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污水污泥脱水定量分析

摘要：本文以一系列的消化情况来表明十五种污泥脱水性能的量化和比较。该方法使用实验室提取的脱水测量和完整性分析，这些属性被用作输入到过滤，其中输出提供了一个模型脱水的比较。 这将导致相比于实验室的起始浓度，它的脱水性能会有较高的灵敏度，因此基于特异性抗过滤等参数的简单脱水性能比较是很困难的。新方法被证明相对于传统方法如特异性抗过滤分析而言更稳健，并且能够在实验过程中进行完整检查。这十五种挥发性固体含量从40%到80%不等的污泥，其脱水性能量化对比显示挥发性固体含量与脱水性能有着重要联系。这项数据表明挥发性固体参数含量是污泥脱水性能的一项重要指标。

关键词：污泥、脱水设备、胞外聚合物含量、挥发性固体

1.介绍

生物质浓度高的污泥不仅脱水缓慢，而且低浓度时还会形成网状凝胶，这也导致污泥的处理变得困难起来。污泥刚形成网状时的固体浓度称作凝胶点。例如，活性污泥生物体的简单沉淀通常会形成固体含量仅1.5-4.0重量百分比的沉降或网状污泥层。 如果静置，该层形成的污泥颗粒的网络能承载其自身重量，从而抵抗进一步沉降，且因此无法及时进行进一步脱水随后加入絮凝剂等脱水助剂，接着再进行沉淀污泥的机械脱水，用高速离心或一系列高压过滤过程通常会形成固体含量仅20-30重量百分比的泥饼。这严重限制了其再利用的可能，因为每吨湿污泥的运输和干燥成本很高。

有一系列的潜在的污泥再利用选择方案，包括作为营养丰富的肥料，作为堆肥的补充，或者作为生产能源的原料。病原体，金属和有害化学品的存在，对于再利用而言都是重要的考虑因素。然后，含水量高的污泥处理中，与脱水、干燥以及运输相关的成本可以说是最多的。问题的关键是：

·为什么这些污泥难以脱水

·什么能改变污泥的脱水特性？

·（以及）污泥脱水性能之间的差异能否实现精准的量化？

这些问题都得到了工业和学术界的密切关注，这个工作考虑了污泥的脱水特性在实验室规模的系统和定量的比较。具有脱水性能的定量比较器械，它然后认为实施这一数据，因此，旨在为围绕的脱水设备，工艺选择，脱水添加剂和污泥预处理的选择决定提供一个定量的基础的参数，虽然不是所有的这些问题在本文中详细介绍。

1.1脱水特性

颗粒的悬浮液脱水的经典测试包括一个或两个简单的沉淀试验，以表征低固相分离行为可能与连续澄清或增厚过程和批处理沉淀池和过滤器测试，并且在过滤测试中，以脱水的速度和程度表征为固定压力，就可能与过滤和离心过程相同。在沉淀测试中，记录下得出的随时间变化的界面的下降允许基本参数，如自由沉降速率，受阻沉降速率和凝胶点（FG），以及经验参数如污泥体积指数（SVI）。所有测量性能都被用于监控操作（例如，SVI），或设计设备，如澄清所有度量属性（考夫曼和Cadee，1983）。一些文献资料可用来描述参数提取工艺及其应用前景（迪克和Vesilind，1969年;加里多等，2003; Grassia等，2011;莱斯特等，2005;帕克和Collins，1999;塞兹金，1982年）。

在机械脱水的情况下，实验室规模或中试规模的过滤器中，压力作用下的滤液的体积的数值随与时间相关的测定渗透率（脱水的速率）和悬浮液的可压缩性或密实性（脱水的程度）变化而变化（白土等人，1983年，1969年）。恒压过滤实验数据的分析表明，在被称为“过滤”或“滤饼形成”过滤的相位时，过滤时间（t）通常随着特定滤液体积（V）进行二次方变化（即t的积与V2是线性的）。 脱水或渗透性的速率可以从T与V2情节在滤饼形成区域的斜率确定。其次是对数区域（到第一级），随脱水的程度的判定，其中滤饼中的固体的浓度（表达相）压缩或变得均匀。使用过滤的模型，（兰德曼和怀特，1997;兰德曼等，1995;露丝，1946年，太沙基和派克，1967;分蘖和白土，1964年;分蘖和叶，1987年）比滤饼阻力，渗透性，受阻沉降作用，固结的系数，固体扩散和可压缩性等参数都可得出。

