《排水工程》(下册)第四版课件

作者:威廉官网 | 2021-02-20 20:34

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  污 Municipal Sludge Digesters 泥 的 处 理 处 置 与 利 用 1 第8章 污泥处理 ? 主要内容 ? (1)污泥的分类、性质及计算 ? (2)污泥浓缩 ? (3)污泥的厌氧消化 ? (4)污泥的其它稳定措施 ? (5)污泥的调理 ? (6)污泥的干化与脱水 ? (7)污泥的干燥与焚化 ? (8)污泥的有效利用与最终处理 2 ? 本次课的内容: ? (1)污泥的分类、性质及计算 ? (2)污泥浓缩 ? 本次课的重点难点: ? (1)污泥含水率变化对容积的影响 ? (2)污泥浓缩方法 3 第一节 污泥的分类、性质及排除 一、概述 ? 1.污泥产量 ? 约占处理水量的0.3%~0.5%左右(以含水率为 97%计)。(量) ? 2.污泥中物质 ? (1)有害有毒物质:寄生虫卵、病原微生物、细 菌、合成有机物及重金属离子等; ? (2)有用物质:植物营养原素(氮、磷、钾)、有 机物及水分等。 ? 3.污泥处理的目的: ? (1)使污水处理厂能够正常运行,确保污水处 理效果; ? (2)使有害有毒物质得到妥善处理或利用; ? (3)使容易腐化发臭的有机物得到稳定处理; ? (4)使有用物质能够得到综合利用,变害为利。 ? 总之,污泥处理的目的是使污泥减量、稳定、 无害化及综合利用。 ? 4.污泥处理费用 ? 占水处理厂的全部建设的20%~50%,甚至 70%。 ? 5.污泥处理方案 ? (1)生污泥一浓缩一消化一自然干化一最终处置 ? (2)生污泥一浓缩一自然干化一堆肥一最终处置 ? (3)生污泥一浓缩一消化一机械脱水一最终处置 ? (4)生污泥一浓缩一机械脱水一干燥焚烧一最终处置 ? (5)生污泥一湿污泥池一最终处置 ? (6)生污泥一浓缩一消化一最终处置 ? 上述生污泥指未经消化处理的污泥,详见后述。 ? 污泥最终处置方法包括作为肥料施用 于农田、森林、草地或沙漠改良;填地 或投海;作为能源或建材;焚烧等。 ? 污泥处理方案的选择,应根据污泥的 性质与数量;投资情况与运行管理费用; 环境保护要求及有关法律与法规;城市 农业发展情况及当地气候条件等情况, 综合考虑后选定。 ? 二、 污泥的分类、性质及性质指标 ? 1.污泥的分类与性质 ? (1)按成分分类 ? 污泥 以有机物为主要成分 ? 沉渣 以无机物为主要成分 ? (2)按来源不同分 ? ①初次沉淀污泥 来自初次沉淀池。 ? ②剩余活性污泥 来自活性污泥法后的二次沉 淀池。 ? ③腐殖污泥 来自生物膜法后的二次沉淀池。 ? 以上3种污泥可统称为生污泥或新鲜污泥,这 是污泥处理的主要对象 ④消化污泥 生污泥经厌氧消化或好氧消化 处理后,称为消化污泥或熟污泥。 ? ⑤化学污泥 用化学沉淀法处理污水后产生的 沉淀物称为化学污泥或化学沉渣。 ? 2.污泥的性质指标 ? 用于表示污泥性质的主要指标有: (1)污泥含水率 (2)挥发性固体 (3)可消化程度 (4)湿污泥相对密度与干污泥相对密度 (5)污泥肥分 (6)污泥重金属离子含量 (1)污泥含水率 ? 污泥中所含水分的重量与污泥总重量之比的百 分数称为污泥含水率。污泥的含水率一般都很 高,比重接近于1。污泥的体积、重量及所含 固体物浓度之间的关系,可用下式表示: ? 式中 ? p1,V1,Wl,Cl:污泥含水率为p1时的污泥体 积、重量与固体物浓度; ? p2,V2,W2,C2:污泥含水率变为p2时的污 泥体积、重量与固体物浓度。 11 ? 例题:污泥含水率从97.5%降低到95% 时,求污泥体积 ?解 由 V2 ? V1 100 ? p1 ? V1 100 ? 97.5 ? 1 V1 ? 100 ? p2 100 ? 95 2 可见污泥含水率从97.5%降低至95%, 体积减少一半。 上式适用于含水率大于65%的污泥。因 含水率低于65%以后,体积内出现很多 气泡,体积与重量不再符合上式关系。 12 ? (2)挥发性固体(或称灼烧减重)和灰分(或称 灼烧残渣) ? 挥发性固体近似地等于有机物含量;灰分 表示无机物含量。 ? (3)可消化程度 表示污泥中可被消化降解 的有机物数量。 Rd ? (1? p p V2 S1 p p V1 S2 ) ?100 ? Rd—可消化程度,%; ? pSl,pS2—分别表示生污泥及消化污泥的无机 物含量,%; ? pV1,pV2—分别表示生污泥及消化污泥的有机 物含量,%。 因此消化污泥量可用下式计算: Vd ? (100 ? p1)V1 [(1 ? pV1 ) ? pV1 (1 ? Rd )] 100 ? pd 100 100 100 ? 式中 ? Vd——消化污泥量,m3/d; ? pd——消化污泥含水率,%,取周平均值 ? Vl——生污泥量,m3/d,取周平均值; ? p1——生污泥含水率,%,取周平均值; ? pV1——生污泥有机物含量,%; ? Rd——可消化程度,%,取周平均值。 ? (4)湿污泥相对密度与干污泥相对密度 ? 湿污泥重量等于污泥所含水分重量与干固 体重量之和。 ? 湿污泥比重等于湿污泥重量与同体积的水 重量之比值。由于水的相对密度为1,所以 湿污泥的相对密度 ? 可用下式计算: ? ? p ? (100 ? p) ? 100? s ? 式中: ? ? 湿污泥相对密度; p ? 100 ? p ?s p? s ? (100 ? p) ? p: 湿污泥含水率,%; ? ? s 污泥中干固体物质平均相对密度,即干污泥相对密 度 ? 干固体中,有机物(即挥发性固体)所占百分比及其相对 密度分别用pv,? v表示,无机物(即灰分)的相对密度用 rf表示,则干污泥平均相对密度rs可用下式计算: 100 ? pV ? 100 ? pV ?s ?V ?f ?s ? 100? f ? V 100? V ? pV (? f ??V ) ? 有机物相对密度一般等于1,无机物相对密度 约为2.5~2.65,以2.5计,则上式可简化 ? s ? 100 250 ?1.5 pV ? 故湿污泥相对密度为 ?? 25000 250 p ? (100 ? p)(100 ?1.5 pV ) ? 确定湿污泥相对密度和干污泥相对密度,对于 浓缩池的设计、污泥运输及后续处理,都有实 用价值 ? 例2 已知初次沉淀池污泥的含水率为95 %,有机物含量为65%。求干污泥相对密 度和湿污泥相对密度。 ? 解:干污泥相对密度用下式计算 ?s ? 250 100 ?1.5 pV ? 250 100 ?1.5? 65 ? 1.26 ? 湿污泥相对密度用下式计算 ?? 100? s ? 100 ?1.26 ? 