（安全技术及工程专业论文）脱水污泥流变特性及表观干燥动力学研究.pdf

沈阳航空工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t d u et od e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n di n c r e a s eo f p o p u l a t i o n , t h eo u t p u to f s e w a g es l u d g e , a st h eb y p r o d u c to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ，h a sb e e ni n c r e a s i n gg r e a t l y i no r d e rt o p r e v e n tc o n s e q u e n tp o l l u t i o na n dm a k ee f f e c t i v eu s eo fs e w a g es l u d g e ，s l u d g et r e a t m e n ta n d d i s p o s a lh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a s k sf o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h e r ea r e t h r e es l u d g ed i s p o s a lm e t h o d s , w h i c ha r ec u r r e n t l yu s e d ，i e r e c y c l i n gi na g r i c u l t u r e , l a n d f i l l i n ga n di n c i n e r a t i o n ，a n de a c ho f t h e mn e e d st og ot h r o u g ht h ed r y i n gt e c h n o l o g y h o wt o d r yt h em u n i c i p a ls l u d g ee c o n o m i c a l l ya n de f f i c i e n t l yi sap o p u l a rt o p i ci nt h es c i e n c ef i e l d f i r s t l yt h er e s e a r c hi sf o c u s e do nt h em e a s u r e m e n to fv i s c o s i t yo fd e w a t e r e ds l u d g eb y t r i a l p r o d u c e dv i s c o s i m e t e r , t h e nv i s c o s i t yr e s u l t sc a nb eu s e dt od e c i d et h a tt h es t i c k yp h a s e i sa b o u t5 4 w t 6 4 w t w a t e rc o n t e n t 。 t h ec h a n g i n gc h a r a c t e r so fm a s sa n dl o s t m a s sr a t i ov e r s u st e m p e r a t u r ea n dh e a t i n gt i m e w e r ei n v e s t i g a t e db yd i f f e r e n t i a lt h e r m a la n dt h e r m a l - g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ( d t g li nt h e c o u r s eo fs e w a g es l u d g ed r y i n g a n dt h ed r y i n gc o u r s ei se x p l a i n e db yr e a c t i o nk i n e t i c ，w h i c h a s s u m e sw a t e ri st h ep r o d u c t i o no fd r y i n g ，t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yf o rd r y i n gc a l lb e o b t a i n e d , a n ds e v e r a la n a l y t i c a lm e a n ss h o wt h a tt h ea p p a r e n ta c t i v a t i o no fs e w a g es l u d g ei s a p p r o x i m a t et h ed r y i n gd e c a l e s c e n c eo fi t ，w h i c hi sa