（环境工程专业论文）壳聚糖絮凝剂对污泥脱水性能影响的研究.pdf

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- 。9 9 o ft o t a lq u a l i t y i fw a t e ri ns l u d g ec a nb er e m o v e de f f i c i e n t l y , t h e nt h ev o l u m eo f s l u d g ec a nb er e d u c e dg r e a t l y , c o s to fm a n a g e m e n t ，t r a n s p o r t a t i o na n dt r e a t m e n tc a n b el o w e da n dh e l p i n gt ol a t t e rd i s p o s a l e f f e c t p r e t r e a t m e n t c o u l di m p r o v e d e w a t e r a b i l t yo fs l u d g e a d d i n gf l o c c u l a n t si sp r e s e n t l yt h em o s tc o m m o n m e t h o di n s l u d g ec o n d i t i o n i n g h o w e v e r , f l o c c u l a n t sa l w a y sh a v es o m ed i s a d v a n t a g e so n e c o n o m i c ，q u a l i t ya n de n v i r o n m e mb e n e f i t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r f o c u s e so ne f f e c t sa s w e l la sm e c h a n i s mo fe n z y m ea n dc h i t o s a nt h a ta leb r o a d l yo r i g i n a t e d ，n o n t o x i ca n d b i o d e g r a d a b l et os l u d g ed e w a t e r a b l i t y t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： c s t so fa c t i v a t e ds l u d g ea n dd i g e s t i o ns l u d g ew e r e9 8 sa n d4 1 6 sr e s p e c t i v e l y a n dt h i sm e a i l st h a tt h ed e w a t e r a b i l i t yo fd i g e s t i o ns l u d g ei sp o o r e rt h a nt h a to f a c t i v a t e ds l u d g e t h er e a s o ni st h a td i g e s t i o np r o c e s sr e s u l t si nd e g r a d i n go fs o l i de p s a n dr e l e a s i n gi n t os l u d g el i q u i d a n a l y s i so fe p sc o n t e n to fa c t i v a t e ds l u d g ea n d d i g e s t i o ns l u d g ea l s oi l l u s t r a t e dt h a tc o n t e n to fs o l u b l ee p si nd i g e s t i o ns l u d g ew a s h i g h e rt h a nt h a to fa c t i v a t e ds l u d g ea n dc o n t e n to fs o l i de p sw a s r e v e r s e s l u d g ew a sp r e t r e a t e db yc h i t o s a na n dd e w a t e r a b i l i t yo fs l u d g et r e a t e dw a s c o m p a r e dw i t l lt h a to fs l u d g et r e a t e db yp o l y s c