201*年9月網(wǎng)絡(luò)填寫版--中國博士后科學(xué)基金資助總結(jié)報(bào)告-樣式

中國博士后科學(xué)基金資助總結(jié)報(bào)告

獲資助者姓名：全國博士后編號(hào)：電話：電子郵件：資助項(xiàng)目：資助編號(hào)：執(zhí)行年限：年月至年月所在設(shè)站單位：填表日期：年月日

中國博士后科學(xué)基金會(huì)制

201*年9月一、獲博士后科學(xué)基金資助開展研究工作的基本情況

研究題目（中文）：研究題目（英文）：所屬學(xué)科：一級學(xué)科二級學(xué)科是否結(jié)題□是□否中文摘要（500字以內(nèi)）關(guān)鍵詞（不超過5個(gè)，用分號(hào)隔開）：本研究工作獲得其它國家級或省部級科技計(jì)劃資助情況（計(jì)劃名稱、項(xiàng)目名稱、資助總經(jīng)費(fèi)、本人分工、執(zhí)行期限）本研究工作依托的研究平臺(tái)和團(tuán)隊(duì)：□國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室□國家工程技術(shù)研究中心□國家工程研究中心□國家工程實(shí)驗(yàn)室□企業(yè)國家技術(shù)中心□教育部985工程研究平臺(tái)□國家重點(diǎn)學(xué)科基地□中科院院士研究團(tuán)隊(duì)□中國工程院院士研究團(tuán)隊(duì)□國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體□教育部創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)□其他

二、獲博士后科學(xué)基金資助開展的研究工作總結(jié)

1．與預(yù)期研究計(jì)劃和目標(biāo)比較，說明執(zhí)行情況及存在的問題。2．研究工作主要進(jìn)展及所取得的成果（說明主要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新之處，附必要數(shù)據(jù)。）3．研究成果的科學(xué)意義、應(yīng)用前景、推廣開發(fā)價(jià)值以及經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。4．開展國內(nèi)外學(xué)術(shù)合作交流及本人的成長情況。三、獲博士后科學(xué)基金資助的研究成果目錄（可加項(xiàng)）

序號(hào)111111成果類型專著期刊論文會(huì)議論文專利獲獎(jiǎng)其他成果或論文名稱主要完成者成果說明標(biāo)注狀況注1、“成果類型”欄，分為“專著/期刊論文/會(huì)議論文/專利/獲獎(jiǎng)/其他”六類，請歸類集中填寫并單獨(dú)編號(hào)；

注2、“標(biāo)注狀態(tài)”欄，用于說明有無標(biāo)注“中國博士后科學(xué)基金資助及項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)”等。注3、“成果說明”欄，用于填寫如期刊名、獲獎(jiǎng)?lì)悇e、級別等必要的說明和便于其他人查詢的信息，具體要求如下：

1）期刊論文按“全部作者，論文題目，刊物名稱卷（期）起-止頁碼，年月（SCI/SSCI,EI,ISR收錄，如是該類雜志）”格式填寫說明；

2）會(huì)議論文按“國際/國內(nèi)，特邀報(bào)告/口頭報(bào)告/墻報(bào)展示，全部作者，論文題目，會(huì)議名稱，時(shí)間，地點(diǎn)”格式填寫說明；

3）專著按“全部作者，書名、出版社，出版時(shí)間，字?jǐn)?shù)，發(fā)行量”格式填寫說明；4）專利按“獲準(zhǔn)專利國別，類別，專利號(hào)，獲專利時(shí)間”格式填寫說明；5）獲獎(jiǎng)按“授獎(jiǎng)單位，授獎(jiǎng)時(shí)間，獎(jiǎng)勵(lì)名稱，等級”格式填寫說明。6）其他，根據(jù)實(shí)際情況填寫并做必要的說明。

四、獲博士后科學(xué)基金資助的成果統(tǒng)計(jì)表

國家級獲獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)科技進(jìn)步獎(jiǎng)發(fā)明獎(jiǎng)省部級自然科學(xué)獎(jiǎng)科技進(jìn)步獎(jiǎng)專著中文外文國際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)其它（項(xiàng)）一等二等一等二等一等二等一等二等一等二等專著/論文發(fā)表論文數(shù)國際會(huì)議全國性會(huì)議刊物特邀分組特邀分組國際國內(nèi)國內(nèi)一刊物（篇）報(bào)告報(bào)告報(bào)告報(bào)告刊物刊物般專利（項(xiàng)）專利及其他國內(nèi)國外四大檢索系統(tǒng)SCIEIISR已出版待出版已出版待出版成果推廣及經(jīng)濟(jì)效益可推廣項(xiàng)數(shù)已推廣項(xiàng)數(shù)3

經(jīng)濟(jì)效益軟件/其他成果圖表/圖集新儀器/鑒定及新方法其他申請批準(zhǔn)申請批準(zhǔn)（萬元）數(shù)據(jù)庫五、獲博士后科學(xué)基金資助以來獲得其它科技計(jì)劃和人才計(jì)劃資助情況

計(jì)劃名稱資助部門資助時(shí)間資助金額項(xiàng)目名稱負(fù)責(zé)或參與六、獲資助者承諾

我所承擔(dān)的博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目是：，編號(hào)：。我所填寫的資助總結(jié)報(bào)告內(nèi)容實(shí)事求是，數(shù)據(jù)詳實(shí)。在今后的研究工作中，如有與本項(xiàng)目相關(guān)的成果，將標(biāo)注“中國博士后科學(xué)基金資助”。獲資助者：年月日七、審核意見

合作導(dǎo)師審核意見：合作導(dǎo)師：年月日設(shè)站單位審核意見：負(fù)責(zé)人：設(shè)站單位公章年月日八、博士后基金資助金使用情況

開支內(nèi)容金額（單位：元）備注支出合計(jì)：余額：

獲資助者（簽字）：

年月日

設(shè)站單位管理部門負(fù)責(zé)人（簽字）：

（公章）年月日

設(shè)站單位財(cái)務(wù)負(fù)責(zé)人（簽字）：

（公章）年月日

擴(kuò)展閱讀：污水處理廠脫水污泥強(qiáng)化干化技術(shù)機(jī)理研究-中國博士后基金結(jié)題報(bào)告

中國博士后科學(xué)基金資助

項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告

姓名李春萍編號(hào)67425

所在設(shè)

站單位清華大學(xué)

項(xiàng)目名稱污水處理廠脫水污泥堿式強(qiáng)化干化

技術(shù)機(jī)理研究

資助金額三萬元

中國博士后科學(xué)基金會(huì)制

（二零一零年六月）

I中文摘要

本文通過研發(fā)快速高效泥灰混合設(shè)備對脫水污泥進(jìn)行加堿處理，研究脫水污泥加堿穩(wěn)定化及半干化的效果；考察泥灰混合設(shè)備的混合效果，及對脫水污泥性能的改善作用和對污泥半干化的促進(jìn)作用。主要研究成果如下：

自主設(shè)計(jì)開發(fā)了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、國產(chǎn)化的犁刀形污泥/石灰高效混合樣機(jī)，可以提高氧化鈣在污泥中的分散度，實(shí)現(xiàn)污泥和石灰的充分的混合。解決了我國較為原始的在蝸桿輸送機(jī)中加入鈣粉，物料主要只經(jīng)過推送過程，而導(dǎo)致混合不均勻（耗鈣粉多、混合不均勻，效果差）同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)污泥性狀的改善的現(xiàn)狀。為其規(guī)模化、工廠化的應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)選擇溫度、pH、糞大腸菌值、臭度四個(gè)指標(biāo)做為污泥穩(wěn)定化的評價(jià)因子。通過在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，從污泥的溫度最高能達(dá)到53℃，并能維持兩個(gè)小時(shí)以上。pH>12并維持值3天以上。同時(shí)殺菌效果極顯著，原污泥中糞大腸菌值為1.10×10-8g/MPN，而所有處理后污泥中，糞大腸菌基本全被殺滅，其值大于0.333g/MPN，達(dá)到了未檢出的指標(biāo)，污泥實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定化和無害化。在臭度方面，污泥中臭味強(qiáng)度顯著降低，從5級降為2級以下，即：從無法忍受的強(qiáng)烈臭味降低至勉強(qiáng)可以感覺到輕微臭味。最后對不同處理的污泥穩(wěn)定化進(jìn)行模糊評價(jià)，模糊評價(jià)的結(jié)果表明：在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，污泥穩(wěn)定化程度高，評價(jià)結(jié)果都為一級。

實(shí)驗(yàn)通過含水量和蒸發(fā)速率來評價(jià)污泥半干化的效果。隨著石灰添加量的增加，單位質(zhì)量污泥中水分的蒸發(fā)速率也隨著增加。在污泥中添加15%工業(yè)用生石灰，自然蒸發(fā)24小時(shí)后，含水率就從剛混合后的72.78%降為59.75%，48小時(shí)之后更是降低到了38.20%。

與未添加石灰的對照相比，添加7%、10%、12%、15%的石灰后，污泥中的重金屬Cd、Pb、Cu、Zn在酸可提取形態(tài)中的含量大幅度降低，在鐵錳氧化態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)中的含量增加，不可利用態(tài)均達(dá)到了95%以上；不同處理之

I間，以添加15%的石灰對重金屬的鈍化效果最好，其次為7%，10%與12%的處理沒有差異。因此，基于經(jīng)濟(jì)因素考慮，添加7%的石灰就可以將污泥中的重金屬鈍化。

關(guān)鍵詞：污泥石灰半干化穩(wěn)定化犁刀形污泥/石灰高效混合器

IIABSTRACT

Thisarticalfocusesonthefastspeed,highefficiencysludgeandlimemixingequipment,researchonthesludge’sstabilityandsemi-dryingeffectbyaddinglime.Alsoinvestigatetheequipment’smixingeffects,andthepromotiononthedewateredsludge’spropertyandsemi-dryingeffect.Themainresearchresultsareasfollows:

Designaplow-shapedsludgemixerindependently,whichcanfullymixthesludgeandlimeandcanfreelyadjustsomeparameters.Breakthecurrentsituationthatourcountryhasnorelevantequipmentsinthisfield,andprovidesomeimportantreferencesfortheindustrialapplication.

Fourindicatorssuchastemperature,pH,manurecoliformvalueandfetiditywereselectedasthefactorstoevaluatethestabilizationofsludgeinthisexperiment.Afterthatthesludgesamplesweremixedwith15%oflime(AR)and5%,7%,10%,12%and15%ofindustriallimeseparately,thetemperatureandpHofthesesamplesmetthestabilizationrequirementsofsludgeinEUDirection(CR13714-201*)andthestabilizationstandardissuedbytheUnitedStatesEnvironmentalAgency(USEPA1993).Atthesametime,thebactericidaleffectwasverysignificantandmanurecoliformvaluetrendedtodeclinesignificantlyinsludge.Itachievedthestableandinnocuousmanagementofsludge.Thedegreeoffetidityofsludgedeclined

significantlyfromClass5toClass2orlower,i.e.fromastrongunbearablesmelltoaslightodor.Finally,thestabilizationofsludgewithdifferenttreatmentswasgivenafuzzyevaluationandtheresultsshowthat:afterthatthesludgesamplesaremixedwith15%oflime(AR)and5%,7%,10%,12%and15%ofindustriallimeseparately,thestabilizationdegreeofsludgeisahighandallevaluationresultsareClass1.

Theeffectofsemi-desiccationofsludgewasevaluatedbymoisturecontentandevaporationrate.Thedehydratedsludgemixedwith15%oflimecanbeproducedintheexperimentanditcanmeettherequirement(i.e.themoisturecontentshouldbelowerthan60%)of“PollutionControlStandardfortheLandfillSiteofMunicipalSolidWaste”(GB16889-201*)issuedinChinanewlyafternaturalcuringadayortwo.

