CN102079851B

CN102079851B - 一种利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102079851B
Application number: CN2010105651621A
Authority: CN
Inventors: 胡文锋; 庞旭
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: CN102079851A

Abstract

本发明公开了一种利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料及其制备方法。制备所述一次性可降解材料的原料包括以下重量百分比的各组分：污泥：40～70％，纤维：15～30％，胶黏剂：15～30％，润滑剂：0～5％，脱硫剂：0～5％。本发明原材料简单易得，制备工艺简单，通过最低成本的方法解决污泥处置的难题，生产得到的一次性可降解材料，可用于制备比如花钵、垃圾桶、纤维板以及蛋托等，可以部分替代目前的一次性塑料物品，减少废弃塑料制品对环境的污染。本发明为剩余活性污泥资源化提供新途径，不仅能变废为宝，而且还能为污水处理厂带来经济效益，降低了剩余活性污泥处理成本，减少剩余活性污泥造成的环境污染。

Description

一种利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料及其制备方法

技术领域

本发明属于废物资源化利用环保技术领域，具体涉及一种利用剩余活性污泥生产的一次性使用可降解材料及其制备方法。

背景技术

随着城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，城市污水处理厂的剩余污泥也急剧增加。据统计，2006年我国污水处理总量1.6×10¹⁰吨(t)，同时污泥总量为1.6×10⁷t(含水率80％左右)。有关专家预算，到“十一五”末，我国城镇污水处理量达到3.0×10¹⁰t，那时剩余污泥产量将达到3.0×10⁷t，而且每年还以10％～15％的速度增加。如何安全经济地处置城市污泥是世界各国共同面临的问题，解决这一世界难题对我国来说刻不容缓。

目前国内外处理污泥的方法主要有卫生填埋、焚烧、土地利用、投海。但是它们也带来了一系列的环境问题：

卫生填埋操作简单，投资费用较小，处理费用较低，适应性强，但是其占用了大量的土地资源，破坏生态环境，侵占土地严重，如果防渗技术不够，将导致潜在的土壤污染和地下水污染。由于渗滤液对地下水的潜在污染和城市用地的减少等原因，卫生填埋的处理技术标准要求越来越高，污泥填埋处置所占比例越来越小。在欧洲，剩余污泥与城市垃圾混合填埋比较多，但呈逐年下降趋势，美国污泥填埋的比例也正逐步下降，许多地区甚至已禁止污泥填埋。在我国，填埋仍然是最主要的污泥处置方式，而且多数采用混合填埋。

焚烧最大优点是可以迅速和较大程度地使污泥减量，并且在恶劣的天气条件下不需存储设备，能够满足越来越严格的环境要求和充分地处理不适宜于资源化利用的部分污泥。但是其缺点在于污泥焚烧所需的基建投资和运行费用较高，并且焚烧会产生一定的烟尘和有毒物质，造成大气污染，使污泥形成二次污染。

污泥土地利用是各国较为关注的处置方法，它与其他方法相比，不仅能耗低，而且还可回收利用污泥中大量的植物养分。污泥中含有丰富的有机营养成分，如氮、磷、钾等和植物所需的各种微量元素，其中有机物的浓度占40％～70％，其含量高于普通农家肥，能够改良土壤结构，增加土壤肥力，促进作物生长。影响其推广的因素是可能引起的病原体扩散和重金属污染。因此各国先后出台了农用污泥重金属许可浓度标准和严格的卫生无害化要求，并对单位面积污泥使用量做了限制。为减少或消除污泥直接施于农田可能产生的不良影响，需对污水厂的进水水质进行控制并对污泥进行预处理。鉴于污水厂设计流量大，所产生的污泥量也较多，试图通过化学方法去除重金属离子几乎是不可能的。因此只有限制排放重金属离子污染源的污染物排放总量，使污水厂污泥达到农用标准。同时还应对污泥进行堆肥预处理，以消除污泥中的大量生化有机物及病原菌。

其实，污泥中有丰富的未开发的资源，如可生物降解塑料原料的聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHA)值得我们深入的研究，并加以综合利用。聚羟基烷酸酯是污泥中某些微生物在营养不平衡的条件下(缺氮、磷、镁等)产生的一种细胞内含物，由于其结构与石油基塑料结构和功能上很相似，而且又能够在自然条件下完全降解，是目前由石油基为原料生产的不可降解塑料的理想替代品，因而成为近几年国外内研究的热点。

