（环境工程专业论文）磁化处理对污泥胶体稳定性及其吸附性能影响的初步研究.pdf

苏州科技学院硕士论文摘要 摘要 污泥处理伴随着污水处理率的逐年升高，日益成为比较突出的环境问题，污泥处 理的基本要求达到减量化的目的，减量化的关键在于污泥脱水，若使污泥脱水效率高， 必须对污泥进行预处理。不同的预处理方法对污泥的作用机理不同，对污泥性质的改 变各异，处理效果也不尽相同，本文从一个崭新的角度出发，研究磁化处理对污泥胶 体稳定性和吸附性能的影响规律，以及污泥颗粒形态的变化情况。 本文通过自制的磁场发生装置，以磁感应强度、磁化时问、磁场位型等作为调节 参数，以z e t a 电位作为污泥胶体稳定性的评价指标，以吸附量和比吸附量作为污泥对 葡萄糖吸附性能的评价指标。通过特殊的放大成像系统观察污泥磁化后颗粒形态的变 化。 得出的主要结论有： 1 、磁感应强度对污泥胶体颗粒z e t a 电位的影响较大，在b = o 0 3 7 t 时达到最大 值，在b = 0 0 4 5 t 时z e t a 电位降至最低值，污泥胶体颗粒z e t a 电位在不同的磁感应强 度下随着磁化时间的不同，呈波动性变化，z e t a 电位的最低值出现在磁化3 0 n f i n 时， 平行磁场中的z e t a 电位值比垂直磁场中的低。 2 、聚沉速度与磁感应强度有关，在b = o 0 7 t 和b ：0 0 9 t 下提高幅度明显，污泥 的聚沉速度与磁化时间有关，在b = 0 0 9 t 下磁化3 0 m i n 聚沉速度具有最大的增幅 3 、污泥的吸附性能受磁感应强度影响较大，在b = 0 0 4 5 t 时污泥的吸附性能最大， 磁化时间对污泥吸附性能是有影响的，磁化时问在2 0 m i n 4 0 m i n 以内，污泥的吸附 性能都会提高，污泥磁化后的吸附平衡时闻延长。 4 、污泥磁化后，颗粒形态发生变化，粒径大，团聚紧密，脱水性能好污泥颗粒 形态与磁感应强度有关，在b = 0 0 3 7 t 0 ，0 7 t 下，污泥颗粒呈团聚形态，粒径较大， 而在b 0 0 7 t 对，污泥颗粒多以单独颗粒形态存在，粒径较小。污泥颗粒形态与磁化 时间有关，污泥磁化处理在3 0 r a i n 以内，颗粒团聚比较紧密，而在磁化时间大于3 0 r a i n 以后，颗粒团聚状态明显较松散。污泥颗粒形态与磁场位型有关，平行磁场位型下磁 化后的污泥颗粒比垂直位型下更加紧密，粒径更大， 关键词：污泥，磁化处理，胶体稳定性，吸附性能 a b s t r a c t a l gw i t l le a i a l i r 嘻o ft h er a t eo fw a s t ew a t e rb e i n gt r e a t e d ，t h e 锄v i m 脚i 蝴l t p r o b l e m o f s l l l d g e t r c a t m 锄t i n c r e a s i n g l ys t a n d s o m t h c b a s i c p u r p o 辩o f s l l l d g e t r e a t m e n t i st 0r e d u c et h ev o l u m e b u ts l l l d g cd e e r e m ti sd e p e n d 锄to l t ld e w a t e r i n g p r e t r e a t m e n t m u s tb cp e r f o r m e dt oe n h a n t h e 馏t co fs l l | d g ed e w 8 t e r i n g 1 1 艟m e c h a n i s mo fn e t i o n c h a n g eo fs l u d g ec h a r d e t e r i s t i ea r i dt r c a t m te 衢e i e n e ya 聆d i f f e r 踟tf r o md i f f e l 汜n t p 犯t r c a l a n c n tm e t h o d s n 蛇e f f e c to ns l u d g ec o l l o i ds t a b i l i t y 锄di t sa d s o r p t i o na b i l i l yo f m a g n e l i ct r e a t m e n t 勰s t u d i e di nt h i sp a p e r an e wp o i mo fv j 删1 1 壕e f f e c to f m a g n e t i et r e a l l n e n to ni o 瓶so f s l u d g eg r a n d 髂i sa l s oa n a l r a x l 1 r i 把a p p m t u so fm a g n 嘶e 丘e l dg e n e r a t i n gw a sa 埘m a g n e t i cf i e l di n d u e t i o n m a g n e t i z a t i o nt i m e , m a g l l e t i cf i e l dd i r e e t i