v a i l a b l eo fs t u d y i n gt h ed r y i n gc h a r a c t e r o f d e w a t e r e ds l u d g eo nt h ee n e r g ys i d e b a s e do ne x p e r i m e n t a lt h e r m og r a v i m e t r i cc u r v e so fc y l i n d r i c a ls e w a g es l u d g ed e r i v e d f r o mas m a l l s c a l ed e v i c e ，e x p r e s s i o no fw a t e r - l o s sr a t ea n dt i m ec a nb eg a i n e da c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p a lo fi s o t h e r m a lr e a c t i o nk i n e t i c , f r o mw h i c hw eg a l l 啪t h a tl i n e a rr e l a t i o n b e t w e e np o l y n o m i a lc o n t a i n sw a t e r - l o s sr a t ea n d d r y i n gt i m e t h es l o p ei sd e c i d e db yd r y i n g t e m p e r a t u r ea n dd i a m e t e ro f c y l i n d r i c a ls l u d g e ，w ec a nd r a wt h e i rr e l a t i o ne x p r e s s i o na n dt e s t i t se x a c t n e s sb ye x p e r i m e n t a ld a t a t h es l o p ec o m p u t e db y e x p r e s s i o nc a ne s t i m a t et h ed r y i n g t i m e ，w h i c hi si m p o r t a n to f r e s e a r c h i n gs l u d g ed r y i n gk i n e t i c ， k e y w o r d ：s e w a g es l u d g e ；v i s c o s i t y ；d r y i n g ；a p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g y ；r e a c t i o nk i n e t i c - i i 原创性声明 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完 成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品或成果，也不包含本人为获得其他学位而使 用过的成果。对本文研究做出重要贡献的个人或集体均已在论文中进 行了说明并表示谢意。本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：互昂五 年月日 版权授权说明 本人授权学校“有权保留送交学位论文的原件，允许学 位论文被查阅和借阅，学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以影印、缩印或其他复制手段保存学位论文 ；愿意 将本人学位论文电子版提交给研究生部指定授权单位收录和 使用。学校必须严格按照授权对论文进行处理，不得超越授 权对毕业论文进行任意处置。 授权人：互伟毛 年月日 沈阳航空工业学院硕士学位论文 i 1 引言 第1 章绪论 截止2 0 0 4 年1 2 月3 1 日，中国有直辖市4 个，地级市2 8 3 个，县级市3 7 4 个，其 中超大、特大城市4 6 个i ”。随着我国城市经济的发展和人口的增加，我国水污染日益严 重，建设城市污水处理厂已成为治理水污染的重要举措。自1 8 5 7 年第一个污水处理厂 在英国伦敦建成以来1 2 1 ，污水处理厂在世界各地普遍建立。我国的污水处理厂数目随着 国民经济的发展也不断增加，到2 0 0 4 年，我国已建成并投入运行的污水处理厂达6 0 0 多座【3 i ，设计日污水处理能力大约4 5 0 0 万吨。预计从现在到2 0 1 0 年的目标是新建城市 污水处理厂1 0 0 0 多座，日污水处理能力将达6 3 0 0 7 3 0 0 万吨【4 l 。 在城市污水处理中，必然产生大量的污泥，其数量约占处理水量的o 3 , - - 0 5 ( 以 含固率9 7 计) 。据估计，我国每年污泥排放量将达到8 4 0 万吨( 干重) ，约占我国固体 废弃物总量的3 2 ，其处理费用约占城市污水总运行费用的2 0 5 0 。 