作者：戴晓虎 主编
出版社：化学工业出版社
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城镇污水处理厂污泥生物处理及稳定化试读：
前言
随着我国经济的发展和环保要求的提高，污水处理设施建设获得高速发展，为实现国家减排目标和污染控制做出了巨大贡献，但伴随污水处理设施的建设投运产生了大量的污泥，污泥汇聚了污水中大部分难以生物降解的污染物，包括重金属、持久性有机物、寄生虫卵等，污染负荷也占污水处理厂进水的1/3 ～1/2。前期由于我国污水处理厂建设存在严重的“重水轻泥”现象，污泥处理处置设施严重滞后，大量的污泥未经过稳定化处理就进入环境，导致近年来国内不断爆发污泥环境污染公共事件，二次污染严重。污泥的稳定化是实现污泥的资源化和无害化，降低污泥在后续处理处置过程中二次污染的重要环节，在污泥的处理处置全链条中非常关键，因此国家颁布的“水十条”特别对污泥稳定化处理提出了明确的要求。由于我国污泥在该方面研究起步较晚，泥质及处理观念和国外的差距大，目前还未形成稳定化程度的指标和评价体系。
鉴于此，本书紧紧围绕污泥生物稳定化核心内容，全面、系统地展开了阐述，重点对影响污泥稳定化因素的泥质特征、污泥环境风险评估、稳定化指标体系分类、现行的国内外稳定化指标等进行了详细的说明。在此基础上，有针对性地对污泥厌氧消化和好氧堆肥两种生物稳定化过程的评价指标和方法进行了探索，并提出了相对应的判断限值，为《城镇污水处理厂污泥稳定化标准》的实施提供了新的思路和方法，为污泥稳定化标准体系建立奠定基础。
本书由戴晓虎主编，参加编写的有吴冰、刘志刚、戴翎翎、李小伟、董滨、孟祥周、段妮娜、周晓婷等，全书最后由戴晓虎统稿、定稿。本书主要内容基于中国市政华北设计研究总院牵头的水专项“城市污水处理系统运行特性与工艺设计技术研究”课题的子课题“城市污水处理厂污泥稳定化指标体系及理化性能研究”成果，感谢中国市政华北设计研究总院总工郑兴灿对本书编写的大力支持。
限于编者水平和编写时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请同行和读者批评指正。编 者2018年5月第1章 城镇污水处理厂污泥来源、产量及组成1.1 污泥来源和分类
污水处理是通过物理、生物和化学等作用把污染物从水中去除的过程，被去除的污染物，如悬浮物（SS）、化学需氧量（COD）、氮、磷、胶体、重金属、病原微生物等，或者通过沉淀、离心、过滤、吸附（化学/生物）、气浮等作用直接与水分离，或者通过微生物同化作用转化为生物体后再与水分离，或者通过混凝沉淀作用与化学沉淀剂同时沉淀分离。这些分离后的污染物可以统称为污泥（图1-1），其中初沉污泥和剩余污泥是我们最为熟悉的；此外，随着污水排放标准的提高，化学沉淀污泥也逐渐增多。图1-1 污泥来源
由此可以看出，污泥是一种由有机物、细菌菌体、无机颗粒、胶体、水等组成的极其复杂的非均质体，其中未经任何处理的污泥含水率高达95%～99%，如初沉污泥含水率一般为95%～96%，而二沉污泥含水率高达99%以上。因此，污泥是一种呈胶状液体、介于液体和固体之间的浓稠物，具有密度较小、有机物含量高、易腐化发臭、可以用泵运输等特点。
可以根据污泥来源、处理过程、成分差别等对污泥进行分类。（1）按污水的处理方法或污泥从污水中分离的过程分类
可以分为4类：a．直接通过沉降作用从初沉池排放的初沉污泥；b．由微生物代谢和生物合成，并结合污水中胶体、悬浮物等从二沉池排放的剩余污泥；c．来自生物膜法工艺排出的腐殖污泥，主要是脱落的生物膜；d．采用混凝、化学沉淀等产生的化学污泥。（2）按污泥在污水厂处理过程的不同产生阶段分类
可以分为生污泥、消化污泥、浓缩污泥、脱水污泥和干化污泥5类。
1）生污泥 也叫新鲜污泥，是指没有经过任何处理的污泥，如上述4种都是生污泥。
2）消化污泥 也叫熟污泥，通常指将生污泥经过厌氧消化处理后得到的比较稳定的污泥，故也可以叫消化污泥。
