（环境工程专业论文）fenton、光fenton氧化处理剩余污泥研究.pdf

摘要 在用活性污泥法处理城市污水和工业废水时往往会产生大量的剩余污泥，这 些污泥的体积庞大，成分复杂，处理费用也较高，其处理与处置已成为污水处理 过程中的难题之一。剩余污泥的含水量高达9 5 一9 9 5 ，因此，脱水成为了污泥 减量中的关键一环。污泥中胞外聚合物( e p s ) 的大量存在给污泥脱水造成了一 定的困难。e p s 是细菌细胞壁外膜周围保护细胞并阻止其脱水的水合胶囊或粘液 的聚合体，它决定污泥的理化性质及生物特性。e p s 的质量( 包括其结合水) 约 占到污泥固体质量的近8 0 ，主要由有亲水性与粘性的多聚糖、蛋白质、核酸、 脂质和d n a 等高分子物质组成。 当今应用最多的减小污泥体积的方法是机械脱水。而化学调理法则广泛应用 于改善剩余污泥的机械脱水性能。 本研究利用f e n t o n 试剂氧化破解剩余污泥，通过污泥过滤比阻( s r f ) 和毛细吸 水时间( c s t ) 表征污泥脱水性能的变化，重点考察p h 、反应时间、h 2 0 2 和f e 2 + 的 投加量等条件对污泥脱水性能的影响，旨在找出f e n t o n 试剂氧化污泥提高其脱水 性能的适宜条件，在此基础上回调污泥p h 值，考察s r f 、c s t 和污泥沉降体积( s v 3 0 ) 等指标，研究污泥脱水性能的变化。结果表明，f e n t o n 试剂处理污泥改善其脱水 性能的效能明显优于酸处理。p h 为2 5 、反应时间为6 0 m i n 、h 2 0 2 和f e 2 + 投加量分 别为6 l 和4 l 为f e n t o n 适宜反应条件。该条件，s r f 和c s t 分别由1 3 4 1 0 1 0 s 2 倡 和6 9 6 s 下降至1 3 1 1 0 9 s 2 g 和2 0 6 s ，污泥脱水性能的到明显改善。f e n t o n 反应氧化 剩余污泥后，回调p h 能明显改善污泥的脱水性能，但是对污泥沉降性能的改善不 明显。 利用紫外光f e n t o n ( 光f e n t o n ) 氧化处理剩余污泥，通过上清液的s c o d 、 多聚糖以及蛋白质浓度表征胞外聚合物( e p s ) 的破解情况，s r f 和滤饼含水率表 征污泥脱水性能的变化。结果表明，光f e n t o n 反应破解污泥e p s 和改善污泥脱水性 能的效能明显优于f e n t o n 反应和单独紫外光照射处理。p h 为3 ，反应时间为2h ， h 2 0 2 投加量为4g l 和f e 2 + 投加量为0 6m l 是处理试验污泥的适宜条件。在适宜 反应条件下，污泥上清液中的s c o d 、多聚糖和蛋白质浓度分别由6 7 4 6m g l 、 1 2 5 3m g l 和8 6 2m g l 增加到5 6 8 1 2m l 、4 4 8 6 2m g l 和2 9 2 9 4m g l ；s r f 和滤 饼含水率分别由2 4 1 0 9s 2 g 和8 8 5 2 下降至5 2 6 1 0 8s 2 g 和7 6 3 6 。光f e n t o n 反应 在有效破解污泥的同时，提高了污泥的脱水性能，有利于污泥的减量化。 关键词：城市污泥；f e n t o n ；光f e n t o n ；污泥脱水性能；胞外聚合物 n 硕l ：学位论文 a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s st ot r e a tm u n i c i p a la n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e rp r o d u c e s h u g ea m o u n t s0 fe x c e s ss l u d g e s t h et r e a t m e n t0 ft h e s ee x c e s ss l u d g eb e c o m e sa d i f f i c u l tp r o b l e mi n s e w a g et r e a t m e n t b e c a u s e0 fi t s l a r g ev o l u m e ， c o m p l e x c o m p o n e n t sa n dh i g hc o s t t h ew a t e rc o n t e n to f i ti sa s h i g h a s9 5 一9 9 5 t h e r e f o r ed e w a t e r i n gi st h ek e yo fs l u d g er e d u c t i o n t h eb o t t l e n e c ko f s l u d g e r e d u c t i o ni sd e w a t e r i n gb e c a u s eo fm u c ho fe 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 ) e p sa r eac