IIIComparedtothecontrolwithoutaddedlime,add7%,10%,12%,15%ofthelime,theheavymetalsofCd,Pb,Cu,Zninacidextractableformcametoasignificantreductioninthecontent,and,increasedinmanganeseoxidationstate,organicboundandresidualinthecontent.Theusablestatecanexceededtomorethan95%.Adding15%ofthelimehadthebesteffectonheavymetalpassivityamongdifferenttreatments,followedby7%.10%and12%ofthedealwerenotdifferent.Therefore,basedoneconomicconsiderations,add7%ofthelimetosludgecanbeencouragedontheheavymetalpassivity.

Keywords：Sludgelimesemi-dryingstabilityplow-shapedsludgemixer

IV

目錄

第1章引言..............................................................................................81.1研究背景...........................................................................................91.1.1污泥的產(chǎn)生及危害........................................................................91.1.2脫水污泥處理處置現(xiàn)狀..............................................................101.1.3污泥干化技術(shù)研究現(xiàn)狀..............................................................121.2污泥堿式干化處理技術(shù)研究進(jìn)展....................................................131.2.1污泥堿式干化技術(shù)研究意義.......................................................131.2.2污泥堿式干化技術(shù)原理..............................................................141.2.3污泥堿式干化研究現(xiàn)狀..............................................................151.3課題設(shè)計(jì).........................................................................................161.3.1研究目標(biāo).....................................................................................161.3.2技術(shù)路線.....................................................................................16第2章加堿干化核心設(shè)備的研發(fā)..........................................................182.1污泥泥質(zhì)特性及與堿性物質(zhì)的混合要求.........................................182.1.1污泥的泥質(zhì)特性..........................................................................182.1.2污泥加堿的混合要求..................................................................192.2加堿干化設(shè)備存在的技術(shù)難點(diǎn)........................................................192.3犁刀型污泥/石灰高效混合器的開發(fā)...............................................202.3.1研究中對犁刀型污泥/石灰高效混合器的改進(jìn)............................212.3.2其他配置組件的開發(fā)..................................................................232.3.3加堿干化的工藝流程..................................................................23第3章加堿對脫水污泥的穩(wěn)定化效果...................................................253.1實(shí)驗(yàn)材料及方法..............................................................................253.1.1實(shí)驗(yàn)材料.....................................................................................253.1.2測定指標(biāo)與測定方法..................................................................25

V3.2加堿對污泥的升溫效果...................................................................263.2.1加堿升溫原理.............................................................................263.2.2不同對污泥升溫增加的效果.......................................................263.3加堿對污泥pH值的改變................................................................273.4加堿對污泥中糞大腸菌群的殺滅效果............................................293.5加堿對污泥臭味的控制...................................................................313.6不同處理對污泥穩(wěn)定化的模糊評價(jià)................................................323.6.1評價(jià)因子及等級..........................................................................323.6.2評價(jià)等級.....................................................................................323.6.3隸屬函數(shù).....................................................................................333.6.4權(quán)重計(jì)算.....................................................................................333.6.5模糊運(yùn)算.....................................................................................343.6.6綜合評價(jià)結(jié)果.............................................................................343.7本章小結(jié).........................................................................................35第4章脫水污泥加堿后的半干化效果...................................................364.1脫水污泥半干化的必要性...............................................................364.1.1污泥處置方法與水分要求...........................................................364.1.2脫水污泥中水分的存在狀態(tài).......................................................364.1.3常用的污泥破解方法..................................................................374.1.4污泥的半干化.............................................................................374.2實(shí)驗(yàn)材料及方法..............................................................................384.2.1實(shí)驗(yàn)材料.....................................................................................384.2.2測定指標(biāo)與測定方法..................................................................384.3脫水污泥加堿后的蒸發(fā)速率變化....................................................394.3.1蒸發(fā)速率的計(jì)算..........................................................................394.3.2污泥含水率隨蒸發(fā)速率的變化...................................................404.4生石灰中CaO的有效含量對污泥半干化的影響............................414.4.1材料與方法.................................................................................414.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果.....................................................................................414.5石灰對不同含水率脫水污泥的半干化效果.....................................424.5.1石灰對不同含水率脫水污泥半干化效果....................................42

VI4.5.2石灰添加量對不同含水率脫水污泥半干化效果.........................434.5.3養(yǎng)護(hù)對不同含水率脫水污泥半干化效果....................................444.6不同堿劑對污泥半干化的效果........................................................464.7本章小結(jié).........................................................................................48第5章脫水污泥加堿對重金屬的固定效果...........................................495.1BCR法.............................................................................................495.2分析方法.........................................................................................505.3石灰不同處理對重金屬的鈍化效果................................................505.3.1不同比例的石灰對Cd形態(tài)的影響.............................................505.3.2污泥加堿對Pb形態(tài)的影響........................................................525.3.3污泥加堿對Cu形態(tài)的影響........................................................545.3.4污泥加堿對Zn形態(tài)的影響........................................................565.4石灰不同處理與重金屬鈍化效果的灰色關(guān)聯(lián)度分析......................585.4.1灰色關(guān)聯(lián)度.................................................................................585.4.2不同處理對重金屬鈍化效果的灰色關(guān)聯(lián)度分析.........................58第6章結(jié)論與建議.................................................................................616.1結(jié)論.................................................................................................616.2建議.................................................................................................63參考文獻(xiàn)....................................................................................................64

VII第1章引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，公眾對環(huán)境問題愈來愈關(guān)注，對環(huán)境質(zhì)量的要求也逐漸提高。為節(jié)約水資源，改善生態(tài)環(huán)境，我國的污水處理事業(yè)迅猛發(fā)展，污水處理過程中所產(chǎn)生的污泥量也日益增加。廢水處理目前常用的方法有物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。污泥是城市污水處理過程中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品。在污水處理中，通過微生物的作用，污染物質(zhì)從水相轉(zhuǎn)移到固相，從而產(chǎn)生了污泥。

污泥中有機(jī)物含量多，性質(zhì)不穩(wěn)定，易腐化發(fā)臭，有毒有害污染物含量高，污泥中還含有病原菌及寄生蟲卵，威脅著人類健康。隨著城市生活污水處理量和處理率的大幅度提高，污泥已經(jīng)成為困擾污水處理廠的最嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)難題之一，只有實(shí)現(xiàn)了污泥的安全無害化處置才能達(dá)到消除污染的目的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國僅城市污水處理廠每年就排放干污泥約2×105t,以濕污泥計(jì)約（3.8～5.5）×106t。據(jù)有關(guān)預(yù)測，我國城市污水量在未來二十年還會(huì)有較大增長，201*年污水排放量將達(dá)到140×108m3/d；2020年污水排放量將達(dá)到440×108m3/d。

但是我國污泥處理處置技術(shù)才剛剛起步，長期以來，我國一直存在重廢水處理，輕污泥處理的傾向。在我國已經(jīng)建成的污水處理廠中，具有污泥穩(wěn)定處理設(shè)施的還不到1/4，污泥處理工藝和配套設(shè)備較為完善的還不到1/10。大部分污水處理廠都沒有污泥處理的配套設(shè)施。有資料顯示：60%以上的污泥未經(jīng)處理直接農(nóng)用，不僅不符合污泥農(nóng)用的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，而且容易產(chǎn)生重金屬污染和有毒有害污染等二次污染的環(huán)境問題。雖然相對于污水處理的體積來說，污泥產(chǎn)生的體積要小得多，如活性污泥法處理廢水時(shí)，剩余活性污泥體積通常只占到處理廢水體積1%以下，但從污染凈化的完善程度出發(fā)，污泥處理占有十分重要的地位，必須引起高度重視。

污泥加鈣處理是脫水污泥進(jìn)一步處理中最早得到應(yīng)用的方法之一，由于工藝簡單，能耗低等原因，至今仍是污泥處理處置中一個(gè)常用的手段。較為經(jīng)典的應(yīng)用分別是利用加入氧化鈣后pH和溫度的升高來實(shí)現(xiàn)污泥的殺菌；或利用添加氧化鈣及其他物質(zhì)（如飛灰、水泥、碳酸鈣等）后污泥的固化效果來滿足污泥的填埋工藝要求。另外，處理過程中選擇適宜的混合條件可有效改變污泥的性質(zhì)，由致密、粘稠變成疏松、流動(dòng)性能好、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)奈锪稀?/p>

1.1研究背景

1.1.1污泥的產(chǎn)生及危害

城市污水污泥的處理處置問題是伴隨著污水處理廠的產(chǎn)生而產(chǎn)生的。污泥是城市污水處理過程中產(chǎn)生的體積最大的副產(chǎn)品，含水率高、不易脫水。污泥中既含有易腐敗的有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)營養(yǎng)元素，也含有大量的病原菌、寄生蟲（卵），還有Cu、Zn、Cr和Hg等重金屬，以及部分有害的難降解有機(jī)物，如多環(huán)芳香族碳?xì)浠�合物等。這些化學(xué)物質(zhì)不僅會(huì)污染地表水和地下水源，污泥散發(fā)的臭氣也會(huì)污染空氣，病原體對人類健康也是潛在的威脅。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，污水處理量逐年增加，污泥產(chǎn)生量也迅速增加。表1.1中列出了《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》中公布的近幾年來我國城市污水日處理能力及污水處理率。201*年末我國城市污水處理廠日處理能力達(dá)7000萬立方米，增長率達(dá)10.0%；城市污水處理率由1995年的19.4%上升到59.0%。按處理1000噸污水產(chǎn)生1t含水率為80%的污泥計(jì)算，年產(chǎn)生污泥約2600萬t。目前我國城市污水廠每年排放干泥約130萬t，并以每年10%的速度增長[1,2]。按照《國務(wù)院關(guān)于落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的決定》和《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》要求：到201*年，全國設(shè)市城市的污水處理率不低于70%，“十一五”期間新增城市污水日處理能力4500萬噸。城市污水處理量和污泥產(chǎn)生量還將進(jìn)一步增加。污泥處理處置問題的解決迫在眉睫。

表1.1城市污水處理量及處理率[3]

年份201*201*201*201*201*

城市污水日處理能力/萬m3

42537402809161227000

城市污水處理率/%

42.143.648.45659

過去我國一直“重水輕泥”，污泥在我國目前尚無妥善的最終處置方法，許多污水廠污泥隨意堆放造成二次污染，污泥發(fā)臭引起居民不滿，帶來了嚴(yán)重的環(huán)境和社會(huì)問題。隨著污泥產(chǎn)量增加，城市污水污泥的處理與處置已成為最復(fù)雜的環(huán)境問題之一，引起各國政府、社會(huì)和生產(chǎn)部門的廣泛關(guān)注，并作為環(huán)保熱點(diǎn)問題進(jìn)行研究。我國十一五期間(201*~201*)預(yù)計(jì)將有3000多億資金投向污水處理設(shè)

施建設(shè)，其中在污泥處理方面的投資約占總投資的40%，污泥處理處置已成為重點(diǎn)。各國各地區(qū)都在積極探索城市污水廠污泥的有效處理處置道路。

1.1.2脫水污泥處理處置現(xiàn)狀

目前我國污泥的處理處置所依據(jù)的原則是“減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化”。脫水污泥的處理處置方法有多種，國內(nèi)常見的脫水污泥的處理工藝有熱干化、堆肥和焚燒，最終處置工藝有衛(wèi)生填埋、農(nóng)業(yè)利用和建材利用。處置工藝見表1.2。

