第五章 污泥的处理第一节 概述
在工业废水和生活污水的处理过程中,通常要截留相当数量的 悬浮物质,这些物质统称为污泥固体 。形成污泥固体的悬浮物质,可以是废水中早已存在的,也可以是废水处理过程中逐渐形成的。前者如各种自然沉淀池中截留的悬浮物质;后者如生物处理和化学处理过程中,
由原来的溶解性物质和胶体物质转化而来的悬浮物质。此外,在进行化学处理时,投加的化学药剂还会带来各种固体物质。污泥固体与水的混合体通称为 污泥,但有时把含有机物为主的叫污泥,而把合无机物为主的叫泥渣。
污泥的种类和性质
污泥的组成、性质和数量主要取决于废水的来源,同时还和废 水处理工艺有密切关系。按废水处理工艺的不同,污泥可分为以下几种:
(1) 初次沉淀污泥 来自初次沉淀池,其性质随废水的成分而异。
(2) 腐殖污泥与剩余活性污泥 来自生物膜法与活性污泥法后的二次沉淀池。前者称腐殖污泥,
后者称剩余活性污泥。
(3) 消化污泥 初次沉淀污泥、腐殖污泥、剩余活性污泥经厌氧消化处理后的污泥。
(4) 化学污泥 用混凝、化学沉淀等化学法处理废水,所产生的污泥称为化学污泥。
污泥的主要特性
(1) 污泥固体 污泥中的总固体包括溶解物质和不溶解物质两部分。前者叫溶解固体,后者叫悬浮固体。总固体、溶解固体和悬浮固体,又各分为稳定固体和挥发固体。挥发固体是指在 600℃ 下能被氧化,并以气体产物逸出的那部分固体,它通常用来表示污泥中的有机物含量。污泥固体浓度常用 mg/L表示,也可用重量百分数表示。
(2) 含水率 污泥中水的百分含量叫含水率。固体百分含量和含水率的关系:固体 (% )十水量 (%)
= 100(%),例如固体浓度为 7%,则含水率为 93%。
由于多数污泥都由亲水固体组成,因此含水率一般都很高。不同污泥,其含水率差异很大,对污泥特性有重要影响。
(3) 污泥比重 污泥比重指污泥的重量与同体积水重量的比值。 污泥比重主要取决于含水率和固体的比重。固体比重愈大,含水率愈低,则污泥的比重就愈大。生活污泥及类似的工业污泥的比重一般略大于 1。
工业污泥的比重往往很大。
(4)污泥比阻污泥的处理
污泥含水率高,体积庞大,常含有高浓度有机物,很不稳定,易在微生物作用下腐败发臭,并常常含有病原微生物、寄生虫卵及重金属离子等有害物质,必须进行相应的处理。
污泥处理的主要内容包括 稳定处理 (生物稳定、化学稳定 ),去水处理 (浓缩、脱水、干化 )和 最终处置与利用 (填地、投海、焚化、湿式氧化及综合利用 等 )。 污泥处理与废水处理相比,设备复杂、管理麻烦、费用昂贵。
第二节 污泥水的分类与去除方法
按存在状态的不同,可分为四种,游离水、毛细水、吸附水和内部结合水 。存在于污泥絮体空隙之间的游离水 (间隙水 ),可借助污泥固体的重力沉降可部分分离出。毛细水粘附于单个粒子之间,必须施加更大的外力,使毛细孔发生变形后,才能将其部分去除。化学结合水,需要通过化学作用或高温处理,改变污泥固体的化学结构和水分子状态,方能将其去除。至于微生物细胞内存在的微量水分,只有在细胞破裂后,始能去除。
污泥浓缩
浓缩的主要目的是减少污泥体积,例如,
活性污泥的含水率高达 99.5%,若含水率减到 99%,
则其体积减为原体积的二分之一。若后续处理为厌氧消化,则可使消化池容积大大缩小;若后续处理为好氧消化或化学稳定,则可节约空气量及药剂用量。此外,当进行湿式氧化时,为了提高污泥的热值,也需浓缩以增加固体的百分含量。
