CN103435238A - 低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，其具体步骤为：步骤1：向待处理的剩余污泥中投加一定量的氢氧化钙，将所述氢氧化钙与所述剩余污泥迅速搅拌，混合均匀；步骤2：利用低能量密度超声波对步骤1所产生的剩余污泥和氢氧化钙的混合物进行联合破解。该方法能够为污泥厌氧产酸、产气提供大量发酵底物，达到污泥资源化的目的；污泥的破解效果明显高于它们二者中任何一方单独破解的效果；能够大大提高污泥水解速率，缩短污泥后续处理时间；破解过程中释放的磷酸盐浓度能得到控制，降低后续处理的压力，并且起到回收磷元素的作用；氢氧化钙成本较低，对降低剩余污泥预处理费用具有一定参考价值。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物处理技术领域，具体地说是一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法。
背景技术
随着我国经济发展和城市化进程的加快，生活污水和工业废水的排放量日益增多，污水处理厂的剩余污泥产量急剧增加,相应地剩余污泥产量随之急剧增加。
由于受到土地稀缺以及日渐严格的环境控制条例限制，填埋法已经不适宜用于污泥的最终处置，合理的处置方法是对污泥进行资源化利用。污泥厌氧酸化开发反硝化碳源以及污泥厌氧消化产甲烷是污泥减量化、资源化的有效途径。但是，由于污泥中的胞外聚合物和污泥中的微生物未经充分破解，厌氧菌无法获取足够的溶解性有机物，导致污泥停留时间过长、产酸产气效率较低，资源化利用成本增加。因此，污泥的破解是污泥厌氧资源化处理的限速步骤，合适的污泥破解方法不仅能够加快污泥厌氧产酸、产气的速率，而且能够降低剩余污泥资源化利用的成本。
碱解预处理污泥，是将剩余污泥破解作为厌氧发酵底物的一种预处理方法。通过加入一定量的碱性物质提高剩余污泥pH，在较高的pH条件下，污泥中的有机颗粒发生膨胀，碳水化合物和蛋白质水解成较小分子量的物质，促进细胞中的酶反应，同时较高的pH对污泥中微生物的细胞壁存在一定的破坏作用，能够进一步增加剩余污泥中溶解性有机物的含量。如今，碱解预处理污泥的研究主要集中于投加氢氧化钠对污泥进行破解，研究较为全面，并且这种污泥预处理方法经常与超声波破解方法联合使用，以获得更高的污泥破解效果。通过动力学模型研究发现，高pH能显著促进超声处理的效率，并且通过超声波与碱解联合处理污泥，能降低超声波的高耗能需求，并且获得较好的破解效果。超声波、碱协同破解剩余污泥过程中，为了获得较高的污泥破解效果，往往需要增大超声波能量输入或者增加氢氧化钠的投加量，过大的超声波能量输入以及氢氧化钠投加均会对构筑物造成一定损害，而且会大大增加处理成本，不利于该技术的推广。
相比氢氧化钠，氢氧化钙是一种成本较低、更容易获得的碱，并且对污泥pH改变较小(常温下，氢氧化钙在水中饱和pH为12.65)，在污泥破解领域有非常大的潜力，但是还没有得到充分的利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对城镇污水生物处理过程中产生的大量剩余污泥的低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，充分利用低能量密度超声波和氢氧化钙的协同作用对剩余污泥进行破解，提高污泥水解速率，缩短污泥后续处理的时间，为剩余污泥后续厌氧酸化、产气提供发酵底物。同时低能量密度超声波和氢氧化钙成本较低，并且由于氢氧化钙的存在，破解过程中释放的磷酸盐浓度能得到控制，降低后续处理的压力，并且起到回收磷元素的作用。本发明相对于传统剩余污泥破解方式具有较高的应用价值和推广前景。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，以城市污水处理厂产生的剩余污泥为原料，其具体步骤为：
步骤1：向待处理的剩余污泥中投加一定量的氢氧化钙，将所述氢氧化钙与所述剩余污泥迅速搅拌，混合均匀；
步骤2：利用低能量密度超声波对步骤1所产生的剩余污泥和氢氧化钙的混合物进行联合破解。
步骤1中，所述氢氧化钙的投加量相对于所述剩余污泥（以质量计）为0.02mol/L～0.05mol/L。
进一步地，步骤1中，所述氢氧化钙的投加量相对于所述剩余污泥（以质量计）为0.02mol/L、0.03mol/L、0.04mol/L或0.05mol/L。
步骤1中，所述氢氧化钙与所述剩余污泥的混合搅拌时间为5分钟，搅拌速度为80rpm。
