（环境工程专业论文）磁性物质调理污泥及其机理研究.pdf

摘要 摘要 污泥处理处置是城市污水处理厂不可缺少的一部分，其目的是减容、稳定化、 无害化及其综合利用等，以保证污水处理厂的正常运行和处理效果，防止二次污 染。本课题实验中以具有知识产权的技术制得纳米磁粉，将其用于调理污泥，考 察纳米磁粉调理污泥、纳米磁粉和硫酸联合调理污泥、纳米磁粉和超声联合调理 污泥对污泥的沉降性能和脱水性能的影响，并对其调理机理进行研究。 纳米磁粉调理污泥实验表明：纳米磁粉能够改善处于正常状态下污泥的性 质，对沉降性能的影响较为明显，但对脱水性能的影响不大；磁粉投加量为1 0 9 l 时效果最好。纳米磁粉对老化的污泥或膨胀的污泥的沉降性能和脱水性能则不产 生影响。纳米磁粉调理污泥的作用机理是：磁粉使污泥絮体增大，电位降低， 提高污泥的脱水速率，改善污泥的脱水性能；纳米磁粉具有很高的表面能，共价 键和分子间的亲和作用等使得纳米磁粉表面带电，纳米磁粉的等电点是p h = 7 2 ， 当p h 7 2 时，磁粉带讵电，污泥带负电，污泥中的物质如蛋白质、脂胶、胶体 物质、溶解性有机物等可被直接吸附到纳米磁粉上，结合磁场的作用下，颗粒之 间的碰撞频率得到提高，使污泥絮体结合成更大的污泥絮体，磁场与磁粉作用产 生磁挤压，提高污泥絮体的沉降速率，使得污泥絮体和水迅速分离，污泥沉降体 积减少。 纳米磁粉和硫酸联合调理污泥实验表明：磁粉和硫酸的联合作用可改善处于 正常状态下污泥的性质，在p h 为2 0 7 0 范围内，磁粉量相同条件下，随着p h 的降低，对其沉降性能和脱水性能得到改善，其中在p h 为2 , 0 ，经过超声分散 的磁粉加入量为1 0 9 e 的条件下效果最好。纳米磁粉和硫酸联合调理污泥的机 理是：一定p h 的硫酸能够破坏污泥结构，使污泥中胞外物e p s 水解、微生物细 胞破裂，从而使污泥絮体内部自j 隙水、细胞内间隙水释放出来，表现出自由水性 质；污泥水分分布发生变化，增大污泥的可脱水程度，改善污泥的脱水性能；硫 酸解离出的h + 带j 下电，能够降低污泥的电位，压缩双电层，使污泥脱稳。把 硫酸加入纳米磁粉中进行超声处理，使磁粉在硫酸中分散更均匀，在调理污泥时 广东i 业大学i ：学硕十学位论文 能够增大磁粉、硫酸与污泥絮体接触碰撞的几率，提高污泥的可脱稳程度，污泥 絮体之间更容易结合成更大的污泥絮体，提高污泥的脱水速率，再利用磁力和磁 挤压的作用 可进一步改善污泥的沉降性能。 纳米磁粉和超声联合调理污泥实验表明：在施加适当的超声频率和超声功率 条件下，纳米磁粉和超声联合调理能够改变处于j 下常状态下污泥的性质，对沉降 性能的影响不显著，但对脱水性能的影响较为明显。在超声频率为2 5 k m z ，超 声功率为1 0 0 w ，磁粉量为1 0 9 l 条件下效果最好。其调理机理为：超声改变污 泥絮体的结构，使污泥中的水分向易于脱水的形态转化，磁粉则降低污泥的电 位和提高污泥的沉降速率。 关键词：污泥调理；纳米磁粉；沉降性能；脱水性能 h a b s t r a c t o n eo ft h ei n d i s p e n s a b l ew o r ki nm u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tp l a n t ( m s t p ) i s s l u d g et r e a t m e n ta n dd i s p o s a lw h o s ep u r p o s ei s r e d u c i n gv o l u m e ，s t a b i l i t y i n g ， n o p o i s o n o u sa n dc o m p r e h e n s i v es u r v e y , g u a r a n t e e i n gt h ep r o p e r t yo p e r a t i o na n dt h e t r e a t m e n te f f e c to fm s t p , p r e s e n t i n gas e c o n dp o l l u t i o n t h et a g g e t so ft h es t u d ya g e a sf o l l o w s ：s y n t h e s i z i n gf e 3 0 4 n a n o p a r t i c l e s ；s t u d yo ne f f e c to ff e 3 0 4n a n o p a r t i c l e s o ns e t t l i n ga b i l i t ya n dd e w a t e r a b i l i t y o f s l u d g ea n dt h e i rf u n c t i o nm e c h a n i s m , e f f e c to f c o - c o n d i t i o n i n go ff e 3 0 4n a n o - p a r t i c l e sa n da c i dt r e a t m e n to i ls e t t l i n ga b i l i t ya n d