污泥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【5 1 ，除 含有大量的水分外( 可高达9 9 以上) ，还含有难降解的有机物、重金属和盐类，以及 少量的病原微生物和寄生虫卵等。1 9 9 5 年，世界水环境组织为了准确反映绝大多数污水 污泥具有重新利用的价值，将污泥更名为“生物固体”，其确切含义是“一种能够有效利 用的富含有机质的城市污染产生物”【6 1 。但我国一直沿用污泥这个名称。 1 2 污水污泥的分类特性和危害 污泥是污水处理厂在污水处理过程中产生的沉淀物，其基本成分和含量主要取决于 污水来源及处理工艺。研究污水污泥的分类、特性和危害对研究污泥性质及污泥处理具 有重要意义。 1 污水污泥的分类 污水污泥按其性质可分为： ( 1 ) 有机污泥：以有机物为主要成分； 沈阳航空工业学院硕士学位论文 ( 2 ) 沉渣：以无机物为主要成分。 污水污泥按其来源可分为： ( 1 ) 污泥来自于城市污水处理，城市污水处理包括生活污水与部分工业废水及雨水： ( 2 ) 污泥来自于工业废水处理； ( 3 ) 污泥来自于自来水处理。来自于自来水处理的污泥比来自于城市污水处理的污 泥少得多1 7 1 。 按照污水的处理工艺流程，可将污泥分为如下类型： ( 1 ) 初沉污泥：来源于初沉池排出的污泥。其中含有许多大颗粒物质，如蔬菜、水 果、纺织物、纸类沉渣等。通常是灰色糊状物，多数情况下具有难闻的气味。含水率较 低，通常为9 2 - 9 8 。 ( 2 ) 剩余活性污泥：来源于活性污泥法系统的污泥。其主要有好氧微生物组成，外 观为褐色絮凝物，不含大颗粒物质。如果颜色很深，则污泥可能腐化；如果颜色较淡， 则可能曝气不足。当设施运行良好时，活性污泥没有特别的异味，但会很快地腐化。含 水较高一般为9 9 一9 9 9 0 。由二沉池排出至曝气池等生化处理单元的活性污泥被称为回 流污泥；由二沉池排出至污泥处理设施的活性污泥称为剩余活性污泥。 ( 3 ) 腐殖污泥：来源于生物膜法后冲刷下来的生物膜，其组成和活性污泥类似，为 褐色絮状物。“新鲜”时无令人讨厌的气味，有时会含有许多蠕虫，含水率较高，为 9 7 - 9 9 。 ( 4 ) 消化污泥：消化污泥是生污泥经厌氧消化或好氧消化处理后的污泥，也称熟污 泥或稳定污泥。如果在好氧条件下消化( 如在曝气池中) 的污泥称为好氧消化污泥，或 称好氧稳定污泥。其为褐色至深褐色的絮状物，通常有不令人讨厌的陈腐污泥的气味， 消化后的污泥易于脱水，好氧消化的污泥含水率一般为9 6 - - 9 8 。如果生污泥在厌氧 条件下进行消化( 如在封闭的厌氧消化池中) ，则称为厌氧消化污泥，或称厌氧稳定污 泥，其为深褐色至黑色，并含有一定的气体。消化良好的污泥气味较轻，消化不好的污 泥会有硫化氢和其它气体的气味。厌氧消化后的污泥含水率为9 0 9 7 。 ( 5 ) 化学污泥：化学污泥是用化学沉淀法处理污泥后产生的沉淀物，也称化学沉淀， 除了某些特殊物质需要通过投加化学药剂在化学沉淀池中去除外，在城市污水处理厂中 采用化学除磷系统时，由于药剂投加的位置不同，化学沉淀污泥可能来自初沉池、二沉 2 沈阳航空工业学院硕士学位论文 池或二沉池后的沉淀池、滤池等，由于污泥来源的位置不同，所以成分也不尽相同，可 能由于混凝沉淀法去除污水中的磷产生的，也可能为投加硫化物去除污水中的重金属离 子所产生的，也可能由于投加石灰于酸性污水产生的，或者为酸、碱中和处理产生的沉 淀等，其含水率在9 5 9 8 左右。对于城市污水而言，主要为化学除磷产生的污泥。 按污泥成分和性质可分为： ( 1 ) 有机污泥：生活污水处理产生的混合污泥和工业废水产生的生物处理污泥是典 型的有机污泥，其特性是有机物含量高、颗粒细、密度小，呈胶体结构，是一种亲水性 污泥，容易管道输送，但脱水性能差。 ( 2 ) 无机污泥：混凝沉淀污泥、化学沉淀污泥以及沉砂池产生的泥渣大都属于无机 污泥，以无机物为主要成分的污泥往往被称为沉渣。它的特性是有机物含量少、颗粒粗、 密度大、含水率低，呈疏水性，容易脱水，但流动性差，不宜用管道输送。 2 污水污泥的特性和危害 污泥通常是由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的非均质体。其基本成 分和含量主要取决于污水来源及处理工艺。从外观上看，城市污泥呈黑色或黑褐色的流 体状或半固态泥饼状物质，含水量高、易腐败、有恶臭。城市污水厂剩余污泥中的有机 质含量为城市污水的l o 倍，污水厂脱水污泥中的致病微生物含量也比城市垃圾高几个 数量级。由于它具有容量大、不稳定、易腐败、有恶臭、有毒有害的特点，如果不进行 处理，任意地排放，将会引起严重的二次污染。 1 3 污水污泥的处理处置 污水污泥处理处置的主要目的是： ( 1 ) 稳定化：使处置后的污泥消除恶臭、停止降解，避免了二次污染。 ( 2 ) 无害化( 卫生化) ：杀死污泥中的病菌和寄生虫卵。 ( 3 ) 减量化：减少污泥最终处置前的体积，降低污泥处理和最终处置费用。 ( 4 ) 资源化：在处理污泥的同时实现变害为利、循环利用、保护环境的目的。 城市污水污泥的处理处置应将各种因素结合起来，综合考虑，还应具有安全性和可 持续性引。 沈阳航空工业学院硕士学位论文 1 3 1 污水污泥的稳定处理 污泥经过脱水后仍含有7 5 8 5 的水分，大量的有机物和病原菌等，很不稳定。 在放置过程中会产生物理和化学变化，出现细菌和藻类的繁殖。