（环境工程专业论文）毛细吸附污泥脱水方法的研究.pdf

中文摘要 在污泥的处理和处置过程中，污泥脱水是污泥固体资源化和处理处置所必需 的工艺过程，是降低污泥含水率的一个关键性步骤。目前世界各国普遍采用的污 泥脱水方法是机械脱水j 但其存在着脱水时间偏长，机器庞大，脱水后的泥饼含 水率高及在脱水前必须添加高分子絮凝剂的问题。为此，本研究试图探索一种利 用毛细吸附脱水的方法，以期为污泥脱水提供新的参考。 论文首先对吸附材料进行了特性研究，进一步设计了连续吸附再生脱水机进 行了连续脱水实验，并对脱水前的污泥用超声波协同絮凝剂调理的方法进行了探 讨。 通过实验明确了特制的聚乙烯醇材料具有亲水性强，吸水脱水性能佳的特 性，且能高效率地截留固体颗粒；孔隙堵塞少，能保持稳定的过滤速度；有较好 的滤饼剥离性；有较高的抗拉性、耐膨润性及耐腐蚀性。该材料卸饼率为8 3 1 ， 且卸饼率和泥饼水分之间存在对应关系，泥饼水分越高，卸饼率越大；实际再生 效率为9 2 1 6 。 超声波与p a m 联合作用处理剩余活性污泥，可以降低污泥比阻( s r f ) 值， 改善污泥脱水性能。与无超声作用相比，在p a m 的投加量降低了0 2 的情况下， 污泥滤饼含水率还可降低2 。实验得出最佳调质条件为：采用0 1 5 w m l 的声 强，超声处理4 0 s 左右，再投加0 4 的p a m ，可使污泥比阻由4 4 3 x1 0 1 0 m k g t 降到2 3 4 1 0 1 0 m k g 。 连续吸附与再生的脱水模拟机械所选用的吸附脱水材料由于其孔隙的毛细 凝聚作用，具有强烈的吸水性能，当与污泥槽内的污泥接触时，污泥中的水分便 被滤布吸收，污泥则浓集在滤布表面。随着转鼓和剥离带的旋转，浓集的污泥在 转鼓与剥离带之间被挤压( 压力可以调节) ，含水率进一步降低。吸附脱水材料 中的水分由压液辊压出，同时带出部分滞留在吸附脱水材料中的污泥颗粒。因此 该脱水机可以连续运转。实验结果表明，在进泥含水率平均为9 8 ，絮凝剂平均 投加量为0 4 的条件下，可以得到泥饼含水率8 3 2 ，固体回收率9 1 的脱水 效果。污泥含水率对脱水过程的影响较大，在进泥含水率升高的情况下，泥饼含 水率降低，脱水机固体回收率升高，脱水机得到更好的脱水效果。 关键词：污泥超声波吸附脱水 a b s t r a c t s l u d g ed e w a t e r i n gi st h en e c e s s a r yt e c h n o l o g i c a lp r o c e s si ns l u d g ed i s p o s a la n d r e s o u r c er e c o v e r y , a sw e l la sac r i t i c a ls t e pt or e d u c es l u d g em o i s t u r ec o n t e n t a t p r e s e n t ，t h em e c h a n i c a ld e w a t e r i n gi su s e dw i d e l yi ns l u d g ed e w a t e r i n g h e r e i nt h e m a i np r o b l e m si nc o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a ld e w a t e r i n gm e t h o d sa l et h el o n gw o r k i n g t i m e ，t h eh u g ev o l u m eo fe q u i p m e n ta n df l o c c u l a n t sa d d i t i o nb e f o r ed e w a t e r i n g t h e r e f o r e ，t h i ss t u d yt r i e st oe x p l o r ean e wm e t h o du s i n gc a p i l l a r ya c t i o nt op r o v i d ea n e wr e f e r e n c e 1 1 1 ei n v e s t i g a t i o no fm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i cw a sc a r r i e do u tf i r s t ，t h e nt h e f e a s i b i l i t yo fu s i n gu l t r a - s o n i cc o m b i n e dw i t hp a mt op r e c o n d i t i o n i n gt h ew a s t e a c t i v es l u d g e ( w a s ) b e f o r e d e w a t e r i n gw a sd i s c u s s e da f t e rc o n t i n u o u sd e w a t e r i n g e x p e r i m e n tw i t had e s i g