CN103285623B - 一种将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于污泥资源化处理领域，涉及一种将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法，该方法包括以下步骤：（一）将剩余污泥沉淀浓缩；（二）对沉淀浓缩后的污泥进行超声处理；（三）超声后的污泥通过固液分离得到污泥提取物清液；（四）步骤（三）所得提取物清液经浓缩后得到破乳剂的浓缩液，再将破乳剂的浓缩液经干燥过程得破乳剂干粉；（五）将步骤（四）所得破乳剂的浓缩液或破乳剂干粉投入待处理乳状液中，以实现乳状液的破乳。本发明中的破乳剂产物能实现近90%的破乳率，可应用于原油乳状液的破乳及含乳化油废水的处理，在降低破乳成本的同时为污泥资源化提供了新的途径，而提取后剩余的污泥超声混合液可进一步进行厌氧消化处理。

Description

一种将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法

技术领域

本发明属于污泥资源化处理领域，涉及一种将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法。

背景技术

原油开采、冷轧工艺、机械零件清洗等会产生大量的乳状液，对乳状液的破乳是其后续加工或处理的前提。目前常见的破乳方式以投加聚氧乙烯、聚醚等化学破乳剂为主，此类化学破乳剂属难降解有机物，随分离出的废水排放到环境中会引起环境污染。而近年来发展迅速的生物破乳剂虽具有高效低毒、可生物降解、能在极端条件下发挥活性等优点，但其培养周期长，培养过程需投入大量的底物，生产成本较高。目前已有利用废弃物培养生物破乳剂产生菌的报道，但尚无利用废弃生物质直接制取破乳剂的文献。

城市污水处理厂在运行过程中产生大量的剩余污泥，其处理处置成本较高，处理不当会对环境造成严重影响。作为一种富含生物质的废弃物，将剩余污泥进行资源化利用不仅可以解决污泥处理的问题，同时实现能源或资源的回收，在近年来发展迅速。污泥资源化技术主要包括建材利用、热能回收以及对其生物质资源的利用等。随着技术的发展，对污泥中生物质的资源化方式和应用途径也逐渐多样化，如制取聚羟基脂肪酸酯、生物絮凝剂、发泡剂等。目前已有研究发现剩余污泥中提取的生物质具有表面活性，但尚无将其应用于乳状液破乳的文献或报道。

发明内容

针对目前化学破乳剂难降解、生物破乳剂生产成本高的问题，本发明目的在于提供一种由废弃生物质资源（剩余污泥）直接提取破乳剂用于乳状液破乳的方法，同时为剩余污泥的处理提供一条新的具有高附加值的资源化途径。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法，包含以下步骤：

（一）将剩余污泥沉淀浓缩；

（二）对沉淀浓缩后的污泥进行超声处理；

（三）超声后的污泥通过固液分离得到污泥提取物清液；

（四）步骤（三）所得提取物清液经浓缩后得到破乳剂的浓缩液，再将破乳剂的浓缩液经干燥过程得破乳剂干粉；

（五）将步骤（四）所得破乳剂的浓缩液或破乳剂干粉投入待处理乳状液中。

步骤（一）所述的剩余污泥来源于采用生物法处理污水的污水处理厂，其中，剩余污泥经沉淀浓缩后，污泥总悬浮固体浓度为5～20g/L。

步骤（二）所述的超声处理过程中，声能密度为0.1～0.7W/mL，超声时间为1～30min，可采用超声频率为20kHz、具有浸入式探头的超声破碎仪对污泥进行处理。该步骤的目的是为了打碎污泥中的絮体和细胞，以使细胞内的细胞质和酶得以释放，以提高破乳剂的提取率。

步骤（三）所述的固液分离过程可采用离心分离或微滤分离的方式，其中优选微滤分离。当采用离心分离法分离时，采用10000g的离心力，离心时间为20min；采用微滤分离法分离时，过滤压力为0.2MPa，所采用的滤膜平均孔径为0.45μm。

步骤（四）所述的浓缩步骤后破乳剂的浓缩液TOC(Total Organic Carbon，总有机碳)浓度为5000～10000mg/L，其中，浓缩步骤可采用旋转蒸发法，温度为45～55℃，真空度为0.1Mpa。

步骤（四）所述将破乳剂的浓缩液干燥的过程，干燥是在温度为-50℃，压力＜20Pa的条件下冷冻干燥24h，从而得到破乳剂干粉。压力＜20Pa为冷冻干燥机所标注的工作压力，一般冷冻干燥机的压力以小于20Pa为符合要求。