r y l a m i d e ( p a m ) e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o ww h e nt h ed o s a g eo fc h i t o s a na n dp a mw e r ea tt h e i ro p t i m u md o s a g e ，f o ra c t i v a t e ds l u d g e ， c o n d i t i o ne f f e c tw a sc o m p a r a t i v e ，w h e r e a sd o s a g eo fc h i t o s a nw a s1 7t i m e st h a nt h a to fp a m ；f o r d i g e s t i o ns l u d g e p a mc o u l do b t a i nab e t t e rc o n d i t i o ne f f e c tw i t h4 4 2 l o w e rd o s a g et h a nt h a to f p a m ；f o rc i t r i ca c i dw a s t e w a t e rs l u d g e ，s l u d g ec o n d i t i o n e db yc h i t o s a nc o u l dg e tt ob e t t e r d e w a t e r a b i l i t ya f t e rc e n t r i f u g ed e w a t e r i n g ，w h e r e a sd o s a g eo fc h i t o s a nw a sd o u b l e d c h i t o s a na sh y p o - c a t i o n i cp o l y e l e c t r o l y t e ，h y d r o x i d er a d i c a la n da m i d oi nt h e i rm o l e c u l e sa c t a sb o t he l e c t r i c i t yn e u t r a l i z a t i o na n db r i d g i n gi nf l o c c u l a t i o n ，t h e r e f o r e ，t h e yc a nb eu s e dt o i m p r o v ed e w a t e r a b i l i t yo fs l u d g e h o w e v e r , c o m p a r e dw i t hp a m m o l e c u l a rw e i g h ta n dc h a r g e d e n s i t yo fc h i t o s a na lel o w e r , s of l o c sf o r m e di nf l o c c u l a t i o na r es m a l l e ra n dl e s si n c o m p a c t k e y w o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e ；d i g e s t i o ns l u d g e ；c i t r i ca c i dw a s t e w a t e rs l u d g e ；d e w a t e r i n g ； c o n d i t i o n i n g ；c h i t o s a n 2 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着社会的发展和人类的进步，人们对生存环境的保护和改善意识不断加 强，国家对环境保护政策实施力度不断加强，使全国范围内污水处理率不断提高， 各城市纷纷建设污水处理厂，预计至u 2 0 1 0 年，我国要新建城市污水处理厂1 0 0 0 余座，污水处理厂的投资将达1 8 0 0 亿元。城市人口的增长、市政服务设施的不 断完善、污水深度处理的要求必然导致污泥量的增加。目前我国城市污水每年产 生15 0 0 万吨的污泥，按我国城市污水处理厂的建设规划，2 0 1 0 年将达到年产污 泥7 5 0 0 万吨f 2 】。欧美等发达国家的污泥产量每年也大约以5 一1 0 的速度增长，据 美国环保署估计，至u 2 0 1 0 年美国干污泥产量将达n 8 2 x1 0 6 吨1 。 自从1 8 7 5 年英国伦教建立世界上第一个污水处理厂以来，污泥处理问题便 成为市政管理的重要问题之一。