摘 要

随着我国污水处理产业的快速发展，污泥的产量也快速增加。预计至2020年城镇污水处理厂的剩余污泥总量将超过6000万吨。污泥含有大量细菌、寄生虫、重金属离子等有害物质，若不妥善处理将对环境造成很大的危害。

污泥在进行处置前要经过处理，污泥处理的效果会严重影响到污泥能否被顺利处置，所以污泥处理是急需解决的一个问题。污泥处理的主要目的是将污泥进行减量、减容以及无害化。国内外目前普遍采用的一种污泥处理方法是污泥脱水，占比达70%以上。

污泥脱水前需要进行调理以改善污泥脱水性能，化学调理是主要的污泥调理方法。化学调剂即向污泥中加入絮凝剂时污泥中细小的颗粒形成大的絮体沉降下来以提高污泥脱水性能。

本文主要通过在高有机质含量污泥中加入各种不同类型的絮凝剂，测定其毛细吸水时间（CST）来表征不同絮凝剂的脱水能力的差异，旨在探寻两性型有机絮凝剂在高有机物含量污泥脱水中的作用。

实验发现所选取絮凝剂中，高阳离子度阳离子型有机混合絮凝剂对高有机物含量污泥的作用效果最好，其次是添加了部分两性型有机絮凝剂的高阳离子度阳离子型有机混合絮凝剂，第三第四分别为两性型聚丙烯酰胺以及阳离子型聚丙烯酰胺。随后，本文根据絮凝剂的作用机理总结了阴离子在两性型有机絮凝剂的作用并且对实验结果做出了解释。

关键词：两性型有机絮凝剂；污泥脱水；阳离子型有机絮凝剂；絮凝剂作用机理；高有机物含量污泥；

Abstract

With the rapid development of China's sewage treatment industry, the production of sludge has also increased rapidly. It is estimated that by 2020, the total amount of excess sludge in urban sewage treatment plants will exceed 60 million tons. Sludge contains a lot of harmful substances such as bacteria, parasites and heavy metal ions. If not handled properly, it will cause great harm to the environment.
The sludge should be treated before disposal, and the sludge treatment effect will seriously affect whether the sludge can be disposed of smoothly, so sludge treatment is an urgent problem to be solved. The main purpose of sludge treatment is to reduce, reduce and detoxify the sludge. A sludge treatment method currently widely used at home and abroad is sludge dewatering, accounting for more than 70%.
The sludge needs to be conditioned before dewatering to improve sludge dewatering performance. Chemical conditioning is the main sludge conditioning method. When the chemical adjustment agent adds the flocculant to the sludge, the fine particles in the sludge form large flocs to settle to improve the sludge dewatering performance.
In this paper, the difference of dehydration ability of different flocculants was characterized by adding various types of flocculants to the high organic matter sludge and determining the capillary water absorption time (CST). The purpose of this study was to explore the high organic content of amphoteric organic flocculants. The role of sludge dewatering.
It was found that among the selected flocculants, the high-cationic cationic organic flocculant had the best effect on the high organic matter sludge, followed by the high-cationic cationic organic flocculant with some amphoteric organic flocculants. The third and fourth are respectively an amphoteric polyacrylamide and a cationic polyacrylamide. Subsequently, based on the action mechanism of flocculants, the role of anions in amphoteric organic flocculants was summarized and the experimental results were explained.

Key words: Amphoteric organic flocculant; sludge dewatering; cationic organic flocculant; flocculant action mechanism; high organic matter sludge;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 污泥处理处置技术 1

1.2.1 污泥的定义 1

1.2.2 污泥的分类 2

1.2.3 污泥的浓缩 2

1.2.4 污泥的脱水 4

1.2.5 污泥的调理 5

1.2.6 污泥的处置 6

1.3 絮凝剂的分类 7

第2章 实验内容及方法 8

2.1 基本实验方法 8

2.1.1 污泥脱水性能的表征 8

2.1.2 污泥毛细管吸附时间测定方法 8

2.1.3 其他试验方法 9

2.2 各絮凝剂最佳投加量的确定 11

2.2.1 氯化铝 11

2.2.2 聚二甲基二烯丙基氯化铵 11

2.2.3 阳离子型聚丙烯酰胺（低阳离子度） 11

2.2.4 两性型聚丙烯酰胺（低阴离子、阳离子度） 12

2.2.5 混合型 12

2.2.6 高离子度阳离子型混合絮凝剂 12

2.3 处理污泥效率的比较 12

2.4 阴阳离子度对两性有机絮凝剂脱水效果的影响 13

第3章 实验结果分析及讨论 14

3.1 絮凝剂作用污泥脱水基本理论 14

3.1.1 污泥水分存在形式及其特性 14

3.1.2 絮凝剂作用机理 14

3.1.3 影响污泥化学调理效果的因素 15

3.2 两性有机高分子絮凝剂在高有机物含量污泥脱水中的作用 16

第4章 展望 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪论

1.1 引言

对所有生活在地球上的生物来说，水一直是最重要的资源之一。人类社会与水之间一直有着不可分割的亲密关系。几乎所有的古代文明起源于大河的河岸。即使是现在，水仍然是人们保持健康和愉悦生活必不可少的一种资源。