1.008 p? s ? (100 ? p) 95 ?1.26 ? (100 ? 95) ? (5)污泥肥分 污泥中含有大量植物生长所必 需的肥分(氮、磷、钾)、微量元素及土壤改 良剂(有机腐殖质)。我国城市污水处理厂各 种污泥所含肥分见下表。 我国城市污水处理厂污泥肥份表 污泥类别 总氮(%) 初沉污泥 2~3 磷 (以P2O5计)(%) 1~3 钾 (以K2O计)(%) 0.1~0.5 有机物(%) 50~60 活性污泥 3.3~7.7 0.78~4.3 0.22~0.44 60~70 消化污泥 1.6~3.4 0.6~0.8 25~30 ? (6)污泥重金属离子含量 ? 污泥中重金属离子含量,决定于城市污水 中工业废水所占比例及工业性质。 ? 污水经二级处理后,污水中重金属离子约 有50%以上转移到污泥中。因此污泥中的 重金属离子含量一般都较高。 ? 故当污泥作为肥料使用时,要注意重金属 离子含量是否超过我国农林业部规定的 《农用污泥标准》。 ? 下表列举我国城市污水处理厂污泥中重金 属含量的范围。 20 我国城市污水处理厂污泥中重金属成分及含量(mg/Kg) 重金属离子名称 Hg Cd Cr Pb As Zn Cu Ni 汞 镉 铬铅砷锌 铜 镍 含量范围 4.63- 3.6- 9.2- 85- 12.4- 300- 55- 30138 24.1 540 2400 560 1119 460 47.5 农林业部农用污泥 5 5 600 300 75 500 250 100 标准 (GB4284-84) 酸性土壤pH6.5; 15 20 1000 1000 75 1000 500 200 中性或碱性土壤 pH》6.5 21 3. 污泥量、污泥的水力特性及输送的计算 ? (1)污泥量 ? 初次沉淀污泥量 V ? 100 C0?Q 103(100 ? p)? ? 式中 V:初次沉淀污泥量,m3/d; ? Q:污水流量;m3/d;? :去除率,%; ? C0:进水悬浮物浓度,mg/L;p:污泥含水率,%; ? :沉淀污泥密度,以1000kg/m3计。 ? ?上式适用于初次沉淀池,二次沉淀池的污泥量也可近 似地按该式计算,? 以80%计。 22 ? 剩余活性污泥量还可用用下式进行计算, Qs ? ?X fX r ? 消化污泥量 Vd ? (100 ? p1)V1 [(1 ? pV1 ) ? pV1 (1 ? Rd )] 100 ? pd 100 100 100 (2)污泥的输送 1)污泥输送的方法 ? ①管道(压力管道或重力管道) ? ②卡车 ? ③驳船 ? ④以及它们的组合方法。 ? 采用何种方法决定于污泥的数量与性质; 污泥处理的方案;输送距离与费用;最 终处置与利用的方式等因素。 24 管道、卡车、驳船输送综合经济比较表 投资 管道输送 1 驳船装运 0.82~1.30 卡车输送 2.25~7.00 管理费 1 输送1m的成本 1 2.60~4.00 6 27.0~34.0 30 25 ? 2) 污泥输送设备 ? a.隔膜泵 ? b.旋转螺栓泵 ? c.螺旋泵 ? d.混流泵 ? e.多级柱塞泵 ? f.离心泵 ? (3)、污泥流动的水力特性与水力计算 ? 1)、污泥流动的水力特性 ? 污泥在含水率较高(高于99%)的状态下,属 于牛顿流体,流动的特性接近于水流。 ? 随着固体浓度的增高,污泥的流动显示出半 塑性或塑性流体的特性,必须克服初始剪力 τ0以后才能开始流动,固体浓度越高, τ0值 也越大。 27 ? 所以污泥流动特性不同于水流。污泥流 动 在的 ,阻阻力力,很在大层 ,流 因条 此件 污下 泥, 输由 送于管道τ0值的的设存 计,常采用较大流速,使泥流处于紊流 状态。 ? 污泥流动的下临界速度约为1.1m/s, 上临界速度约为1.4m/s。污泥压力管 道的最小设计流速为1.0~2.0m/s。 ? 2)、压力输泥管道的沿程水头损失 ? 哈森-威廉姆斯(Hazen Williams)紊流公式 hf ? 6.82( L )( v )1.85 D1.17 CH ? hf:输泥管沿程水头损失,m; ? L:输泥管长度,m; ? D:输泥管管径,m; ? v:污泥流速,m/s; ? CH:哈森-威廉姆斯系数,其值决定于污泥 浓度,适用于各种类型的污泥,根据污泥浓 度,查下表得。 污泥浓度(%) CH值 0.0 100 2.0 81 4.0 61 污泥浓度(%) 6.0 8.5 10.1 污泥浓度与CH值 CH值 45 32 25 30 ? 长距离管道输送时,由于污泥,特别是生 污泥、浓缩污泥,可能含有油脂、固体浓 度较高,使用时间长后,管壁被油脂粘附 以及管底沉积,水头损失增大。 ? 为安全考虑,用哈森-威廉姆斯紊流公式 计算出的水头损失值,应乘以水头损失系 数K。 ? K值与污泥类型及污泥浓度有关,可查下图。 根据计算所得水头损失值,选择污泥泵。 31 32 ? 由上图可知,污泥浓度在1%~6%之 间时,消化污泥的K值变化不大,约为 1.0~1.5; ? 生污泥及其浓缩污泥的K值提高较大, 约为1.0~4.0之间。 ? 根据乘以K值后的水头损失值选泵,则 运行更为可靠。 33 ? 例 某城市污水处理厂的设计污泥流量为 226.8m3/h(0.063m3/s),含水率98%(污 泥浓度为2%)。用管道输送至农场长期利用, 管道长度为5km,求管道输送时的水头损 失值。 ? 解 因污泥流量为0. 063m3/s,采用紊流 状态输送污泥,取流速为2.0m/s,管径为 200mm。 ? 水头损失值用哈森-威廉姆斯紊流公式计算: ? 因污泥含水率为98%,即污泥浓度为2%, 查教材表8-4得系数CH=81。 hf ? 6.82( L D1.17 v )( CH )1.85 ? 6.82 ( 5000 0.21.17 )( 2 81 )1.85 ? 238 .5m ? 若输送的污泥是消化污泥,根据污泥浓 度为2%,查教材图8-3,得K=1.03, 修正后的水头损失为: ? hf=1.03×238.5=245.6m ? 若输送的污泥是生污泥,查教材图8-3, 得K=1.2,修正后的水头损失值为 ? hf=1.2×238.5=286.2m ? 根据修正后的水头损失值选污泥泵。 3)、压力输泥管的局部水头损失 ? 长距离输泥管道的水头损失,主要是沿程水头 损失。局部水头损失所占比重很小,故可忽略 不计。但污水处理厂内部的输泥管道,因输送 距离短,局部水头损失必须计算。局部水头损 失值的计算公式见下式。 ? 式中 ? hi:局部阻力水头损失,m; ? ξ:局部阻力系数,见教材表8-5 ? v:管内污泥流速,m/s; ? g:重力加速度9.8 m/s2。 38 第二节 污泥浓缩 一、概述 初次沉淀池泥含水率介于95%~97%,剩 余活性污泥达99%以上。因此污泥的体积 非常大,对污泥的后续处理造成困难。 污泥浓缩的目的在于减容。 