目前研发的产PHA的方法主要有细菌纯培养和剩余活性污泥混合菌种发酵，前者已工业化大生产。细菌纯培养主要是通过筛选高产菌种或构建基因工程菌，经过工业发酵罐生产，但其工艺复杂，价格昂贵。剩余活性污泥混合菌种发酵与纯培养相比少了灭菌等工艺，降低了固定资产投资，以及生产运作和管理方面的成本，但是生产PHA成本最高的部分——有机溶剂萃取和纯化过程仍然是不可缺少的。

针对以上问题，如何在降低生产成本的基础上利用剩余活性污泥中富含的PHA，如何开辟一条符合我国国情的污泥无害化、减量化、稳定化、资源化处理的新途径是我们所共同面临的问题。

发明内容

本发明是针对现有剩余活性污泥处理利用技术的不足而发明的一种全新的剩余活性污泥资源化方案。本发明的目的之一是提供一种利用脱水剩余活性污泥生产的一次性可降解材料；本发明的另一个目的是提供所述一次性可降解材料的制备方法，旨在解决现有技术存在的污泥二次污染造成的环境污染问题，同时将污泥资源化利用，达到环保节能的目的。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

提供一种利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料，其原料包括以下重量百分比的各组分：污泥：40～70％，纤维：15～30％，胶黏剂：15～30％，润滑剂：0～5％，脱硫剂：0～5％。

本发明所述利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料，其原料优选包括以下重量百分比的各组分：污泥：50～65％，纤维：17～25％，胶黏剂：18～25％，润滑剂：0～3％，脱硫剂：0～3％。

本发明所述利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料，其原料中可以不使用润滑剂和脱硫剂，在上述技术方案基础上，所述原料优选包括以下重量百分比的各组分：污泥：50～65％，纤维：17～25％，胶黏剂：18～25％，润滑剂：1～3％，脱硫剂：1～3％。

更为优选的，上述的利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料，其原料包括以下重量百分比的各组分：污泥：57％，纤维：20％，胶黏剂：19％，润滑剂：2％，脱硫剂：2％。

所述污泥优选脱水污泥或经过驯化后富含聚羟基烷酸酯(PHA)的市政污泥或工业污泥；所述纤维优选稻草纤维、木屑、甘蔗渣或药渣中的一种或多种，采用多种时，混合的比例不做严格限定；所述胶黏剂优选聚乙烯醇、酚醛树脂、脲醛树脂或变性淀粉中的一种或多种，采用多种时，混合的比例不做严格限定；所述润滑剂优选硬脂酸钡或硬脂酸镁的一种或两种，采用两种时，混合的比例不做严格限定；所述脱硫剂优选氧化钙。

本发明同时提供了所述利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将污泥脱水至水份含量在70～90％(重量百分数)的范围；

可将脱水市政污泥或工业污泥或驯化后富含聚羟基烷酸酯(PHA)剩余活性污泥进一步脱水至水份含量控制在70～90％的范围；

(2)将脱水污泥和甲醛投入到反应釜中，进行搅拌，然后用氨水调节其pH值至8左右，加热使反应釜维持在55～60℃之间；成糊状反应物时取出至盛器；

(3)将糊状反应物烘干至含水量为20～30％(重量百分数)左右，然后粉碎成粉末；

(4)将纤维材料蒸煮脱胶后烘干收集；

(5)然后将步骤(3)制备得到的污泥树脂粉末、步骤(4)收集的纤维材料与胶黏剂、润滑剂和脱硫剂的混合物放入搅拌机内混合均匀，取出高温加压成型，获得成型的利用剩余活性污泥生产一次性可降解材料。

上述步骤(2)所述脱水污泥和甲醛的重量比为9∶1～19∶1；所述反应釜在55～60℃之间维持时间优选80～120min；

上述步骤(3)所述烘干优选的温度范围优选80～90℃。

本发明的有益效果是：

本发明选用具有胶黏作用的剩余活污泥。选用合适比例的纤维，使其发挥填料和适宜的交联作用，采用胶黏剂除了发挥其胶黏作用外，将所述胶黏剂与污泥混合一起后，还可起到防霉，防水作用，延缓成品的降解时间，所述润滑剂增加本发明材料的可塑性，使高压成型后容易脱模，脱硫剂氧化钙一方面可以固定污泥中游离状态的硫元素，同时还能钝化污泥中游离的重金属元素，使其变成不溶性的重金属盐，此外氧化钙还具有杀菌除臭作用，阻止成品被微生物快速降解。为剩余活性污泥再利用提供新途径，不仅能变废为宝，而且还能为污水处理厂带来经济效益，降低了剩余活性污泥处理成本，减少剩余活性污泥造成的环境污染；本发明终产品作为一次性使用塑料制品的代替品，减少目前废弃塑料制品对环境的污染。

