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吉建斌

 
 
 

日志

 
 

活性污泥中的水分测定及其脱水性能(上)  

2017-11-29 06:41:59|  分类: 废水污泥处理和资 |  标签: |举报 |字号 订阅

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王美莲,田家宇,潘志辉,李圭白

(哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨150090)

(原载于“哈尔滨商业大学学报(自然科学版)”第26卷第3期285至290页)

 

摘要:活性污泥通常都难于脱水,造成其处理处置上的困难。对于日益增长的污泥排放量而言,改善其脱水性能是目前亟待解决的一个重要课题。从了解污泥的结构与水分的分布特征出发,进而开发新型的预处理工艺来提高污泥的脱水率是解决污泥处理问题的一条正确途径。在参考大量文献的基础上汇总了活性污泥中水分分布的测定方法,并对污泥脱水性能的评价指标及其意义进行了系统介绍。最后,详细讨论了污泥脱水性能的影响因素及作用机理,包括胞外聚合物的影响,以及酸处理、阳离子絮凝、超声处理、热处理等预处理工艺对污泥脱水性能的影响。

关键词:活性污泥;水分分布;脱水性能

 

Moisture distribution and dewaterability of activated sludge

WANG Mei-lian,TIAN Jia-yu,PAN Zhi-hui,LI Gui-bai (School of Municipal& Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

Abstract: Activated sludge is generally difficult to be dewatered, which poses problems for the subsequent treatment and disposal of activated sludge. Due to the ever-increasing production of this waste, improving the dewaterability of activated sludge becomes an important issue to be concerned. To achieve better dewatering of activated sludge, it is necessary to understand the characteristics of sludge structure and moisture distribution, thus develop effective pre-treatment processes. This paper summarizes the commonly used measurement methods for the moisture distribution in activated sludge. The main indexes uses for evaluating the dewaterability of activated sludge and their implications are also systematically introduced. The influences of various factors on the dewaterability of activated sludge and corresponding mechanisms are discussed in detail, including the influence of extracellular polymeric substances of activated sludge, and the influences of pre-treatments such as acid treatment, flocculation by cations, ultrasonic treatment and thermal treatment.

Key words: activated sludge; moisture distribution; dewaterability

 

随着社会的发展,人们环保意识不断增强,环保法规中污水排放标准的迅速改进,污水处理率也将迅速增加。随之而来的污泥产生量也迅速增加。污泥含水量高且不易脱水,处理费用昂贵,欲使污泥处理达到优良的标准,一般要占运行成本的40%以上。经机械脱水后仍有约80%的水分,造成后续处理处置的困难。污泥中含有较多的毒害有机物、重金属、致病微生物等有害物质,若得不到良好的处理,必然会对环境造成严重的二次污染。

活性污泥难于处理的关键因素是其含水量过高。研究污泥的结构与水分的分布特征,开发新的预处理工艺,从而提高污泥脱水率,不但可以解决城市污泥的处理问题,而且具有重大的经济和环境效益。

1 污泥中水分的分类

简单来说,活性污泥中的水分主要可分为自由水(free water)和束缚水(bound water)两大类。为了更好的理解污泥水解及污泥预处理(混凝、絮凝、热处理等)的机理,通常将污泥中的水分分为4种[1]

(1)自由水:与固体颗粒之间无作用力,通过简单重力沉淀可实现固液分离。

(2)空隙水:絮体或生物体结构内部空隙中的水。当絮体或生物体结构被破坏时,空隙水可释放出来。

(3)表面水:与固体颗粒表面之间通过吸附或黏附结合的水。

(4)水合水:与固体颗粒表面通过化学键结合的水。水合水只能通过固体颗粒的热化学破坏而得到释放。

2 污泥中各种水分的测定方法

(1)干燥实验法[2]:测定污泥中水分分布的经典方法。这种方法假定水分的蒸发速率依赖于水与固体颗粒表面的结合方式(或在絮体颗粒内部的存在方式)。实验得到一条描述蒸发通量与平均水分含量关系的干燥曲线,通过分析这条曲线可得到污泥中各种水分的含量。如图1所示。

活性污泥中的水分测定及其脱水性能(上) - 不在眉头愁 - 吉建斌的网易博客

图中恒定速率阶段代表自由水蒸发,第一降速阶段代表束缚水的蒸发,第二降速阶段则代表结合力更强的水蒸发速率更加缓慢。Weq为热动力学平衡时仍存在于污泥中的水分(污泥中固有的水分)。

(2)膨胀测定法[3]:在这种方法中,束缚水被定义为污泥中特定温度下(通常选用?20)仍不冻结的水[4],而在该温度下自由水已经冻结。通过测定给定污泥样品的膨胀度(由于自由水凝结成冰)可计算得到自由水的含量,束缚水则为总水分含量和自由水含量的差值。

