污泥脱水处理

第一章绪论1.1概述我国城市化的进程处于不断加快的阶段，同时环境污染的情况也在加重着，污泥的问题已经成为关系人们生活的一个重大问题。我国每年的年污泥产量非常巨大，重量十分惊人，同时大部分城市的污水排放总量也曾不断快速增加的趋势，然而与此同时，相应的污水处理率却没有相应的提高速度，造成了污泥的排放和堆置已经成为新的重大的污染源。针对数量越发庞大的污泥，如何研究解决这个问题的，采取有效措施来对这些数量庞大的污泥进行脱水处理，使其实现对环境无害，排放数量减少以及资源的回收利用等等目标，已经成为我国的污水处理工作人员的重点关注课题，也是目前世界都在关注的环境问题之一，研究这个课题具有十分重大的意义。国内目前用的最多的污泥处理技术有很多，包括了污泥的脱水、浓缩和干燥三方面的技术。而在污泥处理的过程中，污泥脱水是污泥处理工作中最有难度的一环，由于一般的污泥体积非常庞大，而且非常不能运送，这就会使得污泥处理的成本将会大大提高[1]。一般来说，污泥在经过浓缩和消化以后，污泥内部还会有大约95%~97%的含水量，体积相对来说仍然很大，给污泥处理和综合回收利用带来了很大的难度，为了方便对污泥的回收利用，使液态的污泥转变成半固态的污泥，需要采取有效的污泥处理措施对污泥作脱水处理。最理想的污泥脱水处理，目标是要实现最大限度地把污泥中的水分去除的目的，在这同时，还要尽可能地保存脱水后的污泥的固体颗粒，并最好能够实现污泥脱水处理成本最低的目标，以最大的经济效益为目标来实现为环境保护和保障人民身心健康作出贡献[2]。1.2污泥的基本情况污泥是一种由无机颗粒、有机残片、细菌菌体、胶体等组成的，具有非常复杂的性质特点，是一种极其复杂的非均质体，其中很大的来源是污水处理后的副产品。随着城市人口的不断增长，对市政服务设施的数量和规模有了更高的要求，需要对其进行不断完善，与此同时，对污泥进行深度处理的要求也越来越高，如果处理不当必然导致污泥总数量的增加。有关数据显示，目前欧美等很多发达国家的年污泥总数量正在以大概5％～10％的速度增长，对国家乃至全世界来说都是一个环境保护的难题，急需相关专业人员进行研究和解决。要想研究出有效的污泥处理措施，就必须要对污泥的产生过程和污泥的性质有深刻的了解。一般来说在污泥的处理过程中会产生丰富的氮磷等营养物质和大量的有机物质，其中的氨氮和有机物会由于大量消耗水体中的氧，使得自然界的水体质量不断恶化，促使藻类恶性繁殖，严重威胁着水生物的生存，严重的还会造成水体的赤潮和绿潮的出现，必须要保证不能随意排放到水中，要进行稳定的处理。如果处理不当，严重影响城市的水资源质量，造成工农业用水和生活用水的质量急剧下降，污泥中所含有的有害物质，比如重金属之类的物质，还会污染土壤和作物，影响农产品和渔业的产量和质量，给人们的生活带来极大的隐患和巨大经济损失。此外，污泥中还会有寄生虫卵、致病菌之类的传染源存在，严重的会引起传染病的传播，造成严重的二次环境污染。因此，进行有效的污泥处理是一项非常有必要的利国利民的大项目。而要研究出有效的污泥处理措施，就必须要对污泥的性质有一定的了解，从而对症下药，取得最好的效果。1.2.1污泥的成分1.2.1.1重金属含量污泥中除了含有大量细粉颗粒和水的混合物之外，还包含了很多有机质、重金属、氮和磷等植物性的营养元素以及有害有毒的有机物类物质等等。这些物质组成结构对选择污泥处理处置工艺起着至关重要的作用。污泥中一般含有一定量的重金属，而目前污泥土地利用中最主要的环境问题之一就是污泥植物系统重金属污染问题，已经成为一个世界性的难题，继续被解决。很多科学家经过试验证明，污泥如果不经过处理就会有90%以上的Cd、Pb、Cu、Ni等重金属残留在土壤的施用层中。虽然也有科学证明，在污泥施入土壤后，有一部分的重金属生物化学活性会随着时间的延长在一定程度上会有所下降，但其下降后的活性相对之前的没有污泥混入的土壤来说，其重金属物质对照土壤来说仍然保持有相当高的活性。