（环境工程专业论文）超声强化剩余污泥脱水及厌氧消化中试研究.pdf

摘要 活性污泥法在处理废水过程中产生的大量剩余活性污泥已成为当前最突出 的环保问题之一。由于环保政策和处理成本等因素的限制，投海、填埋、焚烧等 污泥处置方法受到较大的限制，而超声波处理污泥技术因其反应条件温和、降解 速度快、适用范围广、并可以和其它水处理技术结合使用等优点备受关注。 本文在实验室小试研究基础上，进行了中试规模的超声波预处理剩余活性污 泥的实验研究，以期促进污泥脱水、强化污泥厌氧消化。实验研究还优化了超声 波处理技术参数，对该方法处理剩余活性污泥的经济性进行了评价。在扬子水厂 污水处理工艺流程基础上，插入超声波预处理剩余活性污泥中试研究的工艺流程 以及相关实验设备。中试装置每天可处理3 0 0 0 k g 剩余活性污泥( 含水率 9 9 ) 。 实验探讨了不同条件下污泥的沉降特性、以及超声波在污泥中的传播特性。 结果表明：污泥颗粒粒径较大、温度较低时有利于污泥的沉降；频率为2 8 7 k h z 的超声波在含水率为9 8 的污泥中有效传播距离为2 0 c m ，超过此距离时，超声 波大部分被污泥阻碍和吸收。 使用频率为2 8 7 k h z 的超声波，声强为2 0 1 w b m 2 、处理污泥2 n l i n 、絮凝剂 投加量8 ( 干基) 时，污泥的脱水效果最佳。在此最佳超声波作用条件下，污泥 滤饼含水率比未经超声波作用的降低“，相应滤饼体积减少3 叫o ，同时 絮凝剂用量相对减少1 ，3 。 先超声波作用后絮凝的方式更利于提高污泥的脱水性能，低频率( 2 8 7 l 【h z ) 超声波作用时污泥脱水效果优于高频率( 4 0 l 【h z ) 的超声波作用。 超声声强为2 4 4 4 4 4 w c m 2 、处理时间为3 晰o n 【l i i l 时，超声波作用可以显 著提高剩余活性污泥的厌氧消化效率，比传统污泥厌氧消化时间缩短2 0 天，日 平均产气速率提高6 倍，前2 5 天沼气产生总量比传统污泥厌氧消化过程多 倍，从而达到污泥减量的目的。 超声波预处理剩余活性污泥技术不仅可以减轻大量污泥给环境带来的巨大 压力，还可以带来可观的环境和经济效益。 关键词：超声波中试剩余污泥脱水厌氧消化 a b s t r a c t a b s t r a c t ab i g 锄o u n to fs e 、硼g e s l u d g ep r o d u c t i o nd u r i n gm ew a s t e w a t e r 仃e a t i n g p 帕c e s $ b ya c t i v a t e ds l u d g em e t l l o dh 勰b e c o m eo n eo ft l l e m o s tp r o “n e n t 饥v i 】啪e n t a lp r o t e c t i o nq u e s t i o n sc u 玎c n t l y t h em e t l l o d st l l a tl 锄曲l l ，0 c e a i l i c j e n i s 0 n ，i n c i n 删i o n 锄d o nf o r 仃e a t i l l gs l u d g c a r er e s t r i c t e db e c 眦s eo f v 沛姗e 删p o l i c y锄d 讹a _ n t l e n tc o s t p e o p l ep a ym u c ha n e 觚o nt 0m e t e c h n o l o g yo fs l u d g e 缸e 她e n tb yu l 订勰o u n db e c a u s eo fi t sl o t so fa d v a n t a g e s 吼l c h 鹊咒q u 谢m gm o d e 鞠钯c o i l d i t i o i l s ，辨d i l l gu pt l l ed e 伊蜘o no fw a s t e ，c a nb e u s e d i nm 锄yf i e l d s ，c o m b 砌h g 诵lo t l l e r ，a t e r 仃e 舳e n tm e t l l o d s 觚d 璐i i l g 诵l d l yi n m a n yt e c h i l i c a lf i e l d i i lt l l i st h e s i s ，ap i l o t a l eu l 嗽l dp r e t r e a 衄e n tp r o c e s sw 弱b u i l tu pt 0s t i l d y n l ee 1 1 l l 锄c 锄e mo fl l l 仃鼬0 1 1 i ct e c h l l o l o g yt 0n l ed e w a t c 豫b i l i t ) ，锄d 廿l e 龇l a e r o b j c d i g e s t i o ne 伍c