（环境工程专业论文）污泥调理中混凝剂对污泥脱水性能影响研究.pdf

摘要 摘要 污泥处理是城市污水处理厂一个不可缺少的环节，污泥需要及时处理与处 置，其目的在于减量、稳定、无害化和综合利用等，以保证污水处理厂的正常 运行和处理效果，防止二次污染。 污泥中含有大量的水，占总重量的9 5 - - 9 9 ，导致污泥容积大，给污泥后 续处理带来困难，需要对其进行深度脱水，缩小污泥体积。但活性污泥脱水性 能差，需对污泥进行调理，提高污泥脱水性能。本研究结合南昌市朝阳污水处 理厂的污泥，采用化学法对污泥进行调理，改善污泥脱水性能，达到污泥减量 化的目的。 本研究选用两种无机高分子混凝剂( p a c 、p f s ) 和三种有机高分子混凝剂 f 阳离子聚丙烯酰胺( p a m + ) 、阴离子聚丙烯酰胺( p a m ) 、非离子聚丙烯酰胺 ( p a m 4 ) 】对城市污水处理厂的活性污泥进行调理实验，结果如下： ( 1 ) 各混凝剂对污泥的脱水性能均有所改善。有机高分子混凝剂处理污泥 效果优于无机高分子混凝剂，p a m + 处理污泥效果最好，最佳投加量为6 0 m g l ， 最小比阻值为1 9 7 x1 0 s g 。 ( 2 ) 当p a m + 与p a c 联合使用各自的最佳投量分别为2 5 9 l 、4 0 m g l ，浓 度分别为4 、0 1 ，投加顺序为先加p a c ，后加p a m + ，最小比阻值为1 6 2 1 0 8 s 2 g 。当p a m + 与p f c 联合使用各自的最佳投量为6 9 l 、3 0 m g l ，浓度分别 为1 5 、o 1 ，最小比阻值为1 9 3 1 0 眦s 儋，混凝剂的投加顺序对污泥脱水性 能影响不大。 ( 3 ) 对于滤液中t p ，p f s + p a m + 去除效果优于p a c + p a m + 。对于滤液中 c o d c ，p a m + 的去除效果优于其它单一混凝剂，p a c 、p f s 分别与p a m + 联合使 用效果稍优于单一使用p a m + 。 ( 4 ) 污泥过滤压力控制在0 0 4 m p a ，p h 值在7 附近，搅拌时间为3 0 s ( 强 度为1 2 0 r m i n ) 时，污泥脱水效果最好。 ( 5 ) 混凝剂在最佳投加量情况下，污泥比阻最小，相对应的污泥其它脱水 性能指标基本也达到最佳。 ( 6 ) 在处理成本上来看，p a m 。处理成本最低，但处理效果欠佳。p a c 与 p a m + 联合使用时处理成本要稍低于单独使用p a m + ，处理效果好，是污水处理 厂较为经济技术的选择。 关键词：污泥，混凝，污泥脱水，污泥调理，正交实验 a b s t r a c t s l u d g et r e a t m e n to fu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t ( m s t p ) i sa n i n d i s p e n s a b l e a n dt l m e l yp a r t ，w 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 f y i n g ，n o p o i s o n u sa n d c 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 et r e a t m e n te f f e e to f m s t p , p r e v e n t i n gas e c o n dp o l l u t i o n s l u q g ec o n t a i n sl a r g ep r o p o r t i o no fw a t e r ，u pt o9 5 9 9 ，r e s u l t i n gi nh u g e v o i u n l e w h i c hb r i n gt o om u c ht r o u b l ew h e nd i s p o s i n gs l u d g e ，b r i n gan 啪b e ro f p r o b l e m si np r o c e s so ft r e a t i n gt h es l u d g e b u td u et oi t sb a dd e w a t e r i n g ，t h es l u d g e n e e d sf o rp r e t r e a t m e n ta n d i m p r o v et h es l u d g ed e w a t e ra b i l i t y ，t h e nm a k et h es l u d g e l o s eag r e a td e a ll i q u i di nt h es u b s e q u e n tm e c h a n i c a ld e w a t e r i n gp r o c e s s b a s e do n t h ea n a l y s i so fs l u d g ei nc h a o y a n gd i