a c o m i d e r e d 嬲p a r - d m e t 懿z e t ap o t e n t i a li s u s e da s 酬u a t i n gi n d i c 捌 o fo fs l u d g ec o l l o i ds t a b i l i 何a d s o r p t i o nq u a n t i t ya n ds p e c i e l l d s o l 硼o l l lq u a n f i t y 黜u s e da s 酬u a t i n gm d i e a t o ro fs l u d g ca d s o r p t i o ne a p a e i t yt o g l t 啪豫t kc h a n g eo fs j u d g eg r a n u l e 础l 印e t i z e di sr e e o r d e db yas p e e i a ls y s t e mo f m i e r o s e o p c t l 砖m a i no o n c l u s i sa sf o n o w ： l 、i n f l u e n c eo fm a g n 鲥ef i e l di n d u c t i o no nz e t ap o t e n t i a li sm l a t i v e l yl r i l g e i t s m a x i m u m 训鹏i s 砒b - - o 0 3 7 3 a n dm i n i m m 试i s 砒& 町0 4 5 t z e t ap o t e n t i a lv a r y 鹤 aw a v e 幽嘴w 曲m a g n e t i z a t i o nt i m e i 乜m i n i m u mv 面i s 缸t h et h i n i e t l am i n u t e z e t a p o t e n t i a li np a r a l l e ln l a g n c t i cf i e l di sl o w e rt h 柚i np e 叩伽街c t l l 盯n l a g l l 毹cr i d & 2 、s e t t l m gr o t ei si e l a t e dt om a g n e t i cf i e l di n d u c t i 0 札l 乜i m p l y i n ge x t e n ti so b v i o 懈 砒b = o 0 丌弛db = o 0 9 t s e t t l i n g 船：t ci sa l 托l a t e dt 0m a g n e t i z a t i o nt i m e i l si m p r o v i n g e x i s ti st h el 缸g c s ta t t e rs l u d g ew 鹬e x r , o s e di l lm a g n e t i cf i e l df o r3 0m i n u t e s 3 、i n f l u e n c eo fm a g n e t i ef i e l dr e d u c t i o no na d s o r p t i o na b i l i t yi sv e r yl a r g e a n di 乜 h i g l a e s tv 出l 壕i s 砒b = o 0 4 s t t h e r ea 船n ei n f l u e n c e s 蠡mm a g n e t i z a t i o nt i m e0 1 1 a d s o r p t i o na b i l i 够1 1 l e 曲i l 时i n c r e a s e 、】v 1 1 n l a g l l c l i t 蜥o nt i m ei s 越t h e 瑚萨o f 2 0 m i n - - 4 0 m i n 1 1 呤a d s o r p t i o nb a l a n c et i m eo f s l u d g e 稍l le x t e n da f t e rb e i n gm a g n c t i z 缸 4 、a t t e rb e i n gm a g n e t i z c df o r m so f s l u d g eg r a n u l 锚w i l lv a l r y od e w a t e r i n g p a b i h t y i n c r e a s e sw h e nd i a m e t e r so fs i l l d g eg r a n u k sc h a n g el a r g e f 瓤通s l u d g eg r a n d 鹤l l e e t t i g h n y f o r m so fs l u d g cg r a n d ea 坤l 删t om a g n e t i cf i e l di n d u c t i o n l i 牡l eg r a n u k s c d l l e e tt i g l l t l yt ob cl a r g eg r