3）浓缩污泥 指经过气浮、浓缩池等浓缩后的污泥，其含水率一般在95%～97%之间。
4）脱水污泥 经过压滤、离心等手段获得的含水率为80%左右的污泥。但随着技术的发展，目前压滤可以获得含水率为60%～70%的污泥。
5）干化污泥 一般指经过热干化处理得到的污泥，其含水率一般低于50%。（3）按污泥成分及性质分类
可分为有机污泥和无机污泥两类。其中有机污泥有机物含量高、容易腐化发臭、颗粒较细、密度较小、含水率高且不易脱水。城镇污水处理厂产生的污泥多为有机污泥。而无机污泥颗粒粗大、密度较高、疏水性强、含水率较低且易于脱水，但不易用管道输送。沉砂池以及某些工业废水物理、化学处理过程中的沉淀物均属无机污泥。1.2 污泥的产量
污泥的产量和污水水质（污水有机物含量及无机固体含量）直接相关，此外，还与污水处理工艺、污水处理要求、温度等因素有关。一般进水水质浓度越高、处理要求越高、温度越低，其产泥量也越大，而具有厌氧工艺、延时曝气等的工艺污泥产量相对较低。按照统计，城镇污水处理过程中污泥产量通常占污水量体积的0.3%～0.5%，或14～3t干污泥/10t污水。如果污水处理采用深度处理，污泥量会增加0.5～1倍。初沉池污泥的人日均量（以SS计）为35～50g/d，与水中的悬浮颗粒物和停留时间有关。活性污泥法和生物膜法的剩余污泥泥量（以SS计）分别为45～80g/d和20～40g/d，与初沉池的效率、水中有机物含量、温度和污泥泥龄有关。研究发现，污水原水中大约55%COD、30%～45%N以及90%P进入污泥中（图1-2），这表明污水处理过程中部分有机质未得到充分降解，存留在污泥中，且其中的有机质、N、P营养物质含量高。若经厌氧消化处理，28%COD可以+CH的形式得到资源化利用，15%～20%N会以NH-N等形式存在的44沼液中，27%COD、5%～10%N和90%P仍留在脱水污泥沼渣中。图1-2 污水处理厂污水中COD、N、P等的物料平衡关系
污泥产量可采用如下计算公式。（1）初沉池污泥量计算 （1-1）3
式中 V——初沉池污泥产生量，m；3
Q——最大时设计流量，m/d；max
C——进水悬浮物浓度，mg/L；1
C——出水悬浮物浓度，mg/L；2
K——生活污水量总变化系数；Z
γ——污泥密度，mg/L，约为1000mg/L；
p——污泥含水率，%；
T——两次排泥时间间隔，d。
初沉池污泥也可按照式（1-2）计算： （1-2）3
式中 Q——平均日污水量，m/d；平
η——初沉池SS去除率，%，一般为40%～60%，取决于停留SS时间；
X——初沉污泥浓度，mg/L，一般为20～50mg/L。0（2）剩余污泥量计算
剩余污泥量主要由两部分构成：一是由降解有机物所产生的污泥增殖；二是进水中不可降解及惰性悬浮固体的沉积。因此，剩余干污泥量可以用式（1-3）计算：∆X = YQ（S-S）+（C-C）×fQ-kVX （1-3）0e12dv
式中 ∆X——系统每日产生的剩余污泥量（以SS计），kg /d；
Y——污泥产率，kg VSS/kg BOD；5-1
k——衰减系数，d；d3
Q——污水流量，m/d；3
S、S——进、出水中BOD浓度，kg/m；0e5
f——SS的污泥转换率，g MLSS/g SS。
德国水协（DWA）修订的单级活性污泥污水处理厂设计规范（DWA-A 131）中给出了剩余污泥量的计算表达式（1-4）。该公式同时考虑了活性污泥代谢过程中惰性残余物及温度修正： （1-4）
式中 F——温度修正系数；T
X——进水SS浓度，mg/L；SS
t——污泥泥龄，d；TS-1-1
b——衰减系数，d，一般取值0.17 d；
f——SS中无机物的比例（炽灼残渣），无初沉池建议取值B0.3，有初沉池建议取值0.2；
X——进水中惰性颗粒性COD浓度，mg/L；COD,inert
X——生物质中COD浓度，mg/L。COD,BM
温度修正系数F的计算公式为：T （1-5） （1-6） （1-7） （1-8）
式中 T——曝气池温度，℃；
f——颗粒性COD中惰性组分的比例，建议取值0.3；A
