（环境工程专业论文）超声波处理改善污泥干燥特性方法的探索.pdf

摘要 污泥作为市政污水处理不可避免的副产物，给城市环境带来了越来越多的危 害。首先污泥产生量大，虽经压滤脱水，但由于其含水量高体积大，不仅给运输 和处置带来不便而且还导致了高成本；其次，污泥堆放时会发生厌氧反应产生以 如s 为主的恶臭气体污染环境。本文针对污泥的这两个问题进行了两部分的研究， 首先研究了h 2 s 产生与含水率等的关系，进一步探索了超声波处理改善污泥干燥 特性的新方法。 在3 6 。c 的厌氧条件下对不同含水率的九组污泥进行了产h 2 s 气体规律的研究。 结果显示，新鲜剩余污泥会在堆放的前4 0 日内周期性产生h 2 s 气体。污泥的含水 率对于污泥5 2 5 日内的h 2 s 产生量影响很大。在实验条件下，含水率为9 3 7 5 的污泥在该段时间内的累计h 2 s 产生量为1 1 8 9 6 9 m g k g 干污泥，而含水率为 1 0 3 3 污泥的该量为1 1 1 3 1 m g k g 干污泥，后者约为前者的9 4 。5 日之前和 2 6 - 4 0 日的区间内含水率的影响很小。 分别研究了絮凝沉降污泥( 含水率9 5 0 2 ) 和压滤脱水污泥( 含水率8 2 9 2 ) 两种不同含水率的污泥通过超声波作用处理后，分别在2 5 0 、1 5 0 c 和常 温( 1 2 c 1 5 ) 三种干燥条件下的干燥特性。结果表明，含水率9 5 0 2 和8 2 9 2 的污泥经过超声波处理可以明显改善其在2 5 0 和1 5 0 干燥条件下的干燥速 率。在相同条件下经超声波作用的污泥干燥后的含水率低于未作用的污泥。但在 常温( 1 2 1 5 ) 条件下，经超声波处理的污泥干燥没有明显改善作用。 通过超声波作用对污泥干燥速度的提高和在相同条件下含水率的降低使超 声波处理有望成为污泥低成本干化，及减少臭气产生的一条有效方法。 关键词：污水污泥厌氧反应h 2 s 超声波沉降性干燥含水率 a b s t r a c t a st h eb y - p r o d u c to f m u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n t , s e w a g es l u d g eh a db r o u g h tt oc i t i e s l o t so fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s f i r s to fa l l ，a l t h o l _ l g hh a db e e nd e w a t e m d , s e w a g e s l u d g es t i l lc o n t e n t e dm u c h w a t e rw h i c hc a u s e dp r o b l e m si nt r a n s p o r t i n g ，d i s p o s i n g a n da l s oi nh i 【g hi n v e s t m e n t s e c o n d , w h e nt h es e w a g es l u d g ew a su n d e ra na n a e r o b i c c o n d i t i o n , i tw o u l dr e l e a s eo d o rg a s e ss u c ha sh 2 sw h i c hw a sd e l e t e r i o u st o e n v r i o n m e n lc o n c e r n i n gt h e s et o wp r o b l e m s ，t h i sa r t i c l er e s e a r c h e dt h er e l m i o n b e t w e e nt h ew a t e rc o n t e n to fs e w a g es l u d g ea n dt h ee m i s s i o nr a t eo fh 2 s f u r t h e r m o r e ，i ta p p l i e du l t r a s o n i ct r e a t m e n tt oi m p r o v et h ed r y i n gp r o p e r t i e so f s e w a g es l u d g e i nt h ef i r s tp a r t , t h ee m i s s i o nr a t e so fh 2 sf r o mt h es e w a g es l u d g ew i t h9d i f f e r e n t w a t e rc o n t e n t sw e r er e s e a r c h e du n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h ee m i s s i o no fh 2 sf r o md e w