（环境工程专业论文）由水绵制备生物絮凝剂及其在污泥脱水过程中的应用研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在工业废水和生活污水的处理过程中，会产生大量的污泥。二沉池污泥含水 量可达9 9 ，而且脱水性能很差，一般需投加絮凝剂然后再进行机械脱水。目前 污水处理厂处理污泥多采用聚丙烯酸胺( p a m ) ，聚合氯化铝( p a c ) 等人工合 成的絮凝剂。但这些絮凝剂有毒性、难降解，对环境和人体都会造成危害。相比 之下，生物絮凝剂则具有无毒无害，易降解，不会对环境造成污染的优点。 本文研究了水绵制备生物絮凝剂的方法，并将其应用于污泥脱水的絮凝过 程。研究的主要意义有： ( 1 ) 水绵通过厌氧发酵制备的生物絮凝剂无毒无害，不会对环境造成污染。 ( 2 ) 水绵繁殖生长非常快，经常造成水体污染，即使捞出也无用处，仍有 处置问题，用作制备生物絮凝剂，可实现废物的资源化。 ( 3 ) 水绵即使用人工繁殖，也并不困难，用其制备生物絮凝剂成本将低于 常见的微生物培养制备生物絮凝剂的方法。 本文中污泥脱水性能主要从沉降、过滤、干燥和c s t 模型来进行衡量。试验 中将生物絮凝剂与聚丙烯酰胺调理后的污泥脱水做比较，并考虑投加舢c 1 3 与生 物絮凝剂一起应用于污泥调理，研究其脱水性能。得到的主要结论如下： ( 1 ) 水绵在厌氧发酵的过程中胞内、外多糖类物质( 用作絮凝剂) 均被释 放，其含量与发酵过程有密切的关系。 ( 2 ) 与聚丙烯酰胺( p 州) 絮凝剂相比，用水绵制备的生物絮凝剂絮凝性 能稍差，但当加入灿c 1 3 与生物絮凝剂一起使用时，絮凝性能已非常接近聚丙烯 酰胺。 ( 3 ) 污泥脱水过程中受到絮凝剂的种类和投加量、温度、p h 值、搅拌强度、 添加金属离子的种类和投加量等的影响。试验表明，常温或略高于常温均可获得 较好的絮凝效果。在p h 值6 8 时，污泥脱水性能好。搅拌过程对污泥脱水的影响 也很大，与现有工艺类似。 ( 4 ) 投加砧c 1 3 能极大的促进生物絮凝剂絮凝对污泥的絮凝，其机理可能是 砧3 + 能够中和污泥表面的负电荷，减小颗粒间的相互斥力，使得生物絮凝剂能更 为有效的调理污泥。 i 摘要 ( 5 ) 建立一种简便的c s t 检测方法，虽然精确度不是很高，但在生产中有 一定的参考价值。 关键词： 水绵生物絮凝剂污泥脱水复合絮凝剂c s t 硕士学位论文 a b s t r a c t i i ln l ep r o c e s so f 啾咖骶a 戗n e m ，m 砌c i p a la 1 1 di n d u s t r i a jw 乏随e 俄e r 廿e 锄e mp l 锄t sp r o d u c el a 玛e 锄。吼to fr e s i m l a ls l u 趣ew h j c hc o m 面n sw 砒e ra b o u t u pt 09 9 d e w a t e m go ft h es l u d g ei sv e r ) rd i 伍c u l t ，s ot h ep r o c e s so fs l u d g e 出潮，a t e 血gi st op m 让l en o c c l l l a mm o 也es l u d g ef i r s t ，觚d 也e nu s et i l em e c h a l l i c a l d e w a t e r i n g a tp 鹏s e n t ，m a n ys e w a g ep l a n t st a k ep a m 、p a c ，e t ct 0c o n d i t i o nt h e s l u d g e 1 1 1 e s e 硎f i c i a lc o a g u l a m sh a v et l l et o x i na n da r ed i 伍c u ht od c c o m p o s i n g ， h a 衄t oe n v 讪加m e n t 趾dh l m l a nh e a l t h 0 d m p a r e dw i 也m 锄，b i o n o c 叫觚ti s n o m o x i c ，a n d e s st 0h u m a nh c a l t ke 嬲yt 0d e c o r n p o s e ，弛d 埘l ln o tc a u s e c o n i 妇巧p o l l u t i o n m s 删y f o c u s0 nm ee 脏c to f b i o n o c 叫眦，w 1 1 i c hm a d e 舶ms p i r o g y r at 0 恤 s l u d g ed e w 址e r a b i l 时t h ev a j u e so f 仳sp a p e ra 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笛c