（环境工程专业论文）磁化处理对城市污泥脱水性能影响研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文 摘要 摘要 本课题以城市污水厂污泥为研究对象，研究了磁化处理对污泥脱水性能和对污泥 颗粒微观结构的影响；应用高速离心机、电子显微镜、z e t a 电位仪等先进的分析仪器， 系统地研究了磁化处理对污泥比阻、z e t a 电位、离心脱水性能、微观结构的影响，分 析了这些影响产生的原因，进一步深化研究了药剂调理与磁化处理联用对污泥脱水性 能的影响；逐步提出了磁化处理对污泥微观结构影响原理，确定了磁化处理的最佳参 数。 试验表明：0 4 4 t 磁感应强度和3 0 m i n 磁化时间时对污泥比阻改善最佳，不同磁 场位型对离心脱水性能改善的最佳磁感应强度不同( 垂直条件0 4 4 t ，平行条件下 0 3 9 t ) ，污泥滤液c o d 和n i - h + 都存在短时间内升高，然后降低趋于稳定的规律( 垂 直磁化时c o d 升高最大处达到了6 0 0 , 6 ，n h 4 + 较小仅仅达到1 5 ；平行磁化时c o d 降低最大处达到了4 0 ，n h 4 + 升高最大达1 4 0 ) ；磁化处理对z e t a 电位( 电极电位) 影响较大( 其降幅达到了4 6 5 ) ，但对比阻影响较小；o 2 t 磁感应强度下f e 3 + 对离 心脱水性能明显改善( 最大处提高4 ) ，说明磁化处理条件下能够强化铁离子的絮凝 作用。 通过此项研究丰富了磁化理论，拓宽了磁化处理在环境工程学科中的应用，有助 于推动磁化处理技术在污泥处理与处置工艺及环境污染治理等领域的广泛应用，开辟 了磁化处理技术的新领域。 关键词：城市污泥，磁化处理，脱水性能 m a s t h d i s s e r t a t i o n o f t n i v e r s i t y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y o f s u z h o u a b s t a e t a b s t r a e t t h ee f f e c to f v a r i o u sp a r a m e t e r so i ls l u d g ed e w a t e ra b i l i t y , t h es t a b i l i t ya n ds t r u c t u r e o fs l u d g ec o l l o i di nm a g n e t i ci r e a t r n c n tf o rs e w a g es l u d g ew 嬲i n v e s t i g a t e d t a k i n gl 娣o f c e n t r i f u g a t i o nm a c h i n e , e l e c t r o nm i c r o s c o p e , z e t ap o t e n t i a li n s t r u m e n tt o r e s e a r c ht h e e f l e e to fs p e c i f i cr e s i s t a n c ef i l t r a t i o n z e t op o t e n t i a l d e h y d r a t i o nc a p a b i l i t yo f e e n t r i f u g a t i o n , a b s o r p t i o nc a p a b i l i t yi nm a g n e t i cf i e l dt o t a l l y , a n dt h e n , t h el e a s o no f t h e s e e f f e c t 柚dt h ee f f e c to f m a g n e t i cw i t hs l u d g es t r u c t u r ew 勰a n a l y z e d ；m i c r om e c h a n i s mo f m a g n e t i cw a sa s s u m e d t h eo p t i m a lp a r a m e t e rw a ss u 地f o rm a g n e t i ct os 腿w h i c ha 地0 4 4 t ( m a g n e t i e i n t e n s i t y ) a n d3 0 r a i n ( m a g n e t i ct i m e ) , t h e r ei sd i f f e r e n to p t i m a lm a g n e t i ci n t e n s i t yt o d e h y d r a t i o nc a p a b i l i t yo fe e n t r i f u g a t i o n ( o 4 4 ti nv e r t i c a lf i e l d , o 3 9 ti np a r a l l e lf i e l m ；i n m a g n e t i cf i e l di ti sd i s c i p l i n a r yt h