本发明制备工艺简单，原材料易得，通过最低成本的方法解决污泥处置技术问题。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细说明本发明。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。

实施例1

取来自于广州大坦沙污水厂的市政污泥经常规驯化方法(即缺氮缺磷只添加碳源，采用SBR系统)驯化后富含聚羟基脂肪酸酯(PHA浓度为细胞干重的60％以上)的剩余活性污泥经离心处理至含水率约90％，按照活性污泥∶甲醛的重量比为9∶1将所述活性污泥和甲醛加入到反应釜中，用氨水(质量浓度为25％)调节pH值至8.0左右，55～60℃之间反应120min，反应物成糊状时将混合物取出至盛器；

将糊状混合物在90℃烘干至含水率为30％左右，然后粉碎成粉末状的污泥粉过80目筛后备用；

将稻草纤维粉粉碎后过50目筛后按常规碱法脱胶后收集；

将污泥粉、稻草纤维、聚乙烯醇、硬脂酸钡、氧化钙按重量比57∶20∶19∶2∶2的比例混合，送入搅拌机内混匀，然后取出加压成型即得利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料。

实施例2

取来自广州大坦沙污水厂的市政剩余活性污泥不经驯化直接离心处理至含水率约90％，以活性污泥∶甲醛的重量比为11∶1将所述活性污泥和甲醛加入到反应釜中，用氨水(质量浓度为25％)调节pH值至8.0左右，55～60℃之间反应120min，反应物成糊状时将混合物取出至盛器；

将糊状混合物在90℃烘干至含水率为25％左右，然后粉碎成粉末状的污泥粉过80目筛后备用；

将稻草纤维粉碎脱过50目筛后按常规碱法胶后收集；

将污泥粉、稻草纤维、聚乙烯醇、硬脂酸钡、氧化钙按重量比为61∶17∶18∶2∶2的比例混合送入搅拌机内混匀，然后取出加压成型利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料。

实施例3

取来自于广州猎德污水厂的市政污泥经常规驯化方法驯化后富含聚羟基脂肪酸酯(PHA浓度为细胞干重的60％以上)的剩余活性污泥经离心处理至含水率约90％，以活性污泥∶甲醛的重量比为14∶1将所述活性污泥和甲醛加入到反应釜中，用氨水(质量浓度为25％)调节pH值至8.0左右，55～60℃之间反应100min，反应物成糊状时将混合物取出至盛器；

将糊状混合物在90℃烘干至含水率为20％左右，然后粉碎成粉末状的污泥粉过80目筛后备用；

将木屑纤维粉碎后过50目筛后按常规碱法脱胶后收集。

将污泥粉、木屑纤维、聚乙烯醇、硬脂酸镁、氧化钙按重量比为56∶18∶22∶2∶2的比例混合送入搅拌机内混匀，然后取出加压成型利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料。

实施例4

取来自于广州猎德污水厂的市政剩余活性污泥不经驯化直接离心处理至含水率约90％，以活性污泥∶甲醛的重量比为16∶1将所述活性污泥和甲醛加入到反应釜中，用氨水(质量浓度为25％)调节pH值至8.0左右，55～60℃之间反应80min，反应物成糊状时将混合物取出至盛器；

将糊状混合物在80℃烘干至含水率30％左右，然后粉碎成粉末状。

将甘蔗纤维粉碎过50目筛后按常规碱法脱胶后收集。

将污泥粉、甘蔗纤维、酚醛树脂、硬脂酸镁、氧化钙按53∶25∶18∶2∶2的比例混合送入搅拌机内混匀，然后取出加压成型利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料。

实施例5

取来自于广州猎德污水厂的市政污泥经经常规驯化方法驯化后富含聚羟基脂肪酸酯(PHA浓度为细胞干重的60％以上)的剩余活性污泥经离心处理至含水率约90％，以活性污泥∶甲醛的重量比为19∶1将所述活性污泥和甲醛加入到反应釜中，用氨水(质量浓度为25％)调节pH值至8.0左右，55～60℃之间反应120min，反应物成糊状时将混合物取出至盛器；

将糊状混合物在90℃烘干至含水率30％左右，然后粉碎成粉末状。

将木屑纤维粉碎过50目筛后按常规碱法脱胶后收集。

将污泥粉、木屑纤维、聚乙烯醇、硬脂酸钡、氧化钙按55∶17∶24∶2∶2的比例混合送入搅拌机内混匀，然后取出加压成型利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料。