a t e r e dw a s t ea c t i v a t e d s l u d g e ( w a s ) f l u c t u a t e d p e r i o d i c a l l yw i t h i na b o u t4 0d a y s t h ea f f e c t i o no f w a t e r c o n t e n to nh 2 se m i s s i o nr a t e o fs e w a g es l u d g ew a sm a i n l yd u r i n gt h e5 2 5d a y si nw h i c ht h eh 2 se m i s s i o nr a t e f r o mt h es e w a g es l u d g ew i t haw a t e rc o n t e n to f9 3 7 5 w a s11 8 9 6 9m e c k gd r y s l u d g e ，a n dt h eo n ef r o mt h es e w a g es l u d g ew i t haw a t e rc o n t e n to f1 0 3 3 w a so n l y 1 1 1 3 1 m g ，l 【g d r ys l u d g e w h i c h w a s o n l y9 4 o f t h e f o r m e r o n e i no t h e r p e d o d s ，t h e a f f e c t i o ro f w a t e rc o n t e n tw a sl i m i t e d t h ed r y i n gp r o p e r t i e so f t w ok i n d so fs e w a g es l u d g e ，s e w a g es l u d g ea f t e rf l o c o u l a t i o n a n ds e t t l i n g ( w a t e rc o n t e n tw a s9 5 0 2 1a n dt h eo n ea f t e rm e c h a n i c a ld c w a t e r e d ( w a t e rc o n t e n tw a s8 2 9 2 ) ，w e r et e s t e da f t e ru l t r a s o n i ct r e a t m e n ti nt h et e m p e r a t u r e 2 5 0 c ，1 5 0 ca n dn a t u r a lt e m p e r a t u r e0 2 c 一1 5 c ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t u l t r a s o n i ct r e a t m e n tc o u l di m p r o v et h ed r y i n gv e l e c i t yo ft h e s et w ok i n d so fs e w a g e s l u d g eu n d e rt h et e m p e r a t u r e so f2 5 0 ca n d1 5 0 c b u ti nt h en a t u r a lt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n , u l t r a s o n i ct r e a t m e n th a dn oe f f e c t i v ef i a n a i o n t h ei m p r o v e m e n to fd r y i n gv e l o c i t yo fs e w a g es l u d g ea n dt h ed e c r e a s eo ft h ef i n a l w a t e rc o n t e n ti nt h es a m ec o n d i t i o nm a d eu l t r a s o n i ct r e a t m e n tap r o m i s i n gm e t h o dt o n n d o w n t h e d i s p o s i n g c o s t o f s e w a g es l u d g e a n d l i m i t o d o r p o l l u t i o n f r o m i t k e y w o r d s ：s e w a g es l u d g e ，a n a e r o b i cr e a c t i o n ，h 2 s ，u l t r a s o u n d ，s e t t l i n ga b i l i t y , s l u d g ed r y i n g ，w a t e rc o n t e n t 