Y——污泥产率，g/g（每克可生物降解的COD产生的生物质克数），取值0.67 g/g；
C——进水中可生物降解的 COD浓度，mg/L；COD,abb
f——COD中惰性溶解性组分的比例，建议取值0.05；S
C——进水COD浓度，mg/L。COD（3）化学污泥产量计算
化学污泥产生量主要包括投加的化学药剂以及所结合的悬浮物、胶体等，受化学剂种类繁多、水质差别等影响，目前没有统一的计算方法。为了比较准确地计算化学污泥产量，建议采用文献法和实验法。
1）文献法 就是通过理论添加药量和单位药量产泥量来确定相关的产率系数，如报道的铁盐和铝盐的产泥系数分别为4～5g SS/g Fe和6～7g SS/g Al。当文献所报道的水质与待计算的水质相近时，该法可以获得比较准确的污泥产量，但因文献所提供的数据一般为范围值，有时计算结果差距较大。
2）实验法 通过实验投加化学药剂并计量、计算实际产泥量为实验法，实验法所计算的污泥产量一般较准确，但需要多次重复实验统计，甚至在水质变化较大的场合要通过长时间实验。此外，对一些现阶段难以取到水样的场合此法难以应用。1.3 污泥的组分
污泥组成非常复杂，含有碳、氮、磷、钾等营养物质，也含有Ca、Fe、Zn等金属离子以及一些微量元素。宏观上看，污泥组分由5个部分组成：a．由原废水带入的颗粒物质M；b．栖息在污泥上有o活性的微生物群体M；c．微生物内源代谢、自身氧化残留物，如细a胞膜、细胞壁等，为难降解惰性有机物质M；d．由原废水带入的微e生物难降解的惰性有机物质M；e．污泥的无机组成组分M，包括从iii原废水带入的无机物和微生物体内存在的无机盐类。1.3.1 微生物群体
微生物群体由细菌、真菌、原生动物、后生动物等组成，其中主要为细菌。污泥微生物群体中影响污泥特性的主要物质为胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）。EPS 是由微生物分泌并包围在微生物周围的一大类高分子聚合物的总称，是污泥絮体的主要组成部分，占有机质总量的50%～60%，而细胞仅占有机质总量的2%～20%。EPS 主要包括了微生物絮体、微生物水解及衰亡产物，以及附着在微生物絮体上的污水中有机物等，该类物质主要以C和O元素组成的高分子多糖、蛋白质、核酸、腐殖酸类复杂有机化合物及油脂等形式存在，其中蛋白质和多糖占EPS 总量的70%～80%。EPS 的来源可能有两种：一种是活性污泥在代谢环境基质的过程中产生，这类EPS 的数量和组成受环境中所含物质种类的影响；另一种则来源于细胞本身的新陈代谢和自溶。
在结构上EPS可以分为2种类型（见图1-3）。图1-3 微生物细胞和胞外聚合物示意
① 微生物絮体最外层，结构松散，可向周围环境扩散，无明显边缘且具有明显流动性的部分称为松散附着的外层，又称黏性聚合物（Loosely Bound EPS，LB-EPS）。
② 位于LB-EPS 内层和细胞体表面之间，各种大分子排列紧密且与细胞壁结合牢固，不宜脱落的称为紧密黏附的内层，又称胞囊聚合物（Tightly Bound EPS，TB-EPS）。1.3.2 难降解惰性有机物质
污泥中难降解惰性有机物质包含两部分：一部分是溶解性微生物产物，包括微生物内源代谢产物、自身氧化残留物等，如细胞膜、细胞壁等，这些物质是污泥中难降解惰性有机物质的主要组分；另一部分为污泥吸附的来自污水中自身携带的大分子物质，如有机磷农药、芳香族化合物、有机氯化物以及一些长链有机化合物等，这部分物质含量很少，但在一定程度上影响污泥的资源化利用。
溶解性微生物产物（SMP），即可溶态物质，是指微生物在降解污染物的同时通过细胞裂解、细胞膜扩散、合成代谢损失等方式向周围环境中释放的溶解态物质。有些文献将SMP 定义为微生物在降解污染物时利用基质、进行内源呼吸或者应对环境压力的过程中所产生的溶解态有机物，该物质能够在不破坏微生物细胞的情况下与微生物分离，而且微生物细胞离开该物质仍能存活。
从生物学角度可将SMP分为两类。