i 铋c y0 ft 1 地s l u d g c 1 1 1 ep i l o t m e 咖d y a 1 s 0o p t i i l l i 嚣dt l l eu l 缸邪o u n d 臼e a 衄e n tc o n d i 6 0 n sa n de 】q ，豳e n tc o n d i d o i 塔，e v a 】眦e dt l l ec o s tt 0t 他a tt 1 1 e 辩w a g e s l u d g eb yl l l 协鱼i l i ct e c t m o l o g y t h ep i l o ts c a l eu l 仃嬲o u n dt 豫咖e n tp l h c e 豁w 鹤 a d d e di n _ t 0 也e w a g es l u d g e 仃e 锄e mp c e s so fy 抽g 五w 缸| t e w 姗p l 觚t s i n o p e c a b o l i t3 0 0 0 k g ds e w a g ea 嘶v 砷e ds l u d g ec o n t a i n i n gm o 他姗9 9 w 栅 w 勰仃e a t e di l lt 1 1 ep i l o ts c a l e 腆s s t h es l u d g e 辩t t l i n _ gc h 蹦l c t e r i s t i c su n d 盯d i 侬淝n tc 0 n d i t i o 鹏锄dt h ep r o p a g 撕 p p e 啊o fl l l 蛔s 伽n di n 、a g es l u d g ew e 陀s t u d i e d i ti s g g e s 刚t l l a tb i gp a n i c l e s i 臻a n dl o wt e m 雕氍i ：t u a 他p i p i t i o u st os l u d g e 辩d i m e n t a t i o n ；e 仃t i v em d i a ：t i o n d i s t 锄c eo f t l 把l l l 仃a 洲m d 、) i ，i ma 丘蜘u 锄c yo f 2 8 7k h zi sa b o u t2 0c e 以m c t e ri n 也e s l u d g e 诚t l l9 8 w a t 锄ds l u d g e 埘l lp r o d u c er e m 列( a b l eh i i l d 姗c e 粕da b 巾d o fl l l 仃嬲咄l db i g g e rt l l a nt l l ed i s t a i l c e a nu l 岫。啪d 晰t l la 舶q u 伽c ) ro f2 8 7 l ( h z 锄i 1 1 t e 蜮妙o f2 o l w 尼m 2 锄d 锄 i m d i 硝t i m eo f2i n i n u t e s ，鲫da8 d o s a g eo fn o c c l l l e n t ( o nd 巧b 嬲i s ) w 褐 p r e f i 撇d 蠡”t l 犯b e s te m c i e n c yo fs l u d g ed e h y d r 撕o ni i l 懿p e r i m 明t s u n d e rt h e o p t i i i l a l 臼e a 恤e n tc o n d i t i o i 坞o fu l 缸啪m c ，t l l er a t i oo fw a t 盯i ns l u d g ec a l 【e t i 圮 s l u d g ev o l u 玎锄d 也ed o s a g eo f n o c c u l e n tw 弱d e c r c 缴db y “，3 o 锄dl ，3 t 0p r e 仃e a 圃t l l cs l u d g cb yu l t 膦。岫d 锄d 璩na d dt l l en o c c u l 咄w 弱b 甜盯t o i m p m v e t l l ed e w a t e r i n gc h 撒c t e r i s t j co ft l l es l u d g e l o w6 q u 锄c yu l 位啪d ( 2 8 7 硕士学位论文 l 【h z ) w 嬲b e 讹rt 0h e i pd e w a t e rt l l es e w a g es l u d g eb yl l i 9 1 l 舭q u e n c ) ，( 4 0k h z ) l l l n 铀o u n d a nu l 仃鹊。