净水厂排泥水处理技术的试验研究.pdf 72页

'硕士学位论文（工程硕士）净水厂排泥水处理技术的试验研究EXPERIMENTALREASEARCHONSLUDGETREATMENTTECHNOLOGYINWATERPURIFICATIONPLANT刘彤哈尔滨工业大学2018年6月 国内图书分类号：X703学校代码：10213国际图书分类号：502密级：公开工程硕士学位论文净水厂排泥水处理技术的试验研究硕士研究生：刘彤导师：崔崇威教授申请学位：工程硕士学科：环境工程所在单位：环境学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex:X703U.D.C:502DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringEXPERIMENTALREASEARCHONSLUDGETREATMENTTECHNOLOGYINWATERPURIFICATIONPLANTCandidate：LiuTongSupervisor：Prof.CuiChongweiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：EnvironmentalEngineeringAffiliation：SchoolofenvironmentDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要净水厂在生产饮用水的过程中会产生很多废水，约占净水厂生产水量的2%-10%。随着社会的不断发展以及饮用水的需求量不断增加，净水厂的规模和数量在不断增加，因此导致产生的生产废水的量也不断增加。排泥水中含有的大量的胶体颗粒、悬浮物、混凝剂以及混凝剂产生的氢氧化物等物质。将净水厂产生的排泥水直接排入到水体后，会对环境造成一定程度的污染，对排泥水的处理不仅对环境有所保护，还可以节约水资源。本研究对我国北方某净水厂的沉淀池排泥水进行处理研究。通过对该净水厂的进水原水来源和水质，以及沉淀池排泥水的水质进行分析。利用生产废水水量和污泥量的计算公式，从而确定排泥水的量和产泥量。对沉淀池排泥水自然沉降性能进行分析，当排泥水浓度较高时，沉淀性能较差。采用混凝沉淀的方法，利用多种混凝剂对沉淀池排泥水进行混凝处理，选取最佳的混凝剂为PAM、最佳投加量为10mg/L，PAM在混凝20分钟后沉淀污泥浓缩率不会有较大变化。排泥水浓度越低，PAM在相同时间混凝的沉淀污泥含水率越低。通过对排泥水的离心处理，当离心转速为4000rmp、离心时间15分钟时时间最佳。当排泥水浓度越高，离心分离的污泥的含水率越高。重力沉降的上清液水质稍差，少部分的检测项目指标高于国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）标准，上清液可与净水厂进水一起混合处理。将自然沉降后的排泥水利用陶瓷膜进行处理，在曝气条件下可以减缓膜堵塞，通过比较，选取合适开始膜通量持续运行。分析不同的运行的状况对陶瓷膜的堵塞的情况，确定合适的膜清洗条件。利用各个最佳条件因素，陶瓷膜处理采用间歇反冲洗法，可将自然沉淀后的排泥水浓缩5倍左右。将陶瓷膜处理后的排泥水再通过离心作用进行处理，浓缩污泥的含固率接近4%。离心分离水出水水质稍差，可与净水厂进水一起混合处理。陶瓷膜出水符合国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）标准，可将出水通入滤池一起处理。通过对混凝沉降、陶瓷膜处理、重力沉降三种方法对排泥水预处理进行经济分析，结果表明重力沉降对排泥水预处理费用最低。将预处理的排泥水利用陶瓷膜处理方法浓缩，然后利用离心处理的方式进一步泥水分离，处理的经济费用为1.70元/吨。关键词：净水厂排泥水；陶瓷膜处理；出水水质；经济费用-I- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWaterpurificationplantsproducealotofwastewaterduringtheproductionofdrinkingwater,accountingforabout2%to10%ofthewaterproducedbythewaterpurificationplant.Withthecontinuousdevelopmentofsocietyandtheincreasingdemandfordrinkingwater,thescaleandnumberofwaterpurificationplantsareconstantlyincreasing.Asaresult,theamountofproductionwastewatergeneratedalsoincreases.Thesludgecontainsalargeamountofcolloidalparticles,suspendedsolids,coagulants,andhydroxidesproducedbythecoagulant.Afterthesludgedischargedfromthewaterpurificationplantisdirectlydischargedintothewaterbody,itwillcauseacertaindegreeofpollutiontotheenvironment.Thetreatmentofthedischargedmudwaternotonlyprotectstheenvironmentbutalsosaveswaterresources.ThisstudyinvestigatedthetreatmentofsedimentationsludgefromasedimentationtankinapurificationplantinnorthernChina.Therawwatersourceandqualityoftheinfluentwaterinthewaterpurificationplant,aswellasthequalityofthesludgedischargedfromthesedimentationtankwereanalyzed.Usingtheformulaforcalculatingtheamountofwastewaterandsludgeintheproductionprocess,theamountofsludgedischargedandtheamountofsludgeproducedcanbedetermined.Thesedimentationperformanceofsedimentationpondswasanalyzed.Whenthesludgeconcentrationwashigh,thesedimentationperformancewaspoor.Usingthemethodofcoagulationandsedimentation,useavarietyofcoagulantstocoagulatesludgeinsedimentationtanks,selectthebestcoagulantforPAM,theoptimaldosageis10mg/L,PAMaftercoagulationfor20minutesPrecipitatedsludgeconcentrationratewillnotchangesignificantly.Thelowerthesludgeconcentration,thelowerthemoisturecontentoftheprecipitatedsludgethatiscoagulatedbyPAMatthesametime.Bycentrifugingthesludge,thetimeisbestwhenthecentrifugalspeedis4000rpmandthecentrifugationtimeis15minutes.Thehigherthesludgeconcentration,thehigherthemoisturecontentofthecentrifugedsludge.Thegravitysedimentationsupernatantwaterqualityisslightlypoorer,andasmallpartofthetestitemsarehigherthantheNationalStandardforDrinkingWaterSanitaryStandards(GB5749-2006).Thesupernatantcanbemixedwiththewaterpurificationplantinfluentwater.Thenaturalsedimentationsludgeistreatedwithaceramicmembrane,whichcanslowdownthemembraneblockageunderaerationconditions.Bycomparison,theappropriatestartingmembranefluxesarecontinuouslyoperated.Analyzetheconditionofcloggingoftheceramicmembranewithdifferentoperatingconditionsanddeterminetheappropriatemembranecleaningconditions.Usingvarious-II- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文optimumconditions,theceramicmembranewastreatedwithanintermittentbackwashingprocesstoconcentratethenaturalprecipitatedmudwaterapproximately5times.Thesludgetreatedbytheceramicmembranewastreatedbycentrifugation.Thesolidcontentoftheconcentratedsludgewascloseto4%.Thewaterqualityofthecentrifugalseparationwaterisslightlypoor,anditcanbemixedandtreatedtogetherwiththewaterpurificationplant.TheeffluentoftheceramicmembranemeetstheNationalStandardforDrinkingWaterHygiene(GB5749-2006),andtheeffluentcanbetreatedtogetherwiththefilter.Theeconomicanalysisofthesludgepretreatmentbythreemethodsofcoagulationsettlement,ceramicmembranetreatment,andgravitysettlementshowsthatgravitysedimentationhasthelowestpretreatmentcostforsludgeremoval.Thepretreatedsludgewasconcentratedbyaceramicmembranetreatmentmethodandthenfurtherseparatedbycentrifugation.Theeconomiccostoftreatmentwas1.70yuan/ton.Keywords:waterpurificationplantsludge,ceramicmembranetreatment,effluentquality,economiccosts-III- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要..................................................................................................................IAbstract...............................................................................................................II第1章绪论........................................................................................................11.1研究的背景和意义....................................................................................11.2排泥水的性质及危害................................................................................21.2.1排泥水的来源及性质.................................................................21.2.2排泥水的危害.............................................................................31.3净水厂排泥水处理国内外研究现状..........................................................31.3.1国外研究现状.............................................................................31.3.2国内研究现状.............................................................................51.4排泥水处理的方法与工艺.........................................................................71.4.1排泥水处理方法.........................................................................71.4.2排泥水处理的工艺.....................................................................91.5陶瓷膜技术的研究现状..........................................................................101.5.1陶瓷膜的结构...........................................................................101.5.2陶瓷膜的特点...........................................................................111.5.3膜污染机理...............................................................................121.5.4陶瓷膜在水处理中的应用........................................................121.6主要研究内容及研究路线.......................................................................13第2章实验材料与方法...................................................................................152.1实验试剂及仪器......................................................................................152.1.1实验试剂...................................................................................152.1.2实验仪器...................