表1.2我國脫水污泥處理處置工藝說明

處理處置方法

在機(jī)械干化裝置中，通過提供補(bǔ)充

熱干化

降低重量，縮小體積

熱量來增加污泥周圍空氣的濕含量，并提供蒸發(fā)的潛熱。干化后的污泥含水率可降至10%以下，這對于污泥焚燒和制造肥料非常有利。

回收產(chǎn)物，減小

污泥堆肥

體積，提高污泥用于農(nóng)業(yè)的適用性

堆肥是將干污泥中的有機(jī)物進(jìn)行好氧氧化和降解形成穩(wěn)定的類似腐殖質(zhì)最終產(chǎn)物的過程。堆肥后的污泥可用作土壤的改良劑。

如果污泥肥效不高，或者存在有毒

污泥焚燒

的重金屬，不能保證其用于農(nóng)業(yè)，

縮小體積

污泥可以焚燒。用于焚燒的污泥一般是未經(jīng)好氧或厭氧消化處理而直接脫水的污泥，這種污泥熱值較高。

衛(wèi)生填埋農(nóng)業(yè)利用

接納處理后的污泥，解決處理后的最終出路接納處理后的污泥，充分利用

可以和城市垃圾一起在垃圾填埋場進(jìn)行衛(wèi)生填埋。

處理后的污泥應(yīng)具有較高的肥力，重金屬和有毒有害物質(zhì)的含量也達(dá)

要求處理后的污泥體積盡可能小，且有較高的承載能力。主要焚燒設(shè)備有回轉(zhuǎn)窯爐、多段焚燒爐、流化床焚燒爐等。主要干化機(jī)械有急驟干化器、轉(zhuǎn)動(dòng)干化器、流化床干化器等，熱源可以用濕污泥厭氧消化后的沼氣。

堆肥過程所需的氧氣可以通過定期機(jī)械翻堆和強(qiáng)制通風(fēng)來實(shí)現(xiàn)。污泥可以單獨(dú)堆肥，也可以和木屑或者城市垃圾一并堆肥。

目的和作用

工藝方法

主要設(shè)備和要求

------

污泥的肥分，改良土壤接納處理后的

建材利用

污泥，利用污泥的土質(zhì)成分，燒制磚瓦等

到農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)

燒制磚瓦、制造輕骨料等需要處理后的土質(zhì)污泥，而利用玻璃體骨料技術(shù)則可以直接接納處理后的剩余污泥

------

以上常見的處理處置工藝，對污泥的含水率都有一定要求。將脫水污泥直接用于上述處理處置工藝，存在很多問題。

焚燒對污泥的減量化效果最好，但是含水率高大大降低了污泥的熱值。干污泥的熱值為3000～4000kcal/kg，而脫水污泥的熱值僅為200kcal/kg，需要[4]添加大量的輔助燃料。資料顯示，焚燒含水率80%的污泥，每噸污泥（干基）的輔助燃料需消耗304～565L重油，能耗很大[2]。若脫水污泥含水率高于80%，將消耗更多的重油，能耗更大。近幾年，在我國江蘇、浙江等地，陸續(xù)建立了污泥焚燒廠，污泥焚燒可以達(dá)到很好的減量化、無害化，但由于污泥含水率高，使得污泥焚燒熱值低，焚燒時(shí)需要添加大量的輔助燃料，這一方法將會(huì)受到很大限制。

污泥堆肥化是一種受控制的生物降解和轉(zhuǎn)化過程，并且產(chǎn)物可以作為肥料出售獲得收益，是一種資源化的處理方式。但是微生物的生長對含水率也有要求，關(guān)于堆肥的最佳含水率在文獻(xiàn)中并不一致，但多數(shù)認(rèn)為50%～60%的含水率最利于有機(jī)物的降解。

污泥的填埋一直存在爭議，目前，污泥消化后經(jīng)脫水再進(jìn)行填埋是國內(nèi)許多大型污水處理廠中常采取的方式，但是由于消化工藝復(fù)雜、一次性投資大、運(yùn)行操作難度大，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明往往難以達(dá)到預(yù)期的效果。由于污泥含水量高，呈塑性，易流動(dòng)，若大量進(jìn)入填埋場，很可能引起堆體滑坡，存在較大的安全隱患。因此，一般脫水污泥不適合進(jìn)行填埋。我國《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-201*）規(guī)定，城市污水廠污泥只有在處理后含水率降到60%以下，才可進(jìn)入填埋場。在其他國家，污泥填埋也受到嚴(yán)格限制。如在歐洲，含有可生物降解有機(jī)物的固體廢棄物將不允許填埋，丹麥、瑞士已分別于1997年7月1日和201*年1月1日實(shí)施了該項(xiàng)禁令。德國已經(jīng)通過的新版本《城市廢物技術(shù)指南》明文規(guī)定，禁止填埋有機(jī)物含量超過5%的污泥[5,6]。

可見，脫水污泥的高含水率高是其進(jìn)一步處理處置的障礙，這就要求污泥必須進(jìn)一步降低含水率，以滿足減量化和資源化的要求。

1.1.3污泥干化技術(shù)研究現(xiàn)狀

污泥干化技術(shù)分為熱干化、石灰干化和生物干化三類。（1）污泥熱干化

污泥經(jīng)機(jī)械脫水后，在外部加熱的條件下，通過傳熱和傳質(zhì)過程，使污泥中水分蒸發(fā)，即隨著相變化使水從泥中分離出去。

（2）污泥石灰干化

污泥經(jīng)機(jī)械脫水后，往污泥中投加干燥的生石灰（CaO）或熟石灰Ca(OH)2，進(jìn)一步降低污泥含水率，同時(shí)使其pH和溫度升高，以抑制病菌和微生物的生長。

（3）污泥生物干化

污泥經(jīng)機(jī)械脫水后，在生物活動(dòng)產(chǎn)生的較高溫度條件下，對有機(jī)物的生物降解和穩(wěn)定過程，最終生成性質(zhì)穩(wěn)定、可利用于土壤的熟化污泥。

污泥的三種干化技術(shù)都同時(shí)實(shí)現(xiàn)了污泥的干化和穩(wěn)定化，達(dá)到“減量化、穩(wěn)定化、無害化”的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用或最終消納，并有效防止污泥中污染物對人體健康和環(huán)境造成不良影響。不同的干化方式都有自己的特點(diǎn)，見表1.3

表1.3我國脫水污泥干化處理處置特點(diǎn)比較

種類優(yōu)點(diǎn)1污泥顯著減容，體積可減少4~5倍；1設(shè)備昂貴；缺點(diǎn)2形成顆�；蚍蹱罘�(wěn)定產(chǎn)品，2能耗高；污泥熱干化污泥性狀大大改善；3干化產(chǎn)品的含水率控制在抑制污泥中的微生物的活動(dòng)水平。1成本低，工藝簡單；2脫水污泥進(jìn)行處理可以達(dá)污泥石灰干化到半干化固化和殺菌的作用；3產(chǎn)品具有多種用途，如建筑材料、土地利用等。污泥生物干化1能耗低；2系統(tǒng)安全性能高；1污泥與石灰不容易均勻混合；2對設(shè)備有腐蝕作用。1普遍存在干化時(shí)間長（一般為2~4周）、粘度大、通風(fēng)效3蒸發(fā)潛熱高；4存在粉塵爆炸等安全隱患。

3干化產(chǎn)品可直接填埋、肥料化或燃料化。果不佳；2裝置龐大，操作不方便；3存在滲濾液和臭氣控制的問題。1.2污泥堿式干化處理技術(shù)研究進(jìn)展

1.2.1污泥堿式干化技術(shù)研究意義

201*年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋泥質(zhì)（CT/T249-201*）》規(guī)定城市污泥進(jìn)入垃圾填埋場填埋含水率應(yīng)該≤60%，這一新規(guī)定使污泥填埋受到限制；污泥堆肥由于占地面積大、對周遭環(huán)境造成污染及堆肥產(chǎn)品缺乏市場等原因應(yīng)用也受到限制。近年來，污泥堿式強(qiáng)化干化技術(shù)因其成本低、效能高等優(yōu)點(diǎn)而越來越受到關(guān)注。

在污泥中加入石灰使污泥的PH值大于12并保持一段時(shí)間，利用強(qiáng)堿性和釋放出的大量熱能殺死病原體，降低惡臭并鈍化重金屬[7,8]，經(jīng)過堿式強(qiáng)化干化后的污泥呈粉末狀或塊狀，體積僅為原來1/5～1/4。同時(shí)，微生物的活性受到抑制，避免了產(chǎn)品因?yàn)樯�物的作用而發(fā)霉發(fā)臭利用儲(chǔ)藏和運(yùn)輸。堿式干化使污泥性能得到全面改善，產(chǎn)品用途廣泛，可進(jìn)行堆肥處理、農(nóng)用及用于建材等。[9-11]在污泥處置策略中,污泥堿式干化被認(rèn)同是的一種安全可靠的處置方式由此可見，歐洲乃至全世界的污泥處置技術(shù)正逐漸地向污泥的熱處理（即：污泥堿式干化）方向發(fā)展。如圖1.1是根據(jù)污泥加鈣處理后物料性能的變化來匯總處理后各種可能的處置和利用途徑。

原始污泥生物穩(wěn)定（如厭氧發(fā)酵）機(jī)械脫水污泥加堿處理（半干化/穩(wěn)定化）建材利用垃圾焚燒電廠焚燒水泥廠焚燒農(nóng)業(yè)、綠化利用、土壤改良圖1.1污泥加鈣處理后的處置和利用途徑

衛(wèi)生填埋1.2.2污泥堿式干化技術(shù)原理

（1）由于堿性物質(zhì)的作用致使污泥中的pH值增高；（2）由于反應(yīng)放熱導(dǎo)致污泥溫度升高；

（3）反應(yīng)生成物中結(jié)合了游離水，同時(shí)由于放熱反應(yīng)，一部分游離的水被蒸發(fā)。

將污泥與石灰均勻混合，石灰與污泥中所含的水分發(fā)生如下反應(yīng)：

1kgCaO+0.32kgH2O→1.32kgCa(OH)2+1177kJ

根據(jù)這一反應(yīng)，每投加1公斤的氧化鈣有0.32的水被結(jié)合成為氫氧化鈣，反應(yīng)所生成的熱可蒸發(fā)約0.5公斤的水。

生石灰與水反應(yīng)生產(chǎn)氫氧化鈣后，會(huì)繼續(xù)與污泥中的其他物質(zhì)發(fā)生進(jìn)一步的反應(yīng)，如生成物氫氧化鈣與CO2的反應(yīng)：

1.32kgCa(OH)2+0.78kgCO2→1.78kgCaCO3+0.32kgH2O+2212kJ這一反應(yīng)會(huì)進(jìn)一步發(fā)熱，致使污泥溫度不斷升高。

1.2.3污泥堿式干化研究現(xiàn)狀

污泥堿式干化在意大利羅馬，美國華盛頓，德國漢堡等地方有著廣泛的應(yīng)用。如圖為歐盟指引（CR13714-201*），其工藝要求為：pH值為12，溫度為55oC，時(shí)間為2小時(shí)。原污泥石灰脫水混合器絕熱污泥倉圖1.2歐盟指引中污泥堿式干化工藝流程

衛(wèi)生化，中等穩(wěn)定化污泥

在美國的污水處理廠theBluePlainsAdvancedWastewaterTreatmentPlantinWashingtonD.C.。也采用石灰來提高脫水污泥的穩(wěn)定性。水廠的工藝流程為：這些由主沉降缸產(chǎn)生的固體-或污泥-被送往大桶中，在重力作用下較濃的污泥沉淀至底部隨后逐漸富集。中級及氮化反應(yīng)器產(chǎn)生的生物學(xué)固體分別被使用氣浮濃縮而富集。富集后的污泥隨后被脫水，并加入石灰以殺死病原體，隨后有機(jī)的生物學(xué)固體被應(yīng)用于馬里蘭州和維吉尼亞州的農(nóng)田里，如圖1.3。

