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城市污水处理厂污泥过滤脱水性能的试验研究 摘要 污泥处理处置是城市污水处理厂不可缺少的一部分，其目的是减容、稳定化、无害 化和资源化，以保证污水处理厂的正常运行和处理效果，防止二次污染。本研究对国内 外污泥处理处置概况和我国污泥特点分析的基础上，结合郑州市五龙口污水处理厂工 艺，采用化学调节法对改善活性污泥脱水性能进行了较系统的试验研究。 首先对选用的3 种污泥分别进行4 种混凝剂的混凝试验，同时在定压条件下测定其比 阻值，以比阻值为评价指标，选择对改善污泥脱水性能显著的混凝剂为最佳混凝剂。在 此基础上，进一步确定最佳投加量及其操作条件。试验结果表明：最佳调理药剂是聚丙 烯酰胺( p a m ) ；絮凝剂投加量0 0 6 鲫( 2 4 5 k g t 干泥) 。 其次，采用静态压滤试验，研究剩余污泥在强压条件下的脱水性能及影响因素，并 确定试验室静态压滤的试验压力和时间。试验结果表明：最佳操作条件压力0 6 m p a ；最 佳压滤时间3 0 m i n ；最佳絮凝剂聚丙烯酰胺( p a m ) 投加量2 5 k g t 干泥。 最后，通过v o l u t e 污泥脱水机的现场污泥脱水试验，研究剩余污泥的脱水性能，为 中、小型污水处理厂污泥脱水运行管理提供工程技术参数。 关键词：污泥调理，絮凝剂，过滤，比阻，静态压滤，污泥脱水，现场试验， 郑州大学硕士学位论文 s t u d yo ns l u d g ef i l t e rd e w m e d n gp r o p e r t yi nm u n i c i p a ls w a g e t r e a t m e n tp l a n t a b s t r a c t o n eo ft h ei n d i s p e n s a b l ew o r ki nm u n i c i p a ls w a g et r e a t m e n tp l a n t ( m s t p ) i ss l u d g e t r e a t m e n ta n dd i s p o s a l ，w h o s ep u r p o s ei sr e d u c i n gv o l u m e , s t a b i l i f y i n g ，n o p o i s o n u sa n d c o m p r e h e n s i v es u r v e y ，g u a r a n t e e i n gt h ep r o p e r t yo p e r a t i o na n dt h et r e a t m e n te f f e c to f m s t p ，p r e s e n t i n ga s e c o n dp o l l u t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fs l u d g et r e a t m e n td i s p o s a l ，t h e s t u d yi sm a i n l ya b o u tt oi m p r o v et h ed e w a t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v e ds l u d g ea d o p t i n gt h e c h e m i c a lc o n d i t i o nm e t h o d o l o g y ，a s s o c i a t i n gt h ed i s p o s a lt e c h n o l o g yi nw u l o n g k o us e w a g e t r e a t m e n tp 1 a n t f i r s t l y ，t h es t u d ys e l e c t st h ea c t i v a t e ds l u d g et om a k ec o a g u l a n te x p e r i m e n tw i t h4 d i f f e r e mc o a g u l a n t s 。r e g a r d st h es p e c i f i cr e s i s t a n c ea sat a r g e t ，t a k et h ec o a g u l a n t sw h i c hc a r l i m p r o v et h ed e w a t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v a t e dd r a m a t i c a l l ya s t h eo p t i m u mc o a g u l a n t b a s e do rt h es p e c i f i er e s i s t a n c e ，t h es t u d yf u n dm a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es l u d g e d e w a t e r i n ga