（环境工程专业论文）城镇污泥干燥过程中胶粘性的研究.pdfVIP

中文摘要 本文通过研究某一种城镇污泥水分对胶粘性的影响，对工业污泥胶粘性进行 了较为详细的物理特性分析，同时针对工业污泥胶粘性规律对大型工业生产的影 响做了认真的探讨。 污泥的处理处置是污水处理的重要组成部分。本文对目前国内污泥的处理处 置如浓缩、稳定、脱水以及污泥的土地利用技术、建材利用技术、填埋处置技术、 热处理技术等作了必要的描述。对污泥烘干的基本工艺、污泥烘干的主要设备、 并对污泥干燥处理后的尾气处理进行了必要的介绍。并在此基础上提出了本文的 研究内容。 本文主要对污泥的干燥性质、污泥在干燥过程中所发生的胶粘性的变化作了 机理性的研究，在此基础了提出了一些对污泥干燥过程中胶粘性的特点，并对如 何解决和避免胶粘性提出了建议；针对污泥这种含水量大、粘性大的特殊物料的 干燥，选用普通回转圆筒进行干燥，对干燥后物料、干燥过程粘性的变化等作了 分析，并在此基础上了对设备进行了改造，使之能够解决和避免在回转圆筒干燥 机中干燥污泥产生的胶粘性问题，主要的改造是在回转圆筒的进料端加上了自清 理装置，以及横贯圆筒中心的打散装置，以此产生了新的回转圆筒设备一带自 清理的打散回转圆筒干燥机，并且作了工业模拟试验。，对两种干燥设备的干燥 产品水分分析、内部水分分布规律、圆筒内部直观胶粘性分析、污泥产品的二次 烘干和“返混”工艺都作了详细的研究。为污泥干燥工艺的研究、开发与推广进 行了探索。 关键词：城镇污泥；污泥粘性；回转圆筒；污泥干燥；污泥焚烧；自清理；打 散；返混 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ed e t a i l e da n a l y s e sp h y s i c sc h a r a c t e ro ft o w ns l u d g es t i c k i n e s st h r o u g h s t u d yt h a tac e r t a i nt o w ns l u d g e sw a t e rp e r c e n ti n f l u e n c es t i c k i n e s s a tt h es a n l et i m e ， i td i s c u s s e st h er u l et h a tt o w ns l u d g es t i c k i n e s si n f l u e n c el a r g ei n d u s t r yp r o d u c t d i s p o s a lo fs l u d g ei si m p o r t a n tp a r to fs e w a g ep r o c e s s i n g t h i sa r t i c l ed e s c r i b e s e w a g et r e a t m e n tl i k ec o n c e n t r a t i o n , s t a b i l i z a t i o n , d e h y d r a t e ，a n ds l u d g el a n du s e t e c h n i q u e ，b u i l d i n gm a t e r i a lu s et e c h n i q u e ，b u r yt e c h n i q u e ，h e a r tt r e a t i n gt e c h n i q u e f o rs l u d g ed i s p o s a li nd o m e s t i ca tp r e s e n t t h i sa r t i c l em a k em e c h a n i s ms t u d yi ns l u d g ed r y i n gc h a r a c t e r , s l u d g es t i c k i n e s s c h a n g i n gi nd r y i n gp r o c e s s i tb r i n gm e t h o dt os e t t l es l u d g es t i c k i n e s si nd r y i n g p r o c e s si nb a s i co fs t u d y , a n db r i n ga d v i c e sh o wt oa v o i ds t i c k i n e s s a i ma tt h e s p e c i a lm a t e r i a l - s l u d g et h a th a sh i g hw a t e rp e r c e n t ，s e r i o u ss t i c k i n e s s ，w ec h o o s e c o m m o nr o t a r yd r i e r , a n a l y s i st h ec h a n g ei ns l u d g ed r y i n gp r o c e s sa n dm a t e r i a la f t e r d r y i n g i nt h i sb a s e ，w er e