污泥的主要特征是：含有机物多，性质不稳定， 易腐化发臭；颗粒较细，相对密度接近l ；含水率高，呈胶体结构，不易脱水， 易于用管道输送；含较多植物营养物质，有肥效；含有一定数量的病原菌及寄生 虫卵，从流行病学上看不安全，如不加以妥善处理处置而任意排放，将会对环境 造成二次污染。污泥处置问题已经成为多数污水处理厂急待解决的问题，污泥处 置是否妥当已关系到污水处理厂的生存。 目前污泥的处置方法主要包括焚烧、堆肥、填埋、综合利用等，然而污泥脱 水是最重要的前处理过程，是降低污泥后续处理成本的一个不可忽视的环节。在 污泥填埋、农用处理时，污泥脱水可大大地减少污泥的堆积场地、节约运输过程 中发生的费用；在对污泥进行堆肥处理时，污泥脱水能大大降低污泥含水率，从 而可以保证堆肥顺利进行( 堆肥过程中一般要求污泥有较低的含水率) ；若对污泥 进行焚烧处理时，污泥脱水可大大减少干燥部分的能耗，从而大幅减少助燃能耗 或干燥用能量；高效地脱水污泥中的水分，还可以减少污泥的气味，不易腐化， 减少在填埋场地的沥滤液，防止对地下水的污染，增强污泥对环境的安全性，所 以污泥脱水技术有着重大的应用价值。 3 山东大学硕士学位论文 1 2 污泥脱水技术 1 2 1 污泥的含水率 污泥是污水处理的产物，其成分非常复杂，包括混入生活污水中或工业废水 中的泥砂、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种微生物形成 的茵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 等综合固体物质。 污泥中所含水分的质量，占污泥总质量的百分比称为污泥的含水率。污泥的 主要特性就是含水率高，污泥的含水率是反映污泥性质，及对其进行处理的重要 指标。污泥在排出时都带有大量的水分，含水的多少对污泥的输送、处理都有很 大影响。城市污泥含水率的典型值列于表1 - 1 中。 表1 - 1 城市污泥的含水率 污泥种类 含水率( ) 生物滤池和初沉池污泥 9 4 9 7 活性污泥和初沉池污泥 9 5 9 6 化学凝聚污泥 9 0 9 5 1 2 2 污泥脱水的机理 污泥中的水称为结合水，可以分为三种状态。一种是由絮体内和细胞间隙存 在的水间隙水，一种是固体表面的临界面水，还有水合水。用机械脱水可以 除去间隙水的一部分。生物污泥粒子表面积很大，大部分结合水是临界面水，这 种水用机械方法是不能除去的。故研究污泥脱水，应将重点放在临界面水上。 污泥脱水的难易程度非常不同，其原因尚不很清楚，污泥粒子的形状、大小 及表面性状是重要因素。 临界面水在粒子周围形成不能流动的水分子层叠壳，这种水和周围的松散水 ( 即间隙水) 之间有着持续的动平衡关系。临界水的厚度约2 5 - - 5 n m 。 临界面水的存在，造成了关系到脱水潜能异常的两个物性：密度和黏度。在 浓缩粒子大量沉降时，泥浆的容积会减少，临界面水的密度约达0 9 6 5 9 c m 一。 同时，临界面水黏度比体积内水显著增大，是体积内水黏度的2 1 0 倍。 4 山东大学硕士学位论文 黏度的增加随温度的上升而减少，在7 0 。c 完全消除，高温破坏了临界面水 的水层。同样，晶体表面水的高分子膜厚度大约在6 5 。c 时减少到0 。这个温度是 杀菌温度，杀菌温度时临界面水层破坏。 污泥是由在不纯水连续体中悬浮的各种固体物粒子所构成。在处理体系内， 污泥粒子经过生物化学及物理条件处理，产生动态分散，变质。图1 1 1 4 1 显示了 消化污泥的粒径分布。 用显微镜观察污泥絮体，像图1 - 2 1 4 1 那样。在和丝状菌共存的结构内包括了 多数的污泥及砂屑，细菌群被捕捉在结构内。 伴有各种溶解性化学物质的水构成污泥絮体周围的连续体，由污泥絮体结构 可以定义各部分水。这里各种部分水的名称有变化，但图1 2 表示的污泥内水的 物理状态差异却是确实存在的。 零 x r 4 - 翟 x 2 。o 乙自幽水1 一 束 图1 - l 用激光粒子大小分析计测定的消化污泥图1 2 污泥絮体结构示意图 粒子大小分布( 含固率1 3 稀释度l ：8 0 0 0 ) 自由( 或松散) 水没有结合在悬浮固体物粒子上的水。这部分水对机械脱 水效率无影响。 间隙水在絮体及微生物的裂缝和空隙间滞存的水。这种水被固定在絮体 结构内，絮体破坏时，变成自由水。间隙水或被固定在微生物细胞结构内，只有 细胞被破坏时，才能变成自由水。这种间隙水没有呈现出松散水的物性。 在固体物浓度很低的场合，几乎不存在间隙水，因此絮体粒子是分散的，每 山东大学硕士学位论文 克干燥固体物对应的水量小。随着固体物浓度的加大，絮体开始成长，在絮体间 隙开始积存水，结合水部分增加。固体物浓度再大，在污泥絮体用离心分离或过 滤压缩的场合，间隙水被挤出，仅有临界面水和水合水残留。因此，固体物浓度 变化时，结合水曲线先是随固体物浓度增加而增加，然后减少，最终一旦固体物 变成最高浓度，曲线则变成水平。 