城市污水排放量日益增加,导致市政污泥产量快速增长。数量如此惊人的市政污泥,已成为城市管理者非常头疼和急待解决的问题。污泥脱水是降低污泥运输处置费用及方便后续处置的关键。市政污泥压缩性能差、胞外聚合物(Extracellular polymericsubstance,简称EPS)亲水性强和结合水含量高等特点制约了其脱水的效率。目前,在污泥调理领域,絮凝剂和高级氧化(Advanced oxidation processes,简称AOPs)等技术等已有相关报道,但由于针对的污泥对象不一致,而且缺乏系统深入的比较手段,难以筛选出高效低廉的化学调理方法。本文研究和开发了基于氧化-絮凝联合超高压压滤技术,应用于污泥的调理与深度脱水过程中,探讨这些技术强化污泥深度脱水的可行性,优化其调理和脱水过程中的工况参数和条件,同时深入探讨调理和脱水过程中的作用机理,明确不同污泥调理技术的反应机制,分别获得其最佳工艺参数,并建立一个系统评估体系,在时间和空间尺度上评估化学调理方法的脱水效率和脱水深度,最后找到一套效率高、成本低和环境危害低的联合调理工艺,为市政污泥深度脱水的工程实践提供理论依据和工艺参考。(1)研究无机铝系和铁系絮凝剂调理对污泥脱水的提升作用。利用单因素试验,考察六种无机铝系和铁系絮凝剂的投加量对污泥脱水性能的影响,确定其最佳的投加量。通过比较无机铝系和铁系絮凝剂二者脱水性能以及对污泥特性和E P S的影响,深入了解铝系和铁系调理污泥的作用机制。结果表明:铁系絮凝剂比铝系絮凝剂的脱水效果更显著。在6 MPa压力下压滤30min后,聚合硫酸铁絮凝剂调理的脱水泥饼含水率为56.93 wt%。与铝系絮凝剂调理相比,铁系絮凝剂可以更有效中和污泥表面的负电荷,且酸化效果更明显,形成更致密的絮凝体。铁系絮凝剂能更显著地改变疏松层EPS(Looselybound EPS,简称LB-EPS)的主要成分、组成及官能团,进而改善污泥的脱水效率。(2)研究缺氧预处理联合聚合氯化铝铁(Polymeric aluminium ferric chloride,简称PAFC)对污泥脱水性能的提高作用。利用响应曲面法对缺氧预处理联合PAFC调理中的因素进行优化,确定最佳的工况条件。在最优工况条件下,污泥脱水泥饼含水率降低至54.54 wt%,实现了污泥的深度脱水。通过在污泥调理和脱水过程中对污泥、滤布和滤液特性的分析,阐明了缺氧预处理与PAFC联合调理和超高压压滤脱水的作用机制。同时,发现污泥脱水能力与污泥、滤布和滤液特性之间有很强的相关性,有助于解释污泥脱水的基本原理。(3)研究次氯酸钙-铁系絮凝剂-核桃壳复合调节剂对污泥脱水的促进作用。通过单因素试验,研究次氯酸钙-铁系絮凝剂重絮凝-核桃壳骨架构建联合调理对污泥脱水性能和EPS性能的影响,优化联合调理的工况条件。在此条件下调理,污泥的比阻(Specificresistance to filtration,简称SRF)值下降了 90%以上,污泥脱水泥饼的含水率低于50wt%,实现污泥的深度脱水。通过形貌结构、絮体形态、流变特性和结合水含量等分析深入阐明了协同处理的作用机制,分为三步:Ca(ClO)2氧化、铁系絮凝剂重絮凝和核桃壳骨架构建。(4)研究基于热酸预处理零价铁(Zero valent iron,简称ZVI)的高级氧化技术对污泥脱水的提升作用。采用单因素试验优化热酸洗ZVI联合常用氧化剂(包括H2O2、Na2S2O8和KMnO4)技术的工况条件。结果发现,热酸洗ZVI联合常用的氧化剂是一种有效协同实现污泥深度脱水的方法,脱水泥饼含水率均低于60wt%。通过研究热酸ZVI的高级氧化技术调理后的污泥特性以及探索ZVI表面结构特征的变化规律,得到污泥脱水性能显著提高的机理,包括:热酸ZVI催化氧化剂产生大量具有强氧化性的自由基氧化以及Fe3+的强絮凝。最后,热酸洗ZVI联合氧化剂循环调理污泥试验表明,热酸洗ZVI联合氧化剂调理能在四次循环回用中保持稳定良好的污泥脱水效率。(5)研究基于超声热酸洗预处理零价铁屑(Zerovalentscrapiron,简称ZVSI)的高级氧化技术对污泥脱水的促进作用。尝试利用超声热酸洗预处理后的零价铁屑作为循环使用的铁源联合H2O2,建立一个可连续循环使用的新型污泥调理和脱水系统,并对其工况条件进行优化。在最佳工况条件下调理污泥,污泥脱水泥饼含水率降低至44.15 wt%。通过研究该联合工艺对污泥特性的影响,得到超声热酸洗ZVSI联合H2O2体系改善污泥脱水效果的机理,分为铁絮凝、·OH氧化和骨架构建。超声热酸洗ZVSI联合H2O2连续循环运行测试结果表明,在连续循环运行15次中,超声热酸洗ZVSI联合H2O2系统能稳定、可靠地改善污泥脱水效果并实现污泥深度脱水。(6)比较上述五种化学处理及聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,简称PAM)处理联合超高压压滤设备对污泥深度脱水效果及脱水泥饼的毒性。通过对上述六种化学调理后污泥脱水效率、脱水污泥中重金属和植物毒性的比较,发现氧化联合絮凝调理比单独絮凝调理更有效提高污泥脱水性能。其中,污泥脱水效果最好及成本最低的是超声热酸洗ZVSI/H2O2/CaO调理。与絮凝剂调理相比,氧化联合絮凝调理能明显降低脱水污泥中重金属的环境风险及植物毒性。此外,Ca(ClO)2/FeCl3/核桃壳调理降低脱水泥饼中重金属风险和植物毒性效果最佳,有利于其后续的农用。综上所述,本文的研究成果从污泥脱水效率、脱水污泥中重金属和植物毒性的比较出发,可为污泥深度脱水工艺的选择及工程实践提供试验数据参考和理论指导。