b u i l dr o t a r ye q u i p m e n t ，l e tt h i se q u i p m e n tc a ns o l v ea n d a v o i ds t i c k i n e s si ns l u d g ed r y i n gp r o c e s si nr o t a r yd r i e r t h em a i n l yr e b u i l d i n gi sa d d s e l f - c l e a r i n gd e v i c ei nt h ef e e d i n gp a r t ，a n dt h es c a t t e rd e v i c et h r o u g h o u tt h ec e n t e ro f t h er o t a r y an e wr o t a r yd r u me q u i p m e n tc o m ei n t ob e i n g - - - s e l f - c l e a r i n g & s t a t t e r r o t a r yd r i e r a l s ow ed i di n d u s t r ym o d e lt e s t ，a n ds t u d yp a r t i c u l a r l yi nt h ed r yp r o d u c t w a t e rp e r c e n ta n a l y s i sf o rt w od r i e r , p r o d u c ti n t e r i o rw a t e rp e r c e n td i s t r i b u t i n gr u l e ， d r u mi n t e r i o rw a t c h i n gs t i c k i n e s sa n a l y s i s ，s l u d g ep r o d u c tt w o - d r y i n ga n d “b a c k m i x i n g ”p r o c e s s i n g w e m a k ee x p l o r i n gf o r s l u d g ed r y i n gp r o c e s s i n gs t u d y , d e v e l o p m e n t ，s p r e a d i n g k e yw o r d s ：t o w n s l u d g e ，s l u d g es t i c k i n e s s ，r o t a r yd r u m ，s l u d g ed r y i n g ， s l u d g ei n c i n e r a t o r , s e l f - c l e a n i n g ，s c a t t e rd e v i c e ，b a c km i x i n g 独创于生声眵j 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 毛牙究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外论文口不包含其他人已经发表 三乏撰写过的研究成果，也不包含为获得玉挞鲎_ 或其他教f 亨机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴论文作者躲却辟一期：郴年午月日 学位论文版权使用授权书 ：本学位论文作者完全了解苤注盘鲎- 有关保留、使用：学位论文的士记定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或i f j 分内容编入有关数撼库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、7 编以供查阅和偌阅。同薏璺校 r i 蛋冢蔫关部门或机构送交论文的复印件和磁耋；。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授朽：说【j ) 文作者虢锄q 辩嗍：勰争月多日 刘雠：缈砂 钳：f = 期：沙易年甲月莎 第一章绪论 1 1 综述 第一章绪论 随着城市污水的增加以及工业的发展，污水的处理业也随着国民经济的要求 而迅速发展，我国的城市污泥以及工业的产量也越来越大。1 9 9 0 年已经建成7 8 座污水处理厂，日处理能力约3 3 0 多万吨，处理率仅为2 9 。2 0 0 0 年我国已经 建成污水处理厂3 0 0 余座，日处理污水8 0 0 余万吨，处理率为8 l o ，日产湿 污泥l 万余吨。2 0 0 4 年末全国城市6 6 1 个，城市污水日处理能力达6 6 0 万立方 米，全国城市污水处理量每年1 6 2 亿立方米，污水处理率4 5 6 j 现在全国正在 运转的污水处理厂4 2 7 座，处理能力每年1 1 3 6 亿吨。据预测，2 0 1 0 年污水排放 量约为4 4 0 亿吨，而2 0 2 0 年约为5 2 6 亿吨。污泥量通常占污水量的o 3 - 0 5 ( 体积) ，或者约为污水处理量的1 3 ( 质量) ，如果属于深度处理，污泥量 会增加o 5 1 倍。