n dg e tt h eo p t i m u mf a c t o rc o m b i n a t i o n r e s u l t e ss h o w st h a tp a m i st h eb e s t m e d i c a m e n t ，d o s a g eo f2 4 5 k gp e r d r ys l u d g e ( t ) s e c o n d l y ，b a s e do nt h es t a t i cp r e s st e s t ，s t u d yo ns l u d g ed e w a t e f i n gp r o p e r t ya n dm a i n f a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es l u d g ed e w a t e r i n g ，f u r t h e rm o r e ，p e r s so fs t a t i cp r e s st e s ta n dt i m eo f s t a t i cp r e s st e s ta r ec a r r i e do u ti nl a b o r a t o r yr e s e r r c h r e s u l t e ss h o w st h a tp e r s so fs t a t i cp r e s s t e s ti s0 6 m p aa n dt i m eo fs t a t i cp r e s st e s ti s3 0m i n u t e r ：t h eo p t i m u md o s a g ei s2 5 k gp e r d r y s l u d g e ( t ) f i n a l l y ，ap r o d u c t i v es l u d g ed e w a t e r i n gt e s to fv o l u t ei sc a r r i e do u ti nm u n i c i p a ls w a g e t r e a t m e n tp l a n t ，t h es t u d yi sm a i n l ya b o u tt od e w a t e r i n gp r o p e r t yo fa c t i v e ds l u d g e a tt h e s a m et i m e ，t h er e s e a r c hc a na l s op r o v i d er e f e r e n c eo fs l u d g ed e w a t e r i n gt om i d d l ea n dm a l l s e w a g et r e a t m e n tp l a n t k e y w o r d s ：s l u d g ec o n d i t i o n ，f l o c c u l a n t ，f i l t e r ，s p e c i f i cs i s t a n c et of i l t r a t i o n ，s t a t i cp r e s s t e s t ，s l u d g ed e w a t e r i n g ，p r o d u c t i v et e s t i i 郑州大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究目的和意义 城市污水污泥是污水处理过程中产生的固体废弃物，一般产生的污泥量约占总处理 污水量的0 3 0 5 ( 体积) 【l 】。污泥的含水率高，体积大，性质不稳定，极易腐化并产 生臭气，不利于运输和处置。目前我国污泥处理尚未被真正重视，大量的未经处理的污 泥被任意堆放和排放，处理处置不当的污泥进入环境后，将直接给水体和大气带来二次 污染，不但会降低污水处理系统的有效处理能力，而且还对生态环境和人类活动构成严 重威害。 随着我国社会经济的发展和城镇化进程的加快，城镇的污水处理问题同趋显著，“十 一五”期f 臼】我国将建设一大批中、小型污水处理厂，以控制城镇水环境日益恶化的现状、 提高城镇居民的生活质量，河南省政府要求2 0 0 7 年所辖县必须建设污水处理厂，这样将 新增1 0 0 多个中、小型污水处理厂。污泥处理是污水处理系统的重要组成部分，只有正 确、恰当地处理处置污泥，才能保证污水处理厂的正常运行及其处理效果。 目前，中、小型污水处理厂多采用活性污泥法处理污水，会产生大量的剩余污泥， 而污泥的处理处置一直是中、小型污水处理厂建设和运行中存在的一大难题，与大型污 水处理厂不同，中、小污水处理厂如采用消化的处理模式，一次性投入资金较大，运行 成本也较高，一般多采用机械浓缩脱水方式。目前，中、小型污水处理厂机械浓缩脱水 方式采用带式浓缩脱水一体机，而此种浓缩脱水一体机在运行中存在许多问题，主要为 操作调试比较复杂，运行中普遍存在是跑带现象，需要频繁调节；滤布易堵，使用寿命 短；敞开在空气中，工作环境较差，气味大；自动控制系统运行不稳定等。随着环境保 护事业的不断发展，污水处理厂全部基建费用中，用于处理污泥的约占2 0 5 0 ，甚 至达n 7 0 【2 】。