污泥经过稳定处理后就 会改变这种情况。稳定处理的目的就是充分利用污泥中的微生物降解污泥中的有机物 质，进一步降低污泥含水量，杀灭污泥中的细菌、病原体等，消除臭味使污泥中的各种 成分处于相对稳定状态，这是污泥能否资源化有效利用的关键步骤。稳定化的方法主要 有堆肥、干燥、厌氧消化、辐射、热喷处理等。 堆肥是利用污泥中的好氧微生物进行发酵的过程。堆肥化处理的污泥质地疏松，阳 离子交换量显著增加，容重减少，可被植物利用的营养成分增加，病原菌和寄生虫卵几 乎全被杀灭。 厌氧消化是在密闭的消化槽内，通过厌氧细菌的作用使有机物分解，最终生成以甲 烷为主的沼气。但目前的厌氧处理产气率不高，需通过各种处理提高污泥的产气量。 辐射是利用射线照射污泥。辐射法杀菌彻底可靠，能杀死污泥中的藻类，能提高污 泥的可靠性，且促进污泥中有机物质的分解，不造成二次污染，是一种很有发展前途的 污泥处理技术。 干燥作为一种重要的稳定处理方式，将在以后章节着重介绍。 1 3 2 污水污泥的处置 污泥处理处置的传统方式有填埋、弃海、热处理和农用。 弃海是利用海洋巨大的稀释和容纳能力来处理污泥。这种空间转移的处置方法不能 从根本上解决环境问题，海洋水环境还会因为污泥中有毒物质的溶入而恶化。许多国家 已通过立法禁止向海洋倾倒污泥。因此这种处置方法不再加以讨论。表1 1 是其它三种 处置方法有缺点的比较。污泥卫生填埋是一项技术成熟、应用广泛的传统污泥处置方法， 该法简单易行、成本低，特别适于质量较差的污泥。但如果污泥的稳定化程度不够，很 容易散逸臭味，并且其中的有害物质会通过雨水的侵蚀和渗透作用污染地下水环境，此 外，适宜污泥填埋的场地因污泥产量的急剧增加而显得越来越有限。 - 4 - 沈阳航空工业学院硕士学位论文 污泥土地利用 造价低廉且营养物质例如磷等 可以得到再利用物 热处理长效的危害物的彻底被破坏有害 物将被从物质循环中去除掉 污泥中的重金属和可降解的有毒有机污泥土 地利用物有可能会对土壤和地下水产生危害 热处理营养物质浪费且工程投资贵 填埋造价低廉产生气体和渗漏水且占用土地资源 污泥农用作为一种积极有效的污泥处置利用方法，主要是把污泥应用于林地、草地、 市政绿化、恢复植被、熟化土壤等。国内外污泥的农用技术主要是将其作为肥料或土壤 改良剂。堆肥是一种污泥间接施用的处理方法，比污泥直接施用干净卫生，我国近年还发 展了将污泥和城市垃圾、木屑、树皮、稻壳、稻草等其他物质混合堆肥后加以利用的新 方法。但由于其养分低于化肥，因而运行良好、规模较大的污泥堆肥场在我国为数不多。 农用的另外一种方式是将污泥在堆肥化的基础上与化肥按一定比例制成颗粒复混肥，此 法解决了污泥中肥分含量不高的问题，但目前应用范围和应用量较少，推广程度远远不 够。由于污泥中含有重金属、有毒的有机污染物、病原菌、寄生虫等，使用时一定要控 制污染物的含量，同时对土壤进行定期监测，以降低使用风险。 污泥的热处置工程造价较高但是随着城市化进程的加快，土地资源的日益减少， 填埋费用日益上升，填埋的方式越来越受到限制，同时随着经济的发展和人民生活水平 的提高，越来越严格的法令限制了污泥在土地利用中的使用。因此污泥的热处理在污泥 处置方面的地位越来越重要。它是从根本上解决污泥污染的有效办法，是污泥减量化、 无害化、资源化的最根本途径 9 1 。污泥的热处置技术有：污泥造气、污泥焚烧、污泥热 解和污泥湿氧化。其各自主要技术特点见表l2 。 表1 2 污泥热处置技术 焚烧处理是利用污泥中有机成分较高、具有一定热值的特点来处置污泥，其优势在 于可以迅速和最大程度地使污泥减量化和无害化。近年来焚烧法由于采用了合适的预处 理手段，实现了热能的回收利用，并能满足越来越严格的环境要求。干燥污泥焚烧从技 - 5 一 沈阳航空工业学院硕士学位论文 术要求来说比垃圾焚烧简单，接近于劣质煤燃烧。污泥焚烧灰具有吸水性、凝固性，能 有效的用作沥青填料和轻质基材等建筑材料的填充料，燃烧产生的热可以用来供电。但 焚烧的成本是其他工艺成本的2 - 4 倍，且污泥中的重金属可能随着烟尘的扩散而污染空 气。投资运营费用高和环境压力使得焚烧受到一定限制，但对于大城市中远离填埋场而 造成运输费用高的场合以及土地紧缺的国家，污泥焚烧具有较好的应用前景。 污泥低温热解处理是一种发展中的能量回收型污泥热化学处理技术，主要通过在催 化剂作用下无氧加热干燥污泥至一定温度，由干馏和热分解作用使污泥转化为油、反应 水、不凝性气体和炭等四种可燃物。研究表明，低温热解的成本低于直接焚烧。 1 3 3 污水污泥处理处置的国际经验 随着污水污泥处理技术的应用和改善以及人口的增长，各国污泥的产生量激增。 1 9 9 0 年欧洲干污泥产量约为1 1 0 7 x 1 0 5 ，到2 0 0 5 年干污泥产量达到2 6 1 9 1 0 6 t 。1 9 9 9 年美国干污泥产量为6 9 x l o b ，2 0 0 5 年美国干污泥产量约7 6 x l o b 。 为避免污泥对环境造成二次污染，各国政府及研究机构对污泥的最终处置问题十分 重视，但由于各国国情不同，不同国家污泥的处置情况也存在很大的差异。随着污泥投 海处置被越来越广泛地禁止，其它处置方法所占份额有所增长，迄今为止，土地填埋仍 然是较便宜的方法。然而相关的填埋限制和法令降低了其经济性。在欧洲，含有可生物 降解有机物的固体废弃物将不允许填埋。