啪d 、) i r i t l l 锄锨e n s i 够o f2 4 4 4 4 4 w c i t l z 觚da ni 1 1 r a d i a t i o nt i m eo f 3 m 击om i n u t e sc 柚陀m a r k a b l yp r o m o t et l l e 锄e r o b i cd i g e s t i o n i nt l l ec o n d i t i o n s ，2 0 d a y sw o u l db e 他d u c e dc o m p a r i n gt 0a 仃 i d i t i o i l a lm e n l o d a tt l l es 纽圮t i m e ，t l l e p r o d 优i n gm _ t eo fb i o g 觞w 弱沛p r 0 v e db y6t i m e s _ a n dt 1 1 et o t a ly i e l do fb i o g 觞w 嬲 i n c r e a s e db y4 5t i m e st l l 锄t l l a tw i t l l o u tu l 仃a s o u n d ，t l l e r e b y l l i e v i i l gt l l ep u r p o 跎o f s l u d g er e d u c t i o n t i 圮t e c l l n o l o g yo fe x c 鹤sa c t i v 删s l u d g e 仃e 砌e n tb yu l 仃鹳o u n dn o to i l l y r e d u c e dt l l eg r e a tp r e s 吼l r et 0m ee i l v i r o n m e n tb yt l l el a 玛en 哪b e ro fs l u d g e ，b u ta l s o i n c r e a s e dc o n s i d e r a b l e 蜘v i m n m e n t a la n de c o n o m i cb e n e f j t s k e y w o r d s ：讪胁s 0 u n d ；p i l o ts c a l ee x p e r i m 锄t s ；s e w a g es l u d g e ；d 明，a t e r i i l g ； 雅a e r o b i cd i g e s t i o n m 硕士学位论文 第l 章文献综述 随着我国的经济发展和城市化发展，城市污水不断增长。目前，全国已建成、 运转的城市污水处理厂4 5 0 余座，年处理量1 1 4 1 0 8 m 3 。根据有关预测，我国城 市污水量在未来2 0 年还会有较大增长，2 0 lo 年污水排放量将达到4 4 0 l0 8 m 3 d ； 2 0 2 0 年污水排放量将达到5 3 6 1 0 8m 3 d 【l 】。 污泥是污水处理后的副产品，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o 3 o 5 ( v ) 或者约为 污水处理量的1 2 ( 、砷；如果属于深度处理，污泥量会增加0 5 l 倍。污水处理 效率的提高，必然导致污泥数量的增加。目前我国污水处理量和处理率虽然不高 ( 4 5 ) ，但城市污水处理厂排放干污泥已达到约3 0 1 0 4 妇，而且还以每年大约 1 0 的速度增长。 1 1 剩余污泥简介 1 1 1 污泥的产生 废水的生物处理是废水处理系统中最重要的过程之一，通常也称为生物化学 处理。它是指在一定的水环境条件下，利用微生物自身的代谢作用，将废水中的 可溶性有机物及部分不溶性有机物有效地去除，使废水得到净化1 2 3 j 。 根据微生物生长对氧环境的要求不同，生物处理方法可分为：需氧生物处理 和厌氧生物处理两大类。活性污泥法即属于需氧生物处理法。需氧生物氧化法是 在不断供氧的环境中，利用好氧生物的生命活动来氧化有机物，其过程为：可溶 性有机物可以直接透过微生物细胞壁进入体内，而不可溶或胶状的有机物则先被 细菌等微生物吸附，并靠细胞菌所分泌的外酶作用，分解成可溶性物质，然后再 渗入细胞体内，通过细菌本身的生命活动在内酶的作用下进行氧化、还原和合成 过程。一部分被吸附的有机物作为生物进行繁殖、生长和运动等生命活动必需的 能量，最终氧化分解为简单稳定的c 0 2 、h 2 0 及n h 3 等无机物；另一部分有机物 则由微生物合成新细胞，这些新细胞可以从废水中分离出来。通过上述两个方面 的微生物生命活动后，废水中的有机物得到去除。需氧生物处理过程可用图1 1 来表明。 第1 章文献综述 图1 1 有机物的好氧分解过程 f i g 1 1a e r o b i cd e c o m p o s i t i o np r o c e s so fo 唱a 1 1 i cc o m p o u n d s 活性污泥法是一种应用广泛的废水好氧生化处理技术。活性污泥法工艺类型 很多，但其基本流程是一样的，一般由预处理装置、曝气池、二次沉淀池三个部 分组成，如图1 2 所示。 图1 2 活性污泥法的基本流程 f i g 1 2b 淞i cn o wo f a c t i v 纳e ds l u d g ep 1 0 c e 鹳 1 ) 预处理装置：包括沉砂池、一次沉淀池、除油池、均化调节池等。