a tc o d a n dn h 4 + c a nb ei n c r e a s e di ns h o r tt i m ea n dt h e n r e a u e i n gt oi n v a r i a b l e n e s s ( t h em o s te x t e n to fc o di n c r e a s ei s 呷t o6 0 ，n h 4 + o n l yt o 1 5 i nv e r t i c a lf i e l d ；t h em o s te x t e n to f c o di n c r e a s ei s 印t o4 0 n h 4 + t o1 4 0 ) ；z e t a p o t e n t i a lo fs l u d g ew a sg r e a t l yi n f l u e n c e df o rm a g n e t i cf i e l d ( t h em o s te x t e n to f r e d u c i n gi s u pt o4 6 5 ) ，b u tl i t t l ef o rs r f ；i ti sr e m a r k a b l et oi m p r o v et h ef l o e e u l a t i o nc a p a b i l i t yo f i r o ni o n i c ( u pt o4 t ot e s t i f ym a g n e t i cc a l li n t e n s i t yt h ef l o e c u l a t i o nc a p a b i l i t yo fi r o n i o n i c t h i ss t u d yc 缸e n r i c hm a g n e t i ct h e o r y , e x t e n dt h ea p p l i c a t i o n 丘e l do fm a g n e t i ci n e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r t n g t h ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i ci ns l u d g et r e a t m e n ta n dp o l l u t i o n l e l n o v ei sh e l p f u lt ob o o s t , e r e a l ct h en e wf i e l di nm a g n e t i c k e y w o r d s ：s e w a g es l u d g e ，m a g n e t i ct r e a t m e n t , d e w a t e r i n ga b i l i t y 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：垄牡吼研- - 7 - l - ；月丝日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复 印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保 存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学 校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用 影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的 的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：垄! 生日期：出月丝日论文作者签名：垡! 士日期：2 型年月垄日 指导教师签名：么撕耋5 日期：。7 年占月z - f l ! l 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 第一章引言 li 污泥处理处置方法现状及其应用进展 1 i i 前言 在城市污水处理厂中，污泥是污水处理过程中的必然产物，其数量约占处理水量 的0 3 - - 0 5 ( 以含水率9 7 计) ，如果进行污水深度处理，污泥量还会增加0 5 - i 0 倍。 目前我国干污泥年产量约为8 0 - 1 4 0 万吨，按照国家污水厂的发展规划，到2 0 0 5 年，城 市污水集中处理率将达到4 5 ，处理总规模将达到4 0 0 0 万m ，预计到2 0 1 0 年，我国 污泥产量将是现在的5 倍以上l ”。 污泥中不但含有大量有害物质，如细菌、病源微生物、寄生虫卵、合成有机物及 重金属离子等，而且污泥还很不稳定，在短时间内就会变成腐臭的令人厌恶的物质。 污水处理厂产生的污泥因含水率高( 初沉污泥为9 5 - 9 7 ，剩余污泥高达9 9 2 9 9 8 ) ， 给运输、贮存，使用带来许多不便，并可能对环境造成二次污染，使污水处理厂没有 完全达到去处污染的作用。因此，污水处理厂产生的污泥必须及时进行处理处置，才 能保证污水处理厂的正常运行1 2 1 。 