污泥浓缩的技术界限大致为:活性污泥含水率可降至 97~ 98%,初次沉淀污泥可降至 85~ 90%。
浓缩有间歇式和连续式两种操作方式。浓缩方法分 重力浓缩,气浮浓缩 和 离心浓缩,其中 重力浓缩 应用最广。
重力浓缩属于 分层沉降 。最上面为清水层;其下为浓度均匀的匀降层;再下面为浓度渐变的过渡层;最下面是浓度又趋均匀的压缩层。四层之间有三个界面。随着时间的转移,
界面 I(浑液面 )以等速 vⅠ 下沉;界面 Ⅱ 和界面
Ⅲ 分别以变速 vⅡ 和 vⅢ 上升。到某一时刻,界面 Ⅰ 和 Ⅱ 首先重合,匀降层消失,浑液面由匀速下降转入变速下降,并且速度逐渐减慢。此后不久,界面 Ⅲ 又与浑液面重合,此时的浑液面叫临界面,其上为清水区,下面是浓度为
C2和高度为 H2的压缩层。一般认为,临界面的出现,标志着浓缩过程的开始,之前属于澄清过程。
气浮浓缩
显然,重力浓缩法最适于重质污泥 (如初次原污泥 ),对于比重接近于 1的轻质污泥,
如活性污泥,效果不佳,在此情况下,最好采用气浮浓缩法。澄清水从池底引出,一部分排走,另一部分用水泵回流。通过水射流器或压气机将空气引入,然后在溶气罐内溶入水中。
溶气水经减压阀进入混合池,与流入该池的新污泥混合。减压析出的空气便携带固体上浮,
形成浮渣层,用刮板刮出使得到分离。采用回流充气的优点是节省新水、管理方便;缺点是增加回流系统电耗。
其他浓缩方法
若处理轻质污泥,采用离心机能获得良好的效果。一些试验表明,盘式离心机能将浓度为 0.5%的活性污泥浓缩到 5~6%,其特点是效率高、时间短、占地少、卫生条件好。反渗透法也开始应用于浓缩污泥。
污泥的脱水与干化
将污泥的含水率降低到 80~ 85%以下的操作叫脱水。脱水后的污泥具有固体特性,成泥块状,能继车运输,便于最终处置利用。
将脱水污泥的含水率进一步降低到
50~ 65%以下 (最低达 10%)的操作叫 干化 (或称 干燥 )。可将干化污泥包装成袋,以商品出售。
常用的污泥脱水设施有干化场、过滤机和离心机等。
过滤机
过滤机 是应用最广泛的污泥机械脱水设备。过滤脱水时,在外力作用下,污泥中的水分透过滤布,与团体分离。分离的污泥水送回废水处理设备,截流的固体剥落后运走。
污泥过滤性能主要决定于滤饼的阻力。
过滤机的脱水能力可用下式表示:
r— 为单位重量干滤饼的过滤阻力,称为比阻
由上式可知,在过滤压力、面积、滤布材料已定的条件下,单位时间滤过的水量与滤液的粘性和滤饼的阻力成反比,也就是说,
滤液的粘性和滤饼的比阻决定了污泥的过滤性能。一般而言,污泥颗粒小,粒径不均匀,
有机颗粒和有机溶质多时,粘性和比阻就大,
过滤性能就差;反之,就好。
将上式积分,得:
这样,可通过过滤试验测定不同时间 t的滤过水体积 V,将 t/V与 V值绘得一直线,则 b为斜率,a为截距,由此得:
显然,污泥的比阻还与滤饼的可压缩性有直接关系。滤饼本身松散,受压时易变形成致密者,比阻自然就大;反之,滤饼颗粒有较强硬的空间结构,受压时不易变形,比阻自然就小。
压缩系数 表示滤饼的可压缩程度。对于难压缩的污泥,例如砂等,其 s=0,即比阻与压力无关;增加过滤压力并不会同时增加比阻,因此,增压对提高过滤机的生产能力尚有意义。但象活性污泥那样的易压缩的污泥,增大压力,比阻也随之增加,对提高生产能力并无显著效果。
污泥的调理
为了改善污泥的过滤性能,亦即降低比阻和粘性,减小压缩系数,通常采用调理 措施。调理的作用在于改变污泥的物理结构,使之有利于过滤操作的进行。