d e w a t e r a b i l i t yo fs l u d g ea n dt h e i rf u n c t i o nm e c h a n i s m , e f f e c to fc o - c o n d i t i o n i n go f f e 3 0 4l l a n o p a r t i c l e sa n du l t r a s o n i co ns e t t l i n ga b i l i t ya n dd e w a t e r a b i l i t yo fs l u d g e a n dt h e kf u n c t i o nm e c h a n i s m t h ec o n c l u s i o n st h a tw e r ed r a w nf r o m e x p e r i m e m a lr e s u l t sa g e ： 1 f e 3 0 4l l a n o p a r t i c l e sc a ni m p r o v es e t t l i n ga b i l i t ya n d d e w a t e r a b i l i t yo f n o r m a l s l u d g e t h eo p t i m u md o s a g eo ff e 3 0 4n a n o - p a g t i c l e si s1 0 9 l f e 3 0 4l l a n o - p a r t i c l e s c a n n o ti m p r o v es e t t l i n ga b i l i t ya n d d e w a t e r a b i l i t yo f s l u d g e ，w h i c hi sb u l k i n go ra g i n g t h ef u n c t i o nm e c h a n i s mo ff e 3 0 4n a n o p a r t i c l e si st h a ti tc a ni n c r e a s es l u d g ef l o c r e d u c e e l e c t r i cp o t e n t i a lo fs l u d g ea n di n c r e a s es l u d g ed e w a t e r i n gv e l o c i t y w h e n e n v i r o n m e n t a lp hi sl e s st h a n7 2 ，f e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sw i t hh i g hs u r f a c ee n e r g yc a n a d s o r bs l u d g em a t e r i a ls u c ha sp r o t e i n , c o l l o i d a ls u b s t a n c e s ，d i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r a n ds oo i lt h em a g n e t i cf i e l dc a ni n c r e a s et h ec o l l i s i o nf r e q u e n c yo fp a r t i c l e s ，m a k e t h es l u d g ef l o cb e c o m eb i g g e r , i n c r e a s es l u d g es e t t l i n gv e l o c i t ya n dr e d u c es e t t l i n g v o l u m e 2 c o c o n d i t i o n i n go ff e 3 0 4l l a n o p a r t i c l e sa n da c i dt r e a t m e n ts h o w st h a ti tc a l l i m p r o v es e t t l i n ga b i l i t ya n dd e w a t e r a b i l i t yo f n o r m a ls l u d g e w i t ht l l el o w e r i n go f p h t h ee f f e c to ns e t t l i n ga b i l i t ya n dd e w a t e r a b i l i t yi sm o r en o t a b l e 1 1 七b e s te x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sa g et h a tp hi s2 0a n dt h ed o s a g eo ff e 3 0 4l l a n o p a r t i c l e si s 1 0 9 l t h e f u n c t i o nm e c h a n i s m o f c o - c