1.1.4 污泥的性质指标_污泥处理处置与资源综合利用技术-QQ阅读男生科幻网

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1.1.4　污泥的性质指标

污泥处理过程受污泥的性质的影响很大，污泥的性质指标一般分为物理性指标、化学性指标和生物性指标三类。物理性指标主要有含水率、相对密度、脱水性能、水力特性、热值等；化学性指标包含pH值、碱度、有机物含量、植物营养元素含量、有毒有害物质含量等；生物性指标包含生物含量和可生化性两个方面。

1.1.4.1　含水率

污泥含水率是单位质量的污泥所含水分的质量分数。含水率是污泥最重要的物理性质，它决定了污泥的体积。污泥所含的水分通常分为间隙水（又称自由水）、毛细结合水、表面吸附水和内部水（见图1-2）。其中，间隙水是指被污泥颗粒包围的水分，约占污泥水分的70%，间隙水由于不直接与固体结合，所以很容易分离；毛细结合水是在固体颗粒接触面上由毛细压力结合，充满于固体与固体颗粒之间或固体本身裂隙中的水分，占污泥水分的20%；表面吸附水是吸附（黏附）在污泥小颗粒表面上的水分，约占污泥水分的7%；内部水是指微生物细胞内部的液体，约占污泥水分的3%。通常认为，去除污泥中大部分间隙水可以靠重力沉降和浓缩的方法；调节和后续的机械脱水可破坏污泥的胶体结构，从而进一步释放出间隙水，同时还能去除部分毛细结合水；但是由于表面吸附水和内部水与污泥的结合非常牢固，只有热干化和焚烧等手段才可去除。

图1-2　污泥中水分的存在形式

污泥不易实现泥水分离是由于污泥中含有大量的有机物，黏性很高。因此，一般从污水处理过程中分离出来的污泥含水率都很高，其相对密度接近1。污泥中固体的种类和颗粒大小决定了污泥含水率。通常认为，固体颗粒越细小，所含的有机物就越多，污泥的含水率也就越高。

污泥的含水率、固体含量（含固率）和污泥体积可用如下方法计算。

污泥含水率：

　　（1-5）

式中，P_W为污泥含水率，%；W为污泥中水分质量，g；S为污泥总固体质量，g。

固体含量：

　　（1-6）

式中，P_S为污泥中固体含量，%；P_W为污泥含水率，%。

污泥中水的体积：

　　（1-7）

式中，V_W为污泥中水的体积，cm³；ρ_W为污泥中水的密度，g/cm³。

污泥中固体的体积：

　　（1-8）

式中，V_S为污泥中固体的体积，cm³；ρ_S为污泥的密度，g/cm³。

可以用式（1-9）来换算污泥体积、浓度等关系^［6］。污泥含水率与体积变化见表1-10。

　　（1-9）

式中，V₁、V₂分别为污泥变化前后的体积；W₁、W₂分别为污泥变化前后的质量；P₁、P₂分别为污泥变化前后的含水率；C₁、C₂分别为污泥变化前后的浓度（干固体所占质量分数）。

表1-10　污泥含水率与体积变化

注：污泥固相物质含量2kg。

式（1-9）适用于含水率在65%以上的污泥（图1-3直观地显示了污泥含水率与污泥体积的关系）。当污泥含水率低于65%时，由于固体颗粒间的空隙不再被水填满，污泥的体积受固体颗粒弹性的限制，除了有些固结外，大体保持不变。

图1-3　污泥含水率与体积的关系曲线

可见，污泥体积对于含水率极其敏感，因此污泥浓缩脱水、降低污泥的含水率是实现污泥减量化的关键。

（1）污水污泥

污泥的成分、非溶解性颗粒的大小决定了污水污泥的含水率。颗粒越小、有机物含量越高，污泥的含水率也就越高。在污水处理过程不同阶段产生的污泥，其含水率也不尽相同，如表1-11所列。不同含水率下的污水污泥相态不同，如表1-12所列^［7］。

