（环境工程专业论文）城市污泥微波快速高温好氧堆肥的机理研究.pdf

城市污泥微波快速高温好氧堆肥的 机理研究 专业：环境工程 博士生：俞强 指导教师：雷恒毅教授 摘要 城市规模扩大和人口增加，促使城市污水处理厂的负荷不断加大，而污水处 理产生的大量污泥也成为必须处理处置的环境难题。当前，污水厂活性污泥存在 产量大、含水率高、容积大、脱水困难等问题，使得污泥处理处置成为污水处理 工艺中的难点。为解决污泥处理中存在的问题和了解产生这些问题的原因，并最 终达到污泥的减量化、无害化和资源化利用，本研究采用微波技术破解剩余污泥 以改变污泥理化特性，并结合污泥高温好氧堆肥技术，以分析微波预处理对污泥 理化特性的影响和微波快速高温好氧堆肥的理化特性、酶学指标和重金属含量， 为探明微波预处理对污泥及高温好氧堆肥的促进作用和影响机理提供理论基础 和实践依据，主要的研究结论如下： 通过5 0 0w 、7 5 0w 和9 0 0w 的微波功率7 个微波接触时间水平进行活 性污泥破解实验。研究结果表明，微波能有效改变污泥理化性质，破坏污泥絮体 结构和细胞壁，使污泥中固体物向液相转变，从而改变污泥的沉降性和可生化性， 主要表现在污泥中的s c o d 、浊度、v s s 溶解率、胞外聚合物含量和无机氮含量 随着微波接触时间的增加而增加，而污泥沉降速度的减少随着微波接触时间的增 加而减少，这些理化指标的变化直接依赖于应用的微波功率和微波接触时间的大 小，与微波接触时问具有显著的相关性。合适的微波条件能有效地改善污泥的理 化特性和沉降性能。本研究中，微波功率为9 0 0w 和微波接触时间为6 0s 是提 高污泥沉降性能的最佳微波条件。 污泥脱水是污泥减量过程中的重要步骤，微波作为破解污泥的重要方法， 对污泥的脱水性能同样有着重要的影响。本论文分析了5 0 0w 、7 5 0w 和9 0 0w 的微波功率7 个微波接触时间水平下污泥c s t 和s r f 的变化情况来研究微波对 污泥的脱水性能的影响。结果表明，不同的微波条件产生不同的污泥脱水结果。 随着微波接触时间的增加，污泥的脱水性能表现为先改善而后显著恶化，表现在 污泥c s t 和s r f 先下降后显著增加。短的微波接触时间可以提高污泥的脱水性 能，而长的微波接触时间会显著恶化污泥的脱水性能。因此，一个合适的微波功 率和接触时间能够提高污泥的脱水性能。根据污泥毛细吸水时间和污泥比阻我们 得出最佳的微波条件是9 0 0w 的微波功率和6 0s 的微波接触时间。同时从污泥 破解程度、胞外聚合物浓度和污泥颗粒粒径和微波接触时间的相关性分析中可以 得出，污泥破解程度、胞外聚合物浓度和颗粒粒径对污泥的脱水性有着一定的影 响作用。最佳的微波条件下，产生了最佳的污泥破解程度( 1 5 2 ) 、胞外聚合 物浓度( 1 5 0 0 - - 2 0 0 0m g 1 ) 和污泥粒径( 1 2 0 - 1 4 0i n n ) 。 污泥中的生物酶活性是对污泥中有机物的生物降解和转化起着重要的 作用，研究微波条件下污泥生物酶活性的变化情况有助于进一步了解微波对污泥 的作用机制。本论文分析了7 5 0w 和9 0 0w 的微波功率7 个微波接触时间水平 下污泥的蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、碱性磷酸酶和脱氢酶活性 的影响。研究结果表明，不同的微波条件下污泥的酶活性不同。污泥中蔗糖酶、 淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、磷酸酶、脲酶和脱氢酶的酶活性基本随着微波接触 时间的增加而上升，到达酶活最高值后迅速下降。微波功率越大，达到各种生物 酶的最高酶活值也越高，同时所需要的微波接触时间也越短。 本论文还分析了两个污泥预处理情况下( 微波预处理和传统水浴加热处理) 污泥温度对酶活性的影响。研究结果表明，污泥温度对生物酶的活性起着重大的 作用。每种生物酶都有一个最高的温度适应值，超过这个温度值，污泥生物酶活 性将急剧下降。污泥蔗糖酶、淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶的最佳污泥温度为6 0 ，磷酸酶、脲酶和脱氢酶的最佳污泥温度为4 0 。对比分析微波预处理和传 统水浴加热处理污泥后污泥的酶活性的大小，证明了微波预处理污泥不仅仅是微 波的热效应的作用，微波的非热效应也起着相当大的作用。 n 在污泥堆肥实验中，本论文设置了三种堆肥方法：未经任何处理的污泥 堆肥、微波预处理后进行污泥堆肥和微波预处理后添加高效生物菌剂的污泥堆 肥。通过堆肥温度的变化曲线可以得出微波预处理后进行污泥堆肥，减少了传统 污泥堆肥所需的升温时间天数，使堆肥提前进入高温期，同时也提高了堆体所能 达到的最高温度，延长了堆体的持续高温时间。经过微波预处理的堆体b 的堆 肥最高温度为6 4 0 c ，比堆体a 的提高了2 8 ；堆体b 的高温期( 5 5 0 c 的天数) 为7 天，大大高于堆体a 的2 天。三个堆肥的p h 值、含水率、e c 值、可溶性 氨氮浓度、硝态氮的浓度和g i 的变化规律呈现一定的相似性。堆肥结束后，微 波预处理后的污泥堆肥比传统污泥堆肥的g i 增加了4 0 7 4 ，说明微波预处理极 大地促进了堆肥腐熟。 堆肥酶活性的大小反应了堆肥的进程和腐熟进程。本论文研究了三种堆 肥过程中酶活性( 蔗糖酶、淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、脲酶、磷酸酶和脱氢酶) 的大小。研究结果表明，微波预处理污泥堆肥能有效提高堆肥中的酶活，并减少 达到最高酶活值所需的堆肥时间，从而提高污泥堆肥腐熟进程。 污泥中的重金属含量是限制污泥农用的关键因素。本论文研究了三个堆 肥过程中重金属( z n 、c u 、n i 、c d 、c r ) 的总量和各自的重金属形态分布。研 究结果表明，微波预处理能有效减少污泥堆肥中的重金属总量，并提高污泥堆肥 中重金属稳定态含量，减少污泥堆肥中重金属不稳定态的含量。