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《 水质工程学(二) 》 课程. 第 四 章 污 泥 处 理 曹秀芹 北京建筑工程学院. 4.1 概述 —— 污泥分类及性质. (1) 污泥处理的目的 产量大、成分复杂、费用高 (a). 污水处理厂的重要组成部分; (b). 避免对环境的二次污染; (c). 污泥资源化、减量化、稳定化、无害化。. 4.1 概述 —— 污泥分类及性质. 城镇污水处理厂工艺流程 —— 典型工艺. 4.1 概述 —— 污泥分类及性质. (2) 污泥分类与性质 (a). 污泥 分类 1 )初沉污泥 2 )二沉污泥(剩余污泥 / 腐殖污泥)

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《 水质工程学(二) 》 课程

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《水质工程学(二)》课程

第 四 章 污 泥 处 理

曹秀芹

北京建筑工程学院


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4.1 概述——污泥分类及性质

(1) 污泥处理的目的

产量大、成分复杂、费用高

(a).污水处理厂的重要组成部分;

(b).避免对环境的二次污染;

(c).污泥资源化、减量化、稳定化、无害化。


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4.1 概述——污泥分类及性质

城镇污水处理厂工艺流程——典型工艺


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4.1 概述——污泥分类及性质

(2) 污泥分类与性质

(a).污泥分类

1)初沉污泥

2)二沉污泥(剩余污泥/腐殖污泥)

3)消化污泥

4)化学污泥


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4.1 概述——污泥分类及性质

(2) 污泥分类与性质

(b). 污泥性质——指标

1)含水率:水分所占污泥总重量的百分比

2)污泥中挥发性固体(有机物)和灰分(无机物)

3)污泥可消化程度

pv:污泥中有机物的含量(%)

ps:污泥中无机物的含量(%)


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4.1 概述——污泥分类及性质

(2) 污泥分类与性质

(b). 污泥性质——指标

4)干、湿污泥的比重

pv:污泥中有机物的含量(%)

p :污泥含水率(%)


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4.1 概述——污泥分类及性质

(2) 污泥分类与性质

(b). 污泥性质——指标

5)污泥中重金属离子

二级处理后污水中的重金属离子约有50%以上

转移到污泥中;

污泥作肥料用时,农林业部:

《污泥农用标准(GB4284-84)》

住房与建设部

《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质(CJ/T309-2009)》


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4.1 概述——污泥分类及性质

(2) 污泥分类与性质

(c).污泥量的计算

1)初沉污泥量 式中:

Qw : 初沉污泥量(m3/d)

C0,Ce:进出水悬浮固体浓度(mg/L)

p: 污泥含水率

ρ: 污泥密度1000kg/m3

2)二沉池剩余污泥量


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4.1 概述——污泥分类及性质

(3) 污泥的输送

(a) 污泥流动特征

1)污泥在管中流动阻力随流速而变化;

2)污泥在管中流动阻力随含水率而变化;

初沉污泥:95-97%; 二沉污泥:99-96%

(b) 污泥的输送

污泥管道一般用铸铁管,管径不小于200mm。

重力流:1-2%; 压力流根据计算而定。P336-337

污泥管道的水头损失:可以按清水计算,取2-4倍的系数。

污泥泵:螺旋泵、隔膜泵、离心泵


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4.1 概述——污泥分类及性质

(3) 污泥的输送

(a) 污泥流动特征

1)污泥在管中流动阻力随流速而变化;

2)污泥在管中流动阻力随含水率而变化;

初沉污泥:95-97%; 二沉污泥:99-96%

(b) 污泥的输送

污泥管道一般用铸铁管,管径不小于200mm。

重力流:1-2%; 压力流根据计算而定。P336-337

污泥管道的水头损失:可以按清水计算,取2-4倍的系数。

污泥泵:螺旋泵、隔膜泵、离心泵


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4.2 污泥浓缩

污泥所含水分

(1) 污泥浓缩的目的

(a) 污泥流动特征

在重力作用下,挤压污泥中的空隙水,

达到减少污泥体积的目的,进而减少

后续设备的容积及运行费用。

污泥浓缩的方法:

重力浓缩和气浮浓缩


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4.2 污泥浓缩

(2) 重力浓缩法

(a) 浓缩池的工况及特点

清水区、等浓区、压缩区

以浓缩为主,澄清为辅

浓缩时间长,>12h

(b) 浓缩池的表面积

极限固体通量GL: 30 ~ 60 kg/(m2·d)


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4.2 污泥浓缩

70’s, 迪克提出固体通量理 p340

(肯奇、柯伊-克里维什理论)

底部排泥

自重压密

总固体通量


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4.2 污泥浓缩

(c) 浓缩池的高度

式中:h1:超高,0.5m

h2:有效水深,≥ 4.0m

h3:池底坡高及斗高,i ≥ 5%


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4.2 污泥浓缩

(d) 重力浓缩池的构造与类型

连续式:类似辐流式沉淀池,带有搅拌与刮泥装置。

刮泥机外缘线速度已不影响浓缩过程为宜,一般1-2m/min.

