赵庆良哈尔滨工业大学20年5月26日.ppt

赵庆良赵庆良哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2011年年5月月26日日2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 青岛青岛冷冻预处理破解剩余污泥及改善其脱水冷冻预处理破解剩余污泥及改善其脱水性能研究性能研究 Freeze/thaw Pre-treatment to Disintegrate Sludge and Improve its Dewaterability1 1. . 研究研究研究研究背景背景背景背景5. 5. 结论结论结论结论4. 4.污泥冷冻与处理后化学性质的变化污泥冷冻与处理后化学性质的变化污泥冷冻与处理后化学性质的变化污泥冷冻与处理后化学性质的变化3. 3.污泥冷冻与处理后物理性质的变化污泥冷冻与处理后物理性质的变化污泥冷冻与处理后物理性质的变化污泥冷冻与处理后物理性质的变化 2. 2. 实验方法实验方法实验方法实验方法报报 告告 提提 纲纲1. 为什么考虑冷冻预处理为什么考虑冷冻预处理？？污泥处理的主体技术路线污泥处理的主体技术路线卫生填埋卫生填埋资源利用资源利用沼气沼气预处理预处理预处理预处理（强化脱水、（强化脱水、（强化脱水、（强化脱水、破解细胞）破解细胞）破解细胞）破解细胞）传统污泥预处理技术传统污泥预处理技术o机械法（如超声处理）：机械法（如超声处理）：大量能耗大量能耗o化学法（如碱处理、氧化剂）：化学法（如碱处理、氧化剂）：添加化学添加化学药剂药剂o生物法（如生物酶法）生物法（如生物酶法） ：：生物制剂生物制剂o热力学法（如热处理）：热力学法（如热处理）：需要热能需要热能我国各地区气候变化特点我国各地区气候变化特点东北地区：东北地区：每年11月~来年3月，气温<0℃，冷冻阶段冷冻阶段每年4月~10月，气温> 0℃，融化阶段融化阶段污泥冷冻预处理的可行性污泥冷冻预处理的可行性o我国北方寒冷地区有自然的条件。

o利用自然气候进行冷冻/融化处理实现脱水：n气候寒冷地区或者冬季，污泥由天然气候使之冻结，冰晶成长过程可将固体与液体分离n当春季或者气温升高时，再利用气温回升及太阳辐射等作用，将污泥融化、脱水而得到干滤饼，剩余固体由传统设备移除o60 年代起即有研究者设计现场操作方案，评估以自然冷冻法处理污泥的可行性如Martel等人研究oHailstorm and Kvarnstrom 提出冻融与干燥相结合的污泥自然脱水方案，可全年运行以处理小型废水厂污泥冷冻预处理的过程示意图冷冻预处理的过程示意图冷冻抽吸冷冻抽吸该过程将不易脱水的污泥转化成颗粒状，易于脱水该过程将不易脱水的污泥转化成颗粒状，易于脱水.污泥絮体污泥絮体空隙水空隙水(70%)微弱键微弱键污泥颗粒污泥颗粒毛细水毛细水(20%)吸附水、颗粒内部水吸附水、颗粒内部水(10%)冷冻前冷冻前冷冻后冷冻后冻冻/融技术的特点融技术的特点o有效的有效的污污泥泥调调理手段理手段：改善污泥的脱水性能，大幅提高真空过滤效能，适用于所有污泥，但必须以缓慢冷冻速率完全冷冻才有效；使污泥颗粒结构更加紧密；减少结合水含量 o因地制宜因地制宜：冻/融处理的冷冻过程可自发进行，工艺简单，不需要使用大量聚合物，运行费用可大大降低，尤其适用于寒冷地区的污泥预处理。