o m p l e xh i g h m o l e c u l a r w e i g h tm i xc o t u r eo fe x c r e t e db ym i c r o o r g a n i s m s ， p r o d u c e db yc e n y s i sa n dh y d r o l y s i s ，w h i c ha b s o r b e do r g a n i cm a t t e rf r o mw a s t e w a t e r t h ep h y s i c a l - c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o b i a lc h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g ea r ec e r t a i n l y d e t e r m i n e db ye p s ，w h i c hc o m p o s e8 0 o ft h ew e i g h to fs o l i ds l u d g e ，a n dt h em a i n c o n l p o n e n t so fe p s a r ep o l y s a c c h a r i d e ，p r o t e i n ，n u c l e i ca c i d ，l i p i da n dd n a ，e t c m e c h a n i c a ld e w a t e r i n gi st h em o s tc o m m o nm e t h o di n s l u d g er e d u c t i o n c h e m i c a lc o n d i t i o nh a sb e e n a d o p t e dw i d e l y t o i m p r o v es l u d g e m e c h a n i c a l d e w a t e r i n g “ a f t e ru s i n gf e n t o no x i d a t i o nt 0 p r o c e s s e d e x c e s ss l u d g e ， i nw h i c hs l u d g e d e w a t e r i n gc a p a c i t yw a sd e s c r i b e db yt h es p e c i f i cr e s i s t a n c et of i l t r a t i o n ( s r f ) a n d c a p i l l a r ys u c t i o nt i m e ( c s t ) t h ee f f e c to fp h ，r e a c t i o nt i m e ，t h ed o s a g eo ff e 2 + a n d h 2 0 2o ns l u d g ed e w a t e r i n gc a p a c i t yw a si n v e s t i g a t e d t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yw a s t oo p t i m i z et h eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n sf b rs l u d g ed e w a t e r i n gc a p a c i t yw i t hf e n t o n o x i d a t i o n b a s e do nt h eb e s tc o n d i t i o n ，t h ee f f e c t so fv a r i o u sp ho ns r f ，c s ta n d s t a t i cb a l a n c et i m e ( s v 3 0 ) w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es l u d g e d e w a t e r i n gc a p a c i t yi m p r 0 v e m e n tb yf e n t o nr e a c t i o nw a sh i g h e rt h a nt h a tb ya c i d t r e a t m e n t t h e0 p t i m a lo p e r a t i o n a lc o n d j t j o n sf o rt h e e x p e r i m e n t a l s l u d g ew e r e ： p h = 2 5 ，r e a c t i o nt i m e = 6 0m i n ，h 2 0 2d o s a g e = 6g la n df e z + d o s a g e = 4g l u n d e r t h e s ec o n d i t j o