污泥中所含水分大致分为4类: (1)颗粒间的空隙水; (2)毛细水,即颗粒间毛细管内的水; (3)污泥颗粒吸附水; (4)颗粒内部水。 约占70% 空隙水 毛细水 约占20% 吸附水 内部水 约占l0% 污泥水分示意图 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 40 降低含水率的方法有: (1)浓缩法 用于降低污泥中的空隙水; (2)自然干化法和机械脱水法 主要脱除 毛细水; (3)干燥与焚烧法 主要脱除吸附水与内 部水 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 41 浓缩 方法 重力浓缩 气浮浓缩 离心浓缩 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 42 二、 重力浓缩 重力浓缩构筑物称重力浓缩池。 根据运行方式不同。可分为连续式重力浓 缩池、间歇式重力浓缩池两种。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 43 1.固体通量 单位时间内,通过单位面积的固体重量叫 固体通量,kg/(m2 ·h)。 当浓缩池运行正常时,池中固体量处于动 平衡状态,见下图所示。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 44 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 45 单位时间内进入浓缩池的固体重量,等于 排出浓缩池的固体重量(上清液所含固体重量 忽略不计)。 通过浓缩池任一断面的固体通量,由两部 分组成,一部分是浓缩池底部连续排泥所造 成的向下流固体通量;另一部分是污泥自重 压密所造成的固体通量。 即: G=Gu+Gi Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 46 (1)向下流固体通量 : Gu=uCi Gu_—向下流固体通量。kg/(m2·h); u—向下流流速,即由于底部排泥导致产生 的界面下降速度。m/h。 Ci—断面I-I处的污泥固体浓度,kg/m3。 由上式(Gu=uCi )可见,当u为定值时,Gu与 Ci成直线(b)中的直线。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 47 400 固体通量(kg/m2?d) 300 GL 200 100 0 Cm 10 b a’ 3 (Cu,CL) a u =5m/d CL 20 30 固体浓度 (kg/m3) CE(EEGb;Ba)eoijJin.Fg. Tech 2 Cu 40 50 48 (2)自重压密固体通量 : Gi=viCi Gi—自重压密固体通量,kg/(m2·h); vi—污泥固体浓度为Ci时的界面沉速,m/h。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 49 根据式(Gi=viCi),可作Gi-Ci关系曲线(b)中的曲线mg/L时,不会出现泥水界 面,故曲线不能向左延伸。Cm即等于形成 泥水界面的最低浓度。 (3)总固体通量 浓缩他任一断面的总固体通量等于式 (Gu=uCi )和式(Gi=viCi )之和, G=Gu+Gi=uCi+viCi=Ci(u+vi) 即图8-7中曲线叠加得曲线。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 50 图8-7(b),曲线即用静态试验的方法,表 征连续式重力浓缩池的工况。经曲线的最 低点b作切线截纵坐标于GL点,最低点b的 横坐标为CL称为极限固体浓度, 其物理意义是:固体浓度如果大于CL,就 通不过这个截面。 GL就是极限固体通量,其物理意义是:在 浓缩池的深度方向,必存在着一个控制断 面,这个控制断面的固体通量最小,即GL。 其他断面的固体通量都大于GL。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 51 根据固体通量可以计算浓缩池的设计断面面积: A ? Q0C0 GL A—浓缩池设计表面积,m2; Q0—入流污泥量,m3/h; C0—入流污泥固体浓度,kg/m3; GL—极限固体通量,kg/(m2·h)。 Q0 , C0 是已知数, GL值可通过试验或参 考同类性质污水厂的浓缩池运行数据。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 52 2.重力浓缩池的构造形式 (1)间歇式重力浓缩池 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 53 (2)连续式重力浓缩池 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 54 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 55 连续式重力浓缩池的其他形式 多斗式浓缩池 多层辐射式浓缩池,适 用于土地紧缺的地区 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 56 3.设计计算 1) 间隙式污泥浓缩池 设计参数:停留时 间一般为9~12h。 浓缩池的上清液, 应回到初沉池前重新处 理。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 57 2)3连.设续式计污计泥浓算缩池 A.面积计算 B.水深 A ? Q0C0 GL 有效水深一般采用4m,竖流式的水深按沉 淀部分上升流速不大于0.1mm/s进行核算。 浓缩池的容积应按浓缩10—16小时核算。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 58 二、气浮浓缩法 气浮浓缩法主要适用于密度接近于1、疏 水的污泥,或容易发生膨胀的污泥,一 般多采用的是压力溶气气浮法。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 59 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 60 三、离心浓缩法 离心浓缩法是利用污泥中的固体即污泥与其中 的液体即水之间的密度有很大的不同,因此在 高速旋转的离心机中具有不同的离心力,从而 可以使二者分离。一般离心浓缩机可以连续工 作,污泥在离心浓缩机中的HRT仅为3 min, 而出泥的含固率可达4%以上,即出泥的含水 率可以达到96%以下。