（热能工程专业论文）城市污泥表面活性的表征、检测与污泥煤浆应用研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着城市污水处理量的提高，污水污泥的合理处置成为急需解决的 问题，其中污泥的资源化利用思路由于符合可持续发展战略得到了越来越多的关 注。本文重新审视污泥特性，认识到由于污泥中生物表面活性剂的存在使它具有 表面活性，合理调节和利用污泥表面活性可为污泥资源化利用开辟另一条道路。 本文在实验室条件下对剩余活性污泥进行了培养，研究了培养时间和培养条 件对污泥特性的影响，研究了污泥的生物特性与污泥中生物表面活性剂产量的关 系。实验过程中，培养中的污泥的经历了细菌繁殖的四个阶段，得出了最适合污 泥中细菌生长的培养条件，发现生物表面活性剂的生成滞后于细菌的生长，随着 细菌数的改变生物表面活性剂的产量发生相应的变化，为污泥表面活性的调节提 供了依据。 根据理论和分析确定了污泥表面活性的表征因子，研究了污泥表面活性因子 随污泥特性变化的规律以及表面活性因子间的关系。实验结果表明污泥的表面张 力与生物表面活性剂浓度呈指数关系，污泥的电位与污泥的乳化能力呈线性相 关随着污泥的培养时间按照一定的规律变化。在最佳培养条件下，污泥达到最好 的表面活性，此时污泥的表面张力降到最低值，电位绝对值最高，同时具有较 好的乳化能力。 将污泥的表面活性应用于污泥煤浆技术，对实验室制备的污泥煤浆作了成浆 特性研究。实验结果表明污泥的表面活性对污泥煤浆的成浆性有显著影响，污泥 优良的表面活性能提高污泥煤浆的极限成浆浓度，同时污泥煤浆还具备较好的流 动性和稳定性。 本文通过对污泥表面活性的表征、检测及煤浆应用研究，为污泥表面活性的 调节和利用提供了理论基础和现实依据，也为今后的深入研究提供了有价值的参 考数据。 关键词：污泥，表面活性，生物表面活性剂，表面张力，电位，乳化能力 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，、) i r i t ht h ei n c r e a s e do ft h eu r b a nt r e a t m e n tc a p a c i t y ，t h er e a s o n a b l e d i s p o s a lo fs e w a g es l u d g eb e c a m et h eu r g e n tp r o b l e m t h et h o u g h to ft h eu t i l i z a t i o n o fs l u d g ew a sg a i n i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s ei tw a si nl i n ew i t ht h es t r a t e g y o fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h i sr e s e a r c hr e - e x a m i n et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e w a g e s l u d g e ，r e c o g n i z i n gt h a ts l u d g ew a ss u r f a c t a n tw i t ht h ee x i s t e n c eo fb i o s u r f a c t a n t s i f t h es u r f a c ea c t i v i t yo fs l u d g ec o u l db er e a s o n a b l er e g u l a t e da n du s e d ，i tw i l lb u i l d a n o t h e rw a yf o ru t i l i z a t i o no ft h es l u d g e i nt h i ss t u d y ，w a s t e a c t i v a t e ds l u d g ew a sp l a n t e du n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s t u d yo nt h ee f f e c tt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g eb yt h ec u l t u r et i m ea n dc u l t u r e c o n d i t i o n s r e s e a r c ht h er e l a t i o n sb e t w e e nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s l u d g ea n d b i o - s u r f a c t a n tp r o d u c t i o nf r o ms l u d g e t h em u l t i p l i c a t i o no fb a c t e r i ac a