n s ，s r fa n dc s tr e d u c e df r o m3 4 1 0 1 0 s 2 ga n d6 9 6 st o1 3 1 1 0 9 s 2 g a n d2 0 6 s ，d e w a t e r i n gc a p a c i t yw a si m p r 0 v e do b v i o u s l y a f t e rf e n t o n r e a c t i o n ， r a i s i n gp h c a ni m p r 0 v ed e w a t e f j n gc a p a c i t yb u ta f f e c t ss e t t l e m e n t0 fs l u d g es e l d o m p h o t o - f e n t o nr e a c t i o nw a su s e dt o0 x i d i z ee x c e s ss l u d g e ，i nw h i c hs l u d g ee p s d i s i n t e g r a t i o nw a sc h a r a c t e r i z e db yt h ec o n c e n t r a t i o no fs o l u b l ec h e m i c a lo x y g e n d e m a n d ( s c o d ) ，p o l y s a c c h a r i d e a n d p r o t e i n o f s l u d g es u p e r n a t e ， a n ds l u d g e d e w a t e r j n gc a p a c i t yw a sd e s c r i b e db yt h es r fa n dt h ew a t e rc o n t e n to ft h es l u d g e c a k e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f f e c to fe p sd i s i n t e g r a t i o na n ds l u d g ed e w a t e r i n g t n f e n t o n 、光f e n t o n 钒化处理剩余污泥研究 c a p a c j t yi m p r o v e m e n tb yp h o t o - f e n t o nr e a c t i o nw a sh i g h e rt h a nt h a tb yf e n t o n r e a c t i o no ru vr a d i a t i o n t h e0 p t i m a lo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n sf o rt h ee x p e r i m e n t a l s l u d g ew e r e ：p h = 3 ，r e a c t i o nt i m e = 2h ，h 2 0 2d o s a g e = 4g la n df e 2 + d o s a g e = 0 6m g l u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h ec o n c e n t r a t i o n0 fs c o d ，p o l y s a c c h a r i d ea n dp r o t e i no ft h e s l u d g es u p e m a t ei n c r e a s e df r o m6 7 4 6m g l ，1 2 5 3m g la n d8 6 2m g lt o5 6 8 1 2 m g l ，4 4 8 6 2m la n d2 9 2 9 4m g l ，r e s p e c t i v e l y ；a n dt h es r fa n dt h ew a t e rc o n t e n t o ff i l t e rc a k er e d u c e 矿f r o m2 4 1 0 9s z ga n d8 8 5 2 t o5 2 6 1 0 8s 2 ga n d7 6 3 6 ， r e s p e c t i v e l y t h ee f f i c i e n te p sd i s i n t e g r a t i o na n dd e w a t e r i n gc a p a c i t yi m p r o v e m e n t o ft h ee x c e s ss l u d g ew a s s i m u i t a n e o u s i ya c h i e v e db yp h o t o f e n t o n ，w h i c hb e n e f i t st h e f u r t h e rs l u d g ef e d u c t j o n k e yw o r d s ： s e w a g es l u d g e ；f e n t o n ；p h o t o f e n t o n ；s l u d g ed e w a t e r i n gc a p a c i t y ； 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 ) 烈 f e n t o n 、光f e n t o n 氧化处理剩余污泥研究 插图索引 图2 1 比阻实验装置图2 1 图2 2 回调p h 对污泥脱水性能的影响2 7 图2 3 回调p h 对沉降性能的影响二2 8 图2 4 污泥的显微镜照片2 9 图2 5 沉降2 4h 后污泥体积的变化2 9 图3 1 初始p h 对e p s 破解的影响3 7 图3 2 反应时间对e p s 破解的影响3 8 图3 3h 2 0 2 和f e 2 + 投加量对s c o d 的影响3 9 图3 4h 2 0 2 和f e 2 + 投加量对多聚糖浓度的影响4 0 图3 5h 2 0 2 和f e 2 + 投加量对蛋白质浓度的影响4 0 硕i ：学位论文 附表索引 表2 1 供试污泥的基本性质2 3 表2 2 酸处理与f e n t o n 反应处理污泥比较2 4 表2 3 初始p h 对污泥脱水性能的影响。2 5 表2 4 反应时间对污泥脱水性能的影响2 5 表2 5h 2 0 2 和f e 2 + 投加量对污泥脱水性能的影响2 6 表3 1 供试污泥的基本性质3 5 表3 2 光f e n t o n 反应与紫外光照射、f e n t o n 反应处理污泥对比3 6 表3 3 初始p h 对污泥脱水能力的影响3 7 表3 4 反应时间对污泥脱水能力的影响3 8 表3 5h 2 0 2 和f e 2 + 投加量对污泥脱水性能的影响4 1 硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 城市污泥的产生、处理与处置 1 1 1 城市污泥的产生 随着当代人民生活水平的提高和城市化进程的不断加快，人们越来越关注于 环境问题，对于环境质量的要求也日益严格。为了防止水体污染、改善生态环境， 在我国的大部分城市都采用了集中式的生活污水处理厂。目前的污水处理技术主 要是通过微生物的代谢作用结合一定的物理和化学方法，将水体中的污染物大量 转移到剩余污泥中，即所谓污染物的相转移，而水污染问题就随之被转化成了固 体废物的处理和处置问题，而此过程中产生的污泥问题也随之为研究者所关注i l j 。 污泥，通常是指介于液体和固体间的浓稠物，其悬浮浓度一般在1 一1 0 ， 而低于此浓度则称为泥浆。统计至2 0 0 4 年底，我国建成城市生活污水处理厂7 0 8 座，城市污水处理能力达到7 3 8 7 1 0 7 m 3 d 【2 1 。按污泥产量占处理水量的0 3 一o 5 计算【3 1 ，我国城市生活污水处理厂污泥的产量为( 7 6 0 2 1 2 6 7 0 ) 1 0 3 m 3 d f 4 1 。剩 余污泥含水量高达9 8 ，造成了剩余污泥体积庞大【5 l ；剩余污泥有机物含量高达 7 0 ，随着污水水质得到净化，其中的污染物也作为污泥被分离出来，这些污泥 通常含有很多有机物、病菌等【6 l ；此外，其中各种持久性有机物、内分泌干扰物 都增大了剩余污泥的毒性及处理难度i 卜9 1 。污泥其实就是被浓缩的污染物，如果 不及时加以处理任意堆置，不仅会占用大量耕地，而且还会对地表环境与地下水 以及周围生态环境造成相当严重的污染【l ，所以污泥的处理与处置是废水处理过 程中不可或缺的重要一环。目前，城市污泥处理中，国内外通常采用传统的浓缩 一稳定( 消化) 一脱水一处置( 填埋或农用或焚烧) 。处理费用很高，其费用占 污水处理的2 5 一5 0 【1 1 】。污水处理系统只有拥有了污泥处理单元才能称为一个完 善、系统的处理工艺。因而，从污染物净化的程度和废水处理技术的重要性以及 其投资比例来看，污泥处理都是有非常重要地位的。但是污泥处理技术相对废水 处理技术还是比较落后的，这在很大程度上制约了废水处理设备的建设和环境污 染情况的改善。 1 1 2 污泥来源、分类与性质 1 1 2 1 污泥来源和分类 污泥的分类取决于废物的相态特征。首先是固液混合，也就是污泥是固体与 液体的混合物，而且所含固体和液体仍然保持其各自相态特征，固液组成较稳定， f e n t o n 、光f e n t o n 氧化处理剩余污泥研究 在没有外力时，其固液比例相对稳定。 在公众的生活与生产中，污泥主要来源于城市生活污水处理厂、自来水厂、 城市排水管道系统等，而其中城市污水处理厂产生的污泥危害最大、产量最高， 污染程度最严重。因而，污泥处理处置技术的关键是剩余污泥。 城市生活污水处理厂产生的剩余污泥是在城市生活污水和工业废水进行处理 的过程中所产生的沉淀物和污水表面浮出的废渣，这是一种固液混合物，在无外 加作用力干预的条件下，其固液比比较稳定。在污水厂处理污( 废) 水时会产生 各种污泥，根据不同污泥从污水中分离的情况，产生污泥的环节通常有：格栅、 沉砂池、初沉池以及二沉池。