CN101717174B - 一种可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥技术 - Google Patents

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Abstract

一种可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥技术属于环境保护-污染物处理技术领域，是一种深度脱水处理污泥的新技术。该技术基于细胞电子转移与氧化还原微反应的概念，破坏污泥中菌胶团结构，降解有机质，杀灭粪大肠菌群等菌类有害物，释放有机质污泥吸包水和结合水，使处理污泥含水率降低到55％以下，且处理污泥不返溶。该技术的优点在于，从理论上找到一种可控破解污泥菌胶团结构、释放吸包水与结合水的方法，再联用可控聚沉技术，可控地形成尺寸合适的污泥颗粒，利用压滤机快速脱水，实现泥水分离，工艺简单，设备投资成本低廉，经济效益、社会效益明显。

Description

一种可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥技术
技术领域
本发明属于环境保护-污染物处理技术领域，是一种深度处理污泥技术。该技术基于细胞电子转移与氧化还原微反应的概念，破坏污泥中菌胶团结构，释放有机质污泥吸包水和结合水，促进污泥中的有机质降解，降低粪大肠菌群等有害微生物数量，实现污泥处理的减量化、无害化和稳定化。
背景技术
污泥是污水处理厂在污水处理过程中产生的有机质、微生物菌团等沉淀物质以及污水表面漂浮的浮沫等残渣，是污水处理过程中的二次产物。如何进一步处理处置污水处理厂所产生的剩余污泥是当今世界环保领域的一大难题。污泥中含有大量的病原菌、寄生虫、致病微生物、砷、铜、汞、铬等重金属和二噁英，甚至有放射性核素等难以降解的有毒、有害物质。由于污泥的胶体吸包水特性，导致污泥含水率高，体积大，给堆放和运输等带来困难。城市污泥如处理不当或不规范处理，如随意弃置山野农地或不规范填埋，将对生态环境造成新的潜在威胁。
在国外发达国家，处理污泥的传统方法主要为卫生填埋，焚烧和热能利用，土地利用等。其中卫生填埋对设备要求相对简单，但需要大量的填埋场地和运输费用，且极易产生地下水污染和臭气散逸等二次污染问题；焚烧和热能利用技术可充分利用污泥产沼气建立发电站，能源自身利用率可达50％，但设备和运行费用昂贵，仍造成如二噁英等有机质大气污染，且仍残留约1/3左右固体量的无机物需进一步处置。到上世纪80年代末期，欧美等发达国家又开发了一些新技术和工艺，如采用超声波消化污泥，可缩短污泥在消化池中停留时间，增强污泥稳定性；利用蚯蚓处理污泥等，但污泥含水率高，仍需干燥处理；采用干化污泥技术，利用热和压力破坏污泥的胶团结构，可大大减少污泥体积，而且干燥后的剩余污泥能够利用为有价值的园林和农用肥料，但缺点就是初期投资大和能耗高。
在我国，目前的处理污泥方法有浓缩填埋、沤制堆肥、干化焚烧等。浓缩填埋是一种主要的污泥处理处置方法，但由于我国污水厂处理后污泥含水率仍高达78-83％，造成污泥填埋时运输量巨大，填埋土地占用率巨大，且极易因污泥返溶、渗出等，造成填埋地二次污染，如湖南省长沙市黑糜峰填埋场已经严重污染地下水，影响周边生态环境。
综合国内外污泥处理处置方法发现：由于没有有效地破解污泥颗粒中菌胶团结构的吸包水和细胞水，且处理时如果不可控地形成大小合适的污泥聚沉颗粒，污泥脱水指标就难以降到含水率60％以下。这是当前我国污泥处理处置生产实践中的一个技术瓶颈。因此，研究和开发一种新的常温可控污泥处理方法使污泥含水率降到60％以下，且能有效降解和杀灭污泥中的有毒物质和致病菌的新技术就具有十分重要的经济、技术和社会意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深度处理污水厂污泥的新技术，采用可控湿法氧化工艺破坏污泥菌胶团结构，降解污泥包外聚合物、蛋白质、核酸等有机物，破坏菌类结构，释放吸包水、结合水和细胞水；采用可控聚沉工艺絮凝聚沉尺寸合适的氧化污泥颗粒，实现处理污泥的减量化、无害化和稳定化。
本发明提供的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥技术主要包括两部分。第一部分为污泥的可控湿法氧化处理工艺。利用O3与氧化剂发剂(活性炭或钛氧化合物)结合，形成羟基自由基，协同高能态电子e*与引发传质体构建能态轨道对称的微电子转移体系，使有机质污泥生物膜和细胞结构发生氧化还原过程，造成膜结构破坏；同时形成的羟基自由基进一步降解苯胺类、苯酚类及蛋白质，多糖等有机质大分子，生成有机自由基和小分子有机质，有机自由基进一步氧化有机质，使有机质结构的碳链断裂，特别是破坏和降解可焚烧产生的二噁英的结构基质，最终可控地氧化和降解污泥中的有机质，使污泥废水中的COD降低，释放吸包水和结构水；第二部分为污泥的可控聚沉脱水工艺。利用自制的复合聚沉剂絮凝氧化处理污泥，可控地形成尺寸合适的污泥颗粒，再利用压滤机快速脱水，实现污泥与释放水的分离和污泥处理的减量化、稳定化和无害化。