o n d i t i o n e d 、) l ，i mp a m 觚d b i o n o c c u l 觚t b i o f l o c c u l 删c o m p o s i t e dw i 也触c l3w 勰a l s oi i l v e s t i g a t e dt 0b eu s e d t os l u 他ec o n d i t i o 血g i km 如c o n c i o 芏1 so ft h i ss n l d ya r e 觞f o l l o w s ： ( 1 ) i n t 1 1 e p r o c e s s o f 髓a e r o b i c f 醯e m a t i o n ，s p 砷g y r ac 觚r e l e 雒e i n 仃a e 矧勰一c e l l u l a rp o l y s a c c h a r i d 【e 吼l b s t a i l c e sw k c hc a nb eu s e da sb i o n o c c 试锄t a n d 也ep r o d u c t i o no f 廿1 eb i o n o c c u l 锄tb 嬲e do nt h eh l t e r v a l l so f 也ep r o c e s so f a n a e r o b i cf e i t n e n t a t i o n a b s t r a c t 一一一 ( 2 ) t h en o c 砌a t 吨a b i l 畸o fb i o n o c c u l 跹t i sl e s s 虹mp a m s b u tw h e n b i o n o c c u l a n tc o 唧o s i t e 诵m 砧c 13t oc o n d i t i o n 也es l u 电e ，让l en o c 砌a t i n ga b i l 毋o f c o m p o s i t e f l o c c u l a mi s 印p r o x i m a t e l ye q u i v a l e n tt 0 也ep a ：m ( 3 ) 1 ke 仃e c to f 觚o r s ，日1 ek i r l d s d o s a g e s o fn o c c u l 跚t s ，t e m p e 例眦e ，p h ， 吣d n g ，也e 妇d s d o s a g e so fm 砌i o n s ，0 n 也es l u d g ed e w a t e l 洫g 嘲m e s t i g a t e d 1 1 1 ee x p e 血n e n t ss h o 、v n 她n e a r 也er o o mt e n 巾咖m e e 鼠c t so fd e w a t 耐n gw e r e s u i 讪l e 1 1 1 eo p t j m 啪p hi l l 龇s l u d g ed e w a t e r i n gw a s6 - 8 t h ei i l i x 堍p r o c e s si s a l s o 却删t 0 恤s l u d g ed e w a t e m g n i ss 砌l a r 、触龇p r e s e n tt e c ：1 1 n 0 1 0 9 ) r ( 4 ) 砧c l3c a ne m m c em ef l o c c u l 缸l go f b i o n o c c l l l 觚t 趾3 + c a nn e u 廿a l i s e 也e n e g a t i v ec h a r g ew m c ht a l b yc o l l o i dp a n i c l e si ns l u d g e a n dr e d u c e 也er e p u l s i o n f o r c eb e 帆e nc o l l o i dp 枷c l e s s oi ti i l i 出b et l l e r c 弱o no f 恤b i o n o c c u l 雒tm o r e e f f - e c t i v et oc o n d i t i o nt b es l u d g e ( 5 ) as 呻l ec s tm o d e l 砸gw 邪e s t a l b l i s h e d 刽t h o u 曲i ti sn o tv e 巧a c c u r a t e ，i t h a sar e f e r e n c ev a l u ei i lm ei l l d u 蛐呵 k q 刑o r d ss p i r o g y r a ； b i o n o c 砌枷； s 1 u d g ed e w a t e 血1 9 -c o m p o s i t ef l o c c u l 趾t ； c a p m a r ys u c t i o nt 砥 硕士学位论文 1 1 选题的意义 第一章绪论 当今社会人民的生活水平发展越来越快，公众对环境质量的要求也日益提 高。