(3)DTA和DSC法:基本原理同膨胀测定法。DTA法测定不同温度下污泥样品与参照样品(热惰性物质,如氧化铝粉末)的温度差异,并绘制曲线,可得到代表污泥样品吸热或放热的峰,通过测定峰面积并结合水的凝固热,可将温度数据转化为水冰转化的热数据,并最终计算得到未冻结水的含量[5]。DSC法将污泥样品置于可控制的环境中并改变环境温度,测定样品形态转化(水冰转化)时吸收或释放的热量,直接进行热分析。根据束缚水在特定温度下不冻结的假定,样品中形态转化时所释放的热量与样品中自由水的含量成正比。

(4)离心沉淀法:这种方法认为,当污泥样品置于旋转速度为无限大(N)的离心场中时,污泥趋向于一个平衡高度(h),该高度仅由干固体和束缚水组成。所有自由水均已由于离心作用脱离污泥,而束缚水不受影响。基于这种假设,单位干固体的束缚水含量?w 可由下式得出:

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其中:ρs为干污泥密度,ρsl为湿污泥密度,ρw为水的密度,h0为污泥的初始高度。

h/h0对1/N做图,可得一直线,由截距可计算出h。但是,这种方法对于活性污泥并不适用。因为当转速高时活性污泥表现出明显的非线性。

(5)过滤实验法:该法假定污泥经真空抽滤之后仍保留在泥饼中的水分为束缚水。但是,在对泥饼进行干燥实验时发现仍存在恒定蒸发速率阶段,一些学者解释为代表污泥絮体结构内部的空隙水[6]。 这种解释与干燥实验法存在差异。

(6)压榨实验法:这种方法认为污泥经高压(通常为31MPa左右)压榨后仍保留在泥饼中的水分为束缚水。实验发现,以该法测得的束缚水含量明显高于干燥实验法。一些学者认为压榨去除的自由水中包含了一部分以物理吸附作用与固体颗粒结合的表面水或空隙水[7]

(7)吸附等温线:将污泥样品置于温度固定而相对湿度可调控的装置中,在不同的湿度下测定热动力学平衡时污泥样品的质量,并最终测定在105下干燥24 h后污泥的质量,从而得到吸附等温线。如图2所示。

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图中RHeq为热动力学平衡时的相对湿度;Weq为热动力学平衡时的水分含量。

3 污泥脱水性能的评价指标

(1)束缚水

束缚水被定义为污泥中在给定温度下(通常选用?20)仍不冻结的水。这种水分与污泥固体颗粒之间存在作用力,不能通过机械脱水工艺得到去除。束缚水的含量可反应污泥的脱水性能。

(2)毛细抽吸时间(CST)

毛细抽吸时间可以很好的表征污泥中固体含量和平均比阻。其测定装置如图3所示[8]。将装有污泥样品的圆柱形容器置于Whatman- 17滤纸的中心,在直径为D1D2的同心圆上分别放置电极。当水边界到达内部电极时开始计时,当到达外部电极时停止。这段时间即为毛细抽吸时间。

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(3)过滤比阻(SFR)

过滤比阻可用于描述污泥的脱水性能。过滤方程表述为[9]

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其中:t为过滤时间;V为滤液体积;μ为滤液的动力黏性系数;A为过滤面积;Δp为过滤压力差;c为污泥的干固体质量浓度;α为过滤比阻;Rm为过滤介质的阻抗。

可见在压力一定的条件下过滤时,dt/dVV呈直线关系,由该直线的斜率可计算出过滤比阻值。比阻值越高污泥越难以脱水。对于可压缩的污泥,比阻值α也与过滤压力差正相关。

(4)Zeta电位(ζ)

Zeta 电位(ζ)可表征污泥的表面带电特性。根据经典的DLVO理论,对于表面带负电的胶体,当胶体表面电位提高,范德华力能克服胶体颗粒表面负电荷的斥力时,胶体颗粒脱稳并趋于凝聚。因此,ζ电位可用来预测污泥颗粒的稳定性。

但是,也有研究表明,稳定性仅仅是影响污泥脱水的一个因素,ζ电位高的污泥并不一定具有良好的脱水性能[10]。因此,不能单纯从ζ电位的角度来衡量污泥的脱水性能。

4 影响污泥脱水的因素

(1)胞外聚合物(EPS)

胞外聚合物(EPS)对于活性污泥的絮凝、沉淀和脱水极为重要。EPS的存在是活性污泥难于脱水的一个重要原因。EPS在污泥中的量并不固定,环绕细菌细胞形成一层类似于胶囊的保护膜,并高度水合。EPS主要由多聚糖、蛋白质和DNA(得自于死亡细胞的消散)组成,这些物质结合大量水分,产生很好的粘性。同时还有类腐殖酸物质、脂肪以及杂聚物质,如糖蛋白类[11]

 

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