步骤（五）将所述破乳剂的浓缩液或破乳剂干粉投入待处理乳状液中，是按照投加后每升乳状液中破乳剂的TOC浓度为10～250mg/L的剂量进行操作。

本发明具有以下的优点和有益效果：

1.本发明所得到的剩余污泥提取物，即破乳剂产物是以废弃生物质为原料，提取过程简单高效，与传统的化学或生物破乳剂相比无合成或培养过程，成本低廉。

2.本发明所得到的破乳剂产物主要为污泥中的生物质，与化学破乳剂相比具有生物易降解的特点，有利于破乳剂在破乳后的处理。

3.本发明所得到的破乳剂产物在优化的投加条件下，可对模型乳状液实现近90%的破乳率，破乳效果好。

4.本发明为生活污水处理厂剩余污泥的资源化提供了一条新的途径，且资源化产物的附加值高，可应用于原油乳状液破乳及含乳化油废水的处理领域。

5.本发明以超声作为提取方法，与污泥厌氧消化前的超声预处理相一致，由于污泥经超声处理后其水解酸化时间可显著缩短，因此本发明的超声提取过程可同时视为污泥厌氧消化的预处理过程，提取后的剩余物质可进一步进行厌氧处理用于产酸或产甲烷。

附图说明

图1为实施例1中，在离心和微滤两种分离方式下，等浓度产物的破乳率随超声时间和声能密度变化的曲面。

图2为在实施例2中，在污泥浓度为15g/L时提取率对于超声时间和声能密度的响应面。

图3为在实施例2中，在污泥浓度为15g/L时等浓度产物(TOC浓度500mg/L)破乳率对于超声时间和声能密度的响应面。

图4为在实施例4中，在优选的提取条件下所得产物的投加剂量与乳状液破乳效果的关系图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的说明。

本发明适用于采用生物法处理污水的污水处理厂剩余污泥的资源化。实施例中的污泥采用上海市某污水处理厂二沉池剩余污泥，该污水处理厂进水主要为生活污水，采用A/A/O(Anaerobic-Anoxic-Oxic,厌氧-缺氧-好氧法)工艺，其中厌氧段停留时间1.5h、缺氧段1.5h、好氧段4.7h，污泥泥龄8～10d，污泥负荷0.2kg(BOD₅)/(kg MLSS·d)。实施例中污泥在取样后均在4℃条件下沉淀浓缩3h后去除清液，沉降浓缩后污泥的MLSS(总悬浮固体浓度,Mixed Liquid Suspended Solids)约为15g/L，MLVSS(挥发性悬浮固体浓度，Mixed Liquor VolatileSuspended Solids)/MLSS为0.7～0.75。

本发明采用对模型乳状液的破乳实验来验证污泥提取物的破乳效果。模型乳状液配制方法如下：用煤油和水配制油包水型(W/O)模型乳状液，在250mL高脚烧杯中，加入80mL溶有1.526g乳化剂Span80和0.074g乳化剂Tween80的煤油溶液，然后加入120mL蒸馏水，用高速搅拌乳化机搅拌3.5min，转速10000rpm。模型乳状液48h空白破乳率约为5%。

实施例1

将沉淀浓缩后总悬浮固体浓度为15g/L的污泥100mL倒入150mL的烧杯中，采用频率为20kHz、具有浸入式探头的超声破碎仪对污泥进行处理，以超声时间和声能密度作为变量，采用中心组合实验设计，在不同超声条件下分别采用离心和微滤两种方式，对超声后的污泥进行提取物的分离，其中超声时间为1～30min，声能密度为0.1～0.7W/mL，设计后的实验条件如表1，其中每种分离方式进行11组实验。超声过程中对污泥进行冰水浴以防止温度升高对产物的影响。

将超声后的污泥分别采用离心或微滤分离出清液。离心分离的离心力为10000g，离心时间为20min；微滤采用0.45μm孔径的滤膜，过滤压力为0.2Mpa。

采用岛津TOC-V型总有机碳分析仪分别对11组实验所得清液的TOC进行测定，根据TOC的测定结果，将各组实验所得不同TOC浓度的清液，分别采用蒸馏水稀释或旋转蒸发浓缩至TOC浓度为100mg/L，旋转蒸发法的温度控制在45～55℃，真空度控制在0.1Mpa左右。

将TOC浓度同为100mg/L的11组实验的产物，分别取2ml加入18mL模型乳状液中，剧烈震荡120下，放入35℃水浴锅48h，观察破乳效果。所得各超声和分离条件下所得的产物，在TOC浓度均为100mg/L时的破乳率，如表1。