s t r i c t ，n a n c h a n gc i t ys e w a g et r e a t m e n t p l a n t ， t h ep a p e rv o t e dt h ec h e m i c a ls l u d g ep r e t r e a t m e n tt oi m p r o v e d t os l u d g ed e w a t e r i n g 1 h ep a p e rs e l e c t e dt w o i n o r g a n i cp o l y m e rc o a g u l a n t s ( p a c 、p f s ) a n dt h r e eo f o r g a m cp o l y m e rc o a g u l a n t s c a t i o n i cp a m ( p a m + 、a n i o n i c p a m ( p a m ) 、n o n i o n i c p a m ( p a m 4 a n dw e n to ne x p e r i m e n ta b o u ta c t i v a t e ds l u d g e c o a g u l a t i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ti sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es l u d g ed e h y d r a t e dp e r f o r m a n c eh a st h ei m p r o v e m e n tt h r o u g h l r i o u s c o a g u l a n t s t h ee f f e c to ft h eo r g a n i ch i g hp o l y m e rc o a g u l a n tp r o c e s s i n gs l u d g e s u r p a s s e st h ei n o r g a n i ch i g hp o l y m e rc o a g u l a n t t h ep o s i t i v ei o np a m * p r o c e s s i n g s l u d g el sb e s t ，t h eo p t i m u md o s i n gi s 6 0 m g l ，t h es m a l l e s tr e s i s t 甜l c en 啪b e ri s 1 9 7 x 1 0 8 s 2 g ( 2 、p a m + a n dp a cu n i t e df o rs l u d g eo nc o n d i t i o n i n g ，t h e i r b e s td o s a g e s e p a r a t e l yi st h e2 s g la n d4 0 m g l ，t h ec o n c e n t r a t i o ns e p a r a t e l yi s4 a n d o 1 。t h e s m a l l e s tr e s i s t a n c en u m b e ri s1 6 2 10 8 s 2 g t h eb e s ta d i t i o ns e q u e n c et h a ti t i sp a c f i r s ta n dp a m + a f t e r p a m + a n dp f su n i t e df o rs l u d g eo nc o n d i t i o n i n g ，t h e i rb e s t d o s a g es e p a r a t e l yi st h e8 9 la n d3 0 m g l ，t h ec o n c e n t r a t i o ns e p a r a t e l yi s 15 a n d 0 1 ，t h es m a l l e s tr e s i s t a n c en u m b e ri s1 9 3 10 8 s 2 g ，t h ea d i t i o ns e q u e n c eo ns l u d g e d e w a t e r i n gp e r f o n n a n c ei sn o ta f f e c t e d 。 ( 3 ) t 0t pr e g a r d i n gt h ef i l t r a t e ，t h ee l i m i n a t i o ne f f e c to f p f s + p a m + s 岬a s s e s i i 垒璺兰! 坠竺! 