o n d i t i o n i n go f f e 3 0 4l l a n o - p a r t i c l e sa n da c i dt r e a t m e n ta r c t h a ti tc a nd i s s o l v ee p sa n dd i s r u p ts l u d g ec e l l s ；h e n c e ，i n t e r s t i t i a lw a t e rw i t h i nf l o c o rs l u d g ec e l l sw a sr e l e a s e d s o ，w a t e rd i s t r i b u t i o ni n s l u d g ei sc h a n g e d , a n d d e w a t e r i n ge x t e n ti m p r o v e d s u l f a t ew i t hp o s i t i v ec h a r g ec a nr e d u c e e l e c t r i c p o t e n t i a lo fs l u d g e ，c o m p r e s st h ed o u b l el a y e ra n dm a k es l u d g eb e c o m eu n s t a b l e i n s u l f u r i ca c i ds o l u t i o n , w i t hu l t r a s o u n dt od i s p e r s ef e 3 0 4l l a n o p a r t i c l e sc a ni n c r e a s e i l l ：至! ：些奎兰三兰堡兰堡丝圣 t h ep r o b a b i l i t yo fc o l l i s i o nb e t w e e n s l u d g ef l o ca n df e 3 0 4n a n o - p a r t i c l e s ，m a k et h e s l u d g ef l o cb e c o m eb i g g e ra n di n c r e a s es l u d g es e t t l i n gv e l o c i t y 3 c o c o n d i t i o n i n go ff e 3 0 4l l a n o p a r t i c l e sa n du l t r a s o u n ds h o w st h a t i tc a n i m p r o v es e a l i n ga b i l i t ya n dd e w a t e r a b i l i t yo fn o r m a ls l u d g eu n d e rc o n d i t i o n so f s u i t a b l eu l t r a s o n i cf r e q u e n c ya n du l t r a s o n i cp o w e r t h eb e s te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s a r et h a tu l t r a s o n i cf r e q u e n c yi s2 5 k m z ，t h eu l t r a s o n i cp o w e ri s10 0 wa n dt h ed o s a g e o ff e 3 0 4n a n o - p a r t i c l e si s 1 0 9 l t h ef u n c t i o nm e c h a n i s mo fc o - c o n d i t i o n i n go f f e 3 0 4l l a n o - p a r t i c l e sa n du l t r a s o u n di st h a ti tc a na l t e rs l u d g ec o m p o s i t i o na n dm a k e t h ew a t e ri ns l u d g ec h a n g ei n t of r e ew a t e r , f e 3 0 4 n a n o - p a r t i c l e sc a nr e d u c e e l e c t r i c p o t e n t i e a lo f s l u d g ea n di n c r e a s es l u d g es e t t l i n gr e l o c i t y k e yw o r d s ：s l u d g ec o n d i t i o n i n g ；f e 3 0 4l l a n o p a r t i c l e s ；s e t t l i n ga b i l i t y ；d e w a t e r a b i l i t y 独创件j “明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期问在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名： 论文作者签名：膨积 2 0 0 7 年5 月2 0 同 第一章文献综述 1 1 国内外城市污泥产生的基本情况 污泥是污水处理后的附属品，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶 体等组成的极其复杂的非均质体。