表1不同超声条件下两种分离方式所得产物在等浓度TOC时的破乳率对比

根据上述破乳率结果，分别绘制离心和微滤两种分离条件下破乳率随超声时间和声能密度的变化曲面如图1。根据结果可知在相同的超声提取条件下，采用微滤分离所得产物的破乳率高于相同浓度下离心分离所得产物的破乳率，因此在条件允许的情况下优先选用微滤分离法分离提取液。

实施例2

采用响应面分析法对超声提取的参数进行优化。考虑到实际过程中污泥的总悬浮固体浓度会在一定范围内变化，因此将其也作为响应面分析中的一个变量。采用中心组合实验设计，三个变量的取值范围分别为：超声时间1～30min，声能密度0.1～0.7W/mL，污泥总悬浮固体浓度5～20g/L。设计后的实验参数如表2（共20组），并以提取率和相同浓度条件下产物的破乳率为响应值进行优化。

表2超声提取条件的响应面优化实验参数及结果

根据上述响应面设计方案，将二沉池中沉淀浓缩后总悬浮固体浓度为15g/L的污泥分别稀释或离心浓缩至5～20g/L，其中，离心浓缩的离心力为2000g，时间为10min，离心沉淀的污泥，用离心所得清液稀释至设计方案所需浓度。

将表2所述浓度的污泥各取100mL倒入150mL的烧杯中，并根据表2的实验方案，在频率为20kHz、声能密度为0.1～0.7W/mL的条件下，采用具有浸入式探头的超声设备超声处理1～30min，超声过程中对污泥进行冰水浴。

将超声后的混合液采用正压过滤的方式微滤，过滤压力为0.2MPa，滤膜孔径为0.45μm。

采用岛津TOC-V型总有机碳分析仪分别测定过滤后清液的TOC，测定结果如表2。根据TOC的测定结果，将各组实验所得不同TOC浓度的清液，分别采用蒸馏水稀释或旋转蒸发浓缩至TOC浓度为500mg/L，旋转蒸发法的温度控制在45～55℃，真空度控制在0.1Mpa左右。

将TOC浓度同为500mg/L的20组实验的产物，分别取2ml加入18mL模型乳状液中，剧烈震荡120下，放入35℃水浴锅48h，观察破乳效果。所得各提取条件下的产物，在TOC浓度均为500mg/L时的破乳率，如表2。提取率的测定以碱提作为参照。分别取100mL的5、7.5、12.5、17.5、20g/L(MLSS)污泥，各加入100mL1M的NaOH，90℃水浴2h后微滤取清液，其操作参数与污泥超声处理后的过滤参数相同，测定滤液的TOC，作为各浓度污泥提取率的参照，提取率即为超声滤液的TOC与该污泥浓度下碱提滤液TOC的比值。

采用Design Expert7.1.6软件对实验结果进行分析。软件分析的结果表明污泥总悬浮固体浓度虽对提取产物在相同投加浓度下的破乳率有一定影响，但与超声时间和声能密度所带来的影响相比较小，且对提取率影响不显著。本实施例中所取污泥在静沉3h后的总悬浮固体浓度约为15g/L，在此污泥浓度下提取率与等浓度产物(500mg TOC/L)破乳率相对于超声时间和声能密度的响应曲面分别如图2和图3所示。

在污泥总悬浮固体浓度为15g/L的条件下，以获得最高的提取率为目标并控制等浓度产物(500mg TOC/L)破乳率＞55%，经软件优化所得到的提取条件为超声时间28min，声能密度0.65W/mL。此时预计的提取率为21.6%。

实施例3

对实施例2响应面分析法优化出的最佳提取条件进行验证实验。

将二沉池中沉降浓缩后总悬浮固体浓度为15g/L的污泥100mL倒入150mL的烧杯中，在频率为20kHz、声能密度为0.65W/mL的条件下，采用具有浸入式探头的超声设备超声处理28min，超声过程中对污泥进行冰水浴。

将超声后的混合液采用正压过滤的方式微滤，过滤压力为0.2MPa，滤膜孔径为0.45μm。

采用岛津TOC-V型总有机碳分析仪对微滤所得清液的TOC进行测定，并根据TOC的测定结果，将清液采用蒸馏水稀释至TOC浓度为500mg/L。

将2mL TOC浓度为500mg/L的破乳剂产物加入18mL模型乳状液中，剧烈震荡120下，放入35℃水浴锅48h，观察破乳效果。

测定结果为破乳率57.5%，提取率为22%，与响应面分析所得到的结果较为一致。

实施例4

将沉降浓缩后总悬浮固体浓度为15g/L的污泥100mL倒入150mL的烧杯中，在频率为20kHz、声能密度为0.65W/mL的条件下，采用具有浸入式探头的超声设备超声处理28min，超声过程中对污泥进行冰水浴。

