底泥脱水技术调研报告

调研报告ResearchProposal底泥脱水技术调研报告◎调研报告◎调查报告◎市场调研◎行业分析底泥脱水技术调研报告1.调研背景本课题旨在研究一种经济、高效的疏浚底泥减量化方法，在较短的时间内（3~6个月），降低底泥含水率，减少疏浚泥浆占用底泥堆场的时间，提高土地利用率，以便于环保疏浚工程顺利地展开，也为后续的疏浚底泥资源化利用创造有利条件。同时也探索出一条经济、合理的处理处置环保疏浚底泥余水的方法，为环保疏浚工程大规模应用提供基础。2.环保疏浚概述2.1环保疏浚的意义河流、湖泊、水库等水体在漫长的演化过程中，由于雨水冲刷沿岸、大气沉降等自然现象，形成了底部沉积物。沉积物分为有机颗粒与无机颗粒，由于沉淀、吸附、累积的富集效应，水体中沉积物的污染物浓度往往高于其上覆水体。底泥与上覆水体之间存在着一种吸收与释放的动态平衡，当水体中的污染物质浓度增大时，底泥对污染物的吸收量就变大；当水体中的污染物质浓度减小时，底泥会向水体中释放污染物，以维持动态平衡。另外，若底泥上覆水体的流速、温度、pH值等条件发生变化，底泥中的污染物质极易重新释放进入水体，造成二次污染，所以底泥是水体中不可忽略的内源污染。随着人们对环境质量要求的不断提高，大批新建的城市及城镇污水处理厂投入使用，污水直排水体的现象得到了初步遏制，进入水体的污染物质得到有效控制。当排入水体的污染物负荷降低时，内污染源成为水质改善的制约因素。因此，针对控制内源污染所采取的技术措施显得尤为重要。控制内源污染的方法，一般采取原位处理与异位处理。原位处理技术是指将受污染底泥留在水体中，切断其与上覆水体的污染物质交换，如原位覆盖技术，将受污染的底泥表面覆盖一层或多层清洁的覆盖物，隔绝底泥与上覆水体的污染物质交换，阻止底泥中的污染物质向水体释放。异位处理是将受污染的底泥通过机械的方法，将其从水体中取出后再加以处理，如环保疏浚。底泥环保疏浚是迄今为止最彻底的去除湖库内源污染的方式。环保疏浚旨在去除湖库水体中的污染底泥，降低污染负荷，并为河流、湖泊水生生态系统的恢复创造条件。2.2环保疏浚所面临的问题以太湖为例，底泥总蓄积量为19.15亿m3，全湖平均底泥厚度为0.82m，参照国内外已实施清淤工程的疏浚深度，平均深度以40~50cm为宜，则需要疏浚的原状底泥量超过10亿m3。若采用目前常用的绞吸疏浚方式，则会产生数十亿m3泥浆之巨。从2002年开始的针对太湖湖湾五里湖的疏浚工程，仅一期清淤工程就产生370×104m3泥浆。环保疏浚泥浆数量巨大，含水率高，含有大量重金属、氮、磷、有机物、病毒等各种污染物质。疏浚泥浆的土质成分一般以细颗粒粉质粘土居多，在自然条件下不易脱水干化，如遇降水较多的气候，则5-10年后疏浚土都无法达到承载力要求，疏浚堆场无法重复利用，堆场土地被长期占用，导致疏浚工程占地压力较大，严重影响大规模疏浚工程的开展。如何将环保疏浚底泥减量化，即进行快速脱水干化，已成为制约底泥环保疏浚工程广泛开展的关键因素。同时，还需要保证环保疏浚底泥堆场中的余水，在回排水体的过程中，不会造成二次污染。2.3污泥调理污泥具有高亲水性，污泥中水与污泥固体颗粒的结合力很强，如果没有预先的处理，则绝大多数污泥的脱水是非常困难的。污泥调理是改变污泥粒子表面的物化性质和组分，破坏污泥的胶体结构，减小与水的亲和力，从而改善污泥脱水性能。污泥调理根据调理机制可分成三类：物理调理、化学调理和生物调理。2.3.1污泥的物理调理污泥的物理调理是指通过外加能量或应力来改变污泥性质，提高污泥脱水性能的方法，如淘洗法、冷冻融化处理、超声波处理、加热处理、高压处理等。淘洗法适用于消化污泥的预处理。污泥淘洗是将污泥与3-4倍污泥量的水混合而进行沉降分离的一种方法。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，降低机械脱水费用。冷冻融化处理是指将污泥慢速冰冻，完全结冰后再将污泥在常温下解冻。此法可以充分破坏污泥絮体结构，污泥脱水性能明显提高。有文献报道，冷冻融化处理使污泥结合水含量大大降低，但其受气候条件的限制很难普遍推广应用。