本发明的可控湿法氧化处理污泥工艺和可控聚沉处理污泥工艺如下：
(1)湿法氧化处理污泥工艺：
a、氧化剂用量和氧化引发剂的确定
以含水率99.0wt％～99.7wt％的生化污泥为处理对象，在反应器中，按氧化剂与生化污泥中固体含量0.015～0.8∶1的重量比例投加氧化剂，按氧化引发剂与生化污泥中固体含量0.01～0.25∶1的重量比例投加氧化引发剂，氧化30分钟后停止，抽滤，得泥饼，105℃下干燥2h，计算泥饼含水率，根据处理后污泥最低含水率56.0wt％～58.8wt％确定最佳氧化剂用量、最佳氧化引发剂和最佳氧化引发剂用量；
b、氧化时间的确定
以含水率99.0wt％～99.7wt％的生化污泥为处理对象，按氧化剂与生化污泥中固体含量0.02∶1的重量比例投加氧化剂，按活性炭与生化污泥中固体含量0.05∶1的重量比例投加活性炭或TiOFe，以10分钟为间隔，在0min～60min范围内调变氧化时间，抽滤，得泥饼，105℃下干燥2h，计算泥饼含水率，根据处理后污泥含水率55.4wt％～58.1wt％确定最佳氧化时间；
(2)聚沉处理污泥工艺
a、絮凝剂的确定
以含水率99.0wt％～99.7wt％的生化污泥为处理对象，在最佳湿法氧化工艺后，在反应器中，按污泥与絮凝剂用量比为1∶0.01的重量比例投加聚沉絮凝剂，抽滤，得泥饼，105℃下干燥2h，计算泥饼含水率，根据处理后污泥含水率51.7wt％～53.8wt％比较研究不同类型絮凝剂的处理污泥效果，确定聚沉工艺的最佳絮凝剂类型；
b、絮凝剂用量的优化
以含水率99.0wt％～99.7wt％的生化污泥为处理对象，在最佳湿法氧化工艺后，选择最佳絮凝聚沉剂，按污泥与絮凝剂用量重量比为1∶0.01～0.5投加自制聚沉絮凝剂，抽滤，得泥饼，105℃下干燥2h，计算泥饼含水率，根据处理后污泥含水率52.7wt％～53.1wt％比较研究同一类型絮凝剂不同用量时处理污泥效果，确定最佳絮凝剂各自的最佳用量范围；
c、复合絮凝剂配比方案和用量的优化
以含水率99.0wt％～99.7wt％的生化污泥为处理对象，在最佳湿法氧化工艺后，组合各种最佳絮凝剂，加入各种配比和各种用量的复合絮凝剂，抽滤，得泥饼，105℃下干燥2h，计算泥饼含水率，根据处理后污泥含水率为51.5wt％～58.3wt％分别确定各种复合絮凝剂的最佳配比方案和最佳用量范围。
本发明从化学理论上找到了一种采用氧化剂可控氧化破坏污泥菌胶团结构，释放吸包水和细胞水工艺技术，再结合自制聚沉剂与压滤机实现氧化污泥的泥、水简单快速机械分离。该技术的显著特点是：
a、污泥减量化明显
应用可控湿法氧化聚沉技术处理污水厂污泥，由于氧化工艺中破解了污泥菌胶团结构，破碎了污泥有机质和菌类细胞膜，释放出吸包水、结合水，甚至细胞水，经过聚沉工艺后，泥饼含水率为49.2％～55.3％.与现有污泥处理技术的80％比较，应用新技术处理100吨含水率99％污泥，得5吨含水率55％污泥。
b、处理污泥无害化
通过可控湿法氧化处理，破坏了污泥中菌类的细胞膜结构，聚沉并结合污泥自身的盐析作用，细胞液外渗，菌类细胞消亡，处理后污泥的粪大肠菌由处理前的104个/L减少到215个/L以下。该技术具有明显杀菌能力。
c、处理污泥稳定性好
在40℃下，将处理后含水率55％的污泥于自来水中放置30天，实验证明，处理后污泥基本不返溶，水质清澈。处理后污泥具有良好的稳定性。
d、处理污泥储存方便，易资源化
由于处理污泥的良好稳定性、低含水率和明显的减量化，对储存空间要求小，方便储存，有利于资源化。
e、技术投资小，适合我国国情
与干化焚烧法比较，可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥新技术可节省成本包括：设备费598万元/套，节省设备费2.202亿元；运行费用为186元/吨，节省100～280元/吨；总投资成本为1374万元，节省9009万元。符合我国发展中的要求，便于推广应用。
附具体实施案例------------长沙中科成污水净化有限公司应用实例
长沙中科成污水净化有限公司是中科成环保集团有限公司的子公司，是湖南省规模最大的污水处理厂，设计规模为32万吨/日，采用氧化沟工艺，主要承担城市生活污水的处理。
2009年3月2日应用本课题组“可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥新技术”对含水率达99.1％的污泥作工业应用实验，获得良好效果：
(1)处理后污泥含水率为53％；
(2)干化污泥具有很好稳定性，放置自来水中浸泡23天不反溶；
(3)相同处理量污泥，节约絮凝剂用量20％左右；
(4)干化污泥自然存放23天不发霉，实现无害化；
(5)处理污泥后滤液检测结果如下表1.