污水的处理效率会提高，必然会导致污泥数量的增加。我国目 前污水的处理率只有4 5 ，但城市污水处理厂每年的排放量约为3 0 万吨，每年 还以1 0 的速度增加【l 】。所以国家处理污水污泥的形势非常严峻。 污泥是污水处理厂处理污水的过程中，或者在工业生产中出现的副产物，一 般是指介于液体和固体之间的浓稠物，含水量非常大，一般在8 0 以上【2 】，可以 用泵输送，但难以用沉降进行固液分离，或者说用沉降的方法的效果很差，城市 污水处理厂( w w t p ) 处理的污泥属于有机污泥，其特点是有机物含量高，约为 6 0 8 0 ，颗粒细0 0 2 0 2 m m ，密度小1 0 0 2 1 0 0 6 9 c m 3 ，成胶体结构，是一 种亲水性的污泥，容易管道运输，但脱水性差【3 】，这类污泥主要是由初沉污泥和 二沉污泥组成，约占总处理水量的0 3 0 5 ( 体积) 。对这些污泥的处理成为 了污水处理领域中出现的新问题。 污泥中含有的大量的水分使污泥的体积庞大，以一座日处理污水2 0 万吨的 污水处理厂为例，每天产生的污泥可以达到1 0 0 0 m 3 ，如果进行深度处理，污泥 的量还会增加o 5 1 0 倍，如果不加处理，大量的污泥给污泥的运输和处置带来 了诸多的不便【4 1 。同时，污泥中含有大量的有害物质，例如寄生虫卵、病原微生 物、细菌、合成有机物及重金属离子等，这些成分将对周围的环境产生不良的影 响，甚至还会引起传染性疾病。然而，污泥中含有丰富的有机物和多种矿物质， 第一章绪论 这些成份可以用来改善土壤结构，提高保水能力和保肥能力，是良好的土壤改良 剂。同时污泥中也含有较多的氮、磷、钾等植物养分，可以用作肥料。污泥有较 高的热值，经过干燥后的污泥的热值相当于褐煤的水平，可以直接用作燃料或发 酵产生沼气作为燃气使用。另一方面，污泥处理设备的投资会占到总投资的 3 0 4 0 ，如果采用污泥焚烧设备，则可能达到5 0 6 0 t 5 1 。因此无论从环境 技术的角度还是从投资的角度，污泥的处理在废水处理中占有十分重要的作用。 目前对污泥的处理方针是减量，稳定，无害化和综合利用，从而确保污水的处理 效果，防止二次污染；使容易腐化发臭的有机物得以稳定化的处理；妥当地处理 有毒和有害的物质；使污泥中的有用物质得以充分的利用，变害为利。 1 2 污泥的分类及其成分 1 2 1 污泥的分类 污泥是一种固液混合的物质，在没有外力干预的情况下，其固液比相对固定。 在城镇市政、环保设施运行和维护过程中产生的污泥，称为城镇污泥，城镇污泥 根据其产生源头及性质成分可有不同的分类【6 】。 ( 1 ) 按产生的源头分类 城镇污泥按产生源头可分为自来水厂产生的污泥( 简称水厂污泥) ，污水处 理厂产生的污泥( 简称污水污泥) ，水体疏浚产生的污泥( 简称疏浚污泥) ，市政 排水系统通沟产生的污泥( 简称通沟污泥) 和泵站系统栅渣( 简称栅渣) 。 水厂污泥：水厂污泥是静水厂在静水过程中产生的污泥，主要包括源水中的 悬浮物质、有机杂质和藻类等，以及处理过程中形成的化学沉析物。可细分为三 种类型：含铝盐或铁盐混凝剂的沉淀污泥、滤池反冲洗水所含固体和软化产生的 污泥。 污水污泥：污水污泥是污水净化过程的产物，按其产生于污水处理流程的不 同阶段，可分为初沉污泥、剩余活性污泥和化学一级加强污泥等。 疏浚污泥：为维护城市水体景观、航运等正常功能，城镇水体需要进行定期 的疏浚，以去除水体中的沉积物。疏浚过程中的水体沉积即为疏浚污泥。 通沟污泥：城镇污水中含有大量的悬浮物，由于输送过程中污水流速的变化， 一部分悬浮物会沉淀下来，淤积在输送管道中，为维持城镇排水沟道的正常功能， 需定期对沟道系统进行养护，此过程从沟道中清除的淤泥即为通沟污泥。 泵站系统栅渣：在城镇污水输送过程中，会混入一定量的生活垃圾，这些垃 圾通过泵站、污水处理厂的格栅拦截而分离，分离物为栅渣。 第一章绪论 ( 2 ) 按成分和性状分类 城镇污泥按其有机成分的含量可分为土质污泥和有机污泥。 土质污泥：包括水厂污泥、疏浚污泥和通沟污泥，其有机含量较低，一般占 其干基含量的4 0 以下。 有机污泥：主要指污水污泥，其有机含量高，一般占其干基含量的5 0 以上。 1 2 2 污泥的成分( 根据本文要求，仅列举水厂污泥以及污水污泥) ( 1 ) 水厂污泥 水厂污泥与原水水源有较大关系，原水的浊度、藻类含量等都会影响污泥的 成分。对于不同类型的水厂来说，沉淀污泥主要由混凝剂形成的金属氢氧化物和 泥沙、淤泥和无机、有机物等组成；用石灰或苏打软化产生的污泥主要喊碳酸钙、 硫酸钙、氢氧化镁、硅、氧化铁、氧化铝和未反应的石灰。 表1 1 t 7 1 是上海闽行和福建九龙江水厂污泥中各种成分的含量。表1 - 2 8 】是福 建九龙江水厂污泥的粒径分布。 表1 - 1 水厂污泥成分含量( m g l ) 注：灼烧减重代表污泥的有机物及挥发性无机物含量，又称挥发性固体。 表1 2 福建九龙江水厂污泥粒径分布 ( 2 ) 污水污泥 污水污泥含有大量有机质和氮磷等营养物质，有机质含量占其干基质量的 5 0 以上，使其具备了制造肥料和作为燃料的条件。 第一章绪论 如果污水厂接纳工业废水，则污水污泥中含有一定比例的重金属离子和化学 物质。