................................................................152.2实验方法..................................................................................................162.2.1排泥水自然沉淀实验方法........................................................162.2.2排泥水混凝处理实验方法........................................................162.2.3陶瓷膜对自然沉淀后的排泥水的处理方法.............................162.3陶瓷膜的性能评价指标..........................................................................182.3.1膜通量.......................................................................................182.3.2水回收率...................................................................................182.3.3膜通量恢复率...........................................................................19-IV- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.4分析方法..................................................................................................192.4.1水质分析方法...........................................................................192.4.2排泥水性质的分析方法...........................................................20第3章排泥水的分析及不同方法的处理研究................................................223.1前言.........................................................................................................223.2排泥水的来源及原水水质分析...............................................................223.2.1净水厂原水水质特点...............................................................223.2.1排泥水的来源...........................................................................233.2.2排泥水的特性...........................................................................233.2排泥水的性质的分析及污泥核算...........................................................243.2.1污泥量的计算...........................................................................243.2.2排泥水量的计算.......................................................................253.3排泥水水质分析......................................................................................263.3.1排泥水浓度分析.......................................................................263.3.2浊度与排泥水浓度的关系........................................................263.3.3排泥水电位分析.......................................................................273.4排泥水自然沉降分析..............................................................................273.5排泥水混凝沉淀处理研究.......................................................................293.5.1排泥水中投加不同的混凝剂....................................................293.5.2排泥水中投加不同量的PAM...................................................293.5.3PAM对不同浓度排泥水沉降性能的影响................................303.6排泥水离心处理的研究..........................................................................313.6.1离心作用对污泥的浓缩效果....................................................313.6.2离心对不同含泥量的排泥水离心的效果................................323.7本章小结..................................................................................................32第4章陶瓷膜处理排泥水工艺方法的研究....................................................344.1引言.........................................................................................................344.2陶瓷膜进水处理及水质分析...................................................................344.3陶瓷膜处理对排泥水处理工艺的研究...................................................354.3.1曝气强度对膜通量及压力的影响............................................354.3.2不同初始出水速度对膜通量及压力的影响..............................364.3.3膜清洗条件的影响因素的研究................................................384.3.4陶瓷膜处理方法的设计与浓缩倍数分析................................39-V- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.4直接将排泥水进行膜处理.......................................................................414.5陶瓷膜出水水质分析..............................................................................424.5.1出水和浓缩水的pH的变化.....................................................434.5.2出水和浓缩水的浊度的变化....................................................434.5.3出水和浓缩水的色度的变化....................................................444.5.4出水和浓缩水的有机物的变化................................................454.5.5出水金属含量的变化...............................................................464.5.6浓缩水的污泥浓度的变化........................................................464.6离心对浓缩水的处理研究和水质分析...................................................474.6.1离心对浓缩水的处理研究........................................................474.6.2离心后上清液水质分析...........................................................484.7本章小结..................................................................................................48第5章排泥水不同处理工艺经济分析比较....................................................495.1引言.........................................................................................................495.2排泥水处理工艺的组合..........................................................................495.2.1混凝沉降预处理.......................................................................505.2.2陶瓷膜方法预处理...................................................................515.2.3重力沉降预处理.......................................................................515.3工艺选择与经济分析..............................................................................525.3.1预处理方法对比.......................................................................525.3.2处理工艺...................................................................................535.3.3处理工艺经济分析...................................................................535.4本章小结..................................................................................................54结论................................................................................................................55参考文献............................................................................................................56哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限..........................................62致谢................................................................................................................63-VI- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1研究的背景和意义水资源作为人类的一种重要的、不可替代的资源，是人类生存和发展过程中不可缺少的。随着经济的发展和人口的不断增长，人类需要的水资源越来越多。然而，水污染事件的不断发生以及水资源的浪费是全球水资源的供应形势变得越来越严峻。我国是一个严重缺水的国家，为获得足够的水资源，将很多的费用投在引水等工程中，然而大量的污水放入到水体中，造成水资源的进一[1]83步的浪费。我国的水资源总量为2.81×10m，在世界第六位，然而人均占有量却只排在了世界的108位，不足世界人均占有量的四分之一，是世界上较为[2]缺水的国家。不仅如此，我国还面临水资源地理分布的不均匀和水资源利用开发的不平衡。在人口多、经济强的东南地区，其耕地面积和人口分别占全国的35.9%和54.7%，水资源总量却占全国总量的81%，而西北地区在占全国58.3%的耕地面积情况下，水资源只有全国的14.4%。北方地区由于干旱缺水，地表[3]水的利用非常充分，而南方水利用率就比较低。净水厂是满足人们生活和生产的等用水的重要基础设施，净水厂通过对江河湖泊中的水进行净化处理，从而生产出人们所用的生产和生活用水。净水厂[4]在净化水的过程中，会产生很多残渣水，被叫做―排泥水‖或―WTR‖。随着社会的发展、经济的增长以及物质文化水平的提高，人们对净水的需求量也越来越多，因此净水厂的数量也越来越多，处理规模也越来越大，净水厂产生的排83泥水的量也会越来越多。就中国而言，净水厂的排泥水年排放量为55×10m，[5-6]目前很多净水厂都将没有处理的排泥水直接排入水体中。随着排放标准的提高，排泥水必须处理后才能排放。如果将排泥水直接排放，不经会造成污染，而且大量的排泥水直接排放水体中对环境造成较大的污染。因此，对排泥水进行处理，将排泥水资源化已成为一种发展趋势。对排泥水处理不仅可以缓解水资源紧张的状态，还会使环境得到保护。排泥水中包括有机和无机的化合物残渣，如泥沙、悬浮物、混凝剂[7]及其产生的胶体颗粒等，它们以气固体、液体、气体的形式存在于排泥水中。在我国北方，水体长期处于低温状态，由于水解过程较慢，颗粒物和有机[8]物的去除能力变弱，排泥水处于胶体状态，从而使排泥水较难自然沉降。因此需要研究一种可以有效处理排泥水的方法，从而降低排泥水对环境的污染，创建可持续发展的社会。-1- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文[9,10]膜工艺能够去除排泥水中的悬浮固体、胶体颗粒等物质，可有效的将排泥水浓缩。目前所用的膜大多为有机膜，但有机膜机械强度和化学稳定性较差，容易发生破损。陶瓷膜是一种无机膜，具有较高的机械强度、化学稳定性[11,12]和热稳定性好等优点，可用于极端污染环境并可以忍耐大多清洗条件，目[13,14]前陶瓷膜已应用于处理各种废水中。本研究是利用陶瓷膜进行排泥水进行浓缩处理，对处理后的水进行水质分析，并将浓缩水进一步离心脱水，同时设计沉淀池排泥水处理的设计工艺并及进行技术经济分析，从而解决低温排泥水处理的问题。