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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂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：虢乏秽欠也签字日期：y 彤年y 月l i l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫凄盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁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) 学位论文作者签名：出微业 签字日期：y 年y 月v 日 导师签名： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 污水污泥的产生及特点 第一章绪论 目前，在城市污水的处理方法中，生物处理技术以其特有的方法、经济和环 境优势，一直占据着主要地位。而污水污泥，作为生物代谢的必然产物，是污水 处理系统无法避免的副产物。 1 1 1 污水污泥的产生 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，从污水中去除溶解态和胶体状的有机物，从而达到污水净化 的目的。在这一过程中，微生物获得营养和能量，进一步合成新细胞。在稳定运 行的生物处理系统中，为了维持稳定的生物量，需要从系统中排出一部分生物细 胞，以剩余污泥或者脱落的生物膜排放，形成污水污泥。污泥作为污水处理的副 产物，占污水量的o 3 - - 0 5 ( 体积) 【l 】或者约为污水处理量的1 - - 2 ( 质量) ： 如果进行深度处理，污泥量还将增加0 5 1 倍。污水处理程度的提高，必将导致 污泥数量的增加。 污水处理厂污泥的增加，已经成为世界各国所面临的一个比较棘手问题。 尽管西方发达国家由于工业化的进程早，污水处理技术比较先进、处理程度较高， 但是污泥处理仍是市政管理的重要问题之一。并且，随着人口的增加、市政服务 设施的不断完善，欧、美等发达国家的污泥产量大约以每年5 1 0 的速度递 增。以美国为例，1 9 9 8 年全美的千污泥产量为6 9 1 0 6 t ，1 9 8 6 1 9 9 6 年期间， 只经一级处理的污水量减少了4 ，二级或更高级处理的污水量增加了2 ，假 设以这种速度发展，预测到2 0 1 0 年污水污泥的产量将达到8 2 1 0 6 t ，产量将增 加1 9 。 目前，我国已经建成并运行的城市污水处理厂4 0 0 多座，年处理能力为11 3 6 x1 0 8 m 3 。据预测，随着城市污水数量的不断增长，到2 0 1 0 年，污水排放量将达 到4 4 0 1 0 8 m 3 d ，2 0 2 0 年污水排放量将达到5 3 6 1 0 8 m 3 d r e ) 。目前，我国的污水 处率只有4 5 ，而城市污水处理厂每年排放的干污泥大约为3 0 1 0 4 t ，并且以 每年大约l o 的速度增长。 另一方面，污泥处理耗费很大的工程，处理费用占到污水处理厂总运行费 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 用的2 5 4 0 ，有的甚至高达6 0 1 3 】 1 1 2 污水污泥的成分及特点 从二级生物处理工艺排出的污泥主要由悬浮污泥絮体构成，而絮体主要由 大量的分散微生物细胞通过胞外多聚物( e p c ) 、c a + 等阳离子和其他细颗粒架桥 而组成。 除此以外，污泥还包含有十分复杂的成分，不仅有可被利用的有益成分， 如有机物、腐殖质和矿物质等，还含有对环境和动植物都会产生危害的成分，如 重金属、难降解的有机物等。 1 1 2 1 污泥中的水分 污水厂生物处理工艺产生的新鲜剩余污泥的最主要成分就是水分。未经处理 的原始污泥中含有大量的水分，含水率通常达到9 5 以上，原始污泥经机械脱水 处理后可使得含水率降低至8 0 左右。污泥中的大量水分，使得污泥的体积增大， 从而给后续的运输和处理处置带来很大困难。研究显示，在通常的情况下，当污 泥的含水率降低到8 5 时，污泥的体积可以降低到原来的1 3 , 当含水率降低到 6 5 时，体积也会相应的降低到原来的1 7 ；污泥含水率进一步降低到2 0 时， 体积也只剩下原来的1 1 6 。污泥含水率降低的同时也可以降低污泥处理及最终处 置的费用。除此以外，由于水分的存在，使得污泥容易发生变质反应，带来恶臭、 土壤污染等一系列的环境问题。因而，有效减少污泥中的水分一直是污泥处理处 置过程的一个不容忽视环节。 污泥中水分有多种存在形式，不同的存在形式对于污泥处理有不同的影响。 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i 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 d 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： y p = p ne x p ( - 毒= ) l - 1 几 其中，p 为结合水蒸汽压；办为纯水蒸汽压；y 为水的汽化潜热。 