初沉污泥重力濃縮池石灰濃縮污泥進(jìn)料生物學(xué)固體污泥氣浮濃縮池離心和帶式脫水混合后續(xù)利用

圖1.3美國的污水處理廠加堿穩(wěn)定化過程

而在我國的現(xiàn)狀對污泥處理處置的現(xiàn)狀是：

（1）裝置問題：較為原始的處理裝置是在蝸桿輸送機(jī)中加入鈣粉，物料主要

只經(jīng)過推送過程，所以混合不均勻（耗鈣粉多、混合不均勻，效果差）同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)污泥性狀的改善。

（2）內(nèi)部結(jié)合水問題：污泥通過堿式干化后蒸發(fā)掉一部分水。還有一部分水存在于污泥中需要較長的自然干化才能實(shí)現(xiàn)。所以考慮通熱風(fēng)加快干化速度。

1.3課題設(shè)計(jì)

1.3.1研究目標(biāo)

針對我國污泥產(chǎn)量大、處理成本高的現(xiàn)狀特點(diǎn)，以污泥減量化和資源化為目標(biāo)：

（1）研發(fā)實(shí)驗(yàn)室堿式半干化設(shè)備；

（2）明確污泥干化技術(shù)反應(yīng)機(jī)理，找出最經(jīng)濟(jì)最合適的干化效果；（3）減少污泥最終處置數(shù)量，污泥含水率控制在60%以下；

（4）污泥干化處理產(chǎn)物可以達(dá)到201*年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋泥質(zhì)（CT/T249-201*）》所規(guī)定的城鎮(zhèn)污水處理廠污泥排放的最高限值。

1.3.2技術(shù)路線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究目的與內(nèi)容，設(shè)計(jì)了技術(shù)路線圖，如圖1.4。

加堿干化核心設(shè)備研發(fā)加堿對脫水污泥穩(wěn)定化效果研究污泥干化設(shè)備及其不足污泥泥質(zhì)特性分析污泥加堿的混合要求0%工業(yè)石灰5%工業(yè)石灰7%工業(yè)石灰10%工業(yè)石灰12%工業(yè)石灰15%工業(yè)石灰15%分析純灰犁刀型污泥/石灰高效混合器的開發(fā)高效混合器的改進(jìn)其它配置組件的開發(fā)對污泥升溫的效果對污泥pH值的改變對糞大腸菌群殺滅效對污泥臭味的控制脫水污泥加堿半干化效果研究原始脫水污泥5%工業(yè)石灰7%工業(yè)石灰10%工業(yè)石灰12%工業(yè)石灰15%工業(yè)石灰15%分析純脫水污泥加堿后蒸發(fā)速率變化CaO含量對污泥半干化影污泥穩(wěn)定化模糊評價(jià)石灰對不同含水率脫水污泥半干化效果石灰對不同污泥不同石灰添加量養(yǎng)護(hù)對不同污泥

圖1.4技術(shù)路線圖

第2章加堿干化核心設(shè)備的研發(fā)

由于污水處理廠脫水污泥的含水率高，一般在75～80%，給污泥處置、運(yùn)輸和利用造成了困難。要解決污泥處置問題，首先必須對污泥進(jìn)行進(jìn)一步脫水處理。經(jīng)研究比較，最佳的污泥再脫水方法是進(jìn)行干化。

脫水污泥加堿干化在西歐和北美有很長的歷史，是至今在污泥處理處置中仍然采用的一個(gè)方法，如美國華盛頓污水處理廠每天1000多噸（201*年數(shù)據(jù)）的污泥經(jīng)過加鈣消毒后用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)和土地修復(fù)。

2.1污泥泥質(zhì)特性及與堿性物質(zhì)的混合要求

2.1.1污泥的泥質(zhì)特性1）粘度高

污泥屬于粘性流體中的非牛頓流體[12,13]。即：污泥的切應(yīng)力和剪切速率之間存在著非線性關(guān)系，粘度值隨剪切應(yīng)力或剪切速率的變化而改變。工程中，常用“粘度”表示其流變特性。

描述非牛頓流體流變性的方程主要有Ostwald方程、Herscher一Bulkly方程和Bingham方程[14]，分別如下式所示：

τw=μ(dv/dy)n

(2-l)(2-2)(2-3)

τw=τ0+μ(dv/dy)nτw=τ0+μ(dv/dy)

其中：τw表示剪切應(yīng)力；τ0表示初始屈服應(yīng)力；μ表示粘度。

根據(jù)黃志斌等人[15]的測量，含水率為80.5%的污泥，其粘度為0.738×103Pas；且隨著含水率的增加，污泥的粘度也增加，55%～65%左右的含水率被眾多學(xué)者認(rèn)為是污泥的膠粘臨界點(diǎn)[16]。

污泥的“膠粘相”一直被視為污泥干化的瓶頸。污泥干化設(shè)備首先需要打破其粘度，因此，混合成為污泥加堿干化的關(guān)鍵。

2）密度高

污泥密度的測量方法為：在25ml量筒中加入體積為V1的去離子水，稱量其初始質(zhì)量M1；往量筒內(nèi)加入少量污泥，稱量其質(zhì)量M2，記錄其體積V2，則污泥的密度為

ρ=M/V=(M2-M1)/(V2-V1)

經(jīng)測量，本試驗(yàn)所用污泥的密度為1.05g/cm3。3）流動(dòng)性差

本試驗(yàn)中，不同含水率下的污泥物理狀態(tài)見表2.1。

表2.1不同含水率下的污泥物理狀態(tài)

含水率（%）90%以上80～9070～8060～7050

物理形態(tài)近似液態(tài)粥狀柔軟，但不可流動(dòng)

近似固態(tài)粘土狀

4）顆粒細(xì)

污泥顆粒的大小、表面電荷水合的程度以及顆粒間的相互作用是影響污泥濃縮、脫水、干化等性能的主要因素。首先，污泥顆粒越小顆粒的比表面積越大。這意味著更高的水合程度和對過濾(脫水)更大的阻力及改變污泥脫水性能更多的化學(xué)藥劑。其次，污泥中顆粒大多是相互排斥的。由于水合作用，有一層或幾層水附在顆粒表面而阻礙了顆粒相互結(jié)合，并且污泥顆粒一般都帶負(fù)電荷，相互之間表現(xiàn)為排斥，造成了穩(wěn)定的分散狀態(tài)[11,12]。

2.1.2污泥加堿的混合要求

污泥加堿處理工藝的關(guān)鍵是污泥與石灰的有效混合。如何實(shí)現(xiàn)低廉的運(yùn)行成本（即低電耗、低消耗CaO）以及良好的污泥物理形態(tài)是混合技術(shù)的關(guān)鍵。較為原始的處理裝置是在蝸桿輸送機(jī)中加入鈣粉，物料主要只經(jīng)過推送過程，所以混合不均勻（耗鈣粉多、混合不均勻，效果差）同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)污泥性狀的改善[17]。因此，采用傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌混合技術(shù)無法滿足這一要求[18]。

干化設(shè)備開發(fā)應(yīng)主要考慮以下因素：干化效果好；設(shè)備性能穩(wěn)定，操作簡單；運(yùn)行費(fèi)用低；購置設(shè)備的一次性投資較低；安全措施完善；維護(hù)保養(yǎng)方便等。

2.2加堿干化設(shè)備存在的技術(shù)難點(diǎn)

脫水污泥是一個(gè)粘稠、致密及具有觸變性的物料，在既定的污泥和氧化鈣原料下，氧化鈣粉料如何在工程上均勻的與污泥混合，是污泥加鈣處理中的一個(gè)最重要的環(huán)節(jié)。North等[26]對同樣的污泥來源（華盛頓污水處理廠）用兩種不同

的工藝條件處理并對處理后的污泥進(jìn)行微觀形態(tài)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)氧化鈣與污泥的結(jié)合程度有明顯的差別。氧化鈣在污泥中的分散度越低，越不利于反應(yīng)。華盛頓污水處理廠通過改進(jìn)混合技術(shù)與條件，氧化鈣添加量從25%降至15%。

圖2.1BluePlainsWWIP污水處理廠污泥處理所產(chǎn)生的石灰穩(wěn)定生物固體稀薄剖面。注:BluePlainsWWIP污水處理廠（A，B）和K-F環(huán)境技術(shù)有限公司（C，D）都開展了石灰穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，石灰穩(wěn)定污泥樣品從全面的系統(tǒng)中獲得，灌入干凈的塑料浸漬樹脂，干燥，硬化，切成薄片，附上切片并進(jìn)行拋光。污泥呈現(xiàn)褐色;石灰呈現(xiàn)藍(lán)色，白色區(qū)域則表示什么都沒有。

通過上述的論述可以看到污泥加鈣處理反應(yīng)過程中混合后氧化鈣在微觀上與污泥的混合程度及分散度對反應(yīng)很重要，加入的氧化鈣在污泥中的分散度越高，對提高反應(yīng)速度和節(jié)省氧化鈣用量越有利。由此可見，加堿干化設(shè)備需要做到能夠使得污泥和石灰充分的混合。

2.3犁刀型污泥/石灰高效混合器的開發(fā)

犁刀型污泥/石灰高效混合器是一種新穎高效混合設(shè)備。其工作原理是：由主動(dòng)輪減速機(jī)帶動(dòng)犁刀組軸運(yùn)動(dòng)，一方面將物料沿筒體圓周作徑向周向湍動(dòng)，同時(shí)將物料沿犁刀兩側(cè)的法線方向拋出，另一方面被拋出物料經(jīng)飛刀組時(shí)，被高速旋轉(zhuǎn)的飛刀剪切攪拌而強(qiáng)列的拋散，物料在犁刀和飛刀的復(fù)合作用下，不斷更疊、

擴(kuò)散、塊狀固－固（粉體與粉體）、固－漿（粉體與膠漿液）的物料或密度差異較大的物料也能混合。

2.3.1研究中對犁刀型污泥/石灰高效混合器的改進(jìn)

犁刀型污泥/石灰高效混合器主要由傳動(dòng)部分、臥式筒體、犁刀組軸、飛刀組、出料閥、加熱裝置等部件組成。

傳動(dòng)部分：由主電機(jī)和減速機(jī)傳送給犁刀組軸。

臥式筒體：上部設(shè)有進(jìn)料口、觀察孔，筒體一側(cè)開有物料清洗門。犁刀組軸：犁刀根據(jù)容積大小安排犁刀數(shù)量，安裝在主軸上，在筒體內(nèi)作圓周湍動(dòng)流混合物料。

飛刀組：副電機(jī)直接連結(jié)兩套飛刀，高速飛刀有強(qiáng)列拋散剪切的攪拌作用。出料閥：安裝筒體尾部，供放料用。

加熱裝置：熱電偶加熱后，通過熱風(fēng)裝置，將熱量輸送到混合器內(nèi)，達(dá)到熱干化的目的。

1主電機(jī)2犁刀3主電軸4機(jī)身

圖2.2核心設(shè)備剖面圖

圖2.3犁刀型污泥/石灰高效混合器設(shè)計(jì)圖

圖2.4犁刀形污泥/石灰高效混合器（反面）

圖2.5犁刀型污泥/石灰高效混合器（正面）

圖2.6犁刀形污泥/石灰高效混合器內(nèi)組件犁刀（a）和飛刀（b）

2.3.2其他配置組件的開發(fā)(1)自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)：

開發(fā)的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由儀表（溫度傳感器）及控制設(shè)備等組成。其功能主要是對系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、溫度傳感器參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳；接受控制級的指令對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