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 61 离心筛网浓缩器 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 62 微孔滤机浓缩 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 63 第三节 污泥的厌氧消化 主要内容: (1)厌氧消化的机理 (2)厌氧消化动力学 (3)厌氧消化的影响因素 (4)厌氧消化池池形、构造与设计 (5) 消化池的运行与管理 重点难点: (1)厌氧消化的机理 (2)厌氧消化的影响因素 (3)厌氧消化池池形、构造与设计 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 64 一、厌氧消化的机理 1.三阶段消化理论 (1)第一阶段 碳水化合物(脂肪、蛋白质)在水解发酵菌作用下→糖 类、脂肪酸、氨基酸、水和二氧化碳; 参与反应的微生物:细菌、原生生物和真菌 ? 纤维素分解菌—最重要的一步;产物CO2,H2,已醇; ?碳水化合物分解菌—产物是葡萄糖; ?蛋白质分解菌---生成氨基酸 ?脂肪分解菌→脂肪酸 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 65 (2)第二阶段 脂肪酸在产氢产乙酸菌作用下→H2、CO2、乙 酸; 参与反应的微生物: 产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌 产物: 乙酸、甲烷、CO2、H2 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 66 (3)第三阶段 通过两组生理不同的产甲烷菌的作用,产生CH4 1)一组把 H2和CO2转化为CH4 4H2+CO2→CH4+2H2O (1/3)CO2还原 2)一组对乙酸脱羧产生CH4 2CH3COOH→2CH4+2CO2 (2/3)乙酸脱羧 参与反应的微生物: 产甲烷细菌 主要产物:CH4 产甲烷细菌属于绝对厌氧菌 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 67 2.模式图 4% 复杂有机物 水解与发酵 第一阶段 76% 较高级有机酸 20% 生成乙酸与脱氢 第二阶段 H2 28% CH4 乙酸 72% 生成甲烷 第三阶段 有机物厌氧消化模式图 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 68 二、厌氧消化动力学 在厌氧消化条件下,BOD5的去除也遵循 一级反应动力学规律。 由于甲烷发酵阶段是厌氧消化速率的控 制因素,因此,厌氧消化反应动力学是 以该阶段作为基础建立的。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 69 厌氧消化反应动力学方程式: -dS/dt—底物去除速率,质量/体积.时 dS kSX ? dt KS ? S dX ? Y ?? dS ?? ? bX dt ? dt ? 间; k—单位质量底物的最大利用速率,质 量/细菌质量; S—可降解的底物,质量/体积; Ks—半速度常数,质量/底物体积,即 在生长速率等于最大生长速率1/2时的 底物浓度; X—细菌浓度,质量/体积; dX dt ? ? ? YkS ? b X KS ? S dx/dt—细菌增长速率,质量/体积·时间; Y—细菌产率,细菌质量/底物质量; b——细菌衰亡速率系数,d-1 μ—细菌净比增殖速率)1/d Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 70 用上式进行物料衡算,可推导出细菌增 殖速率与生物体平均停留时间 ?C 之间的 关系式,即: 解上式得 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 71 底物降解效率E按下式计算 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 72 三、 厌氧消化的影响因素 因甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制因素, 因此厌氧反应的各项影响因素也以对甲烷菌 的影响因素为准。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 73 1.温度 甲烷菌对于温度的适应性,可分为两类,即中 温甲烷菌(适应温度区为30~36℃);高温甲烷菌 (适应温度区为50~53℃)。 厌氧消化分为中温消化和高温消化。 消化反应与温度之间的关系是不连续的。 温度与有机物负荷、产气量关系见下图 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 74 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 75 中温消化条件下,挥发性有机物负荷为 0.6~1.5kg/(m3·d),产气量约l~1.3m3/ (m3·d); 高温消化条件下,挥发性有机物负荷为 2.0~2.8kg/(m3·d),产气量约3.0~4.0m3 /(m3·d)。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 76 中温或高温厌氧消化允许的温度变动范围为 1.5~2.0℃。 当有3℃的变化时,就会抑制消化速率,有 5℃的急剧变化时,就会突然停止产气,使 有机酸大量积累而破坏厌氧消化。 消化温度与消化时间的关系,消化时间是指 产气量达到总量的90%所需时间。两者关系 下图。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 77 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 78 由图可见,中温消化的消化时间约为 20d-30d,高温消化约为10d-15d。 因中温消化的温度与人体温接近,故对 寄生虫卵及大肠菌的杀灭率较低; 高温消化对寄生虫卵的杀灭率可达99%, 对大肠菌指数可达10-100,能满足卫生 要求(卫生要求对蛔虫卵的杀灭率95%以 上,大肠菌指数10一100). Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 79 2.