一一 _ _ 一一 p i a c + p a m + t oc o d c r ，t h ee l i m i n a t i o n e f f e c to fp a m + s u r p a s s e so t h e rs o l e c o a g u l a n t sr e g a r d i n gt h ef i l t r a t e ，t h ee f f e c t o fp a c ，p f su i n t e dp a m 一- s e p a r a t e l y s u r p a s s e sp a m + ( 4 ) t h es l u d g ef i l t r a t i o np r e s s u r ei sc o n t r o l l e di n t h eo 0 4 m p a , p hv a l u ei s7 ，t h e m i x i n gt i m ei s3 0 s ( i n t e n s i t yi s 12 0 r m i n ) ，t h es l u d g ed e w a t e r i n ge f f e c ti sb e s t ( 5 ) t h ec o a g u l a n ti si nb e s td o s a g e ，t h es l u d g er e s i s t a n c en u m b e ri s s m a l l e s t ， o t h e rd e h y d r a t i o np e r f o r m a n c ei n d e xb a s i ca l s oa c h i e v e sb e s t ( 6 ) i nt h ep r o c e s s i n gc o s tt h ep a m 。p r o c e s s i n g c o s ti sl o w e s t ，b u tt h ep r o c e s s i n g e 行e c ti sr e l a t i v e l yp o o r p a ca n dp a m + u n i t e d t h ec o s ti sl o w e rt h a np a m + s l i 曲f l y , t h ep r o c e s s i n ge f l e e ti sb e s t ，p a ca n dp a m + i sm o r ee c o n o m i c a lt e c h n o l o g yc h o i c e i n t h es e w a g et r e a t m e n tp l a n t k e yw o r d s ：s l u d g e ，c o a g u l a t i o n ，s l u d g ed e w a t e r i n g ，s l u d g ec o n d i t i o n i n g ，o r t h o g o n a l i i i 学位论文独创性卢明 学位论文独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，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，也不包含 为获得直昌态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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：潆a 、签字日期：刃暗年i z - y j 衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：7 余吐 签字日期：加。富年蝴z 细 导师签名彩彬灞 签字日期：2 0 t 舻年位月巧e l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 改革开放3 0 年以来，我国经济得到快速发展、人民生活水平显著提高、城 市人1 2 1 急剧增加，城市污水排放量快速增长。据不完全统计【l 】，到2 0 0 0 年底我 国城市污水年排放量达2 0 4 亿吨，但城市污水厂只有4 2 7 座，其中二级处理厂 2 8 2 座，城市污水处理率为1 5 8 ，处理量的增加仍滞后于污水排放量的增长， 城镇的污水处理问题同趋严重。为了满足经济发展、人民生活水平提高和城市 人口增加等速度，我国必将建设一批城市污水处理厂。 污泥处理是污水处理系统的重要组成部分，只有正确、恰当地处理处置污 泥，才能保证污水处理厂的正常运行及其处理效果。目前，中、小型污水处理 厂多采用活性污泥法处理污水，产生大量的剩余污泥，污水处理厂全部基建费 用中，用于处理污泥的约占2 0 , - , 5 0 ，甚至达到7 0 ，污泥的处理处置一直是 中、小型污水处理厂建设和运行中存在的一大难题。 城市污水处理厂的污泥是指城市污水处理厂处理废水所产生的固态废弃 物，其主要特征是有机物含量高，容易腐烂发臭，颗粒较细，含水率高，比重 小，经浓缩或消化后体积大。随着污水处理技术的革新，处理程度的深化，污 水处理率的不断提高，污水处理产生的污泥量也将大大增加，我国每年产生的 城市污水污泥达1 亿吨以上【2 1 。污泥从二沉池排出时含水率为9 7 9 9 ，经过 浓缩以后，可使污泥含水率降低到9 4 , - , 9 6 ，污泥的体积可缩小到原来的1 4 左右。