（环境工程专业论文）超声波结合复配絮凝剂对水厂剩余污泥脱水的影响.pdf

摘要 随着石油化工、炼油污水生物处理工艺的推广普及，剩余污泥的处理已成为 当l j f 十分突出的问题。根据我国污水处理规划，至2 0 l o 年，我国的污泥年产量 将高达7 5 0 0 万吨。所以为了便于污泥后续的处理处置，减少环境污染，必须采 取措施降低污泥含水率，减少污泥体积。污水处理厂通常投加絮凝剂改善污泥的 脱水性能，但致使污水处理成本过高。超声波处理剩余污泥是近期国内外发展的 新兴技术。该法兼有各种处理方法的优点：反应条件温和、降解速度快、适用范 围广、可以和其他水处理技术结合使用。 本文从絮凝剂、超声以及二者的结合使用等三个方面出发，研究了单一絮凝 剂、复配絮凝剂对污泥的脱水效果、超声处理污泥的最佳工艺条件、超声结合复 配絮凝剂处理污泥的优化条件，并进行了简单的经济估算。还探讨了不同预处理 手段对污泥形态的影响，分析了它们各自的作用机理，为污泥脱水实验提供了理 论依据。 通过污泥脱水实验，得出脚蝴、p a c 和p a f c 这3 种絮凝剂各自的最佳投 加量均为污泥干基的7 ，壳聚糖为1 2 ，在此投加量下，污泥的脱水效果最好。 通过无机与有机絮凝剂的复配实验得到了各复配絮凝剂的最佳配比( 质量比) ： p a m 胜f c = 2 l ，p a m p a c = 3 l ，壳聚糖甩a f c _ 2 l ，壳聚糖p ：a c = 2 l ，p a m 壳 聚糖= l 2 。在这些投加比例下，污泥的脱水效果优于单独投加无机絮凝剂，优于 有机絮凝剂或与之相当。 频率为1 0 k h z 和2 0 k h z 超声对污泥脱水均有促进作用。它们的最佳作用条 件分别为2 0 0 w m 2 - f 处理1 5 m i n 、4 0 0 w m z 下处理2 5 m i n ，在此条件下二者对 污泥的脱水效果相差不大。超声与絮凝剂共同作用于污泥时存在最佳作用次序， 先加絮凝剂再超声比先超声再加絮凝剂可使污泥的脱水率提高2 。2 0 l ( h z 超声 最佳条件下结合4 的p a m ，就基本可以达到无超声作用时加入7 8 p a m 的 脱水效果：再结合最佳复配絮凝剂( 以p a m p a f c 为例，复配比例为l ：1 ) ，可 使污泥的含水率进一步降低，比仅添加p a m 时降低4 6 ，每吨污泥的处理费用 从3 0 4 元降为1 7 6 元，不但减少了污泥体积，还降低了污泥处理费用。 关键词：超声波污泥脱水絮凝荆复配絮凝剂处理成本 a b s t r a c t a st 1 1 ep o p u l 撕z a t i o no ft 1 1 eb i o l o g i c a l t e c t u l o l o g yi nw 雒t e w a t e r 缸。e 砌e n t ，坞 d i s p o s a lo fr e s i d u a ls l u d g eb e c o m e sar “h e ri 腑t a b l ep r o b l e m a c c o r d i n gt 0t h e w a s t e 、v a t e rt r e a t m e n tl a y o u to fo u rc o 硼血呵，t l l e 锄o u n to f 代s i d u a ls l u d g e 埘l lr e h t o7 5m i l l i o nt o n sp e ry e a r 硼t i lt l l ey e 盯2 0 l o s oi no r d e rt 0f a c i l i t a t et h el a t e r t r e a t m e n to fs l u d g e ， i t sr e a l l yn e c e s s a r yt 0d e c r e a s et h es l u d g ew a t e rc o n t e n t 锄dt 0 r e d u c et h es l u d g ev o l u m e f l o c c u l a n t sa r ea l w a y su s e dt 0i m p r 0 v em es i u d g e d e w a t e r i n gb yw a s t e rw a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ，b u tt h ed i s p o s a lc o s ti sr e a l l yh i g h t h e a p p li c a t i o no fu l t r 嬲o u n di ns l u d g et r e a t i n e n ti san e w l yi n t e n s i 聊n gt e c t u l o l o g y t h c n e wm e t h o dh 嬲l o t so fa d v 觚t a g e s ， s u c h 舔m o d e r a t er e a c t i o n ， s p e e d i r l gu pt l l e d e g r a d a t i o no fw a s