微波预处理后添 加高效生物菌种，更有利减少污泥堆肥中的重金属总量并且增加重金属稳定态的 含量，更大程度降低污泥堆肥中重金属的生物毒性。 综上所述，微波因其技术上的特点和优势，而成为污泥预处理的重要物理方 法。合适的微波条件能够提高污泥的沉降性能、脱水性能和酶活性。微波预处理 应用于污泥堆肥，可以延长堆肥的高温期，加速堆肥腐熟，是一个值得进一步推 广的污泥堆肥技术。 关键词：微波，高温好氧堆肥，污泥脱水，微波接触时间 i l l s t u d y o nm e c h a n i s mo f r a p i dh i 曲一t e m p e r a t u r ea e r o b i c c o m p o s t i n go fs e w a g es l u d g eb ym i c r o w a v ep r e t r e a t m e n t m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：y uq i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l e ih e n g y i a b s t r a c t u r b a ne x p a n s i o na n dp o p u l a t i o ng r o w t hc a u s e dad r a m a t i c a l l yi n c r e a s ei nt h e p r o c e s s i n gl o a do fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，w h i l eal a r g en u m b e ro fe x c e s s s l u d g ep r o d u c e db ya c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s e sh a db e c o m ea l le n v i r o n m e n t a lp r o b l e m w h i c hw a sr e q u i r e dt od i s p o s e a l s o ，t h et r e a t m e n ta n dd i s p o s a lo fe x c e s ss l u d g ew a s v e r yd i f f i c u l td u et ol a r g ev o l u m e s , h i g hw a t e rc o n t e n ta n db a dd e w a t e r a b i l i t y ot o s o l v et h e s ep r o b l e m sa n du n d e r s t a n dt h er e a s o n sb e h i n d ，a n df i n a l l ya c h i e v et h e r e d u c t i o n , r e c y c l i n ga n ds a f e t yt r e a t m e n to fs l u d g eu t i l i z a t i o n , t h i sw o r ku t i l i z e d m i c r o w a v et od i s i n t e g r a t ee x c e s ss l u d g eo ru n d e r s t a n dt h ee f f e c t so fc h a n g e si nt h e p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so nd e w a t e r a b i l i t y t h i sw o r ka l s oc o m b i n e d m i c r o w a v ew i t hh i g ht e m p e r a t u r ea e r o b i cc o m p o s t i n gt oa n a l y z et h ee f f e c to f m i c r o w a v ep r e t r e a t m e n to np h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，e n z y m ea c t i v i t i e s a n dh e a v ym e t a lc o n t e n t so fc o m p o s t i n g t h i sp r o v i d e dt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb a s i s f o rb e t t e ru n d e r s t a n d i n gt h ee f f e c t so fm i c r o w a v et e c h n o l o g yo ns l u d g et r e a t m e n t 、 h i 曲t e m p e r a t u r ea e r o b i cc o m p o s t i n g a n dt h em e c h a n i s m sb e h i n d t h em a j o r c o n e l u s i o n sw e r ed r a w na sf 0 1 l o w s ： t h r e em i c r o w a v ee n e r g yl e v e l s ( 5 0 0w7 5 0w a n d9 0 0 聊w i t hs e v e n m i c r o w a v ec o n t a c tt i m e sw e r eu s e dt od i s i n t e g r a t ee