污泥固体物浓度随着脱水的进行而增加，间隙水被挤出，直到压缩滤饼最后 仅有临界面水和水合水。 用机械脱水装置达不到更高浓度的固体物。如果需要，必须改变污泥所处的 化学的、生物化学的、物理( 包括温度) 的条件。 污泥脱水的困难之一是，部分水有以临界面水附着在粒子表面的倾向，这种 水只有通过可附着水的表面层的变化才可能除去。普通药剂对临界面水没有影 响，只有聚合物才能影响到间隙水，从而可用机械的方法分离松散水和间隙水， 只有用聚合物才能达到更佳的污泥脱水效果。 1 2 3 污泥脱水技术 污泥脱水的方法与流程的选择决定于当地条件、环境保护要求、投资情况、 运行费用及维护管理等多种因素。为了实现污泥处理的目的，常用的污泥脱水方 法主要有自然干化、浓缩、机械脱水和干燥法。 1 2 3 1 自然干化 自然干化脱水包括普通沙滤干燥床、石子衬砌干燥床、楔形干燥床和辅以真 空技术的干燥床。湿地或沙土芦苇干燥床脱水是近几年出现的脱水性能较好的技 术，目前美国军方的一些污水处理厂正在大力推广应用【5 1 。自然干化脱水在2 0 世纪8 0 年代初曾是欧美等国的主流脱水方法，目前在一些小规模污水厂特别是 农村的一些小型污水厂，此法被认为还有一定应用前景。但该法由于脱水历时较 长，占地面积大，现已为大多大中型污水厂所摒弃。 1 2 3 2 污泥浓缩 浓缩是污泥脱水的最主要方法，污泥浓缩的脱水对象是间隙水。经过浓缩后， 体积大大减小，当污泥的含水率由9 9 降至9 6 时，体积可缩小到原来的1 4 ， 这就为污泥的输送、消化、脱水、利用与处置创造了条件。 6 山东大学硕士学位论文 污泥浓缩方法主要有重力浓缩法、气浮浓缩法和离心浓缩法三种。 ( 1 ) 重力浓缩 重力浓缩法是最常用的一种浓缩方法，该法利用自然的重力沉降作用，使污 泥中的固体自然沉降而分离出间隙水。重力浓缩的构筑物成为浓缩池。按其运行 方式可分为间歇式浓缩池和连续式浓缩池两类。重力浓缩法适用于密度较大的污 泥，该法优点是操作简便、运行管理费用低，其缺点是占地面积较大，基建费用 较高。 ( 2 ) 气浮浓缩 气浮浓缩与重力浓缩相反，是依靠大量微小气泡附着在污泥颗粒上，形成污 泥颗粒气泡结合体，进而产生浮力把污泥颗粒带到水面，达到浓缩的目的。气 浮浓缩最常用的是加压溶气气浮法。气浮浓缩法适用于相对密度接近于l 的污泥， 如好氧消化污泥、接触稳定污泥、不经初次沉淀的延时曝气污泥等。与重力浓缩 法相比，气浮浓缩法具有浓缩程度高、固体物质回收率高、浓缩速度快、停留时 间短、操作弹性大等优点。其缺点是基建费用和运行费用偏高。 ( 3 ) 离心浓缩 离心浓缩工艺的动力是离心力，离心力是重力的5 0 0 - - 3 0 0 0 倍。离心浓缩工 艺最早始于本世纪2 0 年代初，当时采用的是取原始的筐式离心机，后经过盘嘴 式等几代更换，现在普遍采用的是卧螺式离心机。与离心脱水的区别在于离心浓 缩用于浓缩活性污泥时，一般不需加入絮凝剂调质，只有当需要浓缩污泥含固率 大于6 时，才加入少量絮凝剂。而离心脱水机要求必须加入絮凝剂进行调质。 离心浓缩占地小，不会产生恶臭，对于富磷污泥可以避免磷的二次释放，提高污 泥处理系统总的除磷率，造价低，但运行费用的机械维修费用高，经济性差，一 般很少用于污泥浓缩，但对于难以浓缩的剩余活性污泥可以考虑使用。 1 2 3 3 机械脱水 污泥机械脱水方法有真空吸滤法、压滤法和离心法等，其基本原理相同。污 泥机械脱水是以过滤介质两面的压力差作为推动力，使污泥水分被强制通过过滤 介质，形成滤液；而固体颗粒被截留在介质上。形成滤饼，从而达到脱水的目的。 造成压力差推动力的方法有3 种：( a ) 在过滤介质的一面造成负压( 如真空吸滤脱 水) ；( b ) 加压污泥把水分压过介质( 如压滤脱水) ；( c ) 造成离心力( 如离心脱水) 。 7 山东大学硕十学位论文 近年来国外大中型的污水处理厂的污泥脱水已基本上转向使用机械法处理。 我国已经开始脱水或拟采用脱水处理的污水处理厂，也倾向于采用机械法脱水。 用于脱水的机械设备从国内外使用的情况看，主要有真空过滤机、板框压滤机、 带式压滤机和卧螺沉降离心机，其中，真空过滤机在2 0 世纪8 0 年代使用较多， 但由于存在运行费用较高等缺点，使用量己日渐减少，而带式压滤机和卧螺沉降 离心机相较之下，由于运行费用低及操作比较方便，得到了越来越多的应用。 1 2 3 4 干燥法 干燥法是一种利用热能将污泥中水分快速蒸发的处理工艺，根据热能的来源 和加热方式的不同，可分为流化干燥、间壁干燥、过热蒸汽干燥、红外辐射干燥、 对撞流干燥等。中国目前还没有污泥干化厂建成运行，现在国外常见的干化工艺 有流化床干化、盘式干化、转鼓干化。 干化脱水技术从2 0 世纪4 0 年代出现以来，经不断改进，干化过程中污泥性状 稳定、不易产生沼气、不易粘结，产生的气体难燃不易爆，干化后污泥含水率低 于1 0 ，减量率很高，占地少，易控制，安全，稳定。