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市政污泥脱水性能实验研究与形态学分析
更新时间:2016-06-06 来源:《中国环境科学》 作者:周翠红,凌鹰,曹洪月

摘要:本研究将运用微波技术与离心脱水相结合的方法来达到促进污泥中结合水释放及改善脱水特性的目 的.通过测定毛细吸水时间、黏度、含水率,采集污泥图像、提取形态学特征进行污泥脱水改性的效果分析及分形维数的分析.离心脱水实验结果表明,适当增加离 心转速和温度时,污泥的含水率降低;正交实验结果表明微波功率1000W、微波温度50℃、离心转速2000r/min、离心时间15min的条件下含水 率最低达到83.75%,且适当的微波预处理条件有利于污泥的脱水;微波预处理后污泥分形维数在2.4-2.8之间,污泥结构改变.对污泥脱水性能的表征 参数与污泥含水率进行拟合,建立污泥脱水性能的模型,为预测和改善污泥脱水性能提供基础性研究.

目前世界上生产污泥已达1 亿t/a(干污泥),我国已达900 万t/a(合干污泥300~350 万t/a)[1].污泥中含有大量水分使其体积庞大,这为污泥的堆放、运输和处置带来很大困难,并且污泥含有大量微生物及有毒有害物质,如重金属、有机质和氮、磷、钾等营养成分,将对环境造成严重的二次污染[2-3].2009 年2 月住房与建设部、环境保护部以及科技部联合颁布《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行)》,2010 年3月环境保护部发布《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南(试行)》确定了污泥处理处置减量化、稳定化和无害化的目标.污泥是一种高水分的多孔介质物质,未经处理的污泥含水率高达95%以上[4],经脱水处理的污泥将采用焚烧、堆肥、填埋和综合利用等方法进行进一步处置.污泥脱水时最重要的前处理过程,高效脱除污泥中的水分,成为经济、高效处理污泥的瓶颈[3].污泥脱水的方法主要有自然风化和机械脱水等,机械脱水前往往要添加絮凝剂[6].

国内外广泛使用化学调理,通常采用添加絮凝剂与助凝剂的方法,主要不足是成本高.絮凝剂类型有无机絮凝剂、有机絮凝剂、生物絮凝剂等,投加量过高或过低都会导致脱水性能降低.美国杜克大学采用人工配置的活性污泥进行脱水特性的研究,结果表明添加高分子絮凝剂和Ca2+可以改变污泥絮体的特征,从而改善污泥的脱水特性和沉降特性[7].

众多学者通过实验研究了辐射技术对污泥脱水特性的影响.波兰学者使用微波技术后明显增加污泥悬浮液体中的BOD5 和COD 含量[8].污泥微波加热技术在实际生产已经有成功应用,另外微波改性技术在原油脱水、降黏方面有着较好的效果,在污泥改性脱水方面的应用潜力较大.

研究表明,污泥的脱水特性不仅受污泥本身的物理化学组成影响,还与结合水存在的形式、毛细吸水时间、过滤比阻,可压缩性和电势能等有关[9-12].在脱水过程中,污泥中的含水量随污泥性质和含固率变化而改变,随着污泥含固率的增大,结合水在污泥总水量中的比例会增大,对污泥含水率的影响也就随之增大,因此污泥中水分状态在研究中非常受到重视.测试污泥中水分的方法有真空干燥、常温干燥、膨胀法、离心沉降法、压榨法、过滤法、差热分析法(DTA)、差示扫描量热仪(DSC)、热重分析、核磁共振等[13].一般情况下污泥中含有25%左右的结合水,这些水分通过化学力结合在污泥颗粒的表面或存在于污泥颗粒内部.结合水在0℃以下不会被冻结,可利用膨胀法冷凝其他水分进行测定[14].图像处理技术已用于衡量污泥的沉降、浓缩特性和评价污泥絮体结构特征方面的研究[15-16].随着显微镜技术和计算机科学的发展,对污泥的观测逐渐从定性朝定量的方向发展.使用扫描电镜技术与图像分析系统相结合,不仅能探测污泥絮体的形态学特征和内部结构,还能进行絮体结构的定量表征.目前多通过提取外形尺寸、平均面积、分形维数等[17]图像特征来进行污泥絮体的定量表征.李恺等[18]通过对污泥含水率和EPS含量的测定,考察了化学调理对污泥脱水性能的影响,发现污泥絮团被破坏,占体积分数90%的颗粒粒径均在52μm 以下,较原样明显减小.谢敏[19]发现经过微波处理后污泥絮体解体,污泥图像的分形维数发生变化.

目前的研究中没有将污泥的调质技术与离心机脱水技术结合,考察调质技术对机械脱水效果的促进作用,对污泥脱水特性参数的表征不够具体.基于以上原因,为了提高污泥的脱水效率,本研究中将经过微波处理后的污泥进行调质进行离心脱水实验,系统考察污泥的含水率与各脱水特性参数的关系,将污泥脱水性能参数与形态学作为重点研究内容,建立污泥脱水性能参数预测模型,进行预处理技术作用效果评价,达到污泥脱水性能的改善以实现污泥深度脱水的目的。

版权、出处:《中国环境科学》

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