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2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 青岛 冷冻预处理破解剩余污泥及改善其脱水性能研究
2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 青岛 冷冻预处理破解剩余污泥及改善其脱水性能研究 Freeze/thaw Pre-treatment to Disintegrate Sludge and Improve its Dewaterability 赵庆良 哈尔滨工业大学 2011年5月26日
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报 告 提 纲 1. 研究背景 2. 实验方法 3.污泥冷冻与处理后物理性质的变化 4.污泥冷冻与处理后化学性质的变化 5. 结论
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1. 为什么考虑冷冻预处理？
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污泥处理的主体技术路线 沼气 脱水 剩余污泥 浓缩 厌氧消化 预处理 （强化脱水、 破解细胞） 卫生填埋 资源利用
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传统污泥预处理技术 机械法（如超声处理）：大量能耗 化学法（如碱处理、氧化剂）：添加化学药剂 生物法（如生物酶法） ：生物制剂
热力学法（如热处理）：需要热能
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我国各地区气候变化特点
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东北地区： 每年11月~来年3月，气温<0℃，冷冻阶段 每年4月~10月，气温> 0℃，融化阶段
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污泥冷冻预处理的可行性 我国北方寒冷地区有自然的条件。 利用自然气候进行冷冻/融化处理实现脱水：
气候寒冷地区或者冬季，污泥由天然气候使之冻结，冰晶成长过程可将固体与液体分离。 当春季或者气温升高时，再利用气温回升及太阳辐射等作用，将污泥融化、脱水而得到干滤饼，剩余固体由传统设备移除。 60 年代起即有研究者设计现场操作方案，评估以自然冷冻法处理污泥的可行性。如Martel等人研究。 Hailstorm and Kvarnstrom 提出冻融与干燥相结合的污泥自然脱水方案，可全年运行以处理小型废水厂污泥。
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该过程将不易脱水的污泥转化成颗粒状，易于脱水.
冷冻预处理的过程示意图 冷冻抽吸 该过程将不易脱水的污泥转化成颗粒状，易于脱水. 污泥絮体 空隙水(70%) 微弱键 污泥颗粒 毛细水(20%) 吸附水、颗粒内部水(10%) 冷冻前 冷冻后
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冻/融技术的特点 有效的污泥调理手段：改善污泥的脱水性能，大幅提高真空过滤效能，适用于所有污泥，但必须以缓慢冷冻速率完全冷冻才有效；使污泥颗粒结构更加紧密；减少结合水含量 。 因地制宜：冻/融处理的冷冻过程可自发进行，工艺简单，不需要使用大量聚合物，运行费用可大大降低，尤其适用于寒冷地区的污泥预处理。
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研究热点与方向 有关冻/融处理技术集中在污泥絮体的固液分离特性研究方面，而对污泥破解和有机物溶出、冷冻后污泥的化学成分变化、冷冻-厌氧消化组合工艺的研究相对较少。 冻/融预处理可以显著增加活性污泥上清液的BOD和COD的程度，使之不仅可以作为污泥调理的方法，也可以同时实现污泥破解，加速后续的厌氧消化进程等。
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2. 污泥冷冻预处理的实验 12
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冻/融技术影响因素 污泥类型 冷冻时间 冷冻温度 冷冻速率 固化时间 污泥预处理（如搅拌或者浓缩） 污泥中溶解性有机物及阳离子浓度等
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实验所用的污泥及其特征 混合污泥 剩余污泥 TCOD/(mg/L) 33200 28210 SCOD/(mg/L) 920 948 pH
6.49 6.45 NH4+-N/(mg/L) 148 101 碱度/(mgCaCO3/L) 720 580 TS/(mg/L) 37870 24280 SS/(mg/L) 35870 22400 VS/(mg/L) 19530 15760 VSS/(mg/L) 18620 14720
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实验方法 混合污泥和剩余污泥贮存于PET材质的塑料瓶中，放入-18℃冰箱中冷冻不同时间（冷冻速度0.003 K/s） 。
冷冻结束后，在室内环境下（温度约29 ℃，相对湿度47%~56%）解冻3h。
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3. 污泥冷冻与处理后物理性质的变化 16
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冻/融过程不会引起固体矿化作用或者生物降解作用，本实验中未出现蒸发作用 。冻/融处理没有降解污泥中的有机物。
SS和VSS变化包括两个阶段（冷冻9h ）。污泥的固体溶解程度的变化主要发生在冷冻阶段，而后续的固化阶段对污泥固体物质溶解的影响较小。 冷冻时间对污泥固体物质含量的影响 3h（冷冻、固化临界时间） 污泥SS和VSS随冷冻时间的变化 污泥TS和VS随冷冻时间的变化