m et h r o u g h f o u r s t a g e si n t h ec u l t u r i n gs l u d g ed u r i n g t h ee x p e r i m e n t a l p r o c e s s t h es t u d y o b t a i n e dt h em o s ts u i t a b l ec u l t u r ec o n d i t i o n sf o rb a c t e r i a lg r o w t hi nt h es l u d g ea n d f o u n dt h a tb i o s u r f a c t a n t sf o r m a t i o nl a g sb e h i n dt h eg r o w t ho fb a c t e r i a ，w h i c h c h a n g e dc o r r e s p o n dt ot h et r a n s f o r m a t i o no fb a c t e r i an u m b e r i tp r o v i d e dt h eb a s i st o a c c o m m o d a t es u r f a c t a n to ft h es l u d g e i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ec h a n g er u l eo ft h es u r f a c ea c t i v i t yo fs l u d g ew i t ht h e s l u d g ec h a r a c t e r i s t i c s ，s o m ef a c t o r sw e r ec h o s ea st h ec h a r a c t e r i z a t i o nf o rs u r f a c e a c t i v i t yo ft h es l u d g ea c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n da n a l y s i s ，a sw e l la st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ea c t i v i t yf a c t o rw a sf o u n d t h er e s u l to fe x p e r i m e n ts h o w e dt h e r ei s e x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n 丽t ht h es u r f a c et e n s i o no ft h es l u d g ea n dt h e c o n c e n t r a t i o no fb i o - s u f f a c t a n t s t h e - p o t e n t i a lo fs l u d g ea n di t se m u l s i o nc a p a c i t y w a sl i n e a r l yr e l a t e dw i t he a c ho t h e r , b o t ho fw h i c hc h a n g e dd i s c i p l i n a r i a nw i t ht h e c u l t u r et i m eo fs l u d g e i nt h eb e s tc u l t u r ec o n d i t i o n ，t h es l u d g ea c h i e v e dt h eb e s t s u r f a c ea c t i v i t yw h i c hh a dam i n i m u mv a l u eo fs u r f a c et e n s i o n ，h i g h e s ta b s o l u t ev a l u e o ft h et - p o t e n t i a l ，g o o de m u l s i f y i n ga b i l i t y t h es u r f a c ea c t i v i t yo fs l u d g ew a su s e di nt e c h n o l o g yo fc o a ls e w a g e s l u d g e 江苏大学硕士学位论文 m i 】【t u r e ，r e s e a r c h e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fm i 】【t u r eu n d e rt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n t h er e s u l to fe x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h es u r f a c ea