实施例6

取来自于广州石化废水处理厂工业污泥经经常规驯化方法驯化后富含聚羟基脂肪酸酯(PHA浓度为细胞干重的60％以上)的剩余活性污泥经离心处理至含水率约90％，以活性污泥∶甲醛的重量比为9∶1将所述活性污泥和甲醛加入到反应釜中，用氨水(质量浓度为25％)调节pH值至8.0左右，55～60℃之间反应120min，反应物成糊状时将混合物取出至盛器；

将稻草纤维粉碎过50目筛后按常规碱法脱胶后收集。

将污泥粉粉、稻草纤维、聚乙烯醇、硬脂酸钡、氧化钙按59∶19∶18∶2∶2的比例混合送入搅拌机内混匀，然后取出加压成型利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料。

实施例7

将上述实施例1～6所获得的一次性可降解材料，测定其拉伸强度按GB/T 1040.2-2006标准进行，抗压强度按GB/T 1935-1991标准进行，吸水率按GB/T 1034-1998标准进行，细菌总数按GB 4789.2-2010标准进行，大肠杆菌总数按GB 4789.3-2010。其降解性实验，是将上述实施例制备得到的材料按照相同的现有工艺制做出来的花钵，分别置于室内常温环境、室内露天环境、掩埋于土壤中以及掩埋于污泥中，定期观察其完整性和失重情况。并记录当花钵失重率达到80％左右时所需的时间。其测定结果如下表所示：

表1：一次性可降解材料各项指标参数

表2：一次性可降解材料在不同环境中的降解时间(失重80％)(单位：个月)

地点

实施例1

实施例2

实施例3

实施例4

实施例5

实施例6

室内常温环境

12～14

室外露天环境

6～8

掩埋土壤中

1～2

掩埋污泥中

0.5～1

测定结果表明，本发明制备得到的一次性可降解材料拉伸强度和抗压强度都在10.00MP以上，细菌总数和大肠杆菌总数都在安全范围以内，降解时间也在预期范围内。其中各实施例中以实施例1中的一次性可降解材料拉伸强度、抗压强度最大，吸水率、细菌总数、大肠杆菌总数最小，为最优实施方案。

综上所述，本发明原材料简单易得，均可从市售购买，制备工艺简单，通过最低成本的方法解决污泥处置的难题。生产出一次性可降解材料，可用于制备比如花钵、垃圾桶、纤维板以及蛋托等，可以部分替代目前的一次性塑料物品，减少目前塑料制品对环境的污染。本发明为剩余活性污泥资源化提供新途径，不仅能变废为宝，而且还能为污水处理厂带来经济效益，降低了剩余活性污泥处理成本，减少剩余活性污泥造成的环境污染。

Claims

1.一种利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料，其特征在于原料包括以下重量百分比的各组分：污泥：50～65％，纤维：17～25％，胶黏剂：18～25％，润滑剂：1～3％，脱硫剂：1～3％；

其中，所述污泥为脱水污泥、经过驯化后富含聚羟基烷酸酯的市政污泥或工业污泥；

所述纤维为稻草纤维、木屑、甘蔗渣或药渣中的一种或多种；

所述润滑剂为硬脂酸钡或硬脂酸镁的一种或两种；所述脱硫剂为氧化钙。

2.根据权利要求1所述利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料，其特征在于原料包括以下重量百分比的各组分：污泥：57％，纤维：20％，胶黏剂：19％，润滑剂：2％，脱硫剂：2％。

3.根据权利要求1或2所述利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料，其特征在于所述胶黏剂为聚乙烯醇、酚醛树脂、脲醛树脂或变性淀粉中的一种或多种。

4.一种权利要求1或2所述利用剩余活性污泥生产的一次性可降解材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将污泥脱水至水份含量在70～90％的范围；

(2)将脱水污泥和甲醛投入到反应釜中，搅拌，调节其pH值为8，加热使反应釜维持在55～60℃之间，成糊状反应物时取出；

(3)将糊状反应物烘干至含水量为20～30％后粉碎成粉末；

(4)将纤维材料蒸煮脱胶后烘干收集；

(5)将步骤(3)制备得到的污泥树脂粉末、步骤(4)收集的纤维材料与胶黏剂、润滑剂和脱硫剂的混合物放入搅拌机内混合均匀，取出后高温加压成型，获得成型的利用剩余活性污泥生产一次性可降解材料；

其中，步骤(2)所述脱水污泥和甲醛的重量比为9∶1～19∶1。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤(2)所述反应釜在55～60℃之间维持时间为80～120min。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤(3)所述烘干优选的温度范围为80～90℃。