(2)安全起跳系統(tǒng)的開發(fā)

采用彈簧、封閉、微啟式安全閥起跳系統(tǒng)。閥瓣開啟高度為閥座直徑的1/15～1/20。安全閥的起跳壓力為1.2～1.25倍的工作壓力。

圖2.7自動(dòng)控制系統(tǒng)及安全起跳系統(tǒng)

2.3.3加堿干化的工藝流程

污泥加堿處理的工藝主要有以下幾個(gè)部分組成，見圖2.8

電子計(jì)量進(jìn)料臭氣控制

出料絕熱污泥倉

條剁式養(yǎng)護(hù)翻堆后續(xù)處置

水分收集

圖2.8污泥加堿處理的工藝

（1）脫水污泥給料（2）氧化鈣計(jì)量投加系統(tǒng)，（3）混合反應(yīng)系統(tǒng)

（4）處理后污泥出料輸送系統(tǒng)（5）絕熱反應(yīng)倉（6）條剁式養(yǎng)護(hù)翻堆（7）后續(xù)處置

脫水污泥從離心脫水機(jī)輸入攪拌器，石灰則通過攪拌器上的輔助加料管入。由于攪拌器內(nèi)犁形鏟的擾動(dòng)作用，污泥一進(jìn)入攪拌器，就在機(jī)械力作用下形成流化床。在攪拌器中的停留時(shí)間內(nèi)，由飛刀充分的打散污泥，使得污泥的表面積大大增加，實(shí)現(xiàn)污泥顆粒與細(xì)生石灰均勻混合。

污泥出料之后，放入絕熱反應(yīng)倉中反應(yīng)，再通過條剁式翻堆養(yǎng)護(hù)翻堆，使得污泥內(nèi)部水分和氣體混合均勻。加快污泥的干化速度

第3章加堿對脫水污泥的穩(wěn)定化效果

污泥的成分很復(fù)雜，是由多種微生物形成的菌膠團(tuán)與其吸附的有機(jī)物和無機(jī)物組成的集合體，除含有大量的水分外(最高可達(dá)99%以上)，還含有難降解的有機(jī)物重金屬和鹽類，以及病原微生物和寄生蟲卵等。

污泥穩(wěn)定化的目的主要是去除污泥中易于腐化的有機(jī)物，包括去除臭味、有害病原體和有害細(xì)菌等，也可適當(dāng)?shù)馗纳莆勰嗟拿撍�、干化等性能。干燥后的污泥由漿狀、膏狀變?yōu)榇嘈灶w粒，有機(jī)物得以穩(wěn)定，保留了大部分肥分和土壤調(diào)節(jié)成分，有利于農(nóng)業(yè)利用和土地恢復(fù)。另外，致病微生物如大腸桿菌、沙門氏桿菌和腸道病毒等病原菌被殺滅，不會(huì)在厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生臭氣問題，衛(wèi)生條件好，易于輸送、儲(chǔ)存和處置。植物養(yǎng)分和含熱量增加；污泥體積大幅度減少，降低污泥儲(chǔ)存和運(yùn)輸費(fèi)用[19-21]�？偠�言之，污泥干化處理，不但有顯著的減容效果，而且也有著相當(dāng)程度的穩(wěn)定化效果。

典型的穩(wěn)定方法有厭氧消化、好氧消化和堆肥等生物穩(wěn)定法以及投加石灰等堿性物質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定法[4,19,22]。

3.1實(shí)驗(yàn)材料及方法

3.1.1實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用在10kg脫水污泥中分別添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰等6個(gè)處理，具體編號(hào)見表3.1。

表3.1不同石灰添加比例的處理編號(hào)

實(shí)驗(yàn)編號(hào)0%CK5%17%210%312%415%515%分析純63.1.2測定指標(biāo)與測定方法

本實(shí)驗(yàn)以溫度、糞大腸菌值、pH值以及臭味的變化為測定指標(biāo)，分別分析6個(gè)不同的處理對脫水污泥的穩(wěn)定化效果。溫度采用溫度探頭測定；糞大腸菌值、pH值、臭味的測定方法見表3.2。

表3.2各指標(biāo)的分析測試方法

項(xiàng)目pH值大腸菌值臭味

分析方法玻璃電極法多管發(fā)酵法臭氣強(qiáng)度法

方法來源CJ/T221-201*GB7959－1987

《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社

3.2加堿對污泥的升溫效果

3.2.1加堿升溫原理

將污泥與石灰均勻混合，石灰與污泥中所含的水分發(fā)生如下反應(yīng)：

1kgCaO+0.32kgH2O→1.32kgCa(OH)2+1177kJ（3-1）根據(jù)這一反應(yīng)，每投加1公斤的氧化鈣有0.32的水被結(jié)合成為氫氧化鈣，反應(yīng)所生成的熱可蒸發(fā)約0.5公斤的水。

生石灰與水反應(yīng)生產(chǎn)氫氧化鈣后，會(huì)繼續(xù)與污泥中的其他物質(zhì)發(fā)生進(jìn)一步的反應(yīng)，如生成物氫氧化鈣與CO2的反應(yīng)：

1.32kgCa(OH)2+0.78kgCO2→1.78kgCaCO3+0.32kgH2O+2212kJ（3-2）這一反應(yīng)會(huì)進(jìn)一步發(fā)熱，致使污泥溫度不斷升高。3.2.2不同對污泥升溫增加的效果

將6個(gè)處理分別在混合設(shè)備中充分?jǐn)嚢?min后，取樣5kg，放入盆中，每隔10min用數(shù)顯溫度計(jì)測定其溫度的變化，共持續(xù)測定3h。

反應(yīng)180分鐘后，6個(gè)處理對污泥的升溫效果見圖3-1。

從圖3.1可以看出：在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，污泥的溫度均升高，以反應(yīng)的最初10分鐘升溫最多，[23]從原污泥的30℃分別升高到53.0℃、43.3℃、41.0℃、39.2℃、36.0℃和32.0℃；反應(yīng)80～100分鐘以后，升溫幅度下降或趨于平緩，這與Fries的研究結(jié)論相似。

在6個(gè)實(shí)驗(yàn)中，隨著石灰添加量的增加，污泥升溫幅度亦呈增加趨勢，且分析純石灰顯著高于工業(yè)級石灰，即：6個(gè)實(shí)驗(yàn)的升溫幅度依次為：5%＜7%＜10%、12%＜15%工業(yè)石灰＜15%分析純石灰。

60.055.050.045.0實(shí)驗(yàn)6實(shí)驗(yàn)5實(shí)驗(yàn)4實(shí)驗(yàn)3實(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)1對照樣溫度/℃40.035.030.025.020.0050100反應(yīng)時(shí)間/min150200

圖3.16個(gè)不同實(shí)驗(yàn)對污泥升溫的效果

按照歐盟指引（CR13714-201*）污泥特性、作用與處理管理中的規(guī)定：“污泥實(shí)現(xiàn)干化的穩(wěn)定條件是55℃以上、持續(xù)2小時(shí)”。在6個(gè)處理中，添加15%的分析純石灰其升溫值最接近55℃。之所以沒有達(dá)到或者超過55℃，原因可能是：（1）實(shí)驗(yàn)用的污泥量太少；

（2）充分混合后污泥從密閉反應(yīng)器中取出，測定溫度時(shí)完全敞開在空中，散熱較快，保溫性能差。

溫度對微生物的影響也是很廣泛的。盡管在高溫環(huán)境(50℃～70℃)和低溫環(huán)境(-5～0℃)中也活躍著某些類的微生物，但絕大部分微生物最適宜生長的溫度范圍是20-30℃。在適宜的溫度范圍內(nèi)，微生物的生理活動(dòng)旺盛，其活性隨溫度的增高而增強(qiáng)，處理效果也越好。超出此范圍，微生物的活性變差，生物反應(yīng)過程就會(huì)受影響。一般的，控制微生物生命活動(dòng)進(jìn)程的最高和最低限值分別為35℃和10℃[24]。因此，當(dāng)污泥與石灰的反應(yīng)溫度達(dá)到53.0℃、43.3℃、41.0℃、39.2℃時(shí)，對污泥中的微生物活動(dòng)起到了嚴(yán)重的抑制，促進(jìn)了污泥的穩(wěn)定化。

3.3加堿對污泥pH值的改變

每種微生物都有其最適pH值和一定的pH范圍。在最適范圍內(nèi)酶活性最高，如果其他條件適合，微生物的生長速率也最高。大多數(shù)細(xì)菌、藻類和原生動(dòng)物的

最適pH為6.5-7.5，在pH4-10之間也可以生長；放線菌一般在微堿性即pH7.5-8最適合；酵母菌、霉菌則適合于pH5-6的酸性環(huán)境，但生存范圍在pH1.5-10之間。環(huán)境中的pH值對微生物的生命活動(dòng)影響很大，主要作用在于：引起細(xì)胞膜電荷的變化，從而影響了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；影響代謝過程中酶的活性；改變生長環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的可給性以及有害物質(zhì)的毒性[25]。

將6個(gè)處理分別在混合設(shè)備中充分?jǐn)嚢?min后，取5g污泥樣品置于150mL具塞磨口錐形瓶中，加入50mL無二氧化碳水浸泡，密封。于室溫條件下置于往復(fù)式振蕩器上震蕩4h后，進(jìn)行離心，離心5min后，取上層清液進(jìn)行pH測定。6個(gè)處理對污泥pH值的改變見圖3.2。

14131211原始污泥5%CaO7%CaO10%CaO12%CaO15%CaO15%分析純CaOPH值10987602040時(shí)間/小時(shí)6080

圖3.26個(gè)實(shí)驗(yàn)對污泥pH值的改變

從圖3.2可知：在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，由于堿性物質(zhì)的作用致使污泥中的pH值增高，均從原污泥的6.5左右升高到12以上，并且，隨著污泥干化時(shí)間的延長，pH值變化不大�？梢詫�(shí)現(xiàn)污泥中致病微生物的有效去除。

按照歐盟指引（CR13714-201*）污泥特性、作用與處理管理中的規(guī)定：“pH值呈高堿性狀態(tài)下（＞12），污泥中的致病微生物能得到有效去除”。美國環(huán)境局（USEPA）對石灰穩(wěn)定的生物固體大幅去除病原菌的工藝要求是：生物固體的

pH值在2h內(nèi)必須保持在12，在接下來的22個(gè)小時(shí)保持11.5。因此，在機(jī)械脫水的城市廢水污泥中摻入堿性材料，尤其是石灰，可以幫助處理后的產(chǎn)物達(dá)到歐盟指引（CR13714-201*）污泥穩(wěn)定化要求及美國環(huán)境局（USEPA）的關(guān)于B或A類生物固體的最低標(biāo)準(zhǔn)（USEPA1993）[26]。

North等人的研究表明：原始污泥的pH值以及所含的磷酸根除了對處理后的固體物含量的影響外，對強(qiáng)度的增加也有明顯影響（參見公式（3-4）），實(shí)際當(dāng)中通常有化學(xué)除磷的污水處理廠的污泥，在同樣的加鈣量下處理后的強(qiáng)度高于其他污泥[27]。

3.4加堿對污泥中糞大腸菌群的殺滅效果

糞大腸菌群值是判定污泥、糞便等固體廢棄物穩(wěn)定化、無害化及土地安全利用的重要指標(biāo)之一[28]。

在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，按照國家《糞便無害化標(biāo)準(zhǔn)》（GB7959－1987）分別測定6個(gè)處理的污泥中糞大腸菌群值的變化，測定結(jié)果見表3.3。

表3.36個(gè)處理的污泥中糞大腸菌群值的變化

編號(hào)