c t i v i t yo fs e w a g es l u d g eh a sa s i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ec h a r a c t e r i s t i co fc o a ls e w a g e - s l u d g em i x t i l r e e x i m i o u s s u r f a c ea c t i v eo fs l u d g ec o u l di n c r e a s et h ep r i m ec o n c e n t r a t i o no fc o a ls e w a g e - s l u d g e m i x t u r e ，a tt h es a m et i m et h em i 】【t u r eh a dab e t t e rf l u i do fa n ds t a b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt o k e na n dm e a s u r ef o rs u r f a c ea c t i v i t yo f t h eu r b a ns l u d g ea n da p p l i c a t i o ni nc o a l s e w a g e - s l u d g em i ) 【t u r e ，i tp r o v i d e sa t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb a s i sf o rr e a s o n a b l er e g u l a t i o na n du s ew i t l lt h es u r f a c t a n t so f s l u d g e i ta l s op r o v i d e sav a l u a b l er e f e r e n c ef o ri n - d e p t hs t u d yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：s l u d g e ；s u r f a c ea c t i v i t y ；b i o - s u r f a c t a n t s ；s u r f a c et e n s i o n ；一p o t e n t i a l ； e m u l s i o nc a p a c i t y m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密囤。 学位论文作者签名：琢工 一年6 其f 日 指剥雠：辱响 门 伽叶年6 月l 7 日 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。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 ) 学位论文作者签名：乃仁尊 日期埘年月日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 城市污泥的来源及分类 水资源一直伴随着人类的生存和发展，展望未来，水资源对全球的环境和发 展的影响与日剧增，而水污染状况日益，威胁着社会的可持续发展，进而威胁着 人类的生存。我国解决城市污水的净化问题始于二十世纪7 0 年代，一些城市利 用郊区的坑塘洼地、废河道、沼泽地等稍加整修或围堤筑坝，建成稳定塘，对城 市污水进行净化处理。我国第一座大型城市污水处理厂天津市纪庄子污水处 理厂于1 9 8 2 年破土动工，1 9 8 4 年4 月2 8 日竣工投产运行，处理规模为2 6 万 m 3 d 。在此成功经验的带动下，北京、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、 江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水 处理厂几十座。据统计，到2 0 0 0 年底，全国已建设城市污水处理厂4 2 7 座，2 0 0 0 年用于城市污水处理工程建设的总投资约为1 5 0 亿元1 1 】。目前我国现有及在建 的城市污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法为主流，占8 0 以上， 其余则为一级处理、强化一级处理、生物膜法及与其他处理工艺相结合的自然生 态净化法等污水处理工艺技术【2 】。一批大型污水处理厂的相继建成投产标志着我 国污水处理事业发展到一个崭新的阶段。如：我国2 0 世纪最大的污水处理厂高 碑店污水处理厂，处理规模1 0 0 万m a d ；2 0 0 5 年上海竹园污水处理厂竣工建成， 其规模达到1 7 0 万m 3 d ；2 0 0 8 年我国最大的污水处理厂白龙港污水处理厂升级、 扩建工程已完成并投入运行。由此可见，随着我国城镇化程度的不断提高，城市 污水产生量迅速增加，城市污水的处理需求越来越大，污水处理厂和污水处理率 也在逐年增加。 