n e dm a c h i n e i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ep o l y v i n y la l c o h o lh a ss t r o n gw a t e ra b s o r b e n c y ，9 0 0 d s o p p i n ga n dd e w a t e r i n ga b i l i t y , h i g hp a r t i c l ei n t e r c e p t i o na b i l i t y , s t r o n gt e n s i l e c a p a c i t y , s w e l l i n gr e s i s t a n c e , a sw e l la ss t r o n gc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ；t h ef i l t r a t i o nr a t e s c a nk e 印s t e a d yb e c a u s eo ff e wp o r ep l u g g i n g i t sa c t u a lr e g e n e r a t i v ee f f i c i e n c yc a l l b eu pt 09 2 1 6 ，a sw e l la s8 3 1 c a k ed i s c h a r g er a t e u l t r a s o n i cc o m b i n e dw i t hp a m p r e t r e a t m e n to ft h ew a s c a l lr e d u c es r fa n d i m p r o v et h ed e w a t e r i n gp r o p e r t yo ft h es l u d g e c o m p a r i n gw i t hn ou l t r a s o n i ca c t i o n ， t h em u d - c a k em o i s t u r em o r ec a nr e d u c e d2 砸mr e d u c t i o no fo 2 p a m ，s a v i n g p a ma b o u t3 0 t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h eo p t i m u mp r e t r e a t i n gc o n d i t i o n s w e r e 0 15 w m is o u n di n t e n s i t y , 4 0 ss o n i f i c a t i o nt i m ea n d0 4 p a ma d d i t i o n t h e s e p r e t r e a t i n gc o n d i t i o n sc a nr e d u c es i 江f r o m4 4 3 1 0 1 0 m k gt ot h el o w e s ts r f t h e o p t i m u mo r d e ro ft h ea d d i t i o no fp a ma n du l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n tw a st h a tt h e a d d i t i o no fp a ms h o u l df o l l o wu l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n t t h es e l e c t e df i l t e rf a b r i cu s e di ns p i n d r i e re x p e r i m e n th a ss 仃o n gw a t e r a b s o r b e n c y t h ew a t e ri ns l u d g ew i l lb ea b s o r b e da f t e rc o n t a c t i n gw i t ht h ef i l t e r f a b r i c ，a n dt h a ts l u d g eg a t h e ro nt h es u r f a c eo ff i l t e rf a b r i c t h es l u d g em o i s t u r ew a s f u r t h e rr e d u c e db yp r e s s i n gw i t ht h er o t a t i n go fd r u ma n dp e e l i n gb e l t d e w a t e r i n g e f f e c to fw a si sg o o d f o rt h ea v e r a g es l u d g em o i s t u r eo f9 8 w i t l lp a m - d o s eo f 0 4 t h em u d - c a k em o i s t u r ec a nb er e d u c e dt o8 3 2 a n dt h es o l i dr e s e r v a t i o n9 1 k e y w o r d s ：s l u d g e ，u l t r a s o n i c ，a d s o r p t i o n , d e w a t e r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互履硒 签字日期：二唧年占月r7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者签名：碜蔼 签字日期：o 岬年莎月，厂日 导师签名：磁邛砭 签字日期：仉唧年6 月哆日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 污泥的特性与处理处置 第一章绪论 1 1 1 剩余污泥的来源与特性 污水的二级生物处理工艺，包括生物膜法和活性污泥法。可以有效利用微生 物的新陈代谢作用，去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质。这一过程的 结果是污水得到净化，微生物获得营养和能量，进步合成新细胞。在稳定运行 的生物处理系统中，为维持恒定的生物量，每天新增加的生物细胞物质，需要作 为剩余污泥( 活性污泥法) 和脱落的生物膜排放。污泥中含有大量的有机物和丰 富的氮磷等营养物质，如不加稳定处理而任意排放到水体中，污泥中的有机物和 氨氮将大量消耗水体中的氧，造成水体水质恶化，严重影响水生物的生存，污泥 中的营养物质会造成水体的富营养化，促使藻类恶性繁殖，造成水体的赤潮和绿 潮现象，不仅使城市水源水质恶化，影响生活用水和工农业用水，还将使渔业产 量下降，造成巨大的经济损失；如果用到农业上，污泥中的重金属会污染土壤和 农作物；污泥中还含有致病菌、寄生虫卵等危害人类健康的因素，处理不当，会 造成疾病的传播。这就给环境造成了严重的二次污染。 虽然剩余污泥的产量通常为处理废水体积的0 3 0 5 f l l ，但随着污水处理 量的不断增加，污泥产量急剧增加。据统计，2 0 0 5 年，全国废水排放总量5 2 4 5 亿吨，比上年增加8 7 。其中工业废水排放量2 4 3 1 亿吨，比上年增加1 0 0 9 6 。城 镇生活污水排放量2 8 1 4 亿吨，比上年增加7 7 【2 】。假设工业废水与生活污水处 理工艺6 5 采用生物处理，按万吨废水产生2 7 t ( 干质量) 污泥计算，则全国将 产生污泥9 2 0 万t ( 干质量) ，折合含水率为8 0 的脱水污泥为4 6 0 0 万t 。随着城市 人口的增长、市政设施的不断完善，预计我国城市污水量在未来2 0 年还会有较大 增长。预计2 0 1 0 年污水排放量将达至i j 4 4 0 x1 0 8 m 3 d ，则预计2 0 1 0 年，我国产生的 干污泥量为4 4 5 4 万吨；2 0 2 0 年污水排放量将达 ! f j 5 3 6 1 0 8 m 3 d ，预计产生干污泥量 5 4 2 6 万吨。 污泥产量的急剧增加不仅会对环境造成二次污染，而且其处理费用一般占到 污水处理厂总运行费用的2 5 4 0 ，甚至高达6 0 9 6 【3 1 。在经济发达国家，污泥处理 处置是极其重要的环节，美国和欧盟制定的污泥处理处置标准都对污泥中的重金 属、病原菌和有机污染物等指标进行了严格的限制。目前，我国对污泥的处理处 天津大学硕士学位论文第一章绪论 置同发达国家相比还存在很大差距。自2 0 0 3 年7 月1 日开始实施的国家环保总局发 布的城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) ，特别增加了污泥控制 的内容。可见，无论从污染物净化的完善程度，污泥处理的投资比例及在废水处 理技术开发中的重要性，污泥处理都占有重要地位。 1 1 2 污泥的资源化 随着工业和城市的发展，污水处理率的提高，城市污泥产量必然越来越大， 目前污泥已经被认为是一种很有利用价值的潜在能源。污泥处置趋势从早期的海 洋投弃与填埋，走向土地利用( 绿地、林地利用) 、农用、热处理、再利用、建材 利用等资源回收再利用方向。泥的资源属性是固体，这种固体是生物的、有机的， 而有机生物固体的资源化最高形式就是农业利用，生物有机质得以循环利用；但 绝非只能农业利用，其固体特性还可以用来覆盖垃圾填埋场，建筑回填土，园林 培养基等土地利用，以及加工生产道路基质、铺路材料等。 现在人们认识到污泥处理的优先顺序是减容、利用、废弃，而污泥减量化、 稳定化、无害化处理后作为资源圊用已经成为主流。减容作为污泥处理的第一顺 序，是由于污水处理厂污泥是液体和固体两部分组成的悬浮液，其中水分占了污 泥的很大二部分。即使经过浓缩池的浓缩，污泥中的水分含量也在9 0 - , - - 9 6 ， 甚至更高，占据了大量的体积和重量，给污泥的运输、消化、脱水和综合利用带 来了很大的困难。所以污泥处理中的一个重要环节就是分离污泥中的水分以减少 污泥的体积。 1 1 3 污泥的处理与处置 通常把污水厂污泥的稳定和脱水( 一般脱水至7 0 8 0 ) 称作污泥的处理； 将污泥的堆肥、填埋、干化和加热处理及最终利用，称作污泥的处置h 。