有数据显示，既使在停止污泥施入土壤20年以后，重金属物质还能保持很高的活性，对土壤和植物有害，进而危害到人类的生活健康。曾有科学家进行研究，如果在土壤中连续两年施用污泥的话，那么在作物体内的累积非常明显的重金属是Zn，严重影响着叶菜类蔬菜的质量，对粮食作物和果蔬类的影响虽然相对而言较少，但也有一定程度的影响。如果施用的污泥是含较多有毒重金属的生活与工业混流污水污泥，更加不能忽视有毒重金属对食物链的污染。陈同斌等学者曾经对我国1994～2001年报道的污泥重金属含量的资料进行了统计和分析，统计结果表明，我国污泥中的Ni、Pb、cr、Cu、Zn含量变化极差最高达几千mg／kg，变化的幅度很大；Zn含量的均值为1450mg／kg，是污泥中含量最高的元素。这是十年前的数据，在现在污泥日益增多，总含量不断增大，工业越发发达的情况下，重金属的含量可想而知。1.2.1.2植物养分含量污泥中除了含有重金属之类的危害植物和生活健康之类的物质和大量的有机物质之外，同时也含有能够替代化肥，对植物有利、植物所需要的养分，可以多加利用。据统计，中国的大部分城市污泥中含有非常丰富的对植物有很大好处的氮、磷、钾等养分，但是在这些养分的充分利用上并没有取得很大的成效，，可以学习国外的回收利用的先进技术和方法，中国在这个领域还有很大的发展潜力。李艳霞等研究者曾经对我国16个城市中的29个城市污水处理厂污泥进行了统计分析，得出了污泥中的植物性养分及有机质含量的统计结果。结果显示，由于我国是一个发展中国家，人们的日常生活中很少消费的奶制品和肉类，因此对于污泥中有机质的组分来说，有机物中淀粉、糖类、纤维素等碳水化合物在污泥中的含量很高，超过了50％，而脂肪和蛋白质含量相对而言就很低，脂肪含量大概约为20％，蛋白质含量大概约为30％。一般来说，净水厂污泥的养分含量，尤其是氮和磷的含量会比生物污泥低，然而数据显示一些污泥的总氮总磷的含量仍然达3％，绝对总量不能忽视，污泥具有一定的肥性这个结论是毋庸置疑的。在研究污泥植物养分含量的基础上，为了能够对污泥进行处理，然后回收利用，就要对净水厂污泥养分水平进行研究。污泥回用于耕地是不仅有利于保护环境，还能够减少污泥的总产量，是一项既经济且又环保的污泥处理方法。当然在污泥回收利用与农用的过程中要注意很多问题，回收方法和途径以及回收程度要根据原水的水质和污泥的主要成分来决定。在回收的过程中需要考虑的首要问题就是对磷的吸附和重金属的含量问题。在含有铝盐的污泥时，土壤中的无机磷会被污泥吸收，从而阻碍植物在生存过程中对所需磷的吸收。当然，这个问题是可以通过一定的措施进行改善的，比如采用合理的污泥投配率，并在这个基础上施加适量的磷肥，通过这种方法就可以解决磷肥不足的问题。对于铝盐来说，一般污泥中铝的含量能够占到污泥固体干重的5～15％，高于大部分天然土壤中的铝含量达到50％～100％。铝含量过高一般对植物有害，其毒性取决于铝的溶解度，只有在土壤的pH值保持在6N6．5之间时，铝盐对植物造成的威胁会非常小，可以忽略不计。国外科学家曾经证实，铝含量为30％的污泥投配率下，10吨／英亩的土壤中仅增加了0.3％铝的含量，可以将其以化合态保留在固体物基质中。1.2.1.3有毒有害有机物目前人们已经不再局限于只关注污泥中重金属和有机质的含量，一些新型微量有毒有害有机物也开始受到公众的重点关注。这些物质一般具有潜在危害性大而又不易被生物降解的特点，给污泥处理带来了很大的难度，已经成为我国污泥处理研究的热点问题之一。据有关学者对近几年我国的污泥中有毒有害有机物含量的统计研究结果显示，我国污泥中有毒有害有机物含量从总体上看仍然处于非常低的水平。虽然我国的有毒有害有机物绝对含量不高，但是部分污泥中的有毒有害有机物的含量已经超过相关国际标准，在对污泥进行处理并加以回收利用时要特别注意这个问题。1.2.2污泥中水分子存在形式及其性质污泥颗粒之间的水分含量很高，同时具有很高的亲水性，使得结合水之间与固体颗粒的活性变得很低，必须在机械力或者是化学反应的作用下才能除去。