a n d 鹤w h e nm a g n e t i cf i e l di n d u c t i o nb e t w e e no 0 3 7 t 柚d o 仃r r w h e nm a g n e t i ef i e l di n d u c t i o ni sl a 理盯t h a n0 0 7 1 , g r a n u l 船a 他a l m o s ti n i n d e p e n d e n tf o r m sa n d 圮打d i a m e t e r s 砒s m a l l 盯f o r m so fs l u d g eg r a n d 舔a a i i 蒯t om a g 雕t i 蒯o nt i m e g r a n 如c o l l e e tt i g h t l yw h e nm a g n e t i z a t i o nt i m e 血3 0 u l i m h 黯a f t e r3 0m i n u t e sg r a n u k sr e l 戤g r a n d e si np a r a l l e lm a g n 鲥ef i e l dc o l l e e tb e t t e r 6 9 h f l yt h a n i np c r p e n d i e d 盯m a g l l e t i cf i e l 正 k e y w o r k s ：s l u d g e , m 艇，枷ct r c a t m 吼c o l l o i ds t a _ b i l i 坝a d s o r p t i o ne a p a e i t y n 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：巨! 垄日期：丑年月三王日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复 印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅本人完全了解苏州科技学院关于收集、保 存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学 校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用 影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的 的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： ! i 1 垂日期：! z 年月2 王- 日 指导教师签名：笆i 磁日期：，7 年，月砂e l 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 1 1 问题的引出 第一章绪论 近年来，随着环境保护意识的增强，我国城市生活污水和工业废水的处理率有 了大幅度的提高在污水处理过程中( 尤其是生物处理) 伴随着大量剩余污泥的产 生。污泥中含有毒性有机物、致病微生物及重金属等，因而具有毒性和危害性 1 9 8 9 年，美国环保局提出的污泥农用处置规范中，曾特别提出需要监测的2 5 种毒性有机物，并于1 9 9 3 年重新予以修订其中有毒污染物主要是难分解的有机氯 杀虫剂，如艾氏剂( a l d r i n d i e l d r i n ) 、苯并芘( b e n z o p y r e n e ) 、氯丹( d i m c t h y l n i t r o s a m i n e ) 、多氯联苯( p o l y c l d o r ob i p h e n y l s ) 等。另外，污泥中含有比污水中数 量高得多的病原微生物，主要有细菌类、病毒和虫卵等常见的细菌有沙门氏菌、 志贺氏菌，致病性大肠杆菌、埃希氏菌、耶尔森氏菌和梭状芽苞杆菌等，常见的病 毒有肝类病毒、呼肠病毒、脊髓灰质炎病毒、科萨奇病毒，轮状病毒等，常见的虫 卵有蛔虫卵、绦虫卵等同时，污泥中一般含有较大量的重金属物质。当城市污水 以生活污水为主时，重金属的含量一般都较低；当城市污水中含有较多的工业污水 时，重金属物质明显偏高因此，对污泥如不加以有效的处置，任意捧放就会对环 境造成严重的污染i l j 对于城市污水厂污泥的消纳，一般分为两个阶段来考虑：第一阶段是处理，第 二阶段是处置。其中，处理是为了满足处置工艺对污泥进行的预加工；处置则是污 泥最终进入环境前的处理步骤，因此有时也称作最终处理与其他废弃物处理处置 一样，污泥处理和处置也是以减量化、稳定化、资源化和无害化为目的，污泥的处 理处置技术系统和常用技术如图1 一l 所示。 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。根据 对全国2 9 家城市污水厂的调查，每处理万吨污水的污泥产量为0 3 3 0 d s p ) ，而每 处理一吨干污泥需耗费1 0 0 0 3 0 0 0 元，随着我国的城市污水和工业废水处理率逐年 提高，处理处置污泥的费用将相当惊人我国近年来建造的污水处理厂中相当部分 建有污泥处理设施，但由于污泥处理费用庞大，约占污水处理系统总费用的2 5 3 0 ，这些设施中绝大部分事实上并未投入使用。