 中 设计的工艺条件，在室温下先将不同浓度的硫酸溶液与粉煤灰混合反应( 满足上述设计 酸狄比条件) ，在反应过程中，用六联搅拌器搅拌，搅拌速度控制在3 0 f f m i n 一4 0 r m i n ， 按设计的不同反应时间完成搅拌反应后，将混合物过滤，将滤纸上截留的粉煤狄在烘箱 中于1 0 5 ( 士2 ) 下烘干至恒重，粉碎，均过1 2 0 目标准检验筛，即得到九种不同制备 工艺条件下的不同改性粉煤狄产品。使用| j 于1 0 5 ( 士2 ) 下烘2 h ，于干燥器中冷却， 备用。 硕i j 学位论史 2 4 3 污泥调理实验 用量筒量分别取1 0 0m l 污泥于2 0 0m l 的9 个烧杯中，加入正交实验中制得的9 份 不同改性粉煤灰各5 9 ，在室温条件下，先以2 5 0r m i n 的转速快速搅拌3 0s ，再以3 0r m i n 的转速慢速搅拌3m i n 。均匀后倒入布氏漏斗中，在抽滤压力约0 0 3 0m p a 下真空抽滤脱 水记录不同时间f 及其所对应的滤液体积v ，抽滤至真空度破坏时，测定其相应抽滤 时间、滤液体积，以及得到相同滤液所需时间和滤饼的含水率，并计算污泥的比阻。 2 4 4 改性粉煤灰性质分析 为比较改性前后粉煤狄的变化，将改性后的产物在x 1 0 0 0 0 倍的场发射扫描电子显 微镜下观察其表面形态的变化。 2 5 实验结果与讨论 2 5 1 污泥改性正交试验 影响粉煤灰酸法改性的因素较多，其中酸浓度、酸灰比、酸浸时问被认为是比较重 要的影响因素【4 1 0 2 1 。三个影响因素以及各因素选定三个水平的萨交试验结果列于表2 4 。 表2 4 正交试验因素水平排列( l 9 ( 3 4 ) ) 与粉煤灰改性结果表 从表2 4 中可以看出，所得到的九组实验数据中，实验5 ：酸浓度为4 m o l l ，酸 改性粉煤灰对城市污泥的调理作用及机理分析 灰比为3 ：l m l g ，酸浸时间为3 h 时，所制得的粉煤灰用于调理污泥，所得到的污泥比阻 最小，为1 7 2 x 1 0 1 1m k g ，可知其是最接近最佳改性条件的一组了。根据对极差r 值 的分析，可知各因素对比阻( s i 心) 影响从大到小的顺序依次为：酸浓度 酸浸时间 酸 灰比，其中酸浓度和酸浸时间的r 值远远高于酸灰比的r 值。此外，由表2 5 的j 下交试 验的方差分析可知，偏差平方和的变化趋势和极差r 值的变化趋势是一致的：酸浓度 酸浸时间 酸灰比。虽然三个因素的影响都不具有显著性，但酸浓度和酸浸时间的f 比 分别为4 4 4 1 和3 4 1 9 ，两者均远远高于酸灰比的f 比：0 5 7 1 。由此可知，酸浓度和酸 浸时间是影响粉煤灰改性的重要因素。根据正交试验的结果分析可知改性的最佳条件 为：酸浓度，4 m o l l ；酸灰比，5 ：l m l g ；酸浸时间，3 h 。 表2 5 正交试验方差分析表 2 5 2 改性粉煤灰的性质 通常，粉煤灰颗粒呈光滑的球形，粒径分布范围约为0 0 1 0 1 m m 4 3 1 。由粉煤狄的 组成表2 2 可知，原粉煤灰中s i 0 2 组分的含量高达5 4 8 3 ，其次是a 1 2 0 3 ，含量为2 8 7 9 。 因此，粉煤次颗粒上有较多的硅铝活性点位。图1 为原粉煤灰及通过正交实验得出的最 佳改性条件下粉煤灰( 酸浓度，4 m o l l ：酸灰比，5 ：l m l g ；酸浸时间，3 h ) 的场扫描发 射电子显微镜图。 