1.2排泥水的性质及危害1.2.1排泥水的来源及性质在净水厂的工艺中，产生的排泥水主要是由滤池反冲洗水和沉淀池排泥水组成。排泥水的水质主要和处理工艺、原水水质、净水厂投加数量和种类有关[15]。城市净水厂排泥水主要由沉淀池排泥水和滤池反冲洗水组成，约占水厂总[16]生产净水量的2%-10%。净水厂产生的废水根据原水和季节的变化以及处理工艺和管理方式的不同而有差别。水厂净水过程一般投加的混凝剂是铝盐或者铁盐，因此导致排泥水中铝含量或铁含量较高。随着社会的发展，江河中的水容易受到污染，越来越多的净水厂以水库水、[17]湖泊水、山区溪流水等作为水源。净水厂在净化原水的过程中会产生一些废水，包括沉淀池产生的排泥水和滤池反冲洗水。排泥水产生量和污泥量与原水水质和净水厂的净水工艺、运行方式有关。根据不同时期原水水质的不同和供水水量，排泥水水量和污泥量会稍微不同，会有所波动。1.2.1.1滤池反冲洗水滤池可以将水中大部分的颗粒物截留下来，通过反冲洗水将截留下来的颗粒物反冲下来。滤池反冲洗水主要是由滤池中滤料截留下来的固体颗粒物、有[18]机污染物和一些化学药剂的残留物等物质组成，其水质中含有的污染物较少，[19]泥沙含量相对较低，含固率约为0.02%—0.05%，容易自然沉淀处理。滤池反冲洗水的水质主要与原水、净水厂处理工艺、滤池的设计运行工艺有关。滤池反冲洗水的水质也与所用反冲洗水水量有关，反冲洗水水量越大，滤池反冲洗废水的污染物浓度越低。滤池反冲洗水中悬浮物的量很低，且含有一些混凝药剂，沉淀后可以直接回用，不仅节约水资源，而且减少混凝剂的投入。1.2.1.2沉淀池排泥水排泥水是沉淀池中沉降下来的含有污染物较多的泥水，排泥水中的悬浮物-2- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文浓度较高，含固率也较高。排泥水中含有很多的胶体颗粒、泥沙、悬浮物、混凝剂以及混凝剂形成的氢氧化物等物质，这部分水的总含固率一般在0.1%~0.2%之间。排泥水水质水量与采用的原水水质、产水量、投加混凝剂的数量和种类、净水工艺和运行方式有关，其中原水水质受季节变换的影响，产水量受用户的影响。排泥水中含有的污泥来自于原水中的悬浮杂质和投加的混凝剂，混凝剂将原水中的悬浮物凝聚、絮凝，从而沉降下来。排泥水的沉降性与排泥水的污泥含量、投加药剂的种类有关。排泥水含泥量越大，沉降性能越差，因为水中污泥浓度高，胶体颗粒互相拥挤，很难重力浓缩。由于原水水质以及混凝剂种类的不同，使排泥水中不同的污泥成分相差很大。若原水中色度和浊度较高时，会加大混凝剂的投药量，因此排泥水中各成分也会发生改变。1.2.2排泥水的危害净水厂中含有大量的混凝剂、胶体颗粒等物质，我国很多净水厂直接将排泥水排入到水体中，从而对环境造成了一定的影响。直接将排泥水排入水体中会产生一系列的影响：第一，排泥水的浊度和色度都相当高，排入水体后，其视觉感官较差。排入到水体后的排泥水会使水体中的浊度色度提高，从而使水体中的水质变差。第二，原水中投加了大量混凝剂如铝盐或铁盐随着胶体颗粒沉降到排泥水中。排泥水中含有的铝、铁、锰等金属的含量是原水的几十倍甚至几百倍，将[20]会对水体中生物的生长有一定的影响。VanAnholt等研究表明，含铁的泥水会使大型蚤子代的繁殖量降低，且大型蚤的消化道中积累了大量的铁。在排泥水中的鲤鱼后代体内不仅有大量的铁，还会有铬和铝的积累。第三，排泥水中的一些悬浮物、胶体物质会慢慢沉降下来，由于其沉积作用会使沉积污泥将水体底部覆盖，从而对水体中某些鱼类的食物短缺，影响鱼卵的成活率。污泥的沉积还能抬高河床，改变水体的水利条件，并且对河流的航运能力以及防洪能力有一定的影响。直接排入市政管网也可能导致下水道堵塞，同时增加污水处理厂的负荷。1.3净水厂排泥水处理国内外研究现状1.3.1国外研究现状从20世纪60年代，在欧洲等国家已经开始对净水厂排泥水进行处理，同-3- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文时有人开始对排泥水的处理和污泥处理进行研究实验。美国联邦水污染控制局在上世纪60年代颁布了水质法案，在1972年颁布水质法案修正案，从而进一步控制了净水厂排泥水的排放，1996年，美国安全饮用水法案规定了净水厂的[21]反冲洗废水进行的回用要求进行了规定说明。日本于1975年颁布的法案规定排泥水必须经过处理后才能排放。一系列法律的颁布对排泥水的处理的研究和实施起到了存进作用，欧美等发达国家很快对排泥水进行投入研究。有文献表明，欧洲每年产生超过200万吨固体残渣，美国每年生产几十万吨固体残渣[22]。在上世纪70年代以前，净水厂中的排泥水基本采用污水处理厂的处理方式或进入污水管网与生活污水一起在污水处理厂进行处理。但由于排泥水与生活污水的水质特点不同，且随着净水厂的数量和规模不断增大，排泥水的产量越来越多，传统污水处理厂不能满足对净水厂排泥水处理的需求。因此很多研究人员开始根据净水厂排泥水的特点，在已建成的排泥水处理设施的基础上设计了一些净水厂排泥水处理有效的方法和工艺。根据美国给水协会1998年统计的排泥水回用处理方法以及不同方法对浊[23]度和颗粒物的去除率如表1-1和表1-2所示。表1-1美国给水协会考察的排泥水回用处理方法序号处理方法比例（%）1未处理302沉淀383水质均衡144沉淀和水质均衡105浓缩36其他5表1-2不同工艺的滤池反冲洗水浊度和颗粒的去除率处理工艺浊度去除率（%）颗粒去除率（%）相对费用比较自然沉淀20.00-84.2037.00-87.501自然气浮80.00-96.0084.20-98.00—混凝沉淀96.00-99.5098.75-99.952混凝气浮98.00-99.8098.75-99.973滤池过滤99.40-99.9099.60-99.994膜处理99.75-99.9897.50-99.975注：1表示最低，5表示最高。自70年代以来，很多发达国家已经设置了比较完善的、自动化程度较高的排泥水处理系统，其中离心机脱水和加压过滤脱水等方法的应用更是较为普遍。-4- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文到20年代末，净水厂排泥水的处理技术和方法逐渐成熟，大多数净水厂都建立了排泥水的处理或回用设备。日本净水厂经过浓缩脱水的污泥量占总泥量的80%[24]左右，欧洲很多国家经过浓缩脱水后的污泥量占全部污泥量的70%。日本横滨西谷净水厂对排泥水的处理是先将排泥水收集到排泥水池中集中起来，然后进入浓缩池进行沉降和浓缩，浓缩后送入加压脱水机，其污泥含水率达到65%。各个国家对净水厂排泥水回用和处理已经由工程工艺等方面渐渐延伸到微观的理论和综合应用上。1.3.2国内研究现状我国对净水厂排泥水的处理是上世纪八十年代被提上日程，比其他发达国家相比时间较晚，就目前来说，我国净水厂排泥水的处理还处在发展期，大部分净水厂直接将排泥水排入附近的水体或者下水道。1987年，我国首次将净水厂排泥水作为重点课题来研究，主要包括絮凝剂的优选、污泥重力浓缩、排泥[25][26]水污泥脱水及分离水的回收等。Wang,CH等认为可以将净水厂排泥水再利[27]用，从而去除地富营养表水中的磷。LanYang等认为净水厂的排泥水的颗粒+污泥可以对废水中的氨氮有一定的去除效果，在NH4浓度为50mg/L时，氨氮[28,29]去除率在90%左右。ChanghuiWang等认为限氧热处理对排泥水的吸附性有一定的调节作用，在对排泥水中各金属溶解度的实验中发现大多数金属在厌氧培养下是稳定的。随着水污染问题的越来越严峻以及人们环保意识的增强，排泥水排放问题受到关注，相应的一系列环境保护法律的相继出台。一些净水厂开始对排泥水进行处理，如石家庄市润石水厂、北京第九水厂、深圳梅林水厂、大连市沙河[30][31]口水厂等。国内部分净水厂排泥水处理方法如表1-3所示。表1-3国内典型排泥水处理工艺净水规排泥厂名模（万水源的来源浓缩工艺脱水工艺池3m/d）上海闵行水厂70黄浦江闵行江段分建Lamella离心脱水机保定第二水厂26西大洋水库合建Densadeg离心脱水机北京第三水厂15近期河北园库分建Densadeg离心脱水机润石水厂30黄壁庄水库合建Supaflo带式脱水机北京第九水厂150密云水库分建辐流式重力浓缩池板框脱水机田村山水厂34现况团城湖分建辐流式重力浓缩池离心脱水机芥园水厂35滦河分建气浮浓缩池离心脱水机梅林水厂60深圳水库合建重力浓缩池板框脱水机-5- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文43北京第九水厂设计的规模为150×10m/d，一共分为三期建成，其中每期4343各50×10m/d，污泥处理厂按照150×10m/d处理水的规模一次性建成。其该厂以密云水库和怀柔水库中的水为水源，水源水质浊度常年较低，一般在1-2NTU左右，在短时间内有时会在60-120NTU，其设计平均浊度为5NTU，平均投加碱式铝混凝剂的量为5mg/L。水厂自用水以5%来计，设计总水量为43157.5×10m/d。污泥处理厂为设计处理总干泥总量为净水的浊度的4倍和投加混凝剂的总和。该厂的污泥处理结构由排水池和排泥池，排水池主要收集滤池反冲洗水，排泥池主要收集沉淀池排泥水。排泥池的上清液与进水混合回用，[32]排泥池底部的浓缩泥水进入脱水机房脱水。该厂排泥水处理流如图1-1所示。排泥池浓缩池分离水泥水脱配提升、水水排泥池浓缩池回流机井泵房房泥饼外运排泥池浓缩池上清液回流至进水口沉淀池排泥水图1-1北京市第九水厂污泥处理厂流程43阜新水厂一期设计的规模为150×10m/d，水厂的净水工艺主要采用Densadeg高密池和AquazurV型滤池。该厂排泥水采用的是滤池反冲洗水和高密池排泥水分建的处理方法，滤池反冲洗水在的上清液和沉淀池的上清液和原水混在一起回用，下面的沉淀污泥和高密池的的沉淀污泥一起送入污泥缓冲池进行处理。废水在废水收集池停留大约2-4小时，污泥浓度为5g/L，污泥量为3145m/d。污泥缓冲池按照最大污泥量设计，污泥在缓冲池停留时间为24小时，3选用两座缓冲池，体积为200m。配置两台脱水机进行脱水，采用24小时运行[33]的方式进行处理。43深圳市梅林水厂设计供水规模为60×10m/d，以深圳水库为水源，按照原水浊度为50NTU进行设计。排泥水进入沉淀池沉淀后，上清液送回配水井回用，沉淀池下面的污泥进入浓缩池，浓缩后的污泥投加聚丙烯等药剂后，沉淀的污泥送至压滤机脱水，脱水后的泥饼含水率为65%—70%。该厂排泥水处理-6- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文[34]流程如图1-2所示。回回回收收至水厂配水井收水出排泥水水沉水泵淀泵PAM井池井石PAC灰浓配压泥饼外运投加PAC缩泥滤池池机图1-2深圳市梅林水厂排泥水处理流程1.4排泥水处理的方法与工艺1.4.1排泥水处理方法1.4.1.1混凝沉淀混凝沉淀在排泥水处理的应用中是较为广泛的一种方法，这是一个包括物理作用和化学作用的经过，投加的混凝剂将够对水中胶状物质的稳定性结构进行破坏，使水中的悬浮颗粒脱稳，而凝聚成体积较大的絮凝体沉降下来，从而使污泥浓缩，分离出上清液。混凝剂分为有机混凝剂、无机混凝剂以及微生物混凝剂等。[35]甘立友等对青岛中法海润供水有限公司自来水厂的排泥水投加聚丙烯胺（PAM）进行实验研究，研究表明PAM调质可以提高排泥水的沉降性，使排泥水达到压密点的时间缩短，明显将污泥的脱水性改善。当PAM的投加率为0.32%时，可以获得良好的沉降性能以及上清液浊度，当PAM的投加率大于[36]0.32%时，排泥水的沉降性改善不明显。施周等对长沙市第二水厂的排泥水进行投加混凝剂实验研究，研究表明CAF对该厂排泥水沉降的改善强于PAM、PAC、复合铝铁和Al2(SO4)3，但PAM在降低污泥比阻的能力优于CAF。吕健[37]等结合南方某净水厂进水水质的特点，通过投加PAM发现投加PAM可以更[38]好的改善排泥水的沉降性。黄申等认为合理的选择PAM可以将排泥水得到[39]有效的浓缩。Ukiwe等认为混凝沉淀技术已经广泛应于水处理中，并形成一-7- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文套完整的体系和工艺。1.4.1.2废水回用[40]徐勇鹏等认为滤池反冲洗水、沉淀池排泥水都具有节约投药量、强化混凝的作用。排泥水中含有大量的脱稳颗粒，回用后可以增加原水的固体颗粒，从而可以提高颗粒的碰撞机率，有利于对原水中胶体颗粒容易脱稳，形成密实[41]的絮体。周华等通过研究以长江水源的低温地低浊期排泥水的回用对混凝效果的影响，结果表明直接回用滤池反冲洗水当回用的体积为6%-10%时，可以节约5%-10的混凝剂，直接回用沉淀池排泥水可显著降低絮体的电位，当回用[42]比例为2%-4%时可以节约16%-28%。陈停等将排泥水回用到低浊原水中，[43]可以节约混凝剂投药量，同时提高混凝效果。虞静静等对宁波某净水厂进行分析，发现将反冲洗废水直接回用，控制混合水浊度为20NTU以下时，可以节约投药量并提高处理效果。[44]Edzwald等通过对滤池反冲洗水回用的研究，认为悬浮颗粒物具有吸附[45]能力，从而科技减少混凝剂的投加量。Gottfride等认为滤池反冲洗水回用对UV254的值为2-4mg/L的地表水的溶解性有机物具有较好的去除效果。Arora等[46]调查发现在2000年有226个水厂采用反冲洗回用的技术，对反冲洗进行预[47]处理为其中的65%。Tobiason等认为混凝作用对滤池反冲洗水的回用的混凝微滤膜的渗透性有一定的影响。1.4.1.3气浮法通过对水体进行增压使水中溶解大量的气体，减压后使水体中的气体释放，形成大量的细小气泡。在气泡上升的过程中将水中的絮体或颗粒物吸附到小气泡的表面，将水中杂质带到水体表面，从而实现将固体颗粒与液体的分离，被气泡带到水体表面的浮渣通过刮渣机去除。气浮法可以去除水中的藻类、有机物以及微生物等，一般用于污染颗粒密度较小的废水。气浮法的处理工艺较复杂、经济投入较高，使气浮法在污水处理中的应用收到限制。[48]马永强对呼延水厂的冬季排泥水进行压力溶气气浮法进行混凝浓缩，研究表明气浮法可改善排泥水的浓缩效果,气浮法可以对污泥浓缩有明显改善效果，污泥含固率可以达到3%左右。1.4.1.4膜处理随着膜技术的发展和成熟，在净水厂排泥水处理上越来越多的采用膜技术。膜技术可以去除排泥水中的悬浮固体、胶体颗粒以及其他污染物质，具有占地面积小、机械化程度高等、处理效果好、对进水水质的变化范围有很强的适应性等特点。滤膜在处理污水的过程中，污染物吸附在膜孔内或表面，从而使膜通量下降，造成膜污染。-8- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文[49-51]研究表明，膜滤技术比传统工艺对颗粒物的去除率很高，可以几乎去[52]除所有的微生物。Vigneswaran等对滤池反冲洗水进行处理，实验表明冲洗越频繁，膜的污染程度就越低，并认为污染物在膜表面附着造成膜的污染。单[53]文广等采用超滤膜对大庆某水厂排泥水进行处理，研究表明其出水已经达到饮用水的标准，采用次氯酸钠或氢氧化钠对膜进行处理，可以更好的将膜通量[54]恢复，使膜通量达到较高水平。董廷波通过对多种方法处理排泥水进行对比，认为膜处理技术为最好的处理方式。1.4.2排泥水处理的工艺根据滤池反冲洗水和沉淀池排泥水水质情况，可大致分为下面几种处理方[55]式。（1）将滤池反冲洗水和沉淀池排泥水混合后进行处理。这种方法仅对滤池反冲洗水含固率较高，且不能进行直接回用或者不能通过简单的通过自然沉降等简单的方式对滤池反冲洗水进行处理。两者混合处理可以减少建处理反应池的个数，从而减少资金的投入。但是由于沉淀池排泥水的含固率比滤池反冲洗水高几十倍，滤池排泥水会将沉淀池排泥水的浓度稀释，从而影响处理效果。处理工艺流程如图1-3（a）所示。（2）沉淀池排泥水的上清液与滤池反冲洗水的上清液一起回用，两者沉淀后的浓缩泥水再进行混合处理。这种方法适应于滤池反冲洗水和沉淀池排泥水能通过自然沉淀等简单的方式达到泥水分离的情况。处理工艺流程如图1-3（b）所示。（3）滤池反冲洗水自然浓缩后的污水与沉淀池排泥水混合处理，滤池反冲洗水直接回用。这种方法适用于沉淀池排泥水通过自然沉淀等简单的方式不能达到泥水分离，而反冲洗水可以进行简单的泥水分离的情况。处理工艺流程如图1-3（c）所示。（4）沉淀池排泥水上清液与滤池反冲洗水进行混合直接回用。这种方法对滤池反冲洗水可以回用且沉淀池排泥水可以经过简单处理进行泥水分离。处理工艺流程图如1-3（d）所示。