污泥处理是减容、稳定化、无害化和综合利用。据报道，污泥处理处置的基建费 用约占污水厂总基建费用的2 4 o , - - 3 5 ，污泥处置费用约占全厂运行费用的 2 0 0 0 - - 5 0 因此，从经济和环境效益来考虑，都必须高度重视污水厂的污泥处理处 置问题【3 1 。 1 1 2 城市污水处理厂的污泥处理与处置概况 活性污泥的产生与性质 在活性污泥法处理污水过程中，活性污泥中的微生物通过利用污水中营养物质新 陈代谢产生出一定量的生物物质，另外污泥絮体对污水中的一些悬浮物、胶粒具有吸 附、聚集等物理作用从而使得污泥的量不断增加，因此在城市污水的处理过程中都会 产生一定量的剩余生物污泥。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。通过调查不同城市的污水厂运行情况可知，污泥产量在0 3 md s ， 万吨水。上海市的污水污泥产率2 2 3 2d s 万吨水2 - 3 1 。 城市污水厂污泥多由有机污泥组成( v s s 厂r s s 在8 7 - - 9 5 之伺) ，由亲水性带电 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 负荷的胶体颗粒组成，颗粒细小，挥发性含量高，比阻值大，脱水性能较差。特别是 活性污泥，体积大，含水率在9 9 以上，比重在0 9 5 - 1 0 4 之间；其中的固体悬浮物， 颗粒极细，直径在0 1 1 0 l im 之间，多以胶体状态分散，一般带负电荷，颗粒之间相 互排斥，比较稳定，污泥的比阻值非常高，直接脱水极其困难。处理成本一直以来居 高不下，如果处理不好，还会带来严重的二次污染问题，如恶臭，寄生虫卵，重金属 离子等问题 4 1 。 污泥分类 污水厂污泥( 污水污泥，s e w a g es l u d g e ) 是各种污水处理过程中产生的泥状物质。 城市污水厂污泥，则因污水性质和工艺的相似性，其在污水处理过程中的产生环节相 对稳定。而工业污水处理厂由于工艺和产生环节上的不同，污泥性质上有很大的差别。 有关城市污水厂污泥在污水处理中的产生环节与特征见表1 1 城市污水厂污泥可按不 同的分类准则分类，其中常见的有： 1 ) 按污水的来源特征，可分为生活污水污泥和工业废水污泥。 2 ) 按污水的成分和某些性质，可分为有机污泥和无机污泥、亲水性污泥和疏水 性污泥。 3 ) 按污泥处理的不同阶段，可分为生污泥、浓缩污泥、消化污泥、脱水污泥和 干化污泥。 4 ) 按污泥来源分，可分为隔栅渣污泥、沉砂池栅渣污泥( 无机固体颗粒) 、浮渣污 泥、初次沉淀池污泥( 初沉污泥) 、剩余活性污泥( 剩余污泥) 、腐殖污泥和化学污泥1 3 1 。 表1 1 污泥类型列表 来源 污泥类型 说明 隔栅栅渣大颗粒物质，多为生活垃圾 沉砂池无机固体颗粒密度较大，颗粒不大较稳定的无机物 初沉池 初沉污泥和浮渣 含有可降解性物质的污泥，处理的主要对象 曝气池悬浮活性污泥b o d 的去处过程。产生密度较低的活性污泥 二沉池剩余活性污泥和浮渣曝气池产生的剩余浓缩污泥，处理主要对象 化学沉淀池化学污泥混凝沉淀过程中形成的污泥絮体 污泥理化性质分析 2 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 表征污泥性质常用的指标是p h 、v s s 、m l s s 、含水( 固) 率、密度、比阻、可 压缩性、流变性和粒径等等，不同性质的污泥在性质上面有很大的差异。 1 ) 含水率 污水中所含水分的质量与污泥质量之比称为污泥含水率，城市污水厂污泥的含水 率取决于污水的水质、其产生的处理工艺环节和工艺运行条件等因素。污泥含水率与 其相态有一定的关系，随着含水率降低，污泥由液体逐渐转变成固态。 污泥的体积、质量和含水( 固) 率的换算公式如下，即 k形1 0 0 一只c 乃职1 0 0 一只 c i 讳：攻，形、c 1 2 一二含水率为丑时的污泥体积、重量与固体浓度( 以污泥 中干固体所占重量百分数计) ； 、c 2 含水率为昱时的污泥体积、重量与固体浓度( 以污泥中 干固体所占重量百分数计) 。 适用于污泥含水率大于6 5 的情况，如果含水率小于6 5 会产生大量的气泡， 使污泥质量与体积不符。 由上述公式可知：污泥的含水率由9 9 降低到9 8 ，或由9 8 降到9 6 ，或由9 6 降到9 2 时，污泥的体积均可减少一半。可见污泥含水率越高，降低含水率对减少污 泥容积影响很大翻。 2 ) 污泥浓度( m l s s ) 污泥浓度是指单位体积污泥所含有的污泥干重的值，一般单位为e , l 它是污泥 活性好坏的一个重要指标，也可以大致看作污泥的相对密度。污泥密度可以通过含水 率来换算得出。 其中和污泥浓度相似的还有一个评价污泥沉降性能好坏的指标s ( 污泥容积常 数卜污泥混合液经3 0 m i n 静置沉淀后，l g 干污泥所占的体积。反映 污泥沉降性能好坏。 2 ) 污泥脱水性能一比阻和压缩系数 比阻( r ) 为单位面积上，滤饼干固体重量所受的阻力，其单位为r n l c g 比阻抗的测定方法【5 j ： r = 2 p a 2 x b ( _ u ) 压缩系数用来反映污泥滤液的性质，压缩系数大的污泥，其比阻随过滤压力的升 高而上升较快。 