有时， 以一次沉淀池及均化调节池作为预处理装置。 2 ) 曝气池：系活性污泥法的主要装置，有机污染物经过曝气处理后达到净 化。废水经初次沉淀池后与二次沉淀池底部回流的活性污泥同时进入曝气池，通 过曝气，活性污泥呈悬浮状态，并与废水充分接触。废水中的悬浮固体和胶状物 质被活性污泥吸附，而废水中的可溶性有机物被活性污泥中的微生物用作自身繁 殖的营养代谢转化为生物细胞，并氧化成为最终产物( 主要是c 0 2 ) 。非溶解性 有机物需先转化成溶解性的有机物，而后才被代谢和利用。废水由此得到净化。 3 ) 二次沉淀池：供水、泥分离用。净化后废水与活性污泥在二次沉淀池内进 2 1|甲热 硕士学位论文 行分离，上层出水排放；分离浓缩后的污泥一部分返回曝气池，以保证曝气池内 保持一定浓度的活性污泥，其余为剩余活性污泥，由系统排出，进入污泥处理系 统。 1 1 2污泥的性质指标 污泥的来源和形成过程十分复杂，不同来源的污泥，其物理、化学和微生物 学特性都存在差异，正确把握污泥的性质是科学合理地处理处置和利用污泥的先 决条件。只有根据污泥的性质指标才能正确选择有效的处理工艺方法。因此，表 征污泥性质的指标愈精确，取得的效益愈显著。污泥的性质主要包括【5 】：污泥 的含水率，污泥的脱水性能，挥发性固体与灰分，污泥的可消化程度，湿污泥与 干污泥的密度，污泥的肥分与燃烧价值等。 l 污泥的含水率 污泥中所含水分的质量与污泥质量之比称为污泥含水率，污水厂污泥的含水 率取决于污水的水质、其生产处理的工艺环节和工艺运行条件等因素【4 别。污泥 含水率，即单位重量的污泥所含水分的重量百分数。污泥的含水率一般都很大， 比重接近于l ，污泥的固体颗粒愈小，所含有机物愈多，其含水率愈高。 2 污泥的比阻与脱水性能 一般污泥的含水率都比较高，体积大，不利于污泥的贮存、输送、处理、处 置及利用，所以必须对污泥进行脱水处理。污泥的含水率对其体积的影响很大， 比如，若污泥的含水率变化1 ，其体积则会增缩数倍到数十倍。但是不同性质 的污泥，脱水的难易程度不同，因此测定污泥的脱水性能，对选择脱水方法具有 重要的意义。 比阻( ) 为单位过滤面积上，滤饼单位干固体质量所受到的阻力【6 1 ，其单位 为i i l l 【g 。即： ：丝鱼 缈 ( 1 1 ) 式中：印为过滤压力，n m 2 ；彳为过滤面积，m 2 ；b 为过滤时间滤液体积 与滤液体积的斜率，咖6 ；为滤液的动力黏度，n 蜘2 ；缈为单位体积滤液所 产生的滤饼干质量，k 咖3 。 第1 章文献综述 污泥比阻用来衡量污泥脱水的难易程度，它反映了水分通过污泥颗粒所形成 泥饼层时，所受阻力的大小。比阻与过滤压力及过滤面积的平方成正比，与滤液 的动力黏度及滤饼的干固体质量成反比，并取决于污泥的性质。不同的污泥种类， 其比阻差别较大。一般来说，比阻小于l 1 0 1 1 舭g 的污泥易于脱水，大于 l 1 0 1 3 i i l l ( g 的污泥难于脱水。 3 挥发性固体与灰分 挥发性固体近似地等于污泥中有机物的含量【4 1 ，又叫灼烧减重。灰分代表无 机物含量，又叫固定固体，或灼烧残渣。污泥中有机物含量一般比较高，约为 6 0 8 0 ，容易腐化发臭，并往往含有许多细菌、寄生虫卵，这也是污泥需要处 理的一个原因。处理后污泥中有机物含量是判断污泥处理程度的重要指标。 4 污泥的可消化程度 污泥的可消化程度可用污泥中挥发性固体被消化分解的百分数来表示【4 1 。污 泥中的挥发性固体，有一部分是能被分解的，分解产物主要是水( h 2 0 ) ，甲烷 ( c h 4 ) 和二氧化碳( c 0 2 ) ；另一部分是不易或不能被分解的如纤维素，脂肪类， 乙烯类，橡胶制品等。 5 污泥的密度 污泥的密度指单位体积的污泥的质量，其数值也常用相对密度，即湿污泥的 重量与同体积水的重量之比来表达【6 】。污泥的相对密度与污泥的固体密度的关系 为： ，= 丝些 ( 1 - 2 ) l o o 、 7 其中：厂：污泥的相对密度，无单位；p ：污泥的含水率，；儿：污泥中干固 体的平均相对密度，无单位。干固体包括有机物和无机物两部分，其中有机物的 相对密度一般等于l ，其所占百分比值记为b ，；无机物的相对密度约为2 5 ， 则： 以= 等 m 3 ) 以2 矿 ( 卜3 ) 污泥的体积、质量和含水率存在一定的比例关系，即： 4 硕士学位论文 善：粤：翼辫：垒 ( 1 - 4 ) 二= - = = 二 4 l 1 0 0 一丑 q ”7 式中：巧、q 为污泥含水率只时对应的污泥体积、质量与固体物浓度； k 、乞为污泥含水率时对应的污泥体积、质量与固体物浓度。 污泥干固体物质包括有机物和无机物。干污泥的密度与其中的有机物和无机 物比例有关，这两者的比例不同，则干污泥的密度也不同。确定湿污泥密度和干 污泥密度，对于浓缩池的设计、污泥运输及后续处理，都有实用价值。 6 污泥的肥分与燃烧价值 污泥的肥分是指污泥中含有氮、磷、钾和植物生长所必需的其他微量元素。 