a b ( a 未改性粉煤灰颗粒；b 改性粉煤灰颗粒) 图1 1 改性前后粉煤灰的扫描电镜图 硕i ：学位论文 从图中可以看出，未经过改性的原粉煤灰颗粒呈圆球形，表面光滑( 图1 1 a ) ，而 经过硫酸改性后，改性粉煤灰球形颗粒的表面变得粗糙多孔( 图1 1 b ) 。其可能的原因 是硫酸的强腐蚀性极大地改变了粉煤灰颗粒的外表，由于硫酸的作用，粉煤灰颗粒中 c a o 的部分溶解，粉煤灰颗粒变得粗糙，孔隙增多，从而导致改性粉煤灰的比表面积增 大f 4 1 州5 1 。同时，原先存在于粉煤灰颗粒内部的一些硅铝活性点位，如带有正电荷的硅 酸铝、硅酸铁和硅酸钙等，均随之呈现于改性粉煤狄颗粒表面。 2 6 小结 1 用硫酸对粉煤灰进行改性后的粉煤灰用于污泥调理是有效可行的。通过正交试 验法( b ( 3 4 ) ) ，以污泥比阻值为评价指标，可知酸浓度和酸浸时间是影响粉煤灰改性效果 的重要因素。通过正交试验方差分析，可知粉煤灰最佳的改性条件为：酸浓度为4 m o l l ， 酸灰比为5 ：l m l g ，酸浸时间为3 h 。 2 场扫描电子显微镜照片显示，经硫酸改性后的粉煤灰球形颗粒的表面变得粗糙 多孔，比表面积增大，从而具有更优越的性能。 改r 阜粉煤厌对城市污泥的调理作用及机理分析 3 1 前言 第3 章改性粉煤灰调理污泥 由于污泥通常含有很高的水分而体积庞大，污泥脱水的目的是进一步减小污泥的体 积，便于后续处理、处置和利用。为改善机械脱水的效率，一般在脱水前应对污泥进行 调理。 污泥调理是指采用多种方法，改变污泥的理化性质，破坏污泥的胶态结构，减少泥 水之间的亲和力，通过调整固体粒子群性质及其排列状态，使凝聚力增强，颗粒变大。 这样的预处理操作就叫做调质( 或调理) 。 化学调理法由于工艺简单、操作方便、效果可靠、设备要求低，因而被长期广泛采 用。化学调理法的基本原理是通过向污泥中投加可起到电性中和或吸附架桥作用的调理 剂，如混凝剂、絮凝剂、助凝剂等，来破坏污泥胶体颗粒的稳定性，使分散的小颗粒相 互聚集成大颗粒，从而改善污泥的脱水性能。 常用的化学调理剂为传统的化学絮凝剂，然而，传统的化学絮凝剂存在一些缺点， 如无机低分子混凝剂的吸附混凝反应效率低，导致投加量大，处理费用高；而有机高分 子絮凝剂如聚丙烯酰胺则成本高，且其单体丙烯酰胺具有毒性，易造成二次污染，使其 应用受到了限制。因此开发适合污泥处理，且成本低、效果好的有效药剂成为现阶段科 研工作者共同的目标。 粉煤灰是火电厂的废弃物，用粉煤灰来对污泥进行调理，使粉煤欢有了出路，同时 还处理了污泥，达到了“以废治废”的目的，提高了粉煤灰的附加值。将粉煤灰应用于 污泥调理脱水方面已有相关的报道。如粉煤灰添加对污泥比阻的影响研究【矧，以及利用 粉煤灰作为污泥脱水助凝剂的研究表明在水厂污泥水中加入电厂粉煤灰，不需再添加其 他材料，即可很好地改善水厂污泥的脱水性能【4 7 1 。杨斌等【4 8 l 用粉煤狄和生石灰对生活污 水污泥进行脱水试验，细粉煤灰能使比阻值降低9 1 8 。但不难发现，这些报道都存在 一个共同的问题，那就是直接投加粉煤厌，投加量过大，给后续处理造成很大的麻烦。 因此本文为克服现有技术的不足，尝试将改性后的粉煤灰应用于城市污泥的调理，期望 使粉煤灰的投加使用量减少，获得效果好，成本低的污泥调理剂。 3 2 实验部分 3 2 1 实验目的 探讨改性粉煤灰调理污泥的可行性及效果，通过实验找出用改性粉煤灰调理城市污 水厂污泥，对污泥沉降脱水性能的影响。找出改性粉煤狄调理污泥的最优投加量，改善 硕i j 学位论史 污泥的脱水性能从而减少其体积，为后续处理提供条件。