研究热点与方向研究热点与方向o有关冻/融处理技术集中在污泥絮体的固液分离固液分离特性特性研究方面，而对污泥破解和有机物溶出、冷冻后污泥的化学成分变化、冷冻-厌氧消化组合工艺的研究相对较少o冻/融预处理可以显著增加活性污泥上清液的BOD和COD的程度，使之不仅可以作为污泥调理的方法，也可以同同时实现时实现污泥破解，加速后续的厌氧消化进程等2. 污泥冷冻预处理的实验污泥冷冻预处理的实验 o污泥类型 o冷冻时间o冷冻温度o冷冻速率o固化时间o污泥预处理（如搅拌或者浓缩）o污泥中溶解性有机物及阳离子浓度等冻冻/融技术影响因素融技术影响因素混合污泥剩余污泥TCOD/(mg/L)3320028210SCOD/(mg/L)920948pH6.496.45NH4+-N/(mg/L)148101碱度/(mgCaCO3/L)720580TS/(mg/L)3787024280SS/(mg/L)3587022400VS/(mg/L)1953015760VSS/(mg/L)1862014720实验所用的污泥及其特征实验所用的污泥及其特征实验方法实验方法•混合污泥和剩余污泥贮存于PET材质的塑料瓶中，放入-18℃冰箱中冷冻不同时间（冷冻速度0.003 K/s） 。

•冷冻结束后，在室内环境下（温度约29 ℃，相对湿度47%~56%）解冻3h3. 污泥冷冻与处理后物理污泥冷冻与处理后物理性质的变化性质的变化 冷冻时间对污泥固体物质含量的影响冷冻时间对污泥固体物质含量的影响 污污泥泥TS和和VS随冷随冷冻时间冻时间的的变变化化 污污泥泥SS和和VSS随冷随冷冻时间冻时间的的变变化化 冻冻/融融过过程不会引起固体程不会引起固体矿矿化作用化作用或者生物降解作用，本或者生物降解作用，本实验实验中未中未出出现现蒸蒸发发作用作用 冻/融处理没有降融处理没有降解污泥中的有机物解污泥中的有机物 SS和和VSS变变化包括两个化包括两个阶阶段段（冷（冷冻冻9h ）污泥的固体溶污泥的固体溶解程度的变化主要发生在冷解程度的变化主要发生在冷冻阶段，而后续的固化阶段冻阶段，而后续的固化阶段对污泥固体物质溶解的影响对污泥固体物质溶解的影响较小 3h（冷冻、固化临界时间）（冷冻、固化临界时间）污污泥固体溶解程度随冷泥固体溶解程度随冷冻时间冻时间的的变变化化 Montusiewicz等人的研究表明，由于解冻时间较长（12h），可能在解冻过程中发生了生化作用，在冻/融（24h/12h）处理后，污泥的TS和VS均减小。

通常，冷冻时间对于污泥性质的影响更加显著冷冻时间对污泥固体物质含量的影响冷冻时间对污泥固体物质含量的影响 冷冻时间对污泥脱水性能的影响冷冻时间对污泥脱水性能的影响 冷冻时间对污泥的沉降性能具有显著影响 从左至右分别为：混合污泥、剩余污泥、冷冻72h的混合污泥、冷冻72h的剩余污泥两种污泥冷冻后，其沉降性能都得到了改善与原泥相比，冷冻后的污泥上清液体积增大，沉降速度加快 冷冻时间对污泥脱水性能的影响冷冻时间对污泥脱水性能的影响o离心实验：100mL污泥样品，离心转速4000rpm，离心时间30min，观察冷冻污泥离心后的上清液体积两种两种污污泥冷泥冷冻冻后的离心效果后的离心效果 混合污泥剩余污泥冷冻时间/ (h)上清液体积/ (mL)冷冻时间/ (h)上清液体积/ (mL)06805317517837537072787274Ø冷冻污泥的离心上清液体积增加，下层沉淀物体积减小，说明污泥的可压缩性得到了改善Ø虽然两种污泥经过冷冻预处理后离心脱水效果都得到了改善，但是冷冻处理更利于对剩余污泥的离心脱水，离心后沉淀物体积下降的更快 冷冻时间对污泥粒径分布的影响冷冻时间对污泥粒径分布的影响 冻/融处理破坏了污泥絮体结构，有效地增加了胶体和溶解组分的比例，并有朝向较低分子量化合物的转化趋势。