热处理调理是对污泥进行加热，污泥中的细胞被分解破坏，细胞膜中的内部水游离出来，并且使亲水性有机胶体物质水解，提高污泥的脱水性能，对于脱水性能很差的活性污泥特别有效。热处理调理主要分高温加压处理法和低温加压处理法两种工艺。加热处理由于投资运行费用高，操作复杂，其应用并不广泛。超声波调理污泥的作用机理非常复杂，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。2.3.2污泥的化学调理化学调理是污泥调理中改善污泥脱水性能最常用的方法。污泥的化学调理是向污泥中投加适量的絮凝剂、助凝剂等化学药剂改变悬浮溶液中胶体颗粒表面的物化性质和组分，破坏污泥的胶体结构，减小与水的亲和力，并以搅拌等外力使其相互碰撞，污泥颗粒絮凝成团而发生沉淀，达到去稳定化的效果。(1)无机絮凝剂无机絮凝剂按金属类型可分为铝盐系和铁盐系两大类，按分子量可分为普通无机盐和高分子系两大类。铁盐和铝盐一般单独或联合石灰一起使用，此类方法被广泛应用于污泥的混凝、絮凝过程。石灰作为助凝剂，它除了调节pH外，还可以改变污泥颗粒的结构，为污泥提供多孔网格状的骨架，增强絮体的强度，改善污泥脱水性能。无机高分子絮凝剂主要有聚合铝盐和聚合铁盐两大类，主要有聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合氯化铁(PFC)和聚合硫酸铁(PFS)等。这些聚合物在水中水解生成单核配位物，再经聚合生成多核配位物，能有效压缩双电层，降低水体中胶体的甲电位，使颗粒之间的排斥力降低，具有较高的正电荷和比表面积，能迅速吸附水体中带负电的杂质，表现出了很强的吸附能力和净水性能。(2)有机絮凝剂有机高分子絮凝剂均为水溶性聚合物，大分子常会有带电基团，因此被称为聚电解质。随着聚合物工业的发展和污泥脱水设备的成熟，有机絮凝剂逐步取代了无机絮凝剂。在污泥脱水过程中，常用的有机高分子絮凝剂主要有天然高分子改性型和合成型两种。天然高分子改性型絮凝剂包括淀粉、纤维素、甲壳素、多糖类和蛋白质等类别的衍生物。制备方法主要是以天然高分子链为主链，运用各种聚合方法接上丙烯酞胺类物质，然后进行改性，引入阳离子基团。这类絮凝剂的研究开发为天然资源的利用和生产无毒絮凝剂开辟了新的途径，有利于原材料的充分利用，价格低廉，生物降解性和产品絮凝性良好，是一种理想的絮凝剂。合成型高分子絮凝剂按其离解基团的电荷类型可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性型。目前，在生活污水处理领域中的合成类调理剂中，以聚丙烯酞胺(PAM)及其改性为代表，其中，阳离子型聚丙烯酞胺(CPAM)应用最为广泛。这是因为污泥是由带负电的污泥颗粒组成，阳离子絮凝剂可以起到中和电荷的作用，使其絮凝脱水。现有的化学调理方法也存在许多不足，如无机药剂投加量较高，增加了污泥的干重，减少了污泥的热值；有机高分子絮凝剂价格昂贵，有些单体有毒性，危害人类生存环境。而且经研究发现，絮凝剂调理只能增加污泥过滤速度和沉降速度，不能提高污泥的可脱水程度。(3)复合絮凝剂由若干无机、有机絮凝剂制备或复配而成的絮凝剂称为复合絮凝剂。目前常用的复合絮凝剂有无机/无机、无机/有机等复合絮凝剂。复合型絮凝剂是最近几年才开始研制的新型絮凝剂，它能综合单一絮凝剂的各自不同的优点，克服某些性能上的不足。如复合絮凝剂适应范围广，pH使用范围大，对各种浓度水质或有色废水等均有良好净化效果，污泥脱水性能好等诸多优点，在水处理领域得到越来越广泛的研究与应用。目前，以无机/有机复合絮凝剂的研究应用较多。曾德芳等以粘土矿物累托石和奸蟹壳为主要原料，将累托石进行改性，奸蟹壳与氯氧化钠制成天然高分子材料，配置成复合絮凝剂工作液。在最佳条件下，与聚丙稀醜胺相比，污泥脱水率提高了5.47%，污泥沉降时间缩短了33.33%，吨污泥单耗絮凝剂成本下降了4%，且处理过程中的二次污染大幅度减小。郭亚萍等将三氯化铁与聚乙烯醇以4:1配合使用，与单独使用三氯化铁、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺三种絮凝剂进行污泥调理效果的比较，发现复合时脱水效果均优于单独使用以上三种絮凝剂。