随着社会经济的进步，城市人口逐渐增加，城市生活污水排放逐步增加，全国城市污水处理厂数量逐年增加。从2001年到2012年，我国污水排放总量由433亿吨增加到685亿吨，增加285亿吨。平均每年排放21亿吨废水，复合年平均增长率为4.3％。截至 2013 年年底，全国污水处理率为75.21％，将污泥排放量估计为污水处理量的0.3-0.5％（按含水量的97％计算），2012 年污泥排放总量约2亿吨～3.3亿吨，折合成干重约 600 万吨～900 万吨^[1]。随着污水处理厂增长速率的提高以及污水处理效率的增长，我国污泥产生量必将以更快的速度产生，给我国的污泥处理能力带来严峻的挑战。

污泥脱水是污泥处理的重要组成部分，只有经过污泥脱水后的污泥，含水率降低，才能进行更进一步的处置，如做堆存，焚烧，湿式氧化等，最终将污泥转化为可用能源，降低其危害，对其进行利用。

近年来，我国政府也出台了一系列政策推动污泥处理产业的进一步发展。例如，2016 年国务院印发的《“十三五”生态环境保护规划》中明确指出大力推进污泥稳定化、无害化、资源化处理处置，要求京津冀地区的污泥无害化处理达到 95％，地级及以上城市污泥无害化处理处置率达到 90％^[2]。由于政府的大力支持，我国污水处理厂的数量以迅猛的数量递增。据统计，截止2018年年末，我国污水处理厂的数目已超过2000余座。在“十三五”期间，中央更是投入2000亿元人民币推进污水处理厂的污泥处理工作加速完成。虽然任务严峻，但有了党和政府的大力支持，污泥处理技术的不断提升，我国的污泥处理能力和效果必将有新的突破，新的跨越。

1.2 污泥处理处置技术

1.2.1 污泥的定义

污泥有着不同的定义。1994年，美国环保署将污泥定义为：污泥是污水处理厂处理污水过程中产生的固态、半固态和液态的剩余物。1995年，世界水环境组织将污泥重新改名为生物固体，以此来强调其环保价值。在我国，污泥至今并未被明确定义，其中《城镇污水处理厂污泥处置分类》（GB/T 23484-2009）将污泥定义为城镇污水处理厂在污水净化处理过程中产生的含水率不同的废弃物。换句话来说，污泥是指在给水、废水（包括污水）处理中，采用各种分离方法去除溶解、悬浮或胶体固体物质。这些不同方法产生的沉积物统称为污泥^[3]。

1.2.2 污泥的分类

污泥来源于五个方面：一是城市给水厂产生的污泥；二是城市污水处理厂产生的污泥；三是城市水体疏浚淤泥；四是城市排水沟产生的污泥；五是城市建筑工地泥浆。

按照不同的准则进行分类，可将污泥分为以下几类：

1）按污水处理厂污泥的不同来源分：

它可分为栅渣、沉淀池沉渣、浮渣、初沉污泥、剩余活性污泥、腐殖污泥和化学污泥。

2）按污泥的成分和某些性质分

可分为有机污泥和无机污泥、亲水性污泥和疏水性污泥。

3）按污泥处理的不同阶段分可分为：

（1）生污泥或新鲜污泥，即未被处理过的污泥；

（2）浓缩污泥，即经浓缩处理后的污泥；

（3）消化污泥，即经厌氧消化或好氧消化稳定的污泥；

（4）脱水污泥，即经脱水处理后的污泥；干化污泥，即干化后的污泥。

1.2.3 污泥的浓缩

一般来说，污泥的处理包括污泥浓度、调整、脱水、干燥等过程。

降低污泥的含水率和体积是污泥浓缩的主要目标。污泥浓缩可以通过多种方法降低污泥的水分含量，从而减少污泥体积。并且还能改变其物理状态（见下表1.1），以便进一步处置利用。

含水率与污泥状态对应表

表1.1

重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩是污泥浓缩的主要方法，重力浓缩在其中应用最为广泛。

1）重力浓缩

重力浓缩是三种浓缩方式中最为节能的一种浓缩方法，重力浓缩不需要外加而外的能量，

重力浓缩是利用重力作用进行自然沉降的一种分离方法。它不需要额外的能源，是最节能的污泥浓缩方法。由于浓缩前污泥浓度较高，污泥相互接触和支撑。在浓缩开始时，由于受到上层粒子的重力压迫，下层粒子缝隙中的水被挤压出界面，粒子彼此之间的拥挤更加紧密。在这种过程下，污泥的浓度不断地提高，最终达到了浓缩污泥的目的。