生物固体停留时间(污泥龄)与负荷 ? θc=Mr/Фe ? Mr —消化池内总生物量 Фe=Me/t —消化池每日排出的生物量; Me—排出消化池的总生物量,kg t—排泥时间,d 厌氧消化效果的好坏与污泥龄有直接关系 消化池的容积负荷和水力停留时间(即消化时 间)的关系见下图。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 80 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 81 有机物降解程度是污泥龄的函数,而不是进水 有机物的函数。 消化池的容积设计应按有机负荷污泥龄或消化 时间设计。所以只要提高进泥的有机物浓度, 就可以更充分地利用消化池的容积。 由于甲烷菌的增殖较慢.对环境条件的变化十 分敏感,因此,要获得稳定的处理效果就需要 保持较长的污泥龄。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 82 消化池的有效容积 V=Sv/S, Sv—新鲜污泥中挥发有机物重量,kg/d S—挥发性有机物负荷 中温:0.6-1.5kg/m?.d 高温:2.0-2.8kg/m?.d Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 83 消化池的投配率是每日投加新鲜污泥体 积占消化池有效容积的百分数。 投配率是消化时间的倒数。 投配率过高,消化时间短,消化池内脂 肪酸可能积累,pH下降,污泥消化不完 全,产气率降低; 投配率过低,消化时间长,污泥消化较 完全,产气率较高,消化池容积大,基 建费用增高。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 84 根据我国污水处理厂的运行经验,城市污水处 理厂污泥中温消化的投配率以5%~8%为宜, 相应的消化时间为1/5%=20d-1/8%=12.5d 高温消化投配率(10-16%) Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 85 3.搅拌和混合 作用: (1)细菌与污泥充分混合 (2)使整个消化池内的温度、底物、甲烷细 菌分布均匀 (3)避免在消化池的表面结成泥壳,加速消 化气的释放 搅拌的方法—般有: 泵加水射器搅拌法; 消化气循环搅拌法 混合搅拌法等。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 86 4.碳氮比 污泥细胞的分子式:C5H7NO3 即C/N=5:1, 一般C/N在(10~20) : 1时,消化效果比 较好。 C/N高,细胞的氮不足,缓冲能力下降,PH 下降 C/N低,氮量上升,铵盐积累,抑制消化 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 87 初次沉淀池的碳氮比为10:1,剩余 污泥的碳氮比为5:1。因此剩余污泥单 独消化时效果较差。 农村沼气池,用粪便消化时,含氮量 过高,碳氮比太低。因此必须投加杂草、 茎杆等提高碳氮比,增加产气量 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 88 消化池中有机酸累积时,要消耗大量 的HCO3-,使消化液的缓冲能力下降甚 至丧失。 RCOOH ? HCO3? ? H2O ? RCOO ? ? CO2 ? 2H2O 碱度降低,即预示着pH值要下降。 所以测定碱度可以预知消化进行的情况 如何 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 89 5.氮的守恒与转化 消化系统的硝酸盐氮都将被还原成氮气而 存在于消化气中。 由于细胞的增殖很少,故只有很少的氮 转化为细胞(C5H7NO3),大部分可生物降解的 氮转化为消化液中的NH3, 因此,消化液中 的氮的浓度都高于进入消化池的原污泥。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 90 6.有毒物质 任何一种物质对甲烷消化都有两方面的 作用 (1)促进甲烷细菌生长的作用 (2)抑制甲烷细菌生长的作用。 关键在于它们的浓度界限,即毒阈浓度。 低于毒阈浓度下限,对甲烷细菌生长行 促进作用; 在毒阈浓度范围内,有中等抑制作用; Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 91 如果浓度是逐渐增加,则甲烷细菌可被驯 化,超过毒阈浓度上限,对甲烷细菌有强 烈的抑制作用。 有毒物质主要有: 重金属离子; 阴离子,主要是S2-; 氨 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 92 7、pH值与酸碱度 甲烷细菌的适宜pH为6.6~7.8,最佳pH在 6.8~7.2之间。 pH下降至5以下,对甲烷细菌有毒害作用。 如果有一段pH较低,甲烷细菌会大量 死亡,即使pH恢复至中性,厌氧消化效率 也不易恢复。 而在高pH值时(如高于7.8),只要恢 复到中性,甲烷消化的效率就能很快恢复。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 93 四、 厌氧消化池池形、构造与设计 1.池形 消化池的基本池形有圆柱形和蛋形两种。 高碑店污水处理厂 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 94 德国柏林某污水处理厂 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 95 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 96 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 97 大型消化池可采用蛋形,容积可做到10000m3 以上. 蛋形消化池的优点: ①搅拌充分、均匀,无死角,污泥不会 在池底固结; ②池内污泥的表面积小,即使生成浮渣, 也容易清除; ③在池容相等的条件下,池子总表面积 比圆柱形小,故散热面积小,易于保温; Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 98 ④蛋形的结构与受力条件最好,如采用 钢筋混凝土:结构,可节省材料; ⑤防渗水性能好,聚集沼气效果好。 蛋形壳体曲线 做法如下图所示。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 99 2.构造与设计 消化池的构造主要包括污泥的投配、排 泥及溢流系统,沼气排出、收集与贮气 设备、搅拌设备及加温设备等。