污泥量通常占污水量的0 3 0 5 ( 体积) 或者约为污水处理量的1 2 ( 质量) ，如果属于深度处理，污泥量会增加o 5 1 倍。污水处理效率的提高，必然导致污泥数量的增加。 自从1 8 7 5 年英国伦敦建立世界第一个污水处理厂以来，污泥处理问题便成 为市政管理的重要问题之一。随着城市人口的增长、市政服务设施的不断完善、 污水处理技术的不断提高，欧、美等发达国家的污泥产量每年大约以5 1 0 的速度增长。影响污泥产生的因素来自多方面，其中污水、污泥处理技术的应用 和改善以及人口增长是导致污泥质和量同步增加的主要因素。据美国环保署估 计，1 9 9 8 年全美干污泥产量为6 9 百万吨。在过去的2 0 年，美国人口和丌展市 政污水处理的人口数量皆得到显著增加，而且自从1 9 7 2 年政府颁布水净化条例 以来，污泥量得到了快速的增加。可以预计，随着人口水平的持续增加，污泥的 产量还会增加，而且污泥产量的年增长速率会超过市政所能提供污水处理服务人 口的增长速率。1 9 8 6 1 9 9 6 年期白j ，美国只经过l 级处理的污水流量减少了4 ， 而经过二级或更高级处理的污水流量增加了2 。假设这种趋势发展下去，根据 市政所能提供污水处理服务人口的增长和污水二次处理以及污泥产量的轻微改 变进行预测，2 0 1 0 年将达到8 2 0 力吨。这就是说，从1 9 9 8 年到2 0 1 0 年，污泥 产量将增加1 9 0 , 6 。1 9 9 0 年欧洲干污泥产量为1 1 0 7 百万吨，到1 9 9 9 年干污泥产 量达1 7 4 6 百万吨。2 0 0 5 年，欧洲建立许多污水处理厂，导致一些国家污泥产量 增加3 0 0 ，由于城市污水处理要求的同益严格，欧洲城市污泥产量预计将增加 5 0 t l 。污泥管理将是一个严峻挑战，选择处理处置方法也将会具有更大的经济 和环境需求。 我国工业化进程较晚，所以出现污水处理设施也较迟。我国现有人口1 3 亿 多，城市6 4 0 多个，城市人1 ：32 7 亿。随着社会经济和城市化的发展，我国城市 污水的产生及其数量在不断增长。截止到2 0 0 4 年，我国已建成并投入运营的污 广东t 业大学i - 学颂十学位论文 - i i i 水处理厂已有6 0 0 多座，日污水处理能力已达到4 0 0 0 万m3 。按污泥产量占处理 水量的o 3 0 5 ( 以含水率9 7 计) 1 2 1 计算，中国城市污水厂污泥的产量在1 2 万m3 d 和1 5 万m3 d ( 以含水率9 7 计) 之间。根据有关预测，我国城市污水量在 未来二十年还会有较大增长，2 0 1 0 年污水排放量将达到4 4 0 1 0 8m 3 d ；2 0 2 0 年 污水排放量达到5 3 6 xl 0 8m 3 d m 。因此，中国在污水处理事业不断取得进步的同 时，将面临巨大的污泥处理处置压力。 1 2 污泥对环境的污染 城市污泥的产生对环境会造成“二次污染9 9 , 这不仅是因为污泥含有较多的 有机物，还含有大量病原菌、寄生虫( 卵) 、铜、锌、铬、汞等重金属、盐类以 及多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物。这些物质对环境、人 类以及动植物健康造成较大的危害。在我国，污泥处理处置长期未得到重视，致 使污泥的堆放占用了大量的土地，污泥中的有机质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；n 、p 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，不仅使城市水源恶化，影响生活用水和 工农业用水，还使渔业产量下降，造成巨大的经济损失；污泥中重金属会污染土 壤和农作物，污泥中的病原菌、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。 由此可见，污泥处置是污水处理厂当前迫切需要解决难度最大的问题，污泥 问题也将成为今后城市一大环境问题i h 。因此，如何将产量巨大、成分复杂的污 泥用科学处理的方法使其减量化、无害化、资源化己成为当前环境界深为关注的 课题。 1 3 城市污泥的处理处置 1 3 1 城市污泥的处理处置基本原则 污泥的处理处置同其他固体废弃物一样遵循减量化、资源化、无害化的原则。 污泥的处理应达到以下标准： ( 1 ) 污泥减量化，减少污泥最终处茕| j 的体积，以降低污泥处理、处置的 2 第章文献综述 费用； ( 2 ) 污泥资源化，在解决污泥问题的同时使其资源化，达到综合利用和保 护环境的目的 4 1 ； ( 3 ) 使污泥达到无害化和卫生化，降低污泥当中的病原菌及重会属离子等 有毒有害物质的二次污染的可能性； 1 3 2 城市污泥处理处置方法 国内外的主要处理、处置方法很多，一般采用浓缩、消化、脱水、千化、填 埋、焚烧和资源化利用等不同的处理、处置方法，或用其中某几个方法组合处置 0 1 ，但这些处置方法也相应的有各自的优点和缺点。 