表1-11　城市污泥的含水率

注：引自蒋展鹏.环境工程学.第2版.北京：高等教育出版社，2005。

表1-12　污水污泥含水率及其相态^［2］

注：引自何品晶等.城市污泥处理与利用.北京：科学出版社，2003。

（2）水厂污泥

水厂污泥的含水率主要与原水的水质、化学药剂的种类和数量、工艺设施类型等因素有关。通常，给水污泥固相中来自原水悬浮固体的比例越大，碳酸钙的含量越高，其含水率越低；铁盐混凝后的污泥含水率低于铝盐混凝污泥的含水率；软化污泥的含水率低于沉淀污泥的含水率。表1-13所列为美国密苏里州给水厂污泥的含水率范围。

表1-13　美国密苏里州给水厂污泥的含水率范围^［8］

（3）疏浚污泥

城镇疏浚污泥的含水率受到疏浚方式、疏浚机械及疏浚操作的影响，从而影响产生的疏浚污泥的体积。不同疏浚方法产生的疏浚污泥含水率如表1-14所列。

表1-14　常用疏浚机械产生的疏浚污泥含水率^［2］

① 均为国外疏浚机械的名称。

（4）排水沟道污泥

排水沟道污泥的含水率与疏浚污泥基本一致，主要受清理方式的影响。采用水力清理时，污泥含水率一般为80%～95%，采用机械清捞时，污泥含水率一般为40%～60%。另外，机械清捞污泥的含水率与清捞周期和排水体制也有关系。表1-15所列为上海市各区统计的排水沟道污泥典型的含水率。

表1-15　上海市各区排水沟道污泥典型含水率

1.1.4.2　相对密度

湿污泥的质量等于其中所含水的质量与固体质量之和。湿污泥的质量与同体积水的质量之比，称为湿污泥的相对密度。计算如式（1-10）所示^［9］。

　　（1-10）

式中，γ为湿污泥的相对密度；p为污泥含水率，%；γ_s为干固体相对密度。

如果污泥干固体物中，挥发性固体所占的百分数为p_v、相对密度为γ_v，灰分的相对密度为γ_f，则干污泥的平均相对密度如式（1-11）与式（1-12）所示：

　　（1-11）

　　（1-12）

挥发性固体相对密度约等于1，固定固体相对密度约为2.5～2.65，以2.5计，则

　　（1-13）

将式（1-13）代入式（1-10），则湿污泥的平均相对密度为：

　　（1-14）

表1-16所列为污泥不同含水率条件下的湿污泥相对密度。

表1-16　污泥不同含水率条件下的湿污泥相对密度^［3］

注：设定挥发性固体占总固体的比例为70%。

1.1.4.3　脱水性能

污泥的含水率一般较高，体积较大，不利于贮存、输送、处理、处置及利用，必须对其进行脱水处理以减小污泥体积，进而降低后续处理的成本。由于不同性质污泥脱水的难易程度差别很大，故测定污泥的脱水性能对于选择合适的脱水方法具有重要意义。

目前，常用的污泥脱水方法是过滤。过滤的测定方法通常有两种，比阻（r）测定试验和毛细吸水时间（CST）试验。

（1）比阻测定试验

比阻测定试验又称布氏（Buchner）漏斗试验。

比阻的物理意义是单位质量的污泥在一定压力下过滤时在单位过滤面积上的阻力。一般污泥比阻越大，过滤性能越差，越难脱水。根据Poiseuille和D’Arcy法则，可推导出过滤的基本公式如式（1-15）所示^［10］：

　　（1-15）

式中，P为过滤压力（为滤饼上下表面间的压力差），N/m²；A为过滤介质面积，m²；μ为滤液动力黏度，N·s/m²；r为比阻，m/kg；c为单位体积过滤介质上被截留的固体质量，kg/m³；V为污泥体积，m³；R_m为过滤介质单位面积的阻抗，m^-1。