丹麦、瑞士、德国分别与1 9 9 7 年7 月1 日、 2 0 0 0 年1 月1 日、2 0 0 5 年6 月1 日实行该禁令。 为了更详细地说明国外城市污泥的处置方法、技术水平和发展趋势，下面就德国、 美国和日本三个国家的情况作进一步的分析。 德国污泥处理投资占污水处理厂总投资的5 0 - 7 0 。德国每年的干污泥产量约为 3 0 0 0 万t 【1 0 1 ，德国从2 0 0 0 年起，要求填埋污泥的有机物含量小于5 。近年来污泥处置情 况如表1 3 所示。由表中可看出，在德国，污泥焚烧占污泥处理总量的比例越来越大。德 国于1 9 6 2 年率先建议并开始运行了欧洲第一座污泥焚烧厂以来，已有近4 0 个污水处理厂 拥有多年的污泥焚烧工艺的实际运行经验，其中1 0 家工厂混烧生活垃圾和市政污泥，2 0 多家焚烧城市污水污泥，9 家焚烧工业废水污泥。目前焚烧多用流化床焚烧炉，其市场 一6 一 沈阳航空工业学院硕士学位论文 占有率超过了9 0 。 表i 3 德国污泥处理处置( 百万吨，年) 日本在污泥的处理与利用方面，最大的特点是填埋及土地利用所占的比例较小。 1 9 9 7 年日本污泥的处理与利用情况如表1 4 所示。焚烧法处理污泥在日本应用最广，1 9 8 4 年日本焚烧处理7 2 的污泥，1 9 9 2 年，日本采用1 8 9 2 座焚烧炉处理7 5 的市政污泥1 1 l 】。 表1 41 9 9 7 年日本的污泥处理和利用情况f 单位：万m 3 ) 1 1 2 日本人口密度较高( 约3 5 0 人i 【m 2 ) 、多山地，日本政府十分重视境内地表植被的保 护，对城市建设用地进行严格控制，( 山坡地开发为农田也进行严格限制) ，使该国的森 林覆盖率6 0 0 0 以上。因此占用土地面积大的污泥消纳途径( 农用、填埋) 在该国的比例 明显低于其他发达国家。相反，该国的污泥焚烧率全球第一，为进一步地利用焚烧灰渣， 日本也是世界上对污泥实行规模熔融处理的唯一国家。 日本的低利率政策使该国应用焚烧这样高投资成本、复杂技术设施进行污泥处理成 为可能；日本没有类似欧洲的环保压力集团，因此焚烧厂选址难度较小，日本的污泥焚 烧厂常常选址于周边烟气排放源多的工业区域，同时对周围居民进行免费的供热、供电， 这些措施也有助于该国焚烧厂克服选址的困难。日本的焚烧厂多由政府和民间合资的运 行公司经营，政府对焚烧厂有复杂的财务补贴体系，因此有关专家认为日本污泥焚烧的 成本是难以核算的，但这却是日本高成本的污泥处理设施能生存的关键。 美国6 5 0 0 个填埋场中将有5 0 0 0 个被关闭。据美国环保署估计，1 9 9 8 年全美干污泥产 量为6 9 1 0 6 吨，2 0 0 5 年美国干污泥产量为7 6 1 0 6 吨，2 0 0 1 年将达n 82 1 0 6 吨。这就是 说，从1 9 9 8 年n 2 0 l o 年，污泥产量将增加1 9 。下表是1 9 9 8 年以后美国污泥产量和处理 7 沈阳航空工业学院硕士学位论文 状况及预测【”。 表1 5 美闷的污泥有效利用和处置 据b i o c y c l e 杂志的调查表明：2 0 0 0 年美国大部分污泥被有效利用：2 1 个州的5 0 以上的污泥被循环利用，4 个州的5 0 以上的污泥被填埋，5 个州的5 0 以上的污泥被 焚烧。调查的4 0 个州中，有5 个州没有污泥陆地填埋处置，1 7 个州没有污泥焚烧处理。 由此表明：美国的污泥的主要处置方法是循环利用，而污泥填埋的比例正逐步下降，美 国许多地区甚至已经禁止污泥土地填埋。据美国环保局估计，今后几十年内美国6 5 0 0 个填埋场将有5 0 0 0 个被关闭。 1 3 4 我国污水污泥的处理现状与问题 我国城市污水污泥处理处置中存在的问题包括： ( 1 ) 污泥处理率低、工艺不完善。我国很多城市未把污泥的处理作为污水厂的必要 组成部分，许多污水处理厂根本没有建污泥处理系统，造成我国城市污水污泥处理率很 低。我国城市污水厂的污泥处理工艺是很不完善的。我国7 0 以上的污水厂不具有完整 的污泥处理工艺。污泥经浓缩、脱水后，尚有8 0 8 5 含水率，体积大，如果不经过 干燥处理，将为运输及后续处置带来许多不便。 ( 2 ) 污泥处理技术、设备落后。当前我国有些污水处理厂所采用的污泥处理技术己 经是发达国家所摒弃的技术，其水平还停留在发达国家7 0 8 0 年代的水平，有的甚至 是国外6 0 年代的水平。有些污泥处理技术根本不适合我国的污水污泥特性。污泥处理 设备比较落后。国产的设备性能差、效率低、能耗高。专用设备少，未能形成标准化和 系列化，所以目前我国多采用从发达同家直接进口设备的方式，这相应地提高了污泥处 理的费用，也限制了我国污泥处理技术的提高和发展。 ( 3 ) 污泥处理管理水平低。很多已建成的污泥处理设施不能正常运行，除技术水平 沈阳航空工业学院硕士学位论文 外，管理水平低也是重要因素。大部分污水厂的管理人员和操作人员的素质较差，缺乏 管理经验，不能有效地组织生产，加上技术人员少，各个专业不配套，所以一旦生产上 出现问题，不知如何处理，有的污水处理厂的污泥处理系统只好长期停止运行。提高污 水厂的管理水平，早日实现科学管理是保证污水厂污泥系统长期运转的关键所在。 ( 4 ) 污泥处理设计水平低。