t e i tc a u lb eu s e di nm a n yf i e l d s ， c o m b i l l i n g 、i t l lo t l l e rw a t e r 仃e a t m e n tm e t h o d s 觚du s i n gw i l d l yi nm a n yt e c l u l i c a lf i e l d s 1 1 1 i sp a p e r 咖d i e dn l r 弱p e c t s ：f 1 0 c c u l a n t s 、u l t 瑚o u n d ( u s ) 锄dm ec o m b i n eo f m e s et 、 ，0 i nd e t a i l ，咖d y i n gt l l ee f i e c to fs l u d g cd e w a t e r i n gb yu s i n gs i n g l e 锄d c o m p o s i t en o c c u l a n t s ；o p t i m i z i n gt 1 1 eo p e r a t i n gc o n d i t i o no fu s ；r e s e a r c h i n gt l l e e 爿e c to fu su n i t e dw i mc o m p o s i t ef l o c c u l a n t s ；e s t i m a t i n go fs i m p l ee c o n o m yw e r e f i n i s h e d t h em i c r o s t r u c t u r eo fs l u d g eu n d e rd i f i e r e n tp r e t r e a t m e n tm e t h o d sw 嬲 d i s c u s s e d ，t i l em e c h 肌i s m so fe f i e c tw 弱锄a l y z e d ，锄dt h et l l et h e o r e t i c a lg i s tt 0 s l u d g ed e w a t e r i n gv ，a 晤p r o v i d e d d e w a t e r i n gr e s u l t ss h o w e dt h a t ，m eo p t i m a ld o s a g eo fp a m 、p a c 锄dp a f cw e 坞 a l l7 o ( d r yb 硒i s ) ，w h i l el2 o fc h i t o s 锄t h eo p t i m a lr a t i o so fc o m p o s i t ef l o c c u l 锄t s w e r ea l s oo b t a i n e db y 恤e x p e r i m e n t s ，m e yw e 他弱f o l l o w s ：p a i p ：a j f c = 2 l ， p a m p a c = 3 l ，c h i t o s a n p ! a f c = 2 l ，c h i t o s a l l p ：a c = 2 ，l ，p a m 儿h i t o s 锄= l 2 t h e s l u d g ed e w a t e r i n g 他s u l t ss h o w e dt h a tc o m p o s i t ef l o c c u l a n t sg a v eb e t t e rr e s u l t sm 趴 t h a to ft h ef 0 u rf l o c c u l a n t sa l o n e b o t h10 k h z 觚d2 0 k h zu l t r 嬲0 u n dc o u l d c e l e r a t es l u d g ed e w a t e r i n g ，m eb e s t c o n d i t i o n sw e r e2 0 0 w m 2 1 5 m i n 锄d4 0 0 w m 2 ， 2 5 m i n a n dt h ed i 腩r e n c ei n s l u d g ed e w a t e r i n gw 硒n o tv e r yd i s t i n c t t h ec o m b i n a t i o no f u s & n o c c u l a n t sh 髂锄 o p t i m a l m c t i o no r d e r t l l er e s u l to ff l o c c u l a t i n gf i r s tt h e nu s i n gu sw 觞b e t t e rt l l a n t h a to fu s i n gu sf i r s tt 1 1 e n n o c c u l a t i n g ，m es l u d g ed e w a t e r i n ga b i l i t yc o u l db e i n c r e 嬲e db y2 u 1 t r a s o u r