步骤2中，联合破解所述剩余污泥所用低能量密度超声波的声能密度为0.04 kw/L～0.10kw/L，作用时间为5 min～60min，波频率为20kHz，处理器形式为槽式超声波清洗装置。
进一步地，步骤2中，所述低能量密度超声波的能量密度为0.04kw/L、0.05kw/L、0.06kw/L、0.07kw/L、0.08kw/L、0.09kw/L或0.10kw/L中的任意一种。
进一步地，步骤2中，所述低能量密度超声波的作用时间为15min～60min。
更进一步地，步骤2中，所述低能量密度超声波的作用时间为15 min、20 min、25 min、30 min、35min、40min、45min、50min、55min或60min。
本发明主要是将氢氧化钙与低能量密度超声波联合，提高剩余污泥的破解效果。其基本原理如下：剩余污泥中的非溶解性有机物主要以胞外聚合物和污泥中的微生物存在，蛋白质、多糖等是这些有机物的主要组成部分，由于胞外聚合物结合较为紧密，而且污泥中微生物的细胞壁难以破坏，导致这些有机物不能以溶解态形式存在被厌氧菌利用，为污泥厌氧资源化处理带来阻碍。当向剩余污泥中投加一定量的氢氧化钙并施加低能量密度超声波进行处理，此时污泥中的有机颗粒在碱性条件下发生膨胀、水解，同时在超声波空化效应作用下，剩余污泥中的胞外聚合物和微生物不断受到破坏，导致大量有机物溶解于液相，主要表现为污泥上清液中的蛋白质、糖的增加，为剩余污泥后续厌氧酸化、产气提供发酵底物。同时，由于氢氧化钙的存在，破解过程中释放的磷酸盐浓度能得到控制，降低后续处理的压力，并且起到回收磷元素的作用。
本发明的有益效果是：低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，应用低能量密度超声波和氢氧化钙协同技术将城市污水处理厂的剩余污泥进行预处理，能够为污泥厌氧产酸、产气提供大量发酵底物，达到污泥资源化的目的；污泥的破解效果明显高于它们二者中任何一方单独破解的效果；能够大大提高污泥水解速率，缩短污泥后续处理的时间；破解过程中释放的磷酸盐浓度能得到控制，降低后续处理的压力，并且起到回收磷元素的作用；同时低能量密度超声波和氢氧化钙成本较低，对降低剩余污泥预处理费用具有一定参考价值，对工程实践具有一定指导意义。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，其具体步骤为：
步骤1：向待处理的剩余污泥中投加一定量的氢氧化钙，将所述氢氧化钙与所述剩余污泥迅速搅拌，混合均匀,所述氢氧化钙被所述剩余污泥中的水溶解，与剩余污泥产生化学反应，使剩余污泥得到一定程度的破解，所述剩余污泥的PH值、SCOD值、溶解性蛋白质浓度、溶解性糖类浓度都会相应增高，同时剩余污泥中正磷酸盐(以磷计)的浓度降低。
步骤2：利用低能量密度超声波对步骤1所产生的剩余污泥和氢氧化钙的混合物进行联合破解,使有机物大量溶出，污泥上清液中的溶解性蛋白质浓度、溶解性糖类浓度及SCOD值进一步增加，为剩余污泥后续厌氧酸化、产气提供发酵底物。
步骤1中，所述氢氧化钙的投加量相对于所述剩余污泥（以质量计）为0.02mol/L～0.05mol/L。
进一步地，步骤1中，所述氢氧化钙的投加量相对于所述剩余污泥（以质量计）为0.02mol/L、0.03mol/L、0.04mol/L或0.05mol/L。
步骤1中，所述氢氧化钙与所述剩余污泥的混合搅拌时间为5分钟，搅拌速度为80rpm。
步骤2中，联合破解所述剩余污泥所用低能量密度超声波的声能密度为0.04 kw/L～0.10kw/L，作用时间为5min～60min，波频率为20kHz，处理器形式为槽式超声波清洗装置。
进一步地，步骤2中，所述低能量密度超声波的能量密度为0.04kw/L、0.05kw/L、0.06kw/L、0.07kw/L、0.08kw/L、0.09kw/L或0.10kw/L中的任意一种。
进一步地，步骤2中，所述低能量密度超声波的作用时间为15min～60min。
更进一步地，步骤2中，所述低能量密度超声波的作用时间为15 min、20 min、25 min、30 min、35min、40min、45min、50min、55min或60min。
实施例1
某城镇污水处理厂产生的剩余污泥，其含水率为95.27%，pH为6.82，经测定剩余污泥中总固体含量为36.89g/L，悬浮物固体质量浓度为30.62g/L，挥发性固体悬浮物VSS为23.57g/L。剩余污泥中总的化学需氧量TCOD为29766.20mg/L，其中溶解性化学需氧量SCOD为127.26mg/L，主要由26.40mg/L蛋白质和16.07mg/L糖类组成。