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 表1 2 不同污泥性质列表p 1 初沉污泥 剩余活性污泥 厌氧消化污泥 p h5 0 - 8 0 ，含水率9 5 左右，固体密度1 4 t m 3 , 容重1 0 2 - 1 0 3t m 3 ，v s s6 _ ( b 9 0 ， c o d v s s1 扣1 6 ，碱度5 0 0 - q 5 0 0m g t , ， 比阻4 7 ( 1 0 1 2 m k g ) ，压缩系数0 5 4 p h6 5 - - 8 0 ，含水率9 9 左右，固体密度1 3 5 。1 4 5 t m 3 容重1 0 - - 1 0 5t m 3 , v s s6 0 - - 8 0 ， c o d v s s2 0 - - 3 0 ，碱度2 0 0 , - 5 0 0m g l ， 比阻2 9 ( 1 0 2 m k g ) ，压缩系数0 8 1 p h6 5 彳5 ，含水率9 3 左右，固体密度1 3 1 6 t m 3 容重1 0 3 - - i 0 4t m 3 v s s3 0 - - 6 0 ， c o d v s s1 o ，v 1 0 4 ，碱度2 5 0 0 - - 3 5 0 0m g ，l ， 比阻0 1 ( 1 0 1 2 i i l 俺) ，压缩系数1 2 活性污泥的处理过程 城市污水处理厂污泥的处理分为两个步骤，第一阶段是处理，第二阶段是处置。 其中，处理是为了满足处置工艺对污泥进行的预加工；处置则是污泥最终进入环境前 的最终处理步骤，因此有时也称作最终处置。污泥处理和处置本着减容化、稳定化、 资源化和无害化为目的。 主要步骤为：原污泥争浓缩争稳定化专调质专脱水争最终 处置 污泥处置技术的发展 且前，国际上最普遍采用的污泥处置技术是农用、填埋和焚烧( 填海以被国际公 约于1 9 9 8 年底起禁止使用) ，这些技术均面临着发展与完善的问题 3 , 6 1 1 ) 农用 污泥农用实际上是一种废弃物的稀释处置方式，同时也是一种污泥资源化技术， 因其可改善土壤且处置成本较低而被广泛采用。污泥农用所面临的问题有：造成施用 地环境卫生状况恶化；未经稳定化处理的污泥会导致土地微生态条件的变化，从而有 4 苏州科技学院硕士学位论文 第一章引言 可能使农作物的生长受损；毒害物质通过食物链转移威胁人类的身体健康。此外，目 前国内常用的浓缩污泥直接农用因其含水率太高，造成运输量大且管理困难，给具体 操作带来较大的麻烦。但是，污泥农用因符合自然生态规律仍具有相当的应用前景。 2 ) 填埋 与城市垃圾填埋处置相比，污水厂污泥的填埋有附加的技术标准。其主要原因是： 污泥( 脱水后的泥饼) 因含水率高而缺乏卫生填埋操作所必须的稳定性，填埋时需加入 泥土进行稳定化处理后才能埋入，导致污泥填埋的容积利用率降低；另外，脱水后的 泥饼具有极低的透水性( 渗透系数小于lxl o 7 锄a s ) ，提高了对填埋表面疏水覆盖与 径流导排的要求。选址困难和运输距离的增长也是填埋工艺应用在污泥处置上的一大 缺陷。 3 ) 焚烧 焚烧技术优势在于处理的彻底性，其消减率可达9 5 v 9 9 ( 与排出态相比) ，有机 物被完全氧化，重金属( 除h g 外) 几乎全部被截留在灰渣中。近年来由于干燥工艺的采 用和流化床焚烧工艺的推广，污泥焚烧已基本达到热能自己：湿式尾气控制工艺的采 用使尾气污染程度明显下降，灰渣可采用卫生填埋( 根据浸出物毒性评价) 。虽然焚烧 工艺费用高昂，但是由于其它污泥处置技术的成本里上升趋势使得焚烧技术在污泥处 置中仍占有一定的地位。 污泥处理与处置技术的发展趋势 一种有效的处理与处置技术，应当注重环境效益与经济效益的均衡，满足人类社 会的可持续发展的需要。将来的污泥处理技术必须具有较好的资源性、经济性，即尽 量少的消耗能源、少占用土地和减少二次污染物的排放等。 在今后1 0 - 2 0 年内，我国的城市污水处理量将有大幅度的提高，城市污水厂污泥 的处理量也将上升。对于中、小城市，较小的污泥产生规模和污水成分简单以及施用 地选择较易等特点，使农用在这样的环境中有充分且适宜的应用条件；对于较大的城 市，现行农用为主的处置方式，无论是对组织复杂性( 毒害成分) 的适应能力，还是潜 在的处理容量( 处理经济距离及与农业有机废弃物的竞争) 都难以满足未来的要求。必 须完善与引入填埋和焚烧技术，同时也有必要发展污泥处置新技术。污泥处理技术， 如浓缩、稳定、脱水及干燥等的应用比例随着人们对环境质量要求的提高也将得到提 高。 总之，污泥处置技术的选择决定了污泥处理的发展方向。除直接将浓缩污泥农用 外，其余所有处置技术都必须将污泥经过脱水处理，所以污泥脱水处理将是今后各国 研究的热点。研究者们已经在污泥脱水技术的标准化，活性污泥絮体的结构、污泥胞 外聚合物及污泥流变特性等方面做了大量的工作，以便能开发出改善污泥脱水性能的 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 新方法。为了对污泥脱水有更好的认识，有必要清楚地了解污泥中水分的存在形式。 1 2 污泥中水分存在形式及对脱水性能的影响 剩余污泥的含水率很高，一般达到9 9 0 6 以上，污泥脱水之后能较大程度的缩小污 泥体积，例如：污泥含水率从9 5 降低为9 0 污泥体积减少了一半。