此外，污泥中还会含有一定量的有害化学物质，如可吸附性有机卤素 ( a o x ) 、阴离子合成洗涤剂( l a s ) 、多氯联苯( p c b ) 等，不仅导致污泥处置 前预处理费用的增高，也极大限制了污泥利用和处置的途径。 初沉污泥和剩余活性污泥是产生于污水处理不同阶段的污水污泥，其成分有 所不同。表1 3 t 9 1 和表l 一4 例分别为初沉污泥和剩余污泥的性质指标。 表1 3 初沉污泥性质指标 项目浓度( 干重) 总污泥 总挥发固体t s 油脂t s 磷t s 蛋白质t s 纤维素t s 氮t s p h 值 表1 4 剩余污泥性质的指标 项目浓度( 干重) 总污泥 总挥发固体t s 油脂t s 磷t s 蛋白质t s 氮t s p h 值 o 4 1 2 6 0 8 5 5 1 2 1 5 3 o 3 2 _ 4 1 2 4 7 0 5 0 8 0 1 3 污泥的处理 污泥的处理主要是去除污泥中的大量水分，而污泥中一般含有大量的水分， 初始水分一般在9 0 以上。污泥的处理技术一般为浓缩、稳定以及脱水。经过处 理以后，含水率从9 9 3 左右降至6 0 一8 0 ，其体积降至原体积的1 1 0 1 1 5 1 0 】， 有利于运输和后续处理。 不同含水量下的污泥相态状态有所不同，以污水污泥为例，如表1 5 】所示。 4 国 o d名o； d d 培 名 名 之 o u 4 堪 o o 0 8 0 卜 5 o 2 西 孓 m 2 0 l 孓 第一章绪论 表1 5 污水污泥含水量及其相态 根据污泥中所含水分与污泥结合的情况，污泥中所含的水分可分为自由水和 结合水两大类。自由水和结合水的分类界限，不同研究者提出了不同的定义，但 广为接受的是1 9 5 6 年h e u k e l e k i a n 1 2 1 和w e i n b e r g 1 2 】提出的在某一温度下，一般 指2 0 ，不冻结的水称为结合水，污泥中只有很少部分的水分以结合水的形式 存在。自由水( f r e eo rb u l kw a t e r ) 指的是不直接与污泥结合也不受污泥颗粒影 响的一部分水，这部分水可以通过浓缩去除，污泥中大部分水以这种形式存在。 结合水可分为空隙水、毛细水、水合水。间隙水存在于絮体或有机体的空隙之间， 条件变化时( 如有絮体破坏时) 可变成自由水。毛细水( v i c i n a lw a t e r ) 指的是 结合力大、结合紧的多层水分子，重力浓缩时不能脱出的那一部分水，必须人工 干化、机械脱水或热处理去除。水合水( w a t e ro fh y d r a t i o n ) 存在与细胞内，只 有热能才能脱出这部分水分。 许多研究者按照不同的定义和不同的测试方法，试图对存在与污泥中的水分 进行分类和测量。以从多方位探讨污泥含水分布测试和含水特性研究方法与技 术，常用的方法有干燥法( d r y i n gm e t h o d ) 、膨胀计法( d i l a t o m e t r i cm e t h o d ) 、微 差扫描热卡计法( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r e m i t r y , d s c ) 、离心沉降法( c e n t r i f u g a l s e t t i n gm e t h o d ) 、压榨法( e x p r e s s i o nm e t h o d ) 、蒸汽压下降发( d e p r e s s i o no fv a p o r p r e s s u r e ) 和核磁共振法( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) 【1 3 】。 除去大量的水分之外，污泥中还含有发臭体、病源菌和有毒物质。污泥处理 的目的首先是去除恶臭，减少有机物的数量，消除致病菌和提高污泥的脱水性能。 处理之后的污泥在再利用和填埋的过程之中产生的问题较少，对环境的影响较小 【1 4 1 ，因此，污泥的处理是污水厂中必不可少的一环。浓缩，稳定化和脱水是污泥 处理的三个基本步骤。 1 3 1 污泥的浓缩 。污泥浓缩去除的对象是自由水和部分间隙水。污泥浓缩的方法主要有重力浓 缩、气浮浓缩、离心浓缩、带式浓缩机浓缩和转鼓机械浓缩等，这五种主要方法 的优缺点如下表1 - 6 1 1 5 1 所示。 第一章绪论 表1 - 6 各种污泥浓缩方法的优缺点 污泥浓缩的新技术主要有微孔滤剂浓缩发、隔膜浓缩法和生物浮选浓缩法 等。例如，转动平膜是一种吸引型浸渍膜，可使附属设施小型化、一体化，可得 到与管状纤维膜同等的流量，其特点是可提高污泥的凝聚浓度，大幅度消减运转 成本，即使污泥混合液的流动性发生变化，被处理液的流路也不堵塞。应用浸渍 型有机平膜和管状膜也取得较好效果。利用膜法浓缩污泥是污泥浓缩技术的一个 研究方向【l6 1 。此外，利用浓缩脱水一体化设备处理s b r 和a 2 o 法等产生的污泥， 也取得了良好的效果，浓缩处理后污泥浓度达到2 一1 0 以上。 重力浓缩法是应用最多的污泥浓缩法。重力浓缩是利用污泥中的固体颗粒与 水之间的相对密度差来实现泥水分离的。用于重力浓缩的构筑物称为重力浓缩 池。重力浓缩的特征是区域沉降，在浓缩池中有4 个基本区域。