破解过程及结果：以Ca(OH)2单独破解该剩余污泥，加入0.05mol/L氢氧化钙并搅拌60min后，剩余污泥pH为12.02，SCOD为2008.77mg/L，其中溶解性蛋白质浓度为915.62mg/L，溶解性糖类浓度为171.92mg/L，污泥破解率为6.35 %，同时污泥中正磷酸盐的浓度由初始21.95mg/L降低到5.22mg/L。
实施例2
某城镇污水处理厂产生的剩余污泥，其含水率为95.47%，pH为6.98，经测定剩余污泥中总固体含量为36.06g/L，悬浮物固体质量浓度为29.31g/L，挥发性固体悬浮物VSS为22.24g/L。剩余污泥中总的化学需氧量TCOD为28794.68mg/L，其中溶解性化学需氧量SCOD为111.59mg/L，主要由25.23mg/L蛋白质和14.39mg/L糖类组成。
破解过程及结果：以超声波单独作用破解该剩余污泥，超声波能量密度为0.08w/L，作用时间为30min，此时，剩余污泥中SCOD为631.47mg/L，其中溶解性蛋白质浓度为160.85mg/L，溶解性糖类浓度为54.66mg/L，污泥破解率为1.81%，同时污泥中正磷酸盐的浓度由初始24.47mg/L升高到27.47mg/L。
实施例3
某城镇污水处理厂产生的剩余污泥，其含水率为95.27%，pH为6.82，经测定剩余污泥中总固体含量为36.89g/L，悬浮物固体质量浓度为30.62g/L，挥发性固体悬浮物VSS为23.57g/L。剩余污泥中总的化学需氧量TCOD为29766.20mg/L，其中溶解性化学需氧量SCOD为127.26mg/L，主要由26.40mg/L蛋白质和16.07mg/L糖类组成。
破解过程及结果：加入0.02mol/L氢氧化钙并搅拌5min后，剩余污泥pH为10.31，SCOD为627.26mg/L，污泥破解率为1.69%。与氢氧化钙充分混合的污泥继续运用超声波进行破解，超声波能量密度为0.04kw/L，超声波作用时间为60min。此时，剩余污泥中SCOD为1875.75mg/L，污泥破解率为5.90%，同时污泥中正磷酸盐的浓度由初始21.95mg/L降低到10.02mg/L。
实施例4
某城镇污水处理厂产生的剩余污泥，其含水率为95.27%，pH为6.82，经测定剩余污泥中总固体含量为36.89g/L，悬浮物固体质量浓度为30.62g/L，挥发性固体悬浮物VSS为23.57g/L。剩余污泥中总的化学需氧量TCOD为29766.20mg/L，其中溶解性化学需氧量SCOD为127.26mg/L，主要由26.40mg/L蛋白质和16.07mg/L糖类组成。
破解过程及结果：加入0.05mol/L氢氧化钙并搅拌5min后，剩余污泥pH为12.22，SCOD为1912.18mg/L，其中蛋白质浓度为890.87mg/L，糖类浓度为130.14mg/L，污泥破解率为6.02%。与氢氧化钙充分混合的污泥继续运用超声波进行破解，超声波能量密度为0.06kw/L，超声波作用时间为30min。此时，剩余污泥中SCOD为2751.92mg/L，其中溶解性蛋白质浓度为1385.80mg/L，溶解性糖类浓度为217.81mg/L，污泥破解率为8.86%，同时污泥中正磷酸盐的浓度由初始21.95mg/L降低到4.62mg/L。
实施例5
某城镇污水处理厂产生的剩余污泥，其含水率为95.47%，pH为6.98，经测定剩余污泥中总固体含量为36.06g/L，悬浮物固体质量浓度为29.31g/L，挥发性固体悬浮物VSS为22.24g/L。剩余污泥中总的化学需氧量TCOD为28794.68mg/L，其中溶解性化学需氧量SCOD为111.59mg/L，主要由25.23mg/L蛋白质和14.39mg/L糖类组成。
破解过程及结果：加入0.04mol/L氢氧化钙并搅拌5min后，剩余污泥pH为12.12，SCOD为1839.81mg/L，其中蛋白质浓度为804.26mg/L，糖类浓度为132.88mg/L，污泥破解率为6.15%。与氢氧化钙充分混合的污泥继续运用超声波进行破解，超声波能量密度为0.08kw/L，超声波作用时间为15min。此时，剩余污泥中SCOD为2474.23mg/L，其中溶解性蛋白质浓度为1262.06mg/L，溶解性糖类浓度为154.80mg/L，污泥破解率为8.41%，同时污泥中正磷酸盐的浓度由初始24.47mg/L降低到4.34mg/L。
实施例6
某城镇污水处理厂产生的剩余污泥，其含水率为95.47%，pH为6.98，经测定剩余污泥中总固体含量为36.06g/L，悬浮物固体质量浓度为29.31g/L，挥发性固体悬浮物VSS为22.24g/L。剩余污泥中总的化学需氧量TCOD为28794.68mg/L，其中溶解性化学需氧量SCOD为111.59mg/L，主要由25.23mg/L蛋白质和14.39mg/L糖类组成。