滤池反冲洗水调节池混凝、沉淀回用沉淀池排泥水沉泥沉泥上清液污泥最终处置污泥浓缩处理（a）工艺流程一-9- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文滤池反冲洗水混凝、沉淀回用上清液沉泥污泥最终处置沉淀池排泥水污泥浓缩处理（b）工艺流程二滤池反冲洗水混凝、沉淀回用沉泥污泥最终处置沉淀池排泥水污泥浓缩处理（c）工艺流程三滤池反冲洗水回用上清液污泥最终处置沉淀池排泥水污泥浓缩处理（d）工艺流程四图1-3排泥水处理工艺流程图1.5陶瓷膜技术的研究现状1.5.1陶瓷膜的结构陶瓷膜是以微孔陶瓷膜为过滤层、以多孔陶瓷为支持体的过滤材料。陶瓷膜呈多孔通道，管壁布满微孔，主要材质为Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2等无机[56]材料构成。陶瓷膜按照用途和孔径可分为微滤（MF）膜、超滤（NF）膜、反渗透（RO）膜等。微滤膜技术开始于十九世纪中叶，具有技术简单，应用广等特点，孔隙[57]率一般在30%-35%。微滤膜孔径一般为0.025-10µm。膜孔径较大，可用于去除液体中的大分子有机物、胶体、悬浮颗粒等，也可为超滤或者纳滤进行预处理。超滤在近几十年才开始较广的应用，孔径为2-50nm，出水水质稳定。由-10- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文于其孔径较小，可用于分离水中的蛋白质、病毒、油脂、悬浮物等，可用于临床医学、高纯水制备等行业。纳滤膜孔径为1nm左右，可以截留相对分子质量为200-2000之间的物质。纳滤可用于食品工业、医药、饮用水深度处理等行业。[58-60]陶瓷膜对污水、垃圾渗滤液处理以及海上采油已经有了应用。按照结构可以分为对称膜和不对称膜，不对称膜由两层或者两层以上构成，可分为支撑层、过渡层和过滤层。支撑层的孔径较大，其作用是增加的膜的机械强度。过渡层的孔径比支撑层的孔径小，作用是防止过滤层制备的时候颗粒渗透到支撑层。过滤层的孔径最小，是其分离的主要部分。陶瓷膜层数越多，孔径变化越平缓，其抗震性和抗热性越好。若降低陶瓷膜过滤层的厚度，其过[61]滤效果比高分子有机膜好。陶瓷膜的类型和特点如表1-4所示。表1-4陶瓷膜组件的类型及其特点膜组件类型优点缺点组装简单、操作灵活，可通过板框式装填密度小、成本高增加层数增大出水量物理、化学清洗较容易，安装管式压力损失大，装填密度小方便1.5.2陶瓷膜的特点陶瓷膜相比其他膜有很多良好的性能，目前已成为最具有应用前景的膜材[62，63]料之一。陶瓷膜的优点有如下。（1）具有较高的机械强度。载体是经过高压焙烧成的微孔陶瓷材料，可以承受kPa的数量级压力。（2）化学稳定性好。具有耐酸、耐碱、耐有机溶剂，可以稳定的受酸碱的清洗，pH使用范围广。（3）热稳定性好。一般可以在400℃的条件下使用，最高使用温度可达1000℃。（4）抗微生物能力强。一般情况下不与微生物发生化学或生化反应。（5）使用寿命长。经过多次高温、高压、酸碱清洗、仍具有分离特性，比有机膜的使用时间长3-5倍。（6）清洁状态好。本身无毒且不易被污染，容易再生和清洗，当陶瓷膜被堵塞后可以进行反冲洗，也可以在高温、高压以及酸碱条件下清洗。（7）对孔径的大小以及孔径尺寸的分布比较容易控制，从而实现对被分离物质进行不同的筛选。-11- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.5.3膜污染机理陶瓷膜污染主要是由水中的胶体、悬浮物质、大分子有机物等附着在膜表面或膜孔内，使污染物被截留下来，造成膜的堵塞，使膜通量降低，膜污染是[64，65]膜处理中最重要的问题。陶瓷膜膜污染主要因素为：（1）膜孔径不同的孔径对颗粒物去除率不同，从而堵塞情况也不同。（2）操作条件陶瓷膜过滤时的压力，错流、曝气条件对膜污染速度都有较大的影响。（3）处理水的水质不同的水质会导致膜的污染速度不同，水质越差，膜污染越快。膜污染分为不可逆污染和可逆污染。不可逆污染是由于污染物在膜孔壁内附着，使膜孔通道的有效孔径变小，从而导致膜通量的下降。不可逆污染只能通过化学或超声波等方法处理，从而使恢复膜通量。可逆污染是大部分污染物[66]在膜表面附着，可以通过简单的物理方法得以恢复，如反冲洗等。Byun等认为臭氧和陶瓷膜结合可以控制陶瓷膜的污染。[67]膜通量的下降可有四种模型解释。（1）完全堵塞完全堵塞是指假设污染物的颗粒恰好都堵在每个膜孔上，从而使水不能通过膜孔。该模型是假设只有一层污染颗粒堵塞在膜孔中，污染颗粒物不重叠。（2）标准堵塞标准堵塞是指颗粒物附着在膜孔径的内壁上，从而使膜通量下降，膜孔径体积减少的越多，膜通量下降越多大。（3）中间堵塞中间堵塞和完全堵塞相似，但污染物在膜的表面发生了重叠，不仅仅只是一层。（4）滤饼层污染滤饼层污染是指污染物渐渐在膜的表面进行沉积和积累，从而形成了泥饼层，进而导致膜的污染。1.5.4陶瓷膜在水处理中的应用1.5.4.1含油废水的处理[68]Abadi等采用陶瓷膜处理含油废水，实验表明错流速度为2.25m/s，温度[69]为32.5℃条件下最好，油去除率为85%，浊度去除率98.6%。K.M.Simms等[70]认为在对油田出水处理中，陶瓷膜比高分子膜更好。HuX等认为经氧化石墨烯改性后的陶瓷膜在含油废水中处理中的膜通量更大。1.5.4.2印染废水的处理印染废水具有量大、水质变化较大、有机物的含量高，色度深、碱度深等-12- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文特点，是一种难处理的工业废水。[71]C.Soma等通过利用氧化铝微滤膜对印染废水处理，研究表明对不溶性[72]燃料去除率大于98%，对有机物、悬浮物等有明显的去除效果。Nooijen等3认为在2.7MPa的系统压差下膜通量为30-40L(m·h)。[73]张毅等采用动态陶瓷膜实验装置对上海第二印染厂退浆工艺产生的废水进行处理研究，实验表明，错流速度在不大的情况下，膜通量随着速度的变大而增大，当流速到一定值时，废液在管内停留时间较短而使膜通量降低。1.5.4.3造纸废水的处理造纸废水含有的难降解有机物比较高、色度大、种类复杂，属于难处理废水之一。[74]黄江丽等采用陶瓷微滤膜对碱法草浆黑液进行处理，实验表明出水木质素去除率大于85%，COD去除率大于60%，化学清洗后膜通量和恢复到原来的[75]70%-80%。范东等采用Fenton流出床陶瓷膜反应器对造纸二级出水进行处理，当反应时间为40分钟时，出水色度去除率为94.1%，DOC去除率为84.2%，膜通量先急剧下降，然后变化趋于稳定。采用HNO3清洗膜污染最佳，且反应时间为15分钟、HNO3质量分数为1.00%时，膜通量可恢复到原来的73.6%。1.5.4.4给水中的处理[76]在1991年的美国水协膜工艺会议中，Weisner做了利用管式陶瓷膜过滤[77]地表水的研究报告。Lerch等利用陶瓷膜和混凝集成工艺处理河水，结果表2[78]明陶瓷膜混凝工艺可以以80L/（m·h）的膜通量运行。Hashino等利用陶瓷膜-臭氧氧化工艺，集成工艺出水可达到日本饮用水标准的要求，出水经过活性[79]炭吸附，平均每两天反冲一次。UrbanowskaA等认为在给水处理中不同的操作条件对陶瓷膜各性能有着一定的影响。1.6主要研究内容及研究路线本课题采用某净水厂的排泥水作为进行分析研究，反冲洗水的含固率相对沉淀池的排泥水很低，可进行回用或沉淀后将上清液回用，在此不做研究，主要对沉淀池的排泥水（以后本文简称排泥水）进行浓缩实验研究。首先对沉淀池排泥水的重力沉降性进行初步的考察实验，投加不同混凝剂，观察混凝剂对排泥水沉降性的影响并分析原因；然后利用浸入式平板陶瓷膜对排泥水的进行浓缩处理，对膜通量的变化、膜污染情况以及出水水质进行探究，利用离心机对陶瓷膜浓缩后的排泥水进行离心处理；最后对沉淀池排泥水的处理进行经济分析，根据实际情况计算出排泥水的量以及含泥量，并进行技术经济分析。主要研究内容如下：-13- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（1）排泥水污泥量和水量的分析建立数学模型，根据公式计算以及该净水厂实际的原水水质、工艺流程、实际管理情况进行分析，计算出平均每天排泥水的产生量和产生的污泥量。（2）混凝剂及离心作用对排泥水处理的研究根据该净水厂排泥水的性质，对排泥水的自然沉淀进行实验研究，并对其自然沉淀性能进行分析并讨论原因。分别投加不同的混凝剂，研究其对排泥水的自然沉降性能的影响。采用不同的离心速度和离心时间，对不同浓度的排泥水进行浓缩处理，选取最佳的参数。（3）陶瓷膜处理排泥水及浓缩水离心处理利用陶瓷膜对重力沉淀后的排泥水进行处理，探讨最佳运行方法，并对出水和浓缩水的水质特性进行分析。然后将陶瓷膜浓缩后排泥水和原排泥水离心处理，对比在不同时间和不同转速对排泥水浓缩的影响。（4）排泥水处理工艺的设计及经济技术的分析对不同的方法进行经济分析，选取合适的处理方式，根据排泥水水量的规模，从而对该工艺进行详细的经济技术分析。本文研究技术路线图如图1-4所示。净水厂排泥水处理工艺的试验研究排泥水水质水量及干泥量的计算分析自然沉降研究混凝沉降研究离心处理研究陶瓷膜处理研究影响处理效果的因素分离水水质分析浓缩排泥水水质分析不同方法对排泥水预处理的经济分析比较排泥水处理工艺的确定及经济性分析图1-4研究技术路线图-14- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第2章实验材料与方法2.1实验试剂及仪器2.1.1实验试剂实验需要的试剂如表2-1。表2-1实验试剂试剂名称规格生产厂家聚丙酰胺分析纯天津市巴斯夫化工有限公司聚合氯化铝分析纯天津市光复精细化工研究所聚合硫酸铁分析纯天津市鼎盛鑫化工有限公司草酸钠优级纯天津市巴斯夫化工有限公司高锰酸钾分析纯北京北化精细化学药品有限公司98%浓硫酸分析纯天津渤海化学股份有限公司邻菲罗啉分析纯天津市致远化学实际有限公司七水合硫酸亚铁分析纯天津金汇太亚化学试剂有限公司硫酸亚铁铵分析纯济南萧试化工有限公司重铬酸钾分析纯天津博迪化工股份有限公司硫酸银分析纯天津市赢达稀贵化学试剂厂硫酸汞分析纯姜堰市环球试剂厂氯铂酸钾分析纯天津市盛鑫源伟业贸易有限公司氯化钴分析纯天津市巴斯夫化工有限公司2.1.2实验仪器实验需要的仪器如表2-2。表2-2实验仪器设备仪器设备名称型号生产厂家pH计P611上海佑科仪器仪表有限公司浊度仪Turb550德国WTW公司ICPOptima5300DV型PorkinElmer公司电子分析天平FA1104N上海民桥筋膜科学仪器有限公司蠕动泵BT300_03/YZ1515保定齐力恒流泵有限公司COD消解仪JR-9012青岛科迪博电子科技有限公司电热恒温水浴锅DZKW-D2天津天泰仪器有限公司离心机TDL-40B上海安亭科学仪器厂TOCTOC-VCPN日本岛津公司-15- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表2-2（续表）真空干燥箱DZF-6050型上海沪粤明科学仪器有限公司万用电炉DK-98-II天津天泰仪器有限公司真空表Y-150上海亿川仪器表转子液体流量计LZB-6沈阳市北星流量仪器表转子气体流量计LZB-3WB常州坤鼎热工仪表有限公司曝气泵750w-30L上海普贾实业有限公司2.2实验方法2.2.1排泥水自然沉淀实验方法为了解该厂排泥水的自然沉淀情况，分别取在该厂净水间取不同浓度的排泥水，然后对其进行自然沉降实验。将不同浓度的排泥水分别取1L置于1L的量筒中静置，观察记录随时间的变化底泥的体积。分别取不同浓度的排泥水对其浊度和含固率进行测定。2.2.2排泥水混凝处理实验方法（1）不同混凝剂对排泥水沉淀效果的影响取相同含固率的排泥水1L置于烧杯，分别往排泥水中投加PAM、聚合氯化铝、聚合硫酸铁等。搅拌均匀后倒入1L量筒静置沉淀，观察记录随时间变化泥水界面的变化情况。（2）PAM的投加量对排泥水混凝效果的处理取相同含固率的排泥水1L置于烧杯，将0.2gPAM溶于去100ml去离子水中溶液，分别取2.5ml、5ml、10ml、15ml、20ml、25ml、30ml溶液，即分别向排泥水中投加0.005g、0.010g、0.020g、0.030g、0.040g、0.050g、0.060g的PAM，搅拌均匀后倒入1L的量筒中静置沉降，观察记录随时间的变化泥水界面的变化情况。2.2.3陶瓷膜对自然沉淀后的排泥水的处理方法2.2.3.1实验采用的陶瓷膜本实验采用平板陶瓷膜，陶瓷膜尺寸为250mm×500mm，厚度为5.5mm，膜孔径为0.4-0.6µm，膜材质为高级氧化铝，工作压力为0-0.08MPa。2.2.3.2陶瓷膜处理设备实验装置包括一个容积为50L的反应器，六片尺寸为250mm×500mm的陶瓷膜片，蠕动泵，压力表、气泵，液体流量计，气体流量计，曝气管道。反应器的体积在60L左右，膜片垂直放入反应器中，将硅胶管连接膜片，每三个膜片的连接的硅胶管汇于一个PVC管中，即三个膜片为一组，在PVC-16- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文管上装有压力表，PVC管接蠕动泵软管，两组蠕动泵软管出水汇合接在液体流量计上。气泵通过硅胶管连接气体流量计并接布置在膜片下方的曝气管道。排泥水从进水管道流入反应器中，通过水泵的抽力给陶瓷膜内部一个负压，使水透过陶瓷膜从而实现泥水分离。进水和出水大致保持一直，使反应器中水量的基本不变。在运行过程中打开气泵，气体从反应器底部通过曝气管道均匀分布进行曝气，对膜片进行冲刷。当膜堵塞时对排泥水进行反冲洗，当反应器中排泥水达到一定浓度时，排出反应器中的浓缩排泥水，重新通入新的排泥水继续运行。反应器模型如图2-1所示。图2-1反应器模型2.2.3.3陶瓷膜对排泥水处理实验方法由于反应器体积为60L左右，本实验将反应器中的水维持在50L。调节进水蠕动泵，使反应器中的水维持在50L左右。（1）开启出水蠕动泵，分别在不曝气条件下和曝气量为1L/min的条件下，调整泵的转速使开始出水速度为40L/h，观察记录膜通量和系统内压力随时间的变化。（2）打开气泵并调节至1L/min的曝气量。开启蠕动泵，调整泵的转速使开始出水速度为40L/h，分别在2h，3h，4h，4.5h，5h处进行反冲洗，观察膜通量和系统内压力随时间的变化。（3）打开气泵并调节至1L/min的曝气量。开启蠕动泵，将蠕动泵转速调至出水水速为52L/h，分别在2h，3h，4h，4.5h，5h处将蠕动泵倒转，用出水-17- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文进行反冲洗，然后继续运行，观察膜通量和系统内压力随时间的变化。2.2.4.5不同条件对陶瓷膜污染的影响将系统压力达到0.03MPa、0.04MPa、0.05MPa时将蠕动泵倒转，用出水对陶瓷膜就行反冲，分别反冲10s、20s、30、40s、50s、60s，然后继续运行观察其膜通量的变化。通过对膜通量恢复的情况，而确定出最佳的运行参数和反冲洗方法。2.2.3.6陶瓷膜出水水质的影响在不同时间取出水水质检测出水中的铝、铁、锰、TOC、pH、浊度、色度、CODMn。在不同时间取出水水样的同时，将反应器中的浓缩泥水水样取出，测定水样中的，TOC、pH、浊度、色度以及含固率。2.2.3.7排泥水离心实验方法分别取相同含固率的排泥水50mL置于离心管中，分别将转速调至2000转/分钟，分别离心2min、4min、6min、8min、10min、15min、20min、30min。同样，分别取100mL的排泥水，在3000转/分钟分别离心2min、4min、6min、8min、10min、15min、20min、30min，在4000转/分钟分别离心2min、4min、6min、8min、10min、15min、20min、30min。离心后取上清液测定其上清液水质以及底泥的含固率。同理，取体积相同的经过陶瓷膜浓缩后的排泥水重复上述过程，取水样测定水质以及底泥含固率。对比两者的差异，给出合理的方法。2.3陶瓷膜的性能评价指标2.3.1膜通量膜通量是膜处理中的一个重要的工艺参数，是指在单位时间内通过单位面322积的水量，单位一般为m/ms或者，L/mh表示，其计算公式为：V=（2-1）At32式中——膜通量（m/ms）；3V——水的透过量（m）；2A——膜的有效过滤面积（m）；t——过滤时间（s）。2.3.2水回收率水回收率是膜处理性能评价的一个重要指标，是指膜处理工艺可以将膜出-18- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文水体积占处理水总体积的百分比，水的回收率越高即产水率越高，膜对水的处理效果越好，计算公式为：V2P（2-2）V1式中P——水的回收率（%）；3V1——处理水量（m）；3V1——透过膜的水量（m）。