近年来，我国排水事业有很大发展，积累了较为丰富的 污水处理设计经验，培养了大批设计人才。但在污水污泥处理方面，我国还缺乏实践经 验和设计经验，尤其是污泥处理系统的整体水平还比较低。从己建成的污水处理厂的污 泥处理装置看，运行工况不佳，不能保证长期运行的较多，很多厂的装置建成后，又进 行较大的技术改造，造成人力、物力和财力的极大浪费。很多设计人员不重视污泥的调 查分析研究，设计的污泥处理设施不符合实际，使不少己建成的设备闲置不用，造成浪 费。 ( 5 ) 污泥处理投资低。我国污水污泥处理投资只占污水处理厂总投资的2 0 5 0 ， 而发达国家污泥处理投资要占总投资的5 0 7 0 。 ( 6 ) 污水污泥处置水平落后。我国的污水污泥出路存在严重问题。污水处理厂难以 找到合适的污泥处置方法和污泥弃置场所。我国传统的污水污泥处置方式是将污泥用于 农业。但近年来由于郊县农民更加习惯于施用化学肥料，以及受现行施肥方法的限制， 导致污水污泥作为农肥的出路非常不畅。另外，我国农用污泥中有很大一部分是未经任 何处理与稳定而直接运至市郊或邻近省份农村做农肥。据统计，在我国的污水处理厂中 污泥未经任何处理直接农用的约占6 0 以上，即使在没有消化他的污水处理厂，消化后 的污泥也只是稍加脱水后就直接农用，并未作任何无害化处理，仍不符合污泥农用卫生 标准，同国外相比差异较大。国外在8 0 年代初，处置前稳定污泥量为9 6 ，比利时、 瑞士等也在8 0 以上；处置前消毒污泥量占2 0 4 0 ，挪威为4 3 ，瑞典为3 8 。 从我国今后的发展趋势来看其城市水处理将形成以国家投资的大型污水处理厂为 主，各地区根据经济发展状况投资兴建不同规模的污水处理厂并存的局面，因此对污水 厂污泥的处理应根据污水厂所处的环境位置、处理规模、资金来源、经济技术水平来确 定适合我国国情的工艺方法和技术设备等。 对于我国城市的各类污水处理厂来说，应该不断完善其污水污泥处理工艺选择包 括污泥浓缩、厌氧消化、脱水等较完善的污泥处理工艺，并积极开发性能良好的、国产 沈阳航空工业学院硕士学位论文 的污泥浓缩、稳定和脱水的装置和机械，以提高污泥的含固率，使后续的污泥处置和综 合利用能顺利进行。就选择污水污泥浓缩技术来说，由于我国城市污水污泥中有机物含 量低、所以采用重力浓缩仍然是一种经济、有效的污泥减容方法。污泥脱水的方法主要 包括自然干化和机械脱水，而自然干化由于受到气候、地区的限制而很少被采用。污泥 的机械脱水能有效降低污泥体积为污泥的后续处鹭打下良好基础。现在常用的机械脱 水技术有板框压滤脱水、带式压滤脱水和离心脱水等。在实际运行中各有其优缺点，同 时污泥的性质对脱水效果影响很大。因此对机械脱水方法的选择应根据污水厂工艺、运 行的特点及污泥处理处置的要求而定。污泥处理时采取不同的稳定方法对整个污水处理 的工艺选择和技术经济具有举足轻重的影响，典型的稳定方法有厌氧消化、好氧消化和 堆肥等生物稳定法及投加石灰的化学稳定法。对目前我国现有的情况来说，应考虑采用 基建投资少、运行管理费用低、简易高效的污泥稳定方法。 污泥的中温厌氧消化法为我国的部分污水处理厂所采用，它不仅能将污泥中的有机 物降解，同时能杀死部分病原菌和寄生虫( 卵) ，从而使污泥达到稳定化以及部分无害化， 而且消化产生的沼气还可作能源回收。不过该法投资大，操作管理严格，对工艺技术及 安全运行的要求也较高，这对我国大型的污水处理厂来说是可行的，而对于我国缺乏技 术经济优势的小型污水处理厂，在实际应用中则有一定问题。因此，对于小型污水处理 厂，一是在选择污水处理工艺时，可选择延时曝气法( 如采用氧化沟) 。这种工艺的特点 是产生的污泥随着泥龄的增长有机物分解趋于完善，挥发分含量随之减少，其能量也 逐渐降低，污泥趋于稳定，其好氧稳定的结果与厌氧消化稳定的结果很接近。二是采用 生污泥直接脱水后进行好氧堆肥的方法。好氧堆肥是利用微生物的作用，将污泥转化为 类腐殖质的过程，可消除污泥恶臭，堆肥后污泥稳定化、无害化程度高，是经济简便， 高效低能耗的污泥稳定化无害化替代技术。 污水处理中的污泥处理和处嚣技术在我国还刚刚起步，在全国现有污水处理设施中 有污泥稳定处理设施的还不到l 4 ，处理工艺和配套设备较为完善的还不到l l o ，能 够正常运行的为数不多，污泥直接排放造成的二次污染必须予以充分的重视。我国传统 的污泥处理处景基建投资大、负荷低、安全性要求高，运行管理难度大、运行经验缺乏 等问题，所以造成设备闲置，浪费极大。我国存在大量小型污水处理厂，其污泥绝大部 分未能得到妥善处置，污泥处置已经成为污水处理厂设计、运行中必须优先考虑的重要 一1 0 一 沈阳航空工业学院硕士学位论文 环节。污泥处理和处置不仅是我国而且是世界面临的技术挑战。 对于污水处理厂的污泥处理、处置系统的装备，发达国家在2 0 世纪6 0 年代就已经 达到先进的成套化水平，而我国城市污水处理厂污泥处理起步较晚，而且对污泥处理处 置重视不够。虽然8 0 年代中期建设了大型污水处理厂，污泥处理也采用中温厌氧消化， 但是污泥处理技术和设备几乎全部需要引进。近十多年来，城市污泥处理技术中某些单 项专用设备有较大发展，但是污泥处置和最终出路方面尚属试验研究阶段【1 4 1 。 从污泥处理处置趋势分析，今后污泥利用方向将会是土地利用和热能利用。