间歇式:停留时间> 12h; 不同高度有上清液排放装置


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4.2 污泥浓缩

(3) 污泥气浮浓缩法

(a) 气浮浓缩原理

一定压力的空气通入池中,所溶的空气在常压下即变成微细气泡释放,大量微细气泡附着在污泥颗粒的周围是颗粒比重减少而强制上浮,达到浓缩的目的。

  • 气浮浓缩优缺点

    效率高、停留时间短;

    设备复杂、耗电大、管理复杂


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4.2 污泥浓缩

污泥气浮浓缩工艺流程(无回流/有回流)


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4.2 污泥浓缩

污泥气浮浓缩(无回流/有回流)

无回流

有回流


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4.3 污泥消化

  • 概述

  • 厌氧消化的目的:稳定污泥;回收能源

  • 厌氧消化的分类

    1)按温度分类:

    中温:30~36℃;高温:50~53℃ 温差波动:±1.5~2.0℃

    2)按机理及运行方式

    两级消化:一级加热、搅拌、集气;二级不加热不搅拌排上清液

    两相消化:按机理分成两个阶段分别在两个池中完成


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4.3 污泥消化

(2) 厌氧消化的机理

(a) 厌氧消化的三阶段理论

1979,Bryant根据微生物的生理种群提出三阶段理论。

1)模式示意图


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4.3 污泥消化

2)三个阶段的作用

水解与发酵阶段

产氢产乙酸阶段

产甲烷阶段

一组:氢和二氧化碳转化成甲烷(1/3)

4H2+CO2 CH4+2H2O

一组:乙酸脱羧产生甲烷(2/3)

2CH3COOH 2CH4+2CO2


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4.3 污泥消化

3)三个阶段的特点

产甲烷阶段:是整个厌氧消化阶段的控制步骤。

产甲烷菌:甲烷杆菌、球菌、八叠球菌、螺旋菌


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4.3 污泥消化

(b) 厌氧消化的反应动力学

1)产甲烷阶段是整个厌氧消化阶段的控制步骤;

2)好氧条件下有机物降解的反应动力学L-M方程同样适用于厌氧条件


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4.3 污泥消化

温度(℃)

(3) 厌氧消化的影响因素

(a) 温度与负荷

中温甲烷菌(30~36℃)

高温甲烷菌(50~53℃)


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4.3 污泥消化

50~53℃

30~36℃

10~15d

20~30d

消化时间(d)

(2) 厌氧消化的机理

(b) 消化时间:生物固体停留时间(水力停留时间)


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4.3 污泥消化

1)投配率

n: 污泥投配率(1/d)

V: 消化池的有效容积(m3)

V’: 每天投加的新鲜污泥体积(m3/d)

t: 消化时间(d)

2)投配率的意义及取值

消化池设计及运行的重要参数。

中温两级消化,n: 3~5 %;t: 20~30 d

V1 : V2 = 2 : 1


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4.3 污泥消化

3)负荷


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4.3 污泥消化

(c) 搅拌、混合

1)加速热量传递、加强新、老污泥混合;

2)破坏浮渣层、加速沼气释放。

(d) C/N比

C/N比:(10 ~ 20):1

C、N是细胞构成的主要元素。

同时N的多少决定消化液的缓冲能力


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4.3 污泥消化

(e) 有毒物质:

重金属、有毒的无机和有机物

产甲烷菌;毒阈浓度 p359 表8-15

(f) 酸碱度

消化液的缓冲能力: 6.6~7.5

碱度:> 2000 mg/L

脂肪酸:2000 mg/L

(g) 厌氧条件:绝对厌氧


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4.3 污泥消化

(e) 有毒物质:

重金属、有毒的无机和有机物

产甲烷菌;毒阈浓度 p359 表8-15

(f) 酸碱度

消化液的缓冲能力: 6.6~7.5

碱度:> 2000 mg/L

脂肪酸:2000 mg/L

(g) 厌氧条件:绝对厌氧


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4.3 污泥消化

(4)厌氧消化的优缺点

优点:能耗少,产泥少,能回收能量;