探索经济适用的污泥脱水设备，将产量巨大，成分复杂的污泥进行处理 已成为当今环境界深为关注的课题之一。 污泥调理是污泥处理中十分重要的一个环节。污泥脱水前进行的一系列减量手段， 虽然含水率有一定的下降，但含水率仍在9 5 以上，脱水性能差，因此在机械脱水前必 须进行污泥调理，使比阻值在适合机械脱水的范围内，经化学调节后的污泥脱水性能得 到改善，机械脱水后污泥体积减少很多，为后续处理处置打下良好的基础。 本课题在理论联系实际的基础上，对污泥的脱水性能及其影响因素进行仔细研究， 郑州大学硕士学位论文 通过污泥脱水性能试验和对河南省典型城市污水处理厂污泥处理脱水机械目前的使用 情况进行深入调研，以期确定化学调节法的最佳絮凝剂和最佳操作条件，为污泥机械脱 水的预处理提供较为准确和可行的工程设计和运行管理的工艺参数，改善污泥的脱水性 能，利于后续的机械脱水，达到降低污泥含水率、减少污泥体积的目的，以便于污泥的 处理与处置，为污泥的最终处置和利用奠定基础。 总之，研究准确、合理、可操作性强的污泥调节操作程序和方法，是中、小型污水 处理厂污泥脱水过程中的一个重要环节，而对污泥脱水性能的研究是探索经济适用的污 泥处理处置技术过程中的一项基础研究工作，因此，对中、小型污水处理厂污泥脱水性 能进行研究对污泥的合理处理与处置，甚至环境保护事业都具有重要的现实意义。 1 2 污泥脱水的研究进展 1 2 1 污泥性质及其脱水性能 ( 1 ) 污泥物理结构及其脱水性能 污泥的组成粒子为水中悬浮固体经不同方式胶结凝聚而成，结构松散，形状不规则， 具有分形结构，外观上具有类似绒毛的分支与网状结构，高度非均匀，比表面积大及孔 隙率极高( 孔隙率常大于9 9 ) 。 污泥颗粒尺寸对污泥的脱水性能有较大的影响，当胶体颗粒比例增加时，离心分离 的固体回收率降低，压滤机的滤饼渗透性变低，过滤性变差，调理剂最佳用药量增加。 活性污泥的细小颗粒所占比例依赖污泥本身的性质和外界的湍流剪切力，絮体抵制瓦解 为细小颗粒的能力对于脱水而言是重要的，污泥含固率对调理脱水的影响，其实质是由 于细小颗粒量的多少引起的。随着污泥固体浓度上升，单位固体浓度对应的浊度和粘度 上升( 说明了细小颗粒的增j i ) ，单位固体浓度对应的最优加药量增加，同等加药量调理 后的污泥的脱水性能下降3 1 。 污泥颗粒的密度也被认为是影响污泥脱水性能的主要因素之一。目前在试验中常用 到的是有效密度。污泥颗粒的有效密度与尺寸是两个相互关联的特性。早期研究显示对 于较小的颗粒，其有效密度随尺寸增大而减小。现在普遍认为这两个参数不是相互独立 的，并且形成了一个经验公式：p 。= a d 4 ，其中d 为颗粒的直径，而a 与n 是取合适的 常数，n 的取值范围为1 8 2 0 ：而a 的取值与p h 值等有紧密关系3 1 。 迄今为止，有关污泥物理结构与污泥脱水性能的关系的研究还很有限，缺乏对规律 2 郑州大学硕士学住论文 和过程特性的基本了解。 ( 2 ) 污泥化学组成及其脱水性能 污泥的化学组成非常复杂，主要是有机物、无机物等组成的复杂混合物，其中胞外 聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 对污泥脱水性能的影响尤为显著，在活 性污泥生物凝聚、沉降及脱水方面，都被认为有相当大的影响【4 l 。e p s 是微生物在一定 环境条件下产生的高分子物质，主要成分为多糖、蛋白质及d n a 等。e p s 像一个高度水 化的胶囊包裹着细菌，作为粘性物质分散在溶液中。e p s 可以阻止细胞干燥并且作为“离 子交换树脂”，控制离子从溶液进入细胞，从而帮助细菌细胞生存【5 】，活性污泥难脱水的 原因之一就在于e p s 的存在。 e p s 是通过环绕细菌细胞的分子物的高度水合作用，和它自身在凝聚中的作用来对 污泥脱水性能产生影响，凝聚改变了污泥颗粒尺寸分布，将小颗粒凝聚起来，从而影响 到污泥脱水性能，而颗粒尺寸分布是污泥脱水性能的一个主要影响因素。陈银广等研究 了酸和表面活性剂对活性污泥脱水性能、沉降性能和e p s 的影响。通过测定脱水清液中 多籍、蛋白质、d n a 的含量来考察药剂对e p s 的影响。试验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 p s 含量，释放出间隙水，从而提高了污泥的脱水 性能和沉降性能，建议可以作为污泥加絮凝剂调理f ；仃有效的预处理手段砸，7 引。同时， e p s 是使带有同性电荷的微生物体形成絮体的重要因素，其絮凝作用对污泥脱水有利； 但它本身通过选择吸收、官能团电离等作用可以吸附、吸收水分，其高度水合作用对污 泥脱水不利。不同种类污泥e p s 含量及污泥脱水性能的关系可以使污水厂合理地确定脱 水方案以确保污泥最佳脱水效果。 二价离子( 尤其是c a 2 + ) 、无机颗粒和e p s ( 胞外聚合物) 的相互作用，导致了活性污泥 中絮休的形成和沉降。c a 2 + 在e p s 之间及e p s 与细菌之间起架桥作用，在絮体稳定中起重 要作用一，1 0 ，1 l 】。尽管c a 2 + 在絮凝过程中很重要，但关于c a 2 + 与e p s 特殊成分的亲和力 等方面的信息仍很缺乏。n o v a k 等研究了铁离子在决定絮体结构及脱水特性中的作用， 尤其是铁离子和生物酶中蛋白质的相互作用。