对产量 大、成分复杂的污泥进行科学、合理的处理处置不仅是污水处理事业的重要组成 部分，其处理处置程度的好坏也是评价污水处理状况的重要标准。 污泥处理处置的目的主要有以下四个：( 1 ) 稳定化污泥稳定化的目的就 是通过处理避免发生不希望的生物反应或者使生物反应朝着希望的方向进行；改 善污泥的脱水性质、减少污泥量；为能够用于农业、林业、城市绿化或者在垃圾 填埋场最终处置创造条件。( 2 ) 无害化污泥无害化的处理往往包括在稳定处理 之中，无害化的目的是去除、分解或者“固定”污泥中诸如重金属、毒性有机化 合物等的有毒有害物质，以及消毒灭菌，使处理后的污泥在污泥最终处置中不会 对环境造成危害。( 3 ) 减量化 由于污水处理厂污泥是液体和固体两部分组成的 悬浮液，其中水分占了污泥的很大一部分。即使经过浓缩池的浓缩，污泥中的水 天津大学硕士学位论文第一章绪论 分含量也在9 0 - - 9 6 ，甚至更高，占据了大量的体积和重量，给污泥的运输、 消化、脱水和综合利用带来了很大的困难。所以污泥处理中的一个重要环节就是 分离污泥中的水分以减少污泥的体积。( 4 ) 资源化污泥的资源化是污泥的最终 处置的一个方向，是在处理污泥的同时实现把污泥化害为利、循环利用，从而保 护环境的目的。 发达国家污泥处理处置技术组合见图1 1 。 图1 - 1 发达国家污泥处理处置技术组合 1 2 污泥中的水分与脱水 1 2 1 污泥中的水分 剩余活性污泥主要由悬浮的污泥絮体构成，而絮体主要由大量的分散微生 物细胞通过胞外多聚物( e x t r a c e l l u a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 、c 矿、m g + 等 阳离子和其他细颗粒架桥而组成。剩余污泥中的e p s ，由蛋白质、多糖、以及少 量d n a 组成，这些物质均为高亲水性物质，可以吸收吸附水分；复杂的絮体结 构中还存在着大量的细小间隙和毛细管，可以挟持大量水分【5 】。因此，剩余污泥 的含水率很高，一般为9 6 9 9 。 污泥中水分有多种存在形式，污泥中颗粒的分散度和水的存在形态对污泥的 脱水性能有很大影响，对水的存在形态进行考察也有助于对污泥脱水性能的研 究。一般机械脱水，只能脱除以自由形式存在的水分，而其它存在形式的水分， 就需要通过干燥、焚烧等手段来脱除。评价水分与污泥结合形式的正确方法是测 定结合能的数值，所谓结合能就是从给定湿含量和恒定组成的物料中去除1 m o l 水分所做的功。 在同一温度下，结合水的蒸汽分压小于自由水分的蒸汽分压。根据 g i b b s h e l m h o l t z 方程，可以导出结合水蒸气分压、温度和汽化潜热之间的关系： p 2 p h e x p ( 一页l i r ) 式中：p 一为结合水蒸汽压，k p a ： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 矽一为纯水蒸汽压，k p a ； 7 一为水的汽化潜热，j k g 。 根据结合能的性质和数量级，可以把污泥中的水分大致分为4 类： ( 1 ) 间隙水，这是由大小污泥颗粒包围着的游离水。它并不与固体直接结 合，因而很容易被分离。间隙水一般占污泥总含水量的7 0 ，是污泥浓缩的主 要对象。 ( 2 ) 毛细水，约占污泥总含水量的2 0 左右。这部分水当污泥处于悬浮时 为絮体水分，而当泥饼形成时则在毛细管中。重力浓缩不能将毛细结合水分离， 而需借助机械脱水才行。 ( 3 ) 吸附水，这部分水吸附或附着在污泥絮体的表面，约占污泥总含水量 7 。这部分水也而需借助机械脱水才行。 ( 4 ) 内部水，指主要包含在污泥中微生物细胞体内的水分。由于微生物的 数量不同，初沉池污泥内部结合水少于二沉池污泥。要去除这部分水，必须破坏 细胞膜，机械法去除困难，需采用生物分解、高温加热或冷冻法脱水。该部分水 约占污泥含水总量的3 。 图l - 2 给出了污泥中这四种水分的示意图。 图l - 2 污泥中水分示意图 从表1 1 中可以看出污泥中各水分的结合强度由小到大的顺序为间隙水、吸 附水、毛细水和内部水，结合强度越大，分离就越困难。一般认为，重力浓缩、 真空抽滤和离心脱水等单纯的机械脱水方法只能去除部分间隙水和吸附水，不能 去除污泥中的毛细水和内部水。有研究表明【6 7 1 ，采用无机混凝剂调理污泥，带 正电荷的金属离子可以替换部分污泥颗粒表面吸附水分，从而可使这部分表面水 有可能被机械分离。而对于污泥中的内部水，必须采取其他手段( 如超声波等) 才能转移或去除。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 1 污泥中各种水分的特点 备注：以未经处理的污泥为例，污泥含水率9 9 2 4 。 1 2 2 污泥浓缩 由于污泥含水率很高，体积很大，所以污泥处理最重要的步骤就是分离污泥 中的水分以减少污泥体积，为污泥的输送、消化和进一步综合利用创造条件。剩 余活性污泥的含水率高达9 9 以上，通常在脱水过程前通过浓缩过程来去除部分 水分，污泥浓缩后污泥增稠，含水率降低，需要脱水处理的污泥体积大幅度降低， 处理费用和运输费用也大幅度降低。