污泥农 用将会向更安全的利用方向发展，因此，需要提供污泥的来源、污染方面的信息，同时 在引进先进污水处理技术、制定更严格的污泥利用标准的前提下改进或创新污泥处理工 艺。由于堆肥工业受到堆肥处理量、处理周期、成本的限制，所以目前欧洲只有1 的 污泥用于堆肥，美国只有4 5 。但是，随着科学技术的进步，堆肥化工艺设计正朝 着工业化、系统化方向发展。随着人们资源循环利用和环保意识的提高，堆肥化和其他 有竞争方法的经济差额逐步减少，今后将会有越来越多的资金注入堆肥化工厂的规划、 设计、建造以及相关机械设备的研制之中，一批按照工程学、生物学原理设计、且符合 液体和气体排放管理相关规定的大规模现代化堆肥厂将会大量出现。 污泥焚烧和能源利用将是污泥处置的发展方向之一，所以今后污泥焚烧的比例将迸 一步增加。污泥干化将继续不断完善和发展。据预测，未来1 0 年欧洲采用热处理的污 泥量将翻一番。污泥干化设备正向大型化方向发展，其处理性能将不断完善，处理能耗 将进一步降低。污泥低温热解能回收能量，经济性优于焚烧处理，是大有前途的处理方 法，但是需要在热解机理和动力学研究方面作深入研究，在工艺和设备方面有所突破。 近年来发达国家己就促进厌氧消化进程技术和污泥减量技术展开研究。通过各种预 处理( 如热解法、水解酸化法、碱处理等) 来提高污泥的厌氧消化性能：通过臭氧氧化、 超声波技术、解耦联代谢等措施进行污泥减量化处理。从世界范围来看，污泥土地填埋 将会受到越来越多、越来越严格的限制，所以污泥填埋的比例将会逐渐减少。根据我国 是一个以农业为主的发展中大国以及目前污泥处理处置中存在的特点，污泥处理应当以 堆肥、土地利用和资源化为主，在经济较发达地区可根据实际情况探索其他处理处置方 法( 如焚烧法、热处理法等) 。但是应当注意，在进行污泥土地利用时需要严格管理， 只有符合农用标准的污泥才能用于农作物。在采用堆肥时，需要考虑污泥处理量、场所 沈阳航空工业学院硕士学位论文 和使用场地等，当污泥不能农用时，可以考虑污泥干化和焚烧处理。 总之，在考虑选用某种污泥处理处置方法时，要从环境安全、资源投入产出和收益 影响等四个方面来考虑污泥处理方案，同时兼顾环境生态、社会和经济效益三者之问的 平衡。不管采用那一种污泥处理处置措施都需要考虑投资、运行成本和经济承受能力， 要在设备投资、运行费用、地价和人力价格等基础上对处理方法加以综合评估。各地区 在处置污泥时要根据当地地理环境、经济水平、技术措施、交通运输、能源、污泥利用 市场和容量等因素，随着公众认识的提高和兴趣的改变而发生变化。 面对我国污泥产生和处理处置状况，今后需要采取的策略是：首先。污水处理厂应 当重视污泥处理和处置，加强污泥管理力度。其次，国家和行政管理部门应当迅速建立 和完善污泥处理处置的相关法规。由于我国存在大量中、小型污水处理厂、污泥产量小、 处理技术低，所以建议由政府部门带头，广开融资渠道、组建一批按市场经济规律运转 和管理的大型城市污泥处理处置中心。 1 4 污泥干燥的研究现状 1 4 1 污泥的热干燥处理 干燥是采用热物理方法去湿的过程，采用加热、降温、减压或其他能量传递的方式 使物料中的湿分产生挥发、冷凝、升华等相变过程，与物体分离以达到去湿目的【”】。本 文提到的干燥主要是指通过热质传递过程的蒸发现象去除湿物质中湿组分的热力干燥 过程，包括对流干燥、传导干燥、辐射干燥等过程。污泥干燥是依赖于热能使脱水后的 污泥中所含的水分进一步去除，并控制工艺达到所需的干燥程度。 污泥的难处理性很大程度上源于其高含水率( 脱水污泥含水率一般为9 0 - - - 9 8 ) 。高 含水率导致污泥体积庞大，增加了处理过程的运输成本、设施费用，是污泥中可利用物 质的含量降低( 如农用肥分、燃烧热值) 。因此，对城市污水污泥的处理很大程度上是 对其所含水分的去除，浓缩、调理以及脱水这些环节的目的无一不是为了去除污泥中所 含的水分。目前采用的机械脱水，可以使污泥含水率平均降至8 0 左右，有效地减少了 污泥的量，但不能从根本上改变污泥的可处理性。在机械脱水的基础上进一步降低污泥 的含水率，就是通过各种手段导入热量，使污泥中的水分蒸发，这就是化工单元操作之 沈阳航空工业学院硕士学位论文 的热干燥过程。 污泥处置包括三种途径：堆肥、卫生填埋、焚烧。热干燥过程在污泥处理中的应用 首先是污泥焚烧过程中实现热量自持。对焚烧而言，污泥的含水率为6 5 7 0 时才能不 加辅助燃料，自持进行；若污泥需要通过卫生填埋处理，含水率为3 0 左右，含水率过 高，污泥不易碾压填埋；当污泥堆肥时，水分 7 0 ，则容易堵塞堆料的空隙，影响通 风，导致厌氧发酵温度急剧下降，因此，脱水污泥需要进行半干燥处理，制复合肥更需 要将污泥干燥到一定的含水率。若污泥干燥后用于园艺肥分并做袋装处理，则污泥含水 率需要降至5 1 0 左右。干燥对污泥可处理性的改变是全面的。干燥过的污泥由浆状、 膏状变为脆性颗粒，有机物得以稳定，保留了大部分肥分和土壤调节成分，有利于农业 利用和土地恢复；致病微生物如大肠杆菌、沙门氏杆菌和肠道病毒等病原菌被杀灭，不 会在厌氧发酵过程中产生臭气问题，卫生条件好，易于输送、储存和处置；植物养分和 含热量增加：污泥体积大幅度减少，降低污泥储存和运输费用1 9 j 。将脱水污泥干燥成 3 0 - 4 0 时，作为肥料，其土地利用效果最佳。此时的干燥污泥还保持了适当的粒度和 含水率，可防止使用时被风吹散。