剩余污泥经过冷冻处理后粒径减小的更加明显；由于掺入了20%的初沉污泥，初沉污泥泥质的差异导致颗粒的解体程度与完全剩余污泥时相比变小 冷冻时间对污泥絮体结构的影响冷冻时间对污泥絮体结构的影响 (a) 剩余污泥原泥 (b) 冷冻2h后未冻结的剩余污泥 (c) 冻/融（3h/3h）处理后的剩余污泥 (d) 冻/融（72h/3h）处理后的剩余污泥 原状剩余污泥絮体较为松散，蓬松的、碎片形状，形成“网络”状结构冷冻过程中，未冻结的污泥部分被浓缩，周边的冰锋不断挤压并伸入絮体冷冻污泥絮体更加致密和清晰，网状结构被破坏冻/融技术的机理是：原状的松散的絮体被逐渐成长的冰层所排斥，大量转变成更加致密、圆形的絮体结构随着冷冻时间的增加，污泥絮体形态更加清晰，丝状体数量更少，污泥沉降特性改善4. 污泥冷冻与处理后化学污泥冷冻与处理后化学性质的变化性质的变化 冷冻时间对污泥溶解性有机物的影响冷冻时间对污泥溶解性有机物的影响 污污泥泥SCOD随冷随冷冻时间冻时间的的变变化化 SCOD线性增加 SCOD上升: 主要为溶解性碳水化合物 有益于后续厌氧消化冷冻时间对污泥冷冻时间对污泥pH和碱度的影响和碱度的影响 污污泥泥pH值值随冷随冷冻时间冻时间的的变变化化 污污泥碱度随冷泥碱度随冷冻时间冻时间的的变变化化 pH值快速下降:污泥VFA含量增加，由于细胞内、外的冰的形成致使细胞破裂释放出内含物。

本实验中，混合污泥和剩余污泥的最低pH值分别为6.78和6.57，满足产甲烷相启动的边界条件 冷冻时间与污泥特性指标相关性分析冷冻时间与污泥特性指标相关性分析 冷冷冻时间冻时间与与污污泥物化特性指泥物化特性指标标之之间间的相关分析的相关分析 特性指标冷冻时间 (混合污泥)冷冻时间 (剩余污泥)2~2.72 μm颗粒数0.5330.998TS-0.664-0.640VS-0.320-0.455SCOD0.9820.962介于介于2~2.72 μm颗颗粒数与粒数与污污泥化学特性之泥化学特性之间间的相关分析的相关分析 特性指标2~2.72 μm颗粒数(混合污泥)2~2.72 μm颗粒数 (剩余污泥)TS-0.117-0.658VS0.300-0.600SCOD0.5720.997不相关显著相关 显著相关 显著相关 5. 结论结论o冻/融处理是一种有效的污泥预处理技术，剩余污泥和混合污泥经冻/融（72h/3h）处理后，同时改变了污泥的物理特性和化学成分，推荐采用冻/融（72h/3h）作为工艺控制参数o冻/融处理可以破解污泥，将固体物质转化为液相成分随着冷冻时间的增加，污泥pH值下降，而SCOD和碱度上升。

o冷冻污泥物理性质的变化不仅反映出污泥的溶解，也反映出污泥沉降性能和脱水性能的改善冷冻污泥的SS和 VSS值与冷冻时间相关粒径分布和微观结构观察证明了污泥絮体被破坏与混合污泥相比，剩余污泥的粒径分布的变化更加显著冷冻床模型（冷冻床模型（冻冻/融技术实际应用融技术实际应用））冷冻床形状为一狭长沟渠，上方设有输送管可将污泥从污水处理厂输入床内，下方设有滤沙，内埋有排水管，污泥融化后的水份有一部份可由床底渗流而排除；冷冻床上方无需加盖以便积雪，借积雪在污泥上方结冰时，会因其针状冰晶结构的伸展, 使已冻结污泥层发生裂缝；此裂缝的存在有助于床底渗流的进行冷冻污泥的厌氧消化效果冷冻污泥的厌氧消化效果A. Montusiewicz, M. Lebiocka, A. Rozej, E. Zacharska, L. Pawłowski. Freezing/thawing effects on anaerobic digestion of mixed sewage sludge. Bioresource Technology.2010,101: 3466~3473。