污泥浓缩是减少污泥体积最经济有效的方 法，特别是对剩余活性污泥的处理尤其不可缺少。 污泥浓缩的对象主要是去除污泥颗粒间的间隙水，这部分水分并不与污泥颗 粒直接结合，一般占总水分的7 0 左右。常用的污泥浓缩方法有重力浓缩、气浮 浓缩、离心浓缩等，其中重力浓缩应用较为广泛，近年来，离心浓缩也得到长足 的发展。在选择浓缩方法时，除了各种方法本身的特点外，还应考虑污泥的性质、 来源、整个污泥处理流程及最终处置方式等。如重力浓缩用于浓缩初沉污泥和剩 余活性污泥的混合污泥时效果好；单纯的剩余活性污泥一般用气浮法浓缩。 1 2 3 污泥脱水 对于整个污泥脱水过程来说，污泥性质、污泥调理、机械脱水方式是相互关 联的，必须联系起来考虑。在选择污水处理方法时，就要考虑产生的污泥是否利 于脱水；在选择调理方法时，就要考虑污泥的性质和选用的机械脱水方式；同样 在选择机械脱水方式时，也必须考虑调理后的污泥性质。总的来说，污泥脱水性 能的提高是许多因素综合作用的结果。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 1 污泥的预处理 污泥在机械脱水前，一般应进行预处理，也称为污泥的调理或调质。这主要 是因为城市污水处理系统产生的污泥，尤其是活性污泥脱水性能一般都较差，直 接脱水将需要大量的脱水设备，因而不经济。所谓污泥调质，就是通过对污泥进 行预处理，改善其脱水性能，提高脱水设备的生产能力，获得综合的技术经济效 果。污泥调节方法可分为化学调节法、物理调节法( 淘洗加药法、冷冻法和加热 调节、超声波调节等) 、生物调节( 好氧与厌氧消化) 三大类。 由于生物调节、加热调节等物理调节工艺均存在能耗大、基建费用和运行成 本高的问题，并且容易受到环境和气候变化的影响，因此在大规模的应用上或多 或少都会受到一定的限制。而化学调节法由于调节效果良好、操作简单、基建和 运行成本低等优点。受到普遍欢迎。 化学调质常采用投加絮凝剂来改善污泥的脱水性能。其作用原理为通过投加 絮凝剂，在污泥胶质微粒表面起化学反应，中和污泥胶质微粒的电荷，促使污泥 微粒凝聚成较大的颗粒体系，同时使水从污泥颗粒中分离出来，从而提高污泥的 脱水性能1 9 j 。常用的絮凝剂有无机和有机两大类，无机絮凝剂主要是对水中具有 相反电荷的胶体起中和、压缩双电层作用，从而使胶体脱稳凝聚，实现固液分离， 但投加量大，效果不佳 1 0 , 1 1 】。有机高分子絮凝剂主要是对已脱稳的凝聚颗粒起吸 附架桥作用，从而使其快速形成大的絮体，易于分离，但滤饼含水率较高盼) 3 】。 超声波调节是近年来新开发的技术。超声破解污泥后，污泥的脱水性能随破 解时间以及声能密度的不同会发生不同的变化。使用超声波破解污泥1 2 0 s ，可 以使污泥的毛细吸水时间( c s t ) 从1 9 7 s 降至1 7 1 s 珥j ，也即使污泥的脱水性能 改善；但在声能密度为0 3 3 w 皿l 下破解6 0 m i n ，可以使c s t 从1 9 7 4 s 升至4 8 8 9 s 搭】， 即污泥的脱水性能恶化；使用频率为2 0 k h z 超声与一种阳离子聚合电解质联合作 用消化污泥6 0 s ，可使污泥比阻( s r f ) 从3 5 x1 0 加m k g 降至3 0 xl o o m k g ，c s t 从3 9 0 s 降至2 0 s ，同时使污泥含水率有8 7 降至7 8 【吲。国外研究表明，大功率超 声波可以降解污泥，降低其含水率。 1 2 3 2 污泥脱水 为了有效的进行污泥干燥、焚烧及进一步处理，污泥必须进行充分的脱水而 减量化，所以，污泥脱水是任何处理处置方式都必须经历的过程。污泥经脱水后， 体积可减为原体积的1 1 0 ，- - 1 5 。为使污泥液相与固相分离，必须克服固液两相之 间的结合力，针对结合力的不同形式，有目的地采用不同的外界措施可以取得不 同的脱水效果。如： ( 1 ) 借助于自然重力或者机械产生的人工力场( 采用气浮或者浓缩方式) 天津大学硕士学位论文第一章绪论 用较小的力分离空隙水： ( 2 ) 借助于外界机械产生的较大压力差( 负压或者高压) 或者机械重力场 分离毛细水和附着水； ( 3 ) 借助热能分离吸附水和内部水。 浓缩是脱水的第一个阶段，主要用以去除液体部分，产生浓缩污泥。多数污 泥浓缩装置能达到5 0 1 0 的固体浓度，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。机械脱水是目前世界各国普遍采用的污泥脱 水方法。工业中常用的具体脱水设备有板框压滤机、带式压滤机、卧式螺旋卸料 离心过滤机、转鼓真空过滤机和圆盘真空过滤机。国外目前正在开发螺旋压榨脱 水，但尚未大量推广。目前国内新建的污水处理厂，绝大部分都采用带式压滤脱 水机，因为该种脱水机具有出泥含水率低且稳定、能耗少、管理控制部复杂等特 点。离心脱水机噪音大、能耗高、处理能力低，因此以前使用较少。但八十年中 期代以来，离心脱水技术有了长足发展，尤其是有机高分子絮凝剂的普遍应用， 便离心脱水机处理能力大大提高，加之全封闭无恶臭的特点，离心脱水机采用的 越来越多【l 。 1 带式压滤机 带式压滤机有两种基本形式：立式和卧式。后者随着环保污泥的处理迅速发 展。带式压滤机结构简单、能耗低、运行稳定、得到的泥饼含水率低。