伴随着我国城市经济的发展和人口的增加，水污染也日益严重，建设城市污 水处理厂已成为治理水污染不可或缺的举措【l 硼。城市污水处理厂的负荷迅速加 大，而污水处理产生的大量固体废弃物污泥其处置成为了一大难题。 城市污水污泥是指城市污水厂处理废水所产生的固态废弃物。污水厂在净化 污水的同时，产生的污泥量约占污水总处理量的o 5 1 【4 5 】，但处理费用约占 污水厂总费用的5 0 。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，在污水处理过程产生的污泥量也将大大增加。目前，我国正在运转 的城市污水处理厂约有4 0 0 多座，据预测，2 0 l o 年污水排放量将达4 4 0 1 0 1 0t a ， 而2 0 2 0 年约为5 3 6 1 0 1 0 t a ，其污水处理过程中所产生的污泥量将是十分庞大的 【6 】。这么庞大的污泥产量，只有及时得到妥善的处理和处置，才能减少对环境的 破坏。据统计【2 1 ，1 9 9 1 1 9 9 2 欧盟污泥产量为6 5 0 万吨干重，1 9 9 2 年日本污泥产 量达到了2 8 2 万吨干重。2 0 0 0 年欧盟污泥产量从1 9 9 2 年的6 5 0 万吨干重增加到 8 9 0 万吨干重，2 0 0 5 年将突破1 0 0 0 万吨于重以上。根据资料统计【刀，英、美两 国在过去的五年中，污泥每年的增长率为5 1 0 ，分别达到1 7 0 万吨干污泥 年和9 0 0 万吨干污泥年。 含水率高是污泥的一个显著特征。城市污水厂产生的污泥含水率一般大致为 9 7 9 9 【8 】。污泥高含水率的特性，不仅会造成因其体积、质量大，造成后续输 送困难、处理设备容量大、经济性差的问题，而且绝大部分污泥的最终处理和处 置过程也会因为过高的含水率而面临困难。因此，污泥的预处理技术中脱除污泥 水分( 脱水) 的方法占有重要的地位。 一般含水率为9 7 9 9 的污泥，在经过浓缩后，含水率可以降低到大约9 5 ， 而污泥体积则可以缩小到原来的1 4 左右。但这样的污泥仍呈流动状态，易腐败 发臭，不利于运输和处置，所以常常需要进一步的脱水。脱水后的污泥容积大大 降低，减少了外运的费用和填埋场的渗滤液量，且利于后续的处理和处置【4 ，9 】。 第一章绪论 在污泥的脱水过程中，污泥调理是关键的一个环节。由于活性污泥颗粒的特 殊絮体结构及高度亲水性，使其包含的水分很难被脱除，而且有时污泥不进行调 理，就根本无法机械脱水。所以在活性污泥中加入絮凝剂进行调理后，能使污泥 的脱水性能得到大大改善，从而在后续的机械脱水中变的容易，便于污泥处理和 处置。但由于现在使用的无机絮凝剂存在很多弊端且高分子絮凝剂多是人工合 成，具有毒性，不易分解，对环境有污染。所以寻找高效、无毒、对环境无害的 絮凝剂成了环境工作者极为关注的问题【l o | 。 1 2 研究进展概述 1 2 1 絮凝剂的研究发展进程 絮凝剂工业应用已经有近百年的历史。在污水和污泥处理中使用的药剂有几 十种，获专利的未被推广的有几百种【1 1 】。 无机低分子絮凝剂由于应用中存在许多问题，已逐渐被无机高分子絮凝剂所 取代，无机高分子絮凝剂已成为主流的絮凝药剂。目前，日本、德国、俄罗斯及 西欧等国生产无机高分子絮凝剂已达到工业化和规模化，流程控制自动化，产品 质量稳定。聚合类絮凝剂生产己经占絮凝剂总产量的3 0 6 0 ，我国生产聚合铝 与聚合铁也有了相当的发展，并开发了各种原料和工艺的制造方法。目前，我国 生产无机高分子絮凝剂的工厂有数百家，但多数厂家规模小、工业化程度低、产 品质量不够稳定，进入国际市场的产品不多。 有机高分子絮凝剂主要有合成和改性两种。7 0 年代以来，美、英、法、日和 印度等国家结合本国天然高分子物质资源，重视对有机高分子絮凝剂的开发研 制。有机合成的高分子絮凝剂因其良好的絮凝效果和低廉的价格而被广泛的研 究。但是人工合成的絮凝剂如聚丙烯酰胺的单体有神经毒性和三致效应：致畸、 致癌、致突变，因此其使用也受到了一定的限制。 天然高分子絮凝剂生物絮凝剂是一类由微生物体产生并分泌到细胞外具有 絮凝活性的代谢产物，一般由多糖、蛋白质、纤维素、糖蛋白和聚氨基酸等高分 子物质构成，分子中含有多种官能团，和能使水中胶体悬浮物相互凝聚沉淀作 用的物质。生物絮凝剂以其来源广、种类多、絮凝性能好、培养条件粗放、没有 环境毒性、处理效果好、使用范围广和使用受限制较少等优点而引起广大环境工 2 硕士学位论文 作者极大兴趣。目前，仅国内就研制了几百种生物絮凝剂，国外对生物絮凝剂的 研究更是方兴未艾。 我国对于微生物絮凝剂的研究起步较晚。国内较早开展微生物絮凝剂研究的 单位有中国科学院成都生物研究所、大连理工大学、南开大学和江苏微生物研究 所等，他们是在1 9 9 3 年才开始这方面的研究。