l do ft h ef r e q u e n c y2 0 k h zc o m b i n e dw i t h4 p a mc o u l d g e tt ot h es 眦ed e w a t e r i n g 陀s u l t 嬲a d d i n g7 8 p a m 晰m o u tu s t i i es l u d g e w a t e fc o n t e n tc o u l db ee v e nl o w c rw h e n u s i n gu sc o m b i n e d 、撕t hc o m p o s i t e f l o c c u l a n t s ，切k i n gp a m - p a f c ( 1 ：i ) f o re x 锄p l e t h es i u d g ew a t e rc o n t e n tc o u l d b e 4 6 l o w e r t h a u lt h a to fu s i n gp a m o n l y t h es l u d g ed i s p o s a lc o s tc o u l db er e d u c e d f r o m3 0 4y h a n tt o1 7 6y u 射价，w h i l ed e c r e a s i n gs l u d g ev o l u m et h ec o s tw 弱c u t t e d a tt h es a m et j m e 1 江y w o r d s ：u l t 础；o u n d ；s l u d g ed e w a t e 咖g ；f l o c c u l a n t ；c o m p o s i t ef l o c c u l 锄t s ： d i s p o s a lc o s t u i 硕士学位论文 第l 章文献综述 1 1 剩余活性污泥现状概述 随着世界工业生产的发展、城市人口的增加，城市工业废水与生活污水的排 放量同益增多，处理的同时产生了大量的剩余活性污泥。随着污水处理厂的普及， 污泥的产量还将继续以较高的速度增加。 截至2 0 0 3 年，我国已建成运行的城市污水处理厂有4 5 0 多座，年处理量为 6 3 9 1 0 8 m 3 ，按污泥产量占处理水量的o 3 o 5 ( 以含水率9 7 计) 计算，我国 城市污水厂污泥的年产量在1 9 1 6 4 1 0 4 m 3 和2 1 9 4 0 1 0 4 m 3 ( 以含水率9 7 计) 之间。根据我国污水处理规划，至2 0 1 0 年，我国剩余活性污泥年产量将高达7 5 0 0 万吨，如进行深度处理，污泥量还可能增加o 5 1 o 倍。 污水处理产生大量的污泥，在贮存、处理、运输过程中，会耗费大量的人力、 物力。污泥处理处置已成为困扰污水处理厂和全社会的重大问题。污泥一般都难 以脱水，一般生物污泥都含有9 5 以上的水分【2 】，脱水后含水率仍然高达8 0 9 0 【3 j 。这给污泥的后续处理带来了很大的困难。如对其中所含水分进行很好的脱除， 将会大大提高对污泥的处理能力。 污水处理厂一般采用投加絮凝剂来提高污泥的脱水率，污泥处理费用约占污 水处理厂总运行费用的2 0 5 0 ，投资占污水厂总投资的3 0 4 0 1 4 1 。污泥 处理费用昂贵，致使一些污水处理厂将污泥直接排放，对生态环境造成严重威胁。 因此，为了提高污泥脱水率、减少运行费用，开发新的预处理工艺促进污泥 脱水已成为一项迫在眉睫的课题。该超声剩余污泥脱水课题的成功实施，不但可 以解决污泥的处理处置难题，而且可以回收资源和能源，保护生态环境，具有十 分重要的社会效益和环境效应。 1 1 1 污泥的分类和性质 污泥成分复杂，是污水中的固体部分，通常含有泥沙、纤维、动植物残体等 固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物、重 第l 章文献综述 金属元素和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵等综合的固体物质。污泥的分类 和性质如表1 1 所示。 表1 1 污泥的分类和性质【，l t a b 1 1c a t e 9 0 r i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs e w a g es l u d g e 分类依据名称性质 有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，比重较小，含水 污泥 率高但不易脱水，属于胶状结构的亲水性物质，易用管道输 送，往往含有很多植物营养素、寄生虫卵、致病微生物及金 污泥成分 属离子等。初沉池、二沉池的沉淀物均属污泥。 以无机物为主要成分，颗粒较粗，比重较大，以脱水，含水 沉渣 率低，流动性差。 初沉池污泥指污水中一级处理过程中产生的污泥，一般来自初次沉淀池。 剩余污泥来白活性污泥法后的二次沉淀池。 腐殖污泥 来自生物膜法后的二次沉淀池。 污泥米源 消化污泥 初次沉淀污泥、腐殖污泥与剩余活性污泥经消化处理后称 为消化污泥或熟污泥。 化学污泥用化学沉淀法处理污水后产生的沉淀物。 