1）与微生物有关型产物（Biomass Associated Products，BAP） BAP是微生物在内源呼吸过程中，伴随细胞解体释放出来，与微生物的增殖无关，只与细胞内源呼吸（如细胞裂解、细胞衰亡等）有关，生成速率与生物量水平成正比。
2）与基质利用相关型产物（Utilization Associated Products，UAP） UAP是微生物在分解基质产生能量、进行自身生长繁殖时释放出的产物，与基质降解、微生物代谢或细胞生长有关，其生长速率与基质的分解速度成正比。1.3.3 无机组成部分
污泥中无机组成部分主要包括从原废水带入的无机物、投加的无机物和微生物体内存在的无机盐类等。无机组成比例与进水水质和处理工艺等直接相关，因此不同污泥之间差别较大。对一些进水有机质含量高、含砂量少的污水处理厂，其污泥中无机组成相对较少。而对于那些进水无机物含量高、具有深度处理、化学除磷等工艺的污水处理厂，其污泥中无机组分明显很高，甚至高达70%。污泥中无机组分直接影响污泥处理处置的选择，如无机组分过高，难以采用厌氧消化、焚烧等工艺，无机组分中重金属浓度高则不能采用土地利用等方式。1.4 污泥的性质和指标
污泥是水处理过程中的副产物，它的产量和性质受很多因素影响。从水的来源、用途以及成为废水之后的收集、运输，直到废水处理，都影响着污泥的性质。因此，污泥是一种复杂产物，每个污水厂的污泥性质大不相同。只有了解了污泥的特性，才能更好地处理处置和利用污泥。为了更好地体现不同污泥的特性差别，人们提出了诸如物理指标、化学指标、生物指标等多个表征污泥性质的指标。
① 物理指标参数提供了污泥可加工性和可操作性的一般信息。
② 化学指标参数与污泥中的营养元素以及有毒化合物等有关，为污泥的能源、资源化利用提供依据。
③ 生物指标参数显示了污泥的微生物活性以及病原体的含量，可用来评估污泥利用的安全性。1.4.1 物理指标1.4.1.1 含水率
污泥中所含水分质量与污泥总质量的百分比称为污泥的含水率［见式（1-9）］，相应的固体物质在污泥中的质量分数则称为含固率。污水处理厂排放的污泥一般有很高的含水率，相对密度接近于1，与不溶性颗粒物的组成和大小有关。颗粒越小，有机物含量越高，则污泥的含水率也越高。 （1-9）
式中 P——污泥含水率，%；
m——污泥的水分质量，kg；W
m——污泥的总固体质量，kg。S
污泥中的水有间隙水、毛细水、表面吸附水和内部/结合水4种存在形式。
1）间隙水 是指颗粒间隙中的游离水，约占污泥水分的70%，可通过重力沉降与泥粒分离。
2）毛细水 是指在高度密集的细小污泥颗粒周围的水，由毛细管现象形成，约占污泥水分的20%，可通过施加离心力、负压力等外力来破坏毛细管表面张力而分离。
3）表面吸附水 是指在污泥颗粒表面附着的水分，常在胶体状颗粒表面上出现，需用混凝方法分离。
4）内部/结合水 是指污泥颗粒细胞内部水分或者是无机污泥中金属化合物所带的结晶水等，可用热力方法将其转变为外部水，也可通过生物分解手段去除。
不同含水率污泥物理性状不同，含水率为80%左右呈现柔软塑态，不易流动；含水率60%左右几乎为固体状态；含水率为35%左右则为聚散状态；当含水率为10%左右时污泥呈现粉末状（图1-4）。图1-4 污泥含水率和污泥体积的关系
污泥含水率与污泥体积密切相关（图1-4），通过含水率可以立即估算出污泥脱水过程中污泥体积的减少量，见式（1-10）。若污泥含水率从95%降低到90%，则污泥体积缩小了1/2；如果含水率从95%降低到80%，污泥体积减小到原来的1/4。 （1-10）
式中 S、S——污泥浓缩前后污泥含固率；12
m、m——污泥浓缩前后污泥质量；12
P、P——污泥浓缩前后污泥含水率；12
V、V——污泥浓缩前后污泥体积。121.4.1.2 含固率/干固体质量
如前所述，未经脱水、干化等处理的污泥中90%以上都是水，剩下称之为含固率，是干固体物质在污泥中的质量分数，与含水率相对应。干固体质量是污泥处理处置过程中最主要的特征之一。1.4.1.3 含砂量