可见污泥脱水 可以降低运输费用还可以便于污泥焚烧减少能量的消耗。 1 2 1 污泥结构及水分存在方式 剩余活性污泥是由活的或死的微生物交织在胞外聚合物的网格结构中而形成的 絮凝悬浊液，并于一些有机物或无机物混杂在一起，其主要特点有：( 1 ) 颗粒细小， 比表面积巨大，具有吸附大量水分的能力；( 2 ) 污泥颗粒絮体表面覆盖着胞外聚合物， 如蛋白质、多糖和核酸等大分子有机物，它们通过选择吸收、官能团电离等作用可以 吸附、吸收水分；( 3 ) 复杂的絮体结构中存在着大量的细小间隙和毛细管，从而会挟 持大量水分1 6 1 。 在污泥脱水理论研究中发现，污泥中存在两种状态的水分，一种是非结合水即自 由水( f r e ew a l i 砷，即不与污泥固体发生相互作用的水分；二是结合水，( b o u n dw a t e r ) 。 即与固体颗粒发生某种作用，附着在颗粒表面或挟持在颗粒中的水分。由于结合水与 污泥颗粒之间有“力”的关系，从而使这部分水的性质有了一些改变，比如其蒸气压、 熵和焓下降，其冰点也会降低。污泥含水率在加热处理中产生了不连续性，根据这种 不连续性出现了许多测定污泥结合水的手段，其中最早被采用的是冰冻法【刀，即认为 在正常冰冻之下( 一般为- 2 0 c ) 还不结冰的水为结合水。根据这部分水不结冰，其体积 就不膨胀，从而可推算出这部分水的体积。加热干燥法是将污泥在恒温( 3 5 ) 、恒湿 的条件下干燥，在线称得污泥的重量，得到干燥时蒸发速度曲线，曲线平坦时的蒸发 量为自由水的量；曲线开始转折即蒸发速度下降时，即被认为结合水开始蒸发( 由于 蒸发结合水所需能量多) 另外还有许多用于测量污泥结合水的手段，例如热差分析 ( d t a ) i s 、示差扫描热量计( d s c ) ，甚至核磁共振，这些方法都基于结合水与自来水 的物理、化学性质的差异。 1 2 2 各种水分的特点及其分离方式 t s a n g 和v e s i l i n d 通过对污泥的千燥曲线进行研究，发现在恒g ( 3 5 c ) 恒湿条件 下，污泥干燥可分为三个明显的阶段：恒速干燥阶段、第一个降速阶段和第二个降速 6 苏州科技学院硕士学位论文 第一章引言 阶段。通过干燥特性曲线，可将污泥中的水分分为以下几种【4 】； ( 1 ) 自由水：在恒速干燥阶段去除的水，这些水分与固体颗粒没有相互的作用 关系，在重力浓缩中去除的水分几乎都是自由水。 ( 2 ) 间隙水：它存在于污泥的周围，被大小的污泥所包围。由于它并不与污泥 直接结合，因而较容易分离。采用重力浓缩的方法即可去除污泥中的间隙水。 ( 3 ) 毛细结合水：由于产生了毛细现象而被高度密集的细小污泥固体颗粒所包 围的水。并且根据其存在形式和位置的 不同而分为楔行毛细结合水、间隙毛细 结合水与裂隙毛细结合水。要去除毛细 表面力作用下的结合水，只有旌于与毛 细表面张力的合力相反的作用力，如采 用机械脱水法。 ( 4 ) 表面粘附水：溶液中比分子和 离子稍大一些，在溶液中成分散悬浮状 的小颗粒称为胶体或凝胶，其粒径一般 在l r a n o 1um 之间。活性污泥就属于凝胶溶液，它的胶体颗粒很小，表面积很大。 由于表面张力的作用，污泥吸附的水分也多。微粒状且表面积大的物质如果获得能量， 就有减少表面积的倾向。因而在外界的干扰下，胶体溶液常处于不稳定的状态，易凝 聚形成絮体沉降下来。污泥中的大部分胶体颗粒均带有电荷，而电荷与水的保护膜作 用又妨碍了微粒的聚集与长大。因此常常通过投加絮凝剂的办法去中和颗粒的电荷， 使颗粒呈不稳定的状态，粘附在一起，最后沉降下来。或者由于胶体受到温度的影响 极为明显，可通过冻融法去除表面粘附水。 ( 5 ) 内部水：前三者均为污泥内部活性有机成分一微生物的外部水，而内部水是 微生物的细胞液。它与固体结合的很紧，去除这些内部水，需要破坏细胞膜，对此， 高温加热、冷冻等机械方法常常是行不通的。但可以通过好氧稳定或厌氧消化的办法 使污泥中的内部水转化为外部液体的形式。 间隙水、毛细结合水，表面粘附水、内部水统称为结合水，即除了自由水以外的 水分。污泥中的各种水分的量是随着污泥性质和污泥含固率的变化而变化的，有机污 泥结合水比无机污泥的结合水量多，剩余污泥的结合水量比初沉污泥的量多。其中结 合水比自由水更难脱去。 1 3 污泥脱水性能的评价参数及与脱水性能的关系 目前有许多关于污泥脱水性能的影响因素的研究，它们的研究结果都是要通过污 7 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 泥脱水性能的评价参数的数据结果来表现的。目前，对于评价污泥脱水性能好坏的评 价参数有以下这些： 1 3 1 宏观评价参数 沉降比( s v ) 它的目的主要考察污泥间隙水的释放情况，当污泥处于磁场之中切割磁力线的状 态下面，会产生微电流对其内的微生物细胞组织进行作用，一定时间后微生物之间的 结合力越来越好，表面粘结能力增强，使得颗粒很好的粘结，间隙水释放出来从而减 少了污泥本身的体积，在沉降比上面表达出来就是污泥量明显的减小。 污泥沉降速率( ，s ) 当进行污泥脱水调理的时候，污泥表面吸吸附水明显减少，它与水的结合力在短 时间内迅速降低。宏观上看，污泥颗粒与水的结合能力较弱时其沉降速率越快，所以 说沉降速率是表达污泥与水结合能力强弱的指标。