1 3 2 1 污泥的填埋 污泥的卫生填埋始于上个世纪6 0 年代，是在传统填埋的基础上从保护环境 的角度出发，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。其优点是投资较少、容量大、见效快嘲。缺点是浪费了良好的有 机肥料资源、占用大量土地，因而受到场地的限制，由于污泥的含水率很高，即 使是脱水后其含水率也在7 0 以上，因而会产生大量的渗漏液，易造成地下水的 污染。 1 3 2 2 污泥的焚烧 以焚烧为核心的处理方法是最彻底的处理方法，主要可分为两大类：一类是将 脱水污泥直接送焚烧炉焚烧，另一类是将脱水污泥先干化再焚烧。污泥焚烧要求 污泥有较高的热值，因此污泥一般不进行消化处理嘲。污泥焚烧可以迅速和较大 程度的使污泥达到减量化，但其最大的缺点是在焚烧过程中形成大量含有重金属 和毒性有机物的烟雾而污染大气，残余灰烬的填埋处理也易造成二次污染。由于 污泥的含水率很高，故焚烧法对能源的消耗也很大。 1 3 2 3 污泥的资源化利用 城市污泥中含有丰富的肥份，如果简单的填埋和焚烧，不仅会对环境造成二 次污染，还是对资源的一种浪费。农用资源化则是一种具有广阔前景的污泥处置 方法，一直深受世界各国重视。污泥农用资源化有利于维持和提高土壤肥力，有 利于土壤资源的可持续利用和农业可持续发展，充分利用了污泥中丰富的氮磷等 广东1 ：业大学1 。学硕十学位论文 j i l l l m h i _ = = = _ = _ = 目目目_ _ e 目_ 目_ _ _ j - - _ _ - e _ _ _ _ 一 营养元素，有研究表明【7 l ，施用污泥或污泥堆肥能明显改善土壤的物理性质，如 有利于团粒的形成和提高团粒的水稳定性：可增加土壤的孔隙度，提高土壤的持 水能力和保水能力等。但是，污泥中存在多种毒性污染物，若含量超标或使用不 当可能会使作物生长不良，产量下降，甚至造成土壤水体- 植物的污染。此外， 堆肥过程中的臭味问题也是不容忽视的。污泥农业利用的的提条件是保证污泥毒 害性成分含量不超过控制标准。 1 3 2 4 其他处置方法 污泥的其他处置方式主要有污泥干燥制肥、污泥制作陶粒、污泥制水泥和污 泥制砖等。 1 污泥干燥制肥 干燥制肥是利用污泥中的有机肥分，通过消化污泥干燥造粒工艺。向污泥中 添加必要的氮、磷，钾等营养成分，将污泥加工成复合有机肥的污泥资源化处置 方式。当污泥重金属含量低于农用标准时，污泥干燥造粒、生产有机复合肥的技 术是污泥处置的重要发展方向。 2 污泥制作陶粒 污泥制作陶粒是考虑到污泥成分与粘土相近的因素，将污泥与粘土或粉煤灰 按一定比例掺和，在高温下烧结制成陶粒的污泥处置方法。该法可达到处置污泥 和创造经济效益的双重目的。 3 污泥制水泥 污泥制水泥具有减容程度大、无害化处理彻底等特点。但目前焚烧污泥制水 泥的技术还不十分成熟，污泥仅占水泥生产原料的3 ，因此该方法还不能作为 污泥处置的主流方式嘲。 4 污泥熔化处理处置 污泥熔化处理处置是污泥热化学处理的一种方法。污泥熔化技术是把污泥加 热至1 3 0 0 0 c 1 5 0 0 1 2 ，使污泥中有机物完全燃烧、无机灰分熔融冷却后形成固体 直接填埋或用来制造玻璃、瓷砖和其他建筑材料。该法需消耗大量能源，处理成 本较高。 5 污泥制作动物饲料 污泥中含有大量有价值的有机质( 蛋白质和脂肪酸等) ，其中租蛋白占干污泥量 的2 8 7 - 4 0 9 ，纤维素占干污泥的2 8 7 - 4 0 9 。脂肪酸3 7 左右，其余为灰分。 4 第章文献综述 7 0 的粗蛋白以氨基酸形式存在，以蛋氨酸、胱氨酸、苏氮酸为主，各种氨基酸 之间相对平衡，是一种非常好的饲料蛋白。通过对污泥净化制作动物饲料是污泥 资源化处置研究的方向之一。 6 污泥改性制活性碳吸附剂 生化污泥中含有较多碳，在高温下以污泥为原料通过改性可以制得含碳吸附 剂。所制吸附剂对污水有较高的c o d 去除率，是一种性能优良的污水处理剂。活 性污泥碳化后再通过水蒸气进行物料活化，可用于污水处理，对c o d 、重会属、 总磷等有较好的去除效果。吸附饱和后可作为燃料燃烧，能使原污泥中有害因子 得到彻底氧化分解。 7 污泥制作生物吸附剂 利用活性污泥和剩余污泥的胞外或胞内吸收作用，能非常有效地去除污水中 的重金属，并分离出抗金属菌；将活性污泥提取驯化制成微生物絮凝剂，可吸附 悬浮物、降解有机物、脱色及进行油水分离，并能改善污泥沉降性能。 8 污泥制砖 城市污泥中除了有机物外还含有2 0 3 0 的无机物，其中主要是硅、铁、铝 和钙等。因此即使污泥经过焚烧处理去除了有机物，无机物还以焚烧灰的形式存 在，仍需要作进一步处置。污泥制砖是焚烧处置城市污泥的一种方式也是一种 经济有效的污泥资源化处髭方法。国内外城市污泥制砖技术比较常见的是将城市 污泥焚烧灰添加适量辅料( 如粘土、粉煤灰、煤研石等) 成型烧结制砖。另一种方 法是直接将干燥的城市污泥破碎后与粘土等辅料成型烧绘制砖，该法可以利用污 泥中潜在热值，节约制砖成本。目i i 珠江三角洲的城市污泥主要用于制砖。 