但是这样的污泥仍具有流动性和较大的体积，造成后续物流输送困难、 处理设备容量大、经济性差的问题。为了降低污泥容积，减少外运的费用和填 理场的渗滤液量，提高污泥可利用物质的含量，利于污泥的运输、后续处置和 利用( 如农用的肥分、焚烧的热值等) 【3 1 ，需进一步脱水至含水率为7 0 8 0 左 右。 城市污水厂污泥，其固相颗粒呈胶质絮体状，絮体的形成来源于有机碎屑 颗粒和豁土颗粒的自絮凝( 污水厂初沉污泥) 或由产胶质物的微生物( 或称为 絮体微生物，如丝状菌、胶团豁液菌等) 分泌的胞外物质与其他悬浮颗粒物絮 凝而成，也可由水处理过程中加入的混凝剂与水中的悬浮颗粒絮凝而成。胶质 第1 章绪论 絮体结构松散，比表面积大和空隙率高，絮体颗粒中能包含比例很高的间隙水 分和吸附水分，脱除困难。因此在机械脱水前必须进行污泥调理，使比阻值在 适合机械脱水的范围内，改善污泥脱水性能，减少机械脱水后污泥体积，为后 续处理处置打下良好的基础。污泥调理的实质是改变污泥固相颗粒的形态特征 【4 】 o 目前用于污泥调理的方法中，化学调理因操作简单，效果好而应用最广。 常用化学调理剂主要有无机( 铁盐和铝盐) 混凝剂和有机高分子聚丙烯酰胺系 列混凝剂。铁盐混凝剂主要包括氯化铁( f e c l 3 6 h 2 0 ) 、硫酸亚铁 ( f e s 0 4 7 h 2 0 ) 、以及聚合硫酸铁( p f s ) 等；铝盐调理剂主要有硫酸铝 ( a i ( s 0 4 ) 1 8 h 2 0 ) 、三氯化铝( a i c l 3 ) 、聚合氯化铝( p a c ) 等。使用无机混 凝剂后，可以大大加速污泥的浓缩过程，改善过滤脱水效果。但无机混凝剂存 在下列问题：一是用量较大，投加量要达到污泥干重的5 2 0 ，从而导致滤饼 体积增大；二是无机调理剂本身有腐蚀性。有机高分子混凝剂投加量少( 一般 为污泥干重的o 1 0 5 ) ，凝聚效果好、形成的絮体大、强度高、不易破碎、 不增加泥饼量，无腐蚀性等优点，但有机高分子混凝剂价格昂贵，使污泥脱水 成本较高的缺点。 我国城市污水处理厂污泥排放标准规定，在厂内经稳定处理后城市污水处 理厂污泥含水率应小于8 0 。目前用于污泥调理的方法中，化学调理因操作简 单，效果好而应用最广。因此，针对城市活性污泥各种影响混凝脱水效果的因 素，选择用量少、成本低、效果好的混凝技术是一项具有实际意义的工作。 1 2 污泥的基本情况 1 2 1 污泥的产生 自从a r d e m 和l o c k e t t 于1 9 1 4 年在英国化学学会发表有关活性污泥法的论 文以来，活性污泥法已经有了8 0 多年的历史。活性污泥法已广为世界各国所采 用，成为一种重要的污水生物处理技术。所谓活性污泥是以好氧菌为主体形成 的絮状体，其中混杂着污水中的有机悬浮物、无机悬浮物质、胶体物质、多种 原生动物、后生动物等。 在用活性污泥法处理污水的过程中，活性污泥中的微生物利用污水中营养 物质进行代谢，消耗水体中的有机物质，同时污泥絮体对污水中的一些悬浮物 2 第1 章绪论 由于吸附等物理过程而使得污泥的量不断增加，产生一定量的污泥。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。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生量为0 3 3 0d s t 5 1 。 影响污泥产率的主要因素是单位污水处理量中的b o d 和悬浮物( s s ) 。在 处理过程中采用深度处理( - - 级处理) 工艺的污水厂，污泥产量要高于未采用 深度处理工艺的污水厂。随着人们对环境质量要求的提高，将促进污水处理率 的提高，污泥的产量也将会显著增长。因此，采用何种经济有效的处理与处置 技术来接纳日益增长的污水污泥，己愈来愈受到世界各国注。 1 2 2 污泥的分类 城市污水处理厂从污水中分离出来的固态总称为生活污水污泥。根据污泥 从污水中分离的过程，可将其分为如下几类【6 】： ( 1 ) 沉淀污泥：初次沉淀池中截留的污泥，包括用药剂沉淀下来的污泥。 ( 2 ) 生物处理污泥：在生物处理的过程中，由污水中悬浮状、胶体状或溶 解状的有机污物组成的某种活性物质，称为生物处理污泥。这种生物活体中的 大部分固体是由细菌块( 或菌群) 组成的。 生物处理污泥根据生物处理方j 的不同，又可区分为下列两种： ( 1 ) 生物滤池污泥：采用生物滤池处理时产生的污泥。 ( 2 ) 活性污泥：采用活性污泥法处理时产生的污泥。在这一处理过程中， 一部分污泥，即回流污泥作为接触体而在曝气池中循环，多下来的剩余活性污 泥则送去进一步处理。 因此，进行生物处理的污水处理厂的污泥，是沉淀污泥与生物处理污泥的 混合污泥。生活污水污泥一般均易腐化，可进一步区分如下： ( 1 ) 生污泥：从沉淀池( 初次沉淀池和二次沉淀池) 处理后排出来的沉淀 物或悬浮物。 ( 2 ) 浓缩污泥：生污泥经浓缩处理后得到的污泥。 ( 3 ) 消化污泥：生污泥经厌氧分解后得到的污泥。 1 2 3 污泥的性质 污泥是污水处理的产物，成分复杂，包括悬浮在生活污水中或工业废水中 的泥沙、纤维、动植物残体等物质及凝结的絮状物、多种微生物形成的菌胶团 3 第1 章绪论 及其吸附的有机物、重金属元素和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵等固体 物质。