處理

物料

攪拌時(shí)間/秒

1030

ck

原污泥

60901203001030

1

污泥+5%石灰

6090120300糞大腸菌值（g/MPN）1.10×10-81.08×10-81.11×10-81.20×10-81.10×10-81.19×10-80.0670.1090.1090.1090.1090.137

編號(hào)

處理

物料

攪拌時(shí)間/秒

1030

糞大腸菌值（g/MPN）0.1610.1610.1610.1610.278＞0.3330.1610.1630.333＞0.333＞0.333＞0.3330.333＞0.333＞0.333＞0.333＞0.333＞0.3330.333＞0.333＞0.333＞0.333＞0.333＞0.333＞0.333＞0.333＞0.333＞0.333＞0.333

2污泥+7%石灰

60901203001030

3污泥+10%石灰

6090120300103060

4污泥+12%石灰

901203001030

5污泥+15%石灰

60901203001030

6污泥+15%分析純石灰6090120

編號(hào)

處理

物料

攪拌時(shí)間/秒

300

糞大腸菌值（g/MPN）＞0.333

從表3.3可以看出：隨著石灰添加量的增加，糞大腸菌值呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，原污泥中糞大腸菌值為1.10×10-8g/MPN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》（CJ247-201*）及我國《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB7959-87）規(guī)定的值0.01；而所有處理后污泥中，糞大腸菌基本全被殺滅，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.01，符合我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》（CJ247-201*）及我國《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB7959-87）的規(guī)定限值，即：在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，殺菌效果極顯著，污泥實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定化和無害化。

從表3.3可以看出：攪拌時(shí)間有利于提高污泥的殺菌效果。攪拌時(shí)間從30秒延長到60秒后，大腸菌值顯著降低，但從60秒分別延長到90秒、120秒、300秒后，大腸菌值的變化不顯著。因此，為節(jié)省動(dòng)力消耗，污泥加堿的攪拌時(shí)間以60秒最為經(jīng)濟(jì)。

3.5加堿對污泥臭味的控制

一切刺激嗅覺器官，引起人們不偷快感覺及損害生活環(huán)境的氣味統(tǒng)稱為惡臭。具有惡臭氣味的物質(zhì)被稱為惡臭污染物。惡臭現(xiàn)象雖屬大氣污染的一種形式，但是惡臭物質(zhì)在很低濃度就能產(chǎn)生嗅覺刺激，所以各國一般單獨(dú)列出進(jìn)行控制[29]。

惡臭的分析方法可分為兩類，一是惡臭的感官分析方法，二是惡臭的儀器分析方法[30]。

感官分析法就是將惡臭的氣味強(qiáng)弱分成若干等級，然后由訓(xùn)練有素的辨嗅員聞嗅后進(jìn)行分級。因國家、地區(qū)的不同，惡臭強(qiáng)度的分級也有所不同，例如美國采用8級分級制，而我國和日本目前都采用6級分級制[31]。

本實(shí)驗(yàn)采用感官分析方法，根據(jù)已有的資料[32]及日本和北京市的惡臭強(qiáng)度分級[33]，將臭氣強(qiáng)度分為6級，見表3.4。

表3.4臭氣強(qiáng)度分級

強(qiáng)度等級

012345

污泥中臭味強(qiáng)度見表3.5。

嗅覺判別標(biāo)準(zhǔn)

無臭

勉強(qiáng)可以感覺到輕微臭味容易感到微弱臭味明顯感到臭味強(qiáng)烈臭味

無法忍受的強(qiáng)烈臭味

在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，

表3.56個(gè)實(shí)驗(yàn)污泥中的臭味強(qiáng)度變化

實(shí)驗(yàn)編號(hào)臭氣強(qiáng)度ck5122232415161

從表3.5可以看出：在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，污泥中臭味強(qiáng)度顯著降低，從5級降為2級以下。在污泥中添加12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰，可以使污泥的臭味強(qiáng)度降到1級，即：從無法忍受的強(qiáng)烈臭味降低至勉強(qiáng)可以感覺到輕微臭味。

3.6不同處理對污泥穩(wěn)定化的模糊評價(jià)

3.6.1評價(jià)因子及等級

選擇溫度、pH、糞大腸菌值、臭度為評價(jià)因子，則因子集U＝{溫度、pH、糞大腸菌值、臭度}。

3.6.2評價(jià)等級

將污泥的穩(wěn)定化效果分為3個(gè)等級：1級（好）、2級（中）、3級（差），則評價(jià)集V＝{Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ}。

評價(jià)等級根據(jù)歐盟指引（CR13714-201*）、美國環(huán)境局（USEPA）、《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB7959-87）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》（CJ247-201*）及參考文獻(xiàn)[30]劃分為三級，各評價(jià)因子的分級標(biāo)準(zhǔn)見表3.6。

表3.6各因子的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評價(jià)因子溫度pH糞大腸菌值

臭度

Ⅰ級55120.011

分級標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級50110.0012

Ⅲ級45100.00013

單位℃-g/MPN-

3.6.3隸屬函數(shù)

根據(jù)以上評價(jià)等級分別建立每種評價(jià)因子相應(yīng)于不同環(huán)境級別的隸屬函數(shù)。本研究采用指派方法中的降半梯形模糊分布，建立隸屬函數(shù)[34]，表達(dá)式如下：

0CI1iII-CiRI(Ci)=,ICIIiII-ICiII00,CiI或CiIIIC-IRII(Ci)=i,ICiII

II-IIII-Ci,IICiIIIIII-II0,CiII或CiIVC-IIRIII(Ci)=i,IICiIII

III-IIIV-Ci,IIICiIVIV-III3.6.4權(quán)重計(jì)算

由于各污染物對水質(zhì)的影響程度不同，因此，對它們應(yīng)賦予不同的權(quán)重ai。確定權(quán)重的方法較多，如專家調(diào)查法、層次分析法等，在本研究情況下，以污染物的超標(biāo)情況決定權(quán)重較為合理，其計(jì)算式為：aici/sim1sisij

nj1其中：ai第i種污染物的權(quán)重；

ci第i種污染物濃度實(shí)測值；

si第i種污染物多級濃度標(biāo)準(zhǔn)值的平均值；sij第i種污染物第j級的標(biāo)準(zhǔn)值；n分級數(shù)。

為了進(jìn)行模糊復(fù)合運(yùn)算，各單因子權(quán)重必須歸一化，即：

Wi=(ci/si)/(ci/si)

上述m項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，分別計(jì)算出權(quán)重后，組成一個(gè)1×m矩陣A:

A=(V1，V2，V3，…，Vm)

3.6.5模糊運(yùn)算

模糊綜合評價(jià)結(jié)果是通過模糊數(shù)學(xué)矩陣的乘法求出運(yùn)算結(jié)果AＲ，算法與普通矩陣類似，只將矩陣乘法運(yùn)算中的加號(hào)“＋”改為“”，將乘號(hào)改為“”，“”的意義取加數(shù)中最大者為“和”，“”的意義為取相乘兩數(shù)較小者為“積”。得到：

r1,1r1,2...r1,nrr...r2,12,22,nB=AOR=(V1，V2，V3，…，Vm)×＝（b1，b2，b3，…，bn）

...............rm,1rm,2...rm,n.式中bn－復(fù)合運(yùn)算結(jié)果，此結(jié)果對應(yīng)于各級級別的隸屬度，評價(jià)結(jié)果一般采取隸屬度最大的原則。即在評價(jià)結(jié)果向量中取最大值對應(yīng)的級別為本次模糊分級評價(jià)的分級結(jié)論。當(dāng)同時(shí)存在有兩個(gè)或兩個(gè)以上最大值時(shí)，取次大值貼近的一個(gè)作為最后評價(jià)結(jié)果的級別。

3.6.6綜合評價(jià)結(jié)果

6各處理的污泥穩(wěn)定化評價(jià)結(jié)果見表3.7。

表3.7模糊評價(jià)結(jié)果

處理編號(hào)Ck123456

模糊評價(jià)矩陣WR={0,0,0.61}WR={0.4,0.2,0.17}WR={0.58,0.14,0.12}WR={0.64,0.13,0.10}WR={0.72,0,0.09}WR={0.73,0,0.08}WR={0.73,0.07,0}

污泥穩(wěn)定等級

VⅠⅠⅠⅠⅠⅠ

評價(jià)差好好好好好好

i1n

從表3.7可以看出：在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，污泥穩(wěn)定化程度高，評價(jià)結(jié)果都為一級。

3.7本章小結(jié)

1）在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，從污泥的溫度和pH值達(dá)到了歐盟指引（CR13714-201*）污泥穩(wěn)定化要求及美國環(huán)境局（USEPA1993）的穩(wěn)定化標(biāo)準(zhǔn)。

2）在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，殺菌效果極顯著，污泥中的糞大腸菌值顯著下降的趨勢，符合我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》（CJ247-201*）及我國《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB7959-87）的規(guī)定限值，污泥實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定化和無害化，且攪拌時(shí)間以60秒最為經(jīng)濟(jì)。

3）在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，污泥中臭味強(qiáng)度顯著降低，從5級降為2級以下，即：從無法忍受的強(qiáng)烈臭味降低至勉強(qiáng)可以感覺到輕微臭味。

4）模糊評價(jià)的結(jié)果表明：在污泥中添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰后，污泥穩(wěn)定化程度高，評價(jià)結(jié)果都為一級。

第4章脫水污泥加堿后的半干化效果

4.1脫水污泥半干化的必要性

4.1.1污泥處置方法與水分要求

污泥處置包括三種途徑：堆肥、衛(wèi)生填埋、焚燒。對焚燒而言，當(dāng)含水率為65%～70%時(shí)，污泥才能不需要添加加輔助燃料，自持進(jìn)行[2,35]。若污泥衛(wèi)生填埋處理，我國新頒布的《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-201*）之6.6規(guī)定：“……生活污水處理廠污泥經(jīng)處理后含水率小于60%，可以進(jìn)入生活垃圾填埋場填埋處置”；當(dāng)污泥堆肥時(shí)，水分>70%，則容易堵塞堆料的空隙，影響通風(fēng)，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵、溫度急劇下降等，影響堆肥的腐熟[36]。因此，無論采取哪種處理方式，脫水污泥都需要進(jìn)行干化處理，進(jìn)一步降低含水率，可以說，污泥干化事實(shí)上是污泥資源化利用的第一步。

4.1.2脫水污泥中水分的存在狀態(tài)

污泥中所含的水分包括孔隙水、毛細(xì)水、附著水和內(nèi)部水四大類[37]。其結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。

毛細(xì)水孔隙水附著水內(nèi)部水

圖4.1污泥水分示意圖

1）孔隙水

孔隙水也稱自由水，是指存在于污泥顆粒間隙、被污泥固體所包圍的水，約占污泥體積的70%�？紫端�與固體沒有直接結(jié)合，相互間不存在化學(xué)作用，結(jié)合力相對較小，比較容易從固體中分離。

2）毛細(xì)水

毛細(xì)水存在于高度密集的細(xì)小污泥固體顆粒周圍，一般是填充在污泥固體顆粒之間的縫隙中，約占污泥水分的10%~20%。污泥由高度密集的細(xì)小固體顆粒組成，在固體顆粒接觸表面上，由于毛細(xì)力的作用，形成毛細(xì)結(jié)合水。由于毛細(xì)水和污泥顆粒之間的結(jié)合力較強(qiáng)，濃縮作用不能將毛細(xì)結(jié)合水分離，需借助較高的機(jī)械作用力和能量，如真空過濾，壓力過濾和離心分離才能去除這部分水分。