x c e s ss l u d g et oi n v e s t i g a t et h e c h a n g e si np h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e m i c r o w a v ed e s t r o y sf l o es t r u c t u r e ，f a c i l i t a t e st h et r a n s f e ro fm a t t e ri n t ot h ea q u e o u s p h a s e ，a n db r e a l 【su pc e l lw a i l s ，a se v i d e n c e db yi n c r e a s e si ns c o d ，t u r b i d i t y , s o l u b l e m a t t e r , e p sc o n t e n t ，a n di n o r g a n i cn i t r o g e na n db yd e c r e a s e si ns e t t l i n gv e l o c i t y f u r t h e r m o r e ，c o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tm a n yo ft h e s ec h a n g e sw e r ed i r e c t l y i v d e p e n d e n tu p o nt h ea m o u n t o fm i c r o w a v ec o n t a c tt i m ea p p l i e d a na p p r o p r i a t e m i c r o w a v ee n e r g ya n dc o n t a c tt i m ew a sp r o v e dt oi m p r o v es l u d g es e t t l ea b i l i t ya n d d e w a t e r a b i l i t y i no u re x p e r i m e n t ，t h em i c r o w a v ee n e r g yo f9 0 0 w w i t hac o n t a c tt i m e o f6 0sm a yb et h eo p t i m a lc o n d i t i o nf o ri m p r o v i n gt h ea b i l i t yo f t h es l u d g et os e t t l e m i c r o w a v ep r e t r e a t m e n th a ds i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c eo ns l u d g ed e w a t e r a b i l i t y t h ee f f e c tw a ss u b j e c t e dt ot h em i c r o w a v ec o n d i t i o n e a c hm i c r o w a v ec o n d i t i o nl e d t oad i f f e r e n td e w a t e r i n gr e s u l t as h o r tc o n t a c tt i m es l i g h t l ye n h a n c e ds l u d g e d e w a t e r a b i l h y , w h i l eal o n gc o n t a c tt i m es i g n i f i c a n t l yw o r s e n e ds l u d g ed e w a t e r a b i l i t y a na p p r o p r i a t em i c r o w a v ee n e r g ya n dc o n t a c tt i m ew a sp r o v e dt oi m p r o v es l u d g e d e w a t e r a b i l i t y t h eo p t i m a lc o n d i t i o nb a s e d o nt h ec s ta n ds r fr e s u l t sw e r e d e t e r m i n e dt ob e9 0 0ww i t hac o n t a c tt i m eo f6 0s s l u d g ed i s i n t e g r a t i o n , e p s c o n c e n t r a t i o na n dp a r t i c l es i z ew e r ef o u n dt op l a yav i t a lr o l ei nt h eo b s e r v e dc h a n g e s i ns l u d g ed e w a t e r a b i l i t y t h eo p t i m a lm i c r o w a v ec o n d i t i o n , y i e l d i n gm a x i m u ms l u d g e d e w a t e r a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c sb yg e n e r a t i n g s l u d g ew i t ho p t i m a ld i s i n t e g r a t i o n ( 1 5 一2 ) ，e p sc o n c e n t r a t i o n ( 1 5 0 0 2 0 0 0m # 0 ，a n dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ( 12 0 p mt o 14 0o m ) i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tm i c r o w a v ei r r a d i a t i o ni sau s e f u lt o o lf o r e n h a n c i n gd e w a t e r a b i l i t y t h ee n z y m ea c t i v i t yh a ds i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c eo nt h eo r g a n i cm a t t e r d e g r a d a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o n i ta l s oh e l p e du st ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo f m i c r o w a v eo ns l u d g ea c c o r d i n gt os t u d y i n gt h ec h a n g eo fe n z y m ea c t i v i t yd u r i n g m i c r o w a v ep r e t r e a t m e n t i no u re x p e r i m e n t ，t h ea c t i v i t yo fs u c r a s e ，a m y l a s e ，p r o t e a s e ， u r e a s e ，p h o s p h a t a s e ，c e l l u l o s e a n dd e h y d r o g e n a s ew e r em e a s u r e do nd i f f e r e n t m i c r o w a v ec o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a te n z y m ea c t i v i t yi n c r e a s e dw i t hc o n t a c t t i m e ，a n dt h e nd e c r e a s e dw i t hc o n t a c tt i m e a tl a r g em i c r o w a v ee n e r g i e s ，s h o r t e r c o n t a c tt i m ew e r en e e d e df o rt h ei r r a d i a t i o nt og e n e r a t em a x i m u me n z y m ea c t i v i t y a n dh i g h e rm a x i m u me n z y m ea c t i v i t yw a so b t a i n e d t h es l u d g et e m p e r a t u r ea l s oh a ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ne n z y m ea c t i v i t y e a c h e n z y m eh a dam a x i m u ms u i t a b l et e m p e r a t u r e w h e nt h es l u d g et e m p e r a t u r ew a s b e y o n dt h i st e m p e r a t u r e ，t h ee n z y m ea c t i v i t yc o u l dd e c r e a s ed r a m a t i c a l l y t h e m a x i m u ms u i t a b l et e m p e r a t u r eo fs u c r a s e ，a m y l a s e ，p r o t e a s ea n dc e l l u l o s ew a s6 0 c ， a n du r e a s e ，p h o s p h a t a s ea n dd e h y d r o g e n a s ew a s4 0 c c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a l h e a t i n g ，a c c o r d i n gt ot h ed a t a , m i c r o w a v ep r e t r e a t m e n th a d n o to n l yt h et h e r m a le f f e c t ， b u ta l s ot h ea t h e r m a le f f e c to ne n z y m ea c t i v i t y v d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，t h r e em e t h o d so fc o m p o s t i n gw e r es e t ，i n c l u d i n g c o m p o s t i n gw i t h o u ta n ys l u d g ep r e t r e a t m e n t ，c o m p o s t i n ga f t e rs l u d g et r e a t m e n tb y m i c r o w a v ea n d c o m p o s t i n g a f t e rm i c r o w a v e p r e t r e a t m e