预处理技术强化污泥沉降与脱水特性的实验研究毕业论文.docx
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预处理技术强化污泥沉降与脱水特性的实验研究毕业论文
密级
公开
学号
070365
毕业设计（论文）
预处理技术强化污泥沉降
与脱水特性的实验研究
北京石油化工学院
学位论文授权使用协议
论文《预处理技术强化污泥沉降与脱水特性的实验研究》系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。
本人系作品的唯一作者，即著作权人。
现本人同意将本作品收录于《北京石油化工学院学位论文全文数据库》。
本人承诺：
已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。
本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。
公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。
注：
本协议书对于非公开学位论文在保密期限过后同样适用。
院系名称：
机械工程学院
作者签名：
学号：
070365
2011年05月26日
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
北京石油化工学院
毕业设计（论文）任务书
学院（系、部）机械工程学院专业环境工程系班级环071
学生姓名指导教师/职称周翠红/副教授
1.毕业设计（论文）题目
预处理技术强化污泥的沉降与脱水特性实验研究
2.任务起止日期：
2011年2月21日至2011年6月19日
3.毕业设计（论文）的主要内容与要求
（1）课题简介
城市污水处理通常采用活性污泥处理法，但结果会产生大量含水率高达99%以上的剩余活性污泥，脱水是污泥减量化中最为经济的一种方法。
污泥中含有亲水性负电生物粒子形成的菌胶团，菌胶团使得污泥不易脱水，经机械处理含水率仍在80%以上，预处理技术可改变污泥的结构。
超声和微波技术作为新型预处理技术，在强化污水污泥处理和难降解有机废水处理方面已显示出巨大潜力，有利于污泥脱水、污泥减量，并且最终减少处理费用。
（2）任务与要求
本课题以实验研究超声、微波技术强化污泥的沉降与脱水特性为重点内容。
研究各工艺参数对污泥沉降和脱水性能的影响，要求综合运用知识，搜集并运用资料，调查研究，研究方案设计，实验操作及数据采集。
（3）预期培养目标
使毕业生增强检索资料、应用文献，外语阅读及翻译能力，以及实验研究方案设计能力、实验操作能力和数据采集能力，培养毕业生独立分析与思考能力。
（4）应提交的成果
检索资料：
中文文献不少于10篇，英文文献不少于6篇；
开题报告或文献综述；
实验研究方案设计；
实验数据分析报告；
毕业设计论文。
4.主要参考文献
1.沈壮志.剩余活性污泥的超声脱水处理.陕西师范大学学报,2010,38（6）:
41-44
2.李延吉,李润东,冯磊,等.基于微波辐射研究城市污水污泥脱水特.环境科学研究,2009,22（5）:
544-548
3.朱睿,吴敏,杨健,等.浓缩污泥中胞外聚合物组分与脱水性的关系.北京大学学报,2010,46（3）:
385-388
4.谢敏,施周,刘小波,等.微波辐射对净水厂污泥脱水性能及分形结构的影响.环境化学,2009,28（3）:
418-421
5.BoJin,Britt-MarieWilén,PaulLant.Impactsofmorphological,physicalandchemicalpropertiesofsludgeflocsondewaterabilityofactivatedsludge.ChemicalEngineeringJournal,2004,98
（2）:
115-126
6.XinFeng,JinchuanDeng,HengyiLei,etal..Dewaterabilityofwasteactivatedsludgewithultrasoundconditioning.BioresourceTechnology,2009,100（3）:
1074-1081
5.进度计划及指导安排
第1周校内外文献查阅，撰写文献综述；
第2周撰写开题报告；
第3周翻译与本题目有关英文资料；
第4周开题报告，实验准备；
第5周超声波改性实验；
第6周超声波改性实验；