在压力恒定的条件下，将式（1-15）积分，得

　　（1-16）

由式（1-16）可知，以t/V对V作图可得一条直线，设该直线的斜率为b，则

　　（1-17）

　　（1-18）

由式（1-18）可知r与b成正比，因此在相同的条件下，测定b值，根据其值大小也可以比较不同污泥的脱水性能。一般，r小于1.0×10¹¹m/kg的污泥脱水容易，而大于1.0×10¹³m/kg的污泥则脱水较困难。通常污泥中无机物含量越高，r越低，因此给水污泥比污水污泥容易脱水。给水污泥r与原水水质和使用的混凝剂关系密切，使用石灰的给水污泥r通常在1.0×10¹¹m/kg以下，而铝盐污泥r可达1.0×10¹²m/kg。常见的污泥比阻值范围参见表1-17。图1-4为比阻测量装置示意^［11］。

表1-17　常见污泥的比阻值范围

1）水厂污泥　原水水质的季节性变化对水厂污泥的脱水性能影响较大。原水的浊度越高，产生的污泥的脱水性能越强。表1-18所列为美国密苏里州给水厂污泥的比阻值。

表1-18　美国密苏里州给水厂污泥的比阻值^［3］

图1-4　比阻测量装置示意

1—真空泵；2—吸瓶；3—真空阀；4—真空表；5—滤纸；
6—布氏漏斗；7—橡胶塞；8—抽滤瓶

2）污水污泥　污水污泥为有机污泥，由亲水性带负电荷的胶体颗粒组成，颗粒极不均匀，而且细小，挥发性固体含量高，比阻值较大，脱水性能较差。特别是活性污泥。有机分散系包括平均粒径小于0.1μm的胶体颗粒，1.0～100μm的超胶体颗粒和由胶体聚集的大颗粒。通常有机物含量与污泥的比阻值呈正相关关系，即有机物含量越高，污泥比阻值越大，越难脱水，这一点从表1-19不同类型污水污泥的比阻值中也能看出。

表1-19　不同类型污水污泥的比阻值　　单位：10¹⁰m/kg

（2）毛细吸水时间试验（capillary suction time，CST）

由于采用布氏漏斗试验测定r的结果并不十分精确，重现性差，并且由于人员的操作熟练程度不同，引入的人为误差也较大。基于以上原因，由Baskerville和Gale提出的毛细吸水时间（capillary suction time，CST）便受到了广泛应用^［12］。

CST与污泥的过滤特性和脱水性能存在着密切联系，其意义是污泥与滤纸接触时，在毛细管的作用下，水分在滤纸上渗透1cm所需的时间，以s计。在一定范围内，污泥的CST与其r存在一一对应的关系。r越大，CST也越大，本质上是由于污泥的胶体性质与污泥的水动力黏度的大小直接相关。一般污泥CST的平均值顺序为：消化污泥>活性污泥>生污泥>矿物污泥。由此可见，消化污泥和活性污泥脱水更加困难。

此外，污泥脱水性能的另一个重要影响因素是动电学势能（electro-kinetic potential）。根据絮凝机理可知，通过添加电解液、聚合电解质等手段改变动电学势能，或采用其他方式如超声波和电磁化等改变污泥中胶体的稳定性，可以改变污泥的脱水性。

CST测定设备简单，操作方便简洁，目前已制造出相应的测试仪器，可以方便地根据毛细吸水时间的长短来评价污泥的脱水性能，比布氏漏斗试验更方便简洁。

CST测定仪主要有两部分组成：一是计时器；二是测定器。CST测定仪有长方形和圆形两种，圆形测定仪如图1-5所示。测定原理：当盛有污泥的容器（底部透水）置于覆有一定规格层析滤纸的有机玻璃底板上以后，污泥中的水分即在滤纸上通过毛细吸水现象而扩散，在距污泥容器一定距离处设两电极（电极在径向上距离为1cm），CST为水到达内侧电极时间与到达外侧电极的时间之差。