城市污水处理厂进水中往往携带一定量的砂粒，这些砂粒大部分会进入污泥中。无机砂粒的存在不仅会对污泥脱水机和污泥泵产生磨损，堵塞污泥管道，还会直接导致污泥有机质含量降低（图1-5），从而影响污泥的厌氧消化过程。图1-5 污水砂含量对污泥泥质的影响
在排水系统比较完善的国家，污水携带的砂含量较低，从而污泥中含砂量也比较低，且砂的粒径一般都大于200μm。但由于排水系统不完善，我国污泥中含砂量普遍较高，且粒径小于200μm的砂占了90%以上。图1-6为中国某市城镇污水厂污泥中砂的粒度累积密度分布。图1-6 中国某市城镇污水处理厂污泥中砂的粒度累积密度分布1.4.1.4 浓缩性能和沉降性能
将污泥混合液静置放于量筒中，污泥中的间隙水会被慢慢地释放出来，而缓慢的搅拌会促进这个释放过程。一般采用容量为1L的量筒，放置30min，沉淀污泥与所取混合液之体积比为污泥沉降比，又称污泥沉降体积（SV），以mL/L表示（图1-7）。30 （1-11）
式中 SV——污泥沉降比，%；
h——污泥高度，mm；S
H——混合液高度，mm； （1-12）
式中 X——污泥干重，g0图1-7 污泥沉降比及污泥体积指数测定示意
通过观察污泥沉降比可以发现污泥性状的很多问题，例如上清液是否清澈、是否含有难沉悬浮絮体、是否发生污泥膨胀、絮体粒径大小及紧凑程度等。
由于SV受到污泥浓度的影响，通常采用污泥体积指数（SVI）30指标来衡量活性污泥沉降性能，该指标是指曝气池混合液静沉30min后，相应的1g干污泥所占的体积，单位为mL/g。
污泥体积指数能较好地反映出活性污泥的松散程度和凝聚沉降性能。指数小于100mL/g表示污泥沉降性能很好，在100～150mL/g之间表示沉降性能一般，在150～300mL/g之间表示沉降性能不好。若污泥体积指数> 300mg/L，说明可能发生污泥膨胀。1.4.1.5 脱水性能
为了便于污泥的运输、处理和处置，需要对污泥进行脱水处理，脱水的难易程度用脱水性能来表示。由于城镇污泥中含有大量的胶状物质，所以和其他污泥相比，在相同消化度的情况下城镇污泥的脱水性能只能算一般（消化程度好）或者比较差（未完全消化）。机械脱水的原理是通过施加自然或者人工（离心机）的重力场以及正负压力（真空或者压力过滤机）来去除污泥中的间隙水、吸附水和毛细水。污泥脱水的难易程度或脱水性能通常可用污泥比阻（γ）或毛细吸水时间（Capillary Suction Time，CST）来衡量。2
污泥比阻γ的物理意义是：在1m过滤面积上截留1kg干泥时滤液2通过滤纸时所克服的阻力，单位为s/g，在工程单位制中其量纲为cm/g，可用于确定最佳的混凝剂及其投加量，以及最合理的过滤压力和用来计算过滤产率等。污泥比阻越大，脱水性能越差。一般城镇91311污泥比阻值在10～10之间，消化污泥的值为10，而初沉污泥要高1～2个数量级。通过添加混凝剂可以将污泥比阻降低1～2个数量级。
污泥毛细吸水时间（CST）是衡量污泥脱水性的另一个指标，系指污泥中毛细水在滤纸上渗透1cm所需要的时间。常用CST测定仪进行测定，主要由泥样容器、吸水滤纸和计时器三部分组成，其测定简便、测定速度快、测定结果较稳定，但容易受污泥含水率的影响。毛细吸水时间越大，表明污泥的脱水性能越差。一般情况下，当毛细吸水时间小于20s时脱水较容易。然而绝大多数处理厂的初沉污泥和剩余污泥，其毛细吸水时间均在20s以上，需经调理才能进行后续的机械脱水处理。1.4.1.6 可压缩性能
城镇污泥难以压缩，但在一定压力下仍可表现出一定的压缩性，可以用压缩指数表示。一般城镇污泥的可压缩性能值处于0.6～0.9之间，当压缩指数为0时表示不可压缩。根据可压缩性能可确定该污泥用何种压滤机脱水。对于可压缩性能好的污泥来说，用一般的真空过滤机就可以压缩。而可压缩性能差的污泥需要较高的过滤压力，因此用箱式压滤机和带式压滤机更好些。
污泥的压缩指数与污泥比阻、过滤常数、黏度等有直接关系，可用式（1-13）表示： （1-13）2