图l 所示的污泥处理处置流程 中，影响污泥处理处置成本的关键步骤是污泥调理因为，污泥无论是焚烧还是填 埋，脱水不彻底、泥饼含水率高会增加污泥处置的成本，而污泥脱水程度的高低又 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 取决于污泥调理过程。 原污泥 浓缩( 重力浓缩、 气浮浓缩，离心浓 缩等) 干燥与焚烧( 自然干 化，多段焚烧炉、回 转焚烧炉、流化床焚 烧炉等) 稳定化( 厌氧消化、好氧消化， 石灰稳定化、湿式氧化等) 脱水( 自然、真空过 滤、板框压滤、带式 压滤、离心脱水等) lj 调理( 化学调理、 淘洗、热处理、冻 融法等) 图1 - 一1 污泥处理处置流程 污泥的调理方法主要有化学调理和物理调理两种方法，本文以国家自然科学基 金项目为依托，通过磁化处理的方法，研究污泥调理过程中污泥性质的改变，主要 包括污泥胶体稳定性和污泥吸附性能的交化，以及污泥颗粒形态的改变 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外污泥调理的技术现状和研究进展 污泥调理是通过一定的方法改善污泥的脱水性能，使其在后续的脱水工艺中最 大程度地去除水份目前污泥调理的方法主要有化学法和物理法 1 2 1 1 化学调理污泥的应用现状和研究进展 化学调理法就是在污泥中加入如助凝剂、混凝剂之类的化学药剂，使颗粒絮 凝，改善脱水性能。 助凝剂本身一般不起混凝作用，而在于调节污泥的p h 值，改变污泥颗粒的性 质、结构，破坏胶体稳定性，供给污泥以多孔状格网的骨骼，提高絮凝剂的絮凝效 2 苏州科技学院硕士论文第一章绪论 果，增强絮体强度等。过去常用的助凝剂主要有一些填充料如硅藻土，锯屑和石灰 等惰性物质 近年来也有一些新型的助凝剂被投入使用，如表面活性剂型助凝剂在矿浆脱水 领域与其他混凝剂合用，有较好的效果硼。研究者认为混凝剂能提高过滤速度，但 会引起滤饼水份的增加，而表面活性剂能降低滤饼的水份，但对提高过滤速度的作 用不大，它们的混合使用往往能获得良好的效果，例如在镍精矿过滤实验中，将混 合型表面活性剂c m - i 与絮凝剂s d - 4 2 配合使用，结果加快了精矿过滤速度，滤饼 水份也从2 7 3 降低到2 4 6 在污水厂污泥处理中还出现了一些药剂不能完全算是助凝剂，但它们也被用来 与混凝剂合用来改善污泥脱水性能。一种包含了碳水化合物酶、脂肪酶和蛋白酶的 水解酶制品被用于改善污水厂污泥的脱水性能1 4 】，在投加量为2 5 p p m 时，污泥的 c s t 值最小，在带式压滤机上使用也使滤饼含固率提高，研究者认为是由于水解酶 分解了高度亲水的大分子有机物。同济大学的陈东p 】进行了溶菌酶催化分解污泥和 改善污泥脱水性能的研究，认为溶菌酶能够催化水解菌的细胞壁，释放出污泥细胞 内包含的水份，从而改善剩余污泥和消化污泥的脱水性能，与混凝剂p a m 合用效果 较好还有过氧化氢与硫酸亚铁合用来改善造纸厂活性污泥的脱水性能的报道 6 1 常用的混凝剂有无机混凝； ! 和有机高分子混凝剂两类，无机混凝剂有铝盐和铁 盐等，如氯化铝、硫酸铁、氯化铁及聚合铝( p a c ) 等，在污泥处理中常用的有机高分 子混凝剂主要是聚丙烯酰胺( p a m ) ，它分为阴离子型、阳离子型和非离子型三种， 对于污水厂污泥，阳离子型p a m 效果最好，但价格昂贵，将无机混凝剂与p a m 合 用能节省p a m 的投加量，从而降低调理费用；也有报道【刀认为将阳离子表面活性剂 h d t m a 与p a m 合用来调理厌氧消化污泥比较经济近年来也有不少新型合成的高 分子聚合物用于污泥脱水中，如高稳定活性硅酸s p s a 0 1 ，在剩余活性污泥中投加 2 m 干污泥量的s p s a ，在5 1 0 4 p a 真空抽滤脱水，污泥含水率从9 9 7 降到 7 0 0 * 6 ：李多松1 9 等研发的k h y c 高效混凝剂被认为明显优于国内常用的p a m ，脱 水效果好，滤饼含水率低，加药浓度低，因而大大降低了处理费用 混凝剂用于污泥调理的原理主要有压缩双电层和吸附架桥两种机理i l e l 由于污 泥颗粒表面上带有负电荷，造成相互之间的静电斥力，形成聚集稳定性，加入无机 混凝剂后水解出的带正电荷的离子中和污泥颗粒表面的电荷，压缩了污泥表面的双 电层，从而促成污泥颗粒脱稳、絮凝，这也就是d l v o 理论吸附架桥是指絮凝剂 水解形成的高分子对污泥颗粒有强烈的吸附作用，构成污泥颗粒之间的。架桥作 用0 形成网状结构的大颗粒絮体，从而使泥水分离，污泥比阻和c s t 值降低，无 机絮凝剂和有机高分子絮凝剂均可能产生吸附架桥作用。 