2.3.3膜通量恢复率膜通量恢复率是评价膜清洗后膜通量的恢复情况，也是评价陶瓷膜清洗状况的一个评级指标，指清洗后膜通量与清洗前膜通量的比例，比例越大，说明膜清洗效果越好，反之清洗效果不好，计算公式为：2S（2-3）1式中S——膜通量的恢复（%）；321——清洗前的膜通量（m/ms）；322——清洗后的膜通量（m/ms）。2.4分析方法2.4.1水质分析方法根据《水和废水监测分析方法》（第四版）对水质进行分析，主要水质项目及方法如表2-3所示。表2-3水质分析方法水质指标分析测定方法Al电感耦合等离子发射光谱法Fe电感耦合等离子发射光谱法Mn电感耦合等离子发射光谱法浊度Turb550浊度仪分析法色度铂钴标准比色法pHpH计法TOCTOC-VCPN总有机碳测定仪分析法CODMn酸性法-19- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.4.2排泥水性质的分析方法（1）沉降比（SV30）排泥水的沉淀过程中，其沉淀速度和排泥水含固率、温度、混凝剂种类及投加混凝剂的量有关。SV30是指排泥水在量筒静置30分钟后，污泥所占的体积百分比，它是分析污泥沉降性的最简单的方法。计算公式为：V4SV30（2-4）V3式中V3——原水总体积（ml）；V4——静置30min泥水体积（ml）。（2）含固率含固率是表征污泥脱水性的指标之一，是指在单位质量的排泥水中含有的固体物质的质量，单位为用%来表示。测定方法：取一定质量的污泥样品置于恒重的蒸发皿中，放入烘箱中在105℃的条件下烘干4-5h，再放入干燥器中一段时间慢慢冷却至室温，然后称重。反复几次，直到两次称重相差不超过0.0005g。利用算公式含固率，公式为：WW31W0100%（2-5）WW21式中W0——含固率（%）；W1——蒸发皿的质量（g）；W2——蒸发皿和湿污泥的质量（g）；W3——蒸发皿和干污泥的质量（g）。（3）污泥浓度的测定污泥浓度是指单位体积的泥水中含有的污泥质量，表示水中含泥量的大小，其浓度的大小对陶瓷膜的污染有影响，污泥浓度越大，膜污染速度越快。污泥浓度和含固率有一定的关系，前者浓度极高时，用含固率来表示。测定方法为：将定量滤纸放入烘箱中，在105℃下的条件下烘干30min，烘干后放入干燥中冷却至室温，然后称重。反复几次，直到两次称重的质量相差小于0.0002g时记下数据。将=滤纸放在抽滤装置上，取一定体积的排泥水混匀抽吸过滤，使水分通过滤膜。将带有污染物的滤纸放入称量器皿中，然后置于烘箱中，在105℃的条件下烘干3-4h，烘干后放入干燥器中，冷却至室温后，称其重量。反复几次后烘干、冷却、称量，直到两次重量相差小于0.4mg为止。利用公式计算污泥浓度，公式为：-20- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文6WW4310C（2-6）V0式中C——污泥浓度（mg/L）；W3——抽滤前滤纸和称量器皿的重量（g）；W4——烘干后污泥、滤纸和称量器皿的重量（g）。（4）Zeta电位的测定Zeta电位即胶体颗粒表面的电位。分子越小，Zeta电位的绝对值越大，同性电荷斥力越大，体系越稳定，即越难沉降。否则，Zeta电位的绝对值越小，即越接近于0，胶体颗粒之间越倾向于凝聚，即越容易沉降。本实验采用电泳法进行测定，通过测定胶体颗粒在电场中的电泳速度来确定。取浓度为0.18g/L、0.278g/L、0.42g/L、0.6g/L、0.9g/L、1.5g/L的排泥水，将不同浓度的排泥水在分析仪上测定。利用公式计算Zeta电位，公式为：4u=（2-7）E式中u——电泳的速度（ms/）；——分散系粘度（p）；——介电常数；E——点位梯度（v/cm）；u——电泳淌度E-21- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第3章排泥水的分析及不同方法的处理研究3.1前言排泥水中含有较多的悬浮物、胶体物质、混凝剂及混凝剂产生氢氧化物，大量排泥水的直接排放会对环境造成一定的污染，因此需要将净水厂的排泥水处理。排泥水水量和污泥量的多少会对排泥水的浓缩效果以及经济投入产生影响。污泥量的多少与原水的水质、投加的混凝剂的量、絮凝程度等因素有关。本章按照设计手册的计算方法，根据净水厂实际情况，对污泥量以及排泥水水量分析计算。重力沉降是污泥浓缩最简单、经济投入最小的方法，本章对排泥水进行重力沉降分析，并分析原因。混凝是污水处理工艺中运用比较多的一种处理方法，通过投加混凝剂是水中的胶体颗粒或悬浮物产生凝聚沉淀，从而达到泥水分离的效果。通过投加不同的混凝剂，选出对排泥水混凝效果最好的混凝剂。选用合适的混凝，通过不同的混凝剂投加量对排泥水的处理效果，并选出最佳的投加混凝剂的最佳量。离心处理是排泥水处理中运用较广泛的一种处理方式，其对排泥水的浓缩效果最好，但离心处理的经济投入较大。本章通过离心作用对含泥量浓度不同的排泥水进行离心浓缩，以浓缩污泥的含固率为评价指标，对离心时间以及离心转速进行优选，选出最优的离心方式。3.2排泥水的来源及原水水质分析3.2.1净水厂原水水质特点本实验采用的排泥水取自中国北方某市某净水厂，净水厂水源采用水库中的水。水库原水水质较好，大部分指标符合Ⅰ级地表水的水质标准。原水的浊度在冬季较低、夏季较高。每年7-10月份基本在1.5—2.0NTU左右，偶尔会到2.6NTU，1-6月份和11-12月份基本大部分期间浊度都低于1.5NTU，在冬季时浊度在0.5NTU左右。原水中色度较高，其中夏季比冬季色度高。夏季水质色度基本在25-35度之间，冬季色度在15-18度，全年平均色度大约在25度。水质中铝、铁、锰等金属含量较低，其中铁、锰基本符合国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），此标准在本文中简称为饮用水标准。-22- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表3-1净水厂进水原水水质浊度水质指标铝（mg/L）铁（mg/L）锰（mg/L）色度（度）COD（mg/L）（NTU）进水原水0.1-1.50.01-0.050-0.010.5-415-403-73.2.1排泥水的来源3该净水厂分为两期，每期的设计的总供水量为45万m/d，总设计供水量3在90万m/d。净水厂采用的工艺流程为：配水井—机械混合—机械絮凝—斜管沉淀—滤池过滤—消毒—清水池。进水原水进入配水井后用泵提升至机械混合池，在混合池中与混凝剂混合后进入机械絮凝池进行反应，然后在斜管沉淀池中沉淀，从而达到泥水分离的目的，泥水分离后的出水在翻板滤池中过滤，经过消毒后进入清水池，最后通入管网。排泥水分为沉淀池的沉淀泥水和滤池反冲洗水，两种水分别直接排入排泥水管廊后直接排出。该净水厂投加的聚合3氯化铝作为混凝剂，投药量在80g/m左右。该净水厂的净水处理工艺流程如图3-1所示。生产废水投加PAC原水配水井混合池絮凝池斜管沉淀池滤池出水泵站清水池消毒间图3-1水厂处理工艺流程图3.2.2排泥水的特性滤池反冲洗水含固率很低且水中含有一些混凝剂，可以直接回用，不仅节约了用水，而且还节约了对原水中混凝剂的投加量。本实验只对该净水厂中沉淀池的排泥水进行处理研究，设计处理工艺，然后对比经济投入后选出最佳的处理工艺。该净水厂沉淀池排泥水水质如表3-2。表3-2净水厂沉淀池排泥水水质水质指标污泥浓度（mg/L）浊度（NTU）色度（度）排泥水180-1900100-800500-2000-23- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文从表2-3中可以看出，沉淀池排泥水中的浊度、色度以及污泥浓度都很高。排泥水中的浊度、色度都远远高于原水，因为原水经过混凝剂的混凝沉淀，原水中含有的悬浮颗粒、腐殖质等物质沉淀下来，使沉淀下来的排泥水中浊度、色度、污泥浓度都极高。水质各指标浮动都比较大，因为净水厂排放排泥水采用自动排水，即排泥水排放量基本相同，因此当原水水质不同时，排泥水各水质也不同，原水各个指标较高时，排泥水各指标也会较大。3.2排泥水的性质的分析及污泥核算该净水厂的原水来自某水库，净水厂原水经过配水井送至混合池，在混合池中与投加的聚合氯化铝混合，平均投药量为80mg/L，混合后进入在絮凝池，3在斜管沉淀池中沉淀分离，设计供水量为90万m/d。该净水厂采用机械搅拌反应池和斜管沉淀池，沉淀池共设有16组，每组四个沉淀池，每组沉淀池设置八个排泥管，一共设有128个排泥水管道，每个排泥管管径为DN200，每四个小时排泥一次，每次排泥时间为90s。每个沉淀池的大小为28m×20m×5.3m，其中水深约在5m。净水厂分为两期，每期的8组沉淀池，到排放排泥水的时间时，一组排放完后紧接着下一组排。3.2.1污泥量的计算污泥量是核算主要有混凝剂物料平衡法、计算法、现场测定法。由于排泥水浓度是变化的，因此现场测定准确性不强，一般常用的是计算法。排泥水主要是由悬浮物质、胶体物质、混凝剂及混凝剂产生的氢氧化物等构成，因此污泥量的计算需要根据原水浊度、悬浮物含量、色度等条件进行计算。目前，污泥量计算方法主要有：（1）据英国《供水》手册（2000）：-6TDSQX=S+H+CFeMnPLY10（3-1）式中TDS——干污泥的总量（t/d）；3Q——水厂的产水水量（m/d）；X——混凝剂形成的悬浮固体，2.9×混凝剂的量（mg/L）；S——悬浮物（mg/L）；H——0.2×色度；C——0.2×叶绿素a（ug/L）；Fe——1.9×水中铁的含量（mg/L）；Mn——1.6×水中Mn的含量（mg/L）。P——PAC的投加量（mg/L）；-24- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文L——石灰的投加量（mg/L）；Y——聚合电解质的投加量（mg/L）。（2）我国《给排水设计手册》中提供的计算公式为：-6TDSQTE=1+0.2+1.53+CAB10（3-2）式中TDS——干污泥的总量（t/d）；3Q——水厂的产水水量（m/d）；E1——SS与浊度的换算系数，低浊度时取2.2；T——原水的浊度（NTU）；C——原水的色度（度）；A——铝盐投加量（mg/L）；B——投加的其他物质（mg/）L。（3）我国《室外给水设计规范》中提供计算方程：-6TDSQKCKD=10+210（3-3）式中C0——原水中的浊度（NTU）；K1——换算系数；D——混凝剂的量（mg/L）；K2——药剂转化成泥量的系数；采用《给排水设计手册》中的计算方法，原水平均浊度采用2NTU，平均色度为25度，平均投药量为80mg/L，实际平均供水为80万吨/天，计算得到11.862t/d，即每天产生的干泥量为11.862吨。3.2.2排泥水量的计算在沉淀池底部设有排泥口，根据排泥口利用压力直接打开阀门对排泥水进行排放，排泥水的总量影响到排泥水处理的设计规模。排泥管管嘴出水流量：q=0.822gH（3-4）2=r（3-5）3式中q——排泥管流量（m/s）；2g——重力加速度，取9.8g（m/s）；H——沉淀池排泥口水压高（m）；r——管道半径（m）；2——过水断面面积（m）。3将数据代入公式，计算出单个排泥口出水流量为0.255m/s。每次排泥时间-25- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3为90s，计算得每次单个排泥口排水量为22.94m。根据公式24Qq=n（3-6）T03式中Q——每天排泥水的量（m/s）；n——排泥个数；T0——排泥周期时间（h）。33代入数据可以计算得17619m/d，约等于平均每天的排泥水的量为17619m，则污泥平均浓度为0.6732g/L。3.3排泥水水质分析3.3.1排泥水浓度分析在排放排泥水时，不断取水样，排泥水的浓度是不同的，由图3-1可知，排泥水浓度随着排放时间的变化不断变化。排泥水的浓度是不断变化的，开始时较高，随着排放时间的增加，排泥水浓度降低。21.6）1.2g/L0.8浓度（0.4012345678样品号图3-1不同样品排泥水浓度3.3.2浊度与排泥水浓度的关系从图3-2中可知，浊度与污泥有一定的线性关系，方程线性相关性良好，2其方程式为y=2.4692x-50.531，其中R=0.9969。随着排泥水浊度越高，其排泥水的污泥浓度就越大。在工程中可以通过对浊度进行实时检测从而转换成排泥水的浓度。-26- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文200018001600）1400mg/L12001000800600污泥浓度（y=2.4692x-50.531400R²=0.996920000200400600800浊度（NTU）图3-2浊度与污泥浓度比例的关系3.3.3排泥水电位分析从图3-3可以看出，排泥水中的胶体离子带有负电，电位基本在-1—-3mV。从电位来看，排泥水的电位很低，含有的颗粒带有的电荷很少，其颗粒之间的电荷排斥力较小，排泥水中颗粒带电荷的原因不是使污泥难沉降的主要原因，因此改变排泥水中的带电量改善其沉降性能基本不行，高浓度排泥水难沉降的主要原因是由于排泥水中含有较高浓度的胶体颗粒、悬浮颗粒物及聚合氯化铝等一些物质。21）0mV-1电位（-2Zeta-3-4-500.511.5污泥浓度（g/L）图3-3电位与污泥浓度的关系3.4排泥水自然沉降分析对排泥水进行浓缩处理，若排泥水具有良好的沉降性能，自然沉降是最优-27- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文的处理方法。重力浓缩只需要建立沉淀池即可，不需要其他设备、不用投加药剂等，不仅节约费用，而且排泥水不会有投加药剂，避免排泥水的进一步污染，减少污泥量的增加。由图3-4可以看出，不同浓度的污泥随着自然沉降时间的增加，排泥水中污泥的体积所占比例就不断降低，且不同浓度的排泥水随着时间的增加，沉降速度也不断降低。排泥水中污泥浓度的越低，单位体积排泥水中含有的胶体颗粒越少，颗粒间的间距越大，相互排斥力越小，因此在沉降过程中所受的阻力越小，因此在同一时刻沉降速率越快，排泥水的沉降性能越好。反之，胶体颗粒之间的相互作用力会越大，排泥水中颗粒物会变得比较稳定，不易沉淀下来。污泥浓度为0.18g/L、0.27g/L、0.42g/L、0.6g/L的排泥水在120min后沉降速度变的很低，因为沉降下的污泥浓度变高，很难继续沉降。由图3-4可知，重力沉降在一定程度上对排泥水有一定的浓缩作用，但当污泥浓度达到一定程度，污泥沉降速度很低。污泥浓度较大时，在重力的作用下，颗粒物开始将颗粒之间的水分慢慢挤出，使污泥得到进一步浓缩，但这个时候的沉降速度很低，直到胶体颗粒之间的水分不能通过重力挤压而实现污泥浓缩。重力沉降的速度受排泥水污泥浓度的限制，而且这种方法对污泥浓缩倍数有一定的限制性，沉降后排泥水污泥浓度不高，含水率仍然较高，需要进一步处理。1001.9g/L）801.5g/L%0.9g/L600.6g/L400.42g/L沉降污泥占比（0.27g/L200.18g/L00120240360480600时间（min）图3-4沉降时间与污泥比例的关系-28- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.5排泥水混凝沉淀处理研究3.5.1排泥水中投加不同的混凝剂在图3-4中可知，含泥量为0.9g/L的排泥水中的沉降速度很低，只能通过挤压胶体颗粒之间的水分实验浓缩，对0.9g/L的排泥水投加不同的混凝剂，观察混凝剂对排泥水的沉降性的影响，选出最优的混凝剂。从图3-5可以看出，投加聚合氯化铝、聚合氯化镁对排泥水的浓缩没有明显作用，而投加PAM对污泥浓缩有一定的促进作用，可以快速使排泥水混凝沉降，PAM的混凝效果明显好于聚合氯化铝和聚合硫酸铁。由于净水厂在对原水处理时已经投加了大量的聚合氯化铝，排泥水中无机混凝剂已经呈现饱和状态，再投加聚合氯化铝或聚合硫酸铁的等无机混凝剂不能对排泥水污泥沉降有促进作用。而投加PAM等有机增稠剂，各颗粒之间形成聚合物的桥，并一起下沉。110）90%70聚合氯化铝聚合硫酸铁PAM沉降污泥占比（5030050100150时间/min图3-5投加不同混凝剂排泥水沉降曲线3.5.2排泥水中投加不同量的PAM投加混凝剂PAM对排泥水有一定的混凝作用，对0.9g/L的排泥水分别投加不同量PAM，观察投加不同量的PAM对排泥水沉降性的改善，投药量的不同也使排泥水的浓缩效果不同。从图3-6和图3-7中可以看出，PAM的投加量为5mg/L时，PAM对排泥水的沉降改变很小。当投药量为10mg/L时，排泥水的沉降性能得到很大改善，沉降速率加快，污泥可以得到很快浓缩。投药量大于10mg/L时，即投药量为10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L时对排泥水的沉降性能的改善差-29- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文别不大。投加一定量的PAM可以将含泥量为0.9g/L的排泥水在半小时内可以将排泥水污泥浓缩到原来的50%以下。