第7周微波改性实验；
第8周微波改性实验；
第9周脱水特性参数测试；
第10周脱水特性参数测试；
第11周撰写论文；
第12周补充实验；
第13周修改论文；
第14周整理毕设资料并上交；
第15周教师评阅，制作幻灯片；
第16周答辩及相关准备工作；
第17周根据答辩小组意见修改并上交毕设档案。
任务书审定日期年月日系（教研室）主任（签字）
任务书批准日期年月日教学院（系、部）院长（签字）
任务书下达日期年月日指导教师（签字）
计划完成任务日期年月日学生（签字）
摘要
本论文结合近年来国内外的污泥处理技术的总结，通过对黄村污水处理厂的污泥进行微波、超声，并分别与絮凝剂联合处理的实验研究，采用调整不同微波温度加热污泥、改变不同超声作用时间破碎污泥，再分别添加不同质量分数的絮凝剂的条件下，对污泥CST、粘度、沉降比、含水率、上清液的COD含量、Zeta电位、形态学特征的变化情况进行了研究分析。
重点研究了污泥经过改性后的形态学变化对污泥脱水特性的影响，主要包括污泥粒径分布、分形维数、图像特征的变化。
微波改性后污泥的粒度由33.551μm降低到28.979μm，分形维数在2.8左右，显微图象分析直观地反映出微波调质后污泥的粗大化现象。
超声改性后污泥的粒度由33.551μm降低到9.435μm，分形维数在2.9左右，显微图象分析发现超声调质后污泥颗粒较小。
利用Origin8.0对污泥脱水特性的表征参数与污泥含水率进行拟合，建立污泥脱水特性的模型，为在线预测污泥含水率提供基础性研究。
关键词：
污泥，微波，超声，脱水特性，形态学，模型
Abstract
Thesludgepretreatmenttechnologieswerestudiedindomesticandforeign,includingthemicrowave,ultrasoundandcombinwithflocculationofsludgefromHuangCunSewagetreatmentplant.Underthedifferenttemperatureofmicrowaveheatingsludge,thedifferentoperationtimeofultrasoundbrokensludge,andincreasedthedifferentqualityscoreflocculation.CST,theviscosity,SVx,Watercontent,CODcontent,Zetaelectricpotentialandthemorphologicalcharacterofsludgeweretested.
Focusedonthesludgemorphologicalchangesaftermodificationofthesludgedewateringcharacteristicinfluence,includingtheparticlesizedistribution,fractaldimensionandimagecharacteristics.Sludgeparticlesizeofmicrowavemodifiedrange33.551μmfrom28.979μm,fractaldimensionwasabout2.8,themicroscopicimageanalysisaftermicrowavedirectlyreflecedtphenomenonthicksludgebymodifiedmicrowave.Sludgeparticlesizeofultrasoundmodifiedrange33.551μmfrom9.435μm,fractaldimensionwasabout2.9,themicroscopicimageanalysisshowedthatsmallerparticlesofsludgeafterultrasound.
UsingOrigin8.0fittedcharacterizationofsludgedewateringcharacteristicsofparametersandwithsludgewatercontent,establishedthemodelaboutsludgedewateringcharacteristics,contributetoamoreconvenienttocalculatethemoisturecontentofsludgeonline.