表1可控湿法氧化处理后滤液成分检测
Figure G2009102270413D00041
Figure G2009102270413D00051

Claims (12)

1.一种可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于：该方法主要包括两部分，第一部分为污泥的可控湿法氧化处理工艺：利用氧化剂与氧化引发剂结合，形成羟基自由基，使有机质污泥生物膜和细胞结构发生氧化还原过程，造成膜结构破坏；同时形成的羟基自由基进一步降解苯胺类、苯酚类及蛋白质、多糖有机质大分子，生成有机自由基和小分子有机质，有机自由基进一步氧化有机质，使有机质结构的碳链断裂，最终可控地氧化和降解污泥中的有机质，使污泥废水中的COD降低，释放吸包水和结构水；第二部分为污泥的可控聚沉脱水处理工艺：利用自制的复合絮凝剂絮凝聚沉氧化污泥，可控地形成尺寸合适的污泥颗粒，联用压滤机快速脱水，实现泥水分离和污泥处理的减量化、稳定化和无害化；所述氧化剂为O3、H2O2或二者的复合物；氧化引发剂为活性炭、TiOM或二者的复合物，其中的M为Fe、Al、Zn；所述自制的复合絮凝剂选自聚合FeCl3，FeCl3，分子量为12万～25万的阳离子型聚丙烯酰胺，分子量为12万～25万的阴离子型聚丙烯酰胺，分子量为12万～25万的中性聚丙烯酰胺，聚合Al2(SO4)3，聚合FeCl3嫁接的聚丙烯酰胺和聚合Al2(SO4)3嫁接的聚丙烯酰胺。
2.一种可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于：工艺步骤为
(1)湿法氧化处理污泥工艺：
a、氧化剂用量和氧化引发剂的确定
以含水率99.0wt％～99.7wt％的生化污泥为处理对象，在反应器中，按氧化剂与生化污泥中固体含量0.015～0.8∶1的重量比例投加氧化剂，所述氧化剂为O3、H2O2或二者的复合物；按氧化引发剂与生化污泥中固体含量0.01～0.25∶1的重量比例投加氧化引发剂，氧化30分钟后停止，抽滤，得泥饼，105℃下干燥2h，计算泥饼含水率，根据处理后污泥含水率56.0wt％～58.8wt％确定最佳氧化剂用量、最佳氧化引发剂和最佳氧化引发剂用量；所述氧化引发剂为活性炭、TiOM或二者的复合物，其中的M为Fe、Al、Zn；
b、氧化时间的确定
以含水率99.0wt％～99.7wt％的生化污泥为处理对象，按氧化剂与生化污泥中固体含量0.02∶1的重量比例投加氧化剂，按活性炭与生化污泥中固体含量0.05∶1的重量比例投加活性炭，以10分钟为间隔，在0min～60min范围内调变氧化时间，抽滤，得泥饼，105℃下干燥2h，计算泥饼含水率，根据处理后污泥含水率55.4wt％～58.1wt％确定最佳氧化时间；
(2)聚沉处理污泥工艺
a、絮凝剂的确定
以含水率99.0wt％～99.7wt％的生化污泥为处理对象，在最佳湿法氧化工艺后，在反应器中，按污泥与絮凝剂用量比为1∶0.01的重量比例投加絮凝剂，抽滤，得泥饼，105℃下干燥2h，计算泥饼含水率，根据处理后污泥含水率51.7wt％～53.8wt％比较研究不同类型絮凝剂的处理污泥效果，确定聚沉工艺的最佳絮凝剂类型；所述絮凝剂选自聚合FeCl3，FeCl3，分子量为12万～25万的阳离子型聚丙烯酰胺，分子量为12万～25万的阴离子型聚丙烯酰胺，分子量为12万～25万的中性聚丙烯酰胺，聚合Al2(SO4)3，聚合FeCl3嫁接的聚丙烯酰胺和聚合Al2(SO4)3嫁接的聚丙烯酰胺；
b、絮凝剂用量的优化
以含水率99.0wt％～99.7wt％的生化污泥为处理对象，在最佳湿法氧化工艺后，选择最佳絮凝剂，按污泥与絮凝剂用量重量比为1∶0.01～0.5投加絮凝剂，抽滤，得泥饼，105℃下干燥2h，计算泥饼含水率，根据处理后污泥含水率52.7wt％～53.1wt％比较研究同一类型絮凝剂不同用量时处理污泥效果，确定最佳絮凝剂各自的最佳用量范围；
c、复合絮凝剂配比方案和用量的优化