对该工艺影响较大的是浓缩率的变化幅度，即在该工艺过程中需要严格控制浓缩缩率的变化幅度保持在一定范围内，不能过大，过大会对后续的脱水工艺造成影响。密度大于1g/cm³的污泥都可以利用固体与水的密度差进行重力浓缩，因为密度大从而沉降性能好，易实现重力浓缩，因此重力浓缩法适合密度较大的污泥如化学污泥、初沉污泥和生物膜污泥。

重力浓缩要求上清液比较清，没有污泥颗粒随水流出，浓缩污泥中水的质量分数应降到95％，但是浓缩效果受污泥的沉降性能、污泥中固形物质质量分数、污泥颗粒性质以及污泥来源等因素影响。

2）气浮浓缩

气浮浓缩是使溶于水中的气体以微气泡的形式释放出来，并能迅速又均匀地

附着于污泥固体颗粒上，使固体颗粒的密度小于1g/cm3而产生上浮，从而使固体颗粒与水分离。一般来说，固体颗粒与水的密度差越大，气浮浓缩的结果就越好。气浮浓缩简介见表1.2。

气浮浓缩简介表

表1.2

3） 离心浓缩

离心浓缩是在污泥中固体、液体的相对密度差和惯性差不同的情况下，利用其在离心场中受到的离心力不同的原理来进行浓缩。因为机器产生的离心力远大于物体本身的质量或其受到的浮力，固其分离速度较快，浓缩效率较高。离心浓缩可用于污泥颗粒直径非常小的浓缩。

转筒式、笼式、转盘式、盘喷嘴式是最常见的离心浓缩设备。离心浓缩法具有占地面积小、设备成本低等优点，但运行成本和机械维护成本较高，一般用于难以浓缩的剩余活性污泥。

1.2.4 污泥的脱水

污泥的浓度会因为浓缩和脱水而增加。大大多数污泥浓缩装置可达到5％-10％的固体浓度，脱水装置可达到20％-50％的固体浓度。污泥性质；调质类型；脱水装置类型在很大程度上影响着脱水污泥的固体浓度^[4]。

机械脱水和自然脱水是污泥脱水过程的两种主要方法。机械脱水则包含压力过滤、离心脱水、真空过滤、旋转挤压和电渗透脱水。

1）机械脱水

污泥机械脱水是由过滤介质两侧的压差驱动，使污泥水分通过过滤介质形成滤液，而固体颗粒截留在介质上形成滤饼，以此达到脱水的目的。由于压差的推动力不同，污泥机械脱水可分为三大类：

（1）把负压加在过滤介质的一面上进行脱水，即真空吸滤脱水；

（2）把正压加到过滤介质的一面，即压滤脱水；

（3）通过的离心力的不同分离泥水，即离心脱水。

2）电渗透脱水

通常认为污泥是一个非均相体系，它的主要组成成分是亲水胶体以及大颗粒凝聚体。它具有胶体的特性。传统的机械方法只能除去污泥中的表面吸附水和毛细水，对于结合水和间隙水束手无策。而电渗透脱水经由外加电场增强了污泥的脱水性能，使得毛细管水和间隙水更容易被脱去，因此要优于传统的机械脱除方法，在近年来逐步开展了应用。

根据进一步的研究，电渗透脱水的脱水效率是一般脱水方法的110％至120％，这种脱水效率已经达到了热处理脱水的效率标准，可以说电渗透脱水是目前最好的污泥脱水方法之一。达到这种效率的关键在于电渗透脱水不受因污泥本身质量而致使污泥中的水通道阻塞所造成的阻力增加的影响。

在实际应用中，电渗透脱水往往与传统机械脱水相配合，在机械脱水时引入直流电场，外加一个电场力，通过机械力和电场力相结合来提高脱水效率。主流的结合方式有两种，分别称为串联式和叠加式。串联式是先对污泥进行机械脱水，然后对其进行电渗透脱水；叠加式则是指对污泥同时进行机械脱水和电渗透脱水，即污泥同时受到两种力的作用进行脱水。

1.2.5 污泥的调理

污泥调理主要涉及通过不同的理化方法改变污泥的物理化学性质，调整污泥胶体颗粒群的排列，克服电排斥和水合作用，降低污泥对水的亲和及凝聚力，同时颗粒尺寸变大，使污泥的脱水性能得到改善，脱水效果得到加强^[6]。

污泥调理工艺按机理可分为三类：

1.物理法，一般是指通过施加能量或应力来改变污泥性质的方法，如冷冻融化、加热、微波、超声波、高压及辐射处理等。

2.化学法，即在污泥中投加化学试剂来改变污泥的特性，如改变污泥的酸碱值、离子强度。在污泥中添加无机金属盐类调理剂或絮凝剂或有机高分子絮凝剂、臭氧曝气以及酶等添加剂可以显著改善污泥的脱水性能。

3.生物法，指通过微生物对污泥中的有机物或部分无机物进行好氧或者厌氧消化。好氧或厌氧菌群可以通过污泥中的碳、氮、磷等成分作为自己的基础代谢消耗能量源，从而使污泥的量减少。此外，微生物代谢作用可以破坏污泥中的孔隙结构。