他们指出当铁离子增加时，溶液中蛋白质 被去除，这也导致污泥c s t 降低1 2 】。 ( 3 ) 污泥絮体特性及其脱水性能 众所周知，污泥絮体特性与污泥的脱水性能之间有密切的关系。许多研究证明，絮 体尺寸、密度、结构等在污泥脱水中起着重要作用。 y q z h a o 试验研究了添加不同聚合物后，絮体的物理特性与调理后污泥的脱水性能 3 郑州大学硕士学位论文 之间的关系。然而试验仅仅得出了絮体尺寸与聚合物最佳用量的微弱联系，但是值得注 意的是最佳脱水行为并不是出现于絮体有效密度及密实度最大的情况下。因为絮体物理 特性是聚合物与污泥颗粒相互作用的反映，任一种单一的絮体特性指标可能与污泥脱水 率的相关性不是很好，添加聚合物后最佳的脱水能力可能与上述提到的絮体特性的总体 效应有关“。 c h r i s t e u e 等试验研究了铁铝絮凝剂絮体结构对污泥脱水性能的影响。絮体尺寸可由 基本单元尺寸和分形尺寸来衡量，以c s t ( 毛细吸水时间) 值作为污泥脱水速度的评价指 标，以污泥结合水含量作为污泥脱水程度的评价指标。通过粘土悬浮液化学条件的改变 来改变絮体结构从而影响污泥脱水性能。试验发现在同样条件下，铁盐絮体分维尺寸较 铝盐絮体分维尺寸小，即铁盐絮体结构更开放些，因此含更多的水，但结合水含量却少 些，因此其污泥脱水程度高些。污泥脱水阻力也与絮体结构有关，当絮体小些，c s t 也 小些，对于同样的絮体直径，由于铝盐族小些，因此铝盐的c s t 值要小此【1 4 1 。 a h b a c h 试验研究了明矾污泥脱水中氢氧化物的影响。试验在明矾污泥及含氢氧化 物悬浮液之间进行一系列的比较( 悬浮液中氢氧化物含量与明矾污泥中有絮凝作用的那 部分物质的浓度相同) ，包括絮体尺寸、絮体浓度及不同时间的脱水行为。试验发现两 种情况下絮体尺寸基本相等，从而指出与絮体尺寸紧密相关的絮体强度也一致，并且在 两种情况下聚合物的吸附行为也惊人的一致，还有s r f ( 比阻) 趋势及最优加药量的一 致性【1 5 】。 1 2 2 污泥调理的研究进展 ( 1 ) 化学调理 污泥调理是为了改善污泥脱水性能，化学调理是其最常用的一种手段。化学调理即 在污泥中加入化学药剂( 如助凝剂、混凝剂等) ，使颗粒絮凝，改善脱水性能。 助凝剂本身一般不起混凝作用，而在于调节污泥的p h 值，改变污泥颗粒的性质、 结构，破坏胶体稳定性，供给污泥以多孔状格网的骨骼，提高絮凝剂的絮凝效果，增强 絮体强度等。常用的助凝剂主要是一些填充料如硅藻土、锯屑、电厂粉尘和石灰等惰性 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，增加脱水后泥饼 的含固率，泥饼容易剥离滤布，从而提高机械脱水的工作效率。 在污水厂污泥处理中还出现了一些不能完全算是助凝剂，但它们也被用以与混凝剂 合用来改善污泥脱水性能。见表面活性剂在活性污泥脱水领域与其他混凝剂合用，有较 4 郑州大学硕士学位论文 好的效果“4 j 。北京科技大学的张辉等进行了助凝剂强化剩余污泥脱水技术的研究，研究 发现s t 与阳离子p a m 合用效果更好1 6 1 。 常用的混凝剂有无机和有机高分子两类。无机混凝剂有铝盐和铁盐等，如氯化铝、 硫酸铁、氯化铁及聚合铝( p a c ) ，聚合硫酸铁( p f s ) 等，常用污泥处理的有机高分子混 凝剂主要是聚丙烯酰胺( p a m ) ，分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型等几种。 处理污水厂污泥，阳离子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，认为将表面活性剂与p a m 合用来调理剩 余污泥比较经济n 7 1 。近年来有不少新型合成的高分子聚合物用于污泥脱水中，如h y c ( 丙烯酸酯季铵盐与丙烯酸铵的共聚物) 絮凝剂在生化污泥脱水应用中取得较好的效果 【1 8 】；改性壳聚糖絮凝剂对污泥脱水效果明显好于普通絮凝剂1 9 1 ；阳离子絮凝剂p d a ( 二 甲基二烯丙基氯化铵和丙烯酰胺的共聚物) 在污泥脱水中的应用 2 0 l 等。 ( 2 ) 物理调节法 常见的物理调节法有淘洗法、热处理法、冰冻法等【l 】。 淘洗法适用于消化污泥的预处理，目的在于节省混凝剂用量，降低机械脱水的运行 费用。 加热处理可分为高温加压处理法和低温加压法。污泥通过加热处理，可使部分亲水 性有机胶体物质水解，污泥颗粒结构改变，改善污泥的浓缩性能和脱水性能。其优点是 可以大大改善污泥的脱水性能，热处理污泥经机械脱水后，泥饼含水率可降至3 0 一 4 5 。缺点是污泥上清液的b o d 5 和c o d 都很高，回流处理时要增加水处理构筑物的 负担，有臭气，设备易腐蚀，费用高。 冰冻法是指将污泥慢速冰冻，完全结冰后在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，特别对于明矾污泥有极好的效果。 此外，也对污泥进行超声波处理改善加入混凝剂后的污泥絮体结构，提高脱水性能 的报道2 1 , 2 2 , 2 3 】；对污泥进行静电与反静电改善污泥的脱水性能矧：电凝聚法改善剩余污 泥脱水性能等。 1 2 3 污泥机械脱水的研究进展 由于污泥脱水的效果直接影响到污泥的后续处理效果和投资，所以国内外都很关注 污泥的脱水技术。