其组成粒子由悬浮在水中的固体经不同方式胶结凝聚而成，结构松散， 形状不规则，呈分形结构，外观上具有类似绒毛的分支与网状构造，具有高度 非均匀，比表面积大及孔隙率高( 孔隙率常大于9 9 ) 等特点。 污泥的主要特征为有机物含量高、容易腐化发臭、颗粒较细、比重较小、 亲水力强、脱水困难、含水率高( 可高达9 9 以上) 。污泥中含有植物生长所需 的氮、磷、钾等营养元素和维持植物正常生长的多种微量元素，其中的有机物 和腐殖质是良好的土壤改良剂。由于污水来源、污水处理工艺及季节不同，污 泥的组成差异较大【7 8 】。 1 2 4 污泥处理方法 污泥处理的主要目的是减少污泥最终处置前的容积和使污泥卫生化和稳定 化。 污泥处理方法及流程的选择取决于当地条件、环境保护要求、投资情况、 运行费用及维护管理等多种因素。一般为单独或综合使用下列方法，流程见图 1 1 。 ( 1 ) 浓缩。为了使能够沉淀的大块污泥迅速沉淀，在将污泥缓慢搅拌以后 使之进行长时间的沉淀。结果污泥被浓缩，含水率降低。 ( 2 ) 消化。除了使污泥中的腐化物质厌氧分解以外，还使污泥中的胶体物 质气化、液化、稳定化或分解，进而使污泥中的水分与固体分离。 。 ( 3 ) 好氧分解。代替厌氧消化，是通过好氧氧化作用使污泥中的有机物矿 化。 ( 4 ) 药剂处理。与自来水、污水的化学混凝处理情况相同，通过投加化学 药剂促进污泥脱水。 ( 5 ) 污泥淘洗。用比较清洁的水预先洗去污泥中对药剂处理或浓缩有不良 影响的物质。 ( 6 ) 自然干燥。将污泥撤在干化场上，通过向空中蒸发或向干化场渗透减 少污泥中的水分。 ( 7 ) 机械脱水。采用真空过滤机、压滤机、离心分离机、筛滤机等进行污 泥脱水。 ( 8 ) 人工加热干化。加热污泥，蒸发污泥中的水分，使之几乎完全干化。 4 第1 章绪论 ( 9 ) 焚烧。将消化前的剩余活性污泥或消化污泥预先进行人工干化，再单 独与其它可燃物一道焚烧。 重力浓缩、气浮浓缩、其它浓缩 化粪池、双层沉淀池、消化池 晒砂池、干化场 化学调节、淘洗、热处理、冷冻处理 真空过滤、压滤、滚压脱水、微孔挤压、离心脱水、水 中造粒 焚烧、填埋或用作农用堆肥 图1 1 污泥处理流程 污泥处理也有选择其中部分单元操作进行组合的工艺： 湿式氧化法是指在液态下对污泥加温加压，并压入压缩空气，使污泥中的 有机成分，包括溶解的、悬浮的及其它还原性无机物利用空气中的氧气进行氧 化去除，从而改变污泥的结构与成分，使脱水性能大大提高的方法，也称为湿 式燃烧。 5 _ik；一i；i；ii；i：l 第1 章绪论 1 3 污泥脱水 1 3 1 污泥中水分的存在形式及去除原理 污泥结构复杂，与水的亲和力强。污泥中所含水分按结合形有四种：表面 吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水9 , 1 0 , 1 1 】。 ( 1 ) 表面吸附水 表面吸附水是指吸附在污泥颗粒表面的水分。污泥属于凝胶，是由絮状的 胶体颗粒集合而成。污泥的胶体颗粒小，比表面积大，吸附力大，胶体颗粒带 有相同性质的电荷，相互排斥，妨碍颗粒的聚集、长大而保持稳定状态，因而 表面吸附水用普通的浓缩或脱水方法去除比较困难。加入起调理作用的混凝剂 后，污泥胶体颗粒的电荷得到中和后，颗粒呈不稳定状态，凝聚在一起，颗粒 增大，比表面积减小，表面张力降低，表面吸附水也随之从胶体颗粒上脱离。 ( 2 ) 间隙水 间隙水是指大小污泥颗粒之间的游离水分，它并不与固体颗粒直接结合， 因而较容易分离，在浓缩池中控制适当的停留时间，利用重力作用，一部分间 隙水就会分离出来。间隙水一般要占污泥中总含水量的6 5 8 5 ，这部分水是污 泥浓缩的主要对象。 ( 3 ) 毛细结合水 将一根直径细小的管子插入水中，在表面张力的作用下，水在管内上升使 水面达到一定高度，这一现象叫毛细现象。水在管内上升的高度与管子半径成 反比，就是说管子半径越小，毛细力越大，上升高度越高，毛细结合水就越多。 污泥由高度密集的细小固体颗粒组成，在固体颗粒接触表面上，由于表面张力 的作用，形成毛细结合水，毛细结合水约占污泥中总含水量的1 0 2 5 。由于 毛细水和污泥颗粒之间的结合力较强，浓缩作用不能将毛细结合水分离，需借 助较高的机械作用力和能量，如真空过滤、压力过滤和离心分离才能去除这部 分水分。 ( 4 ) 内部结合水 内部结合水是指包含在污泥中微生物细胞体内的水分，它的含量与污泥中 微生物细胞体所占的比例有关。一般初沉污泥内部结合水较少，二沉污泥中内 部结合水较多。这种内部结合水与固体颗粒结合得很紧密，使用机械方法去除 这部分水是行不通的。要去除这部分水分，必须破坏细胞膜，使细胞液渗出， 6 第1 章绪论 由内部结合水变为外部液体。为了去除这种内部结合水，可以通过好氧菌或厌 氧菌的作用进行生物分解，或采用高温加热和冷冻等措施。内部结合水的含量 不多，内部结合水和表面吸附水一起只占污泥中总含水量的1 0 左右。 1 3 2 污泥脱水性能及评价 不同性质的污泥脱水的难易程度差别很大，衡量污泥的脱水性能的研究通 常着眼于污泥过滤的难易，即滤速的快慢。