调理分 物理调理,水力调理 和 化学调理
3种。
化学调理
化学调理采用得较为普遍,其实质是向污泥中投加各种絮凝剂,使污泥形成颗粒大、孔隙多和结构强的滤饼。无机调理剂有三氯化铁、三氯化铝、硫酸铝、
聚合铝等;有机调理剂有聚丙烯酰胺等。
无机调理剂价廉易得,但用量大,pH值的影响大;而有机调理剂则与之相反。
综合应用 2~3种絮凝剂,混合投配或依次投配,能提高效能。
水力调理
水力调理 也叫 淘洗,就是先利用处理过的废水与污泥混合,然后再澄清分离,以此冲洗和稀释原活泥中的高碱度,带走细小固体。消化污泥中的碱度很高,投加三氯化铁,与之反应,
需要消耗大量药剂,因此必须通过淘洗来降低碱度。细小固体是化学药剂的主要 消耗者,
且易堵塞滤饼,经过淘洗将其冲走,也能降低药耗,提高过滤性能。淘洗常采用 多级逆流方式进行。淘洗液中的 BOD和 COD含量都很高,需回流到废水处理设备去处理。
物理调理
物理调理有加热。冷冻、添加惰性助滤剂等方法。污泥经过 160~ 200℃ 和 1~ 15MPa的高压处理后,不但破坏了肢体结构,提高了脱水性能,而且还能彻底杀灭细菌,解决卫生问题;
缺点是气味大、设备易腐蚀。反复冷冻能破坏固体与结合水的联系,提高过滤能力。人工冷冻法成本高,自然冷冻法受气候条件的影响,
故采用较少。污泥中投加无机助滤剂后,能在滤饼里形成孔隙粗大的骨架,可减少比阻。污泥焚化时的灰烬、飞灰、锯末等均可用作助滤剂。
真空过滤机
真空过滤机 的特点是适应性强、连续运行、操作平稳、全过程机械化。它的缺点是多数污泥须经调理才能过滤,且工序多、费用高。
转筒式真空过滤机是应用最广的一种。
压滤机
压力过滤机 简称压滤机,其特点是作用压力要比真空抽力大,滤饼含水率低
(最低达 50%)。它的缺点是间断运行、拆装频繁、滤布易坏、管理麻烦。
滚压带式过滤机
它由上下两组同向移动的回结带组成,
上面为金属丝网作成的压榨带,下面为滤布作成的过滤带。污泥由一端配入,在另一端移动的过程中,先经过浓缩段,主要依靠重力过滤,
使污泥失去流动性,然后进入压榨 段。由于上、下两排支承滚压轴的挤压而得到脱水。滤饼含水率可降至 75~ 80%。这种脱水设备的特点是把压力直接施加在滤布上,用滤布的压力或张力使污泥脱水,而不需真空或加压设备,
因此它消耗动力少,并可以连续运行。
离心脱水机
离心脱水机 简称离心机,种类很多,其中以中、低速转筒式离心机在污泥脱水中应用最普遍。该机的主要构件是转筒和装于筒内的螺旋输泥机。污泥通过中空轴连续进入衙内,由转筒带动污泥高速旋转,在离心力的作用下,泥水分离形成两层。螺旋输泥机与转筒同向旋转,
但转速略有差异,即输泥机的螺旋刮刀对转筒有相对转动,将泥饼由左端推向右端,最后从排泥口排出,澄清水则由另一端排水口流出。
污泥干化
通常采用加热法使污泥干化,常用的设施为回转式圆筒干燥炉 。
干燥炉系统的主体部分是回转炉,炉体为略带倾斜的回转圆筒。脱水污泥经粉碎后,与旋流分离返送回来的细粉混合,由高端进入回转圆筒。高温空气从转筒中流过,使污泥干燥。
转筒旋转时可使污泥团块升起和落下,不断地被拌和及粉碎,促使其与热空气充分 接触。
干化场
干化场 也叫 干化床 或 晒泥场,是一种自然脱水设施。干化场的脱水作用包括:上部蒸发、
底部渗透、中部放泄。蒸发受自然条件的影响很大,气温高、干燥、风速大、日晒多的地区效果好,寒冷多雨地区效果差。渗透作用主要与渗水层的结构有关。根据自然条件和渗水层特征,干化期由数周至数月,干化污泥的含水率可降至 65~ 75%。