另外，胶体的聚集稳定性并非都是由于静电斥力引起的，胶体表面的水化作用 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 往往也是重要的因素i “1 某些胶体( 如粘士胶体) 的水化作用一般是由胶体电荷引 起的，且水化作用较弱，因而粘土胶体的水化作用对聚集稳定性影响不大，因为一 旦胶体邪幻电位降至一定程度或完全消失，水化膜也随之消失但对于典型的亲水 胶体( 如有机胶体或高分子物质) 而言，水化作用却是胶体聚集稳定性的主要原 因它们的水化作用往往来源于粒子表面的极性基团对水份子的强烈吸附，使粒子 周围包裹一层较厚的水化膜阻碍胶粒相互靠近，因而使范德华力不能发挥作用实 践证明，虽然亲水胶体也存在双电层结构，但z e f a 电位对胶体稳定性的影响远小于 水化膜的影响，因而对于亲水性胶体的稳定性，还不能用d l v o 理论来描述所 以，改善亲水性胶体例如剩余活性污泥的脱水性能，也可以考虑从污泥的水化作用 方面着手，降低水化作用或去除弓f 起水化作用的胞外聚合物应该是一个途径，前文 叙述的采用水解酶、氧化剂等来调理污泥就是为了去除亲水性的有机物。 1 2 1 2 物理调理污泥的应用现状和研究进展 物理调理是运用物理方法来改变污泥性质，主要方法包括热处理调理和冻融调 理两种【1 厶。 1 2 1 2 1 热处理调理 热处理调理是将污泥加热，污泥中的细胞被分解破坏，细胞膜中的内部水游离 出来，并且使亲水性有机胶体物质水解，可以提高污泥的脱水性能，热处理也叫做 蒸煮处理，对于脱水性能很差的活性污泥特别有效。 热处理调理主要分高温加压处理法和低温加压处理法两种工艺二者的主要区 别在于：高温加压处理法把污泥加温到1 7 0 2 0 0 ，在高压反应釜内使污泥与热 蒸汽接触进行热处理，将污泥中的胶体有机物水解。该法中当反应温度在1 7 5 以 上时，设备容易产生结垢而降低换热效率，而且分离液中的溶解性物质浓度较高 而低温加压处理法则把污泥加温并控制在1 5 0 以下低温加压处理后的污泥经分 离得到的b o d 5 浓度比高温加压法低4 0 5 0 ，锅炉容量可减少3 0 4 0 ，臭 味也大为减少。 1 - 2 1 2 2 冻融调理 一 冻融是一种通过冷冻融解来改变污泥胶体性质，进而改变污泥凝聚沉降性能的 污泥处置方法冻融后，污泥的沉降速度和过滤速度可比冷冻前提高几十倍，可自 然过滤脱水而不必加混凝剂，经真空过滤脱水可得含水率5 0 7 0 的泥饼 当细菌遭受冰冻时在细胞内能够产生一系列变化，细胞内的游离水形成冰晶 体，对细胞可能造成机械性的损伤细胞失去了可利用的水，细胞质因而浓缩使浓 度增大，甚至可导致细胞质内蛋白质部分变性。细胞外的底物也因冰冻发生一些变 化，这种内外环境的恶化是使生命活动受到抑制乃至死亡的主要原因，但其机制仍 不甚清楚。 4 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 在污泥冷冻过程中，污泥颗粒逐渐下压收缩浓集，而污泥中的水份则向冷冻界 面移动。由于冷冻层的迅速形成，有一部分污泥颗粒妨碍了水的流动，因而在新的 冷冻界面重新冷冻，使得浓集后的污泥颗粒被关闭在冷冻层中间，浓集污泥固体层 中的水份由于毛细管引力而脱水。冷冻融解后，胶体性质被完全破坏，污泥颗粒得 以迅速凝集沉降。 单连斌【1 5 1 等利用冻结融解法进行给水污泥脱水时发现，冻结使得污泥粗大化， 显著提高了污泥的过滤性和脱水性，且再融解也不会回到胶体状态美国杜克大学 的b a n uo r m c e l l l 6 】等人发现，城市污泥中的有机物质和离子影响了污泥的冻融过程 与效果冻融后上清液中含有高浓度的蛋白质和多糖物质，他们认为这是由于冻融 造成细胞破裂的缘故。只要从污泥中去除胞外多糖物质和阳离子以后，冻融污泥的 脱水性和沉降性就会有很大的提高。 由于活性污泥凝聚作用强烈，其水分子结合的程度比脱水后残余分子结合得更 加紧密，所以冻融调理难以适用于活性污泥，但对明矾污泥有极好的效果。 i 2 i 2 3 超声波调理 当一定强度超声波作用于某个液体体系时，液体中会产生大量的空化泡，这些 气泡会随着声波变化而改变大小并瞬间破灭，产生空化现象由于气泡的瞬间破 灭，会形成瞬阅热点，产生高温( 5 0 0 0 k ) ，高压( 5 0 0 xz 0 4 i d a ) ，还会产生很高的 剪切力( 射流，时速达4 0 0 k i n h ) 这些特性使超声波这种能量形式有别于机械搅拌 等其他形式，它可以在常温下完成一些需要极端条件的化学反应超声波降解污泥 主要是利用声波的能量，超声波对污泥能够产生一种海绵效应，使水份更易从波面 传播产生的通道通过，从而使污泥颗粒团聚、粒径增大，当其粒径大到一定程度， 就会傲热运动相互碰撞、粘结，最终沉淀。超声波对污泥的其他一些作用，如局部 发热、界面破稳，扰动和空化，能够使污泥中的生物细胞破壁，并且加速固液分离 过程，改善污泥的脱水性能韩萍芳【l n 等人研究了超声波对石化污泥处理后的脱水 性能，得出结论认为采用超声波处理石化污泥能够改善污泥的特性，使污泥易于脱 水以及释放出有机物，能够达到污泥减量的目的。另外，她们还指出，随着超声波 处理功率和时间的增加，滤液的c o d 提高，污泥中有机物释放量增多，污泥性质会 发生较大改变，不利于脱水，因此，在实际应用时，应根据污泥脱水以及释放有机 物的效果，综合考虑超声波处理的时间和功率的大小。 1 2 1 z 4 静电与反静电调理 静电水处理技术是2 0 世纪6 0 年代末由美国开发的一种新型水处理技术，已被 美国、开本等工业发达国家广泛用于工业水处理。2 0 世纪7 0 年代中期，我国才开 始这方面的研究 关于静电水的除垢机理，多以假设为前提，各家论述的角度不尽一致。