1 ) 澄清区，为 固体浓度极低的上层清液；2 ) 阻滞沉降区，在该区悬浮颗粒以以恒速向下运动， 一层沉降固体开始从区域底部形成；3 ) 过渡区，其特征是固体沉降速率减小；4 ) 6 第一章绪论 压缩区，在该区由于污泥颗粒的集结，下一层的污泥支撑着上一层的污泥，上一 层的污泥压缩下一层的污泥，污泥中空隙水被排挤出来，固体浓度不断提高，直 至达到所要求的底流浓度并从底部排出。 气浮浓缩是采用大量的微小气泡附着在污泥颗粒的表面，从而使污泥颗粒的 相对密度降低而上浮，实现泥水分离目的的浓缩方法，气浮浓缩适用于浓缩活性 污泥和生物滤池等颗粒相对密度较轻的污泥。通过气浮浓缩，可以使活性污泥的 含水率从9 9 4 浓缩到9 4 9 7 。气浮浓缩法所得到的浓缩污泥含水率低于采用 重力浓缩能达到的含水率，可达到较高的固体通量，但运行费用比重力浓缩高， 适合于人口密度高、土地稀缺的地区。 机械浓缩所需要的时间更短。以离心浓缩为例仅需几分钟，浓缩污泥的浓度 比较重力式要高，但是动力消耗大，设备价格高，维护管理工作量大。 以4 0x1 0 4 m 3 d 污水处理厂的规模为例，经测算，建重力浓缩池投资约为 4 0 0 万元，建机械浓缩系统为7 2 0 万元，机械浓缩的动力配置为2 5 9 k w ( 1 0 0 m 3 h ) 1 1 7 l 。 而从污泥浓缩的可靠、有效性，特别尽量减少污泥的释磷量要求来判断，应 考虑机械浓缩。 ( 1 ) 离心浓缩 离心浓缩的动力是离心力，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2 0 世纪2 0 年代初，当时采用的是原始的筐式离心机，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，一般不需加入调理剂，只有当需要浓缩污泥含固率大于6 时， 才加入少量调理剂。而离心脱水机要求必须加入调理剂。 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释放，提高污 泥处理系统的除磷效果，运行费用和机械维修费用较高，经济性差，一般很少应 用与污泥浓缩，但对于难于浓缩的剩余污泥可以考虑使用。 ( 2 ) 带式浓缩机浓缩 带式浓缩机主要用于污泥浓缩脱水一体化设备的浓缩段。重力带式机械浓缩 机( g r a v i t yb e l tt h i c k e n e r , g b t ) 主要由框架、进料装置、滤带承托、进料混合器、 动态泥耙、滤带、冲洗和纠偏装置等组成。其主要工作原理是：经过混凝的污泥 在浓缩段均匀分布到滤带上，依靠重力作用分离掉其中大量游离水分，污泥得到 浓缩，流动性变差后，再进入后面的压滤段。 ，污泥浓缩脱水_ 体化设备的浓缩过程是关键控制环节，；因此水力负荷显得极 为重要。一般设备厂家会根据具体的泥质情况提供水力负荷或固体负荷的建议 值。应当注意的是，不同厂商设备之间的水力负荷会相差很大，质量一般的设备 第一章绪论 只有2 0 3 0 m 3 ( m 带竟x h ) ，甚至更高【1 8 】。污泥浓缩脱水一体化设备，适用于进泥含 水量9 9 5 以下的污泥，进泥含水率高于9 9 5 不宜直接进入，一般需要通过其 它浓缩方法浓缩。 ( 3 ) 转鼓机械浓缩 转鼓( 转筛) 机械浓缩机( r o t a r yd r u mt h i c k e n e r , r d t 或r o t a r ys i e v et h i c k e n e r , r s t ) 1 1 9 和类似的装置主要用于浓缩脱水一体化设备的浓缩段，转鼓机械浓缩是 将化学混凝的污泥进行螺旋推进脱水和挤压脱水，是污泥含水率降低的一种简便 高效的机械设备。 1 3 2 污泥的稳定 1 城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 【1 8 】中规定：城镇污水 处理厂的污泥应进行稳定化处理，处理后应达到表1 7 所规定的标准。 表1 7 污泥稳定化控制指标 1 8 】( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 注含有一个粪大肠菌的被检样品克数或毫升数，该值越大，含菌量越小。 由于污水污泥中通常含有5 0 以上的有机物，极易腐败，并产生恶臭，因此 需要进行稳定化处理。目前常用的稳定化工艺有：厌氧消化、好氧消化、好氧堆 肥、碱法稳定和干化稳定等。 厌氧消化、好氧消化和好氧堆肥这三种生物方式，可使污泥中的有机组分转 化成稳定的最终产物；碱法稳定是通过添加化学药剂来稳定污泥，如投加石灰等， 通常是石灰稳定，但是碱法稳定的污泥，p h 值会逐渐下降，微生物逐渐恢复活 性，最终使污泥再度失去稳定性。干化稳定，则是通过高温杀死微生物，低含水 率也能使污泥稳定。 在选择污泥稳定的工艺时，重要的影响因素是，污泥是否与大众接触，以及 是否有农业或绿化的限制。表1 - 8 t 2 0 1 列出了几种污泥稳定化过程的衰减效果，通 过以下几种污泥稳定化工艺比较，可以看出，对稳定化要求越高，所需要的投资 和运行费用也越高。 第一章绪论 为选择污泥稳定工艺以及优化工艺运行，需要确立评价污泥稳定程度的一系 列参数和指标体系。一套评价指标除了应能正确反映污泥的稳定程度外，尚应具 有测定简单、经济、重视性好等特点。