污泥脱水性能一般用两个指标：比 阻值和毛细吸水时间二者之一进行评价 1 2 , 1 3 , 1 4 】。 ( 1 ) 比阻值 污泥比阻是表示污泥过滤特性的综合性指标，它的物理意义是：单位质量 的污泥在一定压力下过滤时在单位面积上的阻力，一般用r 表示。它表示污泥阻 扰固液分离倾向的指标。求此值的作用是比较不同的污泥( 或同一种污泥加入 不同量的混凝剂后) 的过滤性能。污泥比阻值愈大，过滤性能愈差。 ( 2 ) 毛细吸水时间 毛细吸水时间常用符号c s t 表示，是英文c a p i l l a r ys u c t i o nt i m e 的缩写， 由巴斯构维尔( b a s k e r v i l l e ) 和加尔( g a l e ) 于1 9 6 8 年提出。其值等于污泥与滤 纸接触时，在毛细管作用下，水分在滤纸上渗透l c m 长度的时间，以秒计。在 一定范围内污泥的毛细吸水时间( c s t ) 与其比阻值r 有关系。同济大学对上海 污水厂污泥的研究结果也表明，比阻值r 与毛细吸水时间c s t 的对数具有线性 关系。c s t 越大，污泥的脱水性能越差。 一般来说，上述两个污泥脱水性能评价指标，当采用压滤或吸滤的方法进 行污泥脱水时，可以相对评价某种污泥的脱水性能的好坏。 1 3 3 影响污泥脱水因素 ( 1 ) 污泥的种类的影响 污泥的性质将直接影响污泥脱水效果，污泥中污泥颗粒粒径的大小及其分 布决定过滤脱水的难易程度和好坏。试验证明：城市污水厂初沉污泥较易脱水， 剩余活性污泥较难脱水，其混合污泥的脱水性能介于两者之间。此外，污泥中 的有机物含量及污泥颗粒大小还直接影响化学药剂的投加量。 ( 2 ) 过滤压力 过滤的难易与物料的压缩性及压力值有关。一般来说，真空度越高，滤饼 7 第1 章绪论 密度越大，含水率越低。但随着滤饼密度增加，过滤阻力增加，不利于过滤脱 水。城市污泥随着过滤压力的增加，污泥比阻值也随之增加，压力增大，动力 消耗增加，污泥处理成本提高。因此，污泥过滤脱水时必须选择适当的压力。 ( 3 ) 混凝剂的种类和投加量 混凝剂的种类和投加量对污泥比阻的影响如前所述。不同脱水方式需采用 不同的混凝剂，如真空过滤脱水，采用高分子混凝剂的效果较好，离心脱水时， 不宜采用无机混凝剂。 ( 4 ) 过滤设备 过滤设备的性能影响着过滤压力、滤过污泥产率、滤液悬浮物浓度、固体 回收率及滤饼的剥离性能，过滤机械不同，采用的过滤介质也不同。如真空过 滤和压滤脱水机械中，主要采用织物制品。滤布不同，过滤后，滤饼脱落的难 易程度不刚1 5 , 1 6 , 1 7 】。 1 3 4 污泥的脱水技术及设备 由于污泥脱水的效果直接影响到污泥的后续处理效果和投资，所以国内外 都很关注污泥的脱水技术。常用的污泥脱水方法有自然干化、机械脱水及加热 等，其中机械脱水技术占主导地位，与加热脱水方式相比，机械挤压的能量消 耗相对较低，被广泛应用于污泥的固液分离，是污泥脱水的主导方向【l 引。 目前，国内外广泛采用的是机械脱水方法，主要的脱水机有板框压滤机、 带式压滤机、真空过滤机和卧式螺旋卸料沉降离心机等。 真空过滤机是在转筒内产生负压( 4 0 8 0 k p a ) 将污泥吸到滤布上，形成滤 饼进行脱水，因操作复杂、能耗高、目前很少使用【l 引。 板框压滤机是在高压下( o 2 9 , - - 0 6 9 m p a ) 使污泥脱水，能得到含水率较低的 泥饼，但是间歇作业，操作强度大，操作麻烦，其使用也受到一些限制。近几 年，为了解决这个问题，人们又开发了自动装卸的板框压滤机，鞍山工业污水 处理厂采用板框压滤机。 带式压滤机是将化学调节好的污泥放在两条滤带间，依靠滚压轴的压力和 滤布的张力榨取污泥中的水分。由于能够连续运行，机械制造容易，基建和运 行费用低，占地小，噪音低，在国内外的污泥脱水中得到了广泛的应用，在国 内发展尤其迅速。但普遍存在跑带现象，需要频繁调节；滤布易堵，使用寿命 短；敞开在空气中，工作环境较差，气味大：自动控制系统运行不稳定等。因 8 第l 章绪论 此带式压滤机运行管理比较复杂。天津纪庄子污水处理厂、杭州四堡污水处理 厂、桂林中南污水处理厂等都采用带式压滤机1 2 5 】。 离心机是靠离心力来分离污泥中的水分。它具有产量高，能连续运行，运 行管理简单等优点，世界各国在污泥处理中应用较多，主要使用卧式螺旋卸料 沉降离心机。最近几年在我国新建大型污水处理厂使用较多，因此可能是国内 今后发展的方向i 例。 螺旋压榨脱水机，这种装置比较简单，由带滤孔的压榨圆筒和贴近筒内壁 的可旋转锥形螺旋组成。螺旋压榨的脱水效果与螺旋杆轴的直径、长度、速度 和结构形式、压力梯度分布及压榨时间有关。螺旋压榨机械的特点是结构简单， 压榨力大，脱水效果好，力消耗少，可以连续作业，尤其适用于对污泥及各种 废弃物进行高效脱水。 螺旋压滤浓缩脱水一体机，主要有固定环、游动环、带螺旋的螺旋轴组成， 螺旋压脱水效果与游动环与固定环的间距、螺旋轴上的螺旋间距、背压板的间 距、转动速度有关，螺旋压滤浓缩脱水一体机特点是结构简单，操作方便，脱 水效果好，能连续作，尤其适用于小型污水水处理厂的污泥脱水。 我国污泥脱水技术的研究和脱水机械的实践起步较晚，机种以带式压滤机 发展较快。