另一方面它也表示污泥的凝结积聚 能力。在水中固体沉降速率是由固体重力和浮力所决定的，重力比浮力越大它的下沉 速率就越快。而浮力取决于固体的体积，在重力几乎不变的情况下尽可能的压缩体积 就可以达到加大下沉速率的目的。所以说污泥沉降速率越快就可以说明磁场调理可以 较好的降低污泥与水的结合能力，还能增加污泥自身的凝结积聚能力。 过滤速率( s ) 过滤速率越快表明污泥内部的介质阻力越小，而介质阻力取决于污泥颗粒见的间 隙大小。当污泥颗粒的间隙明显增大的时候，空间内的水分子就可以在较小的阻力作 用下穿过滤纸间隙，而把污泥颗粒截留在滤纸上面。污泥调理之后，结合水大量释放， 污泥颗粒压缩双电子层之后迅速聚集使得颗粒变小颗粒与颗粒之间的空隙变大，从而 增加了过滤速率。所以，过滤速率的变化可以从宏观上说明污泥脱水性能的改变。 1 3 2 毛细吸水时间( c s t ) 和污泥比阻抗 污泥毛细管吸水时间( c s l ) 是衡量污泥脱水性能的主要指标之一，国外应用已有 近四十年的历史，我国刚刚开始研究。由于比阻试验测定工作量大而费时，且操作熟 练程度不同造成的误差较大，因此e a v e s i l i n d ( p a ve s i l i n d , t r e a t m e n t a ndi s p o s a l o f w a s t e w a t e rs l u d g e s , 1 9 7 4 ) 建议采用污泥毛细管吸水时问( c s t ) 来近似代替比阻，以简 化测定手续。j i m m y r o l a n dc h r i s t e n s e n ( 上海市环境保护局，废水物化处理上海：同济 大学出版社，2 0 0 0 ) 等提出c s t 和比阻具有线性关系，t i l l c 贯( t i l l e r , f m 。y l ，s h e n a n d a a d i n , c a p m a r ys u c t i o nt h e o r yf o rr e c t a n g u l a rc e l l s j w a t e r p o l l u t , c o n t r o l e d , 8 苏州科技学院硕士学位论文 第一章引言 1 9 9 0 ，6 2 ( 5 ) ：1 3 0 1 3 4 ) 据c s t 的意义建立了相关数学模型，并提出污泥性质和c s t 测 试仪对c s t 值都有影响，而且测试仪的影响比较大。d j l e e p o l 制作了平板式毛细 吸水装置，并提出了估计污泥平均比阻的方法。在我国直到最近才开展了用c s t 作 为衡量污泥脱水性能参数的研究工作。刘敏之( 刘敏之等，毛细吸水时问测定仪的试 制和应用，中国给水排水，1 9 8 9 5 ( 5 ) ：5 05 3 ) 试制了毛细吸水时间测定仪并研究了比阻 与c s t 的相关性。 污泥比阻抗是现在国内最常用的衡量污泥脱水性能的主要指标，通过一组相关性 的实验的到不同参数，然后通过参数之间的关系计算出污泥的比阻抗。对于评价污泥 脱水性能，比阻抗法中提供了一组数据作为衡量标准：比阻r 1 0 x1 0 9 s 2 g 时为不易 脱水的污泥，比阻r 在( o 5 o 9 ) x1 0 z ，g 时为脱水性能中等的污泥，比阻r 0 5 x 1 0 9 s 2 g 时为较易脱水的污泥。理论上面说，比阻值越小污泥脱水性能越佳。由此判定 污泥的脱水性能是否改善。 1 3 3 含水率及结合水的测定 上述已经提到污泥的含水情况有两种：结合水和自由水，它们的总和为污泥的含 水率。污泥含水率是污泥脱水效果的最直观的表现，如果在磁化调理过程中污泥在含 水率上面表现出很大的变化，那么说明在调理过程污泥已经经历了自然脱水阶段，它 将会更有利于以后的脱水过程，因为它已经在脱水之前将内部的分子水、表面水、间 隙水一部分有效的脱去，可以大大减轻以后的脱水难度。 含水率实验方法：称取一定质量的过滤完的污泥样品放在烘箱内，在1 0 5 1 1 0 下烘干2 h ，取出后放在干燥器内冷却0 5 h ，直至恒重，称重计算。 在污泥调理前后结合水的变化应该非常明显，由于在调理之后要进行污泥脱水的 步骤而污泥脱水仅仅能够脱去自由水，所以说污泥在脱水后含水率降低的关键在于调 理过程中污泥中结合水的释放情况。可以通过一系列的监测手段发现污泥调理过程中 结合水的变化情况从而最终确定出污泥调理的合适条件。 污泥结合水测定方法嗍：取5 0 m l 污泥试样b ，加入药剂，手动搅拌，然后在 3 0 0 0 r p m 运行的离心机( g l 一2 0 1 3 冷冻离心机) 中离心l o 分钟，倾倒除去上清液， 剩余泥饼搅拌均匀待用。差热分析仪型号为：s e t a l a md s c l 4 1 ( 复旦大学化学系物化实 验室提供) 一个空的敞开的盘子被用作参照，样品量为6 5 m g 左右。用s a r t o r i u s b s l l 0 s 型电子天平称重。样品温度以2 c r a i n 的速率下降到2 5 。然后以相同 的速率回升到3 0 通过对差热曲线的放热峰和吸热峰积分得到样品的焓变化( f i ) ，用已知重量的饮用纯水进行校准，得到样品中自由水含量( w 0 的计算公式为： w f ( r a g ) = 1 1 6 3 h ( j ) 。取走样品的剩余泥饼放入1 0 5 。