但是带式 压滤机也存在不足【1 8 】，如图l 一4 所示，带式压滤机由重力区、楔形区和压榨起区 三部分组成，其中重力区决定着带式压滤机单位时间内的污泥处理量。为提高脱 水效率，重力脱水区的滤带通常呈水平向上倾斜3 0 左右，该区域的污泥仅靠自身 重力进行预脱水，脱水率与脱水时间和重力区长度有关。对于一般污泥来讲，重 力脱水时间与压榨脱水时间之比为1 ：1 ，约为1 - 2 m i n ；对于难脱水的污泥，重力 脱水时间要稍微长一些。重力区的长度受机械结构的限制，以及对滤网跑偏有较 大影响，不能太长，一般为3 - 7 米。由于重力区脱水时间和滤带长度的上述限制， 使得污泥在这一部分脱水效果不理想，直接后果就是导致进入压榨区域的污泥含 水率仍然很高。因此当压榨辊施加较大压力时，履带中的污泥容易外溢；而施加 较小压力时，又影响最终脱水效果。为了解决这一问题，企业通常是在购买该设 备后根据实际污泥的性质在该设备前再加一段重力脱水区，即相当于增加了带式 压滤机本身的重力脱水区长度，效果可以得到一定程度的改善。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 3 带式压滤机结构示意图 2 离心脱水机【1 明 离心机用于污泥浓缩及脱水已有几十年的历史，经过几次更新换代，目前普 遍采用的是卧螺离心机。这种离心机有很多英交名字，例如s o l i d - b o w l c e n t r i f u g e ，c o n v e y o rc e n t r i f u g e ，s c r o l lc e n t r f u g e ，d e c a n t e rc e n t r i f u g e 等，相应的中文名字有转筒式离心机，固卧式离心机、卧螺式离心机、涡转式离 心机、螺旋输送式离心机等。以下介绍中统一简称为离心脱水机。离心脱水机主 要是利用离心力代替重力或压力作为推动力进行污泥脱水的操作。一般自成系 统，运行时不需要过多监视，干度较好；但需要特别维护，一般不适于间歇运行。 适用于能连续运行的大中型污水厂大量固体的处理。 澄清液沉汪 l 一差速器；2 一主轴承；3 一油封1 ；4 一左右铜轴瓦；5 一油封2 ：6 一机壳；7 一螺旋； 8 转鼓；9 一油封3 ：l o 轴承：1 1 一油封4 ；1 2 一进料管 图l _ 4 卧式离心机工作原理图 1 2 3 3 污泥脱水性能指标 目前，在国内外经常使用或探索研究中的污泥脱水性能测试方法有：污泥比 天津大学硕士学位论文第一章绪论 阻实验、毛细抽吸时间( c s t ) 实验、烧杯实验、脱水机模拟法和流变性测试等。 ( 1 ) 比阻实验 、长期以来，比阻是评价原污泥和预处理后污泥脱水性能的最常用指标。比阻 的测定过程对过滤过程进行了近似模拟，基本上反映了过滤脱水的过程，比阻值 可以对真空过滤机、板框压滤机和带式压滤机脱水的污泥可脱水性的好坏进行评 价。关于污泥过滤比阻抗的理论，不仅适用于工业废水污泥过滤，也适用于城市 污水厂污泥的过滤，一般用实验室测定的污泥过滤比阻，就能预测现场真空过滤 或压滤脱水机的脱水能力。 ( 2 ) 毛细抽吸时间( c s t ) 实验 毛细抽吸时间( c s t ) 实验的测定是通过计量在毛细力的作用下，滤液润湿 l c m 滤纸所需要的时间。该法与比阻法相比有简便、快速等优点。污泥比阻值越 大，c s t 值也越大。同时，c s t 值与比阻值在一定范围内有一定的线性关系。 ( 3 ) 烧杯试验 烧杯实验是在烧杯中加入污泥和不同剂量的调理药剂，凭感观定性判断泥水 的分离情况以确定污泥脱水性能的改变并用于确定合适的药剂种类及用量。该方 法较粗糙，不能精确的说明污泥的脱水性能。 ( 4 ) 脱水机模拟实验 脱水机模拟实验是用模拟机模拟实际脱水机的各个作用部分或过程，研究污 泥的脱水性能。如滤叶实验是将连续脱水机的操作原理直接用于间歇操作实验的 方法。滤叶实验非常接近于实际，所以经常用来取得真空脱水机的设计资料以及 运行操作参数。 ( 5 ) 脱水极限实验 一种为冷冻法，用在膨胀计中冷冻污泥的传统方法，在不同温度和污泥浓度 下测定未冻结的水。v e s i l i n d 等人发现，在实验温度即使降至3 0 。c ，仍有水分未 冻结。因此，v c s i l i n d 认为靠机械方法去除吸附水和内部水是不可能的，但去除 空隙水和毛细水在理论上是可行的。 ( 6 ) 流变性测试 污泥流变特性是已经成功应用于实际污泥处理工艺的几个污泥基本特性之 一，其中在污泥处理中可以得到的、对流变性最为直接的控制是在污泥的调理过 程。流变性用于改进污泥处理工艺还表现在通过测试滤液的粘度来控制最佳投药 量。 1 2 4 污泥脱水技术存在的问题 带式脱水机在国内城市污水处理厂污泥脱水设备中占主导地位，带式压滤机 天津大学硕士学位论文第一章绪论 虽然具有可连续运行、操作管理简单、附属设备较少、机械制造容易、能源消耗 和维护费用较低等优点，但由于滤带强度的限制，其在高压区的压力上不去，脱 水效果不好。而且从价格上考虑，引进国外的污泥脱水设备很贵。同时污泥进行 带式压滤机脱水时，需投加少量的高分子聚合物作为絮凝剂，由于我国的合成聚 合物价格较贵，致使污泥带式压滤机的运行费用较高，这将会影响其进一步发展。 