污泥中的有机腐殖质，是良好的土壤改良剂，可改善土壤的结构性能，提高保水 能力和抗蚀性制7 1 。 污泥的主要成分是有机物，可以燃烧1 4 1 。燃烧时具有一定热值。燃烧值可用 每公斤干污泥燃烧时所能发出的热量表示( k 肌g ) 。污泥燃烧值越高，越有利于焚 化处理。一般有机污泥的热值相当于( 或稍差于) 劣质煤，因此，采用高热值的污 泥焚烧时，一般可不外加燃料。 7 污泥的流动性 污泥在管道内流动的情况和水流大不相同，污泥的流动阻力随其流速大小而 变化。在层流状态时，污泥粘滞性大，悬浮物又易于在管道中沉降，因此污泥流 动的阻力比水流大。当流速提高到紊流时，由于污泥的粘滞性能够消除边界层的 漩涡，使管壁的粗糙度减少，污泥流动的阻力反较水流为小。含水率越低，污泥 的粘滞性越大，上述状态就越明显；含水率越高，污泥粘滞性越小，其流动状态 就越接近于水流。根据污泥流动的特性，污泥在管道中应具有较大的流速，使污 泥处于紊流状态。 1 2 污泥处置方法 随着废水处理量的增大、剩余污泥的增加，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、资源化和无害化处置的优先顺序【引。 5 第1 章文献综述 1 2 1 污泥脱水技术 污泥含有大量水分，处置困难。污泥减量首先就是要脱除大量的水分。国内 外常规脱水方法有重力沉降、调节和机械脱水等；污泥调理脱水方法有添加絮凝 剂、助凝剂等化学调质剂等【引。采用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。 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： m 嘉“舄卅 ( 1 - 5 ) 七 1 0 0 一，7 ”一7 其中：七污泥脱水前固体含量，；七污泥脱水后固体含量，；刁污泥脱 水前含水率，；珂污泥脱水后含水率；：，污泥脱水前容积，m 3 ；j 污泥脱 水后容积，m j 。 由式1 5 可算出，含水率为9 8 的污泥脱水至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。 自2 0 世纪6 、7 0 年代，无机高分子絮凝剂聚合氯化铝被广泛应用与污泥调 理，投加絮凝剂已成为污泥脱水的首要选择。 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l o 】。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i l l 】等向剩余污泥中投加相当于污泥量o 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l 4 4 ，且滤液澄清。李凡修【1 2 】 等通过添加p a c 和c p a m 絮凝剂处理含油污泥，可将污泥比阻从8 9 1 0 1 4 m l 【g 降至1 0 9 1 0 1 2 m l ( g 和0 1 l 1 0 1 2 舭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 细j l 鹕e r 等【1 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 6 硕士学位论文 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。 2 0 世纪8 0 年代开始了对复合絮凝剂的研制，复合絮凝剂具有两种絮凝剂的双 重优点，而又避免了两者的不足，使净水效果得到高度发挥【1 ”】。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。 国内外这方面的报道也很多，y q z l 啪和d h b a c h e i l 6 】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【1 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【”l 等考察 了无j 6 兀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【1 9 】经过对n 蝴和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 ，n 蝴：助剂= 5 ：1 、p a c ：n 蝴= 5 ：l 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 2 0 】等也对p a c 和p j 气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n 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 【2 1 】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【2 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 - 蝴组合投加法，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 7 第1 章文献综述 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。 