栅渣是污( 废) 水通过城市排水系统流入城市污水 厂时，由格栅或者滤网所截下的漂浮物和部分悬浮污染物，其组成与生活垃圾类 似。沉砂池沉渣是一种沉淀形成的无机固体颗粒物，其密度较大相对稳定，其数 量由沉砂池的设计和运行情况而定。这两者通常作为城市生活垃圾处理。一次污 泥是初沉池所截留下的一些灰色糊状悬浮污泥，它的主要成分是污水中所含的可 沉降性物质，以及当运用混凝沉降工艺时，因投加药剂而形成的化学污泥。这两 种污泥主要由无机物构成，其特性是污泥粒径较大、密度较大、含水率较低，通 常具疏水性，易脱水。二沉池污泥来源于曝气池活性污泥的沉降，基本上是细菌 有机体。经微生物处理后所排出的污泥称为生物污泥，又叫生物固体，是在微生 物处理中，由污( 废) 水中悬浮状、胶体状以及溶解状的有机污染物构成的一种 活性物质，为胶体结构，呈亲水性，其脱水性能较差。由于一次污泥含有病原体 以及重金属化合物等，而二次污泥含水率较高【1 2 l ，数量较多，破坏生态环境，所 以二者都需要妥善的处理与处置。 1 1 2 2 污泥性质 污泥的物理性质通常用密度、含水( 固) 率、可压缩性等指标来描述；而化 学性质则包括了p h 值、营养成分含量、有机物含量和有毒有害物质含量等。城市 污水处理厂的剩余污泥主要由有机物组成，具有一定的反应活性，其理化特征会 随着处理条件的不同而改变。一般基于其物理性质来选择污泥减量化技术。 城市污水处理厂的污泥包括一次污泥和剩余污泥，含水量可高达9 5 9 9 5 ， 一次污泥通常为棕褐色，腐败后会变成灰黑色，p h 一般在5 5 到7 5 之间，常常呈 弱酸性，污泥中固体物以有机物为主，包括脂肪、蛋白质以及碳水化合物等。约 占固体污泥总量的5 5 7 0 ，易腐败变臭；剩余污泥通常为絮状黄褐色，p h 一般 在6 5 到7 5 之间，含水率约为9 9 2 9 9 5 ，固体物质大多是微生物死亡菌体，有 机含量约为7 0 到8 0 ，污泥泥龄较短时极易变臭。而浓缩污泥一般为灰黑色， p h 在6 5 到7 5 之间。污泥的固体物质有5 部分构成，分别是：有活性的微生物群体； 难于降解的微生物自身氧化残留物；难被微生物所分解的隋性有机物：无机物； 2 硕卜学位论文 易被降解的有机物。污泥中主要有的害物质是重金属、病原体微生物和有机毒物。 其中污泥大规模土地利用被限制的最主要原因就是重金属。 ( 1 ) 含水( 固) 率 含水率，即单位质量污泥中所含有水分的质量百分比，其大小反映污泥中水 分的多少。含固率就是污泥中固体或者干泥含量的百分比。湿泥量乘以含固率即 为干污泥量。含水率是污泥最重要的物理性质之一，其决定了污泥的总体积。污 泥的含水率取决于污( 废) 水的来源、污( 废) 水处理的程度以及污( 废) 水处。 理的工艺。污泥的含水率与其相态有相当的关系，随着污泥含水率的减少，污泥 从液体慢慢变成固体。一般情况下，含水率大于8 5 时，污泥为流态；在6 5 到 8 5 之间时，为塑态；当小于6 0 时，则为固态【1 3 1 。在含水率较高、污泥为流态 的时侯，污泥体积和含固量通常为反比关系。当污泥的含水率从9 9 5 减小到 9 8 5 时，污泥的体积缩减成原污泥体积的3 0 ；当污泥体积减小到9 5 时，污泥 的体积缩减到原污泥体积的1 0 。所以，含水率减小( 含固量的增大) 可以明显 的减少湿泥量。而污泥的含水率通常都较高，且含固量较低低，例如城市生活污 水处理厂一次污泥的含固量一般在2 到4 之间，而剩余污泥的含固量通常在 0 5 到o 8 之间1 1 引。通常来说，固体粒径越小，其包括的有机物就越多，污泥的 含水率就越高；而污泥中原水悬浮物所占比例与污泥含水率呈负向相关。 ( 2 ) 密度 污泥密度，即单位体积污泥的质量，一般用相对密度来表示，其数值就是污 泥密度除以标准状态下水的密度。因为污泥是一种混合物，其所含的固体物质由 有机物和无机物组成，所以，污泥的密度与有机物和无机物比例相关。通常有机 物的密度是1 0 c m 3 ，无机物的密度是2 5g c m 3 【1 4 1 。一般含固量小于5 的城市污 水厂的污泥，其相对密度近似为1 。 ( 3 ) 可压缩性 污泥机械脱水的难易程度通过污泥的可压缩性反映。因为当前污泥脱水的常 用方法是过滤法，所以，确定污泥脱水性能优劣的研究一般着重于污泥过滤操作 的难易，就是指污泥滤速的快与慢。一般用污泥过滤比阻( s r f ) 或者毛细吸水 时问( c s t ) 来表示。 污泥过滤比阻( s r f ) 是检验污泥脱水难易程度的物理参数，其反映了水通 过污泥颗粒组成的污泥泥饼层时所受阻力的大小。其物理意义是，单位质量的污 泥在一定压力下过滤时，单位过滤面积上的阻力。不同类型的污泥，其比阻差别 较大，通常说来，污泥过滤比阻小于1 1 0 1 1s 2 g 的属于易脱水污泥，污泥过滤比 阻大于1 1 0 1 3s 2 g 的污泥属于难脱水污泥【1 5 1 。 毛细吸水时间( c s t ) 是指污泥在吸水滤纸上渗透1 c m 所需时间。c s t 的长短 与污泥的脱水性能呈负向相关，即c s t 越大，脱水性能越差。当c s t 大于2 0s 时， 3 f e n t o n 、光f e n t o n 氧化处理剩余污泥研究 则说明该污泥不适合进行机械脱水。