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6 5 8 5 ，是污泥浓 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 缩的主要对象。 ( 2 ) 表面吸附水，这是由于表面张力作用所吸附的水分。表面吸附水用普 通的浓缩脱水方法去除比较困难，用混凝电解质使胶体颗粒的电荷中和，颗粒凝 聚，比表面减小，表面张力降低，表面吸附水随之从颗粒上脱离。 ( 3 ) 毛细结合水，两固体颗粒接触表面之间、固体颗粒自身裂缝中存在着 各类毛细结合水，占污泥总含水量1 5 2 5 。重力浓缩不能将毛细结合水分 离，而需借助机械脱水才行； ( 4 ) 内部结合水，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，初沉泥内部结合水少于二沉泥。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。该部分水占污 泥含水总量的l o 。 1 1 2 2 污泥中的有机物和营养成分 污泥中含有大量有机物、腐殖质以及植物生长所需要的氮、磷、钾、钙、 镁、锌、铜、铁、硫等可以被植物吸收和利用的有益成分【4 】。 由于受到来源和生产日期影响，不同地区污水处理厂污泥的养分含量相差 很大。一般经济发达地区污泥中有机质含量较高，例如，西方发达国家的污水污 泥中有机物含量可以达到7 0 8 0 ，而我国污泥的有机质平均含量只有 3 7 1 t ”。我国各地城市污泥氮含量没有明显的规律性。南方城市污水处理厂污 泥中磷含量普遍比北方污水处理厂高；同一地区城市污泥中钾的含量变化不大。 表1 - 1 列出了城市污水处理厂污泥中的主要营养成分。 带有化学除磷脱水污泥 项目湿污泥 的污泥带式脱水板框压滤机 干固体含量4 0 ( 1 6 1 6 )6 4 ( 1 6 - 1 4 )2 4 0 ( 1 2 3 6 ) 4 2 o ( 2 8 7 1 ) 灼烧减量3 9 5 ( 2 ，5 - 8 2 )4 0 o ( 1 9 7 2 )4 2 0 ( 9 叮5 )2 8 2 ( 1 8 - 5 6 ) 总氮 2 6 ( o 5 - 1 2 3 )3 6 ( 1 7 1 0 7 )2 8 ( 1 1 - 5 )1 4 ( 1 o 1 8 ) 无机氮1 0 ( 0 8 - - 4 0 )1 4 ( 1 o 5 3 )1 1 ( 0 7 - 1 4 )o 1 ( o o l - 4 ) 2 ) 磷 2 0 ( o 4 - 5 4 ) 3 9 ( 1 2 - 7 4 )1 9 ( 0 5 - 5 5 )1 8 ( 0 6 5 2 ) 钙8 o ( o 5 4 0 )7 5 ( 2 2 2 7 5 )7 5 ( 1 5 - 1 6 ，8 )2 2 5 ( 8 5 缶5 ) 钾 o 2 ( o 0 2 1 4 )0 2 ( 0 0 5 1 4 )o 2 ( 0 1 - 1 2 )o 2 ( o 1 1 0 ) 镁0 5 ( o 0 1 2 7 )o 8 ( o 0 2 1 3 )o 6 ( o 1 2 5 )o 7 ( o 卜0 5 ) 天津大学硕士学位论文第一章绪论 钠 o 5 ( 0 0 4 - , i 2 ) i0 4 ( o 1 0 8 ) i 注：本表参考污泥处理技术及装置，表中括号前数据为平均值，括号中为范围值。表中 除干固体含量是与湿污泥比较外，其余都是与干固体量做比较。 从长远来看，随着二级污水处理工艺的增加，氮、磷含量也将增加，这将 有利于污泥土地利用和堆肥。通常，新鲜污泥中有机物含量越高，消化分解的程 度越高。污泥中有机物养分和微量元素可以明显改善土壤的理化性质，改善土壤 结构，促进团粒结构的形成，调节土壤p h 值和阳离子交换量，将对土壤容重， 增加土壤孔隙和透气性，以及田间持水量和保肥能力等；城市污泥还可以增加土 壤根际微生物群落生物量和代谢强度、抑制腐烂和病原菌【6 】。污泥农用，可以减 少化肥施用量，从而减少农业成本和化肥对环境的污染。 1 1 2 3 污泥中的有害物质 ( 1 ) 病原微生物 污水中含有大量的病原体( 病原微生物和寄生虫) ，实验室研究表明，加到 污泥悬浮液中的病毒能与活性污泥絮体结合从而进入污泥中，并且这一过程符合 f r e u n d l i c h 吸附等温方程【7 j 。在新鲜的污泥中，检测得到的病原体多达千种。不 仅剩余污泥中含有大量的细菌、大肠菌群、蛔虫卵和肠道致病菌等，即使经过中 温消化后的污泥，除肠道致病菌可被杀灭外，细菌、大肠菌群、蛔虫卵等的残留 数量仍很可观。以天津纪庄子污水厂为例，其生污泥、剩余污泥和消化污泥中的 肠道致病菌检出率分别为1 0 0 、6 6 7 、0 ，细菌总数分别为4 7 4 7 1 0 5 个幢、 7 3 8 1 0 5 个馆、3 8 3 1 0 5 个馆( 干泥) ，大肠菌群分别为2 0 0 x1 0 5 个g 、1 8 3 1 0 5 个，g 、1 6 1 0 5 个g ( 千) t s 。 ( 2 ) 重金属元素 在污水处理过程中，大概7 0 9 0 的重金属元素通过吸附或沉淀而转移 到污泥中。城市污水处理厂污泥中重金属的种类和含量变化很大，无一定规律可 寻，主要取决于工业废水排入的情况。重金属是限制污泥大规模农用的主要因素。 由于重金属在土壤中是不可降解的，所以污泥作为肥料施用时，其中的重金属大 部分积存在耕作层，重金属水溶性部分将随水进入植物的器官和细胞，危害植物 1 9 。重金属毒性作用的轻重程度与重金属的种类和浓度、土壤性质、p h 值、污泥 及土壤的有机物质、f e 、m n 的含量以及植物的种类都有密切的关系。鉴于重金 属的毒性，各国都在污泥排放和农用标准中，对重金属的含量进行了严格的限制。 表1 2 中，列出了我国4 4 个城市污水处理厂污泥中的重金属含量以及国标中规 定的重金属排放量。 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 - 2 我国城市污水处理厂污泥中重金属含量统计( 单位：m g k g ) 项目 c d c u p bz nc rn i a g a s 平均值 3 0 3 3 3 8 9 8 1 6 4 0 97 8 9 8 22 6 1 1 5 8 7 8 05 1 l 4 4 5 2 最大值 最小值 中值 2 4 1 03 0 6 8 4 0 2 4 0 0 0 0 4 2 0 5 0 01 4 1 1 8 0 4 6 7 6 0 4 6 0 0 5 6 0 0 0 0 1 00 2 0 4 1 3 4 1 3 3 7 0 1 1 00 1 2 0 1 9 1 6 71 7 9 0 01 0 4 1 21 0 4 1 21 0 1 7 04 0 8 51 9 01 4 6 0 中国污泥标 准( g b 4 2 8 4 )5 2 02 5 0 5 0 0 3 0 0 1 0 0 05 0 0 1 0 0 06 0 0 1 0 0 0 1 0 0 2 0 05 1 57 5 + 中国污泥标准( g b 4 2 8 4 ) 中“，”前后分别为国标中对酸性土壤( p h 6 5 ) 中重金属含萎的要求。 ( 3 ) 有机有害物质 对污水处理厂污泥中有机有害物质主要来源于化学工业，特别是与碳和氯有 关的化学工业。例如，多氯代联苯多来源于塑料生产和加工工业，以及胶合剂生 产工业；氯化苯曾经作为农药的主要成分而在2 0 世纪7 0 年代以前广泛使用。虽 然这一类的农药已经在世界许多国家禁用，但是其作为化工生产的副产品或废弃 品仍将长期存在；氯化二苯并二曝英和氯化二苯并呋喃则存在于农药工业和化工 工业废水，并经由污水处理转移到污泥中。这些有机物质的一个共同点就是对人 体和动物有极大的危害，对环境也具有很高的危害性，所以国外及世界卫生组织 在1 9 8 4 年将它们列入污水处理厂污泥需检测的物质。 目前可确定的主要有机有害物质有多环芳香族碳氢化合物、多氯代联苯、 氯化二苯并二嗯英、氯化二苯并呋喃、有机氯农药和氯化苯、有机卤化物等。根 据国外有关检测资料，污水处理厂污泥中有机有害物质含量情况如表卜3 所示。 表1 3污水污泥中有机有害物质含量 含量( 干固体) ，含量( 干固体) 有害物质名称有害物质名称 ( m 强g )( m g k g ) 多环芳香族碳氢化合物 0 0 9 0 1 0 0 0 0 六氯苯 0 0 0 5 0 0 4 5 多氯代联苯 0 0 0 4 3 8 4 0 0 五氯苯酚 o 0 0 1 o 0 3 8 d d t0 0 0 1 0 4 9 0 注：资料来源十污泥处理手册( 续) 天津大学硕士学位论文第一章绪论 除以上有害物质以外，污泥中还含有其它物质也将对环境带来危害。 污泥中的氮、磷等矿物质，一方面作为有利于植物生长的有益成分存在于 污水处理厂的污泥中，另一方面，过多的存在又有可能对环境产生污染。特别是 在土质疏松的地区，当污泥中的有机物分解速率大于植物对氮、磷的吸收速度时， 这些过量的物质就会随着水力循环进入地表水体造成水体的富营养化；进入地下 水体引起地下水的污染【1 0 】。 另外，当污泥中含盐量较高时，会明显提高土壤的电导率，破坏该地区植 被养分平衡，甚至直接伤害植物的根系，造成农业和林业的损失。 鉴于以上对污泥中各种成分的分析，可以看出，污泥中既有丰富的营养物 质，可以被植物等利用，又含有大量的重金属等有毒有害物质，会对环境和动植 物造成极大伤害。因而，对于污泥必须采取有效的处理和管理措施，减少对环境 的危害。 1 1 3 污水污泥处理的目的和意义 污泥中的成分及其复杂，既含有大量有机质，又含有有害的重金属、病原 微生物等，处理和处置的费用高、堆放风险大。因而，如何安全、经济、合理地 处置和利用污水厂的污泥一直是当今世界各国十分重视的研究课题。 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 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 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。