图1-5　CST圆形测定仪构造示意

1.1.4.4　水力特性

污泥的水力特性主要是指其流动性和可混合性，受温度、水体水质、流速、黏度等多种因素的影响，其中以黏度的影响为主。

污泥的流动性是指污泥在管道内的流动阻力和可泵性（是否可用泵输送或提升）。通常，当污泥的含固率小于1%时，其流动性与污水基本一致。对于含固率大于1%的污泥，当在管道中流速较低时（1.0～1.5m/s），其阻力比污水的大；当在管道内流速大于1.5m/s时，其阻力比污水的小。因此，一般污泥在管道内的流速应保持在1.5m/s以上，以降低阻力，节省能耗。产生以上现象的原因是含固率大于1%的污泥是非牛顿型流体，在低流速下，污泥处于层流状态，其流动性受黏度的影响较大；而在高流速下，污泥状态为湍流，污泥的黏滞性会消除由管壁形成的涡流，降低阻力。另外，污泥的流动性不受温度及污泥中有机物含量的影响。一般当污泥含固率大于6%时，污泥可泵性差，会对实际中用泵输送污泥造成困难。表1-20列出了污泥在不同的固体浓度和流速时的阻力增大系数（流体阻力与水的阻力之比）^［13］。

表1-20　不同的固体浓度和流速下的污泥阻力增大系数

注：引自冯生华.城市中小型污水处理厂的建设与管理.北京：化学工业出版社，2001。

1.1.4.5　热值

污泥的热值主要取决于污泥中有机物含量的高低，是污泥焚烧处理时的重要参数。因污泥产生来源与处理工艺的不同，其含水率有较大差异，故热值一般均以干基（d）或干燥无灰基（daf）形式给出。表1-21是各类污泥的燃烧热值^［4］。

表1-21　各类污泥燃烧热值

1.1.4.6　pH值

pH值是反映污泥消化过程的重要指示指标。各种污泥的pH值情况参见表1-22。如果原污泥的pH值低于5.0，应慎重考虑是否向消化池中投加污泥。如果消化后的污泥pH值低于7.0表示消化过程受到了破坏。碱性消化要求的pH值范围是很小的，一般消化池的负荷越高，碱性消化阶段的pH值越大。当消化池内pH值过高时，NH₃和N的平衡会朝着NH₃的方向发展，过多的NH₃会对产甲烷菌的活性产生抑制，使消化受到破坏。

表1-22　不同类型污泥的pH值

1.1.4.7　碱度

污水处理厂污泥中存在不同的碱度缓冲系统，主要有CO₂/HC碱度系统、NH₃/N碱度系统、蛋白质化合物碱度系统等。各种污泥的碱度见表1-23。在污泥处理过程中，这些碱度系统对于稳定微生物体系的pH值具有重要意义。在污泥消化过程中，微生物在降解有机污染物的同时会生成各种的代谢产物如挥发性脂肪酸（VFA），使体系呈现弱酸性，而碱度的存在可以中和生成的有机酸，从而使pH值的变化趋于稳定，有利于微生物的正常生理代谢过程。

表1-23　不同类型污泥的碱度

消化池中的pH值和N、CO₂的关系如式（1-19）所列：

pH=6.31+lg{［N］/［CO₂］}　　（1-19）

1.1.4.8　有机物含量

污泥中含有可生物利用的有机成分，包括纤维素、脂肪、树脂、有机氮、硫和磷等多糖物质，这些物质有利于土壤腐殖质的形成。污泥中含有的有机物质对土壤的物理性质起到很大的影响，如土壤的肥效、腐殖质、密度、聚集作用、孔隙率和持水性等。

有机物含量是污泥最重要的化学性质，同时决定了污泥的热值和可消化性。污泥中的有机物质主要包括蛋白质、碳水化合物和脂肪。通常有机物含量越高，污泥热值也越高，可消化性也越好。污泥中的有机物含量通常用挥发性固体（VSS）表示，另外两项重要指标还有挥发性脂肪酸（VFA）和矿物油。