目前，新建2 0 万m 3 d 以上污水处理厂污泥处理均采用离心脱水机， 而2 0 万m 3 d 以下的污水处理厂多采用带式浓缩脱水一体机。 发达国家为了提高污泥的脱水率，设计出了许多新型的污泥脱水机械，如 滚压式污泥脱水机、螺旋压榨污泥脱水机，虽然为此需要较大的投资，但会因 运输和处置费用降低而得到补偿，这己有许多实例可以作为证明。 离心机、板框压滤机和带式压滤机应用都比较广泛，各有优缺点，很难确 定那一种脱水方式绝对的好。比较不同的脱水方式，考虑因素很多，d v a i d s s l o a n 2 0 】等人曾用中试装置对不同的脱水方式进行过全面的比较，采用压滤脱 水，污泥含固率高，能耗低。2 0 0 2 年，d o u g l a s d d r u r y 2 l 】等人比较了实际规模 的带式压滤机和离心机，主要评价指标为污泥脱水后的含固率、处理量、能耗、 释放的臭味、调理剂用量及价格、是否易于操作，认为离心机经济上更具有优 势。 9 第1 章绪论 1 4 污泥调理 有机质污泥( 包括初沉污泥、腐殖污泥、活性污泥及消化污泥) 均是以有 机物微粒为主体的悬浊液，颗粒大小不均匀且很细小，具有胶体特性。由于与 水有很大的亲和力，可压缩性大，过滤比阻抗值也大，因而过滤脱水性能较差。 其中活性污泥由各类粒径胶体颗粒组成，过滤比阻抗值高，脱水更为困难。 污泥调理的目的是为了提高污泥浓缩脱水的效率，为经济地进行后续处理 而有计划地改善污泥性质的措施。 1 4 1 污泥调理原理 带式压滤机主要脱除的是污泥浓缩后残留的自由水和部分毛细水。毛细水 的含量取决于污泥中毛细管的数量和毛细压力。物料越细，颗粒越小，相同体 积内形成的缝隙数( 即毛细管数) 就越多，毛细管的半径也越小。根据 y o u n g - l a p l a c e 公式，液体的毛细压力p ： p = p g h = 等c o s 8 ( 1 1 ) k 式中p 一液体的毛细压力； p 一液体密度； g 一重力加速度； h 一液体在毛细管中的上升高度； 盯一液体的表面张力； 目一固液接触角； r 一毛细管半径。 从( 2 1 ) 式可知，液体的毛细压力与毛细管的半径r 成反比，与液体的表 面张力仃成正比，同时和固体表面的亲水性，即固液接触角秒有关。毛细压力越 大，毛细水的含量也随之增大。同时，细微物料的总表面积会大大增加，表面 特性影响更为明显一越细物料的表面水化膜相对厚度越大，则与固相的结合越 牢固，由于水化膜的流动性极差，甚至静止，因而占据了流道部分空间，使污 泥更加难于脱水。 设法增大毛细管的半径，或降低液体的表面张力，或降低固体表面的亲水 性( 即增大固液接触角0 ) ，均可使毛细压力降低，导致液体在毛细管中的上升 高度下降，剩余污泥水分中难于脱除的毛细水含量减少，易于脱除的自由水含 l o 第l 章绪论 量增多。电解质混凝剂可以有效地降低水的表面张力，并压缩双电层，使颗粒 表面水化膜的厚度减薄：而依据d l o v 理论，高分子絮凝剂在水中伸展开的长 链可以将大量的微小颗粒絮凝成直径在5 1 0 m m 的密实的大絮团，从而显著减 少污泥中毛细管的数量并使剩余的大部分毛细管的半径增大。上述措施一方面 大大增加了污泥中的大空隙数量，使得污泥中自由水分的流动更加通畅，另一 方面明显降低了毛细水的压力，减少了毛细水的数量。 根据鲁斯( r u t h ) 过滤方程，以滤液衡量的过滤速度u ： “：。巳一 ( 1 2 ) ( + 尺，) 式中p 一过滤压力； 一液体的粘度； 口。一滤饼的质量比阻： 一单位面积过滤介质上沉积的滤饼质量； 冠一过滤介质阻力。 即其它条件一定时，过滤速度与过滤压力成正比。 毛细水仅靠重力作用是不能从剩余污泥中脱除的，从理论上来说，必须以 至少等于毛细压力的过滤压力才可能除去毛细水，即必须使p p 。当二者相 等时，将( 1 1 ) 式代入到( 1 - 2 ) 式中，可得： “t ： 旦： ：堡 竺! 翌 ( 1 3 ) ( + 尺r ) r , u ( a c o + r ) 式中，“一过滤压力等于毛细压力时的过滤速度。 从公式( 1 3 ) 可以看出，当过滤速度不变( 即= ) 时，采取降低毛细 压力的措施，可以降低必须的过滤压力，从而减少动力能源的消耗，降低运行 费用；换个角度说，当过滤压力p 不变时，降低液体的毛细压力p 可以使“ u ， 从而加快污泥过滤脱水速率，设备的处理能力也随之增大，处理量相同时，处 理设备的规模和设各投资费用均可减少2 3 2 4 2 5 1 。 1 4 2 污泥物理调理法 常见的物理调理法有淘洗法、热处理法、冰冻法等。 淘洗法适用于消化污泥的预处理，目的在于节省混凝剂用量，降低机械脱 水的运行费用。 加热处理法可分为高温加压处理法和低温加压法。污泥通过加热处理，可 第1 章绪论 使部分亲水性有机胶体物质水解，污泥颗粒结构改变，改善污泥的浓缩性能和 脱水性能。其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， 泥饼含水率可降至3 0 4 5 。缺点是污泥上清液的b o d 和c o d 都很高，回流 处理时要增加水处理构筑物的负担，有臭气，设备易腐蚀，费用高。 