1、污泥通常指污水處理廠在處理污水過(guò)程中產(chǎn)生的固液混合的絮狀物質(zhì)。每萬(wàn)噸污水經(jīng)處理后污泥產(chǎn)生量一般約為10-20噸（按含水率90％計(jì)）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)污泥產(chǎn)生量約1.2億噸。同時(shí)，由于污泥含有寄生蟲(chóng)卵、重金屬、病源微生物和持久性有機(jī)物等有毒有害物質(zhì)，若不經(jīng)有效處理處置，極易對(duì)地下水和土壤等造成二次污染，直接威脅環(huán)境安全和公眾健康。因此，對(duì)污泥進(jìn)行安全、經(jīng)濟(jì)、高效地處理處置迫在眉睫。由于污水處理廠二沉池污泥含水率高達(dá)95%以上，而國(guó)家

2、相關(guān)法律法規(guī)對(duì)污泥后續(xù)處置環(huán)節(jié)的含水率要求低于60%。因此，開(kāi)展高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的降低污泥含水率的研究工作十分有必要。由于市政污泥組分復(fù)雜，污泥中的水分存在多種結(jié)合形式，結(jié)合能差別較大，脫水困難。同時(shí)，針對(duì)污泥水分分布的研究較缺乏。目前，用于污泥水分分布的分析方法主要有干燥法、離心沉降法、壓濾法、熱重法和示差掃描熱量法等。在實(shí)際使用過(guò)程中，上述方法存在分析結(jié)果不準(zhǔn)確，分析過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)和簡(jiǎn)單區(qū)分等問(wèn)題。因此，本文提出基于低場(chǎng)核磁共振技術(shù)橫向

3、弛豫時(shí)間的市政污泥樣品含水率和水分分布的快速分析方法。與上述分析方法相比，該方法具有快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，本文還開(kāi)展了超聲波預(yù)處理、熱水解預(yù)處理、微波預(yù)處理和化學(xué)調(diào)理提升市政污泥脫水性能的工作，并采用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)研究不同預(yù)處理工況對(duì)污泥水分分布的影響。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　(1)采用低場(chǎng)核磁共振測(cè)試方法測(cè)量不同含水率市政污泥樣品的含水率和水分分布。首先確定了測(cè)量市政污泥含水率和水分分布最合適的采樣次數(shù)、回

4、波個(gè)數(shù)和采樣頻率，并采用采用濃度為3000 mg/L的硫酸銅溶液繪制定標(biāo)曲線提升核磁共振測(cè)量準(zhǔn)確性。低場(chǎng)核磁共振技術(shù)與干燥法分別測(cè)量污泥中的含水率的結(jié)果表明，兩種方法測(cè)量的含水率結(jié)果非常接近，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.999，說(shuō)明低場(chǎng)核磁共振測(cè)試方法可以用于市政污泥的含水率測(cè)量；采用低場(chǎng)核磁共振測(cè)試方法測(cè)量污泥中的水分分布。樣品橫向弛豫時(shí)間結(jié)果表明，市政污泥中的水分可以分為3類，分別為結(jié)合水、機(jī)械結(jié)合水和自由水，對(duì)于含水率在35.29%——96.

5、36%的污泥，機(jī)械結(jié)合水在市政污泥總水分中占主導(dǎo)地位。同時(shí)，首次提出針對(duì)市政污泥的橫向弛豫強(qiáng)度計(jì)算方法，并計(jì)算得到市政污泥的橫向弛豫強(qiáng)度為43.99μm/s。
　　(2)研究市政污泥中水分結(jié)合能與污泥含水率變化的關(guān)系。將加熱過(guò)程中污泥水分蒸發(fā)所需要的能量分為4類：分別為水分子克服化學(xué)鍵所需要的能量；水分子克服與污泥絮體的分子間物理作用力所需要的能量；水分子克服毛細(xì)作用力所需要的能量；水分相變所需要的能量。我們引入Lennard-J