投加过量的混凝剂PAM不仅会增加经济的投入，而且还会产生大量的污泥量，因此选用投加PAM的为10mg/L。从图3-6和图3-7看出混凝剂PAM对排泥水有很好的沉降作用，但只能将污泥浓为0.9g/L的排泥水浓缩到40%左右，沉降的泥水的污泥浓度2.25g/L，且沉降的泥水中含有大量的PAM混凝剂，PAM对排泥水的浓缩倍数有限。110）90%5mg/L7010mg/L20mg/L30mg/L50沉降污泥占比（30010203040506070时间（min）图3-6投加不同量的PAM排泥水浓缩曲线11090）SV30%（70SV30503001020304050投药量（mg/L）图3-7PAM的投加量对SV30的影响3.5.3PAM对不同浓度排泥水沉降性能的影响将20mg/L的PAM投加到污泥含量为0.42g/L和0.9g/L的排泥水中，观察PAM对排泥水的沉降性能改善以及污泥浓缩倍数。从图3-7中可以看出，PAM对两种浓度的排泥水沉降性能都具有很明显的改善作用，在10min之后泥水界面基本不再下降。在投药后10min时，浓度为0.42g/L和0.9g/L的排泥水沉降-30- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文下来的污泥浓度分别约为1.8g/L、1.4g/L，排泥原水浓度越大，沉降下来的污泥浓度也越高。100）0.9g/L%800.42g/L6040沉降污泥占比（2000204060时间（min）图3-8投加PAM时不同浓度排泥水的沉降曲线3.6排泥水离心处理的研究3.6.1离心作用对污泥的浓缩效果污泥含量为0.9g/L的排泥水其含固率约为0.09%，将此浓度的含泥水放入离心机中进行离心实验，通过不同的离心时间和转速，考察不同因素对排泥水浓缩的影响。从图3-9中可以看出，转速越大，浓缩污泥的含固率越高。离心时间的增加，污泥的含固率越大。离心时间小于15分钟时，污泥含固率的增加速率较快，离心时间越长，污泥含固率快速上升。离心时间大于15分钟时，浓缩污泥含固率上升速率变低，即离心时间变长时，污泥的含固率变化不明显，因此对排泥水的离心时间在控制在15分钟为佳。3.532.5）%21.5含固率（12000rmp3000rmp0.54000rmp005101520253035离心时间（min）图3-9离心各因素对污泥含固率的影响-31- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.6.2离心对不同含泥量的排泥水离心的效果污泥含量为0.42g/L、0.9g/L、1.9/L的排泥水即将含固率为0.042%、0.09%、0.19%的排泥水在4000rmp的条件下离心，分析其对不同含固率的排泥水的处理效果。从图3-10中可以看出，随着离心时间的增加，不同浓度的排泥水离心的污泥含固率都不断增加。在离心时间相同的条件下，原始排泥水中污泥含量越大，排泥水离心后污泥的含固率越大。同样与图3-9结果相似，当离心时间大于15分钟时，污泥含固率增加速率降低，即随着离心时间的增加，污泥含固率上升不明显。3.532.5）%21.5含固率（10.042%0.09%0.50.19%005101520253035离心时间（min）图3-10离心对不同含固率排泥水处理效果3.7本章小结本章主要是通过计算公式对排泥水水量与污泥量进行核算，并对排泥水水质进行分析，考察排泥水的自由沉降性能并分析原因。通过投加不同混凝剂选出效果最好的混凝剂，并考察此混凝剂的投加量对排泥水的影响选出最佳投加量，并以最佳投加量混凝不同浓度的排泥水观察混凝效果。并对不同浓度的排泥水在不同离心速度、不同离心条件下离心处理，选出最优的离心因素。（1）通过排泥水自由沉降试验发现，污泥浓度越大，自然沉降速度越小。重力沉降对排泥水的浓缩具有一定的局限性，当沉降到一定浓度时，排泥水的沉降性极差，重力沉降只能对浓度较低的排泥水进行适当浓缩。（2）建立浊度和污泥浓度的关系，发现浊度和污泥浓度具有良好的线性关系，可通过对排泥水的浊度在线测定，从而确定排泥水浓度。（3）通过混凝试验选取合适的混凝剂种类，结果表明只有PAM对排泥水-32- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文沉降性具有明显的改善效果。当PAM投加量为10mg/L时为最佳投药量，对不同浓度的排泥水投加10mg/L的PAM，排泥水浓度越高，沉淀污泥含固率越大。效果最好的PAM混凝剂对排泥水的处理具有一定的局限性。（4）通过离心作用对排泥水进行离心处理，转速为4000rmp时，离心后的污泥含固率最大，最佳离心时间为15分钟。排泥水浓度越低，离心污泥含固率也就越低。-33- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第4章陶瓷膜处理排泥水工艺方法的研究4.1引言排泥水存在大量的胶、悬浮颗粒物以及大量的混凝剂，上一章研究发现，该净水厂中排泥水沉降性能差，重力沉降以及投加混凝剂对排泥水的处理效果都不太理想。对于该净水厂排泥水由于其排泥水难沉降的性质，采用膜处理的方式将泥水分离。陶瓷膜是以微孔陶瓷膜为过滤层、以多孔陶瓷为支持体的过滤材料，呈现多空孔通道，管壁布满微孔，主要材质为Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2等无机材料。陶瓷膜相比有机膜具有较高的机械强度、化学稳定性和热稳定性好、抗微生物能力强、使用寿命长等特点，可以在较高压力下运行，并能承受酸碱以及其他学化学药剂的清洗。陶瓷膜可用于去除液体中的大分子有机物、胶体、悬浮颗粒等物质，目前陶瓷膜已经在处理含油废水、印染废水、造纸废水以及在给水中得到应用。本文将陶瓷膜用于对排泥水的处理，通过对比曝气强度，泵的功率对系统内压力以及膜通量的影响，确定合适的运行因素。通过对污染后的陶瓷膜进行清洗实验，确定最佳的清洗方案，从而最大程度的恢复膜通量。通过确定合适的运行条件以及对膜污染的清洗，从而确定一种最佳的运行方法，使设备运行时间更长，对排泥水的浓缩倍数更高。最后对出水和浓缩水水质随着运行时间变化的情况进行分析。4.2陶瓷膜进水处理及水质分析将排泥水静置10小时，将上清液去除，剩下的自然沉淀的排泥水混匀后作为排泥水的原水，上清液及沉淀排泥水的水质如表4-1和表4-2。表4-1上清液水质项目铝（mg/L）铁（mg/L）锰（mg/L）pH浊度（NTU）色度（度）数值0.9100.0680.0786.921.5210表4-2重力沉降后的排泥水水质铝铁锰SSTOC浊度色度项目pH(mg/L)(mg/L)(mg/L)(g/L)(mg/L)(NTU)（度）数值335.6238.090.781.987.46.88521656从表4-1可知，上清液铝元素含量超出国家饮用水标准，其余指标基本符合饮用水标准，可将上清液与净水厂进水原水混合一起处理。从表4-2可以看出，各项指标极高，排出后会对环境造成较大的污染，因此需要将其继续处理。-34- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.3陶瓷膜处理对排泥水处理工艺的研究4.3.1曝气强度对膜通量及压力的影响4.3.1.1对膜通量变化的影响调整泵的转速使开始出水速度为40L/h，分别在不曝气和曝气量为0.5L/min、1.0L/min、1.5L/min的条件下运行。在系统中随着装置的运行，陶瓷膜表面截留了水中大量的悬浮颗粒物和混凝药剂等，这些物质在膜表面渐渐附着，并沉积在陶瓷膜表面，使膜表面上逐渐形成泥饼，从而导致膜通量不断下降，即出水量下降，结果如图4-1所示。从图4-1中可以看出，在不曝气条件下膜通量的下降速度在开始时很快，随着时间的增加，膜通量下降速度越来越慢。这是由于开始时悬浮颗粒、胶体等物质迅速在膜表面积累，使膜孔堵塞，从而使膜通量下降。随着膜通量下降，出水速度也不断下降，使污染物附着在膜表面的速度也降低，即膜通量下降速度降低。随着堵塞物的增多，在膜表面形成一层泥饼，污染物慢慢在泥饼上附着，由于在泥饼上附着的污染物比在膜表面附着的污染物距离陶瓷膜表面较远，从而使在泥饼表面附着的污染物的附着力较小，即随着时间的运行，泥饼变厚，污染物越不容易附着，从而膜通量下降速度变慢。曝气条件下，运行相同时间时，膜通量比不曝气的膜通量大，即膜污染情况较轻，可见曝气可以延缓污染物对陶瓷膜的污染，从而可以使设备运行更长的时间。曝气时，气体从膜片下方沿着膜表面向上运动，从而对膜片有一定的冲刷作用，将附着在膜片上部分堵塞物冲刷下来，从而延缓了膜片的堵塞，使膜通量下降较慢，即出水量比不曝气时大。随着曝气量的增加，膜通量越低，膜污染情况也越轻。由图4-1可知，在曝气量为1.0L/min和1.5L/min的条件下对膜通量的影响不大，因此选取以1.0L/min的曝气量最佳。30.00不曝气0.5L/min25.001.0L/min）-11.5L/min∙h20.00-215.00(L∙m10.00膜通量5.000.0000.511.52时间（h）图4-1曝气对膜通量变化的影响-35- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.3.1.2对系统内压力变化的影响由于泵的转速不变，随着膜通量的下降，出水量下降，使系统内负压不断升高。膜通量越小，系统内负压越大。从图4-2中可以看出不曝气比曝气条件下负压上升更快，曝气量越大，负压上升的越慢，曝气使系统内压力降低。0.060.05）0.04Mpa0.03压力（0.02不曝气0.5L/min0.011.0L/min1.5L/min000.511.52时间（h）图4-2曝气对压力变化的影响4.3.2不同初始出水速度对膜通量及压力的影响4.3.2.1对膜通量变化的影响在曝气量为1Lmin的条件下，分别调整泵的转速使开始出水速度分别为40L/h，52h/L，57L/h，其膜通量的变化由于蠕动泵转速而变得不同。由图4-3可以，泵转速越大，膜通量越大，即出水水速越大。但随着泵转速的变大，膜通量的下降速度也会越大，这是由于水的过膜速度增加，在相同时间内过膜水量大，从而使污染物在膜表面的附着速度增加，导致膜通量下降速度上升。在图4-4中，可以明显看出开始出水速度分别为57L/h的曲线接近开始出水速度分别为52L/h的曲线，在运行2小时的时候膜通量已经低于开始出水速度分别为52L/h的曲线。在本实验中，选取开始出水速度分别为52L/h的曲线为实验的运行条件。-36- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文40.0035.0030.00）-1∙h25.00-220.00(L∙m15.00初始出水速度40L/h膜通量10.00初始出水速度52L/h5.00初始出水速度57L/h0.0000.511.52时间（h）图4-3不同初始出水速度下膜通量与时间的关系4.3.2.2对系统内压力变化的影响由图4-4可以看出，蠕动泵转速越大，初时出水速度就越大，其系统内压力在运行相同时间时压力也就越大。由于转速上升，使其对水的吸力变大，使系统的压力更大。由图4-3知，在同一时间转速越大膜污染越严重，膜的污染使出水量降低，因此也导致了系统内压力降低。0.050.0450.040.035）0.03Mpa0.0250.02压力（0.015初始出水速度40L/h0.01初始出水速度52L/h0.005初始出水速度57L/h000.511.52时间（h）图4-4不同初始出水速度下压力与时间的关系4.3.2.2系统内压力与膜通量的关系选取在曝气为1L/min的条件下，随着设备的运行，将系统内压力和膜通量之间作关系曲线，以压力为横坐标，以膜通量为纵坐标建立坐标系，对两者关系进行拟合，如图4-5所示。由图4-5可知膜通量随压力的升高而降低，对其线性关系进行拟合，其数学关系为y=-245.05x+26.89，其中，R²=0.9863，具有良好的相关性。-37- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文30.0025.00）-120.00∙h-215.00(L∙my=-245.05x+26.8910.00R²=0.9863膜通量5.000.0000.010.020.030.04压力（MPa）图4-5曝气量为1L/min压力与膜通量的关系曲线4.3.3膜清洗条件的影响因素的研究将系统在曝气为1L/min、泵转速为出水水速为52L/h的条件下持续运行，分别在系统压力达到0.03MPa、0.04MPa、0.05MPa时将蠕动泵倒转，用出水对陶瓷膜就行反冲，分别反冲10s、20s、30、40s、50s、60s，然后继续运行观察膜通量的变化。通过膜通量恢复的情况，从而确定出最佳的运行参数和反冲洗方法。不同反冲洗时间对膜通量变化的恢复情况如图4-6所示。从图4-6可以看出系统运行到系统内负压为0.03MPa时进行冲洗，在很短的时间内就能将膜通量恢复到原来的水平，其清洗比较容易。而系统运行到系统负压为0.05MPa时，进行反冲的效果不好，当反冲洗时间60s的时候，膜通量仍然较低，没有恢复到原来的水平。而在系统运行到0.04MPa时进行反冲，膜通量的恢复率会逐渐上升，当反冲洗一分钟时膜通量基本可以恢复到原来的水平。120100）%8060400.03MPa膜通量恢复率（200.04MPa0.05MPa00102030405060时间（s）图4-6各因素对膜通量的恢复-38- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文系统运行到负压越大时，其陶瓷膜清洗越困难。从图4-2和和4-5知系统运行时间越长，负压越大，陶瓷膜附着的污染物越多，因此导致清洗越困难。系统的负压越大，也导致污染物的附着力更大，与膜表面的接触也越紧密，因此导致污染物不易从膜表面脱落。即膜清洗也越困难。因此，在运行过程中不运行过长时间，即不应该在系统达到较大负压时仍然运行，这样不仅较低的出水量导致经济的不合适，而且冲洗也会很困难，甚至不能不通过简单的反冲洗将膜通量恢复到原来的水平。因此，一般情况下，运行到系统负压为0.04MPa左右时就应该进行对陶瓷膜进行反冲洗清洗。4.3.4陶瓷膜处理方法的设计与浓缩倍数分析4.3.4.1陶瓷膜处理方法的设计蠕动泵转速为开始出水水速为52L/h，曝气量为1L/min。分别在2h，3h，4h，4.5h，5h处进行反冲洗后继续运行。从图4-7看出，膜通量在反冲后基本恢复开始运行时的出水量。随着时间的进行，每次反冲洗后再运行时，在同一时期膜通量下降速度越来越快，即在反冲洗后运行到同一时间，当反冲洗次数越多，膜通量下降速度越快。分析认为，随着时间的变化，由于反应器中废水的浓度不断升高，因此导致膜片越容易堵塞，使其堵塞速度加快，膜通量更小。当第四次反冲洗后运行半小时，反应器内废水浓度达到较高水平，频繁反冲洗不再经济。多次的反冲洗导致膜堵塞的速度加快，需要频繁反冲清洗才能使系统继续运行，因此使陶瓷膜已经不再适合对高浓度排泥水的处理，此时将反应器中的浓缩排泥水排出，换成原来的排泥水，进行下一个周期的运行。36.0034.00开始运行后32.00第一次反冲洗后）30.00第二次反冲洗后-1∙h第三次反冲洗后-228.00第四次反冲洗后26.00(L∙m24.0022.00膜通量20.0018.0016.0000.511.52时间（h）图4-7反冲对膜通量变化的影响从图4-8中随着反冲洗次数越多，压力上升速度越快。这是由于反应器中-39- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文排泥水浓度的增加导致膜污染速度的加快，导致膜通量的下降，使系统内负压上升。0.050.0450.040.035）0.03Mpa0.025开始运行后0.02第一次反冲洗后压力（0.015第二次反冲洗后0.01第三次反冲洗后0.005第四次反冲洗后000.511.52时间（h）图4-8反冲对压力变化的影响4.3.4.2陶瓷膜浓缩倍数的计算分析将图4-7中纵坐标膜通量转化成出水速度，然后对各点进行拟合，做出拟合曲线及方程式，对方程式求积分，算出各条曲线与X周围成的面积，即为出水水量。56y=4.8312x2-20.996x+50.98551R²=0.9937y=12x2-31.8x+51.9开始运行后46R²=0.9996第一次反冲洗后）41第二次反冲洗后-1第三次反冲洗后(L∙h36第四次反冲洗后31出水速度y=19.429x2-41.429x+52.02926R²=0.9998y=40x2-58x+522y=80x-84x+5221R²=1R²=11600.511.52时间（h）图4-9时间与出水速度的拟合将各点进行拟合，其各条曲线的拟合方程值分别为：-40- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2y=4.8312x-20.996x+50.985（4-1）2y=12x-31.8x+51.9（4-2）2y=19.429x-41.429x+52.029（4-3）2y=40x-58x+52（4-4）2y=80x-84x+52（4-5）2每个拟合方程的的R都大于0.993，对各个方程求积分。