缺点:池容大,运行条件严格,启动时间长,加热耗能

(5)消化池的构造与设计

(a)一般规定

中温二级消化:一级加热、搅拌、集气;含水率:96-97%

二级不加热不搅拌排上清液。含水率:92%

主要参数: n: 3~5 %; t: 20~30 d ;V1 : V2 = 2 : 1


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4.3 污泥消化

(b)构造

1) 池形:圆柱形、卵形

2) 组成: 集气罩、池盖、池体、下锥体四部分组成


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4.3 污泥消化

3)工艺尺寸

池体:钢筋混凝土结构

D = 6~35m; 柱体 h=1/2 D; H≈D

池盖:应严密,不透气

① 池盖分为固定盖与浮动式;

② 池顶装有集气罩,

池盖倾角α=15~20°;

③池内泥面一般位于池盖的

1/2~2/3高度处。


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4.3 污泥消化

集气罩

h1=1~3m, d1=2~5m

集气罩通过管道与沼气

贮气柜直接连通,防止

产生负压。

下锥体

i=8%;d2=0.5~2m


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4.3 污泥消化

(c)消化池容积计算

(1) 污泥消化池一般不少于2座;

(2)二级中温消化池,池容比为V1∶V2=2∶1;

(3 )消化池池容按污泥投配率计算


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4.3 污泥消化

(6)消化池的加热与热工计算

(a)加热目的与方法

1)目的:新泥加热;补偿热损失

2)方法:

池内直接加热法

蒸气或盘管。目前很少使用。

池外间接加热法

套管式热交换器,里面小管走污泥,

V=1~2m/s,外部大管走热水

V=2~4m/s,多用逆向流。


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4.3 污泥消化

(b)热工计算

1) 总耗热量计算

①新泥所需热量

式中:Q1 —— 生污泥的温度升高到消化温度的耗热(KJ/h);

V’ —— 每天投入消化池的生污泥量(m3/d);

TD —— 消化温度(℃),TD=35℃;

TS —— 生污泥原温度(℃)。用全年平均污水温度时,

Q1全年平均耗热量;用日平均最低污水温度时,

Q1为最大耗热量。


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4.3 污泥消化

②池体散热量

式中:Q2—— 池体散热量(KJ/h);

F —— 池盖、池壁、池底散热面积(m2);

TA——池外介质(空气或土壤)温度。当池外介质为大气时,计算全年平均耗热量,须按全年平均气温计算。

式中:

α1——消化池内壁热转移系数;

α2——消化池外壁热转移系数;

δ——池体各部结构层,保温层厚度m;

λ——池体各部结构层,保温层导热系数。

K——池盖、池壁、池底的传热系数KJ/(m2·h·℃)


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4.3 污泥消化

③管道及热交换器等散热量

式中:Q3——管道、热交换器的散热(KJ/h);

K——管道、热交换器的传热系数KJ/ (m2·h·℃)

F—— 管道、热交换器的表面积(m2);

T——锅炉出口和入口的热水温度平均值,或锅炉

出口和池子入口蒸气温度的平均值(℃).

总耗热量:


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4.3 污泥消化

2) 热交换器的设计及锅炉选择

①热交换器的设计:热交换管的长度、所需热水量等。

热交换管的总长:

式中:L——套管总长度(m); Qmax——消化池的最大耗热量(KJ/h);

D——内管外径(m); K——传热系数。

∆Tm —— 平均温差的对数(℃), p365-366


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4.3 污泥消化

所需热水量:全日供热时

式中:QW——所需热水量(m3/h);

TW——热交换器入口热水温度,

一般取TW=60~90°C;

Tw’——热交换器出口热水温度。


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4.3 污泥消化

②热水锅炉的选择

锅炉的加热面积为

式中:F——锅炉的加热面积(m2);

E——锅炉加热面的发热强度(KJ/m2.h),

根据锅炉样本选用;

1.1~1.2——热水供应系统的热损失系数。


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4.3 污泥消化

(7) 消化池的搅拌、混合

(a) 搅拌的作用、方法及要求

作用:加速热交换,新老污泥搅拌均匀;

防止池内污泥分层和形成浮渣,有利于污泥分解

方法:沼气搅拌;泵或射流器搅拌;联合搅拌等

要求:连续;间歇:5~10小时内,将全池污泥搅拌1次


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4.3 污泥消化

(b)沼气搅拌

1)优点:

(1)无机械部件,运行安全可靠;

(2)搅拌力大,不受池内液面变化影响;

(3)可促进厌氧分解。

2)搅拌方式:

沼气通过池顶配气环管,经立管进入池内;

沼气v=7~15m/s,立管末端距池底1~2m;

搅拌气量为每1000m3,池容5~7m3/min。


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4.3 污泥消化

(c)泵或射流器混合搅拌

1)泵搅拌:

适用于小池; 或大池的辅助搅拌方法。

2)射流器式混合搅拌法

生泥经泵加压0.2Mpa打入射流器,

吸入室产生负压,使污泥从池液面

处吸入室内,经混合室后从池下部排出.