c 烘箱( 2 0 2 a s 2 型不 9 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 锈钢数显电热恒温干燥箱) 烘l o 小时以上，以确保水分完全蒸发，冷却后称重 ( m e t t l e rt o l e d oa b 2 0 4 e 型电子天平) ，得到泥饼的含固率，从而计算出样品中的总 水量( w 0 和干泥量( t s ) 。最后，污泥结合水( w b ) 的计算公式为：w b ( r a g m g ) = ( w t - w 0 t s 。 除此之外，污泥上清液的理化性质变化、污泥上清液黏度变化、污泥上清液表面 活性变化、微生物种群变化等等都可以说明污泥调理对于污泥脱水性能的改善。 1 4 污泥调理方法研究进展 污泥调理即为污泥的预处理技术，目的是改善污泥的脱水性能，提高机械设备的 脱水效率，尽量降低脱水后泥饼的含水率。 污泥调理的主要方法有：化学调理法，物理调理法。 1 4 1 化学调理法的应用现状及研究进展 化学调理法的主要原理是在污泥中加入絮凝剂、混凝剂、助凝剂等化学药剂，使 污泥颗粒絮凝，改善脱水性能。 助凝剂本身没有混凝的作用，而在于调节污泥的p h 值，改变污泥胶粒的性质、 结构，破坏胶体稳定性，为污泥提供空间网格状的骨架结构或是线性骨架结构，提高 絮凝剂的絮凝效果，增强絮体的秸结性等。一般常用的助凝剂主要有一些填充料如硅 藻土、碱石灰等物质，污泥机械脱水前投加一定量的助凝剂可以提高污泥的脱水速率， 降低污泥脱水后泥饼的含水率，泥饼容易剥离滤布，从而提高机械脱水的工作效率； 碱石灰在污泥调理中的主要作用是调节p h 值和提供絮体骨架可以使肢体颗粒凝聚在 空间骨架上面与水脱离。 混凝剂在污泥调理中主要作用是提供大量的反粒子( 活性污泥一般带负电荷) ， 在混凝的过程中释放出来的反粒子压缩污泥的双电子层结构，从而使污泥的租分散相 系统脱稳，污泥胶粒聚集在一起把水分压缩出来，达到污泥调理的目的。一般常用的 无机混凝剂主要有聚合氯化铝( p a c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 等，但是由于在实际应用 过程中考虑到剩余污泥上清液回流的要求考虑还有污水排放要求上面的考虑，当今的 已经逐步地将聚合硫酸铁( p f s ) 等混凝剂所淘汰，取而代之的是新一代的有机高分 子絮凝剂如聚丙烯酰胺( p a m ) 、壳聚糖等。它们一般应用在无机混凝之后，它们独 有的网状结构可以有效的捕获脱稳的污泥颗粒和无机混凝剂颗粒，并且在水力搅拌的 作用下压缩在一起形成球状基团，大大降低了污泥的含水率。处理污水厂污泥，阳离 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 子p a m 效果最好，但价格昂贵。将无机混凝剂与p a m 合用能节省p a m 的投加量， 从而降低调理费用；也有报道称，将表面活性剂与p a m 合用来调理消化污泥效果较 好。近几年来有很多新型合成的高分子聚合物用新型合成的高分子聚合物用于污泥调 理中，如壳聚糖、李多松等研制的k h y c 高效混凝剂等 9 1 。 1 4 2 物理调理法的应用和研究进展 常见的物理调节法有加热法、冻融法等。 污泥通过加热处理【1 0 1 ，可使部分亲水有机胶体物质水解，污泥颗粒结构改变，改 善污泥的压缩性能和脱水性能，可分为高温加压处理法和低温加压法。其优点是可以 大大改善污泥的脱水性能，处理后的污泥经机械脱水后，泥饼含水率可降至5 0 。缺 点是：污泥上清液的c o d 、b o d 都很高，回流处理时要增加水处理设备的进水负荷， 费用高、不稳定。 冻融法是指将污泥慢速冰冻，完全结冰后再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。 此外，也对污泥进行微波干化处理、超声波处理等方法改善加入混凝剂后的污泥 絮体结构，提高脱水性能的报道，但是没有很少听到过磁场对污泥调理的应用，虽然 说磁场对污泥调理的记载鲜有人知，但是磁场在环保领域的应用已经在很早以前就被 很多人所认知了 1 4 3 污泥调理的新思路、新方法 近年来许多文献资料都表明结合水含量对污泥机械脱水效果是有影响的。 r o b i n s o n 和k n o c k e ( 1 9 9 2 ) u u 的研究成果均表明，污泥中结合水含量( 以g g 干固体表 示) 会随污泥固体含固率增大而减少，这说明在污泥机械脱水时也有部分结合水被去 除，但随着污泥含固率的增大，结合水量在污泥总水分中比例会增大，这也说明机械 脱水中自由水最容易被取去除，而结合水去除较困难。 从污泥中水分分布来看，未脱水时污泥中结合水的量只占极少数，一般在1 0 以下，但是污泥中结合水的相对量却是表征污泥脱水性能好坏的重要数据。机械脱水 效果有两个方面因素影响，一是污泥脱水速率，二是污泥的可脱水程度。结合水含量 表征了污泥的可脱水程度。结合水的量少，则表明污泥可脱水程度大，脱水效果好， 反之亦然。随着污泥含固率的上升，污泥中结合水在总水分中比例会增加，结合水含 量对泥饼含水率的影响也就越大。