目前，对于污泥的最终处置， 大部分国家选择了废弃的方法。 随着环境问题的突出，对于污泥资源化的呼声也越来越高。传统的对污泥 废弃的方法已经不能适应环境保护资源回收的要求。因此，综合考虑各方面的因 素，以稳定化、无害化、减量化和资源化为目标，对日益增多的污水厂污泥进行 处理，杜绝不确定因素对环境可能造成的冲击和意想不到的污染物在不同介质之 间转移，使其不会成为城市生活的副产物而危害环境。 1 2 污水污泥的处理与处置技术 不同地区不同污水处理工艺所产生的污泥性质差别很大，相对应于这些差 异，往往采用不同的处理和处置方式。影响处理处置方式选择的主要因素有：工 艺技术难易程度、环境影响程度、处理成本、资源化利用价值及其它因素等。虽 然采用的方式不同，但是最终的目的都是实现污泥的稳定化、无害化、减量化和 资源化。图1 - 1 中所列为不同的污泥处理处置方法的选择和组合。 剐 象 熙 浆 污泥处置 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 污泥处理 图1 1 污泥处理工艺选择 污泥处理是指污泥经过单元工艺组合处理，达到“减量化、稳定化、无害化” 目的的全过程。 从污水生物处理构筑物排放出来的污泥含水量高达9 9 以上，不利于后续处 理，所以要首先进行浓缩，去掉一部分水分。而经过浓缩的污泥含水率依然达到 9 5 ，不利于其它处理工艺，需要进一步去除水分。污泥脱水是整个污泥处理工 艺的一个重要的步骤，其目的就是使固体富集、减少污泥体积，为污泥的最终处 置创造条件。一般通过机械脱水后的污泥含水率可以达到7 7 8 5 。有时为 了提高脱水的效果会在脱水之前对污泥调制，改善污泥脱水的性质，减小水与污 泥固体颗粒的结合力，加速污泥脱水过程。 1 2 1 1 污泥干化 为了进一步降低脱水后污泥的含水率需采用干化工艺。干化，顾名思义就是 利用热能将污泥中水分快速蒸发的一种处理工艺i i l 】。经干燥后污泥的含水率可降 至约2 0 左右。 污泥干化技术具有以下优点： ( 1 ) 干化使需要处置或再利用的污泥体积显著减小，一般可减少4 - 5 倍。 ( 2 ) 干污泥形成小球状，产品无臭，无病原体，使得经处理后的污泥更容 易被后续的处置方式所接受。 ( 3 ) 产品具有多种最终用途，例如：作为肥料和土壤改良剂农业利用；作 为建材添加剂；作为焚烧填埋处置的原料；作为能源回收或进一步回收化工产品 的原料。 随着设备性能的提高以及其它处置方式社会矛盾的突出，污泥干化装置的高 效、灵活、安全、稳定的优势逐渐被认同，并在十年的时间里，在欧美市政行业 迅速扩展。由于海洋处置已被禁止，填埋标准越来越严，在国外近年来迫使人们 更多的考虑采用污泥热干化技术作为污泥处理处置的一个环节。据资料显示， 2 0 0 0 年全世界干污泥产量是1 9 9 0 年的l o 倍；另据预测，欧盟在未来的十年，采 用干化的污泥量还将翻一番。尽管如此，污泥干化过程产生的大量的废气净化费 用问题、运行费用，都是使用干燥工艺必须考虑的问题| 1 2 】。 总之，污泥热干化是污泥最终处置和利用前的重要一步。污泥热干化技术在 整个污泥管理体系中越来越显示出它的重要性和发展优势1 1 3 1 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 2 污泥焚烧 污泥焚烧是指在高温( 5 0 0 1 0 0 0 ) 下，污泥固形物在氧气充足条件下分 解的过程。污泥焚烧的对象主要是脱水泥饼。污泥脱水后的滤饼含水率仍达4 5 8 6 ，干燥处理后污泥含水率可降至2 0 4 0 ，焚烧处理后的残余物体 积很小，便于运输与处置【1 4 1 。 目前，污泥焚烧是日本、奥地利、丹麦、法国、瑞士、德国等国污泥处理的 主要方法。据统计，发达国家大约1 0 5 的剩余污泥采用焚烧法的手段来处理【1 5 】。 在我国，污泥焚烧技术应用的很少。城市污水厂中，只有深圳特区污水处理厂采 用焚烧。 污泥焚烧技术与其它方法相比具有独特的优点：焚烧可以使剩余污泥的 体积减少到最小，因而最终需要处置的物质很少，是相对比较安全的一种污泥处 理方式；污泥处理速度快，不需要长期储存：污泥可就地焚烧，不需要长 距离运输；可以回收能量用于发电和供热。 虽然焚烧法与其它方法相比具有突出的优点，但是另一方面随着焚烧工艺的 使用，它所存在的若干问题也日渐暴露出来。其一，焚烧需要消耗大量的能源， 而能源价格又不断上涨，焚烧的成本和运行费均很高；其二，存在烟气污染问题， 噪声、震动、热和辐射以及产生成为环境热点的二嗯英污染问题。各发达国家都 在制定更严格地固体焚烧炉烟气的排放标准，这也将给剩余污泥的焚烧提出更高 的要求。所以，开发热效率高，并能把环境污染控制在最小限度的焚烧工艺成为 该技术发展的当务之急。 1 2 1 3 污泥消化 污泥消化，是利用微生物的新陈代谢作用处理污泥的一种有效方法。污泥消 化方法根据所利用的微生物不同又分为好氧消化和厌氧消化两种。 污泥好氧消化实质上是活性污泥法的继续，其工作原理是污泥中的微生物有 机体的内源代谢过程。