n t w i t he f f i c i e n t m i c r o o r g a n i s m sa d d e di n t om e a n w h i l e a c c o r d i n gt ot h ed a t ao fc o m p o s tt e m p e r a t u r e ， w ec a nc o n c l u d e dt h a tm i c r o w a v ep r e t r e a t m e n tc a nd e c r e a s et h et i m e so fr a i s i n g t e m p e r a t u r ea n dm a k et h ec o m p o s t i n gi n t oh i 曲一t e m p e r a t u r ep e r i o di na d v a n c e i ta l s o h a dt h ea b i l i t yt oi m p r o v et h ep e a l 【t e m p e r a t u r eo fc o m p o s ta n dp r o l o n gt h ed u r a t i o n o fh i g h - t e m p e r a t u r ea b o v e5 5 u c a f t e rm i c r o w a v ep r e t r e a t m e n t ，t h em a x i m u m t e r r 】p e r a t u r eo fc o m p o s tb w a s6 4 0 c ，i n c r e a s e db y2 8 c o m p a r i n gt oc o m p o s ta a n d t h ed u r a t i o no f h i g h - t e m p e r a t u r ei nc o m p o s tb w a ss e v e nd a y sh i g h e rt h a nc o m p o s ta ( t w od a y s ) t h ep hv a l u e ，w a t e rc o n t e n t ，e cv a l u e ，t h ec o n t e n to fa m m o n i an i t r o g e n a n dn i t r a t en i t r o g e n , a n dg iv a l u ei nt h r e ec o m p o s t sh a ds i m i l a re v o l u t i o n s a f t e r c o m p o s t i n g ，t h eg iv a l u ew a si n c r e a s e db y4 0 7 4 a f t e rm i c r o w a v et r e a t m e n t i t i n d i c a t e dt h a tm i c r o w a v eh a dt h ec a p a b i l i t yt oa c c e l e r a t et h es l u d g ec o m p o s t m a t u r a t i o n me n z y m ea c t i v i t yr e f l e c tt h ep r o g r e s so fc o m p o s ta n dm a t u r a t i o n m i c r o w a v ep r e t r e a t m e n th a dt h ea b i l i t yt oi m p r o v et h ea c t i v i t yo fs u c r a s e ，a m y l a s e ， p r o t e a s e ，u l e a s e ，p h o s p h a t a s e ，c e l l u l o s ea n dd e h y d r o g e n a s e i tw a sa l s oc a p a b l eo f s h o r t e n i n gt h ec o m p o s tt i m et or e a c ht h ep e a ke n z y m ea c t i v i t ya n dt h e nt h ec o m p o s t m a t u r a t i o nw a sa c c e l e r a t e d t h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l si ns l u d g ew a st h el i m i t e df a c t o ro ff a r m a p p l i c a t i o n o fs l u d g e i no u rp a p e r , w eh a da n a l y z e dt h ec h a n g e so ft o t a lh e a v em e t a l s a n dt h es t a t u so fh e a v ym e t a l s ( z n , c u , n i , c da n dc r ) c o n t e n ti nt h r e ec o m p o s t s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tm i c r o w a v ep r e t r e a t m e n tc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o n t e n to f t o t a lh e a v ym e t a la n de a s i l ym o b i l ea n da v a i l a b l ef r a c t