Keyword:
sludge,microwave,ultrasound,dewateringcharacteristic,morphologicalcharacter,model
目录
第一章绪论1
1.1选题背景1
1.2研究意义1
1.3国内外研究进展2
1.3.1污泥的来源及组成2
1.3.2污泥的特点3
1.3.3污泥脱水特性的表征4
1.3.4污泥脱水的预处理技术4
1.4研究的基本内容，拟解决的主要问题7
1.5研究步骤、方法8
第二章实验仪器及测试方法9
2.1超声样品处理系统9
2.1.1仪器介绍9
2.1.2实验步骤10
2.2微波样品处理系统10
2.2.1仪器介绍10
2.2.2仪器使用步骤10
2.3污泥参数的测定12
2.3.1CST测定12
2.3.2含水率的测定13
2.3.3粘度的测定13
2.3.4图像采集14
2.3.5COD的测定14
2.3.6沉降比（SVx）的测定16
2.3.7污泥粒度的测定16
2.3.8污泥Zeta电位的测定17
第三章微波预处理实验及结果分析18
3.1污泥来源及基本性质18
3.2实验原理18
3.3污泥沉降特性SVx的变化规律20
3.4污泥脱水特性的变化规律21
3.4.1CST的测定21
3.4.2污泥粘度的测定23
3.4.3污泥上清液中COD的测定23
3.4.4污泥中Zeta电位的测定24
3.4.5污泥含水率的测定25
3.5微波调质与絮凝剂联用的实验研究27
3.5.1絮凝剂调质污泥的原理27
3.5.2絮凝剂（PAC）的配置28
3.5.3絮凝剂对污泥脱水性能的实验结果分析28
3.5.4微波调质与絮凝剂联用对污泥脱水性能的实验结果分析28
3.6本章小结30
第四章超声预处理实验及结果分析31
4.1污泥来源及基本性质31
4.2实验原理31
4.3污泥沉降特性SVx的变化规律32
4.4污泥脱水特性的变化规律33
4.4.1CST的测定33
4.4.2污泥粘度的测定34
4.4.3污泥上清液中COD的测定35
4.4.4污泥中Zeta电位的测定36
4.4.5污泥含水率的测定37
4.5超声调质与絮凝剂联用的实验研究39
4.5.1絮凝剂对污泥含水率的影响39
4.5.2絮凝剂对污泥Zeta电位的影响40
4.6本章小结41
第五章预处理技术对污泥形态学的实验研究43
5.1污泥的粒度分析43
5.1.1微波调质后污泥的粒度分析43
5.1.2超声调质后污泥的粒度分析44
5.2污泥的分形维数分析46
5.2.1数学方法计算分形维数46
5.2.2软件计算分形维数51
5.2.3两种方法得出的分形维数的对比55
5.3污泥的显微分析56
5.3.1微波调质后污泥的显微分析56
5.3.2超声调质后污泥的显微分析59
第六章污泥脱水特性模型的建立62
6.1微波调质污泥脱水特性模型的建立62
6.2超声调质污泥脱水特性模型的建立63
第七章结论与展望66
7.1主要结论66
7.2展望67
参考文献68
致谢70
声明71
第一章绪论
1.1选题背景
目前，世界上超过90%的城市污水处理采用活性污泥处理法，但结果会产生大量含水率高达99%以上的剩余活性污泥，体积约占处理水量的0.3～0.5%，若采用深度处理，污泥量会增加0.5到1.0倍。
各国已建立起回收和再利用剩余活性污泥的方案，常见的方法是焚烧、填埋或作为营养元素施于土地中，但是这些方法会造成环境的二次污染，所以新的法律规定严禁生物固体的抛弃与土地填埋，污泥减量化、稳定化、无害化和资源化就成为新的热门研究方向。
污泥脱水是污泥减量化中最为经济的一种方法，是污泥处理工艺中的一个重要环节，其目的是去除污泥中的空隙水和毛细水、降低污泥的含水率，如含水率为98%的污泥，减少2%的水，污泥体积将减少50%，污泥脱水是减小污泥体积，便于运输和处理，或是减小空间、减少污泥干燥和焚烧所需要的能量的必要手段，为污泥的最终处置创造条件。
目前国内对于污泥预处理主要是针对城市污泥和自来水厂污泥的研究。