常用的污泥脱水方法有自然干化、机械脱水及加热等，其中机械脱水 技术占主导地位，与加热脱水方式相比，机械挤压的能量消耗相对较低，被广泛应用于 郑州大学硕士学位论文 污泥的固液分离，是污泥脱水的主导方向期。 ( 1 ) 现状情况 目前，国内外广泛采用的是机械脱水方法，主要的脱水机有板框压滤机、带式压滤 机、真空过滤机和卧式螺旋卸料沉降离心机等。 真空过滤机是在转筒内产生负压( 4 0 8 0 k p a ) 将污泥吸到滤布上，形成滤饼进行脱 水，因操作复杂、能耗高、目前很少使用 2 7 1 。 板框压滤机是在高压下( o 2 9 - 0 6 9 m p a ) 使污泥脱水，能得到含水率较低的泥饼， 但是间歇作业，操作强度大，操作麻烦，其使用也受到一些限制。近几年，为了解决这 个问题，人们又开发了自动装卸的板框压滤机，鞍山工业污水处理厂采用板框压滤机鲫。 带式压滤机是将化学调节好的污泥放在两条滤带间，依靠滚压轴的压力和滤布的张 力榨取污泥中的水分。由于能够连续运行、机械制造容易、基建和运行费用低，占地小， 噪音低，在国内外的污泥脱水中得到了广泛的应用，在国内发展尤其迅速。但普遍存在 跑带现象，需要频繁调节；滤布易堵，使用寿命短；敞开在空气中，工作环境较差，气 味大；自动控制系统运行不稳定等。因此带式压滤机运行管理比较复杂。天津纪庄子污 水处理厂、杭州四堡污水处理厂、桂林中南污水处理厂等都采用带式压滤机。 离心机是靠离心力来分离污泥中的水分。它具有产量高、能连续运行、运行管理简 单等优点，世界各国在污泥处理中应用较多，主要使用卧式螺旋卸料沉降离心机。最近 几年在我国新建大型污水处理厂使用较多，因此可能是国内今后发展的方向田】。 螺旋压榨脱水机，这种装置比较简单，由带滤孔的压榨圆筒和贴近筒内壁的可旋转 锥形螺旋组成。螺旋压榨的脱水效果与螺旋杆轴的直径、长度、速度和结构形式、压力 梯度分布及压榨时间有关。螺旋压榨机械的特点是结构简单，压榨力大，脱水效果好， 动力消耗少，可以连续作业，尤其适用于对污泥及各种废弃物进行高效脱水。 螺旋压滤浓缩脱水一体机，主要有固定环、游动环、带螺旋的螺旋轴组成，螺旋压 滤脱水效果与游动环与固定环的间距、螺旋轴上的螺旋间距、背压板的间距、转动速度 等有关，螺旋压滤浓缩脱水一体机特点是结构简单，操作方便，脱水效果好，能连续作 业，尤其适用于小型污水水处理厂的污泥脱水。 我国污泥脱水技术的研究和脱水机械的实践起步较晚，机种以带式压滤机发展较 快，目前，新建2 0 z f m 3 d 以上污水处理厂污泥处理均采用离心脱水机，而2 0 万m a d 以下 的污水处理厂多采用带式浓缩脱水一体机。 发达国家污泥机械脱水技术发展较快，为了提高污泥的脱水率，设计出了许多新型 6 郑州大学硕士学位论文 的污泥脱水机械，如滚压式污泥脱水机、螺旋压榨污泥脱水机，虽然为此需要较大的投 资，但会因运输和处置费用降低而得到补偿，这已有许多实例可以作为证明。 离心机、板框压滤机和带式压滤机应用都比较广泛，各有优缺点，很难确定那一种 脱水方式绝对的好。比较不同的脱水方式，考虑因素很多，d v a i ds s l o a n ! 堋等人曾用中 试装置对不同的脱水方式进行过全面的比较，采用压滤脱水，污泥含固率高，能耗低。 2 0 0 2 年，d o u g l a sd d r u r y l 2 9 1 等人比较了实际规模的带式压滤机和离心机，主要评价指 标为污泥脱水后的含固率、处理量、能耗、释放的臭味、调理剂用量及价格、是否易于 操作，认为离心机经济上更具有优势。 ( 2 ) 常用脱水机性能比较 脱水机械性能直接关系到污泥最终的脱水效果和处理费用，通常以产生泥饼的含水 率和固体保留率来评价脱水机的脱水性能，几种常用污泥脱水机的性能情况见表1 1 。 表1 1 机械脱水所产生的泥饼含固率典型值变化范围4 3 】 各种机械脱水机得优缺点见表1 2 。从表中可以看出各种脱水机械在脱水性能、占 地面积以及使用成本等方面存在着差异，带式压滤机和离心脱水机在占地、维护与操作、 对周围环境影响、在工序复杂程度以及运行费用等方面具有较大的技术优势。目前，新 建处理量2 0 万m 3 d 以上的污水处理厂污泥处理均采用离心脱水机，而2 0 万m 3 d 以下的污 水处理厂多采用带式浓缩脱水一体机。 7 郑州大学硕士学位论文 表l 一2 各种机械脱水机的优缺点】 脱水机类型 优点缺点 真空过滤机 譬笺蓑篙差喜、运行平稳 泥饼含同率商 在操作周期内，运行管理方便 板框压滤机 适用于各种浓度的原污泥，且泥饼 含同率稳定 可j j 石灰作为调理荆和杀菌荆 操作简单，对员_ t 素质要求不高 比较容易维护，且维护费用低 带式压滤机占地面积小 相对离心机来说，噪音小、开机和 停机较为容易 单位污泥产量的占地面积较小 卧螺式离心操作方便，运行稳定 脱水机密闭性好，没有难闻的气味 清洗方便，污泥同体同收率高 附属设备多，丁序较复杂 占地面积人 运行费用较高 _ j 于间歇操作，且操作复杂 初期投资较高 处理单位产餐污泥的占地面积较大 滤布的安装，冲洗和泥饼的剥离等劳动强度大 工作环境差，有难闻的气味产生 以石灰做调理剂时，使泥饼重鼍增加 占地面积大，要求有较人的建筑面积 密闭不好，散发出难闻的气味 若原污泥含同率变化较大，需要随时调整工作 参数 含油类高的污泥可能导致过滤困难和泥饼含 同率低 需要经常冲洗 动力消耗和噪音较大 操作运行有一定的难度，工人需要培训 污泥机械脱水装置的发展趋势为：从2 0 世纪8 0 年代真空脱水机和板框压滤脱水机占 主导地位的状况，逐渐变成以带式压滤机和离心脱水机为主要机型。