1 1 2 污泥处理的目的和基本原则 污泥处理和处置的方向为减量化、资源化、稳定化和无害化，具体如下【6 7 】： ( 1 ) 污泥减量化，减少污泥的体积，即降低含水率，为后续处理、利用、运 输创造条件，并减少污泥最终处置前的容积，以降低污泥处理处置费用。 ( 2 ) 污泥无害化、稳定化。污泥中常含有大量的有机物，也可能含有多种病 原菌，有时还含其他有毒有害物质，造成二次污染。必须消除这些会散发恶臭、 导致病害及污染环境的因素，保证污泥的长期稳定。 ( 3 ) 污泥资源化，通过处理改善污泥的成分和某种性质，以利于应用并达到 回收能源和资源的目的。 其中，降低污泥含水率即减少污泥体积是所有处理方法原则的基础和前提。 1 1 3 污泥处理与处置方法 国内外在选择污泥的处理方法时，按照以下的优先级：( 1 ) 尽量避免产生剩 余污泥( 无污染产生) ；( 2 ) 污泥产量最小化；( 3 ) 污泥循环利用：( 4 ) 污泥焚烧：( 5 ) 污泥填埋。 2 硕士学位论文 表1 2 污泥的处理过程及方法 污泥处理过程方法 污泥的预处理浓缩、稳定、调节、脱水、消毒等 污泥利用 农用、低温热解制油、作为动物饲料、提取蛋白质、 污泥处置 制水泥、改性制吸附剂 污泥无害化焚烧、填埋、排海和湿式氧化等 1 1 4 国内外污泥处理现状 1 1 4 1 国外污泥处理现状 污泥的处置因国家情况的不同而有很大差异。目前污泥的处置方法主要有堆 肥处理、卫生填埋、农用绿化、海洋倾倒、焚烧处理等【8 】。 污泥的卫生填埋始于上个世纪6 0 年代，目前仍是西方发达工业国家污泥处 置的主要手段之一。其优点是投资较少、容量大、见效快。但是污泥中的n 、p 和重金属在无防渗情况下污染地下水源，同时污泥填埋需要投入运输和管理费 用，占用大量土地，浪费有机肥料资源，不符合社会持续发展的要求。美国环保 局估计在今后的2 0 年内，美国6 5 0 0 个填埋场将有5 0 0 0 个关闭。1 9 7 5 年德国有 5 0 0 0 个土地填埋场，但在1 9 9 3 年只剩下不到3 0 0 个一j 。另外，有资料指出，污 泥填埋产生的甲烷气体，使臭氧层变薄的效率远大于c 0 2 ，而且产生的温室效应 是c 0 2 的3 0 倍，对气候变暖有更直接的效果【1 0 】。 污泥的资源化利用是另一个主要的发展方向。城市污泥中含有丰富的肥份， 若简单的填埋和焚烧，不仅会对环境造成二次污染，还是对资源的一种浪费。从 经济发展、资源的开发利用、城市生态环境的保护等方面来看，污泥处置的理想 出路应该是资源化利用，促进城市的可持续发展。但应注意污泥农用前需进行预 处理。欧共体，1 2 l 严格规定污泥农用前必须巴氏消毒、中温、高温厌氧消化、 堆肥、石扶稳定、脱水等。美国e p a i l 3 l 制定法律条文，根据污泥中含有病源微 生物种类多少将污泥进行分类。g o d a 【1 4 l 等对只本某地污泥施用农田造成环境影 响进行的研究结果表明：若污泥施用量超过3 0 0 t h m 2 ，会造成土壤p h 改变，土 壤微生物数量下降。 污泥的焚烧是在高温条件下使污泥减量化和无害化的方法，具有灭菌效果， 处理迅速、彻底，占地相对较少，可迅速和最大限度地实现减量化等优点。污泥 3 第l 章文献综述 焚烧以英国等国家占比例高。自德国1 9 6 2 年率先建议并开始运行欧洲第一座污 泥焚烧厂以来，焚烧的污泥量大幅度增加。污泥焚烧法处理的主要缺点在于能耗 太大，设备和运行费用高于一般污泥处理方法【6 1 。另外，焚烧还易造成大气、噪 声、震动、热和辐射等污染，残余灰烬的填埋处理也易造成二次污染【1 5 1 6 l 。 污泥排海曾被一些靠海的国家( 如英国、日本等) 较多采用。这是一种方便而 经济的处理方法。但近年来，污泥排海遭到强烈反对，主要是因为其污染海洋， 危害海洋生态系统，引发全球环境问题【1 7 之o 】，危及人类食物链，造成全球范围内 的危害【2 i l 。1 9 8 8 年美国已经禁止向海洋倾倒污泥，并于1 9 9 1 年全面禁止i 列。欧 盟i z j j 在19 9 1 年5 月颁布d i r e c t i v ec o n c e m i n gu r b 如w 瓠t e w a t e rt r e a t l l l e n t 中 指出：在1 9 9 8 年1 2 月3 1 日后禁止污泥排海。日本【2 2 】污泥排海也在逐年减少。 1 1 4 2 国内污泥处理现状 我国的污泥处置系统发展较为缓慢，这主要是受经济条件的制约。由于污泥 处置的基建费用及运行费用较高，许多污水处理厂把污泥处置放在二期工程，有 些污水厂即使有污泥处置设施，也很少运转，致使污泥处置仍以传统的填埋为主。 我国仍有1 3 7 9 的污泥未经任何处置，这将给环境带来巨大危害。由于我国在 污泥管理方面不够成熟，对污泥所含病原菌、重金属和有毒有机物等理化指标及 臭气等感官指标重视的程度还不够，污泥散发的臭气污染空气，病原菌对人类健 康产生潜在威胁，重金属和有毒有害有机物污染地表和地下水系统，又由于适宜 填埋的土地越来越少，而运往更远的地方填埋需消耗更高的运输费用。因此迫切 需要寻求新的、有效的污泥处置方法。 1 1 5 污泥处理的核心问题 整个污水处理系统中，污泥脱水是最重要的减量化手段。