3）附著水

附著水是指活性污泥固體顆粒表層上附著、吸收和結(jié)合的水，實(shí)際上是膠體顆粒的結(jié)合水，約占污泥水分的5%~15%。污泥屬于凝膠，是由絮狀的膠體顆粒集合而成。污泥的膠體顆粒很小，與其體積相比表面積很大，由于表面張力的作用吸附的水分也就很多。膠體顆粒全部帶有相同性質(zhì)的電荷，相互排斥，妨礙顆粒的聚集、長大，而保持穩(wěn)定狀態(tài)，因而表面吸附水用普通的濃縮或脫水方法去除比較困難。只有加入能起混凝作用的電解質(zhì)，使膠體顆粒的電荷得到中和后，顆粒呈不穩(wěn)定狀態(tài)，粘附在一起，最后沉降下來。顆粒增大后其比表面積減小，表面張力隨之降低，表面吸附水也隨之從膠體顆粒上脫離。

4）內(nèi)部結(jié)合水

內(nèi)部結(jié)合水也稱胞內(nèi)水，是指在活性污泥內(nèi)部、與顆粒結(jié)合在一起的水。微生物細(xì)胞膜內(nèi)細(xì)菌化學(xué)組成部分所含的水也是內(nèi)部結(jié)合水。內(nèi)部結(jié)合水的含量不多，占污泥水分的5%~8%。這種內(nèi)部結(jié)合水與固體結(jié)合得很緊密，使用機(jī)械方法去除這部分水是行不通的。要去除這部分水分，必須破壞細(xì)胞膜，使細(xì)胞液滲出，由內(nèi)部結(jié)合水變?yōu)橥獠恳后w。為了去除這種內(nèi)部結(jié)合水，必須通過各種方式，使污泥破解、改性。

4.1.3常用的污泥破解方法

為了去除污泥的內(nèi)部結(jié)合水，改善污泥的脫水、干化性能，常采用生物破解（好氧、厭氧處理等）、物理破解（高溫加熱、冷凍、超聲波破解等）及化學(xué)藥劑破解（堿解法、臭氧法、氯氧法）等方法。

4.1.4污泥的半干化

污泥干化和半干化的區(qū)別在于干燥產(chǎn)品最終的含水率不同：全干化是指含固率較高，一般在85％以上；而半干化則主要是指含固率在40～60％之間的類型[38]。

全干化的污泥比較適于制成干燥的顆�；�的肥料產(chǎn)品，它干度高，穩(wěn)定性好，

體積也較小。但達(dá)到這樣高的干度，所需的能耗較高，而且存在污泥自燃、粉塵、爆炸等危險(xiǎn)[39]。

半干化污泥則可適應(yīng)多種出路，如：焚燒(包括單獨(dú)焚燒，或在電廠與煤混合焚燒，或與垃圾混合焚燒)、作垃圾填埋場覆蓋土、作營養(yǎng)土、作建材原料(如作為原料加入水泥窯)，等等[2,35]。

半干化安全節(jié)能，投資較小，是應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮的干化路線。

4.2實(shí)驗(yàn)材料及方法

4.2.1實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用在10kg脫水污泥中分別添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)石灰和15%的分析純石灰等6個(gè)處理，同時(shí)，以原始脫水污泥為對照。

4.2.2測定指標(biāo)與測定方法1）蒸發(fā)速率

①蒸發(fā)速率的測定方法

在10kg脫水污泥中分別添加5%、7%、10%、15%的工業(yè)用生石灰（CaO）和15%的實(shí)驗(yàn)用分析純CaO，在混合設(shè)備中充分?jǐn)嚢?min后取20g左右污泥樣品，置于室溫條件下，每5min測定其質(zhì)量隨時(shí)間變化，計(jì)算蒸發(fā)率。

②蒸發(fā)速率的計(jì)算方法

污泥的原始重量記錄為m，每5min記錄一次質(zhì)量（g）為：m1、m2、m3……

mn，對應(yīng)的時(shí)間（min）為t1、t2、t3……tn，則：

tn時(shí)刻水分蒸發(fā)的的質(zhì)量（g）：

kn=m-mn（4-1）

污泥中水分的蒸發(fā)速率（g/min）：

v=kn/tn（4-2）

單位質(zhì)量污泥中水分的蒸發(fā)速率為（min-1）：

v’=kn/tnmn（4-3）

2）含水率

①含水率的測定方法

取約10g污泥，放入蒸發(fā)皿，置于105℃烘箱中烘干至恒重，計(jì)算污泥的含水率。

②含水率的計(jì)算方法按下式計(jì)算污泥的含水率：

wi=m-mn/m×100%（4-4）

式中：wi為.污泥含水率，%

mn為污泥干重，g

m為污泥樣品總重量，g

4.3脫水污泥加堿后的蒸發(fā)速率變化

4.3.1蒸發(fā)速率的計(jì)算

將5個(gè)處理分別在混合設(shè)備中充分?jǐn)嚢?min后，取樣20g，每隔5min測定污泥的質(zhì)量變化，連續(xù)測定205min。按照公式4-1、4-2、4-3計(jì)算單位質(zhì)量污泥中水分的蒸發(fā)速率，計(jì)算結(jié)果見圖4.2。

3.30E-043.10E-0415%實(shí)驗(yàn)用CaO10%工業(yè)用CaO5%工業(yè)用CaO15%工業(yè)用CaO7%工業(yè)用CaO原始脫水污泥單位質(zhì)量蒸發(fā)速率/min2.90E-042.70E-042.50E-042.30E-042.10E-041.90E-041.70E-041.50E-040204060801001201*0160180時(shí)間min圖4.2不同含量的生石灰后對單位質(zhì)量蒸發(fā)速率的影響

從圖4.2可以看出：隨著石灰添加量的增加，單位質(zhì)量污泥中水分的蒸發(fā)速率也隨著增加。5個(gè)處理中，單位質(zhì)量污泥的水分蒸發(fā)速率依次為：15%實(shí)驗(yàn)用分析純CaO>15%工業(yè)用CaO>10%工業(yè)用CaO>7%工業(yè)用CaO>5%工業(yè)用CaO>原始脫水污泥。

在污泥中分別添加5%、7%、10%、15%的工業(yè)用生石灰（CaO）和15%的實(shí)驗(yàn)用分析純CaO后，在前100min，單位質(zhì)量污泥的水分蒸發(fā)速率呈現(xiàn)出對數(shù)變化規(guī)律，而原污泥在自然狀態(tài)下的單位質(zhì)量水分蒸發(fā)速率呈現(xiàn)出多項(xiàng)式規(guī)律，與

加堿污泥完全不同，說明：原污泥與加堿污泥中水分的存在狀態(tài)有本質(zhì)差異，加入石灰后，促進(jìn)了污泥分子的破解和內(nèi)部結(jié)合水的游離。

各處理的曲線擬合結(jié)果及其相關(guān)性系數(shù)見表4.1。

表4.1各處理的曲線擬合結(jié)果

組號(hào)15%實(shí)驗(yàn)用CaO15%工業(yè)用CaO10%工業(yè)用CaO7%工業(yè)用CaO5%工業(yè)用CaO原始脫水污泥

對數(shù)擬合方程式y(tǒng)=-5E-05Ln(x)+0.0005y=-2E-05Ln(x)+0.0003y=-2E-05Ln(x)+0.0003y=-2E-05Ln(x)+0.0003y=-2E-05Ln(x)+0.0003y=-8E-10x2+8E-08x+0.0002

相關(guān)系數(shù)RR2=0.9832R2=0.9663R2=0.9852R2=0.9822R2=0.9362R2=0.9367

2

4.3.2污泥含水率隨蒸發(fā)速率的變化

從圖4.2已知，除處理5外，處理1～4的單位質(zhì)量水分蒸發(fā)速率變化趨勢基本一致。因此，選擇添加15%工業(yè)用生石灰（CaO）的污泥，觀察污泥含水率隨蒸發(fā)速率的變化情況。

在10kg中污泥添加15%工業(yè)用生石灰（CaO），混合5min，取出，自然晾曬。每隔5min測定一次含水率，連續(xù)測定4000min。

添加15%工業(yè)用生石灰（CaO）的污泥在4000min內(nèi)的含水率變化見圖4.3。

80.00%70.00%60.00%含水率%（1400,59.75%）50.00%40.00%30.00%20.00%10.00%0.00%050010001500201*時(shí)間min（2880,38.20%）2500300035004000

圖4.3脫水污泥添加15%工業(yè)用CaO后含水率隨時(shí)間的變化

從圖4.3可以看出：在污泥中添加15%工業(yè)用生石灰（CaO），自然晾曬23小時(shí)后，含水率就從混合后的72.78%降為59.75%，達(dá)到了我國新頒布的《生活

垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-201*）中的60%入場要求。自然晾曬48小時(shí)后，污泥的含水率降至40%以下，減量效果極為顯著。

4.4生石灰中CaO的有效含量對污泥半干化的影響

4.4.1材料與方法

生石灰的主要成分是CaO，因此，有必要探討CaO的有效含量對污泥半干化的影響。

本實(shí)驗(yàn)選用3種不同CaO有效含量的石灰，研究CaO有效含量對含水率為84.95%的脫水污泥的半干化效果。

經(jīng)委托清華大學(xué)分析中心測定，三種石灰的CaO有效含量見表4.3。

表4.2三種生石灰中的CaO有效含量

生石灰種類CaO有效含量（%）

工業(yè)用生石灰1

60%

工業(yè)用生石灰2

85%

實(shí)驗(yàn)用分析純

98%

在10kg含水率為84.95%的脫水污泥中分別添加CaO有效含量為60%、85%及≥98%的石灰各1.5kg，混合5min后取出，每隔24h測定其含水，連續(xù)測定48h。

4.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同CaO有效含量對污泥的半干化效果如圖4.4。

90%85%80%含水率0%CaO15%工業(yè)石灰215%工業(yè)石灰115%分析純CaO75%70%65%60%剛攪拌完24h攪拌時(shí)間48h

圖4.4不同CaO有效含量對污泥半干化效果

從圖4.4可以看出：在含水率為84.95%的脫水污泥中分別添加CaO有效含量為60%、85%及≥98%的石灰后，污泥含水率迅速下降，48h后，污泥的含水率分別從原始的添加分析純石灰84.95%下降到66.8～72.7%。三種CaO有效含量對污泥半干化的效果為：98%以上的實(shí)驗(yàn)用分析純石灰＞85%的工業(yè)用生石灰2＞60%的工業(yè)用生石灰1，即：CaO有效含量越高，對污泥的半干化效果越明顯。

4.5石灰對不同含水率脫水污泥的半干化效果

4.5.1石灰對不同含水率脫水污泥半干化效果

從不同脫水工藝的城市污水處理廠取含水率分別為86.0%和74.3%的兩種脫水污泥10kg，向其中添加10%的工業(yè)生石灰（即1kg），在混合反應(yīng)器中充分混合5min后取出，在相同的條件在自然晾曬。分別測定其攪拌后、晾曬24小時(shí)、晾曬48小時(shí)后的含水率，測定結(jié)果見圖4.5。

80%含水率86%75%70%含水率含水率74.3%65%60%55%50%攪拌后24h攪拌時(shí)間48h

圖4.5石灰對不同含水率脫水污泥的半干化效果

從圖4.5可以看出：含水率分別為86.0%和74.3%的兩種脫水污泥，添加10%的工業(yè)生石灰后，其攪拌后、晾曬24小時(shí)、晾曬48小時(shí)后的含水率均呈線性下降，含水率下降函數(shù)分別為：y（74.3%）=-0.0595x+0.7177；y（86.0%）=-0.0564x+0.8146；