因为污泥的胶体性质和污泥的水动力粘滞度 的大小有直接相系，所以，污泥过滤比阻s r f 与毛细吸水时间c s t 均能判断污泥 脱水性能，且二者正向相关，即过滤比阻值越大，c s t 同时也越大，此时污泥脱 水性能也越差。当利用吸滤或者压滤的方法对污泥进行脱水时，污泥过滤比阻s r f 和毛细吸水时间c s t 可以同时评价污泥的脱水性能的优劣。污泥过滤比阻s r f 越 大的污泥，越难被过滤，与此同时其脱水性能也相对越差；同样毛细吸水时间c s t 越大，其脱水性能也越差。 一 污泥可压缩性能还可以用压缩系数s 来检验。压缩系数s 反映了污泥的渗滤特 性，压缩系数越大的污泥，它的比阻随过滤压力的升高也越快，这时的污泥采用 真空脱水( 即负压过滤) 或者离心脱水较为适合，而压缩系数越小的污泥则采用 板框或者带式压滤机脱水更适合【1 6 j 。 ( 4 ) 水力特性 污泥水力特性即污泥的流动性与可混合性。因为污泥是假塑性流体，而假塑 性流体就是无屈服应力，即粘度与剪切速率呈负向相关的流体。很多因素可 以影响污泥的水力特性，比如污水温度、污水水质、流速、粘度等，但粘度是其 主要影响因素。通常说来，当污泥的含固量大于6 时，这时污泥的可泵输送性就 非常差，用泵输送就会造成一定的困难。也就是说，当污泥的含固量越大，其可 混合性越差，越难混合均匀。 ( 5 ) p h 值 污泥的酸碱性是通过p h 值来反映的，城市污水处理厂污泥的p h 一般在近中性 范围内。 ( 6 ) 植物养分含量 植物生长所必需的常量营养元素包括c 、k 、n 、p 、c a 、m n 和s 等，其中最 容易缺乏的是n 、p 和k ，一般土壤中需要以肥料的形式添加。虽然污泥中所含有 的常量营养元素及微量营养元素相对土壤的需要量较少，然而它们仍可以供给土 壤所需的各种营养元素，包括n 、p 、k 、c a 、m n 以及其他必需的微量营养元素， 其中n 、p 、k 在污泥的资源化方面起着极其重要的作用【1 2 】。 ( 7 ) 有害物质( 重金属) 含量 污泥中所含的有毒有害物质主要分为重金属和有机化合物两大类。其中城市 污水处理厂的污泥中有害物质以重金属为主。在污水处理的过程中，7 0 到9 0 的重金属元素通过附着或者沉淀向污泥中转移【1 7 j 。污泥中重金属通常是指原子序 数在2 1 到8 3 之间或者其相对密度大于4 的金属，它们是污泥中最主要的有毒有害物 质，因为不能被微生物所分解，从而易于在生物体内大量富集，进而对人类和生 态环境造成潜在危害。污泥中的重金属污染物存在形态各异，其生物有效性亦有 很大差异。常见的重金属形态分类方法是五分法，即根据重金属结合的成分来划 4 硕1 j 学位论文 分，包括碳酸盐结合态、可交换态、铁锰氧化物结合态、有机质结合态和残渣态， 其中前三种形态的稳定性较差，易被植物吸收和利用，而后两种形态的稳定性较 强，难释放到环境中【1 8 ，1 9 l 。所以只要有效的去除污泥中易被植物吸收和利用的部 分，则污泥中重金属的污染将大大降低。 1 1 3 污泥的处理与处置 污水处理的重要组成部分是污泥的处理与处置，污泥处理程度的优劣是评价 污水处理情况的重要标准之一。如果污泥的处理与处置工作没有做好，不仅会对 生态环境造成污染，还会浪费资源。在中国，污泥的处理费用大概占整个污水处 理厂运行总费用的2 0 到5 0 ，一次性投资约占污水处理厂总投资的3 0 到4 0 。 但是在发达国家，污泥处理大概占污水厂总投资的5 0 到7 0 。这也同时说明了， 我国污泥的处理与处置仍处于非常滞后的状态。 1 1 3 1 污泥处理处置的原则 污泥的处理与处置原则包括以下四个方面：减量化、稳定化、无害化和资源 化。 1 减量化 含水率高是城市污泥最显著的物理特征，通常为9 7 到9 9 ，体积庞大一般 表现为流动状态，考虑到污泥的长距离输送与后续处理，这些特征将在经济与技 术上带来一定的困难。为了减少污泥运输过程中的成本，同时为污泥的后续处理 与处置尽量提供较好的条件，必须对污泥进行减量化处理，即减小污泥的体积。 污泥减量化处理的实施途径与方法主要有污泥浓缩、污泥消化与机械脱水。经过 处理后的污泥，其体积可缩减到原本体积的十几分之一，而且形态可从液态转成 固态，更易于运输与消纳。 2 稳定化 污泥中含有较多有机物，极易发生厌氧分解，在较短时间内便会腐败同时发 出恶臭，所以需要把污泥中的易分解的有机物转成较为稳定的难分解物。通常污 泥稳定化处理的方法包括生物好氧以及厌氧消化等工艺，或者是添加化学药剂等 方法。 3 无害化 污泥中一般含有大量的病原菌体，以及寄生虫卵和病毒等，极易大面积传播 传染病；此外，污泥中还包括有毒有害的有机物与多种重金属离子，这些物质可 以从污泥中渗滤或者挥发出来，污染水体与空气，对生态环境造成二次污染。所 以无害化是污泥的处理与处置过程中着重考虑的原则，目的是使处理后的污泥不 会影响生态环境，同时具有安全性与可持续性。 4 资源化 5 f e n t o n 、光f e n t o n 钮化处理剩余污泥研究 污泥中含有大量的营养元素和能量可以作为一种资源可以加以利用。