由于污泥生物稳定过程是一个逐渐完成的 过程，故在实践中不可能存在具有明确临界值的参数指标，即当超过或低于此值 时，污泥被明确定义为稳定或不稳定。因此在目前情况下，一些常用的评价污泥 稳定程度的参数指标值也只具有相对意义。应该指出，尽管目前在文献上可查到 的评价污泥稳定的参数有5 0 多个。但真正具有实用价值的并不多，而且大部分 情况下也没有明确给出评价污泥稳定相应的指标值。由于这种状况的客观存在， 在实践上给污泥稳定的定义、系统的设计和运行带来相当的混乱。污泥好氧稳定 过程和厌氧消化过程微生物对有机物的讲解途径、最终产物的能量水平、污泥进 一步堆置时的介质变化等都不同，故评价污泥稳定程度的参数和指标必须与所采 用的污泥稳定工艺以及运行方式结合起来考虑。 对评价污泥稳定化的有关参数和指标现在并没有统一的规定，但随着污泥处 置尤其是污泥农用卫生要求的不断提高，对污泥稳定化处理的要求也必将日益正 规和严格。 1 3 3 污泥的脱水 以前，人们通常是从污泥中水分的存在方式的角度来理解污泥的脱水性的。 目前国外有些学者试图从污泥絮体结构变化来解释污泥脱水性能的变化，并做了 大量的工作，但是诸如絮体结构和脱水性具体关系之类的问题，很多地方还需要 继续研究。与絮体结构有关的因素有絮体的粒径，密度和一个比较新的概念一分 形尺寸。污泥的电势能反映污泥絮体之间的相互作用，对脱水性也有影响，但它 与絮体结构之间存在密切联系。还有污泥的来源也能间接反映污泥的性质。 另外，应该注意的一点是，脱水性受很多因素的影响，：包括污泥的絮体结构 和它们之间的相互作用，另外还包括污泥的组成。因此，任何单一因素都不能和 脱水性的相关性很好。以下列举几个影响污泥脱水性的因素。 1 ) 水分的存在方式 9 第一章绪论 2 ) 粒径 3 ) 絮体的密度 4 ) 分形尺寸( f r a c t a ld i m e n t i o n ) 5 ) 污泥的电势( z e t ap o t e n t i a l ) ，电势越高，对脱水越不利。 6 ) 剩余活性污泥中的胞外聚合物质( e x o c e l l u l a rp o l y m e r , e c p ) 7 ) p h 值 8 ) 污泥来源【2 1 】 无论是水厂污泥还是污水污泥，抑或是河道疏浚污泥，一般都需要进行机械 脱水，以减少污泥中的含水量。由于污泥特性不同，所采用的机械脱水方式也各 不相同，常用的污泥脱水方式有：板框压滤、带式压滤、离心脱水和螺旋压榨式 脱水，四种脱水机械的性能比较见表1 9 【2 1 1 。 表1 - 9 四种脱水机械性能比较 污泥脱水前通常会投加化学调理剂来改善污泥的脱水性，化学调理剂包括无 机调理剂( 如石灰、铁盐、铝盐以及聚铁、聚铝等无机高分子化合物) 和有机高 分子调理剂( 如阳离子型有机高分子聚合物电解质等) 。其中石灰、铁盐、铝盐 1 0 第一章绪论 等无机调理剂主要起电性中和的作用，故又可称为混凝剂，一般用于板框压滤脱 水。而聚铁、聚铝等无机高分子化合物和有机高分子调理剂主要起吸附架桥的作 用( 阳离子有机高分子聚合电解质同时具有电性中和与吸附架桥的作用) ，可称 为絮凝剂，其形成的污泥絮体抗剪性能强，不医被打碎，尤其适合于后续脱水采 用离心、螺旋压榨式脱水和带式压滤脱水方式时应用【2 2 1 。 具体选择何种类型的脱水机械，还应根据污泥的性质和现场条件综合考虑技 术、经济、环境和管理等因素，全面分析判断后作出合理的选择，国际上也是四 种脱水形式共存，各有各自的使用范围。 1 4 污泥的处置 污泥的处理过程是每个污水处理厂中必不可少的一环，污泥经过了一定的减 容和稳定化的处理，此时的特性已经较未处理的污泥改善了许多，这些经过处理 的污泥的最终处置途径多种多样，一般应该根据污泥的处理方式和最终的目的来 决定，目前最常用的污泥处置方法有污泥的土地利用技术、污泥的建材利用技术、 污泥的填埋处置技术、污泥的热处理技术【2 3 】。 1 4 1 污泥的土地利用技术 污泥土地利用投资少、能耗低，运行费用低，其中有机物可转化为土壤改良 剂的有效成分，符合可持续发展战略，因此污泥土地利用被认为是有发展潜力的 一种污泥处置方式。 英、美、法等许多国家城镇污泥的农用率占越来越大的比率，有的高达8 0 以上 2 4 】。表1 1 0 c 2 5 】为1 9 9 8 年某些国家污泥产量和土地利用状况。尤其近年来， 随着美国联邦和州政府多年的大力提倡、诱导和支持，目前污泥土地利用在美国 已经代替填埋成为最主要的污泥处置方式，中心从处置改变到回用。加拿大水和 废水协会( c 嗍) 2 0 0 1 年提出的加拿大污水污泥处置的技术使用情况表面土 地利用的污泥数量最多可，占了4 1 4 ，显著高于其它技术。 第一章绪论 表1 1 0 t 2 5 】某些国家污泥产量和污泥土地利用状况 我国污泥土地利用很早就开始了，如1 9 6 1 年北京高碑店污水处理厂的污泥 大多被当地的农民施用于土地。近年来，我国污水处理事业飞速发展，相应的污 泥年产量增加迅速。关于污泥土地利用的研究，经过“七五、“八五、“九五” 几个阶段的努力，已经有几十家研究单位在就污泥的肥效、科学施用、污泥有害 成分的潜在威胁及防治对策等方面进行了一定的工作【2 6 1 。 污泥土地利用的优点主要如下： 供给植物养分，污泥中含有相当于厩肥的氮和磷，也含有钾、钙、铁、硫、 镁、锌、铜、锰、硼、钼等微量元素。