而自由水充满在污泥固体颗粒的周围，与固体之间没有很大的作用力，能够只靠重力方式除去。因此结合水的含量可视为机械脱水的上限，即结合水量越多，污泥越难脱水[3]。1.2.2.1表面吸附水污泥是由絮状的胶体颗粒集合而成，属于凝胶。污泥的胶体与其体积相比表面积很大，颗粒很小，由于表面张力的作用也就能够吸附很多的水分。由于胶体颗粒全部带有相同性质的电荷，彼此之间相互排斥，并且妨碍颗粒的聚集以及长大，能够保持相对稳定的状态，因而用普通的浓缩或脱水方法去除表面吸附水比较困难。只有采取措施使胶体颗粒的电荷得到中和，通过加入电解质，发挥其混凝作用，让污泥颗粒由于互相之间变得不稳定而粘到一起，并一起沉降，才能达到预想的效果。1.2.2.2间隙水间隙水是游离水分，包围在大小污泥颗粒之间，间隙水并不能够直接与固体结合，因而只需利用重力作用并控制其在浓缩池中的停留时间，能够很容易将其与固体分离开来。在污泥中总含水量中，间隙水含量一般在65％～85％，是污泥脱水处理的主要对象。1.2.2.3毛细结合水毛细现象是指将在水中插入一根直径细小的管子，并且能够依靠表面张力的作用，使得水在管内上升使水面达到一定高度的现象。一般来说，管子半径越小，毛细力会越大，上升的高度也就越高，也就是说水在管内上升的高度与管子半径成反比。而污泥的组成成分是高度密集的细小固体颗粒，在这些固体颗粒的接触表面上，由于受到毛细力的作用，彼此之间会形成毛细结合水。在一般的污泥中，污泥中总含水量的15％～25％是毛细结合水。污泥颗粒和毛细水之间有很强的结合力，仅仅通过浓缩作用不能实现将毛细结合水分离的目的，需借助如真空过滤，压力过滤和离心分离之类的较高的机械作用力和能量，才能达到去除这部分水分的目的。1.2.2.4内部结合水在污泥中，内部结合水一般只是徽生物细胞体内的水分，它的含量直接污泥中微生物细胞体的数量有很大的关系。一般来说，初沉污泥内部结合水的含量较少，而二沉污泥中含有较多的内部结合水。污泥中的内部结合水与固体结合得非常紧密，不能够使用机械方法来去除内部结合水。必须破坏细胞膜，使水分从细胞中渗出，将内部结合水变为外部液体来实现去除这部分水的目的。可以通过好氧菌或厌氧菌的作用对其进行生物分解，或采用冷冻高温和加热等措施，来去除这种总含水量的10％左右的内部结合水。1.3絮凝剂的基本情况目前国内外使用的絮凝剂按照絮凝剂的来源和性质来分可以化学絮凝剂和生物絮凝剂，细分以后还可以分为无机絮凝前、合成有机高分子絮凝剂和天然生物高分子絮凝剂等等。化学絮凝剂可以分为无机絮凝剂和有机絮凝剂。其中无机絮凝剂主要指的是铁盐和铝盐。这类药剂具有一定的腐蚀性和毒性，并且在使用的过程中耗量较大，还会对生态环境和人类健康产生非常不利影响[4]。而一般合成的高分子絮凝剂具有用量少、絮凝速度快等优点，比如聚丙烯酞胺以及聚丙烯酸等等，但是这类高聚物的残余单体有很大的害处，具有致畸、致癌、致突变的“三致”效应，因此必须限制其应用范围。而天然生物高分子絮凝剂是从自然物质中提取然后经过化学改性处理的物质，比如淀粉衍生物、壳聚糖、明胶等等，具有无毒或低毒以及无二次污染问题的特点，但同时单独使用这类絮凝剂具有絮凝净化效果也不理想和絮凝活性低的问题。目前国际上又出现了一种新型的微生物絮凝剂，这种絮凝剂具有降低粘度、可降解某些高分子杂质、或能吸附以及能够包合固体微粒等等特点，还可以加速悬浮粒子的沉降，在污泥处理工艺中有很广大的应用前景。1.3.1化学絮凝剂1.3.1.1无机絮凝剂无机絮凝剂按金属盐种类可分为铝盐系和铁盐系2类：按阴离子成分又可分为盐酸系和硫酸系：按相对分子质量则可分为低分子体系和高分子体系2大类。按目前使用的广泛性包括了无机低分子絮凝剂、改性的单阳离子聚合絮凝剂、多阳离子无机聚合絮凝剂、硼泥复合型絮凝剂和简单的无机聚合物絮凝剂，本文分别对广泛使用的无机絮凝剂进行了阐述。（1）无机低分子絮凝剂与传统的絮凝剂相比，无机低分子絮凝剂能