有的认 5 苏州科技学院硕十论文第一章绪论 为是一种偶极分子，其中氧原子以共价键的形式与两个氢原子相结合。水分子中， h o h 三个原子不在一条直线上。而是形成1 0 5 。的角，水分子中负电荷重心和正 电荷重心不重合因此两个氢原子的一端稍带正电，氧原子一端略带负电，水分子 就成为一个电偶极分子，其偶极矩为6 1 7 1 0 气m 在强静电场作用下，水分子的 偶极矩增大，并沿电场方向按正负极整齐捧列，溶解在水中的盐类的正负离子被周 围数个偶极矩水分子包围，于是这些正负离子也以正负次序进入偶极水分子群中。 盐类离子的运动速度和彼此间的有效碰撞大为减少，束缚了它们不能自由活动，不 能接触器壁，从而不会沉积成垢另一方面，由于水的极化作用，使水分子趋向并 冲刷器壁，致使老垢龟裂、变形并逐渐脱落。其三，由于水分子的偶极矩增大，与 离子或极性化合物的水合能力也随之增大，使钙镁离子处于水分子的包围中，不易 形成水垢水合作用也增强了水的溶解能力，加快了水垢的溶解速度，从而静电水 具有了阻垢和溶垢的作用【l 珂 许多学者对静电场作用下水的物理性质变化作了大量的实验研究【1 9 , 2 0 1 结果表 明在静电场作用下，由于水分子和水中杂质、离子等形成了水合离子，导致水溶液 的基本性质如密度、溶解物的扩散系数，电导率、溶解能力、缔合度都有了变化 譬如说有电导率升高、水中溶解氧增加、p h 值升高等等现象。 静电场作为一个无所不在自摒境因子，与动植物的生命过程有着密切的关系 由于活性污泥是由大量的菌胶团、微生物及它们吸附的有机物所构成的生物絮体， 它也会受到静电场的作用活性污泥是一个复杂的分散体系，其中约9 0 为亲水性 的超胶体颗粒和大颗粒的凝胶，因此污泥具有胶体的性质：活性污泥中，细菌的蛋 白质含量在5 0 以上，而菌体蛋白质由氨基酸组成氨基酸是一种两性电解质，在 碱性溶液里带负电，在酸性溶液中带正电在某p i 值的溶液里，氨基酸所带的正电 荷与负电荷恰好相等，这时溶液的p i | 值即被称为氨基酸的等电点。细菌的等电点在 p f l = 2 5 之间，由于活性污泥通常处于p h = 6 8 之间的环境里，细菌表面总是带负 电因此在电场作用下，污泥絮体除有电泳现象外，其物理特性、沉降性能、脱水 性能都会有一定程度的改变研究表明【2 l 捌，静电场可提高污泥絮体对有机物的降 解能力，同一电压不同处理时间对微生物降解能力影响不同，且存在着一个最佳的 处理时间长度不同电压达到良好的处理效果所需时问不同，较低电压的所需时间 较长。同时，发现静电可以降低污泥的；电位，抑制了丝状菌的生长、控制了污泥 膨胀，从而改善了污泥的沉降性能但电流过大时，细菌大量死亡，菌胶团分散， 污泥絮体结构松散，沉降性能恶化。 6 苏州科技学院硕士论文 第一章 绪论 1 2 2 污泥胶体稳定性和污泥吸附性能的研究现状 1 2 2 1 污泥胶体稳定性的研究现状 “胶体”的概念最早是于1 8 6 1 年，格雷厄姆在比较不同物质在水中扩散速度的 实验中提出的。分散系中分散相粒子的分散度位于l o l o - m 之间。当分散相粒子 分散度小于1 0 时，体系为真溶液体系；当分散相粒子分散度大于1 0 7 m 时，体系 为租溶液体系，即悬浊液体系。可见它是介于真溶液与悬浊液体系之间的一种分散 系 胶体由于其分散相粒径小，相界面比表面积大，当胶体在电解质溶液中存在 时，在其相界面的比表面上通过吸附和溶剂化作用，将会在分散相表面形成扩散双 电层结构。这是胶体在分散系中能稳定存在的主要原因。胶体颗粒带有电性，能产 生斥力避免集结和沉淀胶体物质内部的固定层带有电荷，其性质随所吸附的离子 的价数和数日不同而异。稳定离子被紧紧吸附其上，该层之外是靠静电力吸引相反 离子而形成的外部扩散层。胶体与溶液之间的电位叫做v 电位，滑动表面与溶液之 问的电位叫作( z e t a ) 电位z e t a 电位与颗粒电荷及双电层厚度有关因为胶体 颗粒的稳定主要由于静电力的作用，所以为了产生絮凝和沉降，就必须中和这种电 荷v 电位不能量度，但z e t a 电位却可以测定，测定z e t a 电位可确定电荷大小以及 稳定程度当z e t a 电位为零时，凝聚效果最佳，称作等电点z e t a 电位的降低一般 通过以下途径：降低决定电位的粒子浓度；投加相反电荷的离子；增加溶液 中离子浓度，压缩双电层中的扩散层。 活性污泥是活性污泥处理系统中的主体作用物质在活性污泥上栖息着具有强 大生命力的微生物群体正常的处理城市污水的活性污泥在外观上呈黄褐色的絮绒 颗粒状，又称之为。生物絮凝体”，其骨干部分是由千万个细菌为主体结合形成的通 称为。菌胶团”的团粒，其颗粒尺寸取决于微生物的组成、数量，污染物质的特征 以及某些外部环境因素，如曝气池内的水温及水动力条件等，一般介于0 0 2 m m 0 2 m 之间泥水混合液一般是悬浊液体系，不属于胶体分散系，但是在二沉池中 经过泥水分离后，上清液中含有大量的未沉降下来的粒径小于0 1i tm 的胶体颗粒， 1 0 m 1 0 0 i m 之间的超胶体颗粒以及由胶体颗粒聚集的大颗粒悬浮于水中，形成 类胶体分散系污泥颗粒与粘土胶体颗粒类似，都带有负电荷，因此工业上处理污 泥时较为常用的方法是投加阳离子絮凝剂中和以降低z e t a 电位 目前对胶体稳定性的研究报道比较多，但是由于污泥中组成极其复杂，污泥胶 体的制各比较困难，国内外对于污泥胶体稳定性方面的研究还很少报道。 