城市污泥( 简称污泥) 是城市污水净化过程中产生的生物质垃圾，是由多种微 生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成的集合体，其性状通常介于液 体和固体之间。污泥的种类很多，分类复杂，目前一般可按以下方法分类【3 4 1 ： 1 ) 按污泥的来源：污泥主要可分为生活污水污泥、工业废水污泥和给水污 泥。 江苏大学硕士学位论文 2 ) 按污泥的处理方法：污泥可分为初沉污泥、活性污泥、腐殖污泥及化学 污泥。随着废水普及二级处理，目前一般废水处理厂的污泥大都是上述各者的混 合污泥。 3 ) 按污泥的不同产生阶段：污泥可分为生污泥、浓缩污泥、消化污泥、脱 水污泥和干燥污泥。 4 ) 按污泥的成分和某些性质：污泥可分为有机污泥、无机污泥、亲水性污 泥和疏水性污泥。 据2 0 0 1 年的统计【5 】，我国每年城市污泥( 干) 排放量约3 0 万吨，并且还以 每年1 0 2 0 的速度增加，到2 0 1 0 年排放量将达到8 0 万吨。由于污泥的含水 率很高，容积很大，给堆放、运输、储存、利用等带来很多麻烦，需要建设大量 的污泥处理设施，污泥的处置也成为一个必须解决的问题。 1 1 2 城市污泥的处理 城市污泥含水率很高，体积庞大，因而污泥在处置或利用前一般都要经过处 理，处理方法通常有浓缩、消化、调质和脱水、加热干燥热处理以及热化学处理 等。污泥的处理首先是降低污泥的含水率，污泥中所含水分大致分为四类【6 】：颗 粒间的空隙水，约占总水分的7 0 ；毛细水，即颗粒间毛细管内的水，约占2 0 ； 污泥颗粒吸附水和颗粒内部水，约占1 0 。浓缩法，采用一些物理方法，如重力 浓缩、离心浓缩，将污泥沉降，用于降低污泥中的空隙水，因空隙水所占比例最 大，故浓缩是减容的主要方法，浓缩后的污泥含水率为9 5 9 7 。消化可分厌 氧和好氧两种方式，通过污泥中的微生物有氧、无氧呼吸将有机物分解为更简单 的有机化合物以及c 0 2 ，h 2 0 ，c 4 h ，h 2 s 和n h 3 等，起到稳定污泥、减轻污泥 对环境和土壤的危害，同时减少污泥的最终处理量。调质是指利用物理或化学的 方法改变污泥性质以利于脱水，例如：投加有机或无机化学药剂；淘沈法；热调 质处理；冷冻融化调质；生物絮凝调质。脱水则是通过机械或自然的方法脱除污 泥中的毛细水，脱水后的污泥含水率通常为5 0 - - 8 0 。干燥和热化学处理则是 脱除污泥中的吸附水与内部水，可将污泥的含水率降到1 0 以内，便于直接处置 或利用。 一般传统的污泥处理工艺过程如图1 1 所示。这就不但增加了基建投资，同 时也使污水处理运行成本大大提高。目前全国现有污水处理厂大多采用简单的污 2 江苏大学硕士学位论丈 图1 1 污泥处理处置基本工艺方法 泥沉降浓缩工艺，其中有污泥稳定处理设施的不到l 4 ，处理工艺和配套设备较 为完善的不到1 1 0 7 。 1 1 3 城市污泥的处置 污泥的产量巨大，其本身又含有众多的有机污染物，若不加以合适有效的处 理处置，必将对整个生态环境造成恶劣的影响。当前污泥处置工艺主要包括填埋、 焚烧、投海、土地利用等四种方法，各国都按自己的发展和社会需要，选择适合 本国国情的污泥处置方式。在许多国家( 欧美国家、中国等) ，投海处理工艺已 明令禁止。在我国，填埋和土地利用是污泥处置的主要方法，约占9 0 1 8 l ，由 此产生的蚊蝇孳生、土壤退化、臭气排放、病原扩散、水体污染、农作物毒化等 问题已经引起广泛的关注【9 】。在南方多阿的气象条件下，污泥中的污染物还会重 新进入水体，使污水处理效果大打折扣。而采用污泥压滤、烘干、焚烧的深度处 理技术，虽可彻底解决上述问题，但污水处理厂投资将成倍增加，污泥处理费用 可占污水处理厂总运行费用的2 5 ，- - 4 0 ，甚至高达6 0 t 堋，严重制约该技术 的应用。 污泥处置技术大致可以归结为两大类：一是抛弃型，污泥作为废物不利用， 这其中包括填埋、焚烧、投海等。二是资源化技术，充分利用污泥中的有用成分， 实现变废为宝。后者符合可持续发展的战略方针，有利于建立循环型经济，近年 来获得广泛的关注。污泥处理处置的理论也在发生变化，从原来单纯处理处置逐 渐转向污泥的有效利用、实现资源化的方向发展。污泥的资源性不可否认，也正 是由于污泥的资源性特点，世界水环境组织( w e f ) f1 9 9 5 年将污f f 6 ( s l u d g e ) 更名 为生物固体( o i o s o l i d ) ，从而更加明确了污泥应该作为资源利用的观念【1 1 】。 3 江苏大学硕士学位论文 1 2 污泥资源化利用现状 1 2 1 污泥堆肥 污泥堆肥是在好氧条件下，利用好氧的嗜温菌、嗜热菌的作用，将污泥中有 机物分解，并杀灭传染病菌、寄生虫卵和病毒，提高污泥肥分，产生的肥料可以 用于园艺、农业和动物饲料等，是一种无害化、减容化、稳定化的综合处理技术。 几十年来各国普遍采用，特别是美国近年来污泥与工业废料生物堆肥技术取得了 进展，部分污水处理厂取消了污泥厌氧消化处理工艺，污泥肥料的土地利用非常 广泛。我国各地区的污水处理厂和科研部门也在污泥的处理、处置和利用方面进 行了大量的研究工作，并取得了可喜的成果，污泥的土地利用已得到普遍的认同。 