污泥容积减少与含 水率的关系可用以下公式计算： ，。：，毒= ，墼脚3 ( 1 1 ) 七 1 0 0 一，7 其中：七污泥脱水前固体含量，七污泥脱水后固体含量：，7 污泥脱水前含水率， ，7 污泥脱水后含水率；，污泥脱水前容积；，污泥脱水后容积 4 硕士学位论文 暮 镬； 苗 以 搿 震 r 日吐弹移c 醚少坼 图卜l 污泥含水率与污泥容积减少率的关系1 2 4 l f i gl - 1 r e i a t i o no fs i u d g ev o l u m e 他d u c t i o n 柚dm o i s t u r ec o n t e n t 由式1 1 和图1 1 可知，若含水率为9 8 的污泥经过脱水降到9 0 ，污泥的 容积将减少8 0 。由此可见，污泥含水率稍有降低，其容积即显著减少，这将对 污泥的后续处理处置以及运行费用产生巨大影响。污泥脱水的意义显而易见。 国内外对污泥脱水减容化已经进行了多年的研究，得出了一些比较有效的方 法和措施，如重力沉降、调节和机械脱水等：也从污泥调理角度采取措施，如对 絮凝剂、助凝剂等化学调质剂种类的选择及用量的研究【2 5 】。这些方法的目的都是 想通过改变污泥絮体颗粒大小来改善污泥的脱水性能。但是无论采用何种方法， 污泥过高的含水率都是一个无法回避的问题，也是各种处置方法产生问题的原因 之一。 1 2 污泥的调质 污泥调质是污泥浓缩和机械脱水前的处理。污水处理厂排出的污泥中的固体 物质主要为胶质，结构复杂，与水的亲和力很强，含水率高，浓缩和脱水都非常 困难。目i ； 国内外均采用调理措施，改变污泥的理化性质、减少泥水间的亲和力、 破坏污泥的胶态结构，使固体粒子重组、凝聚力增强、颗粒增大，从而改善污泥 的脱水性能。常用的调理方法有化学调理法、淘洗加药法、冷冻法和加热调理法。 化学调理因其效果可靠、设备简单、操作方便等优点，被广泛采用。其实质是向 污泥中投加絮凝剂，在污泥胶体表面起化学反应，中和污泥颗粒电荷，使水从污 泥颗粒的表面分离出来，促使污泥形成颗粒大、孔隙多和结构强的滤饼，以利于 过滤操作，污泥调理结果的好坏与絮凝剂种类、投加量及环境因素有关【i 2 6 。2 引。 5 第1 章文献综述 1 2 1 絮凝剂的分类 污泥脱水中的调理剂即絮凝剂分类的方法很多。按组成不同，一般可分为无 机絮凝荆、有机絮凝剂以及近年来兴起的生物絮凝剂：若根据分子量的高低、官 能团的特性及官能团离解后所带电荷的性质，可分为高分子、低分子、阳离子型、 阴离子型和非离子型絮凝剂；根据复合形式的不同，可分为无机一无机、无机一 有机、有机一有机高分子复合絮凝剂等等，如表1 3 所示。 表1 3 絮凝剂品种分类 t a b 1 3c i 笛s m c a t i o no ff l o c c u i 柚t s 无机冈1 离子絮凝剂 无机低分子絮凝剂 无机阴离子絮凝剂 无机絮凝剂铝盐无机高分子絮凝剂 无机高分子絮凝剂 铁盐无机高分子絮凝剂 硅酸金属盐及各种复合絮凝剂 絮 有机陬i 离子絮凝剂 凝 有机絮凝剂 人工合成有机高分子絮凝剂有机阴离子絮凝剂 剂 非离子有机絮凝剂 天然有机高分子絮凝剂 生物絮凝刺 无机无机复合絮凝剂 复合型絮凝无机有机复合絮凝剂 剂有机有机高分子复合絮凝剂( 包括无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂间 的复配使用) 传统的无机低分子混凝剂在调理过程中，消耗大、形成的絮体小、沉降速度 慢，造成污泥脱水困难；无机和有机高分子絮凝剂具有投加量少、絮体密实、沉 降速度快、易分离和浓缩等优点，但其单一使用时，脱水效果并不是很理想；在 理论和实践的指导下，复合絮凝剂的研究和开发已经成为目前絮凝剂研究的热 点，主要包括无机、无机有机、有机有机高分子复合絮凝剂( 包括无机絮凝剂和 有机高分子絮凝剂问的复配使用) 睇w 。 1 2 2 絮凝剂的选择 污泥调理的关键在于絮凝剂的选择。对有机物含量高的污泥，较为有效的调 理剂是阳离子型有机高分子调理剂，而且有机物含量越高，越适宜选用聚合度高 的阳离子型有机高分子调理剂；而对以无机物为主的污泥，则可以考虑采用阴离 6 硕士学位论文 子型有机高分子调理剂。污泥性质的不同导致所需调理剂的数量存在显著差异， 一般来说，污泥颗粒细小、含固率高、有机物含量和碱度高，都会导致调理剂用 量的加大。由于污泥性质对调理效果的影响比较复杂，目前还缺乏系统和深入的 理论研究，只限于做些定性推断和估计。 1 2 3 絮凝剂促进污泥脱水 自2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初，无机高分子絮凝剂聚合氯化铝被开始 广泛研究至今，许多研究表明，添加絮凝剂是对污泥调理的有效方式，投加絮凝 剂已成为污泥脱水的首要选择。 吴桂标【3 0 】等研究表明污泥自然沉降时，加入表面活性剂可以加快污泥的沉降 速度；用机械法进行污泥脱水时，表面活性剂能够降低污泥的含水率。进一步的 研究表明，表面活性剂的加入能够使污泥颗粒表面的蛋白质和d n a 释放出来， 这可能是改变污泥脱水和沉降性能的一个原因。 伦宁【3 i 】等向剩余污泥中投加相当于污泥量0 8 的高分子絮凝剂，污泥含水 率由9 9 3 下降为6 9 ，污泥体积降为原体积的1 4 4 ，且滤液澄清。