目前，微生物絮凝剂的研究主要停 留在实验室研究阶段，还未见大规模的工业应用。但随着研究的深入，生物絮凝 剂的应用必将在我国取得巨大的成功。 1 2 2 絮凝剂对污泥脱水性能影响的研究 一般而言，对于污泥来说，有机絮凝剂能极大地提高过滤速度，但不能降低 污泥的可压缩性；无机絮凝剂对过滤速度的提高不如有机絮凝剂，但可作为骨架， 使污泥絮体形成持久坚固的结构，在脱水时保持多孔性，阻止絮体崩溃，降低泥 饼的可压缩性。有研究显示【1 2 】：对于污泥挤压，无机调理优于有机调理，尤其当 泥饼越厚、压力越高时，优势越明显。t e m ( 透射电镜) 照片也证明【1 3 】：污泥 中加入氯化铁和石灰后，在絮体外表面形成晶体壳，e i 脚( e n e r g ) rd i s p e r s i v e x r a yf l u o r e s c e n c e ) 分析发现，f e 、p 、c a 是其主要组成元素。无机药剂与有机 药剂相比的另一优势为：可以把溶解性磷酸盐固定在污泥颗粒上，降低上清液含 磷量。 对于每一种污泥，不同的机械脱水方式都存在一个能够去除水量的极限( 最 大脱水程度) ，阳离子高分子药剂或f e 3 + 均不能改变这个极限【1 4 】，但对不能达到 最大脱水程度的脱水过程来说，投加絮凝剂能增加脱水速度，从而提高脱水泥饼 的含固率。陈银广等【1 5 】研究结果显示，酸和表面活性剂通过改变污泥絮体的表面 性质，降低了e c p ( 胞外多聚物) 含量，释放出间隙水，从而提高了污泥的脱水 性和沉降性。 此外，还有很多学者研究了两种药剂联用( 如阳离子型表面活性剂和阳离子型 聚合物联用、阳离子型聚合物和非离子型聚合物联用、无机金属絮凝剂和有机两 性聚合物联用等) 对污泥脱水性能的影响，也都取得了一定的成果【1 每1 8 1 。 1 2 3污泥脱水性能改善的发展趋势 污泥脱水是污泥处理中费用较高、机理较不清楚的过程之一，而污泥脱水性 3 第一章绪论 能的好坏又直接关系到整个污泥处理系统的优劣。从目前的发展趋势来看，今后 对于污泥脱水性能的改善的研究将主要集中在以下几个方面【1 9 洲。 ( 1 ) 不断加强污泥脱水性能及影响因素方面的研究，从而为污泥脱水提供 强大的理论支持； ( 2 ) 致力于探索新的高效污泥脱水设备，研究重点应该是连续操作自动化 程度高、费用低、占地少、脱水效果好的设备； ( 3 ) 研究开发高效、价格低廉的絮凝剂用于污泥的调理，改善污泥的结构， 以利于进行脱水操作。 1 3 研究目的及内容 污泥的脱水减容是非常值得研究的课题，本论文研究的是以藻类植物水绵制 备生物絮凝剂，及其对污泥脱水性能的影响。研究内容主要如下： ( 1 ) 对水绵进行厌氧避光发酵，观察发酵过程中水绵结构形态的变化及其 发酵液对污泥颗粒的絮凝作用。从水绵发酵液中制备生物絮凝剂，并分析生物絮 凝剂絮凝性能与发酵天数的关系。 ( 2 ) 以南京金陵啤酒厂浓缩池的污泥为主要研究对象，从污泥的沉降、过 滤、干燥及c s t 等指标来评价污泥的脱水性能。比较生物絮凝剂与传统高分子 絮凝剂p a m 的絮凝性能优劣，并考察投加舢c 1 3 对提高生物絮凝剂絮凝性能的 影响。 ( 3 ) 分析了絮凝剂投加量、温度、p h 值、搅拌强度、金属离子的投加等对 污泥脱水性能的影响。 ( 4 ) 分析生物絮凝剂的絮凝机理，及提高其絮凝性能的方法。 本论文的研究价值有三： 一，水绵制备的生物絮凝剂相比传统絮凝剂，有易于降解，无毒无害，不会 对环境造成污染的优点； 二，水绵繁殖生长非常快，会造成水体污染，影响环境，若将其用于制备生 物絮凝剂则能变废为宝； 三，水绵在水体数量庞大且随处可见，即使人工培养也不困难，用其制备生 物絮凝剂成本将低于常见的微生物培养制备生物絮凝剂的方法。 4 硕士学住论文 2 1 污泥的基本情况 2 1 1 污泥的分类 第二章文献综述 ( 1 ) 根据污泥的来源，可以划分为四类： 市政污泥( c i v i ls l u d g e ，也叫排水水泥s e w a g es l u d g e ) ，主要指来自污水厂的 污泥，这是数量最大的一类污泥。此外，自来水厂的污泥也来自市政设施，可以 归入这一类； 管网污泥，来自排水收集系统的污泥； 河湖淤泥，来自江河、湖泊的淤泥； 工业污泥，来自各种工业生产所产生的固体与水、油、化学污染、有机质的 混合物。 ( 2 ) 按污水处理的方法或污泥从污水中分离的过程可分为四类： 初沉污泥：只经过物理。化学处理，靠比重差别从污水中分离出来的污染物， 无机物含量稍高，一般在5 0 7 5 ； 剩余活性污泥：活性污泥法产生的剩余污泥； 腐殖污泥：生物膜法二沉池产生的沉淀污泥： 化学污泥：化学法强化一级处理或三级处理产生的污泥。 ( 3 ) 按污泥的不同产生阶段，可以将污泥分为五类： 生污泥：从初沉池和二沉池排出的沉淀物和悬浮物的总称； 浓缩污泥：生污泥浓缩处理后得到的污泥： 消化污泥：生污泥厌氧分解后得到的污泥； 脱水污泥：经过脱水处理后得到的污泥； 干燥污泥：经过干燥处理后得到的污泥。 