其氮磷均为有机态，可以缓慢释放而具有 长效性。 提高土壤有机质含量，改善土壤化学性质污泥中的有机物可提高土壤的阳 离子代换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性点，从而 提高对化肥的利用率。 改善土壤的物理性质，可增加土壤的持水能力从而提高土壤水分含量，还可 增加土壤的透水性及防止土壤表面板结。 改善土壤的的生物学性质污泥可增加土壤根际微生物的群落，从而增加其 生物活性，有利于养分的释放，并能减少某些植物的疾病。 污水污泥一方面含有氮磷等营养物质和大量有机质，但另一方面又含有大量 病原菌、寄生虫( 卵) 和生物难降解物质，特别是含工业废水时，污水污泥可能 含有较多的重金属离子和有毒有害化学物质。这些物质随污泥的土地利用进入到 土壤中，可能会对土壤植物系统、地表水、地下水系统产生影响，造成环境和 人类健康风险。一般认为，污泥土地利用可引起以下五种风险f 2 刀。 1 2 第一章绪论 盐分 病原物 重金属 氮磷等养分 有机污染物 一些生产部门排放的污水中含有一定的有机污染物，如聚氯二酚、多环芳烃 以及农药的残留物。这些物质在污水和污泥的处理过程中会得到一定程度的降 解，但一般难以完全除去，在污泥的使用时还需考虑其可能产生的危害。国外学 者对此研究较多，国内还罕见这方面的报道，需要进行研究。 因此，在污泥的土地利用过程中，需严格控制污泥中的重金属浓度以及氮、 磷营养物质的平衡和控制污泥的施用量；同时，应采用工业废水预处理，对土地 利用污泥进行有效预处理的措施，积极控制污泥的毒害有机物、病原菌和盐分含 量，避免对周围环境和人类事物链安全造成负面影响【2 9 1 。 1 4 2 污泥的建材利用技术 近几年来，随着循环经济理念在环境领域研究的深入，废弃物被处理过程中， 首先应对其循环利用的可行性进行论证。污泥建材利用是污泥资源化利用的一 种，其内容包含了利用污泥及其焚烧产物制造砖块、水泥、陶粒、玻璃、生化纤 维板等。目前，污泥的建材利用已经被看作一种可持续发展的污泥处置方式，在 日本和欧美等国都有许多成功实例。污泥建材利用最终产物是在各种类型建筑工 程中使用的材料制品，无需依赖土地作为其最终消纳的载体，同时它还可替代一 部分用于制造建筑工程中使用的原料，因此具有资源保护的意义。 在德国、日本等国，由于污泥处理的主要工艺为焚烧，因此对于污水污泥焚 烧灰渣的利用，首先考虑的就是污泥焚烧灰作为建筑的材料或附加材料。经过长 期的研究与技术积累，技术上已经走向成熟并已开始应用于生产实际。 我国的一些地方，如浙江嘉兴、广东广州等地，也有一些污泥干化到一定程 度后运往砖厂或陶瓷厂作为添加料的应用。上海市在废弃物建材利用方面进行了 许多的研究，同济大学曾经与江苏省陶瓷研究所一起，于1 9 9 7 1 9 9 8 年间进行了 苏州河底泥制作陶粒和烧结多孔砖建材的研究，研究过程包括小试和中试，建材 产品为陶粒和烧结多孔砖。上海新型建材研究开发中心在：1 9 9 9 年对利用水泥窑 处理污水污泥技术进行了研究开发，对污泥深入水泥后其物理形态的变化、重金 属元素的消减情况、细菌和蛔虫卵等的消减情况、恶臭的消减情况、水泥烧成的 影响等进行了一系列的研究，取得了一定的成果。 第一章绪论 1 4 3 污泥的填埋处置技术 污泥的填埋可分为传统填埋、卫生填埋以及安全填埋等。 传统填埋是利用坑、塘和洼地等，将污泥集中堆置，不加掩盖。由于它特别 容易污染水源和大气，因此是不可取的。 卫生填埋始于2 0 世纪6 0 年代初，它必须按一定的采用工程技术规范和卫生 要求填埋污泥，即通过填充、堆平、压实、覆盖、再压实和封场等工序，渗滤液 必须收集并处理，使污泥得到最终处置，并防止产生对周边环境的危害和污染 3 0 1 。 安全填埋是一种改进的卫生填埋方法，其主要用来进行有害固体废弃物的处 理和处置。 污泥填埋的优点是投资量少、处理量大、效果明显，对污泥的卫生学指标和 重金属指标要求比较低。但它也存在一些问题，如场地不宜寻找，污泥运输和填 埋场建设费用较高，填埋容量有限，有害成分的渗漏可能会造成地下水污染，填 埋场的卫生、臭气会造成二次污染，污泥中含有的营养物质会使大量病原菌繁衍 等。 由于污泥填埋渗滤液对地下水的污染和城市用地减少等因素，世界各国对污 泥填埋处置技术标准要求越来越高。例如，所有欧盟过家在2 0 0 5 年以后，有机 物含量大于5 的污泥都将禁止填埋，所以污泥必须经过焚烧处理才能满足填埋 要求，而这显然违背了污泥填埋工艺简单、成本低廉的初衷。在这样的形式下， 全世界污泥填埋的比率正在逐步下降，美国和德国的许多地区甚至已经禁止了污 泥的土地填埋。从具体数据上看，具美国环保局估计，今后几十年内美国6 5 5 0 个填埋场将有5 0 0 0 个被关闭；英国污泥填埋比例则由1 9 8 0 年的2 7 下降到1 9 9 5 年的1 0 ，到2 0 0 5 年预计将继续下降到6 【3 l 】。 1 4 4 污泥的热处理技术 污泥的热处理技术主要包括污泥的干化技术、焚烧技术以及其它的如湿式氧 化技术、熔融技术、玻璃体骨料技术、与煤混烧技术等，这里主要叙述污泥的干 化以及焚烧技术。 污泥干化按热介质与污泥的接触方式可分为两大类：一类是用燃烧烟气进行 直接加热；另一类是用蒸汽或热油等热媒进行间接加热。