【摘要】：污泥通常指污水處理廠在處理污水過(guò)程中產(chǎn)生的固液混合的絮狀物質(zhì)。每萬(wàn)噸污水經(jīng)處理后污泥產(chǎn)生量一般約為10-20噸(按含水率90%計(jì))。經(jīng)統(tǒng)計(jì),2014年我國(guó)污泥產(chǎn)生量約1.2億噸。同時(shí),由于污泥含有寄生蟲(chóng)卵、重金屬、病源微生物和持久性有機(jī)物等有毒有害物質(zhì),若不經(jīng)有效處理處置,極易對(duì)地下水和土壤等造成二次污染,直接威脅環(huán)境安全和公眾健康。因此,對(duì)污泥進(jìn)行安全、經(jīng)濟(jì)、高效地處理處置迫在眉睫。由于污水處理廠二沉池污泥含水率高達(dá)95%以上,而國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)對(duì)污泥后續(xù)處置環(huán)節(jié)的含水率要求低于60%。因此,開(kāi)展高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的降低污泥含水率的研究工作十分有必要。由于市政污泥組分復(fù)雜,污泥中的水分存在多種結(jié)合形式,結(jié)合能差別較大,脫水困難。同時(shí),針對(duì)污泥水分分布的研究較缺乏。目前,用于污泥水分分布的分析方法主要有干燥法、離心沉降法、壓濾法、熱重法和示差掃描熱量法等。在實(shí)際使用過(guò)程中,上述方法存在分析結(jié)果不準(zhǔn)確,分析過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)和簡(jiǎn)單區(qū)分等問(wèn)題。因此,本文提出基于低場(chǎng)核磁共振技術(shù)橫向弛豫時(shí)間的市政污泥樣品含水率和水分分布的快速分析方法。與上述分析方法相比,該方法具有快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),本文還開(kāi)展了超聲波預(yù)處理、熱水解預(yù)處理、微波預(yù)處理和化學(xué)調(diào)理提升市政污泥脫水性能的工作,并采用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)研究不同預(yù)處理工況對(duì)污泥水分分布的影響。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：(1)采用低場(chǎng)核磁共振測(cè)試方法測(cè)量不同含水率市政污泥樣品的含水率和水分分布。首先確定了測(cè)量市政污泥含水率和水分分布最合適的采樣次數(shù)、回波個(gè)數(shù)和采樣頻率,并采用采用濃度為3000mg/L的硫酸銅溶液繪制定標(biāo)曲線提升核磁共振測(cè)量準(zhǔn)確性。低場(chǎng)核磁共振技術(shù)與干燥法分別測(cè)量污泥中的含水率的結(jié)果表明,兩種方法測(cè)量的含水率結(jié)果非常接近,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.999,說(shuō)明低場(chǎng)核磁共振測(cè)試方法可以用于市政污泥的含水率測(cè)量；采用低場(chǎng)核磁共振測(cè)試方法測(cè)量污泥中的水分分布。樣品橫向弛豫時(shí)間結(jié)果表明,市政污泥中的水分可以分為3類(lèi),分別為結(jié)合水、機(jī)械結(jié)合水和自由水,對(duì)于含水率在35.29%——96.36%的污泥,機(jī)械結(jié)合水在市政污泥總水分中占主導(dǎo)地位。同時(shí),首次提出針對(duì)市政污泥的橫向弛豫強(qiáng)度計(jì)算方法,并計(jì)算得到市政污泥的橫向弛豫強(qiáng)度為43.99 μ m/s。(2)研究市政污泥中水分結(jié)合能與污泥含水率變化的關(guān)系。將加熱過(guò)程中污泥水分蒸發(fā)所需要的能量分為4類(lèi)：分別為水分子克服化學(xué)鍵所需要的能量；水分子克服與污泥絮體的分子間物理作用力所需要的能量；水分子克服毛細(xì)作用力所需要的能量；水分相變所需要的能量。我們引入Lennard-Jones 10-4-3公式來(lái)計(jì)算污泥中水分子與污泥絮體間的物理作用力,根據(jù)平衡蒸汽壓計(jì)算水分子與污泥絮體間的毛細(xì)作用力。同時(shí),我們采用熱重-差熱分析實(shí)驗(yàn),獲得市政污泥中水分的結(jié)合能分布。模型數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配較好。結(jié)果顯示,當(dāng)污泥的含水率較高時(shí),污泥中的水分與污泥絮體的結(jié)合能較小。