离心机和带式压滤 机在实际运用中也存在一定的问题，带式压滤机密闭不好，运行时环境条件较差，气味 大，污泥性质变化时，需要不断调整机器本身的工作参数，操作比较麻烦，滤布易堵， 需要经常冲洗。因此，就目前而言，特别需要一种适合中小型污水处理厂污泥处理的新 型的脱水设备，具有能连续密闭运行，能耗低，占地面积小，操作简单，自动化程度高 等特点。 1 3 主要研究内容 本文在对污泥化学调节和机械脱水相关理论研究和对河南省典型中、小型城市污水 处理厂进行调研的基础上，对污泥的脱水性能及其影响因素进行了试验、分析和深入的 研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 对剩余污泥、混合污泥、消化污泥的性质进行分析； 8 郑州大学硕士学位论文 ( 2 ) 测定剩余污泥、混合污泥，消化污泥在投加不同种类混凝剂后相应的比阻值， 以污泥比阻值为评价指标，确定最佳混凝剂及其投加量；分析不同试验条件对污泥比阻 值的影响大小，得出各种影响因素的最佳试验范围； ( 3 ) 研究压滤时间、压力、絮凝剂种类及投加量等因素在强压条件下对污泥压滤 脱水过程及脱水效果的影响，并确定实验室静态压滤试验采用的压滤时问和压力。 ( 4 ) 对日本新开发的v o l u t e 污泥脱水机进行现场试验，测定其脱水机的脱水性能， 分析应用于国内各种污泥的可行性及适用性。 9 郑州大学硕士学位论文 2 1 污泥的基本情况 2 污泥化学调节和脱水原理 2 1 1 污泥的来源、分类 污水厂污泥( s e w a g es l u d g e ) 是各类污水处理过程中产生的泥状物质。其中工业污 水处理产生的污泥，由于污水本身性质多变，相应的污水处理工艺也变化很大，因此， 其污水污泥在处理过程中具体产生( 来源) 环节较难定义，而城市污水厂污泥，因污水 性质和工艺的相似性，污水处理过程产生的环节相对稳定删。有关城市污水厂污泥产生 的环节与特征见表2 1 。 表2 - 1 传统城市污水处理厂中污泥的来源 3 0 l 来源污泥类型 备注 初次沉淀池 初次沉淀污泥和浮渣 曝气池悬浮活性污泥 进厂污水中所含有的可沉降性物质，污泥处 理处置的主要对象 产生于b o d 的去除过程，常使用浓缩法将 其浓缩 二次沉淀池 剩余活性污泥和浮渣 皇妻筹霎性污泥的沉降物，污泥处理处置的 由于污泥来源及水处理方法不同，产生的污泥性质也不同，污泥种类很多，分类也 很复杂，目前一般可按以下方法分类。 按来源主要可分为：生活污水污泥、工业废水污泥和给水污泥 按污水处理的方法或污泥从污水中分离的过程可分为：初沉污泥( 污水一级处理产 生的污泥) ；剩余污泥( 活性污泥法产生的污泥) ；腐殖污泥：生物膜法( - - 沉池产生沉 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) 。 按污泥产生不同阶段可分为：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) 。 按污泥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。 1 0 郑州大学硕士学位论文 2 1 2 污泥的性质 污泥是污水处理的产物，污泥成分很复杂，包括混入生活污水中或工业废水中的泥 沙、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、多种微生物形成的菌胶团及其吸 附的有机物、重金属元素和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵等固体物质。 污泥的主要特征是有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，比重较小，含水率高 ( 可高达9 9 以上) 且不易脱水，呈胶状结构的亲水性物质。污泥中含有植物生长所需 的氮、磷、钾等营养元素和维持植物正常生长的多种微量元素，其中的有机物和腐殖质 是良好的土壤改良剂。同时也含有多种病原菌、寄生虫卵、重金属及其某些难降解的有 机物等3 1 1 。由于污水来源、污水处理工艺及季节不同，污泥的组成差异较大，污泥中有 机物含量随季节变化，夏低冬高翊。 2 1 3 泥中水分的存在形式及其性质 污泥中的固体颗粒主要为胶体粒子，有复杂的结构，与水的亲和力很强。污泥中所 含水分形态，尽管不同文献有不同的分类，但一般都认为有四种形态，即表面吸附水、 间隙水、毛细结合水和内部结合水，见图2 - 1 。 恤棒 一靠螬寺蠹 图2 - 1 污泥中水分存在形式 ( 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。污泥的胶体颗粒很小，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 的浓缩或脱水方法去除比较困难。