用烟气进行直接加热时， 由于温度较高，在干化的同时还使污泥中许多有机质分解。间接加热，温度一般 低于1 2 0 ，污泥中的有机质不易分解，能大大改善生产环境。 1 4 第一章绪论 目前污泥干化设备类型如下。 直接加热式。原理为对流加热，代表设备有打散回转圆筒、转鼓、流化床等。 间接加热式。原理为传导或接触加热，代表设备有螺旋、圆盘、浆式等。 热辐射加热式。有带式、螺旋式等。 较常见的污泥干化设备有打散回转圆筒技术、间接加热浆式干燥技术、直接 加热流化床技术。 污泥焚烧是一种常见的污泥处置方法，它可破坏全部有机质，杀死一切病原 体，并最大限度地减少污泥体积，焚烧残渣相对含水率约为7 5 的污泥仅为原有 体积的1 0 左右。当污泥自身的燃烧热值较高时，城市卫生要求较高，或污泥有 毒物质含量高，不能被综合利用时，可采用焚烧处置。污泥在焚烧前，一般应先 进行脱水处理和热干化，以减少负荷和能耗。污泥焚烧在技术上是可行的，并已 达到了工业规模的程度。 污泥的焚烧基本上有4 种方法【3 2 】。 利用现有的垃圾焚烧炉 利用现有的工业炉焚烧污泥 在火力燃煤发电厂焚烧污泥 污泥单独焚烧 焚烧处理的特点：大大地减少了污泥的体积和重量；杀死一切病原体；污泥 处理速度快，不需要长期储存；可以回收能量。但是，另一方面其较高的造价和 烟气处理问题已经成为制约污泥焚烧工艺的主要因素。 1 5 本文的研究背景及研究内容 随着社会的发展和人类的进步，人们的环境保护意识和生活环境改善意识不 断加强。而且，我国对环境保护政策实施力度不断加强，全国的污水处理率不断 提高，各城市建设的污水处理厂的数量迅速增加。各个污水处理厂都面临着如何 处置每天产生的大量剩余污泥的问题，在我国目前尚无妥善的最终处理办法；加 之，污泥中病菌的超标，传统上用作农肥不能完全符合卫生标准。尤其是一些大 城市当中，污水中工业废水的比例一直比较高，污泥中含有一定比例的重金属物 质长期使用会使重金属在土壤中富集，造成土地板结，因此近年来污水处理厂脱 水污泥无适当出路随意堆放造成二次污染，污泥处置问题已经成为多数污水处理 厂亟待解决的问题，污泥处置是否妥当己关系到污水处理厂的生存。 进入上世纪8 0 年代，由于污泥在农用、填埋、投海的各种限制条件和不利 第一章绪论 因素逐渐突出，也由于污泥热干化技术在欧美等国家一些污水处理厂的成功应 用，使污泥干化技术在西方工业发达国家很快推广开来，比如，欧盟在2 0 世纪 8 0 年代初只有数家污水处理厂采用污泥热干化设备处理污泥，但到1 9 9 4 年底已 有11 0 家污泥干化处理厂，并且还在逐年增加。这项技术同时也得到了越来越多 发展中国家环境工程界的重视，也为我国污泥处置提供了宝贵的经验。 干化不同的污泥，如工业废水污泥和城镇污水污泥，对设备的要求也不相同。 这是因为城镇污泥的特性是黏度很高，而且干化过程中有一个特殊的胶黏性阶 段，至此阶段，污泥含水率为5 5 6 5 ，这时，污泥会黏在干燥机的壁上，污 泥极易结块，表面坚硬，而里面却仍是稀泥。这为污泥的进一步干化和灭菌带来 了极大的困难。 目前国内对高湿粘性物料的干燥主要有旋转闪蒸干燥、桨叶式干燥、管束干 燥和普通回转圆筒干燥，其主要技术性能如表1 1 1 【3 3 】： 表1 11 各种干燥设备主要技术性能 一从表1 1 l 中可以看出，前三种设备适用于小颗粒物料，而且单机处理能力 都在3 0 吨小时以下，并且只有旋转闪蒸干燥机可用于高粘性物料。普通转筒干 燥机处理能力较大，但对物料的粘度又比较敏感，国内目前尚没有专门适用于高 1 6 第一章绪论 湿度、高粘度物料大容量的干燥装备【3 3 1 。 从国内发展趋势看，污泥处理的大型化越来越进入人们的视野，产量低的污 泥干化设备已经逐渐满足不了人们的需求。浆叶干燥机、旋转闪蒸干燥机虽然适 合黏性比较大的污泥的烘干，但是产量低，并不能直接形成颗粒。所以，对能够 实现大型化的回转圆筒干燥机进行改造，使之能够避免烘干污泥过程中产生的污 泥胶黏性问题，是我国污泥干化产业急需解决或正在解决的问题。 本论文的主要研究的是通过对污泥的工业模拟试验以及污泥的水分试验、脱 水试验等，分析污泥的干化规律，对回转圆筒干燥机进行改造，通过改造能够实 现污泥干化的大型化，提高污泥的干化产量。 回转圆筒干燥机是一种处理大量物料的干燥器。运转可靠、操作弹性大、适 应性强、处理能力大、使用范围广。缺点是设备复杂庞大、一次性投资大、占地 面积大，有较大的热损失。 回转圆筒干燥机的干燥原理是通过圆筒的回转运动，将物料在筒体内部翻 滚，让物料与直接通过简体的高温热风接触，从而将物料中的水分脱出。由于回 转圆筒的本身特性，造成物料在设备内部填充系数小，物料与热风的接触面积小， 从而引起热损失比较大。然而，回转圆筒干燥机却能够实现大型化。 所以，如何加大物料在设备内部的停留时间，如何加大物料与热风的接触面 积，从而提高回转圆筒的热效率，提高同型号设备的产量，是现在回转圆筒干燥 设备的主要问题。 根据以上目的，本文讨论的主要议题就是：减小最好能够避免污泥在回转圆 筒设备内部的粘壁问题，从而加大回转圆筒干燥设备干燥污泥的效率，提高干燥 强度，保证了设备的连续运行。 1 7 第二章污泥干燥工艺研究 第二章污泥干燥工艺研究 2 1 污泥干燥的一般工艺流程 污泥干化按热介质与污泥的接触方式