用于肥料化利用的污泥通常是剩余活性污泥，污泥中含有丰富的有机物和n 、p 、 k 等营养元素及植物所必须的各种微量元素c a 、m g 、c u 、z n 、f e 等，能够改 良土壤结构，增加土壤肥力，促进作物的生长【1 2 1 。 由于污泥中7 0 的粗蛋白以氨基酸形式存在，各种氨基酸之间相对平衡，是 一种非常好的饲料蛋白，因此德国、美国等曾有学者研究利用污泥制作动物饲料 【1 3 1 。保定市污水处理总厂环保局开发出了用污泥养蝇蝎，生产动物蛋白饲料的 方法。蝇蝎食性杂，污水处理厂的活性污泥是蝇蝎的一种很好的饲料。一对蝇蝎 在适宜的条件下5 个月内能繁殖1 9 0 亿头，生产数百吨粗蛋白，其营养成分完全 可以和鱼粉媲美【1 2 1 。 在应用实践中，因污泥中含有病菌、寄生虫、病原体及重金属等对农作物不 利的因素，因此污泥用做农肥要注意三个关键问题：首先污泥中重金属会造成土 壤污染；其次污泥中的病原体会对环境造成影响；再次防止污泥中的污染物重新 进入水体，使污水处理效果大打折扣。因此，二次污染问题严重制约了污泥堆肥 技术的广泛应用。 1 2 2 污泥燃料化 城市污泥中含有大量的有机物，赵由才1 1 4 】等人选择了若干种实际污泥进行 测定分析，结果发现污泥中有机物的高位燃烧热值大约为2 3 m j k g ，并认为干污 泥中有机物含量大于3 0 时能够依靠自热维持燃烧，成为污泥燃料化的基础。 污泥燃料化被认为是有望取代现有的污泥处理技术最有发展前途的方法之 4 江苏大学硕士学位论文 一，在污泥热值回收利用方式上主要分为两种：一是通过脱水、干燥等一系列预 处理方式直接将污泥干化单独焚烧；二是将污泥与其它燃料( 如煤) 混合焚烧。 污泥单独焚烧技术是建立在污泥干燥处理的基础上，运行成本和工艺是首先 要考虑的问题，丘锦荣【1 5 】等人对城市污泥的干燥特性及各种方法作了研究，得 出利用太阳能和通过种植植物对污泥进行干燥是较为经济可行的污泥干燥方法。 焚烧工艺主要采用流化床焚烧炉，韩吉兵【1 6 1 等人对污泥流化床低温干燥、流化 床高温焚烧系统进行能量平衡计算及分析研究，实现了污泥干燥焚烧联合运行。 污泥可以与垃圾、水泥原料及煤炭等其他燃料混烧，与单独焚烧相比，污泥 混烧具有很多优点，首先是减少了很多污泥处理工序，降低了投资和运行成本。 o t e r o ，m 【1 7 l 等人通过热重和气体成分分析，研究了污泥与煤混烧过程的热解焦 化过程特点，为实际燃烧工程设计提供了基础数据。宋新南【1 8 1 等人深入地讨论了 城市污泥与煤炭及其他燃料混烧处理技术的环境相容性、混烧热工特性和混烧工 艺可行性，研究了城市污泥混烧处理工艺的技术特点和存在问题，认为污泥混烧 处理技术具有明显的技术合理性和良好的发展前景。 余杰1 1 9 】等人通过对污泥特性的再认识和对原有技术路线的反思，提出以无 害化为主导、在坚持“安全、环保”的原则下实现污泥的资源化是我国今后污泥 处理与处置的新思路。在此基础上介绍了污泥焚烧技术，分析了污泥焚烧需解决 的问题，指出污泥混合焚烧是其合理的处置途径。 另外，污泥燃料化还出现了一些新技术，例如通过热化学液化处理使污泥转 化为燃料油1 2 0 l ，经过低温热解，污泥能够产生污泥衍生燃料。污泥低温热解制 油技术是通过无氧加热污泥干燥至一定温度，从而使污泥转化为油、反应水、不 凝性气体和炭等4 种可燃产物。 1 2 3 建材利用 污泥焚烧灰制砖是将污泥加热到1 3 0 0 - 1 5 0 0 ，使其中的有机物燃烧，回 收利用其中的焚烧残留物质。污泥焚烧灰的化学成分与制砖粘土的化学成分是比 较接近的，利用污泥焚烧灰制砖，制坯时加入适量的粘土与硅砂，研制出的优质 人造空心砖与传统的粘土实心砖相比，具有轻质、高强度、保温隔热、抗震等功 能。在该产品材料中，活性污泥占3 0 - 4 0 ，用这种陶粒空心砖代替普通粘土 烧结实心砖，既可节约土地，又节约能源及钢材，降低污染，提高综合效益，变 5 江苏大学硕士学位论文 废为宝。 污泥制作生化纤维板，主要是利用活性污泥中所含粗蛋白与球蛋白，能溶解 于水及稀酸、稀碱、中性盐的水溶液。在碱性条件下，加热、干燥、加压后，会 发生一系列的物理、化学性质的改变，成为蛋白质的变性作用，从而制成活性污 泥树脂，使与经漂白、脱脂处理的废纤维压制成板材，即生化纤维板。 污泥熔融制得的熔融材料可以做路基、路面、混凝土骨料及地下管道的衬垫 材料；微晶玻璃类似人造大理石，外观、强度、耐热性均比熔融材料优良，产品 附加值高，可以作为建筑内外装饰材料应用；利用有害的城市垃圾焚灰和污泥制 成有用的建筑材料生态水泥。不仅有效地利用了再生资源，而且对环境保护 来说无疑是一大贡献。生态水泥混凝土的流动性较好，凝结时间较短，析水率较 小，这些性能均有利于混凝土的施工作业。 利用污泥为主要辅助原料生产节能型人造轻集料陶粒。1 9 9 4 年，美国 威斯康辛i s c o n s i n ) 公司建成世界上第一家利用城市污泥主原料为粉煤灰生产陶 粒的工厂年产量约1 0 万m 3 ，由于产品质量好。得到政府和污水处理厂补贴，企 业经济效益和社会综合效益很好。到2 0 0 2 年底，美国已建成同类工厂6 家，欧 洲和日本也正在建设利用污泥生产陶粒的工厂。我国广州华穗轻质陶粒制品厂自 2 0 0 0 年起利用猎德、大坦沙污水处理厂产出的污泥作主要辅助原料生产超轻陶 粒，产品质量好。