i o n so fh e a v ym e t a l s i ta l s o i n c r e a s e dt h ei m m o b i l ea n dl e s s - a v a i l a b l ef r a c t i o n so fh e a v ym e t a l s a d d i n ge f f i c i e n t m i c r o o r g a n i s m sa f t e rm i c r o w a v ep r e t r e a t m e n tc o u l ds i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h ec o n t e n t o ft o t a lh e a v ym e t a l sa n di n c r e a s e di m m o b i l ea n dl e s s - a v a i l a b l eh e a v ym e t a l s m e a n w h i l ei ta l s or e d u c e dt h eb i o t o x i c i t yo f h e a v ym e t a l si nc o m p o s t t os u mu p ，m i c r o w a v ec o u l db eu t i l i z e da sa ni m p o r t a n tp h y s i c a lm e t h o dt o d i s i n t e g r a t es l u d g ef o ri t st e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e s t h es u i t a b l e m i c r o w a v ec o n d i t i o n sh a dt h ea b i l i t yt oi m p r o v es l u d g es e t t l e a b i l t i y ，d e w a t e r a b i l i t y a n de n z y m ea c t i v i t y t h ea p p l i c a t i o no fm i c r o w a v et r e a t m e n ti n t os l u d g ec o m p o s t c o u l da c c e l e r a t et h es l u d g ec o m p o s tm a t u r a t i o na n ds h o r t e nt h ec o r r u p t i o nt i m e t h u s r a p i dh i g ht e m p e r a t u r ea e r o b i cc o m p o s tw i t hm i c r o w a v ep r e t r e a t m e n ti sc o n s i d e r e d t ob ea ne f f i c i e n tt e c h n o l o g yt or e u s es l u d g e k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ，h i g ht e m p e r a t u r ea e r o b i cc o m p o s t ，d e w a t e r a b i l i t y , m i c r o w a v ec o n t a c tt i m e v h 论文原创性声明 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，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：编弘 日期：帅年莎月乡e l 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。保密的学位论文在解密后使用本规定。 学位论文作者签名：箭多量 日期：2 0 l o 年月乡e l 导师签名： 日期：阳年6 月j e l 中山大学博士学位论文 第一章前言 1 1 引言 随着城市化进程的加快、城市人口的增加，工业废水和生活污水的排放量日 益增多，污泥的产量日益增加。大量的城市污泥如不加处置将会污染环境，占用 土地，甚至传播疾病。欧盟2 0 0 5 年干污泥产量为1 0 0 0 万吨n 1 ，2 0 0 8 年将突破1 7 0 0 万吨瞳1 ；美国的干污泥产量预计也将f l j 2 0 0 5 年的7 6 0 万达n 2 0 l o 年的8 2 0 万吨b 1 根据我国国民经济发展计划和建设部规划要求，2 0 1 0 年实现强化城市排水和污水 处理设施的建设，需新建污水处理厂6 0 0 多座，污水处理率达n 4 0 5 0 h 1 。届时 我国的污水处理量将达n 2 x 1 0 1 0 m 3 年，相应的年干污泥产量也将由现在的1 0 0 万 吨增加至3 6 0 万吨5 1 。 污泥中含有大量的有害有毒物质，如寄生虫卵、病原微生物、合成有机物及 重金属等，因而废水废水处理产生的污泥如果处理和处置不当，也会对环境造成 污染。污水污泥处理处置是污水处理事业的重要组成部分，其处理处置程度的好 坏是评价污水处理状况的重要标准。合理地处理处置既减少环境污染，又可以使 污泥成为资源进行综合利用。在我国，污泥处置技术与国外发达国家相比尚有较 大差距。目前，我国污水处理设施中配备污泥稳定处理设施的还不到1 4 ，污泥 处理工艺和配套设备较为完善的不到1 1 0 阳1 。因此，研究安全、高效、经济的污 泥处置技术，实现污泥无害化、减量化及资源化具有重要的理论和现实意义。 1 2 污泥的理化特性及危害 1 2 1 污泥的物理性质 不同阶段产生的污泥其物理性质有很大差异。