1 2 2污泥减量化技术 所谓污泥减量技术，是指在保证污水处理效果的前提下，采用适当的措施使 处理相同量的污水所产生的污泥量降低的各种技术【2 3 刀，2 5 筇2 7 】。 各种污泥减量技术效果比较见表1 1 【2 8 2 9 3 ”1 ，3 2 ，3 3 1 。 表1 一l 各种污泥减量技术减量效果的比较 1 曲1 lc 锄p 撕s 蚰o f t h ed e c r e m e n te 髓c t so f v a r i o 啦s l u d g e 同眦t i o nt e c h l o 科 污泥产率系数减量效果 分类方法优点缺点 ( g v s s 儋b o d )( ) 传统 活性污泥法 o 6 一o 8 方法 生物膜法 0 4 52 5 解偶联剂的环 解偶联剂0 1 4 5 旬2 2 81 3 2 ( t c p )只需建立投加装置 境安全性问题 只需在回流部分增 微生物 o s a0 1 3 旬2 95 0 一8 0 加厌氧段 生长 进水浓度要求 解偶联 高s 棚l ( o 0 2 65 不需要外加能量和 太高，一般污水 其他物质 达不到 o 3 5 ( 2 3 ) 需要大量的能 提高温度不形成其他污染 o o l ( 4 7 ) 量 0 3 发生器投资 臭氧氧化 4 0 l 污泥可完全减量 较大 0 1 m o l l 4 i 蜥 相对臭氧更便宜 三氯甲烷等副 n a o h + 1 7 5 产物产生 溶胞技 高温好氧消 0 0 孓田1 35 2 化( 6 0 ) 没有副产物，直接能量需要较大， 术 中温好氧消 简单效果不如臭氧 化( 2 0 ) 5 0 污泥减量的同时可 投加酶 5 0 酶的成本昂贵 降解难降解有机物 原生动物 1 2 4 3 利用微 后生动物 0 1 5 不必投入额外能微型动物的数 型动物 原生动物+ 后生动物 6 0 一8 0量，运行成本较低，量和种类控制 捕食 没有副产物较难 蚯蚓生物滤 池 9 5 l 根据生物处理工艺中微生物代谢特性，剩余污泥的产量与微生物利用有机物 合成自身的作用、内源呼吸作用以及微型动物对细菌捕食作用有关1 3 4 3 5 3 6 ，3 7 3 射。 前一部分使剩余污泥的量增加，后两部分使剩余污泥的量减少。为此减少剩余污 8 硕士学位论文 泥的产量可通过降低细菌的净合成量、增加生物体的自身氧化速率、增强微型动 物对细菌的捕食等途径来实现。 1 2 3污泥资源化技术 为避免污泥的不当处理给生态环境和社会环境的危害，国内外科研人员做了 大量污泥资源化技术的研究，努力将污泥变废为宝，增加污泥的利用价值。 利用粉煤灰陶粒生产工艺处理剩余污泥的技术【3 9 1 。污泥用于烧结粉煤灰陶 粒，污泥的消纳量巨大。根据试验结果，每生产l m 3 陶粒，可处理含水8 0 的 污泥o 2 4 t ( 折成干污泥o 0 4 8 t ) ，同时还可处理粉煤灰0 7 2 t 。研究结果认为，生 产污泥粉煤灰陶粒不仅可以大量“干净”地处理污泥和粉煤灰，同时污泥用于生产 陶粒，使高温处理后有产品取代无产品的纯消耗，大大降低处理费用，而生产的 陶粒又是一种优良的建材产品。 利用污泥制活性炭的技术。余兰兰【加】等以城市污水厂剩余污泥为原料，采 用不同方法制备烟气脱硫吸附剂，讨论s 0 2 - 0 2 - n 2 及s 0 2 - 0 2 h 2 0 。| ) 4 也体系各因 素对脱硫效率的影响，并研究建立了固定床吸附模型。夏畅斌1 4 1 】等在静态条件 下，进行了以城市污泥改性物( m s ) 作吸附剂净化c r ( ) 废水的试验。 在最佳条件下吸附率可达9 5 以上。 将脱水生污泥与粉煤灰、稻草按质量比例4 ：1 2 ：l 混合堆制污泥堆肥【4 2 】，总 养分含量高于农家肥中的鸡粪。污泥堆肥与化肥结合使用能缩短草坪草出苗和成 坪时间，显著提高建植初期草坪草的生物量。以城市污水处理厂堆肥污泥【4 ”， 可以显著提高土壤中氮、磷及有机质的含量。污泥施用量只要控制在1 0 以内， 污泥中重金属不会对土壤环境产生不良的影响。 污泥低温制油技术m l ：在3 0 0 5 0 0 、常压( 或高压) 和缺氧条件下，借助 污泥中所含的硅酸铝和重金属( 尤其是铜) 的催化作用将污泥中的脂类和蛋白质 转变成碳氢化合物，最终产物为油、碳、非冷凝气体和反应水。英、美、日等国 家主要研究的是热化学液化法，即在3 0 0 、1 0 m p a 左右的条件下对脱水污泥进 行热化学液化，使污泥反应成油状物。