1.1.4.9　植物营养元素含量

污泥中含有植物所必需的常量营养元素和微量营养元素。常量营养元素中氮、磷、钾在污泥的资源化利用方面起着非常重要的作用，特别是氮的含量，是园林绿化或农用污泥施用量的决定性因素之一。污泥所含的植物营养元素的存在形式见表1-24，不同污泥中含有的植物营养含量情况见表1-25。

表1-24　污泥中植物营养元素存在形式

表1-25　不同类型污泥植物营养元素含量情况^［1］　　单位：%

污泥中包含的微量营养物质如铁、锌、铜、镁、硼、钼（作为氮固定作用）、钠、钒和氯等，都是植物生长所少量需要的，但它们对微生物的生长同样重要，其中氯具有有助于植物根系生长的作用。

1.1.4.10　有毒有害物质含量

污泥中的有毒有害物质主要是指重金属和有机污染物，目前国内对于污泥中重金属的监测分析较为完善，而关于有机污染物的分析数据较少。

工业废水是污泥中汞、镉、铬等重金属元素的主要来源；家庭生活的管道系统也是铜、锌等一些重金属元素的来源之一。在污水处理过程中，70%～90%的重金属元素通过吸附或沉淀转移到污泥中。当污泥施用于土壤后，重金属将积累于地表层，通过食物链，在植物、动物以及人类体内富集，对人体健康和生物种群安全产生深远影响，成为限制污泥土地利用的重要因素。

重金属元素在污泥中的存在形态不同，其产生的生物有效性亦有所不同。国外根据重金属结合的组分，将重金属在污泥中的存在形态分为五类，分别为可交换态，碳酸盐结合态，铁、锰氧化物结合态，有机质结合态和残渣态，此为五态分类法。表1-26为不同重金属污染物特征情况。

表1-26　不同重金属污染物特征

污泥中常见的微量有机污染物主要有多环芳烃（PAHs）、氯苯类化合物（CBs）、氯酚（CPs）、多氯联苯（PCBs）、多氯代二苯并二英/呋喃（PCDD/Fs）、可吸附有机卤化物（AOX）、直链烷基苯磺酸盐（LAS）、壬基酚（NP）、邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）、邻苯二甲酸酯类（PAEs）等。此外，城市污泥中还含有烷基酚、有机氯农药、硝基苯类、氨类、卤代烃类、醚类等化合物。这些有机污染物绝大部分具有生物放大效应，并有“致癌、致畸形、致突变”的危害。有机污染物含量较高的城市污泥如果进入土壤会给周边环境带来污染。污泥中的有机污染物因污水处理厂污水来源的不同而不同，同一污水处理厂在不同时期产生的污泥，其中有机污染物的种类和含量也有较大差别。目前我国对城镇污水处理厂污泥的研究主要集中在对污泥中重金属、病原菌防控和治理方面，其中的微量有机污染物由于对综合指标贡献较小而较少引起人们的关注。我国对污泥中有关有机污染物的研究还处于起步阶段，缺乏深入，无法为污泥土地利用提供科学的参考。

（1）水厂污泥

水厂污泥中重金属含量较低，一般均能满足我国的《农用污泥中污染物控制标准》（GB 4284—84）。表1-27列出了上海市某水厂污泥及其浸出液的重金属含量。

表1-27　上海市某水厂污泥及其浸出液重金属含量　　单位：mg/kg干污泥

（2）污水污泥

污水厂中的重金属以及可能在污泥中存在的极大部分毒害性有机物都来源于污水，而污水的毒害物质主要来源于工业，因此城市污水厂工业废水处理比例和工业废水接入排水管道前的预处理水平成为决定污水厂污泥中毒害性物质含量的关键因素。表1-28和表1-29列出了上海市和中国香港地区部分污水污泥重金属分析表，其中上海市石洞口污水处理厂的污水中工业废水占近60%，因此石洞口污水污泥中各种重金属含量均较高，铜、锌、铬、镉、镍均高于污泥农用标准。