李凡修【3 2 l 等通过添加絮凝剂处理含油污泥，实验结果表明，用p a c 和c p a m 絮凝剂处理 含油污泥，可将污泥比阻从处理前的8 9 1 0 1 4n 哦g 降至1 0 9 1 0 圯以g 和 o 1 1 1 0 心从g ，助滤剂c a o 与絮凝剂复配使用可进一步降低污泥比阻。 s t e f 抽j l 啦e r 等f 3 3 】研究了污泥用聚合物调理污泥，分析了调质过程中絮体 颗粒的结构变化情况，提出了结构变化模型：在调质剂加入初期，污泥絮体通过 高聚物的桥联作用而形成有弹性的三维空间网状结构，剩余聚合物无法轻易吸附 到污泥絮体的表面，脱水效果较差；随着调质剂的继续加入，网状结构由于混合 作用而衰减，使颗粒之间可能产生相对运动，絮体间的相互作用由于聚合物在其 表面的吸附而变得强烈：大体积絮体破碎为小体积絮体，高聚物被消耗完，絮体 间的相互作用变弱：最后根据絮体强度和剪切力的大小，得出了污泥结构的两种 最终状态：( 1 ) 絮体结构破碎，脱水性差。( 2 ) 絮体抗剪切能力强，不破碎，在 合适的水力条件下，水从絮体内部渗出导致絮体收缩，密度增大，呈粒化现象。 污水是一种复杂、稳定的分散体系，单一的絮凝剂往往无法满足处理的要求。 2 0 世纪8 0 年代研究人员开始了对复合絮凝剂的研制，复合絮凝剂具有两种絮凝 7 第1 章文献综述 剂的双重优点，而又避免了两者的不足，使净水效果得到高度发挥【3 4 3 5 1 。实践证 明复合絮凝剂适应范围广，污泥脱水性好，p h 使用范围广，优于单一絮凝剂。 目前关于无机复合絮凝剂的研究报道较多，而无机有机复合絮凝剂的报道较少。 研究表明，无机有机复合絮凝剂的絮凝效果较佳，并且以其品种多样化、性能 多元化而占主导地位，有望成为新一代的高效絮凝剂。 国内外这方面的报道也很多，y q z h a o 和d h b a c h e i 珀j 经实验得出硫酸钙可 同聚合物一起使用提高污泥的过滤性能，其作用是形成一种可渗透的稳固的格子 结构，以便在外压下保持污泥絮体的多孔性，同时也指出单独添加硫酸钙对污泥 过滤性能的提高很小。郭亚萍【3 7 】等考察絮凝剂f e c l 3 与聚乙烯醇复合对城市生活 污泥的脱水性能的影响，当絮凝剂用量为干污泥量的l 时，污泥的含水率由9 4 下降到7 1 ，污泥体积缩小为原体积的2 ，滤液透光率达9 8 。杨鹜远【3 8 】等考 察了无机有机高分子复合絮凝剂对絮凝效果的影响，发现复合絮凝剂比单一的 无机或有机絮凝剂具有更佳的絮凝效果。 许小丰等【3 9 l 经过对p a m 和p a c 的复合实验研究发现，在复合过程中添加助 剂、复合温度为5 0 ，p a m ：助剂= 5 ：l 、p a c ：p a m = 5 ：1 时，制得的高效复合絮凝 剂对染料废水有较好的色度去除率和c o d 去除率。张秀丽1 4 0 j 等也对p a c 和p a m 复合絮凝剂进行了研究，将复合絮凝剂用于处理造纸废水，实验结果表明，在上 层清液中加入p a c 浓度3 0 0 m g l 和p a m 质量浓度1 5 m g l ，可将废液的c o d c r 值降到4 0 0 m g l 左右。 无机与有机絮凝剂进行复合时投加顺序也很重要。c h l e e 和j c l i u j 研 究在用两种不同的调质剂混合使用时，得出先投加低分子量阳离子絮凝剂，后投 加高分子量阴离子絮凝剂为最佳选择的结论，并认为用非离子型絮凝剂会比用阳 离子型絮凝剂产生更大的絮体。王志东【4 2 】进行了扬子乙烯污水处理厂污泥脱水性 能的试验研究，通过测定污泥比阻r 和毛细吸水时间c s t 随絮凝剂投加量的变 化情况优选了絮凝剂及使用方式。指出采用p f s p a m 组合投加法，可以大大减 少阳离子p a m 的用量，从而有效降低污泥脱水的药剂费用。同时还研究了无机 和有机絮凝剂的投加次序对污泥脱水的影响，得出结论：先投加无机絮凝剂再投 加有机絮凝剂得到的脱水效果要优于先有机后无机或者两种同时投加。 8 硕士学位论文 1 3 超声波处理剩余污泥的研究 1 3 1 超声波简介 超声波与声波相同，即是物质介质( 通常是空气和液体) 中的一种弹性机械 波，但是二者频率不同。超声是由一系列疏密相间的纵波构成。人耳能听到的声 波频率范围为2 0 h z 2 0 k h z ，物理学中规定，高于2 0l m z 的是超声波，上限可高 至与电磁波的微波区( 1 0 g h z ) 重叠，但一般认为对气体为5 0m h z ，对液体为 5 0 0m h z 。用于化学化工中的超声波的频率一般为2 0 m z 2 m h z ，如图l - 2 所示 【4 3 】 o 超声波因其波长短而具有束射性强和易于通过聚焦集中能量的特点，主要有 连续波和脉冲波两种形式。就超声功率而言，连续波超声一般在几毫瓦到几十千 瓦，脉冲波超声可扩充为几分之一毫瓦到几兆瓦。 ol o 1 0 2l o i l a 1 0 ，1 0 1 0 7瞅 iillili 眩弦弦弦弦囫豳蕊闽囵 人耳听力范暖 1 6h z 1 8l 【i l z 传统的功率超声2 0 盼l 虹垃 声化学的颁奉箍圈2 0k h z 2m 比 诊断超声 5m h z 1 0 m l j l 图1 2 声波的频率分布阳j t a b 1 - 2d i s t r i b u t i o fs o u n d 、v a v e 矗e q u e n c y 诊断超声波作为一种波动形式，常用于医学诊断4 4 1 、无损探伤【4 5 1 、化学分析 等研究。