冰冻法是指将污泥慢速冰冻，完全结冰后在将污泥在常温下解冻，与热处 理一样，冻融处理可以改变污泥的胶体结构，减少结合水量，特别对于明矾污 泥有极好的效果。 此外，也对污泥进行超声波处理，改善加入混凝剂后的污泥絮体结构，提 高脱水性能的报道【2 6 , 2 7 , 2 8 】，对污泥进行静电与反静电改善污泥的脱水性能【1 5 】；电 凝聚法改善剩余污泥脱水性能等【2 9 1 。 1 4 3 污泥化学调理法 化学调理作为污泥调理中改善污泥脱水性能最常用的手段之一，是指在污 泥中加入化学药剂( 如助凝剂、混凝剂等) ，使颗粒絮凝，改善脱水性能。 简单而言，凡是能使水溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状物沉 淀的物质都可称为混凝剂( 或统称为絮凝剂) 。凝聚剂即为主要通过表面电荷中 和或压缩双电层而使胶体颗粒脱稳的药剂。絮凝剂则是在脱稳后的胶体颗粒之 间产生架桥作用以及在沉降过程中产生卷扫作用的药剂。 由于污泥中的固体粒子是水合物，细小而带有负电荷，粗粒子表面裹着水 合层，所以污泥形成一种稳定的胶体悬浮液。由于亲水性胶体粒子形成双电层， 它与水的亲和力非常强，沉降性能和脱水性能就很差，污泥中固体和水的分离 比较困难。 加药调节的原理就是使带有电荷的无机或有机混凝剂在这两种胶体表面起 化学反应，中和污泥粒子的电荷，使水从粒子中分离出来，同时使粒子凝聚成 大的颗粒。 1 4 4 混凝剂种类 ( 1 ) 无机混凝剂 无机混凝剂是一种电解质化合物，主要有铝盐( 硫酸铝、明矾及三氯化铝 等) 和铁盐( 三氯化铁、绿矾及硫酸铁等) ，以往主要采用以石灰、铝盐、铁盐 等无机混凝剂为主要添加剂的加药法。各类无机混凝剂离解得到的阳离子带正 1 2 第1 章绪论 电荷，与污泥颗粒上负电荷互相吸引并中和，使电荷减小，减少了粒子之间的 排斥力【3 0 】，增加了颗粒间的吸附，并减少粒子和水分子的亲和力，使粒子增加 凝聚力而粗大化，从而改善其沉降脱水性能。 无机混凝剂的主要作用是中和电荷、压缩双电层、降低斥力。因此，所用 的混凝剂的离子价越高，即所带的电荷越多，对中和胶体电荷量及压缩双电层 厚度也越有利。因此，铝盐、铁盐的调理效果是比较好的。一般铁盐或铝盐加 入污泥后会形成带正电荷离子，即f e ”或a l ”，往往易水解形成氢氧化物絮体 而促进混凝作用。例如以铝盐作调理剂时：p h 值小于4 时，铝成为a 1 3 十的状态； p h 值大于4 时，生成带正电荷高价氢氧化物聚合体，有利于中和污泥颗粒的负 电荷及加强吸附作用；p h 在8 2 以上时，a i ( o h ) 3 明显的溶解成为铝酸离子 a 1 0 ，而丧失了调理作用。因此，每种调理剂都有其最适宜的p h 值范围。 ( 2 ) 高分子混凝剂 高分子调理剂是高分子聚合电解质，包括有机合成剂及无机高分子混凝剂 两种。近年来，高分子混凝剂发展迅速，目前得到广泛的应用。高分子混凝剂 除了能中和污泥胶体颗粒的电荷及压缩双电层，与无机电解质混凝剂相比，它 的优点在于它们的长分子( 约长0 1um ) 可构成污泥颗粒之间的“架桥”作用，并 且能形成网状结构，起到网罗作用，促进凝聚过程，提高脱水性能。特别是变 性后的高分子聚合电解质，架桥作用更强。因非离子型的链是卷曲的，变性后， 极性基团被拉长展开，增强了架桥与吸附能力，混凝效果可提高“1 0 倍。此外 高分子混凝剂能迅速吸附污泥颗粒，絮体比无机混凝剂更牢固，结合力更大。 无机混凝剂的药剂消耗量较大，目前针对污水厂的污泥的悬浮固体浓度很 大，一般均采用高分子混凝剂。高分子混凝剂的药剂消耗量大大低于无机混凝 剂，而且处理安全，操作容易，在水中呈弱酸性或弱碱性，腐蚀性小。目前广 泛使用高聚合度非离子型聚丙烯酰胺及其变性物质，以及聚合氯化铝。p a c 的 特点是适应水质范围较宽，相对a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，凝聚效果随温度的变化较小，形成 絮体速度较快，适宜的p h 范围为5 - 9 ，药剂配制后的投加对设备的腐蚀作用小， 且对出水水质影响不大【3 l l 。 目前还有复合型的电解质，在其本身强烈的水化过程中，电解质问的“加 和作用和“协同作用 同时发生，使其中胶体电荷和压缩胶体双电层的能力 增强，同时电解质相互促进凝聚作用，从而改变污泥颗粒的结构和性质，减少 污泥颗粒的间歇水，由此提高污泥的脱水能力【3 2 1 。 1 3 第1 章绪论 ( 3 ) 微生物混凝剂 生物混凝剂是一种由微生物产生的可使液体中不易降解的固体悬浮颗粒、 菌体细胞及胶体粒子等凝集、沉淀的特殊高分子代谢产物【3 3 1 ，它是通过微生物 发酵、分离提取而得到的一种新型、高效的水处理剂。按照来源不同，微生物 絮凝剂主要可分为三类；( 1 ) 直接利用微生物细胞的混凝剂；( 2 ) 利用微生物细 胞壁提取物的混凝剂：( 3 ) 利用微生物细胞代谢产物的混凝剂。从微生物中分 离出来的混凝剂不仅可以用于处理废水和改进活性污泥的沉降性能，还能用在 微生物发酵工业中进行微生物细胞和产物的分离【3 4 , 35 1 。 生物混凝剂具有许多独特的性质和优点：易于固液分离，形成沉淀物少； 易被微生物降解，无毒无害，安全性高，无