其缺点是投资和运行费 用较高，对管理和操作技术的要求也较高。适用于土地紧张的大型污水处理厂或 较集中的多个中小型污水处理厂污泥的集中处理。 1 2 3 5 各种脱水技术的脱水效果比较 以上各种脱水技术的脱水效果比较见表1 - 2 哺1 。 表卜2 各种脱水技术的胶水效果 脱水方法脱水装置脱水后含水率( )脱水后状态 自然干化自然干化场、晒砂场 7 0 - - 一8 0 近似糊状 浓缩法浓缩池、卧螺式离心机等 9 5 - - - 9 7 泥饼状 机 真空吸滤法真空转鼓、真空转盘等 6 0 - - 8 0 泥饼状 械板框压滤法板框压滤机4 5 8 0泥饼状 脱带式压滤法带式压滤机 7 8 - 8 6 泥饼状 水 离心法离心机 8 0 8 5 泥饼状 干燥法流化床等 1 0 - - - 4 0 粉状、粒状 8 山东大学硕士学位论文 1 2 4 污泥调理 污泥调理是污泥浓缩或机械脱水前的预处理，其目的是改善污泥浓缩和脱水 的性能，提高机械脱水设备的处理能力。污泥调理方法主要有化学调理、淘洗、 加热加压调理、冷冻融化调理、超声波调理等。 1 2 4 1 化学药剂法 化学药剂法是利用污泥带负电，加入带正电基团的高分子聚合物，通过压缩 污泥胶粒双电层、电荷中和、吸附架桥和网扫播捕作用使污泥胶体脱稳，固液相 相互分离，同时重力沉降又能进一步降低污泥含水量。污泥调质所用的药剂可分 为两大类，一类是无机混凝剂，另一类是有机絮凝剂。无机混凝剂包括铁盐和铝 盐两类金属盐类混凝剂以及聚合氯化铝等无机高分子混凝剂。有机絮凝剂主要是 聚丙烯酰胺、淀粉、壳聚糖等有机高分子物质。另外，污泥调质中还使用一类不 起混凝作用的药剂，称为助凝剂。常用的助凝剂有石灰、硅藻土、木屑、粉煤灰、 细炉渣等惰性物质。助调剂的作用是调节污泥的p h ( 如加石灰) ，或提供形成较 大絮体的骨料，改善污泥颗粒的结构，从而增强混凝剂的混凝作用。 常用的铁盐混凝剂是三氯化铁。该种混凝剂适合的p h 在6 8 - - 8 4 之间，因 其水解过程中会产生一，降低p h ，因而一般需投加石灰作为助凝剂。三氯化铁 在对污泥的调质中能生成大而重的絮体，使之易于脱水，因而使用较多。使用三 氯化铁的一个较大缺点，是其对金属管道或设备有较弱烈的腐蚀，使之降低使用 寿命。铝盐混凝剂一般采用硫酸铝。该种混凝剂调质效果不如三氯化铁，且用量 也较大，但由于无腐蚀性，且储运方便，使用也较多。聚合氯化铝作为一种高分 子无机混凝剂，调质效果好，投药量少，虽价格偏高，但也有相当程度的使用。 目前，人工合成有机高分子絮凝剂在污泥调质中得到普遍使用，并基本上已 取代了无机混凝剂。常用的有机高分子絮凝剂是聚丙烯酰胺( 俗称三号絮凝剂， p a m ) ，其聚合度高达2 0 0 0 0 - - - 9 0 0 0 0 ，相应的分子量高达5 0 - - - 8 0 0 万，通常为非离 子型高聚物，但通过水解可产生阴离子型，也可通过引入基因制成阳离子型。其 投加量少，形成的絮体大且强度高，不易破碎，但其价格昂贵且不易生物降解。 很多污水处理厂为了降低污泥调质的综合费用，进行了大量的探索。一个主 要途径就是采用各种复合药剂，即采用两种或两种以上的药剂进行污泥调质。一 些污水处理厂的运行经验表明，药剂组合使用往往比单独使用一种的调质效果要 9 山东大学硕十学位论文 好，综合费用会降低1 7 1 。 常用的调理剂及其效果见表1 3 。 表1 - 3 常用调理剂及效果 化学药品 效果 石灰 氯化铁 芬顿试剂 ( f e 2 + + 过氧化氢) 聚合物 ( 聚合电解质) ( 包括阴离子、阳离 子和非离子物质) 6 - 1 2 ( 污泥浓度) i s 1 - 6 ( 污泥浓度) s l 浓度越高，脱水效果越好1 9 1 经验表明聚合物浓度低至0 0 1 时对生物污泥调理仍有效 s l 。 投加明矾( 含4 ) 可以快速降低含油污泥的比阻( s r f ) 和毛细吸 收时间( c s t ) 1 0 j 。 双絮凝剂调理结果显示5 0 的f e c l 3 和5 0 的絮凝剂可以获得最佳的 氯化铁+ 聚合物絮凝效果。最佳投加剂量下的絮凝剂可以被等量的最佳f e c i 3 代替， 而不影响脱水效果【1 1 1 。 1 2 4 2 淘洗 污泥淘洗是将污泥与3 - - 4 倍污泥量的水泥合而进行沉降分离的一种方法。 污泥的淘洗和浓缩既可分开进行，又可在同一池内进行。一般用废水处理后的出 水来洗涤污泥。污泥淘洗的目的是降低污泥中的碱度和粘度，以节省混凝剂的用 量，提高浓缩效果，缩短浓缩时间。 污泥淘洗仅适用于消化污泥。由于污泥在消化过程中产生大量的重碳酸盐， 其碱度可达生污泥的3 0 倍以上。若直接进行化学调理，将消耗大量的混凝剂。 经过淘洗的污泥，其碱度可从2 0 0 0 - - 2 5 0 0 m g l 降至4 0 0 - - - 5 0 0 m g l ，可节省 5 0 8 0 的混凝剂。