因此，在国内对于污泥脱水技术现状而言，开发自主的、高效率的、成本耗费低 的污泥脱水设备与方法很有必要。 污泥机械脱水前调质中最大的闯题就在于如何确定调质剂的最佳投加量。调 质剂投加量不足，则无法产生预期的絮凝效果；调质剂过量投加不仅会增加处理 费用，还会使脱水效果恶化。因而寻求一种方便、直观、有效的调质剂投加量控 制指标，将是一个刻不容缓的问题。 1 3 污泥脱水的研究进展 1 3 1 污泥机械脱水技术的研究进展 1 3 1 1 国外发达国家污泥机械脱水的研究进展 由于离心可以提供比普通过滤更高的压力，因此被广泛用于难过滤污泥的脱 水。污泥的离心脱水过程包括以下四个过程：( 1 ) 离心沉降：离心加速度一般比 重力加速度大得多，大颗粒会很快沉降到过滤介质上，这一阶段沉降过程很明显； ( 2 ) 离心过滤：由于离心产生的沉降，过滤流通过过滤介质。颗粒沉降会在过 滤介质上形成渗透泥饼；( 3 ) 离心脱水：离心压力在一定程度上克服了毛细管引 力，移除了泥饼缝隙中的水分；( 4 ) 空气干化：在移除泥饼缝隙中大部分自由水 之后，空气流会穿过泥饼中的空洞，并带走部分水分。多数文献讨论的是沉降和 过滤过程，并提出了一系列离心过滤数学模型。 c e c h u 等试验研究了经聚电解质调理后的污泥的离心分离特性。研究发现， 加药调理前后污泥的离心特性有明显变化：调理后的污泥的水分去除效率高，且 去除时间短；调理后的污泥絮体尺寸增大，絮凝沉降作用明显：水分去除的主要 过程发生在离心的第三个阶段，已有的离心过滤公式不再适用，需要新的数学理 论和数学模型；泥饼具有更强的可压缩性；增加转速，虽然增加了沉降性，但是 也增加了泥饼的压缩性，所以存在最优转速f 2 0 l 。 日本设计了高固体离心脱水机【2 ，他们认为延长脱水时间、采用适当的离心 力大小和改进钵体结构可以提高滤渣含固量。该机沉渣水分可比一般离心机低 3 1 0 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 此外，有文献f 2 1 】指出微孔挤压脱水机是针对剩余活性污泥的脱水，可将剩余 活性污泥的含水率由9 9 以上降至8 0 左右。微孔挤压脱水机形如转鼓真空过 滤机，但不用真空设备，具有装置简单，操作方便，耗电少等特点。其基本构造 见图1 - 5 。 l 一污泥槽；2 滤布；3 m 转鼓；4 一剥离带；5 一刮板；6 洗涤水管； 7 m 压液辊；卜滤液出口；卜滤饼出口 图1 5 微孔挤压脱水机 1 3 1 2 国内污泥机械脱水的发展概况 国内污泥脱水起步较晚，与美国、日本、德国等发达国家之间整整晚了半个 世纪，尽管从1 9 9 6 年开始相继有一些污泥脱水车间的建设，但总的来水还是处 在探索阶段。目前我国城市污水处理厂和工业废水污水处理厂所用的污泥脱水机 械品种名目繁多，大体有转鼓真空过滤机、板框压滤机( 分人工、半自动和自动 板框压滤机多种) 、滚压转鼓脱水机、叶片式压滤机、带式压滤机和离心脱水机 等。八十年代以来，由于带式压滤机的优越性，我国城市和工业部门纷纷引进。 但这几种脱水机均有许多不足之处。例如离心脱水机，振动大、噪音大、处理能 力小；板框压滤机脱水效果慢、投资成本高、工作环境差；带式压滤机虽然能耗 低，但由于滤带强度的限制，其在高压区的压力上不去，脱水效果不好。而且从 价格上考虑，引进国外污泥脱水设备很贵，因此在国内对于污泥脱水技术现状而 言，开发自主的、高效的污泥脱水机械意义很大。 根据徐竞成【7 2 】对国内4 0 个已建成运行、在建和拟建( 完成初步设计和施工 图设计) 的城市污水处理厂污泥脱水设备的调研结果( 见表1 2 ) 可知：带式脱 水机在国内城市污水处理厂污泥脱水设备中占主导地位，而离心脱水机是带式脱 水机的主要竞争产品。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表l - 2 城市污水处理厂污泥机械脱水设备使用情况分析表 1 3 2 污泥调理方法的研究进展 1 3 2 1 化学调理剂与物理调理剂联合调理 y o z h a o 用c a s 0 4 2 h 2 0 与聚合物联合调理明矾污泥，并与单独用聚合物调理 明矾污泥做了比较。结果发现两者联合调理的污泥平衡了水分含量，单独用聚合 物调理的污泥平衡水分含量分别比原污泥平衡水分含量下降了7 1 、1 2 ；实 验用分维尺寸d ，为标准来衡量两种情况下所形成污泥絮体的结构，两者联合调理 的污泥絮体的分维尺寸分别为1 7 l 、1 3 8 ，说明了两者联合调理情况下，所形 成的污泥絮体结构更加密实；而c a s 0 4 - 2 h 2 0 本身对污泥脱水效果的影响甚微， 也说明了在污泥调理中，c a s 0 4 2 h 2 0 可以作为一种絮凝骨架，有助于形成可渗 透的、更加稳定的结构，从而利于污泥脱水【2 3 1 。 1 3 2 2 无机阳离子型聚合物与有机非离子型聚合物联合调理 c h l e e 等用含钙的阳离子聚合物与非离子型聚合物联合调理污泥。实验发 现先加入阳离子型聚合物，由于电荷作用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，通过范德华力，吸附在初级絮体上，形成更大的絮体。 