综上所述，无论采用何种处置方法，污泥含水率过高都是一个无法回避的 障碍，也是使各种处置方法产生问题的原因之一。在污泥的处理和处置中，污泥 调理是很重要的一环。由于活性污泥颗粒的特殊絮体结构及高度亲水性，使其包 含的水分很难被脱除，而且有时污泥不进行调理。就根本无法机械脱水。污泥脱 水能降低污泥含水率、减少污泥体积。污泥体积减少，便于减少污泥运输的费用； 在污泥焚烧时，节约了燃科：也为污泥晾晒空出场地。所以如何降低污泥的含水 量和改善污泥的脱水性能仍然是目前在污泥调理研究的重点。 考察纳米磁粉调理污泥的效果及对其调理机理进行研究，为以后的进一步 研究打下基础。以污泥的减量化，资源化、无害化为主要目的，在污泥中投加磁 广东i ：业大学f ：学硕十学位沧文 粉，提高污泥在沉降性能，缩短污泥的沉淀时白j ，并减少污泥的含水率，在实际 工艺中应用能够减少浓缩池的体积，节省投资成本；提高污泥的脱水性能，让污 泥机械脱水更容易。 1 4 污泥调理 1 4 1 基本情况介绍 1 4 1 1 污泥特性 城市生化污泥的主要特性是含水率高( 可高达9 9 以上) ，有机物含量最高， 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，能够维持植物i f 常产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1 9 1 ，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。 1 4 1 2 污泥中固体颗粒的性质 对于污泥的脱水操作就是使污泥的固液分离。构成污泥的固体颗粒一般都很 小，除少数悬浮物外，主要为胶质，它们有复杂的结构，而且性质各异，带有负 电荷，形成一种稳定的胶体悬浮液，其基本特征表现如下： ( 1 ) 沉降性能差 胶体粒子在水中保持悬浮的根本原因，一是它的粒径小，二是它的表面带有 电荷。因此，在一般情况下，由胶体粒子组成的悬浮液能长时间保持稳定，即使 粒径大于胶粒的固体颗粒( 粒径在l o p i n ) ，也不会在短时间内自动沉降下来。 ( 2 ) 比表面大 胶体粒子由于粒径小，因而有巨大的比表面，以直径为1 m 的胶体粒子为例。 如果胶粒总体积为l c m 3 ，其表面积可达6 0 0 m 2 。大比表面的悬浮颗粒体系具有很 大的表面能，在范德华力作用下，能自动靠拢，以减少其比表面，但这一自发倾 向往往被胶体粒子表面电荷的相互排斥而抵消，胶体仍保持其分散状态和稳定 性。污泥的比表面积大，其表面张力的作用也大，对水分的吸附也多。 ( 3 ) 电学特性显著 胶粒表面带电的原因比较复杂，但以污泥为例主要有以下三种基本方式： 6 第- 章文献综述 胶粒表面上的化学反应。许多固体表面含有可离解的基团，如羧基、羟 基等，这些集团离解，即可使胶粒产生表面电荷。 粒子之间能形成共价键、离子键、氢键、偶极键或诱导偶极键，由于粒 子得失电子或共享电子，使胶粒带电。 胶粒表面吸附h + ，o h 或其他离子也能使自身带电。由此可知胶粒所带 电荷的性质，电荷量多少与胶粒本身的性质、介质的p h 条件等都有密切的关系。 1 4 1 - 3 污泥中的水分存在形式及其去除方法 一般来说，污泥中水分分为两类：自由水和结合水，结合水包含问隙水、表 面水和化学结合水。自由水与固体颗粒没有相互的作用关系，而结合水是与固体 颗粒之间存在相互作用的水分。但是，“结合水”没有统一的分类定义，其定义 依赖于“结合水”的测定方法。许多研究者都证明了污泥中结合水的存在，大部 分研究者认为污泥中结合水含量直接与污泥的可脱水性有关，并且影响着污泥脱 水最终泥饼的含水率。 v e s i l i n d t , o l 在1 9 9 4 年根据水分与污泥颗粒的作用力关系将污泥中水分定义为 四类： ( 1 ) 自由水：与悬浮固体颗粒无关、不受其影响的水分，也可以借助重力浓缩 去除，这部分约占污泥总含水量的6 5 8 5 。 ( 2 ) 白j 隙水：存在于微生物絮体裂隙之间的水分。这些水分与污泥颗粒间有较 强的作用力，重力浓缩无法分离，只有施加较大的外力，才能把这部水分离出来。 这部分水约占污泥总水分的2 0 0 左右。 ( 3 ) 表面水：指与固体颗粒牢牢结合的多层水分子层，也包括存在于细胞内部 的一部分与细腿表面结合的水分子。只要是与固体表面结合的水都可称之为表面 结合水。这部分水可用化学调质结合机械方法予以排除。 ( 4 ) 化学结合水：这些水分通过化学力结合在污泥的颗粒的表面或存在于污 泥颗粒内部( 包括生物细胞内的) ，与固体粒子结合较牢固，单用机械方法不能达 到排出目的，必须采用生物化学法或固体颗粒的热毁灭等方法才能排除。 7 广东l ：业大学i 学硕十学位论文 图1 - 1 污泥中的水分示意图 f i g 1 - 1d i a g r a m o f w a t e ri ns l u d g e 表1 1 污泥中各水分特点和去除方法 ( t a b 1 lt h ew a t e rc h a r a c t e r sa n dr e m o v i n gm e t h o di ns l u d g e ) ( a ) 以未经处理的污泥为例，污泥含水率为9 9 2 4 。 