即：22F()x4.8312x20.996x50.985dx（4-6）1012F()x12x31.8x51.9dx（4-7）2012F()x19.429x41.429x52.029dx（4-8）300.52F()x40x58x52dx（4-9）400.52F()x80x84x52dx（4-10）50求得：Fx（）172.8612（4-11）Fx（）240（4-12）Fx（）337.79083（4-13）Fx（）420.41667（4-14）Fx（）518.83333（4-15）出水量=Fx（）1+Fx（）2+Fx（）3+Fx（）4+Fx（）5=189.02L（4-16）则排泥水浓缩比例：50100%=20.9%189.02+50（4-17）将出水速度为52L/h条件下出水收集，排水量为189.02L，陶瓷膜对自然沉降后的排泥水浓缩为原来的20.9%。4.4直接将排泥水进行膜处理将排泥水通过膜处理浓缩到和重力沉降的排泥水污泥浓度基本一直的状态，进水污泥量为0.6732g/L，浓缩至1.9g/L，即浓缩到原来的0.3543。从图4-10可知膜通量随着系统的运行，膜通量下降，但下降速度较慢，可以运行时间较长。由于进水排泥水的浓度较低，膜通量污染速度较低，陶瓷膜膜通量下降较快。-41- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文36.0034.0032.00）-130.00∙h-228.0026.00(L∙m24.0022.00膜通量20.0018.0016.0000.511.522.5时间/h图4-10陶瓷膜膜通量变化将图4-10中纵坐标膜通量转化成出水速度，然后进行拟合做出拟合曲线及方程式，对方程式求积分，得出出水水量。5651）46-1∙h41-236(L∙m31膜通量26y=3.0862x2-17.043x+52.2821R²=0.99821600.511.522.5时间/h图4-11时间与出水速度的拟合2将各点进行拟合，得出曲线的拟合方程及R的值为：22y=3.0862x-17.043x+52.28，R=0.9982（4-18）对方程积分得：2.52F()x3.0862x17.043x52.82dx（4-19）0Fx（）93.5（4-20）排泥水浓缩为原来的0.35，其排泥水污泥浓度和自然沉淀的相当。4.5陶瓷膜出水水质分析如4.3.4.1陶瓷膜处理方法的设计的实验，在开始出水水速为52L/h条件下、曝气量为1L/min的条件下，对陶瓷膜不断反冲洗运行，每20分钟取出水和反-42- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文应器中的浓缩水样测定其水质指标，检测系统的运行情况。由于在运行过程中，排泥水中很多污染物会在陶瓷膜中附着堵塞，因此测定浓缩水时，在总体上水样中污染物的含量较实际情况偏低。由于污染物在不同时间在陶瓷膜上的附着量也不同，因此每次取反应器中水样的偏低量也不同。陶瓷膜反冲洗后，很多堵塞物质会以不溶性泥片悬浮于水中，因此浓缩水的浊度和色度也会比真实值低。4.5.1出水和浓缩水的pH的变化由图4-12可知，出水和浓缩的pH基本稳定在6.8-7之间，陶瓷膜处理此排泥水对pH基本没有较大的改变。出水pH符合国家饮用水标准规定的pH不小于6.5且不大于8.5，符合饮用水标准。76.956.96.85pH6.86.756.7出水6.65浓缩水6.604080120160200240280320时间/min图4-12出水和浓缩水pH的变化4.5.2出水和浓缩水的浊度的变化从图4-13可知，反应器浓缩水中的浊度很高，进水浊度都已经大于500NTU，随着反应的进行，反应器中浓缩排泥水的浊度不断上升，由于反冲洗后会排泥水中会出现一些不溶于水的小泥片，使其在测定的时候浊度会偏低，而且由于泥片的不稳定出现在水样中以及在不同时间附着在陶瓷膜上的污泥不同，因此在测定的时候会出现浊度比上次测定浊度偏低的情况，但整体上浓缩水的浊度在不断上升。出水中的浊度随着反应器的运行不断上升，最高浊度不超过为0.6NTU，国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）规定不能高于1，其出水浊度符-43- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文合标准。陶瓷膜对排泥水中的浊度有很好的去除效果，其去除率在99.9%以上。0.610009000.5800））7000.4NTU600NTU0.35004000.2出水300出水浊度（200浓缩水浊度（0.1浓缩水1000004080120160200240280320时间/min图4-13出水和浓缩水浊度的变化4.5.3出水和浓缩水的色度的变化从图4-14中可知，反应器中浓缩水的色度极高，随着反应器的运行，浓缩水色度不断上升，最高时色度接近2000NTU，测定的浓缩水色度的值远低于实际值。而出水中色度极低，随着反应器的运行出水色度基本没有太大的变化。国家饮用水规定饮用水中色度的不得高于15NTU，而出水的色度基本在4-7NTU之间，低于饮用水标准。陶瓷膜对排泥水的色度具有很高的去除率，去除率在99%以上，可将色度极高的排泥水处理成饮用水标准。8250072000651500410003出水色度（度）出水色度（度）2出水500浓缩水10004080120160200240280320时间/min图4-14出水和浓缩水色度的变化-44- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.5.4出水和浓缩水的有机物的变化图4-15和图4-16分别反应了水样的TOC和高锰酸盐指数的变化，从图4-15可知，反应器中浓缩水的TOC的值很高，随着反应器的运行，浓缩水的TOC值不断上升。出水TOC总体上随着时间的变化不断增加，但出水TOC始终保持较低水平，出水TOC在3—5.1mg/L。陶瓷膜对TOC有很高的去除率，去除率在95%以上。从图4-16可知，随着反应的进行出水的高锰酸盐指数不断上升，出水高锰酸盐指数始终维持在较低水平，在1.9—2.6mg/L。国家饮用水标准规定CODMn不得超过3mg/L，出水符合饮用水标准，陶瓷膜可将排泥水中的有机物CODMn降低至饮用水标准。64003505300））4250mg/Lmg/L32001502出水浓度（100浓缩水浓度（1出水浓缩水500004080120160200240280320时间/min图4-15出水和浓缩水TOC的变化32.5）2mg/L1.51出水浓度（0.5出水004080120160200240280320时间/min图4-16出水高锰酸盐指数的变化-45- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.5.5出水金属含量的变化进水中铝、铁、锰的含量分别为335.62mg/L、38.09、0.78mg/L。从图4-17反应了出水中铝、铁、锰元素的含量，出水中铁的含基本为零，原水中铁的含量为38.09mg/L，陶瓷膜对排泥水中的铁元素基本可以去除，出水中铁含量接近于0，对铁的去除率在99.9%以上。出水中铝元素的含量随着反应器的运行在后期开始上升，最高达到0.031mg/L，原水中大于300mg/L，陶瓷膜对排泥水的铝元素去除效果很好，去除率在99.9%以上。出水中的锰含量始终维持在0.034—0.038mg/L，随时间的变化，出水中锰含量没有明显改变。相对于陶瓷膜对排泥水中铁和铝的去除率，锰元素的去除率较低，在95%以上。国家饮用水标准规定铝、铁、锰的含量分别不能超过0.2mg/L、0.3mg/L、0.1mg/L，陶瓷膜对排泥水中的铝、铁、锰可降低至饮用水水平。0.040.0350.03）0.025mg/L0.020.015浓度（0.01Al浓度Fe浓度0.005Mn浓度004080120160200240280320时间/min图4-17浓缩水铝铁锰的变化4.5.6浓缩水的污泥浓度的变化反应器的出水为澄清的净水，而反应器中不断加入污泥浓度较高的排泥水，因此，随着运行时间的增加，反应器中浓度会不断上升。从图4-18中可知，污泥浓度随着时间的变化一直升高，污泥浓度最高可达7.4g/L，离心对浓缩后的排泥水具有明显的浓缩作用。但是由于有些污泥会在陶瓷膜中附着，因此在没清洗陶瓷膜时，污泥浓度会有所降低，取浓缩水样时不包括附着在陶瓷膜表面的污泥，测定值比实际值低。-46- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文87）6g/L5432污泥浓度（浓缩水SS1004080120160200240280320时间/min图4-18浓缩水污泥浓度的变化4.6离心对浓缩水的处理研究和水质分析4.6.1离心对浓缩水的处理研究随着反应器中浓缩水的污泥浓度不断上升，导致陶瓷膜堵塞速度加快，此时使用陶瓷膜已不再合适。将陶瓷膜浓缩后的排泥水放入离心机中进行离心实验，分别在不同转速、不同离心时间的条件下运行，然后计算其污泥的含固率，结果如图4-19所示。从图4-19中可以看出，在离心时间相同时，离心速度越大，污泥的含固率越高，即其含水率越低。在相同离心速度的条件下，随着离心时间的增加，污泥的含固率也越低。在开始时，随着离心时间的增加含固率迅速上升，随着离心时间的增加，含固率的上升速度逐渐减缓。在2000rmp的条件下，离心时间大于10min时，含固率上升速度迅速减缓；在3000rmp和4000rmp的条件下，离心时间大于15min，含固率上升速度变缓。即离心时间不易过长，离心时间过长会使离心效果增加不明显，同时经济上也不合适。43.53）%2.521.52000rmp含固率（13000rmp0.54000rmp005101520253035离心时间/min4-19离心对浓缩水的处理-47- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.6.2离心后上清液水质分析将陶瓷膜浓缩水进行离心，离心后的水质见表4-3。从表中可以看出，分离水中的除了铝和高锰酸盐指数超过国家饮用水标准，铁、锰、浊度、色度都符合标准。离心后出水水质基本良好，甚至比净水厂进水原水水质都优良，可将分离水与原水一起进行处理。表4-3离心分离水水质水质指铝（mg/L）铁（mg/L）锰（mg/L）浊度色度（度）CODMn（mg/L）标分离水0.7820.0500.0320.6993.24.7本章小结本章主要进行了陶瓷膜处理排泥水的实验和离心处理浓缩后排泥水的实验，并对水质进行分析，设计陶瓷膜对排泥水的最佳运行方法以及运行条件。（1）通过底部曝气和水泵功率对膜通量、系统内负压的影响，确定了最佳运行条件为曝气量1L/min、开始出水水速为52L/h。采用底部曝气的方法，可以大大缓解陶瓷膜堵塞速度，延长了系统的运行时间，出水水量下降速度大大降低，增加了出水的水量，并延长系统的运行时间。对压力和膜通量进行拟合，随着系统的运行给出两者的关系拟合方程。（2）通过对不同膜堵塞情况，在不同反冲时间的条件下对膜通量的恢复情况，确定系统运行到负压为0.04MPa左右时进行膜清洗，反冲洗时间为1min，膜通量基本可以恢复到原来的水平。（3）陶瓷膜的最佳运行方式为：第一次反冲洗前运行2h，第一次和第二次反冲洗后运行1h后再进行膜清洗，第三次反冲洗后运行0.5h进行膜清洗，在第四次反冲洗后运行0.5h进行膜清洗后将反应器中的浓缩水排出，进行下一个周期。采用间歇反冲洗法，近一步延长了系统的运行时间，提高了排泥水的浓缩倍数，可将自然沉降后的排泥水再浓缩20.9%左右。（4）在反应器运行中，不断对出水和浓缩水进行取样，对出水的pH、浊度、色度、TOC、高锰酸盐指数、铝、铁、锰进行分析，其出水在符合《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），可将出水送至清水池；对浓缩水的pH、浊度、色度、TOC、污泥浓度进行分析，陶瓷膜对各测量项目的去除率很高。（5）将浓缩后的水进行离心实验，对比污泥含固率确定最佳的运行离心条件，离心转速为4000rmp，离心时间为15min最佳。离心后的分离水水质优于净水厂进水原水，可以将分离水与净水厂进水一起处理。-48- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第5章排泥水不同处理工艺经济分析比较5.1引言在实际工程中，需要选用投入的费用最少的工艺。在第三章和第四章的研究中，分别对重力沉淀、混凝沉淀、陶瓷膜处理进行分析。重力沉降当排泥水浓度到一定程度时，排泥水沉降速度极低。投加PAM虽然有一定的浓缩效果，但是浓缩倍数有限，且投加PAM会对排泥水污染。陶瓷膜处理可以较大程度对排泥水进行浓缩，当排泥水的浓度达到将近8g/L时，膜污染速度很快，不再适合陶瓷膜处理。离心处理可以将排泥水浓缩污泥状，含水率较高，但离心处理的设备和电费投资较高。将不同的工艺进行组合，考虑经济的投入以及对排泥水浓缩的情况。选取最优的处理方式。由于不同的工艺，需要的构筑物、设备和电费的费用不同，在设计处理工艺后，对所需的构筑物、设备、电费以及人工费用进行核算。根据第三章对排泥水水量、产生的干泥量和排泥水平均浓度的分析计算，根据水质水量的实际情况，设计构筑物规模和设备的规模。5.2排泥水处理工艺的组合由于混合的排泥水浓度在0.6732g/L左右，具有良好的沉降性，在沉降10h后，沉降污泥的浓度可以达到1.9g/L。投加混凝剂后可将排泥水的浓缩至浓度为1.7g/L左右，其需要的沉降时间较短，只需要0.5h，建立的反应沉淀池较小，可节省建立构筑物费用，但需要不断投加混凝剂，混凝剂的投加是其主要的经济投入。由于投加混凝剂PAM使排泥水变的粘稠，使沉降下的排泥水容易在陶瓷膜片上附着，因此混凝沉淀和陶瓷膜处理一般不组合到一起。虽然离心处理后的污泥含固率很低，但离心处理需要将排泥水加速到很高的速度，因此离心处理耗能较高，一般其他方法处理后的排泥水再进行离心处理。选取三种处理方案：（1）混凝沉降和离心处理组合（2）陶瓷膜处理和离心处理组合（3）重力沉降、陶瓷膜处理和离心处理组合。平均每天的排泥水处理33量为17619m，设计采用20000m。设计排泥水收集系统，由于排泥水的水量是间歇排出，水量不稳定，因此需要建立足够容量的调节池，调节池只需要考虑调节池池体容积。容量池的设计为了排泥水可以均匀的进入使后续处理的构筑物，使后续工艺得到正常运行。采用混凝沉降、陶瓷膜处理、混凝沉降三种方法对排泥水进行预处理，并进行经济分析。三种方法中容量池的构造也相同，因此容量池的经济投入不做-49- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文计算对比。5.2.1混凝沉降预处理建立絮凝池的是为了使排泥水与混凝剂得到充分的混合，机械絮凝沉淀池有良好的絮凝效果，水头损失小，采用机械混凝池。（1）絮凝沉淀池体积计算QtV1（5-1）60243式中V1——设计絮凝池体积（m）；3Q——设计进水体积（m/d）；t——混凝时间，停留时间为26分钟（min）。3计算得设计絮凝池体积约为362m。设计两个混凝池，即每个池子的体积3为181m。设计每个混凝池的长和宽为9m×6m，则高度3.35，总高度取3.6m。（2）投药量的计算在絮凝池前端投加混凝剂PAM，PAM采用湿投法。混凝剂的投加量为：WQA=（5-2）式中W——混凝剂的投加量（kg/d）；3Q——设计排泥水的量（m/d）；A——投药量（mg/L）。计算得到每天PAM的投药量为200kg。药剂需要溶解后再投入到絮凝池中，在溶解池中将PAM配制成1%的浓溶液。溶解池的体积WaV2=（5-3）1000n3式中V2——溶解池的体积（m）；a——溶液浓度（%）W——投药量（kg）；n——每天投药次数，取1。3求得溶解池的体积为80m。浓缩后的污泥体积为：QC1V0=（5-4）C3式中V0——絮凝沉淀后的污泥体积（m）；3Q——设计排泥水的量（m）；-50- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文C——原排泥水的浓度（g/L）；C1——絮凝沉淀后的污泥浓度（g/L）。3计算得浓缩后的污泥体积为7058.8m，将沉淀下来的浓缩污水通入离心机。5.2.2陶瓷膜方法预处理排泥水直接通入陶瓷膜处理系统，为了与重力沉降、陶瓷膜处理和离心处理组合进行对比，先计算将排泥水浓缩1.9g/L，即重力沉降达到的浓度，将此系统称为陶瓷膜处理一池。