小城镇污水厂污泥快速固化处理技术研究

摘要

小城镇污水厂量大、规模小，污泥产量小、分散，其污泥大部分运至垃圾填埋场处置，由于其含水率高对垃圾填埋场的正常运行造成影响，随着我国大量小城镇污水处理厂的建成运行，以及垃圾填埋场准入标准的提高，妥善地处理处置小城镇污水厂污泥成为当务之急。小城镇技术及经济水平较低，需要简易经济型污泥深度处理技术，而污泥固化技术简易、成本较低，对污染物稳定性高，是适合小城镇的污泥处理技术。但现有固化技术存在养护时间长、占地面积大、固化体增容比大、处理成本较高，以及低温条件下效能低等问题，针对上述问题，开展小城镇污水厂污泥高效低成本固化技术研究。运用EDAX能谱法、原子吸收分光光谱法以及自动热量测试等多种方式，研究了污泥泥质特征；针对其有机成分高、含水率高等特性，考虑降低含水率、提高早期强度、减薄双电子层厚度，添加膨胀成分、提高pH值和改变有机物结构等多种固化技术路线，通过固化效果和固化成本的比较，确定了污泥快速固化剂的配方；并采用响应曲面分析方法，研究了多种因素的相互作用和固化强度、含水率、pH和污染物浸出浓度等响应值的影响，同时利用expertdesign软件进行数据分析、拟合，得到并利用响应值与多种因素的函数表达式，建立了以含水率、抗压强度为限制条件，固化成本、pH和浸出污染物浓度为目标的污泥快速固化技术优化模型，确定了不同的季节温度下快速固化剂的合理配比和投加量，实现了污泥的快速固化，3d达到混合填埋标准；考察了堆放高度、养护时间和浸出方式对固化效果的影响，得出了最佳工况参数；在此基础上，采用电镜扫描(SEM)/能谱分析(EDS)及X射线衍射（XRD）研究了固化污泥微观结构和晶体成分及特征，同时配合差热分析法（DSC）研究了固化体自由水和束缚水随固化时间的分布及变化规律，并从石灰碳酸化和结晶反应、复合水泥水化反应、粉煤灰水化反应等过程对污泥快速固化机理进行了研究。研究得出了如下主要结论：
　　1)试验用脱水污泥含水率高达到81.1％，无法满足混合填埋的含水率要求（<60%）且运输困难。污泥烧失量为71.04%，与其他城市污泥相比，有机物种类更复杂、含量更高，会对固化效果产生不利影响。污泥中的重金属含量较低，均满足填埋标准，但浸出液中COD、氨氮、磷酸盐值较高，不经处理直接排放会对环境造成危害。
　　2)考虑降低含水率、提高早期强度、减薄双电子层厚度，添加膨胀成分、提高pH值和改变有机物结构等多种固化技术路线，通过固化强度和固化成本的比较，从硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、石灰、高锰酸钾、早强减水剂、粉煤灰、膨润土、氢氧化钠、吸水树脂多种固化剂组分中选定污泥快速固化剂的配方为硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、石灰和粉煤灰。
　　3)选取石灰、硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、粉煤灰和温度5个影响因素，采用响应曲面分析方法得出响应值与多种因素的函数表达式，建立以含水率、抗压强度为限制条件，固化成本、pH和浸出污染物浓度为目标的污泥快速固化技术优化模型，具体形式如下：
　　??min(cos,tCODNHpH,4,)???wqu60%???kpatdu50???3
　　通过模型计算得到相应温度下最佳的3d固化剂配方：
　　10°C养护条件时，固化剂组分质量比为污泥：石灰：硫铝酸盐水泥：硅酸盐水泥：粉煤灰=100：1.9：6.1：3.7：6.0；
　　20°C养护条件时，固化剂组分质量比为污泥：石灰：硫铝酸盐水泥：硅酸盐水泥：粉煤灰=100：1.7：3.9：3.0：6.0；
　　30°C养护条件时，固化剂组分质量比为污泥：石灰：硫铝酸盐水泥：硅酸盐水泥：粉煤灰=100：1.2：3.0：3.0：4.7。
　　验证试验证明多目标优化模型合理可靠，拟合程度良好，利用响应面分析方法和优化模型能对污泥快速固化进行优化和预测。
　　4)研究表明堆放高度和养护时间均对固化效果有较大影响。堆体高度为7cm，3d的养护时间即可满足填埋要求；当堆体若高度提高至10cm，养护时间至少应延长至5天，才能达到混合填埋标准。
　　5)电镜扫描和X衍射试验表明养护3d和7d的固化块体微观结构致密，并存在针状的钙矾石、片状的水化硅铝酸钙等胶凝物质，多种胶凝物质形成交织状的结晶体，配合钙矾石的支架结构和固化颗粒与污泥成分结合起来形成的共晶体，固化污泥的强度比脱水污泥有明显提高，并从石灰碳酸化和结晶反应、复合水泥水化反应、粉煤灰水化反应等过程对污泥快速固化机理进行了探讨。
　　6)通过DSCS试验，得出了3d和7d固化体不同位置的水分分布规律，研究结果表明由于蒸发作用和水化反应，总水量和自由水量由外部向内部逐渐降低，而硫铝酸盐水泥和石灰水化反应导致污泥的微生物絮体解散和有机物结构破坏，使束缚水量由外部向内部逐渐升高。3d固化体的自由水量和束缚水量与脱水污泥相比大幅降低，随着养护时间的增长至7d，水分降低速度较缓慢。
　　本研究研发出一种适合山地小城镇的高效低成本污水厂污泥固化技术，通过对污泥快速固化关键技术突破，大幅缩短了污泥固化周期，减小了占地面积，同时解决了现有固化技术增容比大，低温期效能低等问题，进一步降低固化成本，为我国污泥处理开辟了新途径，研究成果具有重要的现实意义和实用价值。

目录

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1 绪 论

1.1 污水厂污泥的分类、产量及危害

1.2 污泥处理处置技术现状

1.3 污泥固化技术研究现状

1.4 小城镇污泥处理处置现状

1.5 问题的提出、研究目的和内容

2 污泥泥质研究

2.1 试验材料

2.2 污泥泥质研究

2.3 小结

3 污泥快速固化剂基本配方试验研究

3.1 污泥快速固化技术路线

3.2 试验材料

3.3 试验方法

3.4 固化剂组分对快速固化效果的影响研究

3.5污泥快速固化剂的基本配方确定

3.6 小结

4 污泥快速固化最优化模型研究

4.1 响应面试验设计

4.2 响应面试验结果分析

4.3 污泥快速固化多目标优化模型

4.4小结

5 污泥固化工况参数研究

5.1 固化污泥堆积高度影响研究

5.2 固化污泥养护时间影响研究

5.3 固化污泥浸出污染物研究

5.4 小结

6 污泥快速固化机理研究

6.1 污泥快速固化体微观结构研究

6.2 污泥快速固化体水分变化情况研究

6.3 污泥快速固化机理研究

6.4 小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

附 录