1 2 2 2 污泥吸附性畿的研究现状 7 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 吸附是一种表面现象，它在许多技术领域都非常重要，如应用于水质净化，提 炼金属、土壤保护、去垢等，而且在许多生物领域也得到了很好的认可捌吸附 在废水生物法处理过程中有重要作用，有机污染物可以通过污泥颗粒表面直接被吸附 去除：在生化降解过程中有机物首先被吸附到细菌体表面，然后再被细菌当作营养物 质和能量来源利用嘲。活性污泥法净化污水的过程通常分为三步 2 7 1 ：第一步，活性污 泥与污水的接触初期，通过附聚、吸附、吸收使污水中的有机物迅速降低，称之为 初期快速降解过程。第二步，有机物经水解作用分解成小分子物质，进入到细胞体内 进行分解和合成代谢作用，维持细胞的生长，污染水质得以彻底净化，称之为氧化 代谢过程。第三步，活性污泥进行沉淀分离，称之为分离过程。初期的快速降解现象 是活性污泥中普遍存在的，它是物理、化学和生物共同作用的结果即污水中溶解 性有机物通过吸附、吸收而去除：不溶性颗粒物质及胶体物质通过机械捕获、混凝、 吸附等物理过程聚附于活性污泥絮体中及表面阮捌。 细菌细胞是由原生质膜( 细胞膜) 和细胞壁以及某些细菌所特有的荚膜所组成 的细胞壁是以碳水化合物作为骨架，并由蛋白质、脂类及其它无机物所组成。它 是多孔的，具有分子筛的作用，可让水和某些化合物质通过，对大分子具有屏障作 用而对小分子则被选择性的吸收进入体内的，这主要是细胞膜起作用细胞膜是 外侧紧贴细胞壁、内侧包围细胞质的一层柔软而富有弹性的半透膜，由蛋白质和磷 脂组成磷脂呈双层平行排列，亲水基( 极性基) 朝向膜表面捧列：疏水基( 非极性基) 朝向膜内掉列。 在生物处理系统中，对溶解性有机物的初期去除作用应该说是吸附与吸收共同 作用的结果然而，吸附与吸收不能严格区分从吸附来看，它通常是物理过程：而 吸收是营养物质透过细胞膜进入细胞体内的过程，有三种形式：( 1 ) 被动吸收或单纯 扩散作用，在细胞膜两侧，由于物质浓度差的推动，高浓度一侧向低浓度一侧透 过，进入细胞体内( 2 ) 选择吸收，细胞内的基质浓度并不一定高于细胞外，但基质 能够有选择的透过细胞膜。( 3 ) 主动运输或主动吸收，是指细胞外基质在透膜酶的携 带下透过细胞膜进入细胞p k 可以逆浓度进行基质的运输。氧、二氧化碳等气体及 醇、醚等能够因单纯扩散作用进入细胞体内，但大多数物质是有选择的通过主动吸 收的方式摄入体内的，这种吸收往往是由细胞膜上的透过酶而完成。葡萄糖这类物 质就是由透过酶携带进入细胞体内的 目前有关生物吸附的研究主要涉及到生物污泥对单种溶解态的有机物和金属离 子的吸附作用嗍对生物吸附定义也有不同认识，考虑到生物污泥不同于一般的吸 附剂，它组成复杂，又具有生物活性，因而，生物吸附应该既包括生物污泥对溶解 性物质的吸附和吸收作用，也包括微细颗粒物质在污泥表面的吸着作用以及被污泥 絮体包裹的作用。 8 苏州科技学院硕士论文第一章绪论 1 2 3 磁技术的应用研究 1 2 3 1 磁化处理在选煤上的应用 在煤炭工业中，从煤矿开采出来的原煤往往有较高含量的杂质，需要进行分选 处理，矿粒界面分选的基本依据是矿粒界面性质的差异，单纯利用矿粒界面天然性 质的差异往往不足以实现有效的分选，为了扩大矿粒问界面性质的差异以达到分选 的目的，可以采用化学调节或物理调节的方法人为地改变矿粒界面的性质。边炳鑫 p 1 锄】等人通过磁化处理浮选矿浆使矿粒表面性质产生变化。得出结论认为磁化处理 能引起浮选矿浆含氧量、p h 值、表面z e t a 电位和润湿热的变化，水和矿物颗粒的 磁性会对浮选矿浆磁化效应产生影响，磁化处理浮选矿浆提高了煤的可浮性，加大 了煤与煤矸石、黄铁矿之间润湿性的差异，磁化处理能促进轻柴油在煤表面的固着 程度，削弱了轻柴油对煤矸石和黄铁矿的捕收作用，提高了轻柴油的选择性，有利 于强化煤泥浮选脱硫降灰的效果他们还对煤泥浮选过程中的浮选药剂进行了磁化 处理，以轻柴油作为捕收剂，仲辛醇作为起泡剂，研究表明磁化处理后轻柴油和仲 辛醇的表面张力和粘度都有所降低，磁化处理后轻柴油在矿物表面的吸附量增加， 在煤表面吸附量增加幅度约为在煤矸石和黄铁矿表面吸附量增加幅度的l 倍，磁化 处理起泡剂、捕收剂对煤和煤矸石的可浮性均有影响，对煤的影响较煤矸石显著， 磁化处理后水玻璃( 调整剂) 对煤矸石、黄铁矿的抑制效果增强，而对煤无明显影 响，随着磁化时间和磁感应强度的增加，磁化效应也增大，但当磁化时阃和磁感应 强度增加到一定值后，变化幅度减缓。 1 2 3 2 磁防垢机理的研究进展 近年来，强磁场及脉冲磁场处理技术已开始应用于水处理技术唧，并取得了显著的 效益，且磁处理技术已与光电超声波等物理技术、化学投药法以及生物技术协同处 理工业用水嘲，磁处理技术初步向有效利用磁场的能量及注重对磁场强化机理的研究 方向发展。受到各种外界因素影响之后，水的性质会发生不同寻常的变化例，而地磁场 每时每刻都在不断变化；水系统又是一个复杂的介稳定系统，其性质并非单一地和 累积地取决于尚未完全揭示的因素，同时永系统又是一个微观多相体系，在许多情 况下必须考虑相问界面的大量存在及其影响因此，解释磁处理的物理机制，必须 牵涉到液体理论中许多尚未解决的问题，而这些问题的解决与水系统的磁处理是互相 促进，互相制约的。 