所以，消化污泥不宜直接进行化学调理。 1 2 4 3 加热加压调理 对污泥进行加热加压调理，可使菌胶团表面的微生物和其代谢产物等有机质 溶解，包裹在其中的固体颗粒与有机质相脱离，挥发性固体挥发，易分解的有机 物分解成二氧化碳、甲烷等气体和挥发性的醇或酸逸出，使污泥的间隙水和毛细 管水释放出来，污泥的脱水性能得以改善。由于污泥比热容较大、热传导性差， 污泥量大，给污泥均匀快速加热的技术不成熟，加压会使设备成本增加且存在安 全隐患，水解产生的气体处理困难等原因，使加热加压的调理方法的应用受到了 l o 山东大学硕士学位论文 限制。 1 2 4 3 冷冻融化调理 冷冻融化调理是将污泥交替进行冷冻与融化，通过改变污泥的物理结构，使 污泥易于浓缩脱水。在冷冻过程中，污泥颗粒除受挤压力外，还有部分污泥颗粒 被封闭在冷冻层中间，污泥粒子的水分子由于毛细管作用被脱除。这样，污泥胶 体粒子的结构就被破坏，脱水性能得到改善。污泥经冷冻、融化后，其沉淀性能 与过滤速度比冷冻前可提高几倍到几十倍，而且不需用混凝剂。 冷冻融化调理没有污泥中有机物重新溶解的问题，并且可以调理各种污泥。 该法的主要缺点是动力费用高，但比加热加压调理经济。目前冷冻融化调理尚处 于试验研究阶段。 1 2 4 5 超声波法 超声波( 频率在1 6 k h z 以上的声波) 具有较高的能量，能在水中急剧放电，产 生高温和高压等极端条件，能改变构成疏水膜物质的物理和化学性质，破坏菌胶 团结构，提高污泥的脱水性能，同时释放到水体中的有机质还可作为厌氧发酵的 营养源。然而，超声波的作用机理和效应非常复杂，其作用条件如声波强度、作 用时间、频率均影响到处理的效果，且它们之间还相互影响，目前对操作条件的 优化还没有进行系统的研究n 别。 1 3 壳聚糖在污泥脱水中的应用 污泥最大的特点就是含水率高，可达总质量的9 5 9 9 ，如果能够高效地 脱除污泥中的水分，则可以大大减小污泥的体积，降低管理、运输、处理成本， 便于后序处理处置，增强环境安全性。然而，污泥的性质决定了大多数污泥的脱 水性能很差，所以对污泥进行预处理以改善其脱水性能就显得尤为重要。目前最 常用的污泥调理方法就是投加无机絮凝剂和合成有机高分子絮凝剂，然而无机絮 凝剂存在用量多，增加a l 、f e 离子浓度问题，合成有机高分子絮凝剂成本高、 难降解，其单体还可能是“三致 物质。因此，这些常用的调理剂在经济、质量 和环境效益上都存在着缺点，急需一种高效、无毒、安全的调理剂的开发和研究。 壳聚糖絮凝剂均提取自生物，具备来源广泛、无毒、安全等优良特点，如果将其 应用在改善污泥脱水性上能取得优于传统常絮凝剂的效果，则不仅能够解决有效 山东大学硕士学位论文 污的泥脱水问题，更在经济成本、环境效益上都具有极其重要的现实意义。 壳聚糖( 1 ，4 一二氨基一2 一脱氧一1 3 一d 一葡萄糖) 是从虾、蟹等甲壳纲动物中提取 的一种天然碱性高分子多糖，其分子量在五万至三十万之间。壳聚糖的化学结构 式如图1 3 【1 3 】所示： 图1 - 3 壳聚糖的化学结构式 壳聚糖被认为是一种优良絮凝剂，因为它具有良好的生物降解性、生物协调 性、吸附性、絮凝性以及一些应用中的可再生性，因此在水处理中得到较为广泛 的应用：印染废水n 4 。蚓、造纸废水n 、食品行业废水n8 j 、含油废水“、橡胶废水 汹3 的处理以及重金属离子的吸附n 们等。 壳聚糖在污泥脱水预处理中应用近年来在国内外也进行了一些研究， a s a n o 乜2 1 等曾用壳聚糖对厌氧消化污泥进行脱水处理实验，实验结果表明当壳聚 糖加入量( 以污泥中悬浮固体含量计) 为0 7 - - 一1 5 时，污泥经凝聚和离心分离 后，分离出来的固体量达9 6 以上，而未经壳聚糖调理过的污泥在进行离心脱水 时，得到的悬浮固体量不足6 0 。b o u g h 3 等也将壳聚糖用于啤酒厂废水污泥的 脱水处理实验研究中，并发现当壳聚糖的加入量为0 6 - - 0 8 时，从污泥中离心 分离出来的悬浮固体量高达9 5 。在我国，张印堂等池盯通过试验研究认为壳聚糖 脱乙酞度在7 0 左右，p h 值在5 8 时，对活性污泥有较好的调理效果，可与相 同投加量的p a m 效果相当。 但k a t h y 陟7 对含盐和大颗粒较少的污水处理厂污泥的实验却表明，对于经氯 化铁调理后的污泥，壳聚糖的加入使污泥的渗透性和可压缩性均变差。 由这些研究结果可以看出，到目前为止，对于壳聚糖絮凝剂在提高污泥脱水 效果方面的作用，尚且没有一个统一的结论。有的研究者认为，用壳聚糖来预处 理污泥可以得到较好的调理效果。而有的研究者的实验结果却相反，认为壳聚糖 的加入使污泥的渗透性和可压缩性均变差。目前污泥浓缩、脱水最常用的p a m 、 p a c 等人工合成絮凝剂存在有毒性、难降解且存在二次污染等问题，壳聚糖以 其无毒无害易降解无二次污染的优势，作为污泥调理剂的应用研究正日益深入。 