人工滤层干化场第三节 污泥稳定
二级处理和多数一级处理的污泥都合有大量有机物,投放到自然界,仍将受微生物的作用,
继续对环境造成危害,所以需采取措施降低其有机物含量或使其暂时不产生分解,通常称之为污泥稳定。
污泥稳定的方法有生物法和化学法。 生物稳定 就是在人工条件下加速微生物对有机构的分解,使之变成稳定的无机物或不易被生物降解的有机物的过程; 化学稳定 就是采用化学药剂杀死微生物,使有机物在短期内不致腐败的过程。
污泥的好氧消化
好氧消化是对二级处理的剩余污泥或一、二级处理的混合污泥进行持续曝气,促使生物细胞
(包括一部分构成 BOD的有机物 )分解,从而降低挥发性悬浮固体的含量的方法。在好氧消化过程中,有机污泥经氧化转化成 CO2,NH3,H2等气体产物,好氧消化包含有完全的生物链和复杂的生物群,和厌氧消化比较,反应速率快,在
150° c条件下,一般只需 15~ 20d即可减少挥发物 40~ 50%,而厌氧消化却需 30~ 40d。同时,好氧消化不易受条件变化的冲击而破坏,故效果比较稳定。
污泥的厌氧消化
常见的厌氧消化池有 传统消化池 和 高速消化池,二者的主要区别在于后者要求搅拌,由此产生了两种完全不同的运行工况。传统消化池的缺点是,由于分层现象明显,使细菌和营养物得不到充分接触,因而负荷小、产气量低,
兼之形成浮渣层占去有效容积,造成操作困难。
高速消化池污泥处于完全混匀状态,克服了前者的缺点,增加了负荷和产气率。
污泥的化学稳定
化学稳定是向污泥中投加化学药剂,以抑制和杀死微生物,消除污泥可能对环境造成的危害 (产生恶臭及传染疾病 ),一般采用的方法有:
(1)石灰稳定法 用石灰使污泥的 pH提高到 11~
11.5,15℃ 下接触 4h,能杀死全部大肠杆菌及沙门氏伤寒杆菌。若采用石灰乳投加则制备麻颅、产生的渣量大,但其脱水性好。
(2)氯稳定法 氯能杀死病菌,有较长期的稳定性。但 pH低,过滤性差,而且氯化过程中常发生有毒的氯胺,给后续处置带来一定困难。
第四节 污泥的综合利用
(1) 用作肥料和改良土壤 有机污泥中合有丰富的植物营养物质,用有机污泥施肥,既有良好肥效,又能使土壤形成团粒结构,起到改良土壤的作用。
(2) 其它用途 从工业废水泥渣中可以回收工业原料;低温干馏有机污泥能获得可燃气体、氨及焦油,许多有机污泥还可作为铺路、制砖、
制纤维板和水泥原料。
第五节 污泥的最终处置
(1) 堆存 在可资利用的低凹地域,将污泥贮存,不断排除上清液,使污泥含水宰率降至 50~ 60%。
(2) 焚烧 这是一种常用的处置方法,
即借助辅助燃料引火,使焚烧炉内温度升至燃点以上,令其自烧,所产生的废气 (CO2,SO2等 )和炉灰,再分别进行处理。
(3) 湿式氧化 这是湿污泥在高温高压下分解其有机物的一种处理方法。污泥经破碎后,在污泥柜中预热到 20~ 60℃,由污泥泵加压,同压缩机来的空气混合后通过热交换器,升温到
210~ 220℃,然后在反应器内进行湿式氧化分解,产生的反应热使污泥在反应器内愈向上温度愈高 (270℃ )。反应物及气态混合物在分离器内分离,再在污泥柜与新污泥进行热交换,
使温度降到 40~ 70℃ 。废水排至处理设备去净化。
(4) 弃置 弃置主要是投海、投井。投海时要充分考虑海水的稀释净化能力及其对海洋生态环境的影响;投井是将污泥注入废弃的油井和矿井,此时要注意对地下水的影响。