破解过程及结果：加入0.03mol/L氢氧化钙并搅拌5min后，剩余污泥pH为11.66，SCOD为1466.14mg/L，其中蛋白质浓度为692.90mg/L，糖类浓度为89.04mg/L，污泥破解率为4.82%。与氢氧化钙充分混合的污泥继续运用超声波进行破解，超声波能量密度为0.10kw/L，超声波作用时间为45min。此时，剩余污泥中SCOD为4653.39mg/L，其中溶解性蛋白质浓度为2227.17mg/L，溶解性糖类浓度为275.34mg/L，污泥破解率为16.17%，同时污泥中正磷酸盐的浓度由初始24.47mg/L降低到16.96mg/L。
结合以上实施例可以看出，实施例1和实施例2是分别单独利用氢氧化钙或低能量密度超声波破解剩余污泥的方法，它们单独施用的效果相对两者联合作用的效果较差，尤其是仅用超声波进行剩余污泥破解时，正磷酸盐的浓度没有下降反而上升了，影响水质。
结合实施例3、4、5、6可以看出，在对剩余污泥的破解过程中，氢氧化钙的用量、超声波的能量密度及作用时间都对破解效果产生影响，剩余污泥破解程度与氢氧化钙投加量增加呈现先增加后减小的关系；对于同条件的剩余污泥，同一氢氧化钙投加量下，随低能量密度超声波能量密度增大和协同破解时间延长，污泥胞外聚合物和污泥中微生物的破坏程度逐渐增大，溶解性有机物浓度越高；氢氧化钙用量的增加对正磷酸盐的浓度有着直接的影响。
由此可以看出，本发明能够大大提高污泥水解速率，缩短污泥后续处理的时间，能够为污泥厌氧产酸、产气提供大量发酵底物，达到污泥资源化的目的，并且能够控制磷酸盐的浓度及回收磷元素，具有环保节能，省时省料的优势。
Claims (8)
1.一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，以城市污水处理厂产生的剩余污泥为原料，其具体步骤为：
步骤1：向待处理的剩余污泥中投加一定量的氢氧化钙，将所述氢氧化钙与所述剩余污泥迅速搅拌，混合均匀；
步骤2：利用低能量密度超声波对步骤1所产生的剩余污泥和氢氧化钙的混合物进行联合破解。
2.根据权利要求书1所述一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，其特征是：步骤1中，所述氢氧化钙的投加量相对于所述剩余污泥（以质量计）为0.02mol/L～0.05mol/L。
3.根据权利要求书2所述一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，其特征是：步骤1中，所述氢氧化钙的投加量相对于所述剩余污泥（以质量计）为0.02mol/L、0.03mol/L、0.04mol/L或0.05mol/L。
4.根据权利要求书1所述一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，其特征是：步骤1中，所述氢氧化钙与所述剩余污泥的混合搅拌时间为5分钟，搅拌速度为80rpm。
5.根据权利要求书1所述一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，其特征是：步骤2中，联合破解所述剩余污泥所用低能量密度超声波的声能密度为0.04 kw/L～0.10kw/L，作用时间为5min～60min，波频率为20kHz，处理器形式为槽式超声波清洗装置。
6. 根据权利要求书5所述一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，其特征是：所述低能量密度超声波的能量密度为0.04kw/L、0.05kw/L、0.06kw/L、0.07kw/L、0.08kw/L、0.09kw/L或0.10kw/L中的任意一种。
7.根据权利要求书5所述一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，其特征是：所述低能量密度超声波的作用时间为15min～60min。
8.根据权利要求书5或7所述一种低能量密度超声波与氢氧化钙联合破解剩余污泥的方法，其特征是：所述低能量密度超声波的作用时间为15 min、20 min、25 min、30 min、35min、40min、45min、50min、55min或60min。
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