1 2 山东大学硕士学位论文 1 4 研究目的与内容 通过对污泥脱水技术以及壳聚糖在污泥脱水中应用的归纳，可以发现在壳聚 糖对污泥脱水性能影响及机理方面仍存在一些不同的观点或不明确的地方，主要 体现在以下两个方面： ( 1 ) 壳聚糖预处理是否能提高污泥的脱水性，目前还存在不同的观点。 ( 2 ) 现有的研究结果，只是孤立的考查了壳聚糖对活性污泥或消化污泥或 是其它种类污泥脱水性能的影响，方面对于活性污泥和消化污泥之间的联系及 特征尚没有系统的研究，另一方面也使得壳聚糖对各种污泥脱水性能影响效果的 比较存在一定的困难。 针对以上两个问题，确定了本研究的主要目的是： ( 1 ) 研究活性污泥和厌氧消化污泥的脱水性能及其影响因素，探索消化污 泥脱水性能变差的原因。 ( 2 ) 系统的研究壳聚糖对活性污泥、消化污泥和柠檬酸废水污泥脱水性能 的影响，并与常用絮凝剂聚丙烯酰胺的调理效果相比较。 ( 3 ) 探讨壳聚糖絮凝剂对污泥脱水性产生影响以及对不同种类污泥产生不 同影响的机理。 根据以上目的，本研究主要包括以下几方面的内容： ( 1 ) 通过测定活性污泥和消化污泥c s t 值，比较两者脱水性的差异，并进 一步通过对污泥e p s 含及成分的分析，结合污泥生物相变化及结构特征，探讨活 性污泥与消化污泥脱水性能存在差异的原因。 ( 2 ) 以c s t 值和含固率为指标，分析了壳聚糖预处理污泥时的最佳搅拌时 间、投加量、温度和p h 值，并将壳聚糖的处理效果与常用絮凝剂聚丙烯酰胺相 比较。 ( 3 ) 探讨了壳聚糖絮凝剂对污泥脱水性能产生影响的机理，并将壳聚糖的 絮凝机理与p a m 的絮凝机理相比较。 山东大学硕士学位论文 第二章活性污泥与消化污泥的脱水特性和结构特征 活性污泥法是应用最为广泛的污水生物处理技术，然而其弊端是产生大量的 剩余污泥，消化是污水处理厂普遍采用的污泥稳定化的工艺过程，然而产生的消 化污泥却存在脱水性差的问题。本章节旨在通过对污泥的c s t 值、污泥e p s 含 量和成分的测定以及污泥结构的观察，来比较分析说明活性污泥和消化污泥的脱 水特性和消化过程对污泥脱水性的影响。 2 1 材料与方法 2 1 1 材料 活性污泥和厌氧消化污泥取自某城市污水处理厂，其处理规模为1 0 万吨 天，采用的是a a o 工艺，污水处理工艺及取样点见图2 1 。活性污泥和消化污 泥的含固率分别为0 6 5 和2 1 ( w w ) 。 圜卜圃卜圆 z 图2 1 污水处理工艺及取样点( a 活性污泥取样点；消化污泥取样点) 主要仪器 多功能c s t 测定仪( m u l t i p u r p o s ef i l t r a t i o n3 1 9 ，t r i t o n w r c ) ； 分光光度计( u v - v i ss p e c t r o p h o t o m e t e r7 5 6 m c ) ： 扫描电镜( 日立s 5 7 0 ) ； 离心机( t d l 5 m ，湖南赛特湘仪公司) ； 出水 工一 甲圃 山东人学硕士学位论文 真空抽滤泵( 2 x z 2 型旋片真空泵，浙江黄岩求精真空泵厂) ； 干燥箱( 1 0 1 a 0 型电热鼓风干燥箱，黄骅市卸甲综合电器厂) 。 2 1 2 污泥的脱水性的测定 毛细吸收时间( c s t ) 的测定用t r i t o n w r c 多功能c s t 测定仪( t r i t o n w r c m u l t i p u r p o s ef i l t r a t i o n3 19 ) 及c s t 标准滤纸( w h a t m a ni m e m a t i o n a l l t d ， m a i d s t o n ee n g l a n d ) 测定。测定方法见水和废水标准测定方法【2 6 】。 2 1 3e p s 的提取及分析 溶解性e p s 及污泥固体中e p s 的提取步骤如下： 取一定体积的污泥，2 0 0 0r m i n 离心2 0m i n ，上清液经0 4 5 9 i n 滤膜，用 于分析溶解性e p s ； 上清液经0 4 5 岬滤膜过滤后的滤渣与离心渣一起经一定体积的2m o l l 的n a o h 消解5h ； 0 4 5 9 m 滤膜过滤； 滤液保存，用于分析污泥固体中e p s 含量及其主要成分； 污泥中提取e p s 的分析方法如下： 将一定体积的滤液在1 0 5 下烘干，重量法测定e p s 的含量【2 7 】； 另取保存滤液分别采用双缩脲法和蒽酮比色法渊测定e p s 中蛋白质和多糖 含量。 2 1 4 污泥絮体结构观察 活性污泥和消化污泥的结构特征采用扫描电镜观察，并拍摄典型照片。 