功率超声是利用超声振动形式的能量使物质的一些物理、化学和生物学 特性或状态发生改变，或者使这种改变过程加快【4 6 1 。与其他处理技术比较，功率 超声常能大幅度提高处理速度和效率，提高处理质量和完成一般技术不能完成的 工作，因此在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护领域得到越来越广泛的应 用，如超声清洗【4 7 1 、超声加工【4 引、超声化学合成【4 9 1 、超声治疗【5 0 5 、药物提取【5 2 1 、 超声有机物降解1 5 3 5 4 1 等。如今，超声波的应用领域已涉及船舶、冶金、机械、化 工、医药、生物等几十个门类。 9 囫豳圈园 笫l 章文献综述 1 3 2 超声波作用的参数的介绍 1 3 2 1 声压与振幅 声波是媒质质点的机械振动由近及远的传播，声在传播过程中，对声场中的物 质会产生挤压或拉伸作用，这种由于声波扰动而产生的压力，称为声压。声场中 某一瞬时的声压值称为瞬时声压( p ) 。在一定时间间隔中最大的瞬时声压值称为 峰值声压( p a ) ，亦称为声压幅值。如果声压随时间的变化是按简谐规律的，则 峰值声压也就是声压的振幅( a ) 。在一定时间间隔中，瞬时声压对时间取均方 根值称为有效声压( p e ) 。则有公式【5 5 】： 乞= 厢面 ( 1 2 ) = 击 ( 1 - 3 ) 1 3 2 2 声功率与声强 单位时间内通过垂直于声传播方向的面积( s ) 的平均声能量称为平均声能 量流，亦称为平均声功率( 形) ，单位为瓦( w ) ，计算公式如下【5 6 】： 矽：；c s ：塑 ( 1 - 4 ) 2 p c 通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能量流称为平均声能量流密 度，办称为声强( ，) ，单位为形肌2 ，计算公式如下1 5 5 5 6 】： ，：娶：；c ：兰 ( 1 - 5 ) s 2 p c 由式( 1 - 5 ) 可以看出，声强与声压幅值平方成正比。所以可以通过测定声 压幅值来确定声场中某点的声强，声强的具体计算方法见3 5 6 。 1 3 3影响超声作用的因素 1 3 3 1 超声波声源( 声化学反应器) 声化学反应器是指将超声波引入并在其作用下进行化学反应的系统，其核心 是超声发生器，超声发生器通过超声换能器将电能转化为声能。常见的声化学反 应器主要有连续式与脉冲式两大类，其中脉冲式包括槽式、探头式等类型，连续 1 0 硕士学位论文 式包括平行板近场式、管道式等类型【5 7 。6 0 】。 目前实验室最常用的声化学反应器之一为探头式声化学反应器( 变幅杆浸入 式声化学反应器) 见图1 3 所示。它是将发射声波的探头直接进入反应液体中， 该反应器的工作频率通常在2 0 1 0 0 0 k h z 之间。此类反应器可将超声能量有效的 传递到反应液中，因探头直径较小( 一般在1 0 3 0 m m ) ，在超声辐射断面上可获 得较大的声强( 可达数百w m 2 ) ，但该反应器通常存在着辐射面积小、探头易被 腐蚀等缺陷。 3 1 超卢探头( u l t l 部o n i cp r o b e ) ，2 - 反应容器( r e a c t o r ) ，3 反应溶液( 1 - c n i o ns o l u t i 伽) 图1 3 探头式声化学反应器 1 a b 1 - 3p r o b eu i l 脚o n i cc h e m i s t d ，他孔t o r 槽式声化学反应器包括超声波清洗槽和高频槽式声化学反应器两类。超声波 清洗槽主要是由一不锈钢水槽和若干固定在水槽底部的超声换能器组成( 见图 l - 4 所示) 该反应器所用频率多为几十千赫兹，清洗槽内声强较小，一般不超过 5 w c m 2 ，该反应器降解有机物的效果较差。 叠 l - 反虑容器( r e a c t o r ) 2 - 清洗槽( c i e 鲫i n gt r o u g h ) ， 3 - 水( w a t e r ) ，4 超卢换能器( u l t r 硒o u n dg c n e r a t o r ) 图l _ 4 超卢清洗槽式反应器 t a b 1 - 4u i t 眦o n i cc i e 鲫i n g 仃0 u g h 他t o r l - 换能器( u l t r 鹊o u n dg e n e r a t o r ) ，2 - 反应溶 液( 他a c t i o ns o l u t i o n ) 3 - 反应容器( r e t o r ) 图l - 5 高频槽式声化学反应器 t a b 1 - 5h 纳饥q u e n c yu i t 眦i c c h e m i s n y 他t o r 第l 章文献综述 高频槽式声化学反应器是由一浴槽和一固定在浴槽底部的超声换能器构成 ( 见图1 5 所示) ，反应液可直接放入浴槽内接受超声辐射，该反应器所用频率 多为几百千赫兹，换能器多为压电陶瓷体且辐射端面积较大。