各检测项目及目的见表3 1 。 表3 1 检测项目及目的 检测项目 目的 污泥比阻( s r f ) 沉降l 匕( s v ) 滤饼含水率 离心后上清液的体积 离心后上清液的浊度 反映污泥脱水的直接指标 表征反应后污泥的沉降性以及污泥松散程度。 反映污泥脱水的重要指标 适用于调理剂的选择和剂量的测定 浊度值参数使测试结果更趋合理、精确 3 2 2 实验仪器与药剂 3 2 2 1 实验仪器与设备 本实验所使用的主要仪器设备如表3 1 所示。 表3 1 污泥调理实验主要实验仪器清单 3 2 2 2 实验主要器皿 烧杯( 2 0 0 m 1 ) 容量瓶( 1 0 0 0 m l ，1 0 0 m 1 ) 量筒( 1 0 0 m 1 ) 秒表玻璃棒称量瓶( o = 5 c m ) 布氏漏斗( o = - 9 c m ) 移液管 3 3 材料与方法 3 3 1 药品及试剂 六次甲基四胺( c 6 h 1 2 n 4 ，分析纯) 、硫酸肼( h 2 n n h 2 h 2 s 0 4 ，分析纯) 、蒸馏水 改件粉煤伏对城市污泥的渊理作用投机理分析 3 3 2 供试污泥 同2 3 2 中的污泥。 3 3 3 供试改性粉煤灰 改性粉煤灰依照第2 章所得到的最佳改性条件( 酸浓度为4 m o l l ，酸灰比为5 ：l m l g ， 酸浸时间为3 h ) 将粉煤灰处理后，烘干，粉碎，过1 2 0 目标准检验筛制得。 3 3 4 主要性能参数与测定方法 3 3 4 1 浊度测定 浊度是由于水中含有泥沙、粘土、有机物、无机物、浮游生物和微生物等悬浮物质 所造成的，可使光散射或吸收。 测定水样浊度可用分光光度法、目视比浊法或浊度计法。本实验采用分光光度法。 无浊水的配制：将蒸馏水通过0 2 2j _ t m 滤膜过滤，收集于用滤过水荡洗两次的容量 瓶中。 浊度储备液的配制： 硫酸肼溶液：称取1 0 0 0 9 硫酸肼( ( n h 2 ) 2 s 0 4 h 2 s 0 4 ) 溶于水中，定容至1 0 0 m l 。 六次甲基四胺溶液：称取1 0 0 0 9 六次甲基四胺( ( c h 2 ) 6 n 4 ) 溶于水中，定容至1 0 0 m l 。 浊度标准溶液：吸取5 0 0 m l 溶液与5 0 0 m l 溶液于1 0 0 m l 容量瓶中；混匀。于 2 5 ( 4 - 3 ) 下静置反应2 4 h 。冷却后用水稀释至标线，混匀。此溶液的浊度为4 0 0 度。 标准曲线的绘制 吸取浊度标准液0 、0 5 0 、1 2 5 、2 5 0 、5 0 0 、1 0 0 0 和1 2 5 0 m l ，置于5 0 m l 比色管 中，加无浊水至标线。摇匀后即得浊度为0 、4 、1 0 、2 0 、4 0 、8 0 、1 0 0 的标准系列。于 6 8 0 r i m 波长，用3 c m 比色皿，测定吸光度，绘制校准曲线。 水样的测定：吸取5 0 0 m l 水样( 无气泡，如浊度超过1 0 0 度可酌情少取，用无浊 水稀释至5 0 0 m 1 ) ，于5 0 m l 比色管中，按绘制校准曲线步骤测定吸光度，由校准曲线上 查得水样浊度。 浊度按下式计算： 浊度= 坐掣 ( 3 1 ) l 式中：彳一稀释后水样的浊度，n t u ； 口一稀释水体积，m l ； c l 原水样体积，m 1 ； 硕i ，学化论文 3 4 实验内容 3 4 1 污泥调理实验 量取1 0 0m l 污泥于2 0 0m l 烧杯中加入一定量的改性粉煤狄，在室温条件下，用六 联搅拌器先以2 5 0r m i n 的转速快速搅拌3 0 s ，再以3 0r m i n 的转速慢速搅拌3 m i n ，反应 完全后测定其他参数。 