污泥的 资源化处理，即污泥在处理的过程中，将污泥中包含的营养元素与能量回收或者 利用，进而达到综合利用、变害为利和保护环境的目的。根据我国相关政策导向 以及世界各国污泥处理技术发展趋势，资源化将成为将来污泥处理的主要方向。 1 1 3 2 污泥处理技术 当前，污泥的处理从过去简单的浓缩、脱水、干化和露天堆放等处理发展到 焚烧发电、堆肥发酵、卫生填埋以及生产各种建筑材料等资源化处理阶段，各种 新技术不断涌现。污泥的处理方法主要有污泥浓缩、污泥调理、污泥脱水和污泥 消毒等。 污泥浓缩，即将污泥中的自由水与间隙水从污泥中去除出去，因为污泥水分 中自由态的水占的比例最高，所以，污泥浓缩是减少污泥体积的高效方法。污泥 浓缩方法包括气浮浓缩、重力浓缩以及离心浓缩。污泥浓缩法中应用最多的是污 泥重力浓缩法，即在不需要外加能量的前提下，通过重力的作用，污泥自然沉降 从而完成污泥浓缩的过程。 污泥调理，即利用物理或者化学方法改变污泥固体粒子群性质或者其排列状 态，进而使得污泥粒子之间的凝聚力增强，污泥粒径变大。污泥调理的方法包括 物理调理法、化学调理法以及生物调理法。 污泥脱水，即分离出污泥中的表面吸附水和毛细水，进而减少污泥的体积。 目前，污泥脱水的主要方法包括：自然脱水法、加压脱水法、真空脱水法、离心 分离脱水法、蒸发脱水法以及湿法造粒法等。 污泥消毒，即利用一些化学或者物理方法杀死污泥中的有毒有害微生物。使 污泥不对生态环境和人类健康造成危害。 1 1 3 3 污泥处置技术 目前，污泥的最终处置技术包括焚烧、卫生填埋以及土地利用等。其中污泥 卫生填埋开始于二十世纪六十年代，直至当前都是我国处置污泥的主要技术。其 处置手段的主要好处是一次性投资较低、管理较方便、运行费用不高、操作较为 简单、适应能力较强，但是其缺点同样非常明显，主要有要求场地面积大而且极 易造成有毒有害污染物的泄漏，进而对附近地下水或者地表水造成二次污染。另 外，由于污泥的含水率较高、粘度较大这些都会对填埋操作带来一定的困难，还 可能堵塞填埋场的渗滤液收集系统，对填埋场安全造成一定的威胁。与此同时可 利用的填埋空间不断减少、而污泥量却一直在增加，所以近年来利用填埋技术处 置污泥的比例越来越小。污泥处置方法中污泥焚烧是最彻底的，其使污泥中有机 物全部碳化，同时杀死病原体，可以最大量减少污泥的体积。可是因为在焚烧的 过程中要消耗大量的能耗与能源，其运行的成本非常高。比如说：以日本为例， 6 硕i ：学位论文 其污泥处置方法主要是焚烧处理约占5 5 ，但是每年需要用重油3 9 1 0 5m 3 。与此 同时，污泥焚烧的过程中还可能产生大量废气，这些极易对生态环境造成二次污 染【2 0 1 。污泥土地利用，即一种积极而有效且安全的污泥处置方法。中国目前仍是 发展中国家，同时也是农业大国，符合国情的污泥处置的首选方法是污泥土地利 用【2 。在我国污泥土地利用已经有超过2 0 年的历史，从2 0 世纪8 0 年代初，天津纪 庄子污水处理厂一一我国第一座城市污水处理厂建成投产后，污泥就是由附近郊 区农民用于农田。城市污泥产生量以及污水处理厂越来越多的同时，我国已经开 始利用污泥作用于城市绿化及林地改造。 1 2 污泥脱水 污泥处理处置的成本主要包括场内传输费用、场外运输费用和最终处置费用， 而影响成本的最主要因素是污泥的量，如果污泥的含水率减少一半，则至少可以 减少一半的运输费用和填埋用地( 利用卫生填埋处置) ，大大降低管理成本。为 了减少污泥的体积，必须先对污泥进行脱水处理，便于后续的处理处置以及利用。 在脱水过程中尽可能多地脱去水分，得到含固率高的泥饼，对后续的运输及处理 处置都有重要的意义。 常用的脱水方法有热处理与机械脱水。与加热脱水方式相比，机械脱水的能 量消耗相对较低，因此污泥脱水一般是指污泥的机械脱水。污泥机械脱水是以过 滤介质两面的压力差为推动力，通过强制污泥水分经过过滤介质形成滤液，并使 固体颗粒截留在介质上形成滤饼的方式来实现污泥脱水的过程。污泥机械脱水主 要是去除污泥颗粒间的毛细水和颗粒表面的吸附水。污泥机械脱水受到污泥类型、 调理类型和脱水装置类型等影响。而在污泥机械脱水过程中污泥脱水性能的优劣 则起到了决定性作用。 1 2 1 影响污泥脱水性能的因素 污泥的脱水性能首先受到污泥自身性质的影响，如污泥颗粒的大小及分布、 表面电荷、污泥水分含量和分布情况、糖类含量、蛋白质含量等等。目前关注的 因素主要包括污泥颗粒粒径分布、污泥中水分含量及其分布、胞外聚合物含量及 组成等。 污泥颗粒大小和分布是影响污泥脱水性能的最重要的因素。污泥的脱水性能 随着超胶体颗粒( 粒径在l 一1 0 q m ) 的增加而变差，因为滤网的孔径在该范围内， 这些超胶体颗粒可能堵塞滤网。超胶体颗粒的比例越大，污泥的脱水性能越差。 污泥中所含水分形态，尽管不同的文献有不同的分类，但一般都认为有四种 形态【2 2 - 2 6 1 ，即间隙水、表面吸附水、毛细结合水和内部结合水。 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 f e n t o n 、光f e n t o n 瓴化处理剩余污泥研究 较易分离。间隙水一般占污泥中总含水量的6 5 一8 5 。 表面吸附水是指污泥絮状胶体颗粒由于表面张力的作用而吸附的水分。