例如，如果将污泥中的自由水全部去除，仅仅遗留 下的结合水( 按3 9 g 干固体计算) ，则污泥含水率仍然达7 5 ，仍然达不到一般污泥处 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 置的要求。另外。污泥中结合水含量多少会影响机械脱水效率【1 2 1 所以降低污泥结合水含量，增大其脱水程度的调理方法是一种值得研究的方向。 在污泥处理实践中发现，有机污泥，特别是剩余活性污泥的脱水很困难，这主要是由 污泥本身的结构和性质决定的。 c l e g g 对真核细胞的细胞内部水进行了研究，结果表明，对于大部分真核细胞， 表面水的量占总细胞水的1 5 5 0 。至于污泥细胞，大部分为原核细胞，由于其结 构简单，有着更少的胞内表面积，所以导致其细胞内部含有更少的细胞内表面水，更 多的间隙水。由此可以认为一部分存在于细胞内部的水是间隙水，如果污泥细胞瓦解， 则这部分水可以表现出与自由水一样的性质。活性污泥絮体是由大量的分散细菌通过 胞外聚合物、阳离子( 如c a 2 + ) 和其他细颗粒的架桥而组成的絮凝体。 根据以上理论分析，开始有研究者研究分散污泥絮体的预处理方式瓦解 i s m p t i o n ) 污泥细胞。污泥细胞瓦解后，能释放出大量间隙水，使之成为自由水，从 而提高污泥的机械脱水程度1 1 3 。 a e r d i n c l e r 和v e s i l i n d 1 4 l 对四种瓦解方式进行了初步研究：加n a 0 h 调口h 值至 1 2 3 ；加高浓度n a c l ；1 2 0 下加热5 m i n ；超声波。研究结果表明，污泥细胞瓦解增 加了生物污泥的密实性，改变了污泥的水分分布。使污泥中微生物内部或絮体结构中 的大量间隙水变成了自由水。并且他们研究发现毛细吸水时间c s t 与结合水含量没 有相关性。c s t 试验数据表明加热和超声波预处理能改善污泥的过滤性，而加n a o h 则会大大降低污泥的过滤性。 根据污泥细胞瓦解提高污泥过滤脱水性能的研究理论，可以设想一些除了上述四 种方式的另一种环保领域内常用的方式磁化处理，利用磁场能量使污泥细胞瓦 解、污泥中微生物内部或絮体结构中的大量间隙水变成了自由水，通过这种方式同样 能够达到改善污泥脱水性能的效果。 1 5 磁化处理改善污泥脱水性能的理论基础 1 5 1 磁化处理的生物学效应 外加磁场对生物活性产生影响称为磁的生物效应。磁的生物效应可分为生物分子 效应、生物细胞效应、生物组织器官效应和生物整体效应。当生物通过一定强度的磁 场( 或生物生活在通过外加磁场作用的污水) ，有的被抑制其活性，甚至死亡；有的被 激化，生物新陈代谢明显增强。 磁化处理的这种新的污泥调理方式利用了磁的生物效应，通过磁场能量的释放， 迫使污泥颗粒细胞分解，改变了它们表面性质，加速了表面电荷的运动属性，从而使 1 2 苏州科技学院硕士学位论文第一章引言 细胞瓦解释放出大量间隙水，使之成为自由水，从而提高污泥的机械脱水程度；磁场 还能够增强细胞的呼吸作用【阍，从而缩短了细胞新陈代谢的周期，更快的消耗掉污泥 内部的有机质，从而降低了污泥量、减少工艺中的能量投入。 1 5 2 磁化处理的物理学效应 磁场可以改变固液混合物中液相的物理化学性质：经磁化处理的水中矿物质的溶 解度增高，结垢物晶体表面的电荷分布在磁场影响下发生了变化，从而使其处于热力 学表面能较高的不稳定状态，而吸附上纤维“杂质”微粒，形成松散的结晶团，容 易溶于水而排除【1 2 1 ：经磁化处理的水溶液表面张力降低、含氧量增加，有利于两相物 质的分离，磁化处理矿浆有利于煤泥浮选，经磁化矿物表面z e t a 电位降低，浮选捕 收剂与煤的作用增强，削弱了浮选捕收剂对煤矸石和黄铁矿的捕收作用，提高了捕收 剂的选择性，更有利于煤泥的分离0 6 1 。 磁场具有有较强的力学效应，磁化处理对铁磁性胶粒问势能和胶粒间聚沉速率影 响较大，在比较低的磁感应强度下( o 0 0 2 7 t ) 胶粒的聚沉速率明显加快【l 1 ；磁化处 理过程中磁性种子( f e 3 0 4 及铁性混合物) 的投加可以加强处理效果【l 珂，利用磁场对 磁性种子所产生的不同效应针对处理不同类型的污染物，如利用磁化后f e 3 0 4 粉末聚 集在具有磁力线密度不等的磁束的磁性介质附近，导致磁化的f e s 0 4 对c r 6 + 产生了磁 力，通过提高磁场强度，增大f e 3 0 4 的磁力，从而增加对c r 6 + 吸附量【1 q ；陈瑞福【1 9 1 研究了磁场对磁性吸附剂吸附z n 2 + 、h 矿+ 的影响，磁化吸附剂的吸附量比不磁化 大，并随磁场强度增大而增加。王龙贵1 2 0 1 报道了利用从粉煤灰中回收的磁珠作磁种， 加混凝剂，利用高梯度磁分离技术处理含磷废水，具有很大的优越性。 磁化处理改变了污泥中液相的表面物理化学性质，使污泥颗粒更容易与水脱离； 磁场作用也影响了污泥颗粒的内部组织结构，由于磁场力的作用，污泥颗粒运动加剧， 彼此间碰撞结合的几率增加，使其更容易相互凝聚，加快了污泥颗粒的聚沉速率；磁 化处理与药剂的联合使用最大限度的增加了药剂本身的作用效果，在改善污泥脱水性 能的同时还可以去处水体中的重金属物质，从而达到一举两得的作用效果。 基本理论和现阶段的研究表明，磁化处理调理污泥的脱水性能是可行的，不仅可 以全面系统地认识磁化处理对污泥脱水性能影响的基本规律。为设计高效低耗、无污 染的城市污泥磁化处理脱