这种混合聚合物的吸附层更密集更扩展，因此它们的接触形成了更强大的架桥作 用，从而加强了絮凝作用，提高了污泥脱水性能。当单独用阳离子聚合物( 最佳 用量) 进行调理时，污泥c s t 值为4 8 s ，而两者联合调理时，其c s t 值为3 9 s ，更 易于脱水。此外，架桥作用也能连接更多的聚合物，使水中的游离聚合物变少。 克服了用一种聚合物调理时，当药量加大，效果明显降低的问题拉4 j 。 1 3 2 3 热预处理提高污泥脱水性能 许多年前，人们已经知道热处理污泥可以提高污泥脱水能力。加热处理中， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 污泥中的细胞体受热膨胀而破裂，释放出蛋白质和胶质、矿物质和细胞膜碎片。 胶体结构被破坏，大量释放出内部结合水，从而提高污泥脱水性能。污泥热处理 法的优点是可以大大改善污泥的脱水性能。热处理污泥经机械脱水后，泥饼含水 率可将至3 0 4 5 ，泥饼体积是浓缩一机械脱水方法泥饼体积的1 4 一下，便 于进一步的处置；污泥中的致病微生物与寄生虫卵可以完全被杀灭。其主要缺点 是污泥分离液的b o d 、c o d 都很高，回流处理时要增加污水处理构筑物的负荷， 有臭气、设备易腐蚀、费用高1 1 引。 1 3 2 4 超声波和絮凝剂联合调理 超声波作用于剩余污泥可以产生一种海绵效应，使水分更易于从波面传播产 生的通道通过。超声产生的其它一些效应，如声射流、局部发热、界面破稳、扰 动和空化也有利于固液分离。超声和絮凝剂联合作用，可改变污泥z e t a 电位，降 低污泥比阻和减d , c s t ( 毛细吸水时间) ，迅速改变污泥结构，改善污泥脱水性 质 2 6 - 2 8 】。 剩余活性污泥主要由悬浮的污泥絮体构成，而絮体主要是由大量的胞外聚合 物( e x t r a c e l l u a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 构成。e p s 可以挟持大量水分 2 9 - 3 t ， 对污泥脱水性能具有重要影响【3 2 】。有研究者认为，一定量的e p s 由于加强了污泥 的絮凝性能，会改善污泥的脱水性能1 3 3 1 ，因为e p s 会凝聚污泥中存在的细小颗粒， 而细小颗粒的减少会改善污泥的脱水性能【3 4 】。但剩余活性污泥中的e p s 含量高， 由于e p s 具有高度水合性质，通过静电力、氢键等作用，其中的大分子物质与水 分子牢牢地结合在一起，这部分水很难去除，使污泥的脱水性能恶化。因此，调 整污泥的内部结构将会成为改善污泥脱水性能的一个途径。超声作用于含水污 泥，有利于污泥脱水和污泥减量f 3 纠。 1 3 3 污泥脱水技术的发展方向 目前，国内外污泥脱水技术现在主要依赖机械脱水，而且发展的比较全面， 结合现在的实际情况，其发展突出表现在1 3 6 】： ( 1 ) 高参数发展趋势：由于能源、资源、环保等工业的发展都是需要单机 能力大，所以大型化、高参数的设备主要表现为：大规格、高速率、高精度、高 压力。 ( 2 ) 多功能发展趋势：污泥脱水机械不单具有脱水功能，进一步朝着浓缩 脱水一体化的方向发展。 ( 3 ) 全自动化发展趋势：为了提高生产效率和适应特殊场合，需要全自动 连续作业的设备，向微机控制，机械人操作方向发展。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 新材料发展趋势：为了提高设备的机械性能，需求强度、刚度、耐磨 性、抗腐蚀性能优异的材料。为了提高过滤精度和效率，对过滤机械的心脏材料 过滤介质提出了更高的要求。 ( 5 ) 机械多样化发展趋势：为了对可压缩、高精度、高分散性的难分离物 料、微粒子进行有效的分离需研制新型专用设备( 包括专用新技术的应用) ，即多 样化机型。 1 4 本课题的意义及研究内容 在污泥的处理和处置过程中，污泥脱水是污泥固体再利用和处置所必需的工 艺过程，是降低污泥含水率是一个关键性步骤。目前对污泥脱水性能改善的研究 主要在以下方向：( 1 ) 致力于探索新的高效率的污泥脱水设备与方法1 3 7 , 3 8 1 ；( 2 ) 致力于研究各种因素对污泥脱水性能的影响，并试图找到最佳工艺条件来改善污 泥的脱水性能一o 】。 鉴于现今的脱水方法存在的主要问题，即脱水时间偏长，机器庞大，和脱水 后的泥饼含水率高及在脱水前必须添加高分子絮凝剂的问题，本课题组试图探索 一种利用毛细吸附脱水的方法，解决上述问题。实验所选的吸附脱水材料为一种 多孔介质，具有较大的内表面积和容纳空间，内部气孔均匀且独立，而又完全相 连成为连续的气孔，毛细吸附作用很强，因而对水具有很强的亲和力，保水率可 高达9 4 0 。耐腐蚀性和耐磨性均优良，机械强度高。另外，在微孔毛细吸附脱水 方面，虽已有如图1 5 的尝试，但由于该装置采用单鼓结构，所以，无论处理速 度还是脱水效果都受到影响，同时对于这方面的基础研究很少，所以，难于设计 出高效率的机械。因此，本论文首先对吸附材料进行了特性研究，进一步设计了 连续吸附再生脱水机进行了连续实验。另外，在污泥脱水之前进行了污泥预处理 的条件实验，探讨了采用超声波联合阳离子型聚丙烯酰胺对污泥调质的效果。 通过实验预达到以下目的：( 1 ) 确定超声波联合絮凝剂调理对污泥脱水性能 的影响规律