这些脱水参数来自两个理论方法，都来自结合修改了达西定律的滤饼过滤相太沙基和派克（1967）为巩固，表达或滤饼压缩阶段的理论模型和兰德曼和怀特（1997）提出的渗流理论的分蘖和白土（1964年）。从两种理论方法得来的参数都相关，这也许并不奇怪，（德克雷特瑟等人，2003;兰德曼等人，1994;奥利弗等人，2007; Stickland和Buscall，2009; Stickland等人，2005年b）虽然存在打破它们背后假设的实例（德克雷特瑟和斯科尔斯，2007年）。一个例子是太沙基固结理论，它是脱水该株（变形）小（这确实是在具有高的凝胶点许多粗料的过滤的情况下）中假设的情况，但如果不是这种情况下，卡萨格兰德的方法（卡萨格兰德和费德姆，1940年）整顿系数的确定不再有效（Stickland等人，2005年b）。在沉淀的测试中，一些理论研究已被开展来确定这些参数（卡萨格兰德和费德姆，1940年;德克雷特瑟等人，2001; Green等，1998;亚瑟等人，2001）。这些不同的表征方法的使用与设备的唯象模型一起，在工业上广泛扩展，脱水在实验室和满量程的范围内的微粒悬浮液的预测是可能的，尽管没有被广泛使用在设备的设计没有资格试验测试（EBERL等人，1995年，塔尔顿和魏斐德，2007年）。

1.2污水污泥脱水表征

在污水污泥的情况下，传统的脱水参数提取方法是不严格的，因此，这些参数的机械脱水设备的性能的预测的应用也有缺陷。失败来自于从T与V2的线性图中提取出的信息的依赖。在污水污泥和其他biomassrich材料如藻细胞和淀粉中，简单死端过滤实验表明迅速脱水的过滤相变为非线性。在过量的80％的处理时间内，短过滤阶段之后是表示良好的脱水的延伸表达相。跟踪记录这种行为的平衡后，一个典型的结果表明，所有，但非常薄的滤饼要花费几个小时或最多几天在几百千帕的压力下进行适度脱水。该行为产生了由“高度兼容”或“超级兼容”的污泥所得的称号（克利夫兰等，1996;Wu等，2001）。这是因为，在使用CEP细胞或过滤装置的一些其它形式的过滤测试的标准中，压力的增加的增加无法实现过滤速率的增加。这是不常见的情况下，对于最终的固体来说，所有压力的增加表现为一个可测量的改变量，但过慢的过滤率导致了这个结论。此外，可能延长数月的过滤时间的非常大的崩溃比率或产生的畸形使的分析变得困难（吴等，2001）。某些所观察到的行为的是与事实有总网络强度渗透压贡献相一致。虽然这本身可以解释一些数据中的趋势（如例如加入盐的功能），它不能解释总体脱水行为（Curvers等人，2011，2009; Keiding和拉斯穆森，2003）。

其他人则试图解释通过水结构的指定聚合污泥网络中被称作自由，质，“表面”或“束缚”的反常行为，其含义是一些水分子更困难比其他更难以去除（Vesilind，1994年）。 这个说法得到了支持（Chen等人，2002; Wu等人，1998年），因为它给出了为什么这些材料不会被轻易脱水一个可能的解释。然而，如果考虑包含在细胞膜内的水（约5体积％的从干燥实验）（Deng等，2011）和所谓的地表水（高达20％（体积）虽然也可以简单地将水被困在一个不同孔隙空间），剩余的水是机械脱水。尽管如此，如前所述，大多数脱水操作只达到20-30％体积的固体，留下能够通过机械装置被移除的标称且出来非常缓慢的45-55％体积的水（Wu等人，2001年）。结合水的概念因不实用而放大了污泥难以脱水的原因。2004年，在Valexaire和塞扎克的评述中，强调了许多用来表征水的分配方法定量不佳。他们建议，最好的确定水的性质的方法是在污泥中机械地施加非常高的恒定压力（Vaxelaire和塞扎克，2004）。这种测试并没有表现出与水多种形式存在一致的现象。