式中 K——过滤常数，m/s，与物料性质及过滤推动力均有关；
S——压缩指数，无因次，一般情况下S=0～1；
Δp——过滤总推动力，Pa；
r——单位压强差下滤饼的比阻，与压强无关，由实验测定；0
μ——流体黏度，Pa·s；
ϕ——滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次。
在不同的压差（Δp）下测定过滤常数（K）值，以（lgK）为纵坐标，以（lgΔp）为横坐标，在直角坐标纸上可得一直线。从斜率中可得S，从截距中可解出r。01.4.1.7 粒度分布
污泥中粒度分布可以采用沉降速度计算法、湿式筛分析法、显微镜成像法、激光粒度测定法等，其中筛分法是当前最常用的方法。一般情况下，污泥絮体的平均粒径随泥龄的延长呈逐渐减小的趋势，且粒度分布越来越均匀。初沉污泥中大颗粒和小颗粒占很大的比例，而消化污泥中的颗粒比较均匀。这是由于在消化过程中大颗粒中的有机物被消化分解，而小颗粒中的有机物被完全分解，或者相互凝聚成大颗粒。1.4.1.8 黏度/流变特性
黏度是表征流体流动性能的一个参数。在污泥处理处置过程中，涉及运输、储存、搅拌、填埋、沉淀、脱水等环节，都与污泥的流动性能有关。例如在污水处理环节中，污泥管路的经济流速、传输泵的选择、储存及填埋的土工稳定性、沉淀池的流动情况等取决于污泥的流体动力特性；污泥厌氧消化工艺中，为了提高产气量，新加入的污泥要与原污泥混合均匀，减少死区和短路，此时污泥的流体动力特性对传质有重要影响；污泥热水解预处理中，要对污泥进行搅拌，使污泥与蒸汽充分接触，通过对流和导热使热量传递到整个反应釜，此时污泥的流体动力特性对传热有重要影响。
浓度较低的污泥（<2%）与牛顿流体相近，当污泥浓度达到3%以上时则表现为非牛顿流体，呈现假塑性特征，即，随着剪切速率的增加，黏度降低（图1-8），多数污泥可用Ostwald模型［式（1-14）］拟合。有些种类的污泥存在屈服应力，多数污泥可用Herschel-Bulkey模型［式（1-15）］拟合。这时我们把剪切应力与剪切速率的比值称为污泥的表面黏度［式（1-16）］。在刚开始剪切的时候测得的表观黏度比较大，随着剪切的进行表观黏度逐渐减小至稳定，但在剪切作用取消后要滞后一段时间才恢复到原来状态。此外，污泥的表观黏度与温度、浓度等具有重要关系。污泥表面黏度的测量方法主要有毛细管法、落球法和旋筒法等，此外还有平动法、振动法和光干涉法等。nτ = Kγ （1-14）nτ = τ+Kγ （1-15）yμ = （1-16）
式中 τ ——剪切应力，Pa；-1
γ ——剪切速率，s；
τ——屈服应力，Pa；y
K——稠度系数，Pa·s；
n——流动特性指数。图1-8 污泥6.8%和5.15%浓度下剪切应力和黏度随剪切速率的变化情况1.4.1.9 相对密度
污泥相对密度是指污泥的质量与同体积水质量的比值。污泥相对密度主要取决于含水率和污泥中固体组分的比例。固体组分的比例越大，含水率越低，则污泥的相对密度也就越大。城镇污水及其类似污水处理系统排出的污泥相对密度一般略大于1。工业废水处理系统排出的污泥相对密度往往较大。污泥相对密度ρ与其组分之间的存在如下关系： （1-17）
式中 w——污泥中第i项组分的质量分数，%；i
ρ——污泥中第i项组分的相对密度。i
若污泥仅含有一种固体成分（或近似为一种成分），且含水率为P（%），则上式可简化如下： （1-18）
式中 ρ——固体相对密度；1
ρ——水的相对密度。2
一般城市污泥中固体相对密度ρ为2.5，若含水率为98%，则由1式（1-15）可知该污泥相对密度约为1.012。1.4.1.10 热值/燃烧值
污泥热值一般可以分为低位热值、高位热值。污泥低位热值是指单位质量污泥完全燃烧时，当燃烧产物恢复到反应前污泥所处温度、压力状态，并扣除其中水分汽化吸热量后，放出的热量；污泥高位热值则不扣除水分汽化吸热量，而实验室直接测定的污泥热值通常是污泥的干基热值/燃烧值。污泥干基热值与污泥中有机质含量直接相关，城镇污泥的VSS/SS和燃烧值之间的关系见图1-9。近似可得，每克VSS相当于26kJ燃烧值。污泥低位热值与含水率直接相关，含水率越高，污泥热值越低（图1-10）。图1-9 VSS/SS和实验测得的燃烧值之间的关系图1-10 污泥含水率和污泥热值的关系1.4.2 化学指标1.4.2.1 pH值