德国和加拿大以热分解油化法为主，即把 干燥的污泥在无氧条件下加热到3 0 0 5 0 0 ，使之干馏气化，再将气体冷却转换 成油状物。炼油污泥在温度大于2 0 0 时开始热分解1 4 5 1 ，温度增大，产油率增加， 在3 0 0 下，污泥固体浓度8 0 时，产油率达5 4 6 。 9 第1 章文献综述 污泥制氢技术【蜘；污泥制氢有三种方法：污泥生物化学制氢、污泥高温气 化制氢【4 7 】和污泥超临界水气化制氢。污泥生物化学制氢是利用微生物在常温常 压下进行酶催化反应可制得氢气的原理进行的。根据微生物生长所需能源来源， 污泥生物制氢有三种方法：光合生物产氢：发酵细菌产氢；光合生物与发酵细菌 的混合培养产氢。 污泥超临界水气化制氢是在水的温度和压力均高于其临界温度( 3 7 4 3 ) 和临界压力( 2 2 0 5 m p a ) 时，以超临界水作为反应介质与溶解于其中的有机物 发生强烈的化学反应。超临界水能与空气、氧气和有机物以任意比例混溶形成均 一相，即气液相界面消失，也就消除了相间传质阻力，反应速度不再受氧的传 质控制，因此加快了反应速度而缩短了反应时间。 蚯蚓肥料技术：波兰的一些工厂利用蚯蚓处理污泥，得到一种无气味、 类似腐殖质的、含有高营养价值的产品。研究表明，蚯蚓能破坏污泥的含脂块状 结构，生成一种适于作植物生长培养的蚯蚓肥料。在波兰b r c 孺s k 0 的一个工厂 里，用蚯蚓有效的处理废水筛余物。该厂培养了2 0 0 m ? 的蚯蚓，从1 8 0 m 2 的废水 筛余物中生产了8 0 m 3 的蚯蚓肥料。 1 2 4污泥无害化技术 欧共体【4 恻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、石灰稳定、脱水等。美国e p a 【5 1 埔0 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 l 5 2 l 等对日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 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i ”】。 l o 硕士学位论文 1 3 超声波强化剩余污泥脱水与厌氧消化技术 1 3 1超声波改善污泥脱水性能 n ，x 等以及g a l e g o j u 磊i i 眩，j a 【m 5 5 】等研究表明：低频超声能够产生较， 高的剪切应力，打碎污泥菌丝，消除污泥膨胀。去除污泥的结合水，从而促进污 泥脱水；处理后污泥团块的沉降性能有所提高【5 引。 研究表明，超声波通过迅速改变污泥结构，使得污泥脱水率大大提高，污泥 量大幅度减少【州。菌胶团具有良好的保水性，内部包含水约占总水量的2 5 ，使 得城市污泥难以脱水，若能破坏菌胶团结构，这部分水就会被释放。 0 1 1 o 2 2 w m i ，的超声波处理可以破坏菌胶团强度结构，使菌胶团内部包含水排 出，同时保持较大的污泥颗粒( 5 0 ，污泥沉降性有所提高。高强度、长时间 的超声波预处理会完全破坏菌胶团结构，使得污泥尺寸过小，沉降性很差。 0 4 4 w ，m i ，超声波处理2 0 i i l i i l 可以将污泥平均粒径从9 9 哪降低到约3 岬l 【5 叼，这已经 是核心颗粒的尺寸，水中架桥离子如钙、镁等离子的浓度急剧增加【蜘。小颗粒具 有巨大的表面积，能吸附大量自由水，从而降低了污泥的脱水性，甚至比未经超 声波处理的原污泥更难脱水。 高强度和短时间的组合可能提供最佳脱水效果，在高强度超声波作用下，9 6 s 内污泥平均粒径就可以从1 6 5 岬降低到8 5 岬，既破坏了菌胶团强度结构，又不 降低污泥脱水性侧。 超声波对污泥能够产生一种海绵效应，使水分更易从波面传播产生的通道通 过，从而使污泥颗粒团聚、粒径增大，当其粒径大到一定程度，就会做热运动相 互碰撞、粘结，最终沉淀。超声波对污泥的其他一些作用，如局部发热、界面破 稳、扰动和空化，能够使污泥中的生物细胞破壁，并促进污泥中的固液分离，改 善其脱水性划6 1 敞】。e 贴e m f 瑚m c od es 嬲b i a 【6 3 】等也发现，l o 2 0k h z 大功率的声 处理应用在过滤过程能够提高固液分离效率。 韩萍芳等阳】研究了用超声波处理石化厂剩余活性污泥的情况，发现采用低功 率超声能够改善污泥的膨胀特性、提高污泥沉淀特性和脱水能力，降低剩余污泥 的含水率，达到减量的目的。经超声处理后污泥含水率由9 9 4 降低至8 5 0 左 右。殷绚等1 6 纠研究表明，较小声强( 高压锅热处理( 1 2 0 0 c ，3 0 玎血) 热水热处理( 6 0 0 c ，3 0 m i 妒冷冻处理( 1 0 0 c ，l5 h ) 。q i l l l l u im m g 【8 0 1 等人发现超声 波预处理可增加废活性污泥的溶解性和甲烷产气率。