陶瓷膜一池处理系统，每天按照运行20h计算，将排泥水浓缩至1.9g/L，3一个周期为2.5h，则每天运行8个周期。设计进水水量为20000m，则每个周33期处理排泥水量为2500m，将排泥水浓缩为原来的0.35，则设计体积为875m。设计的长和宽分别为25m×20m，则高度为1.75，设计高度为2m。将浓缩后的排泥水继续利用陶瓷膜处理，后续陶瓷膜处理池称为陶瓷膜二池。处理后的排泥水进入陶瓷膜二池。陶瓷膜处理系统每5h为一个周期，每天3按照运行20h计算，每天运行4个周期，即每个周期处理1750m，按照浓缩比3例为20.9%计算，每天366m。陶瓷膜的处理池设计运行长和宽为20m×10m，则高度为1.83m，总高度取2m。将陶瓷膜处理后的浓缩污水通入离心机进行离心处理。实验中体积为50L的曝气量为1L/min，则曝气量分别为：V060201000V=（5-5）5010003式中V——曝气量（m）；3V0——池体体积（m）；333陶瓷膜池一和陶瓷膜池二的曝气量分别为：21000m和8784m，共29784m。5.2.3重力沉降预处理重力沉降需要建立沉淀池，设计停留时间为10h。沉淀池体积为：QTV（5-6）243式中V——设计沉淀池体积（m）；3Q——设计进水体积（m/d）；T——沉淀时间（h）。3计算得沉淀池体积约为8334m，设计两个沉淀池每个池子，每个池子的体-51- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3积为4167m，个池子的长和宽为40m×20m，则高度为3.4725m，总高度取3.7m。沉淀后的污泥体积QC2（5-7）V=C3式中V——沉淀池沉淀后的污泥体积（m）；3Q——设计排泥水的量（m）；C——原排泥水的浓度（g/L）；C2——沉淀池沉淀后的污泥浓度（g/L）。3计算得沉淀后的污泥体积为7085m，将沉淀下来的浓缩污水通入离心机中。沉淀池的沉淀污泥通入陶瓷膜处理池。陶瓷膜处理系统每5h为一个周期，3每天按照运行20h计算，每天运行4个周期，即每个周期处理1772m，按照浓3缩比例为20.9%计算，体积为371m。陶瓷膜的处理池设计运行长和宽为20m×10m，则高度为1.855m，总高度取2m。将陶瓷膜处理后的浓缩污水通入离心机进行离心处理。实验中体积为50L的曝气量为1L/min，则曝气量分别为：V060201000V=501000（5-8）3式中V——曝气量（m）；3V0——池体体积（m）；3陶瓷膜曝气量为8904m。5.3工艺选择与经济分析5.3.1预处理方法对比通过投加絮凝剂、陶瓷膜处理、重力沉降三种方法，同样将排泥水浓度浓缩至1.7-1.9g/L。5.3.1.1混凝沉降（1）药剂量费用PAM按照25元/kg，投加量为10mg/L，共投加200kg，每天的投药量为5000元。（2）絮凝沉淀池费用设计每个混凝池的长和宽为9m×6m，则高度3.35，33总高度取3.6m，即每个混凝池设计体积为194.4m，总共体积为388.8m。絮凝池的造价为109000元。按照20年折旧，每天的费用为15元。絮凝池每天的费用为5015元。5.3.1.2陶瓷膜处理（1）陶瓷膜处理池费用排泥水直接进入陶瓷膜处理系统，陶瓷膜池一-52- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3为875m，陶瓷膜造价估算为262000元。按照20年折旧，每天的费用为36元（2）陶瓷膜费用陶瓷膜将排泥水浓缩至1.9g/L，实验中反应器为50L，223陶瓷膜面积为1.5m，即0.75m的陶瓷膜。陶瓷膜处理池共875m，陶瓷膜共2213125m，陶瓷膜的价钱按700元/m，按照10年折旧，每天的费用为2515元。3（3）曝气费用电费按照0.6元/kWh，两个反应池曝气量为21000m。3选用流量为3.85m/min，功率为2.2KW。选用泵的个数为5个，每个鼓风机50000元，按照10年折旧，每天的费用为68.5元。电费采用0.6元/度，每天的电费为132元。曝气的总共费用为200.5元/天。3（4）水泵选用流量为100m/h，功率为15KW的离心泵10台，每台价钱为1万/台，按照10年折旧，每天的费用为27.4元，每天的电费1800元。总费用为1827.4元。此方法每天的花费为4579元。5.3.1.3重力沉降3重力沉降池体积为8334m，重力沉降池费用为1666800元，按照20年折旧，每天的费用为228.3元。通过混凝沉降、陶瓷膜处理、重力沉降三种方法将排泥水浓缩至1.7-1.9g/L，每天的费用分别为5015元、4589元、228.3元。因此采用重力沉降对排泥水进行预处理最合适。5.3.2处理工艺将重力沉降后的排泥水通入陶瓷膜处理系统，然后用离心处理最合适。其组合方式流程图如图5-1所示。配水井滤池配水井分离水上清液出水污水污泥干化填埋调节池沉淀池膜处理离心处理机沉淀泥水浓缩泥水图5-1处理工艺流程图5.3.3处理工艺经济分析（1）调节池调节池总造价为167900元，按20年折旧，每天的费用为323元。将排泥水提升至调节池中，提升泵为200m/h，功率为30KW，共需要-53- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文6台，其中一台为备用，每台按照1万元计算，按照10十年折旧，每天费用为16.4元，每天的电费为2160元。总费用为2200元。（2）重力沉降池每天的费用为228.3元。3（3）陶瓷膜处理池费用陶瓷膜处理池为371m，陶瓷膜处理池费用为111000元，按照20年折旧，每天的费用为15.2元。22（4）陶瓷膜费用实验中反应器为50L，陶瓷膜面积为1.5m，即0.75m32的陶瓷膜。陶瓷膜处理池共371m，陶瓷膜共5565m，陶瓷膜的价钱按20002元/m，按照5年折旧，每天的费用为6100元。3（5）曝气费用电费按照0.6元/kWh，曝气量为8904m，选用流量为33.85m/min，功率为2.2KW。选用泵的个数为2个，每个鼓风机50000元，按照10年折旧，每天的费用为27.4元。电费采用0.6元/度，每天的电费为52.8元。曝气的总共费用为80.2元/天。3（6）水泵选用流量为100m/h，功率为37KW的离心泵4台，每台价钱为1万/台，按照10年折旧，每天的费用为11元，每天的电费1680元。每天的总费用为1691元。3（7）离心费用选用容量为1.17m功率为32kw的离心机6台，其中两台备用，每台20000元，按照10年折旧，每天的费用为33元，每天的电费为1536元，离心每天的总费用为1569元。（8）干化填埋费用每天产生的污泥约为297吨，每吨按照70元计算，每天需要20790元。（9）人工福利按5人计算，每天200元，每天共1000元。（10）维修费用按照设备的1%计算，平均每天的费用为64元。平均每天总费用为33918元，每吨处理费用为1.70元。5.4本章小结（1）选取三种不同的处理方式：混凝沉降和离心处理组合；陶瓷膜处理和离心处理组合；重力沉降、陶瓷膜处理和离心处理组合。（2）对排泥水进行预处理，分别用重力沉降、陶瓷膜处理和离心处理的方法将排泥水预处理，将排泥水浓度浓缩至1.7-1.9g/L。结果发现重力沉降的方法对排泥水预处理的花费最低。（3）采用重力沉降、陶瓷膜处理、离心结合的方法，将排泥水脱水。重力沉降后的排泥水通入陶瓷膜处理池，陶瓷膜浓缩后的排泥水进行离心处理，对此方法进行经济预算，每吨处理费用约为1.70元。-54- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文结论本文通过对排泥水水质水量进行的分析，然后进行重力沉降、混凝沉降、陶瓷膜处理、离心处理实验，选取合适的方式组合工艺，对难沉降排泥水进行处理，从而实现排泥水的浓缩、成泥，减少排泥水对环境的污染并对废水资源化利用。最后对组合工艺的经济投入进行分析。得出以下结论；（1）通过对净水厂进水水质分析以及净水厂实际运行管理情况，对排泥水含泥量和排水量进行计算。对混合排泥水进行重力沉降实验，发现排泥水浓度达到一定程度时沉降性较差，很难通过重力沉降继续浓缩。建立浊度和污泥浓2度的关系，R为0.9969，浊度和污泥浓度具有良好的线性关系，可通过对排泥水的浊度在线测定，从而确定排泥水浓度。（2）投加不同的混凝剂对排泥水混凝沉淀，混凝剂PAM对排泥水具有明显的改善效果。当PAM投加量为10mg/L时为最佳投药量，对不同浓度的排泥水投加10mg/L的PAM，排泥水浓度越高，沉淀污泥含固率越大。排泥水通过混凝剂对排泥水处理，效果最好的混凝剂PAM最大只能将浓度为0.42g/L和0.9g/L的排泥水浓缩到1.8g/L和1.4g/L，浓缩倍数较低。（3）利用离心实验对排泥水离心处理，转速为4000rmp时，离心后的污泥含固率最大，最佳离心时间为15分钟。排泥水浓度越低，离心污泥含固率也就越低。对离心分离水水质分析，可将其水质和净水厂原水一起处理。（4）通过对陶瓷膜处理的研究，曝气量为1L/min，开始出水量为-2-134.67L∙m∙h时最佳，大大缓解陶瓷膜堵塞速度，延长了系统的运行时间。通过对不同膜堵塞情况，在不同反冲时间的条件下对膜通量的恢复情况，确定系统运行到负压为0.04MPa左右时进行膜清洗，反冲洗时间为1min，膜通量基本可以恢复到原来的水平，并对各影响因素进行分析原因。设计间歇反冲洗的运行方法，进一步延长运行时间，提高排泥水浓缩倍数，可将自然沉降后浓度为1.9g/L的排泥水浓缩为原来的20.9%。将浓缩后的排泥水进行离心实验，将离心浓缩污泥送至垃圾处理厂。（5）在反应器运行的过程中，不断对陶瓷膜出水和浓缩水进行取样，各个水样符合饮用《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）。可将出水直接和原水一起处理或者用于工业用水。（6）用重力沉降、陶瓷膜处理和离心处理的方法将排泥水预处理，重力沉降的费用最低。采用重力沉降、陶瓷膜处理、离心结合的方法，将排泥水浓缩脱水。重力沉降后的排泥水通入陶瓷膜处理池，陶瓷膜浓缩后的排泥水进行离心处理，对此方法进行经济预算，费用大约为1.70元/吨。-55- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文参考文献[1]王熹,王湛,杨文涛,等.中国水资源现状及其未来发展方向展望[J].环境工程,2014,32(07):1-5.[2]王瑗,盛连喜,李科,等.中国水资源现状分析与可持续发展对策研究[J].水资源与水工程学报,2008(03):10-14.[3]杨博,南昊.我国水资源现状及其安全对策研究[J].太原学院学报(自然科学版),2016,34(01):9-12.[4]OkudaT,NishijimaW,SugimotoM,etal.Removalofcoagulantaluminumfromwatertreatmentresidualsbyacid[J].WaterResearch,2014,60:75-81.[5]郭文娟,郄燕秋.净水厂排泥水处理工艺现状及发展方向[J].给水排水,2013,49(08):35-40.[6]吴胜华,葛能强,周平.自来水厂排泥水处理零排放技术[J].中国给水排水,2015,31(18):119-122.[7]ASCEandAWWAtechnologytransferhandbook:managementofwatertreatmentplantresiduals.AmericanSocietyofCivilEngineersandAmericanWaterWorksAssociation,1996.[8]ZhouZ,YangY,LiX,etal.Coagulationefficiencyandflocscharacteristicsofrecyclingsludgeduringtreatmentoflowtemperatureandmicro-pollutedwater[J].JournalofEnvironmentalSciences,2012,24(6):1014-1020.[9]PrakashP,HoskinsD,SenGuptaAK.Applicationofhomogeneousandheterogeneouscation-exchangemembranesincoagulantrecoveryfromwatertreatmentplantresidualsusingDonnanmembraneprocess[J].JournalofEnvironmentalSciences,2004,237(1-2):131-144.[10]PrakashP,SenguptaAK.Selectivecoagulantrecoveryfromwatertreatmentplantresidualsusingdonnanmembraneprocess[J].EnvironmentalScience&Technology,2003,37(19):4468-4474.[11]KarnikBS,DaviesSH,BaumannMJ,etal.Useofsalicylicacidasamodelcompoundtoinvestigatehydroxylradicalreactioninanozonation-membranefiltrationhybridprocess[J].EnvironmentalEngineeringScience,2007,24(6):852-860.[12]KarnikBS,DaviesSH,BaumannMJ,etal.Theeffectsofcombinedozonationandfiltrationondisinfectionby-productformation[J].WaterResearch,2005,39(13):2839-2850.[13]SomaC,RumeauM,SergentC.Useofmineralmembranesinthetreatmentoftextileseffluents[C].Montpellier:Pore1stInternationalConferenceofInorganicMembranes,Montpeller,1989:523-526.-56- 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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的学位论文《净水厂排泥水处理技术的试验研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨工业大学攻读学位期间独立进行研究工作所取得的成果，且学位论文中除已标注引用文献的部分外不包含他人完成或已发表的研究成果。对本学位论文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。作者签名：日期：2018年6月21日学位论文使用权限学位论文是研究生在哈尔滨工业大学攻读学位期间完成的成果，知识产权归属哈尔滨工业大学。学位论文的使用权限如下：（1）学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，并向国家图书馆报送学位论文；（2）学校可以将学位论文部分或全部内容编入有关数据库进行检索和提供相应阅览服务；（3）研究生毕业后发表与此学位论文研究成果相关的学术论文和其他成果时，应征得导师同意，且第一署名单位为哈尔滨工业大学。保密论文在保密期内遵守有关保密规定，解密后适用于此使用权限规定。本人知悉学位论文的使用权限，并将遵守有关规定。作者签名：日期：2018年6月21日导师签名：日期：2018年6月21日-62- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文致谢时光匆匆而过，转眼间硕士生涯即将结束。回首这段时光，不管在学习还是现在生活上都收获了很多，受益匪浅。借此机会，向所有帮助过我的人表达最真挚的感谢。首先要感谢导师崔崇威教授。老师知识渊博、治学严谨，在学习和工作上严谨务实、一丝不苟。从论文的选题、实验方案的确定到论文的修改都是在老师的悉心指导下完成的。在实验过程中以及论文的结构布局，老师提出许多宝贵的意见，使论文得以顺利完成。感谢哈尔滨多相水处理有限公司提供的支持以及供水集团提供的试验场地。感谢实验中心的刘俊峰、欧阳红等老师为实验研究提供的帮助与指导。感谢开题答辩和中期答辩时评阅老师提出的宝贵意见，使论文的内容更加丰富严谨。感谢课题组的师兄师姐在实验过程中和论文写作中给予的建议，从而得以克服实验中的一些困难，使我的论文得以更加顺利的完成。离校在即，感谢环境工程的老师，他们教会了很多专业知识，使我在专业知识上得到明显的进步。老师的认真负责与勤恳不仅培养了我们学习能力，老师们的严谨治学的态度和踏实的工作作风也是我们追求的榜样。-63-'