1 4 1 4 污泥调理的参数指标 ( 1 ) 总固体浓度5 固率( t s ) ：挥发性固体浓度( v s ) ；干固体密度；p h ：絮体 大小污泥的性质指标，标准方法或仪器测试。 ( 2 ) 显微镜，电镜透射照片一污泥的微观图像描述，作为研究活性污泥调理机 理的手段，微观的直接观察有助于提高对调理及脱水过程的认识。 ( 3 ) z e t a 电位一能由电位猜测加药后的絮体结构，用于机理说明；更常用的是 作为最优加药量的评价指标，仪器测试。 ( 4 ) 毛细吸水时间( c a p i l l a r ys u c t i o nt n n e 简称c s t ) ；比阻( s p e c i f i c 第章文献综述 r e s i s t a n c et of i l t r a t i o n ，简称s r f ) 一两个最广泛被用于评价污泥脱水性能的指 标，常用于决定最优加药。测试方法还没有标准化，不同研究者使用的设备细节 上存在不同，s r f 比c s t 更耗时更繁琐更需要测试者的实验技巧。 ( 5 ) 结合水含量一能够直接或日j 接表征污泥中各水分的含量。可推断出污泥 可脱水的程度。 ( 6 ) 分维( 丘a c t a l ) 尺寸一描述了生物絮体的结构信息。生物絮体的结构与生物 絮体的行为( 如沉降、压滤和离心脱水) 有密切依赖关系，但是由于快速得到一些 结构测量是非常困难的，限制了利用结构信息作为自动控制加药量的反馈信息。 m a n d e l b o r t 在1 9 8 3 年提出了聚集体结构的分维描述：线、平面、三维实物体的维数 d = i ，2 ，3 ，而对于多孔聚合体，维数d 可以是分数，聚合体越松散，则维数越小( 对 于污泥：密实的絮体d = 2 3 2 5 ；松散的絮体d = i 7 - 1 8 ) 。x 射线、中子和光散射技 术已经被广泛用于测量胶体聚合物的分维尺寸，但仍不能用于测量大颗粒( 如生 物絮体) 的结构信息，1 9 9 5 年j u n g 报道了小角度激光散射技术，此技术可快速测 量污泥絮体的结构信息。实验表明，污泥在压滤脱水和离心脱水中达到的最终泥 饼含固率强烈地依靠分维测试结果，分维越低则脱水后泥饼的含固率越高。所以， 加药后絮体的分维尺寸可作为最佳加药量的在线控制指标m j 。 ( 7 ) 沉降实验被用于研究絮体结构及泥水分离行为，得到沉降曲线和沉降速 率。 ( 8 ) 离心实验- 被用于评价污泥离心脱水行为，得到离心后泥饼含固率，可对 整个过程进行研究，得到泥饼含水率随离心时问的变化曲线及时间平均泥饼抵抗 力系数 i j l 。 ( 9 ) 压滤实验用于评价污泥压滤脱水行为，得到压滤后泥饼含固率或去除 8 5 水分所需的时间。也可对整个过程进行研究，得到泥饼孔隙率f 由挤压出的 水量折算而成) m 喊受压液面表面压力随时问的变化曲线。 ( 1 0 ) 上清液浊度可作为最优加药量的评价指标，仪器测试。浊度越低，说 明絮体对细小颗粒的捕获越好。最优加药情况下，离心后上清液浊度接近零，所 以可认为降低胶体部分含量对脱水是至关重要的，且不必与电中和巧合1 1 5 1 。 ( 1 1 ) 上清液粘度可作为最优加药量的控制指标，仪器测试。 9 广东【业大学i ：学硕十学位论文 1 4 2 国内外污泥调理研究进展 由污泥的处理处置方式可以看出，脱水是大部份污泥处置方式必须经历的过 程。污泥脱水的作用是去除污泥中的水分，缩小其体积，减轻其重量叭。城市生 化污泥是难脱水污泥物质，其固体物主要为胶质，有复杂的结构，与水的亲和力 很强，含水率很高，一般为9 6 - - 9 9 ，浓缩后含水率仍然高达8 5 - - 9 0 以上， 为了提高污泥浓缩和脱水效率，必须进行污泥调理，污泥调理的目的是采用多种 方法，改变污泥的理化性质，减少污泥固体颗粒与水的亲和力，改变污泥中水分 的存在形式，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， 改善污泥的沉降性能和脱水性能。目前我国污泥处理费用已占污水处理厂总运行 费用的2 0 5 0 ，有效解决污水污泥处理处置问题已成为一个重大的研究课题 l ，污泥调理是污泥处理处置i i 关键的一步。污泥中的固体颗粒具有显著的胶体 特性，对水有亲和力和过滤比阻大，所以脱水性能差，这给污泥的脱水造成很大 的困难。改善污泥的沉降性能，能够减少处理设施的体积，减少建筑费用，改善 污泥的脱水性能能够降低运行的成本，污泥调理是污泥浓缩和脱水过程中不可缺 少的工艺过程 1 6 1 。 1 4 2 1 化学调理方面研究进展 目前使用高分子有机絮凝剂是化学调理的主流方向。研究者们认为调理效果 与絮凝剂本身性质有很大关系，但是到目i ； 为止，对调理剂的选择以及调理剂的 最佳用量仍然要以现场试验为基础。许多学者都试图努力找出调理剂本身性质和 调理行为、效果之间的关系。c o l e 指出，要使有机絮凝剂取得有效的调理效果， 其分子量必须超过l o o m 。大部分研究者认为，对于有机絮凝剂而言高分子量效 果比低分子量的效果好。c h a n g 等人研究了有机阳离子絮凝剂离子度与调理行为 之间的关系，其研究结果表明，离子度与调理行为之白j 没有明显的相关性。