药泥在电磁波作用下的资源化利用初步研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

在城市污泥处置中，污泥处理一般经过重力浓缩，消化处理，自然干化，最终处置等过程。但是污泥本身有较高的含水率，污泥中微生物细胞壁是半刚性结构，含有大量的有机物和一定的重金属等有毒物质。这使得污泥在上述处理过程中存在效率低、效果差等问题。因此现在的很多研究都提出较多的新方法对污泥进行预处理。诸如有酸/碱解法，热解法，超声波法，电磁波法，高压均质法等，这些方法都能使污泥细胞破解有机物溶出，提高污泥的脱水性能，利于后续的污泥处理。其中电磁波法具有快速高效的特点受到了较大关注，也被认为有较好的潜力。

电磁波处理污泥在我国也有很多研究。哈尔滨工业大学学者田禹研究发现适宜的微波辐射可明显改善污泥结构及脱水性，污泥结构破坏是改善污泥脱水性的重要因素。900w微波辐射50s，污泥的sv减少48%，真空抽滤含水率又原泥直接抽滤的85%降为71%。太原理工大学学者李娟娟研究发现，微波预处理后污泥发酵液中挥发酸、溶解性cod、氨氮浓度最大提高率为33%、11%、25%。中国科学院过程工程研究所学者肖朝伦研究发现功率为500w微波辐射5min，污泥离心后含水率由80.61%降至75.09%。当辐射温度达到60℃以上，污泥细胞开始大量破碎，污泥的脱水性得到改善。广东工业大学学者余林锋在研究微波破解污泥及其厌氧消化性能的研究发现含水率为97%的污泥在微波比能耗为4w/ml辐射40s、120s、240s、300s时，经中温厌氧消化后产气增加率为：288%、434%、443%、451%。消化时间也大大提前。在众多文献中发现，电磁波处理污泥往往只是作为一个预处理过程，能够改善污泥的性质，但在本质上还不能实现污泥的无害化、减量化、资源化。所以本课题希望能找到一种能与电磁波处理结合起来的方法实现污泥的资源化利用。

在最终处置中，一般有污泥堆肥，建材利用，焚烧，填海，卫生填埋等。但是这些方法中堆肥将收到土地面积的限制，填海和卫生填埋也只是减缓了污染的时间，且国际海洋公约已禁止污泥填海。焚烧虽然可以很大程度上减少污泥的污染，但是其对大气也造成了二次污染，其次污泥中的有机物等有用的物质没有得到充分的利用。建材利用是一个比较好的处理方式，既减轻了污泥的污染，又能回收利用污泥，符合我国的可持续发展之路，但是其技术要求较高。

2. 研究的基本内容与方案

1.确定污泥的含水率、有机物含量在什么范围和重金属主要在什么样形态能制备出达到国家标准JC/T945-2005《透水砖》的透水砖。

2.确定电磁波的工况（加载时间、加载功率、污泥加载量）使处理后的污泥达到1中制备透水砖所要求的污泥含水率、有机物含量范围和重金属主要存在的形态。

研究的基本内容:

1.测定分析原污泥的含水率、有机物含量、和重金属主要存在形态。

2.通过实验，研究污泥含水率、有机物含量和重金属主要存在形态对烧结透水砖抗压强度、透水系数、重金属浸出率的影响。

3.通过实验研究电磁波加载时间、加载功率、污泥加载量对污泥含水率、有机物含量和重金属主要存在形态的影响。

技术思路：

本课题研究的是污泥在电磁波作用下资源化利用的初步探究，阅读大量文献后，分析认为电磁波一般作为污泥的预处理过程，要达到利用的目的，必须结合其他技术共同处理。本课题拟打算用电磁波处理污泥后制备透水砖。在当前海绵城市的背景下，用污泥制备透水砖一方面对城市的雨洪灾害有一定的作用，另一方面对污泥的最终处置提供路径。在制备透水砖的过程中，许多因素例如污泥性质，烧结制度，保温时间，成型压力等都会对透水砖的性能产生影响。在这些因素中污泥的性质是我们要关注的重点。本课题我们关注的污泥性质包括含水率，有机物含量，重金属主要存在形态。而这些性质在经过电磁波处理后会有所改变。也就是说电磁波处理污泥导致污泥性质发生改变从而影响到透水砖的性能。所以本课题希望通过研究确定污泥的含水率、有机物含量什么样的范围和重金属主要在什么样形态能够制备出符合国家标准的透水砖。然后根据所确定的污泥性质，确定电磁波在怎样的加载条件（加载功率、加载时间、污泥加载量）可以使处后的污泥能够达到上述污泥的性质。

拟采用的技术方案及措施：

一、测定原污泥的性质

1.测定原污泥的含水率。原污泥含水率测定采用标准CJT221-2005《城市污水处理厂污泥检验方法》测定。用已恒重为m1的蒸发皿称取污泥样品约20g，准确称至0.001g记为m。然后将蒸发皿放入103℃-105℃烘箱中干燥2h，取出放入干燥器中冷却至室温，称重，反复多次，直至恒重记为m2。按下列公式计算含水率:

2.测定原污泥的有机物含量。有机物含量采用重量法测定，按照CJT221-2005标准执行。用已恒重为m1的瓷坩埚称取污泥样品约10g，将盛有样品的瓷坩埚进行水浴加热当样品水分蒸发完全后，再将其放入103℃-105℃烘箱中干燥2h，然后取出待其冷却至室温后称重，多次称重直到恒重为m2。再将烘干后的样品放入马弗炉中（550±50）℃灼烧1h，然后待其冷却后称重为m3。按下列公式计算有机物含量:

3.测定原污泥重金属主要存在形态。本课题测定重金属种类有Cu、Cd、Cr、Zn、As、Hg。重金属的存在形态按照三级连续提取技术（改进BCR法）测定。提取方法如下：

1）酸溶态：取 1g 样品置于 100mL 聚丙烯离心管中，加入40mL 0.11 mol/L的醋酸（HAc），盖紧后立即于室温下振荡16h。然后置于离心机中，在分离因数为3000g的条件下离心20min，将上清液倾出至100mL容量瓶中。然后在离心管残留物中加20mL蒸馏水振荡15min，置于离心机中在分离因数为3000g的条件下离心20min，将上清液倾出至之前100mL容量瓶中，定容在 4℃下密封保存。

2）可还原态：向第 1 步的残留物中加入 40mL0.5mol/L 盐酸羟胺（NH2 OH·HCl），手摇混匀，盖紧后立即于室温下振荡 16h。后续步骤与1） 相同。

3）可氧化态：小心地逐渐加入10mL 过氧化氢（H2O2），以防止剧烈反应导致 样品损失。轻轻盖上盖子，时而手摇振荡，在室温下反应 1h 后，置于( 85±2)℃水浴中继续反应1h，然后打开盖子继续水浴至体积缩小至 3mL以下。再一次逐渐加入10mL 过氧化氢，并置于(85±2)℃水浴中继续反应 1h，然后打开盖子 继续水浴至体积缩小至1mL。冷却后加入 50mL1mol/L 醋酸铵（NH4 OAc），立即于(22±5)℃下振荡16h。后续步骤与1） 相同。

4）残渣态：剩余的残留物采用 HNO3-HF-HClO4消解法消解，定容50mL 后倒入聚乙烯瓶中，在 4℃下密封保存。

重金属形态提取完成后采用ICP-AES法测定不同形态下重金属的量。

二、污泥制备透水砖

1.确定污泥配比，烧结控制条件（烧结温度、保温时间）对烧结透水砖性能的影响。设计如下正交试验，以污泥配比、烧结温度、保温时间为三因素，每个因素设3个水平，检测指标为透水砖的抗压强度、透水系数和重金属浸出率。测定方法采用标准JC/T945-2005《透水砖》中的方法测定。设定因素与水平见下 表：

设计的正交试验如下：

按照上述方式进行试验后，确定最优方案。

2.确定污泥含水率、有机物含量和重金属主要存在形态对烧结透水转性能的影响。跟据1中所确定的最优污泥配比和烧结控制条件，进行研究污泥性质对透水砖性能影响的试验。试验中通过用不同含水率、不同有机物含量和不同重金属主要存在形态的污泥来制备透水砖，然后对砖的抗压强度、透水系数和重金属浸出率进行测定。试验完成后分析出污泥含水率、有机物含量分别取多少和重金属主要以什么形态存在制备的透水砖是最优的。

三、电磁波处理污泥

本课题将采用一种连续流电磁波（电磁波选用2450MHz）装置对污泥进行处理。由于不同的电磁波加载条件对污泥处理效果是不一样的。跟据实验二中所确定的最优污泥含水率、有机物含量和重金属主要存在形态，通过设计正交试验来确定加载功率、加载时间和污泥加载量的取值范围使处理后的污泥能达到实验二中的水平。正交试验设计如下，以加载功率、加载时间和污泥加载量为3个因素，每个因素下设置4个水平。检测指标为污泥含水率、有机物含量和重金属存在形态。设定因素与水平如下：

设计的正交实验如下：

3. 研究计划与安排

3月21日至4月10日完成确定污泥配比，烧结控制条件（烧结温度、保温时间）对烧结透水砖性能的影响的实验。

4月11日至4月28日完成.确定污泥含水率、有机物含量和重金属主要存在形态对烧结透水转性能的影响的实验。

4月29日至5月20日完成电磁波处理污泥，确定电磁波处理最优加载条件的实验。

4. 参考文献（12篇以上）

［1］傅大放，蔡明元.污水厂污泥微波处理试验研究［j］.中国给水排水，1999,15（3）：44-46.

［2］李延吉，李润东，冯磊，等.基于微波辐射研究城市污水污泥脱水特性［j］.环境科学研究，2009,22（5）：544-548.

［3］田禹，方琳，黄君礼.微波辐射预处理对污泥结构及脱水性能的影响［j］.中国环境科学，2006,26（4）：459-463.