如果没有工业污染源，城镇生污泥的pH值大约为7，消化污泥一般稍偏碱性（pH=7.0～7.5），初沉污泥或者“发酵”污泥稍偏酸性（pH=6.0）。1.4.2.2 烧失量/有机物含量
烧失量是指挥发性固体，代表了污泥中有机物的含量，是将污泥中的固体物质在高温焚烧时以气体形式逸出的那部分固体量。对于污泥消化来说，测定烧失量比测定干固体物质更加重要。根据烧失量可以获得污泥在灼烧后失去的质量百分比，算出污泥中所含可降解有机物的含量。但是烧失量中也包括了化学结合水以及挥发性无机化合物如铵化合物等，因此特别是对于工业污泥来说，把有机物质与烧失量等同起来并不完全正确。但是对于一般的城镇污泥，烧失量对于评估消化池的负荷和天然气产量具有非常重要的意义。
从有机物成分来讲，污泥中的有机物包括蛋白质、脂肪、多糖和其他一些有机物，如腐殖质、糖醛酸、核酸等，它们在一般城镇污泥中的比例关系见图1-11。图1-11 污泥的有机物组成
对于污泥有机成分有两种测定方法：《城市污水处理厂污泥检验方法》（CJ/T 221—2005）中采用重量法对污泥有机物含量进行测定；《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中采用重铬酸钾法测定污泥中的有机成分。但用这些方法都不能准确测得污泥中的有机物含量，单质碳或多或少会被包括在里面。1.4.2.3 灰分
灰分指的是经灼烧后剩下的那部分固体量，又称为固定固体，可以通过高温烘干、焚烧称重测得。灰分代表了污泥中无机物的含量，大部分含量为砂。由于无机物在消化过程中不受影响，因此消化污泥中的灰分一般来说大于未消化污泥。合流污水中的污泥灰分也要大于纯生活污水的污泥灰分。1.4.2.4 碱度
城镇污泥中因为存在着各种不同的缓冲系统而拥有中和一定量酸性物质的能力，其中主要还是碳酸盐和碳酸氢盐在参与缓冲作用。碱度的单位是mmol/L，也可以为mg/L CaCO。一般情况下它是在从污3泥悬浮物中分离出来的上清液中测定得出的。然而，由于这些污泥悬浮物还保留一定量的酸性物质（例如不溶性碳酸钙的含量），所以使得污泥的酸的消耗量约为上清液的2倍。
污泥的缓冲系统（除了碳酸根/碳酸氢根系统，还有NH/，3还包括一些蛋白质化合物）对于保持沼气发酵过程中的微碱性环境是非常重要的，因为它们在有机物降解过程中能够中和作为中间产物产生的挥发性酸性物质，从而防止因为沼气发酵过程中pH值的降低而带来的不利影响。但其缺点是会在污泥脱水过程中消耗部分的调理药剂。1.4.2.5 挥发酸
脂肪酸是污泥厌氧发酵过程的一种重要的中间产物，由于它易挥发，也被称为挥发酸，以mg/L CHCOOH（乙酸）的形式表示，或者3是mmol/L有机酸，它的量对于污泥的厌氧发酵有重要意义。如果处理装置中的有机酸量突然增大，超过正常数值，那表示进料的有机物含量过高或者对甲烷菌有毒害作用，这首先会造成设备中的有机酸量过高，然后会体现在pH值和产气量的降低，以及沼气中的二氧化碳含量升高上。1.4.2.6 重金属指标与其他干扰物质指标
污水处理厂分离出来的污泥可能会含有某些成分，如重金属、氯代物、矿物油、溴代物、苯系物等，这些成分会对污泥消化和污泥脱水产生干扰并且不利于污泥的土地应用。单纯的生活污水污泥中的干扰物质较少，主要为抗生素类物质、个人护理用品残留物等。而一旦污水处理厂混有工业废水，则污泥中存在的重金属及相关干扰物质会相对增加，尽管这些重金属、干扰物质因对污水生物处理有影响而在预处理阶段会被部分去除，但由于污泥的富集作用导致污泥中的浓度相对较高，会影响到后续的污泥处理和处置。表1-1给出了对消化过程有毒害作用的污水成分及其限制浓度。表1-1 对消化过程有毒害作用的污水成分及其限制浓度① 对金属来说在污水中浓度是指其可溶性盐。1.4.3 卫生学指标