1.3. 为什么这些污泥难以脱水？

各种污泥过滤行为和一系列参数之间的相关性表明，污泥（甚至还有很多其他的生物污泥）的脱水性能差一个可能的罪魁祸首是细胞外聚合物质显著量（ECP或EPS）存在；名义上细胞（霍顿和斯蒂芬森，2002年的渗出;刘和芳，2002年，米克尔森和Keiding，2002; Neyens等，2004;雷诺等，2011;山阴和Vesilind，1994;史邦札，2003; Wilen等人，2003）。在一些情况下，据报道，生物质的EPS分数的确在50%以上甚至高达的80％。细胞外聚合物现在用于相当一般地描述这些细胞渗出物，并且它被推断为包括一系列化合物，包括蛋白质，多糖，核酸和磷脂（Neyens等人，2004）。其他研究人员同样认识到阳离子，特别是二价阳离子的作用，在交联这些细胞外聚合物有助于絮凝物的结构和稳定性（Froslash;lund等人，1996; Sobeck和Higgins，2002）。这也与脱水和出水水质有关，其含义是更好的絮凝使得在这两个领域有更好的性能（穆尔蒂和诺瓦克，2001; Sobeck和Higgins，2002年）。

所以什么导致机械脱水发生问题？假设，脱水不是微粒悬浮液而是具有嵌入式蜂窝和其它颗粒组分的交联聚合物网络。在脱水的过滤阶段，在膜表面是高度不可渗透和显著改变固体材料的扩散的正常模式进入滤饼上形成一个非常可压缩层（分蘖和格林，1973）。工作以表征该方法已经显示了可压缩材料，从而有穿过滤饼的固体梯度变成在平衡均匀预期滤饼结构。除了时间达到平衡是比较长的，这是没有明显不同于任何其他可压缩悬浮滤饼。

1.4. 什么改变了污泥脱水性能？

污泥脱水性能差异导致了各种处理工艺和添加剂，提高脱水率。很多都是基于减少，污泥的EPS成分溶解或破坏。方法包括低和高温水解过程和/或化学处理，如酸和芬顿试剂 (Anderson et al., 2002; Feng et al., 2014; Liu et al., 2013; Neyens and Baeyens, 2003; Neyens et al., 2003;Raynaud et al., 2011; Stickland et al., 2007; Urrea et al., 2014).此外，各种团体看着与其它材料污泥共脱水，通常被称为骨架助洗剂或过滤助剂(Ding et al., 2014; Thapa et al.,2009), 电脱水(Aziz et al., 2006; Barton et al.,1999; Iwata et al., 2013; Smollen and Kafaar, 1994; Snyman et al., 2000) 和大范围的添加剂(Chen et al., 2010;Liu and Fang, 2002; Marinetti et al., 2009; Murthy et al., 2000;Neyens et al., 2004; Raynaud et al., 2011; Stickland et al.,2007; Yan et al., 2004).这些效果已在一些主题的评论但商业现实是，缺乏对絮凝剂的加入，只有高温水解已经显示出大幅改善污泥脱水，改善从20到50重量%的干固体标准过滤设备在全面报道(Barber, 2009; Neyens and Baeyens, 2003) 许多其他的工艺和添加剂表现出极大的允可，但在某种程度上，许多基于实验室的实验已经表明，强调定量的脱水性能比较方法的重要性，支持成本/效益分析.

1.5. 污泥脱水性能的差异能被量化吗？

在定量和快速脱水性能表征实验室技术下，大量的实验室转向使用毛细吸水时间（CST），以实证检验和简单的固定时间过滤测试来衡量一个特定的过滤阻力(SRF) (Chen et al., 2010; Liu et al., 2013; Murthy et al., 2000; Novak et al., 1999; Raynaud et al., 2011; Song et al., 2014; Vesilind, 198

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