他用密封的钢制容器 ( 1 0 0 m l ) 作为反应器，用2 0 0 w 、9 l 【h z 超声波分别对污泥处理1 0 4 0 m i i l ，结果 1 3 第1 章文献综述 发现，超声波预处理3 0 m i i l 后再恒温( 3 6 士l ) 进行厌氧消化，甲烷气体总产量增 加了“。 t i o n y e c h e 等【8 1 】认为超声空化泡破灭瞬间释放的冲击波形成微射流致使污 泥细胞瓦解。污泥细胞瓦解后一些轻组分有机物便进入污泥中的水相，将他们直 接暴露在后续的厌氧消化中。他们用2 0 0 w 、2 0 妊【z 超声波对污泥处理l 晰o m i n ， 考查污泥厌氧消化过程中产气情况。实验发现超声波瓦解污泥可以提高污泥消化 产气量，减少污泥总量。超声波处理浓缩后的污泥，产气效果更明显，但是需要 输入的能量远大于以气体形式产生的能量。 a n n ig 哟n r o o s 掣8 2 】考查了在有氧化剂和无氧化剂的条件下，超声波技术是 否可以提高污泥中可溶性c o d 和增加消化过程中甲烷产量。实验发现超声预处 理过的污泥与未经超声处理的污泥相比，在间歇消化实验中很明显地提高了可溶 性c o d ，产生更多的甲烷气体。超声波功率( 能量) 、污泥含固量、污泥温度和超 声波处理时间是影响污泥分解的主要因素，而氧化剂的加入没有什么实际作用。 c b o u 鲥e r 等【8 3 】研究了超声场对活性污泥的改变，以及对厌氧消化的作用效 果。探测了污泥中可溶性c o d 、污泥固含量和挥发组分、氮组分以及生物产气 量随比能量( “堍干污泥) 输入的变化规律。超声将污泥絮体打开，释放出有 机化合物，c o d 降解率提高；超声虽然不具备蒸发和矿化功能，但却可使有机 组分和矿物质增溶，使有机组分在液相中的含量增加。 y m g c l l i l lc l l i u 等i 科】研究了碱与超声波结合预处理促进污泥的厌氧消化，污 泥经过碱溶液处理后，再用超声波进行处理，污泥中可溶性c o d 由3 6 上升到 了8 9 ，总的化学需氧量( t c o d ) 和可溶性有机氮由3 4 上升到了4 2 ，污泥的 t v 岍o d 比率处理前不足1 0 ，碱处理后增加到了3 0 ，紧接着超声处理后 提高到了6 6 。 c h u l 朽1 等超声波对污泥产生作用，存在一个i i 益界声能，这个临界声能大约是 0 3 3 w 肺l ，超声处理6 0 i i l i n ( 2 5 0 r n l 的污泥放在5 0 0 n 1 l 的容器中) ，并且观察到 了超声处理污泥过程中温度上升的现象。声波振动和温度升高都有利于污泥的分 解。他们认为大功率超声虽然可以破坏污泥结构、从污泥微粒中释放出大量的有 机质，但若应用于大规模工业却需要消耗非常大的能量，因此提出采用弱声能超 声进行处理。弱声能超声虽然不能够直接把大量有机质释放出来，但是却能够使 有机质更容易被水解。用相临界声能三分之一的能量( 0 3 w 佃l 超声污泥处理 1 4 硕士学位论文 2 0 m i l l ) 预处理污泥，后续厌氧，甲烷总产量增加了1 0 0 以上。 o s c h l 妇等i l 认为可以通过改善污泥絮体固液界面和气体与营养物质 在液相中的传质速度来改进污泥发酵，并且低声能超声可以提高微生物活性。他 们采用2 个5 l 的反应器和频率为2 5 k h z 、声能密度为o 3 w m i 的超声波对污泥 进行作用，发现超声波连续作用对提高生物活性没有明显的作用，然而交替作用 效果却很显著。之后，o s c m l i f e r 等【明将前期的实验成果在容积为2 0 0 l 的生物 反应器进行中试试验，实验发现能够显著提高生物活性的声能范围非常狭窄。声 能太低会使降解率降低，声能太高会使生物活性急剧降低，合适的声能范围对于 不同的生物反应器需要认真研究。在该生物反应器下采用2 5 l ( h z 、1 5 w 几的声 能作用，生物最大降解率提高了l o o 。 除此以外，国外还有一些相关的专利技术，比如，m a m lh u l l t 锄a k i 【8 8 】等的 专利s 5 ，8 2 7 ，4 3 2 ) 介绍了污泥的脱水方法。污泥先经过电离子化或超声波处理， 然后加入絮凝剂调理污泥，再通过机械的方法除去水分。f r e i 等【的】的专利 s 5 ，8 9 5 ，5 7 7 ) 介绍了一种超声波连续处理水厂剩余污泥的设备和方法。经细菌分 解后的剩余污泥被送入超声处理罐，处理的结果是细胞破壁，污泥脱水能力提高， 最终污泥量减少。采用连续化处理，反应器内超声波频率为2 呲5 l 【h z ，声强处 于5 0 肛1 5 0 0 w m 2 之间，污泥的停留时间是“n l i n 。n l n 啪n i 等i 】的专利 s 4 ，9 5 4 ，2 4 6 ) 介绍了一种超声生物反应器，可以促进降解，产生大量的气体，气 体主要成分是甲烷和二氧化碳。反应温度在2 0 肛l 0 0 0 下之间，超声波频率在 2 啦5 5 k h z 的范围。 国内也有一些关于超声波分解污泥方面的研究报道。殷绚阁等的研究表明， 小声强( 6 0 0 w m 2