隨著污泥含水率逐漸下降,污泥體積減少,剩余水分與污泥絮體的結(jié)合能逐漸增加,最高可達(dá)到數(shù)千kJ/kg。(3)研究不同超聲處理頻率20 kHz,25 kHz,30 kHz,35 kHz和40kHz；反應(yīng)時(shí)間為1 min,2min,3min,5min和10min,對(duì)市政污泥的脫水性能和水分分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波預(yù)處理技術(shù)能提高污泥的脫水性能。不同的超聲頻率對(duì)污泥離心后含水率和水分分布影響不同,其中最佳的超聲頻率為30kHz,最佳時(shí)長(zhǎng)為2min。此時(shí),污泥上清液中的溶解性化學(xué)需氧量從87mg/L增加至1660mg/L,說(shuō)明在超聲波處理污泥的過(guò)程中,污泥中大量高分子有機(jī)物和胞外聚合物發(fā)生破碎,提升污泥的脫水性能。(4)在熱水解溫度140-230℃、反應(yīng)時(shí)間15-60 min,氯化鈣添加量0.02-0.14 g/g DS、聚丙烯酰胺添加量1-1010-6g/g DS的條件下,對(duì)市政污泥進(jìn)行熱水解預(yù)處理。研究結(jié)果表明,熱水解預(yù)處理過(guò)程能改善污泥的脫水性能,改變污泥的水分分布。正交實(shí)驗(yàn)的極差分析與方差分析結(jié)果表明,反應(yīng)溫度的升高顯著提升了污泥絮體的破碎效果,降低泥餅離心后含水率。聚丙烯酰胺投加量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較小。采用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)定污泥水分分布,熱水解處理后的樣品與污泥原樣相比,結(jié)合水與機(jī)械結(jié)合水干基含水率均大幅降低。確定杭州污泥熱水解處理最佳工況為反應(yīng)溫度230℃,熱水解處理45 min,同時(shí)添加0.14 g/g DS氯化鈣試劑,并在熱水解處理后添加10-6g/g DS的聚丙烯酰胺試劑,此時(shí)的污泥經(jīng)離心脫水后,含水率從88.67%大幅降低至70.68%。(5)研究微波功率分別為500W、700 W和900 W,微波時(shí)間分別在30s,60s,90s和120s時(shí),微波預(yù)處理對(duì)污泥壓濾含水率和水分分布的影響。結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)奈⒉ㄝ椛淠艿妮斎?可以提升污泥的脫水性能,改變污泥的水分分布。對(duì)于壓濾脫水法,由于壓濾壓力較高,與離心脫水法相比,可以脫除的水分與污泥絮體的結(jié)合能較高。因此采用壓濾脫水法后,污泥泥餅含水率與結(jié)合水的變化比例較為一致。當(dāng)微波輻射能小于0.34 kJ/mL時(shí),微波輻射通過(guò)使極性分子產(chǎn)生高頻震動(dòng),使污泥絮體的雙電層結(jié)構(gòu)破壞,促進(jìn)污泥顆粒的團(tuán)聚,降低污泥中的結(jié)合水比例。當(dāng)微波輻射能大于0.34 kJ/mL時(shí),微波輻射能使污泥中的水分沸騰導(dǎo)致污泥中的微生物細(xì)胞破碎,胞內(nèi)物質(zhì)流出,顯著增加結(jié)合水含量,惡化污泥的脫水性能。(6)通過(guò)對(duì)三種物理預(yù)處理方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較得知,如果脫水污泥后續(xù)處理處置工藝路線為填埋或者農(nóng)用,微波法初投資額最低,為8100元/L,單位處理量運(yùn)行費(fèi)用也是最低,為0.11元/L。如果脫水污泥后續(xù)處理處置工藝路線為焚燒,則超聲波預(yù)處理法在運(yùn)行費(fèi)用上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。(7)研究當(dāng)氯化鐵投放量在0-11 wt.%、氧化鈣的投放量在0-30wt.%和木屑投放量在0-50wt.%的條件下,三種藥劑的投放量對(duì)污泥離心含水率和水分分布的影響。結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)乃巹┩斗帕客ㄟ^(guò)提高污泥水分分布中自由水的比例,可以顯著提升污泥的脫水性能,降低泥餅離心后含水率。在正交實(shí)驗(yàn)中,極差分析和方差分析表明,木屑投加量對(duì)泥餅離心后含水率的下降有明顯促進(jìn)作用。

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：X703