通过曝气充入氧气，活性污泥中的微生物有机体自身氧化 分解，转化为二氧化碳、水和氨气等，使污泥得到稳定。美国，日本和加拿大等 发达国家都有不少中、小型污水处理厂采用好氧消化处理污泥1 1 6 1 。 好氧消化具有以下优点：对悬浮固体的去除率与厌氧法大致相等；上清液中 的b o d 浓度较低( 1 0 m g l 以下) ；处理后的产物无臭、类似腐殖质，肥效较高； 运行安全、管理方便；处理效率高，需要的处理设施体积小，投资较少。 同时，它也具有以下缺点：因需供氧，相应的运行费用高；不能产生甲烷气 体等有用的副产物；好氧消化后的污泥的机械脱水性能较差【l “。 污泥厌氧消化也称为污泥厌氧生物稳定，它的主要目的是减少原污泥中以碳 9 天津大学硕士学位论文第一章绪论 水化合物、蛋白质、脂肪形式存在的高能量物质，也就是降解高分子物质，使其 转变为低分子氧化物。在实现这一主要目的的同时，还要求改善污泥脱水性质、 减少病原菌和减少产生异味物质的含量。 有机污泥经消化后不仅有机污染物得到进一步的降解、稳定和利用，而且污 泥数量减少( 在厌氧消化中，按体积计约减少l 2 左右) ，污泥的生物稳定性和 脱水性大为改善，有利于污泥再作进一步的处置。另外，污泥厌氧消化过程中产 生的能量( 甲烷) 有时超过废水处理过程所需的能量，可以为厂区及附近居民提 供生活及生产能源。 1 2 1 4 堆肥 污泥堆肥是利用好氧的嗜温菌、嗜热菌的作用，将污泥中的有机物分解，并 杀灭传染病菌、寄生虫卵与病毒，提高污泥肥分的一种污泥资源化方法【l 刀。 堆肥化处理技术在世界上许多国家和地区已得到广泛的应用，它是一种受控 制的生物降解和转化过程。堆肥化利用微生物的作用，将不稳定的有机质降解和 转化成较为稳定的有机质，并使挥发性物质含量降低，减少臭气，使污泥物理性 状明显改善( 如含水量降低，呈疏松、分散、粒状) ，便于储存、运输和使用。 高温堆肥可以杀灭堆料中的病原菌、虫卵和草籽，使堆肥产品更适合作为土 壤改良剂和植物营养源，因此堆肥化处理污泥是一项以土地利用为方向，对剩余 污泥进行充分资源化的处理措施。 然而，并不是所有的污泥都可以通过堆肥化去除有害成分而成为土壤改良剂 和植物营养源的，很多工业废水中含有许多重金属和有毒有害的有机物，这使得 剩余污泥中含有重金属离子、呋喃等有害物质，若长期将剩余污泥施用于土地， 有可能会因为有害物质的积累而影响人们的身体健康【l ”。 1 2 1 5 湿式氧化 湿式氧化法也称为齐默尔曼法。湿式氧化法是在高温( 1 2 5 3 2 0 c ) 和高压 ( o 5 2 0m p a ) 条件下，以空气中的氧作为氧化剂，在液相中将有机物分解为 二氧化碳、水等无机物或小分子有机物的化学过程。由于剩余污泥在物质结构上 与高浓度有机废水十分相似，因此这种方法也可用于处理剩余污泥。剩余污泥的 湿式氧化法处理是湿式氧化法最成功的应用领域0 9 1 。 用湿式氧化法处理剩余污泥，反应温度对总c o d 的降解效果影响很大。在 3 0 0 c 和3 0 m i n 的停留时间下，总c o d 可去除8 0 ，反应温度对剩余污泥氧化作 用的影响大于溶解氧浓度的变化对湿式氧化效果的影响。在特定的温度和压力 下，总c o d 变成可溶性有机物主要依赖于氧化时间。在这一过程中，8 2 的c o d 1 0 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 降解，1 8 的c o d 以非溶性形式存在，且使m l v s s m l s s 的比值明显降低【2 0 1 。 湿式氧化法处理城市污水厂剩余污泥十分有效，但由于是在高温高压下运 行，设备复杂，运行和维护费用高。 1 2 2 污泥处置 污泥处置是指处理后的污泥，弃置于自然环境中( 地面、地下、水中) 或者 再利用，能够达到长期稳定并对生态环境无不良影响的最终消纳方式。 1 2 2 1 污泥填埋 污泥的卫生填埋是在传统填埋的基础上从保护环境角度出发，经过科学选址 和必要的场地防护处理，具有严格管理制度的科学的工程操作方法。污泥既可单 独填埋，也可与生活垃圾和工业废物一起填埋，填埋厂一般为废弃的矿坑或天然 的低洼地。具有投资较少、容量大、见效快的特点。 污泥填埋也存在一些问题。污泥填埋对污泥的土力学性质要求较高，需要大 面积的场地和大量的运输费用，地基需做防渗处理。同时填埋的污泥会产生渗出 液和气体。渗出液是一种被严重污染的液体，如果选址或运行不当，这种液体就 会进入地下水层，污染地下水。填埋场产生的气体主要是甲烷，若不采取适当措 施会引起爆炸和起火。另外，适合污泥填埋的场所因城市污泥的大量产生而越来 越有限，这也限制了该法的进一步发展。近年来污泥填埋处置所占比例越来越小， 而且对该技术标准要求越来越高( 例如德国从2 0 0 0 年起，要求填埋污泥的有机 物含量小于5 ) 【2 ”。 1 2 2 2 污泥土地利用 污泥的土地利用主要包括污泥农用，污泥用于森林与园艺、废弃矿场等场地 的改良等。污泥中含有丰富的有机物和n 、p 、k 等营养元素以及植物生长必需的 各种微量元素c a 、m g 、z n 、c u 、f e 等。