扫描电镜样品制备方法为：取新鲜的活性污泥和消化污泥，将表面的污物清 洗干净( 生理盐水漂洗) ，用2 5 的戊二醛( 用0 1m o l l 的磷酸缓冲液配制， p h 为7 2 7 4 ) 固定1 2 2 4 小时，o 1m o l l 的磷酸缓冲液清洗2h 以上( 中间换 2 3 次新液) ；再用1 的锇酸固定1 5h ，用双蒸水洗至无锇酸气味( 约2h 以上) ； 经上升浓度酒精脱水，醋酸异戊酯置换，常规临界点干燥；i b 离子溅射仪中镀 山东大学硕十学位论文 铂。 2 1 5 生物相特征 活性污泥和消化污泥的生物相特征采用x s p 一双目生物显微镜和扫描电镜 ( 日立s 5 7 0 ) 观察，并拍摄典型照片。 扫描电镜样品制备方法为：取新鲜的活性污泥和消化污泥，将表面的污物清 洗干净( 生理盐水漂洗) ，用2 5 的戊二醛( 用0 1m o l l 的磷酸缓冲液配制， p h 为7 2 7 4 ) 固定1 2 2 4 小时，o 1m o l l 的磷酸缓冲液清洗2h 以上( 中间换 2 3 次新液) ；再用1 的锇酸固定1 5h ，用双蒸水洗至无锇酸气味( 约2h 以上) ； 经上升浓度酒精脱水，醋酸异戊酯置换，常规临界点干燥；i b 离子溅射仪中镀 铂。 2 - 2 结果与讨论 2 2 1 污泥的脱水性 毛细吸收时间( c s t ) 是指滤液在滤纸上渗透特定距离所需要的时间，可用 于表征污泥的脱水性，c s t 值的测试是表征污泥渗透性能的一个快速方法1 ， c s t 值低说明污泥的渗透性更强一些；而表征污泥脱水性能的另一个参数 含固率则反映的是污泥在使用各种压缩力脱水时的可压缩性啪1 ，污泥的含固率越 高则说明污泥的可压缩性越强。因此，本研究在反映污泥的脱水性时，测定了污 泥的c s t 值和含固率两个指标来综合反映污泥的脱水性能。 对活性污泥和消化污泥c s t 值和含固率的测定结果见图2 2 。由图2 - 2 可以 看出，活性污泥的c s t 是9 8 s ，消化污泥的c s t 是4 1 6 s 。消化污泥的c s t 值 较大，表明消化污泥的脱水性比活性污泥差。 1 6 山东大学硕十学位论文 c s t ( s )含固率( ) 图2 2 活性污泥和消化污泥的c s t 及含固率 2 2 2e p s 提取成分分析 e p s 是紧密附着在污泥细胞周围的有机高分子聚合物，是在一定环境条件下 由微生物主要是细菌分泌于体外的一些高分子聚合物，在细胞外形成保护层，保 护细胞免受外部环境的影响，同时，为饥饿环境中的细胞提供碳源和能量。在污 泥处理过程中，胞外聚合物对污泥对絮凝性能、沉降性能和脱水性能都有着重要 的影响和作用。 目前常用的e p s 的提取方法主要有两类：物理法和化学试剂法。其中物理法 包括常规离心提取法、超声波法、超声离心法和蒸气提取法等，化学法包括甲醛 - n a o h 提取法、e d t a 提取法、t r is h c l 提取法、阳离子交换树脂法、戊二醛 提取法等。化学试剂法因为化学物质的加入而提高了对e p s 的提取效率，其中以 甲醛- n a o h 提取法的提取效率最高。然而，化学物质的加入也对e p s 产生了一 定的污染，甲醛一n a o h 提取法污染e p s 正是由于甲醛的加入1 3 j 】，因此，本研究 采用n a o h 直接消解法对e p s 进行提取。 本研究从活性污泥和消化污泥中提取的溶解性e p s 和固体e p s 含量及成分 见图2 3 图2 8 。 钙 们 踮 筠 加 惦 m 5 0 其它物质， 4 3 0 1 9 6 山东大学硕士学位论文 2 5 2 麓 延1 5 “ e 昌 、。 1 删 一 钲 o 5 o e p s蛋白质多糖 溶解性e p s 及主要成分 图2 3 活性污泥和消化污泥中溶解性e p s 含量及主要成分 多糖，7 7 7 其它物质， 1 7 2 3 蛋白质， 糖，9 6 6 4 9 2 2 图2 4 活性污泥中溶解性e p s 的组成 1 8 质， 7 3 1 1 图2 - 5 消化污泥中溶解性e p s 的组成 山东大学硕士学位论文 其它物质 4 2 一4 0 0 熙 1 丁 l - r - 芒3 0 0 b 0 昌 蛙 钲2 0 0 1 0 0 o e p s 蛋白质多糖 污泥固体中e p s 及主要成分 图2 - 6 活性污泥和消化污泥固体中e p s 含量及主要成分 多糖 1 5 图2 7 活性污泥固体中e p s 的组成 蛋白质 4 3 蛋白质， 5 1 2 2 9 6 图2 8 消化污泥固体中e p s 的组成 对比图2 3 和图2 6 的实验结果可以看出，对于溶解性e p s ，活性污泥和消化 污泥中的含量分别为】9 3m g m l 和2 3 8m g m l ，即消化污泥中溶解性e p s 的含 量要高于活性污泥中溶解性e p s 的含量；对于污泥固体中的e p s ，活性污泥和消 化污泥中的含量分别为5 4 0m g ( g 干污泥) 和1 2 3m g ( g 干污泥) ，即活性污泥