3 4 2 真空脱水过滤实验 将调理后的污泥混合物均匀倒入布氏漏斗中，在抽滤压力约o 0 3 0 m p a 下真空抽滤 脱水，记录不同时间t 及其所对应的滤液体积y ，抽滤至真空度破坏时，测定其相应抽 滤时间、滤液体积，以及得到相同滤液所需时问和滤饼的含水率，并计算污泥的比阻。 3 4 3 离心脱水实验 取调理好的污泥5 0 m l 于离心管中，在低转速20 0 0r m i n 下离心5 m i n ，测定上清液 的体积及浊度。 3 4 4 沉降实验 沉降试验是观察测定改性前后粉煤灰按不同投加率投入污泥后，污泥的沉降速度和 污泥达到压密点所需时间，以大致确定两种粉煤灰使污泥达到最佳沉降性能时的投加量， 比较改性前后粉煤狄提高污泥沉降性能的优劣。 将调理后的全部污泥转移到l o o m l 量筒中，静置沉淀，每5m i n 记录一次污泥上清 液的体积，考察改性自i 后粉煤灰对污泥沉降脱水性能的影响。 3 5 实验结果与讨论 3 5 1 污泥真空脱水过滤实验 实验室最常用的测定污泥脱水性能的方法有：毛细吸水时间与比阻测量。其中仅有 比阻值在理论上与污泥：悬浮固体浓度( 含固率) 无关，从理论上讲，不同实验室的比阻测 量值具可比性。因此本实验采用比阻作为污泥过滤脱水性能的评价指标。 一般来说，比阻值小于1 x 1 0 m k g 的污泥易于脱水，大于l 1 0 乃m k g 的污泥难 以脱水。不同种类的污泥，其比阻差别较大，活性污泥的比阻般为( 2 8 2 9 ) x l o m k g ；消化污泥的比阻为( 1 3 1 4 ) x 1 0 1 3m k g ；初沉污泥的比阻为( 3 9 5 8 ) 1 0 1 3m k g ， 皆属于难过滤的污泥【4 1 。测得试验用原污泥的比阻值为1 8 6 x 1 0 bm k g ，说明污泥的过 滤性z f j , 匕k l t i p ( 1 l 差。粉煤灰及改性粉煤灰( 改性条件：酸浓度为4 m o l l ，酸灰比为5 ：1 m l g ， 酸浸时间为3 h ) 调理污泥，其投加量对污泥过滤脱水的影响见图3 1 。 改件粉煤灰对城市污泥的调理作用及机理分析 2 0 0 甸 1 5 0 目 一。 复1 0 0 血 u 出 壁5 0 o o 2 04 06 0 8 01 0 01 2 01 4 0 粉煤灰投量( g l ) 图3 1 原粉煤灰及改性粉煤灰投加量对污泥比阻的影响 从图中可以看出，随着粉煤灰和改性粉煤灰投加量的增加，污泥比阻急剧下降，其 原因是，经过调理后污泥新产生的絮体的强度有所增加，所以采用机械脱水时，因剪切 力而被破坏的絮体的数目减少，使污泥中细小粒子堵塞滤孔的现象减少，从而过滤阻力 减小，过滤性能变好。并且从图中可以看出，使用改性后粉煤灰调理污泥比直接用粉煤 灰调理的效果要好，用改性粉煤灰调理，污泥比阻下降更快，说明改性后的粉煤灰与原 污泥相比，具有更优越的性能。当粉煤灰和改性粉煤灰的投量为l o l 时，污泥的比阻 值分别下降5 7 6 和8 9 9 ；而当改性粉煤灰投加量为3 0 l 时，污泥比阻下降为 4 2 3 x 1 0 m k g ，说明调理后的污泥过滤脱水性能变好。但当改性粉煤灰投加量超过 3 0 l 时，随着改性粉煤灰投加量的增加，污泥的比阻值减小的趋势变得缓慢。主要原 因可能是，污泥过滤时阻力的改变是有一个范围的。超出这个范围，即使投量增加，