2 1 2 污泥的性质指标 ( 1 ) 含水率与含固率 5 第二章文献综述 含水率是污泥中水含量的百分数，含固率则是污泥中固体或干泥含量的百分 数。湿泥量与含固率的乘积就是干污泥量。含水率降低( 即含固量的提高) 将大大 地降低湿泥量。在含水率高、污泥呈流态，6 5 8 5 时呈塑态；低于6 0 时，则 呈固态。 污泥的体积v 、质量w 、含水率p 和固体浓度c 之间存在如下数量关系： v l v 2 = w l 厂w 2 = ( 1o o p 2 ) ( 10 0 p 1 ) = c 2 c l 【2 1 】 式中，各项参数指污泥脱水前后的污泥体积( l 或m 3 ) 、质量( 埏或t ) 、含水率 ( ) 、固体浓度( m g l 或g l ) 。 ( 2 ) 挥发性固体 挥发性固体( 用v s s 表示) ，是指污泥中在6 0 0 的燃烧炉中能被燃烧，并以气 体逸出的那部分固体。它通常用于表示污泥中的有机物的含量，常用m g l 表示， 有时也用重量百分数表示。 v s s 也表示污泥的稳定化程度嘲。 ( 3 ) 污泥的安全性 城市污水处理厂的污泥中含有相当数量的氮( 约含污泥干重的4 ) ，磷( 约 含2 5 ) 和钾( 约含0 5 ) ，有一定肥效，可用于改善土壤。但其中也含有病 菌、病毒、寄生虫卵等，在施用之前应采取必要的处理措施( 如污泥消化) 。污 泥中的重金属是主要的有害物质，重金属含量超过规定的污泥不能用作农肥】。 2 1 3 污泥中所含水分的形式 污泥中水分的存在形式说法有很多种，一般比较普遍的分法是将其分成四种 形态：即表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水。毛细结合水又可分间 隙水、裂隙水和楔形水附5 1 ，如图2 1 所示。 6 硕士学位论文 图2 1 水分在污泥中存在的形式 f 蟾2 - 1t i l ef o m so f w a t e r i nm es l u d g e ( 1 ) 表面吸附水 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，与其体 积相比表面积很大，由于表面张力的作用吸附的水分也就很多。胶体颗粒全部带 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去除比较困难。只有加入能起絮凝作用的电解 质，使胶体颗粒的电荷得到中和后，颗粒呈不稳定状态，粘附在一起，才能最后 沉降下来。颗粒增大后其比表面积减小，表面张力随之降低，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包围着的游离水分，它并不与固体直接结合，因而 很容易分离，只需在浓缩池中控制适当的停留时间，利用重力作用，就能将其分 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 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，由于毛细力 的作用，形成毛细结合水，这种结合水称为楔形毛细结合水；固体颗粒自身裂隙 中的毛细水，称为裂隙毛细结合水；固体颗粒和颗粒之间空隙中的毛细水，称为 间隙毛细结合水。各类毛细结合水约占污泥中含水量的1 5 2 5 ，浓缩作用不能 将毛细结合水分离，如果将固体颗粒间充满水分的污泥柱浸入水中，间隙水由于 重力作用从上部开始流出。但到达一定高度后，由于毛细力的作用，水不能流出， 7 第二章文献综述 一直保持不变。因此，要分离毛细结合水，需要有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。它的含量多少与污泥 中微生物细胞体所占比例有关。要去除这部分水分，使用机械方法去除是行不通 的，必须破坏细胞膜，使细胞液渗出，由内部结合水变为外部液体。内部结合水 的量不多，内部结合水和表面吸附水一起只占污泥中总含水量的l o 左右。 对于不同的脱水方法，其脱去污泥中水的类型也有不同，如表2 1 【2 q 。 表2 1 污泥的不同脱水方法 t a b 2 - 11 l 碡d i 缅玳呲m e t l l o d so fs l u d g ed e w a t e r i n g 脱水方法裁出污据中的束的类型 脱水污滟敞态 憨辣水。毛蛔蛄合水，表 浓缩法 糍状 面枯澍水和内部水 翼空遘滤法 机攘 阊歇压滤洼恳辣水，毛细结台求和部 键饼状 脱水连续压滤法 分襄面粘附水 离心法 问秣水、毛细结台水，丧 熟撇 橙状，糙状 面轱掰水和内部水 碡辣水、毛纲结合水表 燕烧法 灰捩 面粘附水和内部水 2 2 污泥的浓缩 浓缩可以达到污泥的减量化，污泥浓缩后含水率可降为9 5 左右，近似糊状。 污泥浓缩的方法主要分重力浓缩法、机械浓缩法、气浮浓缩法三大类，其他还有 还有微孔浓缩法、隔膜浓缩法和生物浮选浓缩法等。 