只有加入能起混凝作用的电解质，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，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。污泥胶体颗粒一般都 郑州大学硕士学位论文 带负电荷，可通过加入絮凝剂调理而大部分去除。 ( 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 ，这部分水就是污泥浓缩的主要对象。 ( 3 ) 毛细结合水 将一根直径细小的管子插入水中，在表面张力的作用下，水在管内上升使水面达到 一定高度，这一现象叫毛细现象。水在管内上升的高度与管子半径成反比，就是说管子 半径越小，毛细力越大，上升高度越高，毛细结合水就越多。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，由于表面张力的作用，形成毛细结合水，毛细结 合水约占污泥中总含水量的1 5 2 5 。由于毛细水和污泥颗粒之间的结合力较强，浓 缩作用不能将毛细结合水分离，需借助较高的机械作用力和能量，如真空过滤，压力过 滤和离，t b 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徽生物细胞体内的水分，它的含量与污泥中微生物细 胞体所占的比例有关。一般初沉污泥内部结合水较少，二沉污泥中内部结合水较多。这 种内部结合水与固体结合得很紧密，使用机械方法去除这部分水是行不通的。要去除这 部分水分，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。为了去除这 种内部结合水，可以通过好氧菌或厌氧菌的作用进行生物分解，或采用高温加热和冷冻 等措施。内部结合水的含量不多，内部结合水和表面吸附水一起只占污泥中总含水量的 1 0 左右。 对不同的脱水方法，脱出污泥中水分类型也不同，具体见表2 2 1 3 3 l 。 1 2 郑州大学硕士学位论文 表2 - 2 污泥脱水方法的比较嘲 2 2 化学调节法 化学调节法就是在污泥中，加入助凝剂、混凝剂之类的化学药剂，使污泥颗粒絮凝， 改善脱水性能。 2 2 1 混凝剂和助凝剂的种类 ( 1 ) 混凝剂的种类 污泥化学调节法常用的调理剂有无机混凝剂和有机高分子絮凝剂两大类。 无机混凝剂是一种电解质化合物，常用的有铝盐，如a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，碱式氯化铝( p a c ) 【a 1 2 ( o h ) 6 c 1 6 n ) 】。等；铁盐如三氯化铁f e c l 3 ，硫酸铁f e 2 ( s 0 4 ) 3 ，硫酸亚铁f e s 0 4 ，聚 合硫酸铁( p f s ) f e 2 ( o t t ) 。( 5 0 4 ) 3 一们】。等。虽然它们有较好的污泥调理效果，但因其增加污 泥总量，限制了它们的直接使用。 常用有机高分子混凝剂种类很多，按聚合度分有低聚度和高聚度两种；按离子型分 有阳离子型、阴离子型、非离子型、两性型等。我国用于污泥调节的有机絮凝剂主要是 高聚合度的聚丙烯酰胺( p a m ) 系列产品3 4 1 。这类絮凝剂具有投加量少、脱水效果显著、 基本上不增加污泥总量等特点，使之成为目前国内外最广泛使用的污泥调理絮凝剂。 ( 2 ) 助凝剂的种类 助凝剂本身，一般不起混凝作用，而在于调节污泥的p h 值，供给污泥以多空状格 网的骨骼，改变污泥颗粒结构，破坏胶体的稳定性，提高混凝剂的混凝效果，增强絮体 的强度。常用的助凝剂有硅藻土、石灰、电厂粉尘、污泥焚烧灰、锯屑等。由于使用时 会大幅度增加污泥总量，因此，目| i 很少使用。 郑州大学硕士学位论文 ( 3 ) 混凝剂的选择 在污泥化学调节过程中，混凝剂的选择应满足以下基本要求：调节效果好、使用方 便、货源充足、价格低廉、尽量不增加污泥总量等，同时还要结合污泥脱水方式来确定。 2 2 2 化学调节原理 化学调节是非常复杂的物理、化学过程。是指污泥胶体颗粒在混凝剂的作用下，通 过电性中和作用或吸附架桥作用成为粗大的絮体颗粒而沉淀的过程。 污泥胶体的稳定性，所谓“胶体的稳定性”，是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮 状态的特性。胶体稳定性分“动力学稳定”和“聚集稳定”两种。 污泥是呈胶状结构的亲水性物质，污泥颗粒之间不易聚结而是分散悬浮于水中。造 成污泥胶体颗粒稳定性的主要原因有三方面：微粒的布朗运动、胶体颗粒间的静电斥力 和胶体颗粒表面的水化膜作用姗。 污泥中的各种颗粒，无时不受水分子热运动的撞击。对于大颗粒来说；由于来自不 同方向的撞击次数很多，且机会均等，故各方向撞击力可以平衡抵消，且因颗粒质量大， 故能在重力作用下下沉。而胶体颗粒很小时，同时受到的撞击次数较少，各方向撞击力 平衡抵消的几率较小，且因微粒质量小而重力影响甚微，致使污泥中的胶体颗粒处于高 速运动并趋于均匀分布状态。这种运动即为“布朗运动”，由此导致的胶体稳定性，称之 为动力学稳定性。 如果污泥中没有其它防止污泥胶体颗粒接触的因素，则布朗运动提供了胶体颗粒相 互碰撞的机会。众所周知，胶体颖粒越小，表面吸附力越大，一旦接触，各胶粒必将彼 此吸附在一起，形成较大颗粒，最终导致颗粒在重力作用下下沉。但事实上污泥中颗粒 不断做布朗运动，但彼此无法接触。