以含水率99.0wt％～99.7wt％的生化污泥为处理对象，在最佳湿法氧化工艺后，组合各种最佳絮凝剂，加入各种配比和各种用量的复合絮凝剂，抽滤，得泥饼，105℃下干燥2h，计算泥饼含水率，根据处理后污泥含水率为51.5wt％～58.3wt％分别确定各种复合絮凝剂的最佳配比方案和最佳用量范围。
3.根据权利要求2所述的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于所述氧化剂为O3；氧化引发剂为活性炭、TiOM，其中的M为Fe、Al、Zn。
4.根据权利要求2所述的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于所述抽滤时选用隔膜式压滤机。
5.根据权利要求2所述的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于步骤(1)a中所述最佳氧化剂用量为0.02重量份O3/1重量份生化污泥固体含量或0.04重量份H2O2/1重量份生化污泥固体含量。
6.根据权利要求2所述的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于步骤(1)a中所述最佳引发剂为活性炭和TiOFe，引发剂的最佳用量为0.01重量份活性炭/1重量份生化污泥固体含量或0.01重量份TiOFe/1重量份生化污泥固体含量。
7.根据权利要求2所述的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于步骤(1)b中所述最佳氧化时间为20min～60min。
8.根据权利要求2所述的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于步骤(2)a中所述最佳湿法氧化工艺为0.02重量份O3/1重量份生化污泥固体含量，0.01重量份活性炭/1重量份生化污泥固体含量，0.01重量份TiOFe/1重量份生化污泥固体含量和氧化时间为20min～60min。
9.根据权利要求2所述的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于步骤(2)a中所述最佳絮凝剂类型为聚合FeCl3、聚合FeCl3嫁接的聚丙烯酰胺和聚合Al2(SO4)3嫁接的聚丙烯酰胺。
10.根据权利要求2所述的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于步骤(2)b中最佳絮凝剂聚合FeCl3的最佳用量范围为0.01wt％～0.08wt％，聚合FeCl3嫁接的聚丙烯酰胺的最佳用量范围为0.03wt％～0.10wt％，聚合Al2(SO4)3嫁接的聚丙烯酰胺的最佳用量范围为0.01wt％～0.09wt％。
11.根据权利要求2所述的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于步骤(2)c中聚合FeCl3嫁接的聚丙烯酰胺与聚合Al2(SO4)3嫁接的聚丙烯酰胺复合絮凝剂中2种成分的最佳重量配比范围为20～30∶1、聚合FeCl3与聚合FeCl3嫁接的聚丙烯酰胺复合絮凝剂中2种成分的最佳重量配比范围为10～20∶1、聚合FeCl3、聚合FeCl3嫁接的聚丙烯酰胺和聚合Al2(SO4)3嫁接的聚丙烯酰胺复合絮凝剂中3种成分的最佳重量配比范围为10～20∶15～20∶1。
12.根据权利要求2所述的可控湿法氧化聚沉法处理污水厂污泥的方法，其特征在于步骤(2)c中聚合FeCl3嫁接的聚丙烯酰胺与聚合Al2(SO4)3嫁接的聚丙烯酰胺复合絮凝剂的最佳用量范围为0.01wt％～0.05wt％，聚合FeCl3与聚合FeCl3嫁接的聚丙烯酰胺复合絮凝剂的最佳用量范围为0.03wt％～0.08wt％，聚合FeCl3，聚合FeCl3嫁接的聚丙烯酰胺和聚合Al2(SO4)3嫁接的聚丙烯酰胺复合絮凝剂的最佳用量范围为0.01wt％～0.05wt％。
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