生产成本低，企业经济效益好，获得圆满成功。此法在高温下 焙烧，可彻底消除污泥的各种污染，有效保护生态环境、水质资源和土地资源， 并生产出使用价值高的节能型新型墙体材料陶粒，适应市场需求，企业经济和社 会效益好，发展前景广阔，应大力推广。 1 2 4 在环境保护中及其他方面的应用 张本兰【2 1 】等从污泥中分离得到p a l c a l i g e n e s 8 7 2 4 菌株产生的絮凝剂，不仅可 用于油水分离，还可用于去除污水中的悬浮物、有机物。用矿化污泥可制备用于 回收水表面溢油的吸附剂，且效果相当显著。污泥中的有机物具有较高的热值， 且具有一定的粘结性能。特别是活性污泥可作为粘结剂将无烟粉状煤加工成型 煤，而污泥在高温气化炉内被处理，防止了二次污染【2 2 1 。在高温下，污泥作为 粘结剂可改善型煤的内部孔结构，提高型煤气化反应性，降低灰渣中的残炭，提 高炭转化率。污泥既是粘结剂，又起了疏松剂的作用，且污泥热值也得到充分利 6 江苏大学硕士学位论文 用。为生化污泥处置和利用，提供了一条新途径，提高了炭转化。同时，污泥的 热值也得到了利用。 由于污泥中的有机物含量随社会发展水平的提高而提高，因此污泥具有被加 工成类似活性炭吸附剂的客观条件瞄l 。有人通过将污泥隔绝空气加热，使污泥 中2 0 左右的有机物炭化，形成类似于木炭的具有密度小、空隙多、比表面积大 和富含热值等特性的炭化污泥，用作土壤改良剂、污泥脱水助剂和废水脱色除臭 剂等【1 3 1 。文斛纠研究用剩余活性污泥掺粉煤灰处理生活污水，分析和研究其处 理生活污水的机理和效果，对处理生活污水和实现污泥资源化利用都有深远的意 义。总的来说，这些利用方式还处在研究及尝试阶段，缺少实际的工程应用，技 术成熟和推广应用还需一段很长的时间。 以上介绍的这些污泥资源化技术的前提是污泥已经充分脱水和干燥，相应的 污泥预处理工序所形成的能耗、成本、排放和技术问题仍然存在，污泥处理设施 的占地和投资等问题，实际上都基本没有解决。这就需要对污泥特性本身做一个 再认识，寻求更为合理的处置及资源化利用方式。 1 3 污泥的特性 1 3 1 污泥的物化特性 1 ) 污泥的物理性质 污泥的含水率很高，相对密度接近于1 ，其中的水分由颗粒间的空隙水、毛 细水、污泥颗粒吸附水和颗粒内部水四个部分组成，悬浮物含量约为1 表1 1 我国城市污水污泥的热值 热值u ( m j k g ) 污泥源 污泥种类 挥发性同体 干基无灰基 初沉污泥 4 5 2 1 0 7 22 3 7 天津纪庄子污水厂 二沉污泥5 5 21 3 3 02 4 0 消化污泥4 4 69 8 92 2 2 上海金山污水厂 混合污泥8 4 52 0 4 32 4 2 7 江苏大学硕士学位论文 1 0 t 2 5 1 。污泥本身是有气味的，如果处理不当可释放出难闻的臭气和其他有害污 染物，因此，臭气的控制是污泥处理和管理中必须重视的问题之一。污泥的传输 性和储存性则会随不同性质的污泥及污泥龄发生变化。污泥中含有有机物质，因 此污泥具有燃料价值，干燥后可以直接当作燃料或发酵产生沼气作燃气使用【1 3 l 。 表1 1 列出了我国两座城市污水处理厂污泥含有的热值。从表中可见，我国城市 污水处理厂污泥含有较高的热值，在一定含水率以下，具有自持燃烧( 不需要添 加辅助燃料) 及将干污泥用作能源的可能。 2 ) 污泥的化学性质 污泥的来源和处理方法很大程度上决定着它们的化学组成。一般来说，污泥 中含有一定的植物营养元素，包括氮、磷、钾、钙、锰以及其他必需的微量营养 元素，其中氮、磷和钾在污泥的资源化利用方面起着非常重要的作用，表1 2 给 出了我国不同类型污泥的植物营养成分及含量。 表1 2 我国不同类型污水污泥的植物养分含量 污泥类型总氮磷钾腐殖质有机质灰分 初沉污泥 2 0 3 41 0 3 00 1 - - 一0 33 33 0 6 05 0 7 5 剩余活性污泥2 8 3 11 0 2 00 1 l 0 84 7 生物滤池污泥3 5 7 23 3 5 o0 2 0 4 4 1 6 0 7 03 0 4 0 其中无机营养物质主要有钙、镁及硫等。污泥中的有机质主要是由碳( 大约 表1 3 污泥中的有机物组成 有机物种类初次沉淀污泥二次沉淀污泥厌氧消化污泥 有机物含量 6 0 9 0 6 0 8 03 0 6 0 纤维素含量8 1 55 1 08 1 5 半纤维素含量2 - - - 4 木质素含量 3 7 油脂和脂肪含量6 3 55 1 25 2 0 蛋白质2 0 3 03 2 4 11 5 2 0 碳氮比( 9 4 1 0 ) ：1 ( 4 6 5 0 ) ：1 8 江苏大学硕士学位论丈 5 8 ，干重) 构成，此外，还含有少量的氢、氧、氮、硫和磷，主要包含蛋白质、 碳水化合物和脂肪，这些有机物是由长链分子构成。污泥中含有的有机物组成见 表1 3 ，有机物是植物和微生物生产的主要营养物质，它可以改善土壤颗粒的渗 透性、通透性和聚集性。污泥中的微量营养物质有铁、锌、铜、镁和钠等，都是 植物生长所少量需要的。污泥中通常还含有一些污染物质，包括有机化合物和无 机化合物，如果过量存在会严重影响动植物的生长和人类健康。无机污染物包括 1 0 种重金属：砷、镉、铜、铅和汞等。 1 3 2 污泥的生物特性 污泥中包含多种微生物群体，这些微生物群体在污泥的处理和实际利用中起 到双重作用。