防碍其接触的因素是胶体颗粒间的静电斥力和水化 膜。这种导致的胶体稳定性称为聚集稳定。如果粒子表面同性电荷或水化膜消除，小颗 粒便可相互聚集成大的颗粒，从而动力学稳定性随之破坏，沉淀就会发生。因此，胶体 的稳定性主要在于胶体颗粒间的静电斥力和水化膜。 ( 1 ) 电性中和作用 要使污泥胶体颗粒碰撞以至凝聚，必须降低或消除排斥势能峰，使得e 一 e b 。而吸 引势能与胶体电荷无关，它主要取决于胶体颗粒的物质种类、颗粒大小和密度。对于某 一种污泥，胶体颗粒的这些性质是不变的。因此降低排斥势能峰的有效措施在于降低或 消除污泥胶粒的 电位。在污泥中投加混凝剂和助凝剂可以达到这个目的。 1 4 郑州大学硕士学位论文 在污泥中投加无机混凝剂后，无机混凝剂能提供大量带正电荷的离子。由于离子的 扩散作用，大量正离子将会涌入胶体扩散层乃至吸附层。因胶核表面总电位不变，增加 扩散层和吸附层的正离子浓度，则扩散层减薄， 电位降低。当大量正离子涌入吸附层 以至扩散层完全消失时， 电位为零，污泥胶粒因 电位降低或消失而失去稳定性，污泥 颗粒发生凝聚，从而破坏了污泥的胶体结构，减小了与水的亲和力，改善了污泥脱水性 能。 ( 2 ) 吸附架桥作用 高分子混凝剂( 包括有机和无机) 与无机混凝剂对污泥的调节原理基本一致，但有其 特殊性。高分子混凝剂有无机、有机、天然、人工合成之分，合成的高分子絮凝剂与天 然的相比，分子量大，分子内官能团多，因此在化学调理中只需投加少量就可达到较好 的效果。 高分子混凝剂均为巨型分子，每个分子由许多链节组成，链节问往往以共价键结合， 每个链节就是一个单体，链节数即为聚合度，高分子的聚合度可多达数千至几百、几千 万。在高分子混凝剂的链节上，对污泥胶粒有较强的吸附作用，在吸附的同时，对带电 的污泥胶体颗粒起电性中和作用。此外，当高分子混凝剂链状结构某一链上的基团吸附 一胶粒后，另一链节上的基团可伸展并吸附另一胶粒，于是形成“胶粒一高分子物质一胶粒” 的集合体，高分子在胶粒与胶粒之间起到了吸附架桥的作用。 2 2 3 化学调节效果的影响因素 ( 1 ) 混凝剂的种类及其投加量对调节效果的影响 无机混凝剂中，铁盐和铝盐相比，铁盐所形成的絮体比重较大，需要的投加量较少； 而铝盐形成的絮体比重较轻，投加量较多 4 6 j 。 无机混凝剂的投加量一般比有机高分子混凝剂要高。一般情况下，三氯化铁的投加 量为5 1 0 ，聚合氯化铝和聚合硫酸铁约为1 - 3 ，而聚丙烯酰胺的投加量一般低于1 3 7 1 。由于污泥种类和数量不同，投加量没有一定的标准，因此国内外多数是在现场或实 验室经试验确定混凝剂的种类和投加量【3 8 1 。 ( 2 ) 污泥种类和性质对调节效果的影响 污泥作为化学调节的对象，其种类和性质直接影响化学调节的效果。试验研究证明， 对初沉污泥的调节效果最好，对剩余活性污泥的调节效果最差，对混合污泥的调节效果 居中3 9 1 。当污泥中有机物含量越高时，采用聚合度越高的有机高分子混凝剂，其调节效 郑州大学硕士学位论文 果越好。 ( 3 ) p h 值对调节效果的影响 p h 值影响无机混凝荆的水解产物形态，使调节效果有很大差异。各种混凝剂使用时， 都要求一定的p h 范围，p h 过高或过低，对调节效果都有很大影响。几种常用混凝剂使 用时最佳的p h 值范围见表2 3 3 7 1 。 表2 3 混凝剂最佳p h 值范围朝 混凝剂种类 最佳p h 值范围 三氯化铁( f e c l 3 )6 0 - 8 4 碱式氯化铝( a 1 2 ( o h ) 6 c 1 ( “，) m 5 0 - 9 0 硫酸铁 9 时，比阻 值大幅度上升，因此p h 值为6 - 8 范围内，脱水效果最佳。浓缩污泥p h 值接近7 ，可见 在脱水时不需要投加助凝剂调节p h 值，直接脱水效果已很好。 3 ) 搅拌强度对比阻的影响 。将药剂加入污泥后，快速搅拌1 5 s ，使药剂快速均匀的分散到水中，在慢速搅拌 1 5 m i n ，促使颗粒碰撞凝聚，测其比阻值。试验结果见表3 - 1 1 、图3 1 2 。 表3 - 1 1 搅拌强度对比阻值影响 g ( 1 s ) ( 搅拌时间1 5 s ) 5 7 59 9 41 4 6 6 1 9 8 4 g 0 s ) ( 搅拌时间1 5 r a i n ) 1 6 7 比阻r 0 0 1 2 m k g ) 4 6 7 6 2 7 3 9 2 8 83 5 5 2 5 7 22 4 8 9 注：浓缩污泥浓度c o = 0 0 2 1 8 8 9 砌，泥温t = 1 3 c 5 5 4 5 3 5 2 5 l 5 o 一)i吕n_【o_【一h盟=i。 郑州大学硕士学位论文 1 0 01 5 02 0 02 5 0 搅拌强度( 1 s ) 图3 1 2 污泥比阻随搅拌强度变化曲线 由表3 - 1 1 、图3 1 2 看出，当搅拌强度在9 9 4s - 1 _ 2 2 6s 4 和1 9 8 4s - t _ 3 5 5s 1 之自j 时， 比阻值较小，脱水效果较好。当搅拌强度5 7 5s 一一1 6 7s 。1 时，比阻较高，究其原因，可 能是由于搅拌速度不足，矾华形成不够充分所致。 3 3 4 经济分析 污水处理厂污泥处理过程中，絮凝剂的价格和投加量与污泥处理费用密切相关，因 此，选择一种调解效果好、使用方便、价格低廉的絮凝剂可以减少污水处理厂的运行费 用。以上三种絮凝剂均可以