重力浓缩是利用重力作用的自然沉降分离的方式，不需要外加能量，是一种 8 硕士学位论文 最节能的污泥浓缩方法。重力浓缩只是一种沉降分离工艺，它是通过在沉淀中形 成高浓度污泥层达到浓缩污泥的目的，是目前污泥浓缩方法的主体。 机械浓缩有离心浓缩机浓缩、带式浓缩机浓缩、转鼓浓缩机浓缩等。离心浓 缩法的原理是利用污泥中固、液比重不同而具有的不同的离心力进行浓缩。离心 浓缩法的特点是自成系统，效果好，操作简便；但投资较高，动力费用较高，维 护复杂：适用于大中型污水处理厂的生物和化学污泥。 污泥浓缩过程中，考虑到费用和效率两方面的因素，以气浮法减容最佳口7 】。 气浮可以分为：压力溶气气浮、生物溶气气浮、涡凹气浮、真空气浮、化学气浮、 电解气浮等，应用于污水处理厂中污泥气浮浓缩主要有压力溶气气浮、生物溶气 气浮两种，压力溶气气浮工艺已广泛应用于剩余活性污泥浓缩中f 2 s 】，生物溶气气 浮工艺浓缩活性污泥也有应用，其它几种气浮工艺在污泥浓缩中的应用尚未见报 道。 2 3 污泥的调理 2 3 1 污泥调理的目的 污泥中固体物主要是胶质微粒，其结构复杂，对水有亲和力和过滤比阻大， 所以脱水性能差，这给污泥的脱水造成很大的困难。为了提高污泥脱水效率，需 要采用多种方法，改变污泥的理化性质，通过调整固体粒子群性质及其排列状态， 减小固体颗粒与水的亲和力，使颗粒凝聚力增强，颗粒变大，固液分离更加容易， 这样的预处理操作叫做调理。污泥调理的目的是为了提高污泥浓缩脱水的效率、 经济的进行后续处理而有计划地改善污泥性质的措施，它是污泥脱水过程中不可 缺少的工艺过程。 2 3 2 污泥调理的方法 污泥调理主要有生物调理法、化学调理法和物理调理法三大类。主要方法有 洗涤( 淘洗调理) 、加药( 化学调节) 、热法调理及冷却调理【2 9 州。以往主要采 用洗涤法和以石灰、铁盐、铝盐等无机混凝剂为主要添加剂的加药法。近年来， 高分子混凝剂得到广泛应用，特别是阳离子聚丙烯酞胺的应用对强化污泥的脱水 9 第二章文献综述 性能，起了重要作用。此外，热处理及冷冻熔融法也受到重视。特别在以污泥作 为肥料再利用时，为了不使有效成分分解，采用冷冻熔融是有益的。 选定上述调理工艺时，必须从污泥性状、脱水的工艺、有无废热可利用及与 整个处理、处置系统的关系等方面综合考虑决定。 2 4 污泥脱水 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。人们先后提出了两个指标：比阻值和毛 细吸水时间。 2 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，一般用瘴示( 有时也用r 表示) 。 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 4 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 巧s 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( 叫e ) 于1 9 6 8 年提出。其值等于污泥与滤纸 接触时，在毛细管力作用下，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。很多研究结果表 明，比阻值r 与毛细吸水时间c s t 的对数具有线性关系。 2 4 3 污泥脱水的方法 污泥脱水的方法较多，有压滤、真空过滤及离心等机械脱水法，也有干化床 自然脱水法。其中，机械脱水法是污泥脱水的主要方法。 污泥的自然干化是一种比较古老和简便的污泥脱水方法，污泥在干化床上由 于水分的自然蒸发和渗透逐渐变干，容积减小，流动性逐渐消失，污泥含水率可 降低到6 5 。尽管这种方法需要大量的场地和劳动力，但目前仍有不少中小规模 1 0 硕士学位论文 的污水处理厂采用。 机械脱水的原理是以过滤介质( 多孔性物质) 两面的压力差作为推动力，使 污泥中的水分强制通过过滤介质( 称滤液) ，固体颗粒被截流在介质上( 称滤饼) ， 从而达到脱水的目的。 2 5 污泥的处置 污泥的处理处置的一般原则是：减量化、稳定化和无害化【2 3 捌。 污泥的处理处置装备，发达国家在2 0 世纪6 0 年代就已达到先进的成套化水 平，8 0 年代末又启用湿式氧化技术处置【3 l 】。现在世界各国广泛使用的污泥处理、 处置和综合利用方法除常用焚烧、填埋外，还有排海、土地利用、制造建筑材料 等途径。 污泥焚烧以日本、德国、奥地利等国家为主。焚烧可破坏全部有机质，杀死 一切病原体【3 2 】。但污泥焚烧后的灰份，目前还没有合理的处理方法焚烧过程中产 生的烟气还会造成二次污染。此外，污泥焚烧处理成本昂贵【3 3 】，例如，在日本一 套处理量为5 0m 3 d 左右的焚烧设备，成本高达2 8 亿日元跚。 在大多数国家中，特别是发展中国家土地利用和填埋仍是污泥处置的主要途 径【3 5 1 。这种方法的优点是投资较少、容量大、见效快。