单独 使用有机阳离子絮凝机能大大增加污泥的脱水速率，但是不会减小污泥的可压缩 性，甚至有文献报道有机调理剂增加了污泥的可压缩性：为了使调理剂能够“有 效使用”，有研究者将其与其他物质联合用于污泥调理。污泥极易压缩，其“临 界压力”低，加大过滤压力、延长压榨时间对于这种易压缩污泥的最终脱水效果 意义不大。所以研究者丌始意识到，调理的目的除了降低污泥的比阻外，还应该 降低污泥的可压缩性。甚至许多研究者人认为絮体强度在脱水中起的作用比混 第。章文献综述 凝、絮凝还要重要。z h a o t “1 9 1 将有机絮凝剂同石膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) 联合用于污泥调理。 原理是将石膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) 作为“骨架”形成峰固结构的絮体。s m o l l e n t 2 0 + 等人用 木炭和有机絮凝剂联用也取得了较好脱水效果并且减少了有机絮凝剂的用量。 由上面可以看出两种药剂联合调理引起了污泥脱水界的兴趣。郭亚萍等 考察三氯化铁、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺对城市生活污泥的脱水性能。实验表明， 将三氯化铁与聚乙烯醇以投加比例为4 ：l 配合使用，其脱水效果优于单独使用三 种絮凝剂的效果。复合絮凝剂用量为干泥量的1 时，污泥含水率h b 9 4 下降到 7 1 ，其体积可缩小为原体积的2 ，且滤液澄清度高，透光率达9 8 。 k r i s h n a m u r t h ys 用三氯化铁( f e c l 3 ) 和有机絮凝剂p e r c o l7 5 7 以一定的浓度联 合调理城市污水厂污泥，当三氯化铁浓度为4 0 3 0 k g t q ： 黼p e r c o l7 5 7 的浓度为 1 3 5k g t 千污泥时，污泥的毛细吸水时自j ( c s t ) 、比阻( s r f ) 达到最低，污泥 的脱水性能最好。z h a oy q l ，和黄志斌等( 2 3 1 将有机絮凝剂同石膏联用污泥调理， 通过对粘度、c s t 、s r f 等参数的测量，发现c a 2 + 单独作用时对污泥脱水性能的 改善不大，而不同含量的c a 2 + 和聚丙烯酰胺( p a m ) 混合调理，对污泥的流变行 为和脱水性能都有不同程度的影响。他们认为石膏作为“骨架”形成坚固结构的 污泥絮体，絮体强度在脱水中起的作用比混凝、絮凝更重要。w a t a n a b ey 将无机 盐和有机聚合物联用丌发的颗粒化，浓缩系统( 在一个池中完成颗粒化和浓缩) 取 代传统的污泥浓缩池。中试实验显示该装置适用于各种类型污泥( 对进泥浓度也 无要求) ，且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) 相比较，脱水速率提高2 倍，产生泥饼含水率为2 5 ，显著地降低了磷酸 盐释放州。该方法是先用无机会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，在絮凝过程中合适地进行搅拌使大的絮体颗粒化，从而 使颗粒有足够的机械强度，易脱水。两性聚合物和污泥接触后，在p h 变化情况 下形成阴离子和阳离子两部分，能够与污泥颗粒结合，聚合物之间也能互相结合。 单独使用无机絮凝剂能加强絮体的结构，但形成絮体较小，需较多的药剂；单独 使用有机絮凝剂能形成较大的絮体，用药量小，但是絮体强度不够；结合两种絮 凝剂使用后，不仅能形成大而孥固的絮体，而且用药量比单独使用一种絮凝刺时 减少，污泥的脱水效果更好。 l e ec h 和l i uj c 研究了阳离子型有机絮凝剂和非离子型有机絮凝剂的联合 使用调理污泥。研究表明，单独使用一种絮凝剂容易出现投加量过大导致脱水效 广东【：业大学：f ：学硕十学位论文 i 目_ 自| j | = _ = t j 日_ e j _ _ _ | _ _ | j 目自目= = = j = = e 自| t = j | j | e | - _ _ = _ _ 一 果急剧下降，而联合使用则可避免这种情况的发生嘲。阳离子型有机絮凝剂和非 离予型有机絮凝剂的联合使用也能加强絮体强度。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。形成的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嗍。 陈银广等 2 7 研究了表面活性剂、f e c l 3 和石灰水联用对污泥脱水性能的影响。 研究表明，污泥经过滤脱水后的含水率比不加表面活性剂的明显降低。对于离心 脱水，当表面活性剂的加入量与污泥干重比为0 1 0 9 时，脱水污泥的体积比不加 表面活性剂的降低1 1 左右；对于过滤脱水，当用表面活性剂( 加入量为污泥干重 的0 0 8 ) 与f e c l 3 和c a o i 司时调理时，污泥的含水率( 7 8 9 2 ) 比只用f e c l 3 和c a o 调 理的降低约6 。表面活性剂能降低脱水污泥的含水率与其能加快污泥的沉降速 度及促进污泥表面的蛋白质和d n a 释放、减少污泥颗粒间的自j 隙水有关。 药剂的联用比单一药剂调理所取得的效果要