初沉污泥、二沉污泥和混合污泥中细菌的种类及其浓度如表1 4 所 示。 表1 4 初沉污泥，二沉污泥和混合污泥中细菌的种类及其浓脚( 个g ) 污泥青绿色假 总大肠杆菌粪人肠杆菌粪链球菌噬菌体沙门氏菌 种类单胞菌 初沉 1 1 0 6 1 1 0 6 1 3 8 9 1 0 54 1 1 0 22 8 1 0 3 污泥1 2 x 1 0 b2 0 1 0 71 0 5 二沉8 x 1 0 6 8 x 1 0 6 1 7 x 1 0 68 8 x 1 0 21 - 1 1 0 4 污泥7 l o s7 1 0 8 混合3 8 1 0 7 1 1 1 0 5 ( 1 6 3 3 1 0 3 7 0 2 9 0 污泥 1 1 1 0 91 9 1 0 63 7 ) 1 0 6 4 4 l o 污泥中的生物群体主要包括：细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物。其 中，细菌是主要组成部分，约占微生物总量的9 0 , - 9 5 1 2 a l ，根据其形状可以分 为菌胶团细菌和丝状菌两类，根据其染色特性可以分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴 性菌两类。污泥中的优势菌通常为革兰氏阳性菌，如动胶菌属细菌和丛毛单胞菌 属细菌( 约7 0 ) ，及其他的革兰氏阳性菌【2 7 1 。大多数废水处理工艺将污水中的 致病微生物去除后，将其转移到污泥中去。废水得到净化的同时，污泥中却含有 了大量的致病微生物。如前文所阐述的未处理的污泥施用到农田会将微生物和病 毒的污染传播给庄稼作物以及地表和地下水。因此，污泥资源化利用和处置之前 9 江苏大学硕士学位论文 的有效处理对于防止致病体带来的疾病是十分重要的，这就需要对污泥中的微生 物量作一个表征，从而有利于污泥安全使用。 在以往的研究中，一般通过活细菌数目o 姐测定方法，定量地描述污泥体 系所具有的有效生物量，从而表征污泥的微生物特性。然而，测定a b n 操作烦 琐、耗用时间长、不够精确，给研究工作带来很多不便，国内外都在探索快速、 简单、可靠、经济的活性污泥生物特性测定方法，如脱氢酶活性、耗氧率、a t p 含量等【凋。 1 3 3 污泥的表面活性 由于污泥具有生物特性，其中的微生物在一定条件下会产生集亲水和亲油性 结构于一体的生物表面活性剂【2 9 1 ，使得污泥具有表面活性的特征。表2 2 为污泥 中的典型微生物细菌与其生产的生物表面活性剂之间的对应关系。污泥的高 表2 2 污泥中细茵与表面活性剂的种类 菌类菌属生产菌种表面活性剂 发现者 地农芽孢杆菌 m i c k i n n e y 和 脂蛋白 细菌杆 l i c h e n i f o r m i s w e i c h l e i n ( 1 9 5 3 ) 芽孢杆菌b a c i l l u s 菌类多粘芽孢杆菌 m i c k i n n e y 和 多黏菌素 p o l y m y x a w e i c h l e i n ( 1 9 5 3 ) 短杆菌属瘤胃短杆菌类索状闪子、多糖b e u e d i e t 和 b r e v i b a c t e r i a mv i t a r u m e n 蛋白质复合物 c a s l s o n ( 1 9 7 1 ) 棒状杆菌属野兔棒状杆菌j a s e w i c a 和 脂肽、磷脂、类脂 细胞杆 c o r y n e b a c t e r i u ml e p u s p o r g e s ( 1 9 5 6 ) 菌类 诺r 氏菌属灰暗诺卡氏菌 m i c k i n n e y 和 海藻糖脂、中性脂 n o e a r d i a e r y t h r o p o l i sw e i c h l e i n ( 1 9 5 3 ) 假单胞菌属绿脓假单胞菌 m i c k i n n e y 和 糖脂 p s e u d o m o n a s a e r u g i n o s aw e i c h l e i n ( 1 9 5 3 ) 假丝酵母属热带假丝酵母 磷脂、甘露聚糖脂 t o m l i n s o n ( 1 9 7 5 ) c a n d i d a t r o p i c a l i s 酵母 球拟酵母菌属球拟酵母 糖脂 c o o k e ( 1 9 7 5 ) t o m l o p s i s b o m b i c o l a 1 0 江苏大学硕士学位论文 含水率和难沉降特性说明了污泥具有较强的表面活性。污泥的表面活性在污泥体 系本身的稳定中起到了很大的作用，如果能找出污泥生物特性与表面活性的关 系，将污泥的表面活性加以合理控制及利用，化有害为有利，将为污泥处理处置 及资源化发展提供新的思路。 1 4 生物表面活性剂 1 4 1 表面活性剂概述 表面活性剂( s u r f a c t a n t s l 是一类重要的化工原料，素有“工业味精 之称， 它在石油工业、环境工程、食品工业、精细化工等许多领域中占有重要的地位i 删。 在溶剂中加入少量的表面活性剂即能降低表面张力，改变体系界面状态，从而产 生润湿、乳化、起泡、增溶等一系列作用。