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《浙江大学》 2016年
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市政污泥水分分布特性和物理化学调理脱水的机理研究

毛华臻  
【摘要】:污泥通常指污水处理厂在处理污水过程中产生的固液混合的絮状物质。每万吨污水经处理后污泥产生量一般约为10-20吨(按含水率90%计)。经统计,2014年我国污泥产生量约1.2亿吨。同时,由于污泥含有寄生虫卵、重金属、病源微生物和持久性有机物等有毒有害物质,若不经有效处理处置,极易对地下水和土壤等造成二次污染,直接威胁环境安全和公众健康。因此,对污泥进行安全、经济、高效地处理处置迫在眉睫。由于污水处理厂二沉池污泥含水率高达95%以上,而国家相关法律法规对污泥后续处置环节的含水率要求低于60%。因此,开展高效、稳定、经济的降低污泥含水率的研究工作十分有必要。由于市政污泥组分复杂,污泥中的水分存在多种结合形式,结合能差别较大,脱水困难。同时,针对污泥水分分布的研究较缺乏。目前,用于污泥水分分布的分析方法主要有干燥法、离心沉降法、压滤法、热重法和示差扫描热量法等。在实际使用过程中,上述方法存在分析结果不准确,分析过程耗时长和简单区分等问题。因此,本文提出基于低场核磁共振技术横向弛豫时间的市政污泥样品含水率和水分分布的快速分析方法。与上述分析方法相比,该方法具有快速、准确、无损的优点。同时,本文还开展了超声波预处理、热水解预处理、微波预处理和化学调理提升市政污泥脱水性能的工作,并采用低场核磁共振技术研究不同预处理工况对污泥水分分布的影响。本文的主要研究内容和结论如下:(1)采用低场核磁共振测试方法测量不同含水率市政污泥样品的含水率和水分分布。首先确定了测量市政污泥含水率和水分分布最合适的采样次数、回波个数和采样频率,并采用采用浓度为3000mg/L的硫酸铜溶液绘制定标曲线提升核磁共振测量准确性。低场核磁共振技术与干燥法分别测量污泥中的含水率的结果表明,两种方法测量的含水率结果非常接近,相关系数高达0.999,说明低场核磁共振测试方法可以用于市政污泥的含水率测量;采用低场核磁共振测试方法测量污泥中的水分分布。样品横向弛豫时间结果表明,市政污泥中的水分可以分为3类,分别为结合水、机械结合水和自由水,对于含水率在35.29%——96.36%的污泥,机械结合水在市政污泥总水分中占主导地位。同时,首次提出针对市政污泥的横向弛豫强度计算方法,并计算得到市政污泥的横向弛豫强度为43.99 μ m/s。(2)研究市政污泥中水分结合能与污泥含水率变化的关系。将加热过程中污泥水分蒸发所需要的能量分为4类:分别为水分子克服化学键所需要的能量;水分子克服与污泥絮体的分子间物理作用力所需要的能量;水分子克服毛细作用力所需要的能量;水分相变所需要的能量。我们引入Lennard-Jones 10-4-3公式来计算污泥中水分子与污泥絮体间的物理作用力,根据平衡蒸汽压计算水分子与污泥絮体间的毛细作用力。同时,我们采用热重-差热分析实验,获得市政污泥中水分的结合能分布。模型数据与实验结果匹配较好。结果显示,当污泥的含水率较高时,污泥中的水分与污泥絮体的结合能较小。随着污泥含水率逐渐下降,污泥体积减少,剩余水分与污泥絮体的结合能逐渐增加,最高可达到数千kJ/kg。(3)研究不同超声处理频率20 kHz,25 kHz,30 kHz,35 kHz和40kHz;反应时间为1 min,2min,3min,5min和10min,对市政污泥的脱水性能和水分分布的影响。实验结果表明:超声波预处理技术能提高污泥的脱水性能。不同的超声频率对污泥离心后含水率和水分分布影响不同,其中最佳的超声频率为30kHz,最佳时长为2min。此时,污泥上清液中的溶解性化学需氧量从87mg/L增加至1660mg/L,说明在超声波处理污泥的过程中,污泥中大量高分子有机物和胞外聚合物发生破碎,提升污泥的脱水性能。(4)在热水解温度140-230℃、反应时间15-60 min,氯化钙添加量0.02-0.14 g/g DS、聚丙烯酰胺添加量1-1010-6g/g DS的条件下,对市政污泥进行热水解预处理。研究结果表明,热水解预处理过程能改善污泥的脱水性能,改变污泥的水分分布。正交实验的极差分析与方差分析结果表明,反应温度的升高显著提升了污泥絮体的破碎效果,降低泥饼离心后含水率。聚丙烯酰胺投加量对实验结果影响较小。采用低场核磁共振技术测定污泥水分分布,热水解处理后的样品与污泥原样相比,结合水与机械结合水干基含水率均大幅降低。确定杭州污泥热水解处理最佳工况为反应温度230℃,热水解处理45 min,同时添加0.14 g/g DS氯化钙试剂,并在热水解处理后添加10-6g/g DS的聚丙烯酰胺试剂,此时的污泥经离心脱水后,含水率从88.67%大幅降低至70.68%。(5)研究微波功率分别为500W、700 W和900 W,微波时间分别在30s,60s,90s和120s时,微波预处理对污泥压滤含水率和水分分布的影响。结果表明,适当的微波辐射能的输入,可以提升污泥的脱水性能,改变污泥的水分分布。对于压滤脱水法,由于压滤压力较高,与离心脱水法相比,可以脱除的水分与污泥絮体的结合能较高。因此采用压滤脱水法后,污泥泥饼含水率与结合水的变化比例较为一致。当微波辐射能小于0.34 kJ/mL时,微波辐射通过使极性分子产生高频震动,使污泥絮体的双电层结构破坏,促进污泥颗粒的团聚,降低污泥中的结合水比例。当微波辐射能大于0.34 kJ/mL时,微波辐射能使污泥中的水分沸腾导致污泥中的微生物细胞破碎,胞内物质流出,显著增加结合水含量,恶化污泥的脱水性能。(6)通过对三种物理预处理方式进行经济性比较得知,如果脱水污泥后续处理处置工艺路线为填埋或者农用,微波法初投资额最低,为8100元/L,单位处理量运行费用也是最低,为0.11元/L。如果脱水污泥后续处理处置工艺路线为焚烧,则超声波预处理法在运行费用上具有明显的优势。(7)研究当氯化铁投放量在0-11 wt.%、氧化钙的投放量在0-30wt.%和木屑投放量在0-50wt.%的条件下,三种药剂的投放量对污泥离心含水率和水分分布的影响。结果表明,适当的药剂投放量通过提高污泥水分分布中自由水的比例,可以显著提升污泥的脱水性能,降低泥饼离心后含水率。在正交实验中,极差分析和方差分析表明,木屑投加量对泥饼离心后含水率的下降有明显促进作用。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:X703

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