但是，这种方法也有一些 缺点，诸如占用土地多，潜在生物能利用率低，渗沥液可能污染地下水源等。此 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。 还有一些国家将污泥进行排海处置，近年来受到强烈反对，主要是因为污染 海洋，危害海洋生态系统，继而引发全球环境问题。欧共体规定污泥投海的最后 期限是1 9 9 8 年，而美国早在1 9 8 8 年就已禁止污泥投海，并于1 9 9 1 年全面施彳亍【3 6 1 。 土地利用是另一个主要的发展方向。由于污泥含有大量有机物和丰富氮磷等 物质，农用具有良好经济效益和社会效益。污泥中若含有较高浓度的金属，则不 能直接利用，防止其通过食物链最终危及人体健康。 近十年来，世界各国污泥处理涌现了许多新技术，例如污泥热化学液化处理 使之转化为燃料油【3 7 】；低温热化学过程将污泥转化为燃料【3 8 】；利用污泥制砖、 制陶瓷等用作建筑材料【3 9 】；日本、新加坡都在研究污泥焚烧后残渣经1 3 0 0 的高 第二章文献综述 温融铸成块石堆砌的处置方法m ，4 1 1 ；美国新泽西州尝试用污泥压制成粒，销售给 农业和化肥工业，我国也做了一定的结团造粒【4 2 1 和利用污泥作复合肥粘结剂研究 【4 3 1 ；还有在脱水污泥中加入引燃剂、催化剂、疏松剂等添加剂制成合成燃料； 新技术中研究最集中的有以下几个方面【4 5 1 。 ( 1 ) 污泥熔化 为了缩小污泥体积和利用其重金属粘结作用，日本曾开展污泥熔化并用剩下 无机物制作玻璃、钢铁等。 ( 2 ) 两相消化 两相厌氧消化工艺，即第一级和第二级中温和高温两相厌氧工艺组合。并得 出如下结论：中温一中温两相消化系统在产气率、有机物去除率、过程稳定性方 面都超过中温单相消化系统。 ( 3 ) 污泥消毒 污泥消毒较常用方法是巴氏消毒法，石灰消毒也常用在污泥处理中。此技术 1 9 9 1 年在欧洲及德国申请专利。国内也进行了一定的研究。英国己研究完成了 在中温厌氧消化前将污泥加热到7 0 ，实行巴式灭菌消毒的技术。 ( 4 ) 污泥制油 污泥制油是把含水率为6 5 的干泥在隔绝空气下，加热升温4 5 0 左右，在 催化剂作用下把污泥中有有机物转化为碳氢化合物，目前加拿大正在进行中试实 验，澳大利亚p e n l l 也正在建造利用热化学方法将污泥制油的工厂f 4 7 】。 ( 5 ) 污泥湿式氧化 美国已有利用地下湿式氧化技术处理污泥【4 阳的例子。湿式空气氧化技术是将 污泥置于密闭反应器中，在高温高压条件下通入空气或氧气作氧化剂、按浸没燃 烧原理使污泥中有机物氧化分解，将有机物转化为无机物过程。以上新工艺大多 数还处于实验阶段，还不能真正达到生产实践。 2 6 生物絮凝剂 微生物絮凝剂( m i c r o b 试f 1 0 c c u l a n t ) ，简称m b f ，是由某些微生物在适宜的 生理条件( 如营养物质、温度等) 下，产生的有絮凝活性的次生代谢产物【4 9 1 ，主要 含有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和瑚蛆等物质【5 0 1 。至今己发现的具有絮凝 1 2 硕士学位论文 性的微生物有细菌、霉菌、放线菌、酵母和藻类等【5 l 】。其中胞外聚合物是微生物 细胞分泌的粘性物质，主要成分包括蛋白质、多聚糖、核酸和脂类等5 2 1 。 2 6 1 微生物絮凝的分类 根据近几年对微生物絮凝剂的研究报道，可将其分为4 大类【5 3 】： ( 1 ) 直接利用微生物菌体作为絮凝剂； ( 2 ) 从微生物细胞壁提取的絮凝剂； ( 3 ) 利用微生物代谢产物作絮凝剂； ( 4 ) 利用基因克隆技术所获得的絮凝剂。 2 6 2 微生物絮凝剂的絮凝机理 微生物絮凝剂在液体介质中主要通过其电荷性质和高分子特性使胶体脱稳、 絮凝沉淀、固液分离。研究工作者已经提出多种絮凝机理，其中以“桥联作用 机理最为人们所接受。微生物絮凝剂的絮凝机理有： ( 1 ) “桥联作用”机理 该学说认为微生物絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力，同时吸附多 个胶体颗粒，在颗粒间产生“架桥 现象，并形成一种网状的三维结构而沉淀下 来。如果投加适量的高分子絮凝剂，由于架桥作用，胶体粒子形成絮凝物。但投 加量过剩时，絮凝剂对胶体粒子形成保护层，使胶体粒子反而稳定了。胶体粒子 和絮凝剂具有相反电荷时，絮凝作用主要是由于胶体粒子吸附具有相反电荷的絮 凝剂，成为无电荷状态，进行絮凝。所以分子量的影响不大，但当絮凝剂是相同 重量浓度时，吸附量将随分子量的增大而增加【5 4 1 。 ( 2 ) “电性中和”机理 胶体粒子的表面一般带有负电荷，当带有一定正电荷的链状生物大分子或水 解产物靠近胶粒表面时，将会中和胶粒表面的一部分负电荷，减少静电斥力，从 而使胶粒间因发生碰撞而凝聚。 ( 3 ) “卷扫作用 机理 当微生物絮凝剂投加到一定量且可形成小粒聚体时，可以在重力作用下迅速 网捕，卷扫水中胶粒而产生沉淀分离，称为“卷扫作用 或“网捕作用”。“卷 1 3 第二章文献综述 扫作用”基本上是一种机械作用。 ( 4 ) 分子量的影响 分子量越大，絮凝剂分子在水中的扩展就越大，有利于絮凝能力的提高。因 此，在絮凝剂的投加量相同时。分子量越大，絮凝沉降速度越快。随着高分子絮 凝剂投药量的增加，絮凝沉淀速度将增大。但如果超过最适宜的浓度，由于再分 散作用反而会使沉降速度变慢。 絮凝的形成是一个复杂的过程，单一的某种机理并不能解释所有的现象，絮 凝作用是多种作用的共同结果。 2 6 3 微生物絮凝剂的絮凝影响因素 影响污泥脱水性能的因素主要有污泥颗粒的大小及分布、表面电荷、水合程 度以及颗粒间的相互作用。其中，污泥颗粒的大小是影响污泥脱水性能最重要的 因素，因为污泥颗粒越小，颗粒的比表面积越大，这意味着更高的水合程度和对 过滤的更大阻力及改变污泥脱水性能需要更多的药剂。其余主要因素还有： ( 1 ) 絮凝剂分子的性质，絮凝剂的分子性质中分子结构、分子形状、分子 质量和分子所带的基团对絮凝剂的活性都有影响： ( 2 ) 胶体颗粒的影响主要是由于胶体粒子的表面结构与所带电荷性质影响 絮凝效果。微生物絮凝剂的附位点越多，携带的电荷越多，中和能力越强，桥联 作用和卷扫作用明显； ( 3 ) 反应体系，絮凝反应过程中，絮凝剂的浓度，处理水中的钙、镁等离 子的浓度，反应体系的p h 值和温度等对絮凝剂的活性也有很大影响【5 5 - 5 刀。 1 4 硕士学位论文 3 1引言 第三章水绵的观察及生物絮凝剂的制备 根据台湾学者j i ur l l l l s 迎p a n ，c h i h p i i lh 啪g 等的研究表明，在含藻污泥 中，污泥所含澡类的种类和数量会影响到污泥的特性5 引，如污泥颗粒的表面性质、 气味的散发、以及脱水的性能等。本试验通过观察水绵在厌氧发酵条件下其自身 结构的变化及其对污泥的作用，来观察和测定发酵过程中产生的发酵液中生物絮 凝成份。 3 2 试验仪器与药品 ( 1 ) 主要试剂和试验仪器： 高岭土：分子量2 5 8 1 6 ，上海国药集团化学试剂有限公司； 生化培养箱：型号为l i m 1 5 0 ，广东省医疗器械厂； 生物显微镜：型号为n i k o nm o d e ly s l o o ，南京江南光电( 集团) 新兴光学 仪器有限公司； 电热板：常州国华电器有限公司； 精密p h 计：型号p h s 3 c ，上海精密科学仪器有限公司； 紫外可见分光光度计：型号7 5 2 s ，上海漫光技术有限公司； ( 2 ) 试验藻类水绵取自南京工业大学江浦校区池塘；所用污泥来源于南京 市金陵啤酒厂浓缩池污泥。 根据相关资料报道，一般啤酒厂干污泥的粗蛋白质量分数达到2 0 3 0 ， 钙、磷、铁、钾等元素的含量较多，还含有不少藻类培养所需的微量元素和辅助 生长的有机物质，是培养藻类的良好基质【5 9 1 。 每批污泥的取样条件若不加特殊说明均相同。污泥性质极易变化，且受啤酒 厂运行条件、温度等环境因素影响较大，所以为了保证试验的可比性和准确性， 试验过程中确保每组对比性试验所用的污泥是同一批取样污泥，并重复了若干组 平行试验。另外，存放时间也会影响污泥的性质，存放时间不易过久，污泥应置 于实验室阴凉处存放，并保证试验在3 5 天内完成【删，尽量减少污泥因微生物作 1 5 第三章水绵的观察及生物絮凝剂的制备 用而引起性质的变化。 3 3 试验内容及步骤 ( 1 ) 试验用藻类水绵的采集； ( 2 ) 水绵的厌氧发酵； ( 3 ) 水绵在污泥中的厌氧发酵； ( 4 ) 生物絮凝剂的制备： ( 5 ) 发酵液絮凝性能的测定； 3 3 1 水绵的培养 本试验采集的水藻取自南京工业大学江浦校区池塘，经多次筛选，选择了水 绵作为试验对象。水绵别名脆水绵，绿藻门，水绵科。水绵的生殖多在春秋两季， 在水中以为数极多的丝状体聚集成团，团愈大，颜色愈呈暗绿。水绵藻体为由筒 状细胞连接而成的单列不分枝的丝状群体，细胞中央为一大液泡，细胞核借原生 质丝悬于细胞中央，原生质丝与周围细胞质层相连系。是一种多细胞的绿藻，它 细胞外有胶质，手触摸时有滑腻感，其形貌如图3 1 所示： 图3 1 水绵的形态 f i g 3 - 1t h es h a p e s0 fs p i r o g y r a 水绵分布于全世界，现已知的约有8 0 0 种，我国己知的有3 0 0 种，是目前世界 上水绵种数最多的国家。水绵多生活在各种水深不深的静水中，无论池塘、湖泊 1 6 硕士学位论丈 浅处、稻田、流水边缘、水沟、和各种水坑中都有。只要生长条件适宜，水绵即 能大量繁殖，污染水体，对环境造成影响。 3 3 2 水绵的厌氧发酵 将采集来的水绵放置在5 0 0 眦的烧杯中，用保鲜膜及橡皮筋扎紧烧杯口使 水绵与空气隔绝。再把烧杯置于生化培养箱中，调节温度为3 6 3 7 。每天定时 用生物显微镜进行观察并拍摄其结构形态变化。 水绵重叠多层，经数码相机对焦后，能清