污水污泥处理中常采用絮凝技术，这是一种处理效率高、既经济又简单的物化处理技术。
絮凝剂已成为污泥脱水的首要选择，相关文献表明，添加絮凝剂是对污泥有效的处理方式[1]。
由于化学污泥成分复杂，脱水较困难，采用传统的絮凝剂调节效果不明显。
污泥中含有亲水性负电生物粒子形成的菌胶团，菌胶团使得污泥不易脱水，经机械处理含水率仍在80%以上，预处理技术可改变污泥的结构。
1.2研究意义
污泥中除了含有大量的有机物和丰富的氮、磷等营养物质，还存在重金属、致病菌和寄生虫等有毒有害成分[2]。
为防止污泥造成的二次污染及保证污水处理厂的正常运行和处理效果，污水污泥的处理处置问题在城市污水处理中占有的位置已日益突出。
不仅如此，污水处理和污泥处理处置是解决城市水污染问题同等重要又紧密关联的两个系统。
污泥处理处置是污水处理得以最终实施的保障，在我国，污泥处理处置费用占污水处理厂总投资的20～50%，而对于经济发达国家，污泥处理处置是极其重要的环节，其投资约占到了污水处理厂总投资的50～70%。
所以，污泥处理的优化也是污水处理过程面对的重大课题。
2009年2月住建部、环保部以及科技部联合颁布《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策（试行）》，2010年3月环保部发布《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南（试行）》确定了污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、稳定化和无害化。
从目前的技术水平来看，污泥脱水处理已成为污泥减量化及与衔接后续处理的必需环节，也是实现污泥减量化最经济的方法。
因此，一些新型的技术作为预处理技术对于强化污泥的沉降与脱水特性已经显示出巨大潜力，微波和超声化学作为一门前沿学科，特别是在国内，对声化学的研究还不深入，虽然微波和超声已用于污泥脱水工艺，并取得了一些成果，还是有很多开拓性的工作值得我们研究。
微波和超声对污泥进行预处理，能够改变污泥的特性，破坏菌胶团结构，促进污泥絮凝脱水，提高污泥脱水性能，结合机械脱水的方式，可减少污泥的体积。
污泥处理费用占污水处理场基建运行费用的30%～40%以上，所以微波和超声促进污泥脱水，仅减量化一项就可节约大量资金。
微波处理技术[3]具有节能高效、均匀加热、常规加热、降解有机物、低温杀菌的特性，特别是低温杀菌提供了一种能够较多保持污泥营养成分的加热杀菌方法，顺应了污泥农用的发展趋势；同时，在微波加热过程中，无废水、废气、废物产生，也无辐射遗留物存在，是一种十分安全无害的高新技术。
微波处理方法的缺点是对污泥进行干燥全处理的经济性不佳，难以大批量处理，并且还要注意辐射泄露。
超声波处理污泥主要利用声波的能量，原理是选择一定频率和振幅的超声波，利用其在液体中产生的“空穴”作用[4]，形成极端的物理和力学条件，局部的高温（5000℃）高压（50MPa），同时产生强力喷射形成巨大的水力剪切力，将微生物细胞壁击破，释放出胞内物质，提高污泥处理效率。
利用微波和超声技术对污泥进行改性实验，可以大大提高污泥的沉降特性和脱水特性。
1.3国内外研究进展
1.3.1污泥的来源及组成
近年来，随着我国国民经济的迅速发展和人民生活水平的逐步提高，城市生活污水的处理率也迅速提高，污水处理过程中产生的污泥也随之成为人们关注的焦点问题。
现在通行的污水处理技术是通过微生物的代谢作用及物理化学方法，将污水中的污染物大量转移到剩余污泥中，其实质是污染物的相转移，即可溶性的污染物变成不可溶的固体。
在水质得到净化的同时，污水中的污染物质作为污泥被分离出来。
可以说，污泥就是浓缩的污染物质。
城市污泥实际上是由污水中的悬浮物、微生物、微生物所吸附的有机物以及微生物代谢活动产物所形成的聚集，一般是介于液体和固体之间的浓稠物，可以用泵输送，但难以用沉降方法进行固液分离。
城市污水处理厂处理的污泥属于有机污泥，这类污泥主要是由初沉污泥和二沉污泥组成。