目前实验室研究高 频超声降解有机物时，多采用此类反应器。 1 3 3 2 声强 超声波的声强直接与声波振幅成比例，一般而言超声波的降解效率随着声强 的增大而增大，目前人们对声强的研究范围大多在1 1 0 0 w c m 2 。 1 3 3 3 超声波频率 超声频率是影响超声降解效果的一个重要参数。有关超声频率的研究有很多 报导，但是对于频率效应一直存在不同的观点，现在所确认的是：声波频率越高， 周期就越短，为空化泡生长，特别是为正压相压缩至崩溃等空化过程提供的时间 就越不足，因而空化发生几率和强度就越小，降解速率就越低。大部分研究人员 认为，存在一个最佳频率点，此处空化强度达到最大，相应的处理效果也最大【6 1 l 。 b r u u s 【6 2 j 等研究表明超声波在水中产生的各种效应受频率影响很大，低频 ( l o o k h z ) 机械效应较好，高频化学效应较强，由于污泥处理主要利用超声波的 机械效应，因此低频下效果较好。4 l ，2 0 7 ，3 6 0 ，6 1 6 ，1 0 6 8 ，3 2 1 7 m z 下的超 声波处理，污泥菌胶团结构的效率随着超声波频率的升高而降低，4 1 l ( h z 下处理 效率是3 2 1 7 k h z 下处理效率的9 7 倍，因此污泥处理中通常利用不超过4 0 l 【h z 的超声波。t i e h h l 【6 3 】等人研究了频率在4 1 3 2 1 7 i ( h z 范围内超声波作用污泥的情 况，同时考察了超声声强和处理时间的影响。他们发现低频超声可以有效分解污 泥细胞，低频率超声产生的空化泡大，气泡破灭瞬间产生的水力剪切力非常强大， 而高频率对污泥的分解作用并不明显，高频率超声产生的空化泡小，气泡破灭时 不足以产生使污泥细胞分解的强大水力剪切力。 1 3 4 超声波对污泥的作用 目前活性污泥法被广泛的应用在污水处理厂的污水处理系统中【“舶1 。随之而 来的是废水生物处理的副产物秉j 余污泥的增加，随着废水处理量的增大，污 泥处理处置已成为困扰污水处理厂和全社会的重大问题。以往用浓缩、脱水、消 化稳定等过程对污泥进行处理。德国在1 9 9 6 年明确提出了废物减量化、资源化 1 2 硕士学位论文 和无害化处置的优先顺序【6 7 1 ，因此近年来对污泥减量化研究得到重视，国内外已 有大量研究报道【6 8 6 9 1 。但是近年来，由于环境的变化，例如污泥中的有机物大量 的增加，导致了传统的方法不能将污泥中的水分有效的脱除，一种有效的利用超 声处理污泥的方法近来正被广泛的研究【7 0 1 。 实际上，利用超声波处理污泥并不算是一项新技术，早在2 0 世纪7 0 年代b a n k s 和w a j k e r 【7 1 1 就用超声波产生的微小气泡来计算细菌的数量。b r o w n 和l e s t e r f 7 2 】 用超声波提取细胞壁上的聚合物进而研究污泥中微生物的表面特性。国内外研究 表明，高强度的超声可以降解污泥，通过细胞破壁分解生物固体；低强度超声可 以改善污泥的膨胀特性，提高污泥的沉淀特性和脱水能力，促进剩余污泥脱水及 减量。 1 3 4 1 超声波促进污泥分解 1 9 9 1 年，h a 玎i s o n 报道超声降解是一种破碎细胞壁的好方法，并且认为分 子量超过4 0 0 0 0 的高分子物质可以被由超声空化引起的强大水力剪切力所分解。 1 9 9 9 年，p o r t e n l i i n g e r 【7 4 】证实了这种水力剪切力在频率1 0 0 l m z 以下最为有效。 n e i s l 6 3 l 在探索超声波分解是否仅仅是超声空化作用时气泡溃灭产生的力学作用， 自由基反应是否对细胞破坏有作用等方面做了大量的工作，他认为超声波作用的 理想频率为4 lk h z ，而且污泥分解作用主要是力学过程。 高、中强度、大剂量的超声波作用在污泥厌氧处理中已有所研究，这些研究 成果主要集中在两方面：不同频率、声强、作用时白j 的超声波预处理对污泥的 物理、化学、生物等性质的影响；超声波预处理对污泥厌氧消化的可行性、优 化条件和机理研究【7 5 1 。 曹秀芹【7 6 】等人的研究表明在超声波作用下污泥絮体发生分解，声能密度与超 声作用时间对污泥絮体的变化有很大影响，而且超声作用时间对絮体的影响比声 能密度更大；细胞破碎后，胞内物质释放进入液相，污泥的s c o d 值显著上升； 同时，也观察到了超声作用过程中污泥温度的变化。王芬等【”1 研究发现在一定声 能密度和一定试验时间范围内，超声波破解污泥反应相对于时间符合一级反应动 力学规律，但是在较高声能密度与较低污泥浓度下，s c o d 增加值不再随时间延 长呈线形增长，其增长的速度逐渐减缓。v s s 减少值变化规律与s c o d 增加值 变化相同。 第l 章文献综述 t i e h 【6 3 】等人发现短时间的超声处理不能使污泥细胞分解，但可以使污泥絮 体发生解聚；长时间的超声作用可以使污泥细胞壁破裂，将包裹在细胞中的有机 质释放出来，这种有机质的释放在后续的厌氧消化过程中大大促进了污泥的水 解，使污泥挥发性固体降低，并增加了生物产气量，促进了污泥的厌氧消化。 国外对于超声波处理污泥也有很多专利，如f r e i 【7 8 】