该复合絮凝剂用量为干泥量的1.0%时，污泥含水率由94%下降到71%，其体积可缩小为原体积的2%，且滤液透光率达98%。吴幼权等对天然高分子/有机复合絮凝剂进行了研究。在氮气保护下，以硝酸铈钱为引发剂，采用壳聚糖与有机单体丙烯酷胺接枝共聚制得壳聚糖衍生物(CAM)，再与阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)复配，制备了复合絮凝剂CAM-CPAM。考察了该复合絮凝剂对污泥脱水性能的影响。发现经该复合絮凝剂调理的污泥脱水性能明显优于壳聚糖(CST)和阳离子聚丙烯酷胺(CPAM)。当投加量为30mg/L时，污泥脱水率可达90%以上，沉降速率可达0.55cm/s，滤液浊度小于8NTU，透光率高于85%。2.3.3污泥的生物调理一般来说，污泥消化是最常用的生物调理方法。污泥消化包括厌氧消化和好氧消化。好氧消化是在对污泥进行长时间曝气的条件下，微生物通过细胞原生质的内源呼吸和自身氧化取得能量的一种方法，在此过程中，细胞物质中有机组分被氧化为二氧化碳、水和氨，氨进一步被氧化为硝酸盐。但好氧消化需添加曝气设备，能量消耗大，因此一般应用较少。厌氧消化是污泥稳定最常用的方法，它是在无氧条件下，利用厌氧菌的作用，使有机物液化、气化而分解为稳定物质，病菌、寄生虫卵被杀灭，污泥达到减量化和无害化的一种方法。2.4污泥脱水2.4.1污泥中水的存在形式污泥中所含水分形态，不同的文献有不同的分类，一般认为有四种形态，即表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水。(1)表面吸附水表面吸附水是指吸附在污泥颗粒表面的水分。污泥的胶体颗粒小，比表面积大，吸附能力强，胶体颗粒带有相同性质的电荷，相互排斥，妨碍颗粒的聚集而保持相对稳定的状态，因而表面吸附水用普通的浓缩或脱水方法去除比较困难。加入混凝剂后，胶体颗粒表面电荷得到中和，污泥颗粒呈不稳定状态而聚集到一起，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。(2)空隙水空隙水是指污泥颗粒之间的水分。它不与污泥颗粒直接结合，较容易去除，只需在污泥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。空隙水一般占污泥中总含水量的65%-85%，这部分水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，这一现象称为毛细现象。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，在颗粒接触表面上，由于毛细力的作用，形成毛细结合水，毛细结合水约占污泥中总含水量的15%-25%。毛细水和污泥颗粒之间的结合力较强，浓缩作用很难将毛细结合水分离，需借助较高的机械作用力和能量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微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。内部结合水与固体结合很紧密，一般不能通过机械脱水去除。要去除这部分水分，必须破坏细胞结构，使细胞液渗出，由内部结合水变为外部液体。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去除内部结合水。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10%左右。图2-1污泥中水的存在形式2.4.2污泥脱水性能评价不同性质的污泥脱水性能差异很大，评价污泥脱水性能的研究通常着眼于污泥过滤的难易和最终可脱水程度。衡量污泥过滤速度快慢一般有两个指标：污泥比阻(SpecificResistancetoFiltration，SRF)和毛细吸水时间(CapillarySuctionTime，CST)。污泥的最终可脱水程度用脱水后泥饼含水率进行表征。(l)污泥比阻(SpecificResistancetoFiltration，SRF)污泥比阻是表征污泥过滤性能的综合性指标，是指在一定