随着污水处理程度的不断提高，必将导致污泥数量的迅速增加。
污水污泥是污水处理的产物，成分很复杂，包括混入生活污水或工业废水中的泥砂，纤维，动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物，由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物，重金属元素和盐类，少量的病原微生物，寄生虫卵等综合固体物质[5]。
1.3.2污泥的特点
污泥的主要特征是含水率高，其特点是有机物含量高（60%～80%），颗粒细（0.02～0.2mm），密度小（1.002～1.006/cm3），呈胶体结构，是一种亲水性的物质，容易管道运输，但脱水性差。
容易腐化发臭，污泥中含丰富的N、P、K等营养元素，维持植物正常发育生长的多种微量元素，以及能改良土壤结构的有机物及腐殖质，所含的有机物和腐殖质也是一种有价值的有机肥料，同时也含有多种病原菌、寄生虫卵、重金属及某些难降解的有机物[6]。
未经处理的原始污泥中含有大量的水分，含水率通常达到99%以上，原始污泥经机械脱水处理后可使得含水率降低至80%左右。
由于水分的存在，使得污泥容易发生变质反应，带来恶臭、土壤污染，影响环境卫生等一系列的环境问题。
因而，如何有效减少污泥中的水分一直是污泥处理处置过程的一个不容忽视环节。
污泥中所含水分形态，尽管不同的文献有不同的分类，但一般都认为有4种存在形态（如表1），即间隙水、毛细结合水、表面吸附水和内部结合水。
不同性质的污泥脱水的难易程度差别很大，应根据其脱水性能，选择合适的方法，才能取得良好的效果。
因此，测定污泥的脱水性能，对选择脱水方法具有重要意义。
表1污泥中水分及其处理方法列表[7]
类别
存在位置
约占总水分的比例
处理方法描述
备注
游离水或
间隙水
污泥颗粒之间
65%-85%
污泥浓缩
吸附水和结合水
只有通过高温加热或焚烧等方法，才能将这两部分水分离出来
毛细水
污泥颗粒间
的毛细管内
15%-20%
机械脱水
吸附水
吸附在污
泥颗粒上
10%
浓缩或机械
脱水方法均
难以分离
结合水
污泥颗
粒内部
10%
改变污泥颗
粒内部结构
1.3.3污泥脱水特性的表征
污泥中的絮状物具有形态参数[9]（絮状物粒径分布、分形维数与丝状指数），物理性质（絮凝能力，表面电荷，相对疏水性和粘度）和化学元素组成的特性以及萃取到的细胞外聚合物（EPS），包括高分子化合物蛋白质、腐殖质、碳水化合物和Mg2+、Fe3+和Al3+。
污泥脱水特性是由结合水量和毛细吸水时间（CST）表征的。
对于活性污泥的脱水特性来说结合水量和毛细吸水时间（CST）是类似的两个指标。
絮状物的最重要的物理参数的影响因素是水的结合能力。
絮状物的形态学特征对污泥脱水性能的影响较小。
高分子化合物蛋白质和碳水化合物对于提高污泥中絮状物的结合能力有很大的作用。
然而腐植质对于污泥脱水特性的却是微不足道的。
毛细吸水时间（CST）对于污泥和萃取到的细胞外聚合物（EPS）的聚合体具有很好的统计相关性，而结合水仅仅对于污泥单个聚合物具有较好的统计相关性。
高浓度的Ca2+，Mg2+，Fe3+和Al3+可以改善污泥的脱水特性。
1.3.4污泥脱水的预处理技术
污泥预处理技术是污泥浓缩和机械脱水前的处理，包括化学法、加热法、淘洗法、冷冻法和加骨粒法等。
新型预处理技术主要是超声、微波、热水解、磁场、电渗透、生物絮凝等，有利于污泥脱水、污泥减量，最终减少处理费用。
但是新型预处理技术没有广泛投入工业化使用，更为重要的是预处理技术的使用将会对后续的脱水工艺与设备有较大的影响作用，需要掌握好预处理技术对污泥性质的影响程度，使其切实对机械脱水起到促进作用。
（1）国内外研究微波技术对污泥脱水性能的影响
在20世纪70年代，在德国首先安装了用于污泥消毒的辐射装置，微波辐射装置逐渐被用于污泥加热，促进
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