特别的，城市生活污水处理产生的生物 污泥含有各种肥分，施用于农田能够改皂土壤结构、增加土壤肥力、促进作物的 生长。在美国约有4 0 左右的污泥采用土地利用的方式进行处置【2 2 1 。但污泥土 地利用同时也存在病原菌扩散和重金属污染的危险，因此在土地利用之前，必须 对污泥进行稳定化、无害化处理，挪威早在1 9 9 5 年就开始强制要求污泥必须经 过无害化、稳定化后才能施用于农田1 2 3 1 。 好氧与厌氧消化、堆肥化等方法都可以对污泥进行稳定化、无害化处理，使 污泥产品更适合作为土壤改良剂和植物营养源，但是这种肥料不宜长期使用。例 如堆肥中的絮凝剂不仅影响土壤的p h 值，而且使土壤出现板结现象；长期使用 天津大学硕士学位论文第一章绪论 污泥肥料，土壤中过剩的n 、p 会随水土流失造成水体的二次污染：此外还会引 起土壤的有害有机质的污染及油类物质污染1 2 4 。为此，各国政府先后颁布并不断 修改农用污泥重金属浓度标准和严格的无害化要求，并对单位面积土地污泥的施 用量进行严格限制。 1 2 2 3 海洋倾倒 海洋倾倒操作简单，对于沿海城市来说其处理费用较低。但是，随着生态环 境呼声的加强，人们更多的开始关注海洋倾倒对海洋生态环境可能存在的影响。 美国于1 9 8 8 年已经禁止污泥海洋倾倒，并于1 9 9 1 年全面禁止；日本对污泥的海 洋投弃做了严格的规定；中国政府于1 9 9 4 年初接受三项国际协议，承诺于1 9 9 4 年2 月2 0 日起不在海上处置工业废物和污水污泥。海洋倾倒在英国尤其流行， 因为与其他方法比较费用相当低，但是从1 9 9 8 年底，欧共体城市废水处理法令 ( 9 1 2 7 1 厄c ) 已经禁止其它成员国向海洋倾倒污泥。 1 2 2 4 其它处置方法 除此以外，还有诸如作为填料回用、低热值燃料回用、建筑材料口6 】等新 型的污泥处置方式。但由于适用面窄，应用中存在诸多问题，使得这些处置方法 难以成为主要的处置方法。 1 3 污泥干化的原理和应用 干化是通过各种加热手段导入热量，使水分蒸发来进行的固一液分离操作。 一般来说，采用加热手段进行固一液分离所需费用远比浓缩、脱水等机械固一液 分离手段要高。机械的固一液分离有一定限度，作为污泥的有效利用、焚烧或处 置的前处理，干燥操作是十分必要的。 1 3 1 干燥理论 1 3 1 1 干燥静力学 利用热能去除污泥中的水分，是一种污泥与干燥介质( 通常为灼热气体) 之 间的传热与传质的过程。 ( 1 ) 物料平衡计算 污泥中的水分蒸发量计算： 吸= 一w 22 赫2 吸赫= w c c , 吲 1 - 1 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 其中，w r 干燥器中被蒸发的水分重量( k ) ； w l 干燥前污泥湿重( k g ) ； w 2 _ 干燥后污泥湿重( k g ) ； w 污泥中干固体重量( k g ) ； p 1 干燥前污泥湿基含水率( ) ； p 2 干燥后污泥湿基含水率( ) ； c l 干燥前的干基含水量( k g k g ) ； c 2 干燥后的干基含水量( k r dk g ) 。 干燥介质消耗量计算： 吸：l 1 2 屯一而 其中，w a 一通过干燥器的干灼热气体重量( k g ) ； x l 进入干燥器的空气含湿量 k g ( 水) k g ( 干空气) 】； x 2 排出干燥器的空气含湿量 k g ( 水) l ( g ( 干空气) o ( 2 ) 热量平衡计算 蒸发每公斤水分的耗热量计算： g ：生量+ 擎幽 1 - 3 1 x 2 一形0 + q 损一q 其中，q 蒸发每公斤水分的耗热量( k c a l ) ； e 1 干燥器进口的污泥温度( ) ； e 2 一干燥器出口的污泥温度( ) ； i i 进入干燥器湿的空气热焓( k c a l k g ) ： 1 2 出干燥器湿的空气热焓( k c a l k g ) ： c r 干污泥的比热( k c a l k g ) ； q 女干燥器周围的熟损失 k c a l k g ( 水) 】。 1 3 1 。2 干燥动力学 干燥动力学是讨论在干燥过程中任一时间的含水率与各因素之间的关系。这 些因素包括污泥性质，灼热气体的湿度、温度、流动方向和速度等。根据干燥动 力学，可以确定去除的水分与干燥时间的关系，并在特定的干燥情况下，计算干 燥的程度和所需时间。 干燥速度与干燥时间的关系： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 越：巫 壬? m 其中，u - - - - - - 干燥速度( k g m 2 h ) ； f 干燥器干燥面积( h 2 ) ； t 干燥时间( h ) 。 如果u 为己知，则干燥时间： f ；! 坠二盟 1 3 2 干燥的影响因素 l - 4 1 5 污泥干燥是一个非常复杂的热传递和质量传递过程，诸多因素都会对这一过 程产生影响，但是总体来说可以归结为两方面：一个是干燥介质的性质的影响， 这主要包括介质的温度、湿度以及流速等影响因素，这也是在干燥装置的研究中 讨论最多的方面；另一方面是