從比例系數(shù)可以看出：含水率分別為86.0%和74.3%的兩種脫水污泥，添加10%的工業(yè)生石灰后，含水率下降速率差異不顯著。

配對T檢驗(yàn)[40]的結(jié)果表明：雙尾P值為0.8652，表明：含水率分別為86.0%和74.3%的兩種脫水污泥，添加10%的工業(yè)生石灰后，含水率下降速率差異不顯著。

4.5.2石灰添加量對不同含水率脫水污泥半干化效果1）石灰添加量對74.3%脫水污泥的半干化效果

在含水率為74.3%的脫水污泥中分別添加10%、20%、30%、40%、50%的工業(yè)用生石灰，充分混合5min，分別測定其攪拌后、24h、48h、72h后污泥的含水率。結(jié)果如圖4.6所示。

80757065含水率%0%CaO30%CaO10%CaO40%CaO20%CaO50%CaO60555045403530攪拌后24h攪拌時(shí)間48h72h

圖4.6不同生石灰添加量對污泥半干化的影響

從圖4.6可以看出：在含水率為74.3%的脫水污泥中分別添加10%、20%、30%、40%、50%的工業(yè)用生石灰后，其攪拌后、晾曬24小時(shí)、晾曬48小時(shí)后的含水率均呈線性下降，實(shí)現(xiàn)了半干化。

(1)在含水率為74.3%的脫水污泥中分別添加10%、20%、30%、40%、50%的工業(yè)用生石灰后，其含水率下降函數(shù)分別為：y（10%）=-5.19x+70.5；y（20%）=-5.45x+66.9；y（30%）=-5.26x+63.35；y（40%）=-5.8x+59.4；y（50%）=-5.67x+59.75。

從比例系數(shù)可以看出：含水率為74.3%的脫水污泥，添加10%、20%、30%、40%、50%的的工業(yè)用生石灰后，含水率下降速率差異不顯著。

(2)石灰添加量對86.0%脫水污泥的半干化效果

在含水率為86.0%的脫水污泥中分別添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)用生石灰，充分混合5min，分別測定其攪拌后、24h、48h后污泥的含水率。結(jié)果如圖4.7所示。

90%85%80%0%CaO5%CaO7%CaO10%CaO12%CaO15%CaO含水率75%70%65%60%剛攪拌完24h攪拌時(shí)間48h

圖4.7不同生石灰添加量對污泥含水率的影響

從圖4.7可以看出：在含水率為86.0%的脫水污泥中分別添加5%、7%、10%、12%、15%的工業(yè)用生石灰后，其攪拌后、晾曬24小時(shí)、晾曬48小時(shí)后的含水率均呈線性下降，實(shí)現(xiàn)了半干化。

在含水率為86.0%的脫水污泥中分別添加5%、7%、10%、12%、15%五種比例的工業(yè)用生石灰后，其含水率的下降函數(shù)分別為：y（5%）=-2.205x+77.893；y（7%）=-2.135x+76.783；y（10%）=-5.26x+63.35；y（12%）=--2.075x+75.237；y（15%）=-3.005x+75.333。

從比例系數(shù)可以看出：含水率為86.0%的脫水污泥，添加5%、7%、10%、12%、15%的的工業(yè)用生石灰后，含水率下降速率差異不顯著。

4.5.3養(yǎng)護(hù)對不同含水率脫水污泥半干化效果1）養(yǎng)護(hù)對含水率為74.3%脫水污泥的半干化效果

在初始含水率為74.3%的脫水污泥中分別添加10%、20%、30%、40%、50%的工業(yè)用生石灰，經(jīng)過5min的充分?jǐn)嚢杌旌虾�，分別取1500g放入盆中，均勻

鋪平，在自然條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。分別在24h、48h、72h后測定其含水率的變化。測定72小時(shí)后結(jié)果如圖4.8所示。

注：圖第一排從左到右石灰的添加量分別為：0%、10%、20%；

圖第二排從左到右石灰的添加量分別為：30%、40%、50%。

圖4.8養(yǎng)護(hù)72h對74.3%脫水污泥的半干化效果

從圖4.8可以看出：在自然養(yǎng)護(hù)了72h之后，各處理污泥的含水率有了很大的降低，逐漸表面干化、結(jié)痂、裂開；從最初的團(tuán)狀、泥狀變?yōu)閴K狀、片狀，說明：養(yǎng)護(hù)有助于污泥的半干化。

2）養(yǎng)護(hù)對86.0%脫水污泥的半干化效果

在初始含水率為86.0%的脫水污泥中分別添加5%、10%、15%的工業(yè)用生石灰。經(jīng)過5min的充分?jǐn)嚢杌旌虾�，分別取50g放入培養(yǎng)皿中，均勻鋪平，在自然條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。分別在24h、48h后測定其含水率的變化。測定結(jié)果如圖4.8所示。

從圖4.9可以看出：在自然養(yǎng)護(hù)了24h、48h之后，各處理污泥的含水率有了很大的降低，逐漸表面干化、結(jié)痂、裂開；從最初的團(tuán)狀、泥狀變?yōu)閴K狀、片狀，說明：養(yǎng)護(hù)有助于污泥的半干化。

注：圖第一排從左到右的添加量為：0%、5%、10%、15%。放置時(shí)間為24h；

圖第二排從左到右的添加量為：0%、5%、10%、15%。放置時(shí)間為48h。

圖4.9養(yǎng)護(hù)對86.0%脫水污泥的半干化效果

4.6不同堿劑對污泥半干化的效果

常用的堿性物質(zhì)有石灰、粉煤灰、飛灰、水泥窯灰、水泥、堿性土壤等[8～10]。本實(shí)驗(yàn)選擇石灰、粉煤灰、垃圾焚燒飛灰及水泥作為污泥半干化的堿劑，研究不同堿劑對污泥半干化的效果并篩選出最佳配比。

選擇石灰、粉煤灰、垃圾焚燒飛灰及水泥四種不同的堿劑進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)采用L9(34)設(shè)計(jì)，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見表4.3。

表4.3正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

水平

石灰%

123

51015

粉煤灰%102030

飛灰%102030

水泥%51015

因素

在10kg脫水污泥中分別添加以上正交試驗(yàn)的堿劑組合，在混合器中充分?jǐn)嚢?min，取出，自然晾曬，測定每個(gè)污泥樣品的攪拌后、24小時(shí)后、48小時(shí)后的含水率。測定結(jié)果見表4.4。

表4.4不同堿劑對污泥含水率的影響

編號(hào)Z-1Z-2Z-3Z-4Z-5Z-6Z-7Z-8Z-9

石灰111222333

粉煤灰123123123

飛灰123231312

水泥123312231

攪拌后含水率

（%）49.653.338.846.747.646.643.041.542.6

24h后含水率（%）44.947.742.241.539.335.437.238.140.1

48h后含水率（%）39.134.532.933.835.433.931.931.334.9

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算出的均值與極差結(jié)果如表4.5。

表4.5正交試驗(yàn)結(jié)果

因素均值1均值2均值3極差

石灰35.5034.3732.702.80

粉煤灰34.9333.7333.901.20

飛灰34.7634.4033.401.37

水泥36.4733.4332.673.80

由表4.5可以看出：水泥是污泥半干化的最大影響因素；石灰含量15%、粉.煤灰含量20%、飛灰含量30%、水泥含量15%的堿劑組合其半干化效果最佳。

4.7本章小結(jié)

（1）隨著石灰添加量的增加，單位質(zhì)量污泥中水分的蒸發(fā)速率也隨著增加。原污泥與加堿污泥中水分的存在狀態(tài)有本質(zhì)差異，加入石灰后，促進(jìn)了污泥分子的破解和內(nèi)部結(jié)合水的游離；

（2）在污泥中添加15%工業(yè)用生石灰，自然晾曬24小時(shí)后，含水率就從混合后的72.78%降為59.75%，48小時(shí)之后更是降低到了38.20%達(dá)到了我國新頒布的《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-201*）中的60%入場要求；

（3）CaO有效含量越高，對污泥的半干化效果越明顯，說明氧化鈣本身的活性受純度、粒度、比表面積等影響，通過選擇高活性的氫氧化鈣，可以加速反應(yīng)；

（4）含水率分別為86.0%和74.3%的兩種脫水污泥，添加10%的工業(yè)生石灰后，含水率下降速率差異不顯著；

（5）在含水率為74.3%的脫水污泥中分別添加10%、20%、30%、40%、50%的工業(yè)用生石灰后，其攪拌后、晾曬24小時(shí)、晾曬48小時(shí)后的含水率均呈線性下降，且其含水率下降速率差異不顯著；含水率為86.0%的脫水污泥亦是如此；

（6）在自然養(yǎng)護(hù)了24h、48h、72h之后，加堿處理后的污泥含水率均有了很大的降低，逐漸表面干化、結(jié)痂、裂開；從最初的團(tuán)狀、泥狀變?yōu)閴K狀、片狀，說明：養(yǎng)護(hù)有助于污泥的半干化。

（7）水泥是污泥半干化的最大影響因素；石灰含量15%、粉煤灰含量20%、飛灰含量30%、水泥含量15%的堿劑組合半干化效果最佳。

第5章脫水污泥加堿對重金屬的固定效果

由于污水處理廠污水來源復(fù)雜，在處理過程中往往發(fā)生重金屬在污泥中富集。污泥中重金屬含量及其有效形態(tài)直接關(guān)系到其利用方式。以往研究關(guān)注污泥中重金屬的總含量。重金屬有效態(tài)含量不同，其遷移能力也不同，對環(huán)境的危害也就不同。掌握污泥的有效態(tài)組成，有利于根據(jù)污泥的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理以降低其遷移能力和毒性，減少對環(huán)境的污染。因此，在污泥的研究中不僅要注意它們的總含量，還應(yīng)重視其中各種有效態(tài)的含量[41]。

5.1BCR法

1979年由Tessier等提出的基于沉積物中重金屬形態(tài)分析的五步順序浸提法已廣泛應(yīng)用于土壤樣品的重金屬形態(tài)分析及其毒性、生物可利用性等研究。該法將金屬元素分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)以及殘余態(tài)[42，43]。分析過程如下：

（1）可交換態(tài)：指交換吸附在沉積物上的粘土礦物及其他成分，如氫氧化鐵、氫氧化錳、腐殖質(zhì)上的重金屬。由于水溶態(tài)的金屬濃度常低于儀器的檢出限，普遍將水溶態(tài)和可交換態(tài)合起來計(jì)算，也叫水溶態(tài)和可交換態(tài)。

（2）碳酸鹽結(jié)合態(tài)：指碳酸鹽沉淀結(jié)合一些進(jìn)入水體的重金屬。

（3）鐵錳水合氧化物結(jié)合態(tài)：指水體中重金屬與水合氧化鐵、氧化錳生成結(jié)核這一部分。

（4）有機(jī)物和硫化物結(jié)合態(tài)：指顆粒物中的重金屬以不同形式進(jìn)入或包裹在有機(jī)質(zhì)顆粒上同有機(jī)質(zhì)螯合等或生成硫化物。

（5）殘?jiān)鼞B(tài)：指石英、粘土礦物等晶格里的部分。

但是，由于測定重金屬的含量很大程度上取決于所使用的提取方法，因此提取方法的差異，導(dǎo)致獲得的結(jié)果沒有可比較性。1987年，歐共體標(biāo)準(zhǔn)局（現(xiàn)名為歐共體標(biāo)準(zhǔn)測量與檢測局）在Tessier方法的基礎(chǔ)上提出了BCR三步提取法[44]，并將其應(yīng)用于包括底泥、土壤、污泥等不同的環(huán)境樣品中[45]。此方法解決了由于流程各異，缺乏一致性的步驟和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)而導(dǎo)致各實(shí)驗(yàn)室之間的數(shù)據(jù)缺乏可比性等問題。然而，在鑒定標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)BCRCRM601時(shí)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)室

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