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 100 (1)投配、排泥与溢流系统 1)污泥投配: 生污泥需先排入消化池的污泥投配池, 然后用污泥泵抽送至消化池。 污泥投配池一般为矩形、至少设两个, 池容根据生污泥量及投配方式确定,常 用12h的贮泥量设计。 投配池应加盖、设排气管及溢流管。 如果采用消化池外加热生污泥的方式, 则投配池可兼作污泥加热池。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 101 2)排泥: 消化池的排泥管设在池底,依靠消化池 内的静水压力将熟污泥排至污泥的后续处理 装置。 3)溢流装置: 消化池必须设置溢流装置,及时溢流,以 保持沼气室压力恒定。 溢流装置必须绝对避免集气罩与大气相通。 溢流装置常用形式有倒虹管式、大气压式及 水封式等3种。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 102 溢流装置的管径一般不小于200mm a.倒虹管式 b.大气压式 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech c. 水封式 103 (2)沼气收集与贮存设备 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 104 (3)搅拌没备 搅拌的目的: (1)使池内污泥温度与浓度均匀,防止污泥分层或 形成浮渣层, (2)缓冲池内碱度,从而提高污泥分解速度。混合 均匀的标志:池内各处污泥浓度相差小于10%。 搅拌方法:沼气搅拌,泵加水射器搅拌及联合搅 拌。 搅拌方式: (1)连续搅拌; (2)间歇搅拌,在5~10h内将全池污泥搅拌一 次。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 105 1)泵加水射器搅拌 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 106 2)联合搅拌法 就是把生污泥加温、沼气搅拌联合在一个装置 内完成。 推荐 使用 这种 搅拌 方法。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 107 3)沼气搅拌 优点: 搅拌比较 充分,可 促进厌氧 分解,缩 短消化时 间。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 108 (4)加温设备及计算 自学 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 109 3、两级厌氧消化 两级消化是根据消化过程沼气产生的规 律进行设计。目的是节省污泥加温与搅 拌所需的能量。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 110 在消 化的 前8d ,产 生的 沼气 量约 占全 部产 气量 的 80% Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 111 因此,可以把消化池设计成两级 第一级消化池:有加温、搅拌设备,并有 集气罩收集沼气,然后把排出的污泥送入 第二级消化池。 第二级消化池:没有加温与搅拌设备,依 靠一级消化的余热继续消化,消化温度约 为20~26℃,产气量约占20%,可收集或 不收集,由于不搅拌,所以第二级消化池 有浓缩的功能。 一级与二级的体积比为:1:1,2:1,3:2 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 112 4、两相厌氧消化 把第一、二阶段与第三阶段分别在两个 消化池中进行,使各相消化池具有更适 合于消化过程三个阶段各自的菌种群生 长繁殖的环境。 优点: 池容积小,加温与搅拌能耗少,运行管 理方便,消化更彻底。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 113 自学 5、消化池的运行与管理 6、自然消化——双层沉淀池(殷霍夫池) Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 114 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 115 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 116 第四节 污泥的好氧消化 污泥的好氧消化技术对污泥中挥发性固 体量的降低可接近于厌氧消化法;但需 要大量供氧,因而能耗较大,运行费用 高,所以一般只适用于小规模的废水厂。 (了解) Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 117 其机理是促使活性污泥进入内源呼吸阶段,通 过自身氧化降低污泥中的有机物的含量,使污 泥达到稳定化。其反应方程式如下: C5H7NO2→5CO2+NO3-+3H2O+H+ 只有约80%的细胞组织能被氧化,剩余的20% 则是不能被生物降解的 根据所采用的氧气来源的不同,又可分为空气 好氧稳定和纯氧稳定法。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 118 第五节 沼气利用 主要用途: (1)用于消化池污泥加温 (2)发电 (自学) Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 119 污泥干化与脱水 主要内容: 1.污泥干化场 2.污泥机械脱水方法与设备 重点难点: 1.污泥机械脱水方法 2.脱水造成压力差推动力的方法 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 120 第六节 污泥自然干化 污泥经浓缩或消化后,尚有95~97%含水率, 体积很大,如不用管道输送,应降低含水率。 污泥脱水与干化方法: (1)自然干化; (2)机械脱水。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 121 一、污泥自然干化场的分类与构造 干化场可以分为自然滤层干化场与人 工滤层干化场两种。 前者适用于自然土质渗透性能好,地 下水位低的地区(注意对地下水的污 染) 后者的滤层,是人工铺设的,又可分 为敞开式干化场与有盖式干化场两种 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 122 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 123 人工滤层干化场的构造示于下图,它由 不透水底层、排水系统、滤水层、输泥 管、隔墙及围堤等部分组成。