水射器的顶端在池泥面下0.2~0.3m,

生污泥与水射器吸入污泥量之比为1:(3—5).


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4.3 污泥消化

(8)进泥、排泥及溢流系统

(a)进泥管:进泥管一般布置在泥面以上。

小型池:一般1根,大型池:一般2根以上,

D≥150mm,一般均用PW,PWL型污水泵抽送。

(b)排泥管:

一般布置在池底, D≥150mm ,也可与放空管共用


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4.3 污泥消化

(c)溢流管

作用:

安全运行。当泥位上升池内沼气受压,

为防池顶受力破坏,泥从溢流管溢出,

保证压力不变。

方式:P362

水封式、大气压式、倒虹管式

要求:

1)溢流管高度一般在正常

泥位以上0.6m。

2)溢流管管径D≥200mm。


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4.3 污泥消化

(9)沼气的收集、输送与贮存

(a)收集:

消化池产生的沼气聚集在池顶的集气罩内,

可通过出气管与贮气柜连通。

(b)输送:沼气管直径按日平均产气量计算。

管内vmax=7~8m/s计,平均5m/s,当采用沼气

搅拌,管内流量包括沼气搅拌循环流量,

管内压力一般为200~300mm水柱。


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4.3 污泥消化

(c)贮存

贮气柜容积按平均日产气量25~40%,即6~10

小时的产气量计算,有低压湿式和高压球形罐。

产气量:

q: m3/d

气体成分

CH4: 50 ~ 75 %; CO2: 20 ~ 30 %

发热量:5000~6000 千卡/立方米


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4.3 污泥消化

(10) 消化池的运行与管理

(a)消化池的验收

1)校对各部位尺寸及管线。进行闭水、闭气试验。

2)对加热、搅拌等附属构筑物及仪表等进行验收。

(b)甲烷菌的培养与驯化

1)培养:

接种培养法:接种量95%以上,可用干泥,其成活率在50~60%以上,升温1℃/h.

直接培养法

① 逐步培养法:投加生泥;升温1℃/h至消化温度;

逐日加新鲜污泥到液面;成熟后,有沼气产生投入运行

② 一次培养法:一次投加V/10塘泥,以后每日投加生泥

至设计泥面。升温1℃/h;控制池内pH=6.5~7.5。

2)驯化: ①逐步驯化(逐步换泥); ② 一次驯化。


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4.3 污泥消化

(c)维护与管理

1) 消化池正常运行时的指标

化验指标:

污泥含水率P 有机物含量%

污泥pH 脂肪酸

碱度 氨氮

气体成分及产气量

控制指标:

含水率P 温度

污泥气气压 pH或碱度

2)维护与管理

定期排除污泥溢流管中污泥,保持正常状态。

分析查明原因,采取相应措施:


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4.3 污泥消化

产气量低或不产气

①漏气;②污泥过热;③新泥含水率高;

④有有毒物;⑤温度突降;⑥排泥过多,池内甲烷菌数量减少。

池内出现负压

①排泥量>产泥量;②闸门未关严;

③污泥从溢流管中溢出;④池或管道开裂;⑤沼气利用≥产气量。

沼气燃烧不着

①甲烷含量<30%;②气压<40mmH2O时,燃烧不稳定。

加碱控制pH,保存甲烷菌(pH=6.6~7.5);

如进泥中有有毒物:

①从进泥中去除;②稀释; ③形成络合物或沉淀物去除;

④投入对抗毒性的另一物质。


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4.3 污泥消化

(11)污泥的两相消化与好氧消化

两相消化

根据消化机理,把第一、第二阶段与第三阶段分别两个消化池中

进行的厌氧消化称之为两相厌氧消化。

特点:池容积小、加温与搅拌耗能少、运行管理方便、消化彻底

关键是相分离。

好氧消化

在不投加底物的条件下,对污泥进行长时间曝气,使

污泥中微生物处于内源呼吸阶段而自身氧化。

特点:污泥有机物分解程度高、消化污泥产量少、运行管理方便

但能耗多、运行费用高,不能回收沼气。


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4.3 污泥消化

(11)污泥的两相消化与好氧消化

两相消化

第一相:100%,t=1d;第二相:15-17%,t=6-6.5d(加热、搅拌、集气)

好氧消化

t=15-20d,DO:2mg/L,污泥有机负荷:0.7-2.8 [kgVSS/(m3.d)]

需气量:0.04-0.06 m3/(min.m3)。

厌氧消化:池容大,运行管理要求高。

好氧消化:能耗大,不能回收沼气。


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