6、ones10-4-3公式來(lái)計(jì)算污泥中水分子與污泥絮體間的物理作用力，根據(jù)平衡蒸汽壓計(jì)算水分子與污泥絮體間的毛細(xì)作用力。同時(shí)，我們采用熱重-差熱分析實(shí)驗(yàn)，獲得市政污泥中水分的結(jié)合能分布。模型數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配較好。結(jié)果顯示，當(dāng)污泥的含水率較高時(shí)，污泥中的水分與污泥絮體的結(jié)合能較小。隨著污泥含水率逐漸下降，污泥體積減少，剩余水分與污泥絮體的結(jié)合能逐漸增加，最高可達(dá)到數(shù)千kJ/kg。
　　(3)研究不同超聲處理頻率20 kHz,25 k

7、Hz,30 kHz,35 kHz和40 kHz；反應(yīng)時(shí)間為1 min，2 min，3 min，5 min和10 min，對(duì)市政污泥的脫水性能和水分分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波預(yù)處理技術(shù)能提高污泥的脫水性能。不同的超聲頻率對(duì)污泥離心后含水率和水分分布影響不同，其中最佳的超聲頻率為30 kHz，最佳時(shí)長(zhǎng)為2 min。此時(shí)，污泥上清液中的溶解性化學(xué)需氧量從87 mg/L增加至1660 mg/L，說(shuō)明在超聲波處理污泥的過(guò)程中，污泥中大量高分

8、子有機(jī)物和胞外聚合物發(fā)生破碎，提升污泥的脫水性能。
　　(4)在熱水解溫度140-230℃、反應(yīng)時(shí)間15-60 min，氯化鈣添加量0.02-0.14 g/g DS、聚丙烯酰胺添加量1-1010-6g/g DS的條件下，對(duì)市政污泥進(jìn)行熱水解預(yù)處理。研究結(jié)果表明，熱水解預(yù)處理過(guò)程能改善污泥的脫水性能，改變污泥的水分分布。正交實(shí)驗(yàn)的極差分析與方差分析結(jié)果表明，反應(yīng)溫度的升高顯著提升了污泥絮體的破碎效果，降低泥餅離心后含水率。聚丙烯酰胺

9、投加量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較小。采用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)定污泥水分分布，熱水解處理后的樣品與污泥原樣相比，結(jié)合水與機(jī)械結(jié)合水干基含水率均大幅降低。確定杭州污泥熱水解處理最佳工況為反應(yīng)溫度230℃，熱水解處理45 min，同時(shí)添加0.14 g/g DS氯化鈣試劑，并在熱水解處理后添加10-6 g/g DS的聚丙烯酰胺試劑，此時(shí)的污泥經(jīng)離心脫水后，含水率從88.67%大幅降低至70.68%。
　　(5)研究微波功率分別為500 W、700 W

10、和900 W，微波時(shí)間分別在30 s，60 s，90 s和120 s時(shí)，微波預(yù)處理對(duì)污泥壓濾含水率和水分分布的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)奈⒉ㄝ椛淠艿妮斎?，可以提升污泥的脫水性能，改變污泥的水分分布。?duì)于壓濾脫水法，由于壓濾壓力較高，與離心脫水法相比，可以脫除的水分與污泥絮體的結(jié)合能較高。因此采用壓濾脫水法后，污泥泥餅含水率與結(jié)合水的變化比例較為一致。當(dāng)微波輻射能小于0.34 kJ/mL時(shí)，微波輻射通過(guò)使極性分子產(chǎn)生高頻震動(dòng)，使污泥絮體的雙電

11、層結(jié)構(gòu)破壞，促進(jìn)污泥顆粒的團(tuán)聚，降低污泥中的結(jié)合水比例。當(dāng)微波輻射能大于0.34 kJ/mL時(shí)，微波輻射能使污泥中的水分沸騰導(dǎo)致污泥中的微生物細(xì)胞破碎，胞內(nèi)物質(zhì)流出，顯著增加結(jié)合水含量，惡化污泥的脫水性能。
　　(6)通過(guò)對(duì)三種物理預(yù)處理方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較得知，如果脫水污泥后續(xù)處理處置工藝路線為填埋或者農(nóng)用，微波法初投資額最低，為8100元/L，單位處理量運(yùn)行費(fèi)用也是最低，為0.11元/L。如果脫水污泥后續(xù)處理處置工藝路線為焚燒，