有盖式的, 设有可移开(晴天)或盖上(雨天)的顶盖。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 124 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 125 二、干化场的脱水特点及影响因素 1.脱水途径 主要依靠渗透,蒸发,撇除 渗透(2—3d完成) 含水率下降到85% 蒸发(约1周完成) 含水率下降到75%。 2.影响因素 (1)气候条件(降雨量,蒸发量) (2)污泥性质 消化污泥渗透性能好; 初沉池污泥主要依靠蒸发脱水。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 126 三、干化场的设计 1 .确定总面积数与分块数 2 . 设计参数:面积负荷 m3/(m2·a) 3 .分块数大于等于干化天数(保证每天排泥用1块干 化场) Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 127 第七节 污泥消毒 1.巴氏消毒法(低热消毒法) 2.石灰稳定法 3.加氯消毒法 (自学) Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 128 第八节 污泥的机械脱水 一、 机械脱水前的调理 1. 调理的目的 改善污泥脱水性能,减少水与污泥固体颗粒之间 的结合力,加速污泥脱水过程。 2.调理的方法 ?化学法(有机,无机,微生物混凝剂); ?热热处理法 ?冷冻法 ?其他方法(超声波处理,淘洗法) Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 129 二、机械脱水的基本原理与比阻 1.原理 污泥机械脱水是以过滤介质两面的压力差作为推 动力,使污泥水分被强制通过过滤介质,形成滤 液;而固体颗粒被截留在介质上,形成滤饼。从 而达到脱水的目的。 造成压力差推动力的方法有4种: ①依靠污泥本身厚度的静压力(如干化场脱水); ②在过滤介质的一面造成负压(如真空吸滤脱水); ③加压污泥把水分压过介质(如压滤脱水); ④造成离心力(如离心脱水)。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 130 卡门过滤基本方程式 V—滤液体积,m3 t—过滤时间,s p—过滤压力,kg/m2 A—过滤面积,m2 μ—滤液的动力粘滞度,kg·s/m2 ω—滤过单位体积的滤液在过滤介质中截留的干固体 重量, kg/m3 r—比阻,m/kg,单位过滤面积上,单位干重滤饼所具 有的阻力称比阻; Rf—过滤介质的阻抗,1/m2 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 131 2 .比阻 在压力一定的情况下,t/V与V成直线关系 (斜率) 比阻值: (截距) t/V 0 a Gao J.F. CEEE;Beijing Tech b v 132 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 133 三、脱水方法与设备 污泥机械脱水方法有真空吸滤法、压滤 法和离心法等。其基本原理相同。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 134 1.真空过滤脱水 真空过滤脱水目前应用较少,使用的机 械称为真空过滤机,可用于经预处理后 的初次沉淀污泥、化学污泥及消化污泥 等的脱水。 真空过滤机脱水的特点是能够连续生产, 运行平稳,可自动控制。主要缺点是附 属设备较多,工序较复杂,运行费用较 高。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 135 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 136 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 137 2.压滤脱水 压滤脱水采用板框压滤机。 它的构造较简单,过滤推动力大,适用于各 种污泥。但不能连续运行。 压滤机可分为人工板框压滤机和自动板框压 滤机两种。 人工板框压滤机,需一块一块地卸下,剥离 泥饼并清洗滤布后,再逐块装上,劳动强度 大,效率低。 自动板框压滤机,上述过程都是自动的,效 率较高,劳动强度低。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 138 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 139 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 140 3.滚压脱水 用于污泥滚压脱水的设备是带式压滤机。 其主要特点是把压力施加在滤布上, 用滤布的压力和张力使污泥脱水,而不 需要真空或加压设备,动力消耗少,可 以连续生产。这种脱水方法,目前应用 广泛。带式压滤机基本构造见下图。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 141 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 143 滚压的方式有两种, 一种是滚压轴上下相对,压榨的时间几 乎是瞬时,但压力大; 另一种是滚压轴上下错开,依靠滚压轴 施于滤布的张力压榨污泥,压榨的压力 受张力限制,压力较小,压榨时间较长, 但在滚压的过程中对污泥有一种剪切力 的作用,可促进泥饼的脱水。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 144 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 145 4.离心脱水 离心脱水,脱水的推动力是离心力,推 动的对象是固相,离心力的大小可控制, 比重力大几百倍甚至几万倍,因此脱水 的效果也比浓缩好。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 146 离心脱水原理与离心机分类 离心力与重力的比值称为分离因素,用 ? 表示 离心机的分类: 按分离因数的大小可分: (1)为高速离心机(? >3000)、 (2)中速离心机( ? =1500~3000)、 (3)低速离心机( ? =1000~1500); 按几何形状不同可分为转筒式离心机、盘式离 心机、板式离心机等。