【摘要】：污泥通常指污水處理廠在處理污水過程中產生的固液混合的絮狀物質。每萬噸污水經處理后污泥產生量一般約為10-20噸(按含水率90%計)。經統計,2014年我國污泥產生量約1.2億噸。同時,由于污泥含有寄生蟲卵、重金屬、病源微生物和持久性有機物等有毒有害物質,若不經有效處理處置,極易對地下水和土壤等造成二次污染,直接威脅環境安全和公眾健康。因此,對污泥進行安全、經濟、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95%以上,而國家相關法律法規對污泥后續處置環節的含水率要求低于60%。因此,開展高效、穩定、經濟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雜,污泥中的水分存在多種結合形式,結合能差別較大,脫水困難。同時,針對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。在實際使用過程中,上述方法存在分析結果不準確,分析過程耗時長和簡單區分等問題。因此,本文提出基于低場核磁共振技術橫向弛豫時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、準確、無損的優點。同時,本文還開展了超聲波預處理、熱水解預處理、微波預處理和化學調理提升市政污泥脫水性能的工作,并采用低場核磁共振技術研究不同預處理工況對污泥水分分布的影響。本文的主要研究內容和結論如下：(1)采用低場核磁共振測試方法測量不同含水率市政污泥樣品的含水率和水分分布。首先確定了測量市政污泥含水率和水分分布最合適的采樣次數、回波個數和采樣頻率,并采用采用濃度為3000mg/L的硫酸銅溶液繪制定標曲線提升核磁共振測量準確性。低場核磁共振技術與干燥法分別測量污泥中的含水率的結果表明,兩種方法測量的含水率結果非常接近,相關系數高達0.999,說明低場核磁共振測試方法可以用于市政污泥的含水率測量；采用低場核磁共振測試方法測量污泥中的水分分布。樣品橫向弛豫時間結果表明,市政污泥中的水分可以分為3類,分別為結合水、機械結合水和自由水,對于含水率在35.29%——96.36%的污泥,機械結合水在市政污泥總水分中占主導地位。同時,首次提出針對市政污泥的橫向弛豫強度計算方法,并計算得到市政污泥的橫向弛豫強度為43.99 μ m/s。(2)研究市政污泥中水分結合能與污泥含水率變化的關系。將加熱過程中污泥水分蒸發所需要的能量分為4類：分別為水分子克服化學鍵所需要的能量；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公式來計算污泥中水分子與污泥絮體間的物理作用力,根據平衡蒸汽壓計算水分子與污泥絮體間的毛細作用力。同時,我們采用熱重-差熱分析實驗,獲得市政污泥中水分的結合能分布。模型數據與實驗結果匹配較好。結果顯示,當污泥的含水率較高時,污泥中的水分與污泥絮體的結合能較小。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合能逐漸增加,最高可達到數千kJ/kg。(3)研究不同超聲處理頻率20 kHz,25 kHz,30 kHz,35 kHz和40kHz；反應時間為1 min,2min,3min,5min和10min,對市政污泥的脫水性能和水分分布的影響。實驗結果表明：超聲波預處理技術能提高污泥的脫水性能。不同的超聲頻率對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,最佳時長為2min。此時,污泥上清液中的溶解性化學需氧量從87mg/L增加至1660mg/L,說明在超聲波處理污泥的過程中,污泥中大量高分子有機物和胞外聚合物發生破碎,提升污泥的脫水性能。(4)在熱水解溫度140-230℃、反應時間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,對市政污泥進行熱水解預處理。研究結果表明,熱水解預處理過程能改善污泥的脫水性能,改變污泥的水分分布。正交實驗的極差分析與方差分析結果表明,反應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實驗結果影響較小。采用低場核磁共振技術測定污泥水分分布,熱水解處理后的樣品與污泥原樣相比,結合水與機械結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溫度230℃,熱水解處理45 min,同時添加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,此時的污泥經離心脫水后,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,微波時間分別在30s,60s,90s和120s時,微波預處理對污泥壓濾含水率和水分分布的影響。結果表明,適當的微波輻射能的輸入,可以提升污泥的脫水性能,改變污泥的水分分布。對于壓濾脫水法,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合能較高。因此采用壓濾脫水法后,污泥泥餅含水率與結合水的變化比例較為一致。當微波輻射能小于0.34 kJ/mL時,微波輻射通過使極性分子產生高頻震動,使污泥絮體的雙電層結構破壞,促進污泥顆粒的團聚,降低污泥中的結合水比例。當微波輻射能大于0.34 kJ/mL時,微波輻射能使污泥中的水分沸騰導致污泥中的微生物細胞破碎,胞內物質流出,顯著增加結合水含量,惡化污泥的脫水性能。(6)通過對三種物理預處理方式進行經濟性比較得知,如果脫水污泥后續處理處置工藝路線為填埋或者農用,微波法初投資額最低,為8100元/L,單位處理量運行費用也是最低,為0.11元/L。如果脫水污泥后續處理處置工藝路線為焚燒,則超聲波預處理法在運行費用上具有明顯的優勢。(7)研究當氯化鐵投放量在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污泥離心含水率和水分分布的影響。結果表明,適當的藥劑投放量通過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。在正交實驗中,極差分析和方差分析表明,木屑投加量對泥餅離心后含水率的下降有明顯促進作用。

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X703