总而言之，热干燥工艺用于污泥处理，不但有显著的 减容效果，而且也有着相当程度的无害化、资源化效果，该技术的应用前景较为广阔。 1 4 2 污泥干燥技术的历史和现状 早在1 9 1 0 年，英国的b r a d f o r d 公司设计了一种旋转窑干燥器用于污泥干燥的处理， 1 9 1 5 年这套技术得到了h u d d e r s f i e l d d 的采用。几年后，美国也开发出类似的污泥干化机 械。到了3 0 年代，闪蒸式干燥机、带式干燥机分别在英美两国污水处理行业中出现。但 由于干燥过程产生的臭气未能得到有效控制，而且成本较高，管理复杂，污泥干燥产品 的市场也很不景气，湿污泥热干燥技术的发展相当缓慢。8 0 年代，由于污泥在填埋、投 海、农用上的各种限制条件和不利因素的凸现，欧洲大陆开展了焚烧之前的污泥预干燥 处理技术和污泥干燥产品农用技术的研究，使污泥热干燥技术得到了很好的发展。污泥 热干燥的技术分类介绍如下： ( 1 ) 按热介质和污泥接触方式分 直接加热式：直接加热式又称为对流式干燥技术。污泥从流过其表面的热介质获 1 3 一 沈阳航空工业学院硕士学位论文 得热能，水分得以蒸发。热介质可采用热空气、燃气以及蒸汽等。转筒式干燥器、闪蒸 式干燥器、带式干燥器、喷淋式干燥器、螺旋式干燥器都属于对流式干燥设备。以转筒 干燥器为例，脱水污泥经粉碎后与返混干污泥混合，使进泥含水率降至5 0 左右。污泥 在转筒抄板的搅拌下与热气充分接触，并缓慢滑向出口端，经卸科室通过格栅进入贮存 池；排气经旋流分离器分离后，经除臭燃烧器排入大气。直接干燥的热利用率高，但废 气量大，废气处理费用高。 间接加热式：间接加热式又称为传导式热干燥技术，蒸汽或热油等加热介质与污 泥不直接接触，通过系统间壁向污泥传热。薄膜干燥器、转盘干燥器、桨扳干燥器是常 用的间接干燥设备。其中转盘干燥器的简体是一组中空串联的加热盘片，热介质在盘片 内部流动向污泥供热。盘片转动带动污泥有序运动通过干燥器，盘片上的导向片在其导 向作用的同时也起刮刀的作用，使污泥在盘片表面保持一定厚度【2 0 1 。 直接一间接”联合式干化：即“对流传导”技术的结合。 ( 2 ) 按干化设备进料方式和产品形态分 干料返混系统：湿污泥在进料前先与一定比例的干泥混合，然后才进入干燥器， 产品为球状颗粒，是干化、造粒结合为一体的工艺。 湿污泥直接进料，产品多为粉末状。 污泥干燥工艺是一个热能驱动过程。国内外的研究表明，污泥热干燥过程的能量消 耗与以下因素有关：脱水泥饼的含水率：对干燥污泥含水率的要求；工艺过程的运行操 作方式( 如干燥工艺的选择，尾气是否循环利用，是否采用干燥产品返混等) ；工艺本 身的材料选择、设备布置等”l 。 干燥后的污泥，其可处理性有明显改善，可以采取填埋、焚烧等处置手段进行最终 处置，也可以作为工业和农业原料出售。如供给工业锅炉、石灰窑等对燃料品位要求不 高的设备作为劣质燃料使用，或利用其中所含的植物养分把污泥作为肥料供农业和园林 业使用。 1 5 本文所完成的主要工作 污泥干燥已有近百年的历史，但至今仍没有推广开来，主要的瓶颈问题是污泥干燥 1 4 - 沈阳航空工业学院硕士学位论文 过程中巨大的能耗。本文拟通过各种实验手段得出污泥干燥的若干基础参数，用以指导 污泥干燥实践。 研究工作包括如下几个方面： l 、研究污泥不同含水率的粘性。因为污泥类似于宾汉姆体，所以用自制平板塑性 仪测量污泥不同含水率的表观粘度，研究污泥表观粘度与含水率的关系。污泥表观粘度 是污泥流变性的一个重要参数，可从污泥表观粘度与含水率关系角度来研究污泥若干流 变特性。 2 、用污泥成型仪研究不同表观粘度污泥的成型特性。 3 ，根据污泥干燥热分析实验研究污泥低温对流干燥表观动力学。 4 、用自行设计的干燥实验台干燥把成型污泥，研究污泥对流干燥过程中的质量变 化、失重率等参数，结合对流干燥理论研究污泥的干燥特性、干燥机理，建立污泥干燥 模型。 1 5 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第2 章流变特性研究与污泥粘度测量 流变特性是流体剪切应力随剪切速率变化的特性。在工程中，通常用“粘度”来表示 流体的流变特性。在污泥干燥过程中，存在胶粘相，处于这一阶段的污泥较难干燥。通 过研究污泥粘度可以确定其胶粘相含水率区间，进而为污泥干燥过程提供理论依据。 2 1 流变学的国内外研究及应用状况 2 1 1 流变特性概述 1 9 2 8 年，美国物理化学家e c b i n g h a m e 式命名“流变学( r h e o l o g y ) ”，字头取古希 腊哲学家h e r a c l i t u s 所说的“刀研y d 研f ”，意即万物皆流。1 9 2 9 年成立流变学会，创办流 变学报( j o u r n a lo f r h e o l o g y ) ，一般将此天认为流变学诞生日1 1 3 】。流变特性是指流体剪 应力随剪切速率变化的特性。在工程设计中，往往用“粘度”来表示流体的流变特性。 任何粘性流体的流变学特性都是通过剪切应力与剪切速率之问的关系加以表述的。假定 流体上的剪切应力为f ，流体以某一个速率d u d y 发生应变，定义这个速率( 即速度梯度) 为剪切速率，其绝对值为，则在剪切应力f 和产生的剪切速率，之间存在一定的函数关 系，即： t = f (