表1-28　上海市部分污水处理厂污泥重金属成分分析^［14］　　单位：mg/kg

注：吴淞污水污泥有机物含量约为70%。

表1-29　中国香港地区部分污水处理厂污泥重金属成分分析　　单位：mg/kg

（3）疏浚污泥

疏浚污泥中重金属的含量反映了水体受污染的历史及程度，因此不同水体的疏浚污泥重金属浓度相差较大。表1-30列出了上海市苏州河疏浚污泥重金属含量和自然背景值情况^［15］。

表1-30　上海市苏州河疏浚污泥重金属含量和自然背景值　　单位：mg/kg

另外，颗粒物上重金属的生物有效性和迁移性与其存在的形态密切相关。Salim等^［16］发现在污染程度比较高的沉积物中，Pb和Ni主要以碳酸盐结合态的形式存在，Cd主要以可交换态的形式存在。Pardo等^［17］用Tessier连续提取法提取了Pisuerga河沉积物上的重金属，结果表明Cd、Pb主要存在于可交换态和碳酸盐结合态中，Cu、Co和Ni主要存在于铁锰氧化物结合态和有机质结合态中。

（4）通沟污泥

理论上，通沟污泥的重金属和有毒有害物质含量应与污水处理厂污泥类似，表1-31列出了上海市通沟污泥重金属的含量情况。从表中看出，不同地区通沟污泥的重金属种类和含量均有差异。

表1-31　上海市通沟污泥重金属含量　　单位：mg/kg

不同排水体制对通沟污泥的性质也有影响，分流制排水系统的雨水管道通沟污泥的毒害物含量与当地地面沉积物类似，合流制排水系统的管道污泥的毒害物含量介于分流制污水管道和雨水管道之间，同时与雨水管道的水力条件有关。

1.1.4.11　生物含量

大量的细菌、病毒、原生生物、寄生虫卵及其他的微生物存在于污水污泥中，其中部分微生物会对人体健康产生危害。

初沉池污泥中的总大肠杆菌浓度一般在1×10⁶～1.2×10⁸个/g（以干物质计，下同），噬菌体的浓度为10³～10⁶PFU（噬斑单位）/g，两大类病原菌沙门菌和青绿色假单胞菌的浓度比指示细菌的浓度要低得多，平均分别为4.1×10²个/g和2.8×10³个/g。污泥中，寄生在人体肠道中的鞭虫、寄生在狗肠道内的鞭虫和弓蛔虫的平均浓度分别为0.1～1个/g、0.11个/g、0.2～0.5个/g，蛔虫卵的浓度最大0.1～2个/g。由于污水厂周围有老鼠，因此污泥中发现有寄生在老鼠肠道内的绦虫。

二沉池污泥中微生物的浓度与初沉池污泥中相应的浓度大致相当，总大肠杆菌和粪大肠杆菌的浓度为8×10⁶～7×10⁸个/g，粪链球菌的浓度为10⁶～10⁷个/g，沙门菌和青绿色假单胞菌的浓度分别为8.8×10²个/g、1.1×10⁴个/g；蛔虫卵的平均浓度为1360个/kg，寄生在人体肠道内的鞭虫和寄生在狗肠道内的鞭虫的浓度小于10个/kg，寄生在老鼠肠道内的绦虫的平均浓度为20个/kg。

混合污泥中，总大肠杆菌、粪大肠杆菌、粪链球菌的浓度分别为3.8×10⁷～1.1×10⁹个/g、1.1×10⁵～1.9×10⁶个/g和1.6×10⁶～3.7×10⁶个/g，沙门菌的浓度为7.0～290个/g，青绿色假单胞菌的平均浓度为3.3×10³～4.4×10⁵个/g；蛔虫卵、弓蛔虫和寄生在狗肠道内的鞭虫的平均浓度分别为290个/kg、1300个/kg和140个/kg。