污泥的物理性质很大程度上影 响着污泥的处理过程，表征污泥物理性质的常用指标有污泥的体积、含水率、比 阻及表面性质等。 ( 1 ) 体积 污泥的体积指的是污泥中固体的体积与水的体积两者之和。生污泥含水率 高，体积庞大，污泥的处理、利用及运输都有较大困难：浓缩后污泥体积为原来 的几分之一，大大降低运输及后续处理费用：脱水和干燥则进一步减少污泥的体 积。 ( 2 ) 含水率 中山大学博士学位论文 污泥中的水分形态通常分为自 由水( 毛细水) 、间隙水、表面吸附 水和化学束缚水( 内部水) 四类口1 。 自由水是与固体颗粒没有关联的部 分，般占总水分的7 0 左右，可 通过重力沉淀而分离。间隙水是被 束缚在絮体和微生物的间隙和夹缝 中的部分，约占总水分的2 0 ，必 须向污泥施加外力，如施加离心力， 图1 - 1 污泥水分分布示意图 f i g 1 - 1 s k e t c hf o rw a t e rd i s t r i b u t i o n i ns l u d g e 负压力( 真空过滤) 等，以破坏毛细管表面张力和凝聚力的作用力才能加以去除。 表面水是通过吸附和粘附方式在固体颗粒表面上的部分，化学束缚水是须通热干 化作用才能的部分，二者占污泥总水分的1 0 左右。图1 1 为污泥中不同类型水 分的存在形态。 ( 3 ) 比阻 污泥比阻常用来衡量污泥的脱水性能，它反映了水分通过污泥颗粒所形成的 泥饼时，所受阻力的大小。比阻与过滤压力、过滤面积的平方成正比，与滤液的 动力粘滞度及滤饼的干固体质量成反比，并取决于污泥的性质。 ( 4 ) 表面性质 污泥结构松散，其外观具有类似绒毛的分支与网状结构，形状规则，粒子质 量分布高度非均匀。许多分析都认为：污泥结构具有自相似分形的特点，即局部 与局部和局部与整体等在形态、功能、信息及时空结构等方面具有统计意义上的 自相似性陋1 ：分形结构理论是一个能有效描述其结构的方法。污泥比表面积与孔 隙率极高，比表面积介于2 0 1 0 0 c m 2 m l 9 1 ，孔隙率常大于9 9 1 0 1 。 1 2 2 污泥的化学性质 污泥的化学性质一般包括酸碱度、植物养分含量、污染物质含量及其可浸出 性等方面。不同化学性质的污泥采用不同的处理和资源化利用方法。 ( 1 ) 基本理化性质 2 中山大学博士学位论文 表1 1 城市污水处理厂污泥的基本理化性质 t a b 1 - 1p h y s i c a l - c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g ef r o mm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ( 2 ) 植物养分 污泥含有丰富的植物养分，可转化为植物培植基质( 人造表土、和有机肥等) 一般来说，植物生长所必须的常量营养元素包括碳、氢、氮、磷、钾、钙和硫， 其中氮、磷、钾最容易缺乏，因此经常需要以肥料的形式添加到土壤中。尽管污 泥中含有的常量营养元素和微量营养元素与土壤的需要量比起来相对较少，但它 们可以提供各种土壤所需要的营养元素，包括氮、磷、钾、钙、锰以及其它必需 的微量营养元素，其中氮、磷和钾在污泥的资源化利用方面起着非常重要的作用。 ( 3 ) 污染物质 污泥中通常含有一些有机和无机的化合物，这些化合物的过量存在会严重影 响动植物的生长以及人类的身体健康，也限制了污泥的资源化利用。污泥中通常 都含有砷、铬、铜、汞、锌等重金属污染物，其中含量的多少每个污泥处理厂污 泥都不一样。 1 2 3 污泥的生物性质 污泥中包含多种多样的微生物群体。这些微生物群体在污泥的处理和实际利 用中起到双重作用，既有有益的作用，又有有害的作用。污泥中微生物体可以分 为细菌、放线菌、病毒、寄生虫、原生动物、轮虫和真菌。这些微生物中有相当 一部分是致病型的。污泥处理的一个主要目的就是去除致病微生物，使其达到合 格标准。 多数污水处理工艺都是将污水中的致病微生物去除，而将其转移到污泥中 去。污水得到净化的同时，污泥中却含有了大量的致病微生物。初次沉淀池污泥 含有大量活的和死的原生动物胞囊以及寄生虫和线虫卵。二次沉淀池污泥含有一 3 中山大学博士学位论文 定数量的细菌和病菌。 未处理的污泥如施用到农田会将微生物和病毒的污染传播给庄稼作物以及 地表以及地下水。污水处理厂、污泥处理设施、污泥堆肥、污泥土地填埋和污泥 土地利用等如果操作不当，都可能产生大气和工农业产品的致病体污染。因此， 污泥资源化利用和处置之前的有效处理对于防止致病体带来的疾病是十分重要 的。 1 2 4 污泥的危害 污泥中含有大量的养分，如氮、磷，但是也含有大量病原菌、寄生虫( 卵) ， 铜、锌、铬、汞等重金属，盐类以及多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的 有毒有害物。这些物质对环境和人类以及动物健康有都可能造成较大的危害n 1 1 。 1 污泥盐分污染 污泥含盐量较高，会明显提高土壤电导率、破坏植物养分平衡、抑制植物对 养分的吸收，甚至直接对植物根系造成伤害，而且离子间的拮抗作用会加速有效 养分的淋失n 副。 2 病原微生物 污水中的病原体( 病原微生物和寄生虫) 经过处理后还会进入污泥。新鲜污泥 中检测得到的病原体多达千种，其中危害较大的是寄生虫。 污泥中病原体对人类或动物的污染途径大致有4 条：直接与污泥接触； 通过食物链与污泥直接接触而被感染；水源被病原体污染；病原体首先污染 土壤，然后污染水体。污泥农用引起的潜在疾病的流行，现在一致认为认为主要 与沙门氏菌和绦虫卵有关。 3 氮磷等养分的污染 在降雨量较大地区的土质疏松，如果当土地上大量施用富含n 、p 等的污泥 之后，当有机物分解速度大于植物对n 、p 的吸收速度时，n 、p 等养分就有可能 随水流失而进入地表水体造成水体的富营养化或者进入地下引起地下水的污染。 4 有机有毒有害物质 污水处理厂污泥中这些有机有毒有害物质主要来源于化学工业，特别是与碳 和氯有关的化学工业。虽然目前它们对植物的危害及植物的吸收情况尚不十分清 楚明了