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冷冻时间对污泥固体物质含量的影响 Montusiewicz等人的研究表明，由于解冻时间较长（12h），可能在解冻过程中发生了生化作用，在冻/融（24h/12h）处理后，污泥的TS和VS均减小。通常，冷冻时间对于污泥性质的影响更加显著。 污泥固体溶解程度随冷冻时间的变化
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冷冻时间对污泥脱水性能的影响 冷冻时间对污泥的沉降性能具有显著影响。
两种污泥冷冻后，其沉降性能都得到了改善。与原泥相比，冷冻后的污泥上清液体积增大，沉降速度加快。 从左至右分别为： 混合污泥、 剩余污泥、 冷冻72h的混合污泥、 冷冻72h的剩余污泥
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冷冻时间对污泥脱水性能的影响 冷冻污泥的离心上清液体积增加，下层沉淀物体积减小，说明污泥的可压缩性得到了改善。
离心实验：100mL污泥样品，离心转速4000rpm，离心时间30min，观察冷冻污泥离心后的上清液体积。 冷冻污泥的离心上清液体积增加，下层沉淀物体积减小，说明污泥的可压缩性得到了改善。 虽然两种污泥经过冷冻预处理后离心脱水效果都得到了改善，但是冷冻处理更利于对剩余污泥的离心脱水，离心后沉淀物体积下降的更快。 两种污泥冷冻后的离心效果 混合污泥 剩余污泥 冷冻时间/ (h) 上清液体积/ (mL) 68 53 1 75 78 3 70 72 74
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冷冻时间对污泥粒径分布的影响 冻/融处理破坏了污泥絮体结构，有效地增加了胶体和溶解组分的比例，并有朝向较低分子量化合物的转化趋势。
剩余污泥经过冷冻处理后粒径减小的更加明显；由于掺入了20%的初沉污泥，初沉污泥泥质的差异导致颗粒的解体程度与完全剩余污泥时相比变小。
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冷冻时间对污泥絮体结构的影响 原状剩余污泥絮体较为松散，蓬松的、碎片形状，形成“网络”状结构。
冷冻过程中，未冻结的污泥部分被浓缩，周边的冰锋不断挤压并伸入絮体。 冷冻污泥絮体更加致密和清晰，网状结构被破坏。 冻/融技术的机理是：原状的松散的絮体被逐渐成长的冰层所排斥，大量转变成更加致密、圆形的絮体结构。随着冷冻时间的增加，污泥絮体形态更加清晰，丝状体数量更少，污泥沉降特性改善。 (a) 剩余污泥原泥 (b) 冷冻2h后未冻结的剩余污泥 (c) 冻/融（3h/3h）处理 后的剩余污泥 (d) 冻/融（72h/3h）处理 后的剩余污泥
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4. 污泥冷冻与处理后化学性质的变化 23
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冷冻时间对污泥溶解性有机物的影响 SCOD线性增加 SCOD上升: 主要为溶解性碳水化合物 有益于后续厌氧消化 污泥SCOD随冷冻时间的变化
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pH值快速下降:污泥VFA含量增加，由于细胞内、外的冰的形成致使细胞破裂释放出内含物。
污泥碱度随冷冻时间的变化
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冷冻时间与污泥特性指标相关性分析 显著相关 不相关 显著相关 显著相关 特性指标 冷冻时间 (混合污泥) 冷冻时间 (剩余污泥)
冷冻时间与污泥物化特性指标之间的相关分析 特性指标 冷冻时间 (混合污泥) 冷冻时间 (剩余污泥) 2~2.72 μm颗粒数 0.533 0.998 TS -0.664 -0.640 VS -0.320 -0.455 SCOD 0.982 0.962 显著相关 不相关 显著相关 介于2~2.72 μm颗粒数与污泥化学特性之间的相关分析 特性指标 2~2.72 μm颗粒数(混合污泥) 2~2.72 μm颗粒数 (剩余污泥) TS -0.117 -0.658 VS 0.300 -0.600 SCOD 0.572 0.997 显著相关
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5. 结论 27
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冻/融处理是一种有效的污泥预处理技术，剩余污泥和混合污泥经冻/融（72h/3h）处理后，同时改变了污泥的物理特性和化学成分，推荐采用冻/融（72h/3h）作为工艺控制参数。
冻/融处理可以破解污泥，将固体物质转化为液相成分。随着冷冻时间的增加，污泥pH值下降，而SCOD和碱度上升。 冷冻污泥物理性质的变化不仅反映出污泥的溶解，也反映出污泥沉降性能和脱水性能的改善。冷冻污泥的SS和 VSS值与冷冻时间相关。粒径分布和微观结构观察证明了污泥絮体被破坏。与混合污泥相比，剩余污泥的粒径分布的变化更加显著。
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谢谢各位领导与专家！请提宝贵意见。
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冷冻床模型（冻/融技术实际应用） 冷冻床形状为一狭长沟渠，上方设有输送管可将污泥从污水处理厂输入床内，下方设有滤沙，内埋有排水管，污泥融化后的水份有一部份可由床底渗流而排除；冷冻床上方无需加盖以便积雪，借积雪在污泥上方结冰时，会因其针状冰晶结构的伸展, 使已冻结污泥层发生裂缝；此裂缝的存在有助于床底渗流的进行。
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冷冻污泥的厌氧消化效果 A. Montusiewicz, M. Lebiocka, A. Rozej, E. Zacharska, L. Pawłowski. Freezing/thawing effects on anaerobic digestion of mixed sewage sludge. Bioresource Technology.2010,101: 3466~3473
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