将超声后的混合液采用正压过滤的方式微滤，过滤压力为0.2MPa，滤膜孔径为0.45μm。

将微滤得到的提取物清液通过旋转蒸发法进行浓缩，旋转蒸发的温度控制在45～55℃，真空度控制在0.1Mpa，浓缩后破乳剂的浓缩液的TOC浓度控制在5000～10000mg/L。

将旋转蒸发后破乳剂的浓缩液在温度为-50℃、压力＜20Pa的条件下冷冻干燥24h，得到破乳剂干粉。

称取一定重量的破乳剂干粉用蒸馏水溶解，并分别配置成100、125、170、250、500、1000、1500、2000、2500mg/L(以TOC计)的破乳剂溶液。

将2mL上述浓度梯度的破乳剂溶液分别加入18mL模型乳状液中，剧烈震荡120下，放入35℃水浴锅48h，观察破乳效果。此时破乳剂投加剂量(mg TOC/L乳状液)即为所投加的提取物浓度的1/10，分别为10、12.5、17、25、50、100、150、200、250mg/L。

不同的破乳剂投加剂量下乳状液的破乳结果如图4。由结果可知随着破乳剂投加剂量的提高，破乳效果逐渐增强，并在TOC浓度为100mg/L(乳状液)时达到约80%的破乳率，在TOC浓度为200mg/L(乳状液)以后可达到近90%。

在本实施例中，微滤所得到的提取物清液通过旋转蒸发法进行浓缩，浓缩后破乳剂的浓缩液可直接投加到模型乳状液中，用于乳状液的破乳。

将微滤得到的清液通过旋转蒸发法进行浓缩，旋转蒸发的温度控制在45～55℃，真空度控制在0.1Mpa，浓缩后破乳剂的浓缩液的TOC浓度控制在5000～10000mg/L之间。测定浓缩后破乳剂的浓缩液的TOC浓度值，根据所测定的TOC浓度值，以100mg TOC/L(乳状液)的剂量将其投加到模型乳状液中，剧烈震荡120下，放入35℃水浴锅48h，观察破乳效果。

经测定，其破乳率为79.3%。与本实施例中采用破乳剂干粉方式投加的结果对比可知，在相同的投加剂量下干粉和浓缩液的破乳效果相近。采用浓缩液投加的方式，提取物无需干燥处理，操作方便；但将浓缩液冷冻干燥后则更利于提取产物的保存和运输。应用中可根据实际情况进行选择。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法，其特征是：(一)将剩余污泥沉淀浓缩；(二)对沉淀浓缩后的污泥进行超声处理，以破碎污泥中的絮体和细胞，使胞内物质得以释放；(三)超声后的污泥通过固液分离得到污泥提取物清液；(四)步骤(三)所得提取物清液经浓缩后得到破乳剂的浓缩液，再将破乳剂的浓缩液经干燥过程得破乳剂干粉；(五)将步骤(四)所得破乳剂的浓缩液或破乳剂干粉投入待处理乳状液中；

步骤(二)所述的超声处理过程中，声能密度为0.1～0.7W/mL；

步骤(二)所述的超声处理过程中，超声时间为1～30min；

步骤(四)所述的经浓缩步骤后，破乳剂的浓缩液总有机碳浓度为5000～10000mg/L，其中，浓缩步骤采用旋转蒸发法，温度为45～55℃，真空度为0.1Mpa；

步骤(四)所述干燥过程，其中，干燥是在温度为-50℃，压力＜20Pa的条件下，冷冻干燥24h；

步骤(五)将所述破乳剂的浓缩液或破乳剂干粉投入待处理乳状液中，是按照投加后每升乳状液中破乳剂的总有机碳浓度为10～250mg/L的剂量进行操作。

2.根据权利要求1所述的将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法，其特征是：步骤(一)所述的剩余污泥来源于采用生物法处理污水的污水处理厂。

3.根据权利要求1所述的将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法，其特征是：步骤(一)所述的剩余污泥经沉淀浓缩后，污泥总悬浮固体浓度为5～20g/L。

4.根据权利要求1所述的将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法，其特征是：步骤(三)所述的固液分离过程采用离心分离或微滤分离。

5.根据权利要求1所述的将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法，其特征是：步骤(三)所述的固液分离过程采用微滤分离。

6.根据权利要求4所述的将剩余污泥提取物用于乳状液破乳的方法，其特征是：所述离心分离采用10000g的离心力，离心时间为20min；所述微滤分离采用的滤膜平均孔径为0.45μm。