在实际应用中，表面活性剂的品种十 分繁多，归纳起来表面活性剂分子可以看作是集极性亲水基与非极性疏水基于一 体的“两亲结构【3 l 】。按照亲水基的不同可将表面活性剂分为几类，见表1 5 。 表1 5 表面活性剂的分类 目前，几乎所有的表面活性剂都是以石油、煤炭为原料通过化学方法合成的， 由于原材料的来源、价格、产品性能等方面的问题使其应用受到限制。更重要的 是，化学合成的表面活性剂是化工过程的产物，其生产和使用过程常常会给人类 生存环境带来污染。为了解决这些问题，人们寄希望于生物技术能给人们带来活 性高、性能优良、环境友好的表面活性剂。 1 4 2 生物表面活性剂概述 生物表面活性齐u ( b i o s u r f a c t a n t s ) 是表面活性剂家族中的后起之秀，它是由微 生物所产生的一类具有表面活性的生物大分子物质【3 2 l 。与化学合成的表面活性 剂相比，生物表面活性剂除具有降低表面张力、稳定分散体系和增加泡沫等相同 1 1 江苏大学硕士学位论文 作用外，还具有一般化学合成表面活性剂所不具备的优点【3 3 l ： 1 ) 生物表面活性剂的化学结构要比化学合成的表面活性剂复杂和庞大得多。 单个分子要占据更大的空间，因而表面活性要强于化学合成表面活性剂，乳化能 力也更强。 2 ) 生物表面活性剂的分子结构类型多样，具有许多特殊的官能团，专一性 强，可用于一些特殊领域。 3 ) 生物表面活性剂产品本身无毒，使用中用量少，选择性好，环境友好， 能很快被微生物1 0 0 降解，使用时不会对环境构成污染。 4 ) 生物表面活性剂生产是生物发酵过程。生产工艺简单，在常温、常压下 即可进行，生产的设备要求不高。 5 ) 生物表面活性剂合成原料多为天然农副产品，在自然界广泛存在，价廉， 生产过程也不会构成对环境的污染。 6 ) 某些生物表面活性剂还具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤等药理作用和免疫功 能。 按照化学结构生物表面活性剂可分为六类：糖脂、含氨基酸类脂、磷脂、脂 肪酸中性脂、结合多糖和蛋白质的高分子生物表面活性剂、颗粒生物表面活性剂。 随着人们崇尚自然和环保意识的增强，生物表面活性剂将有广阔的应用前景，并 有可能成为化学合成表面活性剂的替代品或升级换代品。 1 4 3 生物表面活性剂的应用现状 经过半个多世纪的发展，生物表面活性剂以其优良的性能和大规模生产成本 的下降，为其广泛的应用拓宽了坦途。应用领域从石油工业扩展到国民经济的许 多部门，以表1 6 作简单说明。 然而生物表面活性剂的初成品往往浓度很低，而且具有亲水亲油的特性，其 分离、提取和浓缩难度较大，成为生物表面活性剂生产成本的主要部分，其费用 约占生产总成本的6 0 - - 一7 0 a 4 1 。如果能直接合理利用污泥的表面活性，不仅省 去了生物表面活性剂的分离、提取、浓缩等工序，作为污泥的资源化利用的一种 新途径，变废为宝，达到节能、环保、经济等目的。 江苏大学硕士学位论丈 表1 6 生物表面活性剂的应用简况 提高石油采收率( 姬o r ) ，微生物脱沥青、降粘，回收岩石中石油，清 石油 洗油罐底部，稠油运输，清除海洋石油污染，处理沥青砂 金属螫合剂，矿石浮选的起泡剂，脱水荆，泥煤、泥炭压制，燃料级脱 采矿 水泥煤添加剂，煤炭运输稳定剂 造纸清除纸机生物黏胶 清除土壤中有机物，促使污染物分散、增溶、乳化，生物修复，治理油 环境保护 污十壤 食品稳定剂，食品质地改良剂，润滑剂，分散剂，微生物抑制剂，乳化 食品工业稳定剂，破乳剂，保湿荆，起泡剂，温泡剂，消泡剂，增稠剂，乳化剂， 调味剂，甜味剂，食品用表面活性剂 土壤改良，肥料添加剂，饲料添加剂，植保，清洁过程，病虫害生物防 农业 治，包衣型活性剂，植物生长促进剂 皮肤保湿剂，乳化剂，分散剂，抗氧剂，脂质包裹剂，营养滋补剂，起 化妆品 泡剂，洗涤剂，添加剂 肺部表面活性荆，抑制单纯疱疹病毒，抑制流感病毒，增溶剂，微犁乳 医药化剂，湿润剂，渗透剂，抑制人体免疫缺陷、艾滋病病毒，抑制白血细 胞h i v 病毒 纺织f t 业湿润剂，渗透荆 涂料乳化剂，分散荆，湿润剂，渗透剂，增稠剂 低温保存剂，蛋白质增溶剂，酶类稳定剂，d n a 分离剂，高效细胞破碎， 生物技术 快速测定微生物数量 1 5 本课题研究的主要内容及目的和意义 1 5 1 本课题研究的主要内容 对镇江当地征润洲污水处理厂的剩余污泥作了表面活性的表征、检测研究， 江苏大学硕士学位论文 以及污泥表面活性在污泥煤浆技术当中的应用，对其研究的具体内容为： 1 ) 分析污泥中微生物生长的影响因素，在实验室条件下培养污泥； 2 ) 研究污泥的生物特性与生物表面活性剂产量的变化规律及相互关系； 3 ) 根据生物表面活性剂作用原理，研究污泥表面活性的表征方法并进行检 测，分析污泥表面活性的变化规律； 4 ) 污泥表面活性的应用，合理调节污泥表面活性以适用于污泥煤浆技术， 分析污泥表面活性对污泥煤浆成浆性的影响。 1 5 2 本课题研究的目的和意义 本课题通过研究污泥中典型微生物的繁衍过程与污泥中生物表面活性剂产 量的相关关系，根据生物表面活性剂作用原理研究城市污泥表面活性的表征与检 测方法，分析污泥的生物特性与污泥表面活性的关系，通过干预污泥的生物特性 调节污泥的表面活性，以便合理利用。将污