污泥中的卫生学指标通常指细菌总数、粪大肠菌群、寄生虫卵含量等。由于污泥来自生活污水，因此污泥中含有从人体内代谢排出的各种病原微生物和寄生虫卵等，卫生条件很差。若将污泥直接用于农、林再利用，其中的病原微生物和寄生虫等可能通过各种途径传播，污染土壤、空气和水源，加速植物病害的传播，并可能通过皮肤接触、呼吸和食物链危胁人畜健康。因此测定污泥中细菌总数、粪大肠菌群、寄生虫卵含量和蛔虫卵死亡率对判断污泥被污染程度和污水处理厂污泥排放是否符合标准具有重要的意义。
在一个运行良好的厌氧稳定处理中，病原微生物不仅不能繁殖，甚至可能会死亡，或者毒性减弱，寄生虫卵在消化过程中也会被杀死或失去活性。若对污泥进行合适的好氧稳定（堆肥）处理，既可以灭杀污泥中的致病微生物和寄生虫卵，又不会破坏污泥中的植物养分。但是要使污泥绝对安全，就必须进行杀菌处理（70℃）或者加热干燥（100℃以上）。1.4.4 养分指标
污泥中含有大量的营养物质（氮、磷、钾等），因此可作为肥料。污泥中的腐殖质能明显地改善土壤的物理、化学性质，提高土壤的微生物活性，改善土壤的结构，提高保水能力和抗蚀性能，是良好的土壤改良剂。此外，污泥中的微量元素对植物生长也是必需的。第2章 我国污泥泥质特性及影响因素
近年来，我国经济快速发展，城市化进程加快的同时污水处理设施建设步伐加快，截至2016年年底，全国范围内城市、县已累计建103成城镇污水处理厂3976座，年污水处理量累计达到6.2×10m，剩73余污泥总产量高达4.0×10t（含水率以80%计，按照每10000m污水4产泥量5～10t），即湿泥产量约9.5×10t/d，污泥产量还在以每年10%～15%的速度增加。按照预测，到2020年全国污泥年产量（含水率以780%计）将会突破6.0×10t。
现阶段污水处理技术较为成熟，而作为城市污水处理系统的重要组成部分——污泥的处理处置技术还处于起步阶段且发展缓慢。目前我国污水厂建设仍存在严重的“重水轻泥”现象，导致污泥大量积压，其未能得到合理安全的处理处置。大部分污泥没有经过严格的无害化处理直接填埋，对土地造成了二次污染，部分地区还出现将未经处理的污泥随意丢弃至荒山、河道中，造成恶劣的社会影响，在降低污水处理系统有效处理能力的同时也对人类活动和生态环境构成严重威胁。据统计，2015年，我国85%以上的污水处理厂的污泥没有得到安全的处置，污泥无害化处置率低于25%，与我国污水无害化处理率77.5%的现状差距较大。
污泥泥质特性是污泥处理处置技术和方法选择的决定性因素之一，因此国内一些处理处置技术对污泥的一些指标如含水率、有机质含量、重金属浓度等都有了限制。鉴于此，国内很多研究学者对我国污泥指标特性进行了相关研究，基本了解了我国污泥泥质的特性，但我国范围内因地域、生活方式等的不同，城市污水厂的污泥具有不同的泥质特征，且随着当地经济发展，产业结构的变化，以及污水排放标准的提高，其泥质都会发生较大的变化。本章通过实地调研测试的方式，结合国内已有的污泥泥质特性，对我国污泥泥质特性指标及其影响因素进行了分析。2.1 调研污水厂概况及样品测试2.1.1 调研污水处理厂概况
对全国范围内30座典型的污水处理厂进行调研，调研区域包括长江中下游流域12座城镇生活污水厂、三峡库区及其上游流域4座城镇生活污水厂，淮河流域4座城镇生活污水厂，辽河流域3座城镇生活污水厂，珠江流域和滇池流域共4座城镇生活污水厂以及东南诸河流域3座城镇生活污水厂。通过取样检测，对其脱水污泥泥质基本特性、营养成分及重金属含量及影响因素进行分析，同时进行了污泥重金属污染风险评价。具体污水厂概况如表2-1所列。调研所选30座污水厂在排水体制、设计规模、二级处理工艺、排放标准、工业废水比例以及服务人口和面积等不同方面均有涉及，具体每种情况所占比例如表2-2所列。
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