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 147 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 148 污泥脱水常用的是低速锥筒式离心机 低速离心机是20世纪70年代开发的、专 用于污泥脱水。因污泥絮体较轻且疏松, 如采用高速离心机容易被甩碎。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 149 第九节 污泥的干燥与焚化 污泥脱水、干化后,含水率还很高,体 积很大,为了便于进一步的利用与处理, 可作干燥处理或焚烧。干燥处理后,污 泥含水率可降至约20%左右,体积可大 大减小,便于运输、利用或最终处理。 污泥干燥与焚烧各有专用设备,也可在 同一设备中进行。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 150 污泥干燥器分类 1.根据干燥介质与污泥流动方向分类 干燥介质与污泥在干燥器中流动方向有 并流、逆流与错流等3种。 2.根据形状分类 根据干燥器形状可分为回转圆筒式(上述 并流干燥器、逆流干燥式及错流干燥器 均属此类),急骤干燥器以及带式干燥器 等3种。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 151 回转圆筒式干燥器 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 152 脱水污泥经粉碎机1与回流的干燥污泥混 合预热后进入回转圆筒干燥器2,干燥后 的污泥经卸料室3,废气经旋风分离器4, 细粉回流预热,气体经除臭燃烧器5除臭 后排入大气,干燥污泥经分配器6,一部 分回流,一部至贮存池7,灰池8外运利 用。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 153 污泥焚烧 在下列情况可以考虑采用污泥焚烧工艺: ①当污泥不符合卫生要求,有毒物质含 量高,不能作为农副业利用; ②卫生要求高,用地紧张的大、中城市; ③污泥自身的燃烧热值高,可以自燃并 利用燃烧热量发电; ④与城市垃圾混合焚烧并利用燃烧热量 发电。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 154 污泥经焚烧后,含水率可降为0%,使运输与 最后处置大为简化。污泥在焚烧前应有效地脱 水干燥。焚烧所需热量依靠污泥自身所含有机 物的燃烧热值或辅助燃料。如果采用污泥焚烧 工艺时,则前处理不必用污泥消化或其他稳定 处理以免由于有机物质减少而降低的泥的燃烧 热值。 污泥焚烧可分为两种:完全焚烧;湿式燃烧 (即不完全焚烧)。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 155 完全焚烧设备 完全焚烧设备主要有回转焚烧炉、立式 多段炉及流化床焚烧炉。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 156 湿式燃烧-不完全焚烧 湿式燃烧-不完全焚烧或称湿式氧化是经浓缩 后的污泥(含水率约96%),在液态下加温加压、 并压人压缩空气,使有机物被氧化去除,从而 改变污泥结构与成分,脱水性能大大提高。湿 式燃烧约有80%-90%的有机物被氧化,故又 称为不完全焚烧。 在l大气压下,水的沸点是100℃,要氧化有机 物是不可能的。湿式燃烧必须在高温高压下进 行,所用的氧化剂为空气中的氧气或纯氧、富 氧。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 157 湿式燃烧分类 根据湿式燃烧所要求的氧化度,反应温 度、压力的不同,湿式燃烧可分为: (1)高温高压氧化法 (2)中温中压氧化法 (3)低温低压氧化法 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 158 湿式燃烧法的应用与优缺点 (1)湿式燃烧法的应用: 1)污泥与粪便处理; 2)高浓度工业废水一造纸、聚革与制革, 丙烯睛,焦化废水,食品与含硫废水 3)含危险物,有毒物,爆炸物污水; 4)回收有用物质如混凝剂,碱回收; 5)再生活性碳等。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 159 (2)主要优缺点 优点有: ①适应性较强,难生物降解有机物可被氧化; ②达到完全杀菌; ③反应在密闭的容器内进行,无臭,管理自动 化; ④反应时间短,仅约比,好氧与厌氧微生物难 以在短时间内降解的物质如毗唉、苯类、纤维、 乙烯类、橡胶制品等,都可被碳化; ⑤残渣量少,仅为原污泥的1%以下,脱水性 能好;分离液中氨氮含量高,有利于生物处理 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 160 缺点: ①设备需用不锈钢制,造价昂贵,需要专门的 高压作业人员管; ②高压泵与空压机电耗大,噪音大(约为70— 90个高音喇叭; ③热交换器、反应塔必须经常除垢,前者每个 月用5%硝酸清洗一次,后者每年清洗一次; ④反应塔在高温高压下氧化过程中,产生的有 机酸与无机酸,对塔壁有腐蚀作用; ⑤需要有一套气体的脱臭装置。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 161 第十节 污泥的有效利用与最终处理 污泥的最终处置与利用可归纳成下图。 最终处置与利用的主要方法是:作为农 肥利用、建筑材料利用、填地与填海造 地利用以及排海。从图可知,污泥的最 终处置与利用,与污泥处理工艺流程的 选择有密切关系,故而要统盘考虑。 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 162 Gao J.F. CEEE;Beijing Tech END 163 作业: 1.叙述污泥厌氧消化机理,并画出模式图 2.污泥含水率从97.5%降低到95%时,污泥体积减 少多少? 3.影响污泥厌氧消化机理的因素有哪些? 4.污泥浓缩方法有哪些? 5.污泥脱水方法有哪些? 6.什么是比阻?什么是固体通量? 7.污泥中温二级消化有什么好处? 8.污泥脱水造成压力差推动力的方法有哪些? 9.污泥机械脱水设备有哪几种? Gao J.F. CEEE;Beijing Tech 164


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