目前对磁防垢机理的研究主要有以下6 种学说：( 1 ) 磁场改变水的电荷分布和晶 体结构水分子在磁场中，其电子的运动状态会发生改变，使分子的正负极性发生变 化。从而改变了水的电荷状态1 3 刀。磁场对水分子的晶体结构也有影响，由于洛仑兹力加 9 苏州科技学院硕士论文第一章绪论 速碰撞导致水结构的第二水化层被挤而脱落，呈单分子水弥散于水系中p q ，这样水的 结构在磁场中变小，离子水化程度减弱，使晶核形成容易。结晶中心增多，增加了绝大 多数钙镁离子与负离子的相遇机会，这就造成结晶状态的变化( 晶粒细小，沉淀物变疏 松，有纹理) 1 3 7 l ，水溶液的粘度、表面张力等均会发生相应的改变。( 2 ) 磁场将引起液 体分子的内共振并诱发电偶极作用，使分子内部的键合发生变化或破裂，改变了分 子构型，造成液体物理性质的变化。有的学者从分子内部固有振动考虑，液体分子 在外磁场中引发同频率腋变电场，此交变电场将引起分子内共振嗍。以水为例，其内 振动有3 种不同状态，某种磁场会加强某种振动，影响内部的键合，使分子的构形发 生变化。实验表明，磁化后由于分子的内振动增大使分子处于某种振动激发状态， 使其电偶极矩增大振动能增大，则分子跃迁的频率相应增大，分子的跳动速度大， 粘度相应变小1 4 e 1 红外光谱和激光喇曼光谱证实了这一点，磁场作用后确实能改变 吸收峰的强度1 4 n 有的学者从分子间的电偶极作用出发研究在外磁场中各电子轨道 磁矩的运动，认为这种运动能引发变化磁场，因此激起涡旋电场，使分子本身进一步电 极化，产生诱导电偶极子，对分子问相互作用产生影响。( 3 ) 磁场的作用改变了溶液 中晶核的生成速率和晶体生长速度，水中微晶增多，稳定性增强，不容易在锅炉壁 上结垢1 4 2 耿殿雨等1 4 3 ) 提出了磁致胶体效应学说，认为在胶体溶液中，胶团中有未成 对的电子自由基，其寿命为1 1 t s ，分子团或胶团的磁矩不为零对磁场的作用表现得很 敏感。胶体粒子表面带电荷，导致附近极性介质中离子的重新分布，出现双电层，磁处 理能使电荷发生定向运动，促进了双电层的形成这种亚稳的双电层结构可持续较长 时问，有关细节问题可用均相成核和l f 每介晶核理论进行定性讨论1 j d d o n a l d 等【4 5 】 研究了磁处理海水的防垢机理研究表明，磁处理后溶液的结晶成核过程有了显著 改变，晶粒尺寸增大1 9 9 , 4 年日本学者k h i 触i t a i l i 等人嗍用光散射装置仔细研究 了磁场对水中c 矿和c 0 3 2 反应生成c a c 伤的化学反应过程，发现磁处理能有效地抑 制离子的活性，降低了沉淀物的数量，磁处理后沉淀晶粒发生明显的变化，晶粒尺寸增 大，并发现有少许针形晶体存在，其结果与j d d o n a l d 等人的实验结果一致杨筠【4 7 l 等用磁场处理n a h c 0 3 水溶液，观察磁处理前后纯碱结晶颗粒的数量、粒度及晶型，发 现磁处理能使成核速率增加2 0 1 6 0 ，晶粒尺寸增大1 0 3 0 。( 4 ) 磁场引起水 的微观多相结构的改变。对于稀水溶液，实验发现【椰】，其双折射率随着外加磁场的 增加而升高，即水溶液的各向异性随着磁场的增大而加强，磁处理水具有有序结构。 5 ) 磁场能在液体中引起附加磁矩、附加能量和附加磁场，这些附加量的综合作用， 使抗磁性液体的内聚力减少，分子势垒降低，引起物理性质的变化嗍( 6 ) 有的学者 从晶体结构的各向异性角度研究磁场对水的作用和防垢机理i 明，认为c a ( h c 0 3 h 分 子能与许多水分子通过氢键结合起来，其抗磁性和形状具有明显的各向异性，磁处理将 使这个缔合物的平面沿流动方向作有序的取向，沿水流方向粘滞性交小，不易结垢。 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 国内外对磁处理机理的研究仍处在提出假设和论证阶段，目前磁处理的机理研 究遇到的主要困难是：对磁化前后物理化学性质变化难以测定。由于实验条件不 同或操作不严格，或没有抓住影响磁处理结果的真正要素，故有的人测得正结果， 有的人测得负结果，对磁处理的机理目前还缺乏较完整的能说明实验结果的理论； 现有的理论都不能解决磁处理的记忆效应问题；磁场强度和流体的流速与磁处 理效果间均存在多极值关系，对此还没有提出一个合理的解释；对磁场能否使液体 发生相变，能否引起氢键断裂等问题，未能进行系统的理论研究和实验验证，尤其 缺乏定量的理论计算。 由于磁防垢的机理问题至今还未能进行较充分的研究，因此，在磁技术的应用 当中往往傲不到根据具体情况优化磁化参数及使用最佳磁场。在某些应用实例中， 由于参数不当使磁效应不明显甚至出现负效应，这种状况直接影响了这项技术的推 广和应用，阻碍了这项技术的进一步发展。因此，开展磁防垢机理的研究，对指导 磁处理技术的推广应用和健康发展有着极为重要的意义。 1 2 3 3 污水处理中的磁生物效应 王祥三等1 5 1 】对磁化处理对微生物的活性影响、灭菌作用等方面做了研究，初步 揭示了磁化处理污水的机理在检验磁化处理对微生物的影响方面，他们认为有机 污