由于 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脱水方法去除比较困难。 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，由于毛细力 的作用，形成毛细结合水。各类毛细结合水约占污泥中总水含量的1 5 一2 5 。要 分离毛细结合水，需要有较高的机械作用力合能量。 一 内部结合水是指包含在污泥中微生物细胞体内的水分。它的含量多少与污泥 中微生物细胞体所占比例有关。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。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。 胞外聚合物( e p s ) 是在一定条件下由微生物主要是细菌分泌于体外的高分 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，决定污泥的理化性质和生物特性。其质量( 包括其 结合水) 约占污泥固体质量的8 0 ，主要成分是具有亲水性和粘性的多聚糖、蛋 白质、核酸、脂质和d n a 等高分子物质【2 7 _ 2 9 】，这些由长链分子构成的物质大多为 有机物。有文献报道了e p s 的存在使脱水变差，这与e p s 中羟基等负电性官能团有 关，高含水率的e p s 虽然为微生物提供了良好的保护，但增加的结合水却成为污 泥脱水的一大障碍1 3 0 1 。e p s 分子从细胞表面伸展出来，阻碍细胞之间的亲密接触， 形成密实的凝胶，阻止结合水从凝胶的微孔挤出【3 l 】。 1 2 2 污泥调理 污泥调理是污泥浓缩或污泥脱水前的预处理，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，它是污泥浓缩和脱水过程中不可缺少的 工艺过程。污泥调理方法主要有物理调理法、化学调理法、生物调理法三大类。 1 2 2 1 物理调理法 物理调理法泛指通过外加能量或应力以改变污泥性质的方法，主要有污泥淘 洗法、热处理法、冷冻一融化处理法和超声波处理等等。污泥淘洗法主要用于消 化污泥的预处理，目的是降低污泥的碱度，节省药剂的用量。热处理法和冷冻一 融化处理法两者合并称为温差调理法，基本原理都是通过热能量的流动，改变污 泥絮体的稳定性，削弱污泥颗粒与间隙水分等的结合力，从而改善污泥的脱水性 能。超声波处理是近年来新开发的技术，国外研究表明，大功率的超声波可以降 解污泥，降低其含水率。 8 硕i ：学位论义 1 2 2 2 化学调理法 化学调理法的基本原理是通过向污泥中投加可起到电性中和或吸附架桥作用 的调理剂，如混凝剂、絮凝剂、助凝剂等，来破坏污泥胶体颗粒的稳定性，使分 散的小颗粒相互聚集成大颗粒，从而改善污泥的脱水性能。化学调理法是目前应 用最多的污泥调理方法。化学调理过程中投加的化学药剂有无机调理剂和有机高 分子调理剂。一般认为调理剂对胶体粒子的作用包括静电中和、吸附架桥和卷扫 凝聚三种，化学调理是这三种作用综合的结果，只是不同的调理剂起不同的作用。 无机调理剂主要有石灰、铁盐、铝盐等，铁盐、铝盐等又称为混凝剂，主要起电 性中和的作用，石灰、硅藻土、珠光体、锯木屑、污泥焚烧灰、粉煤灰、及贝壳 粉等为助凝剂，一般认为助凝剂不起混凝作用，助凝剂的作用主要表现为调节污 泥的p h 值，供给污泥以多孔网格状的骨架，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，增加絮体强度等。有机高分子调理剂又称为絮凝剂， 分为合成有机高分子调理剂和天然有机高分子调理剂，主要起吸附架桥作用，形 成的污泥絮体抗剪切性能强，不易被打碎，尤其适合于后续的离心或压滤机械脱 水。目前常用的聚丙烯酰胺( p a m ) 为合成有机高分子调理剂。由于化学调理剂 的使用使污水厂的处理的费用增加。因此，研究新的有效并且经济的调理剂成为 现在的研究者研究的热点。 1 2 2 3 生物调理法 生物调理法包括微生物絮凝调质、厌氧消化和好氧消化。微生物絮凝调质是 指直接利用微生物细胞或者微生物细胞代谢产物，称之为微生物絮凝剂对污泥进 行调理，利用微生物絮凝剂在污泥调理中所起的桥连作用、中和作用和卷扫作用 来改善污泥的脱水性能。厌氧消化和好氧消化其目的是降解高分子物质，使之转 变为低分子氧化物，从而减少原污泥中以碳水化合物、蛋白质、脂肪形式存在的 高能量物质的含量，同时改善污泥的脱水性质。 1 3 胞外聚合物的组成、性质及其影响 1 3 1 胞外聚合物的组成和性质 胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l v m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 是微生物细胞壁周围 用来保护细胞同时防止细胞脱水的小合胶囊或者粘液的聚合体，它的组成相当复 杂，其主要成分是多糖和蛋白质，大概占e p s 总量的7 0 到8 0 ；腐殖质、糖醛酸、 脂类、核酸和氨基酸等物质也存在与e p s 中。s u t h e r l