CN104010973A - 废水污泥的微波处理 - Google Patents

Abstract

本发明提供使用微波辐射处理污泥以改进其脱水的方法。在一个实施例中，所述方法包括以约3W/ml到约17W/m1的功率密度将所述污泥暴露于微波辐射中。当将所述微波辐射与另一种污泥脱水方法相结合时，例如，与酶处理、使用絮凝剂调节以及机械脱水相结合时，浊度、总固体含量和总脱水能力得以提高。

Description

废水污泥的微波处理

技术领域

本说明书中公开的主题大体上涉及废水污泥处理，在一个方面中，涉及提高污泥的脱水效率。

背景技术

由于垃圾填埋空间日益有限而燃料成本不断提高，通过垃圾填埋或焚化进行污泥处理的成本也不断提高，因此废水处理厂(WWTP)需要提高废水污泥的脱水效率。有效的污泥处理系统旨在用最低成本实现最大脱水。

在脱水过程中，污泥需要经历多个步骤以将水与污泥的固体含量分离。污泥可以通过与化学调节和/或絮凝剂混合宋“进行调节”，以实现污泥中固体的凝结，从而促进分离。固体通过诸如重力带、带式压滤机、离心机等装置与水机械分离。脱水过程旨在提高每单位污泥中的固体含量，从而减少即将通过垃圾填埋或其他方式处理的污泥量。

但是即使在脱水过程之后，污泥饼仍然主要由水构成。污泥从外观上看来是干燥的，但是却包含大量的水，这些水被束缚在污泥内的细菌分泌的凝胶状聚合材料内，同时在包含在细菌细胞本身内。尽管非常需要除去这些水，但是难以实现。

众所周知，水通过污泥中所含微生物分泌到所在环境中的胞外聚合性物质(EPS)、高分子量化合物而结合到污泥中。蛋白质类和多糖类构成EPS的主要成分，其中也包含核酸、腐植酸、凝集素、脂类和其他聚合物。根据各类文献中的估值，EPS以及与其结合的水构成生物薄膜和生物污泥的大部分质量，其代表大于细菌本身质量的质量部分。一个来源称，EPS通常占50％到90％的生物薄膜质量，而细胞占剩余的10％到50％。分裂和降解EPS可能是一种改进废水污泥的脱水特性的有利方法。

对含有悬浮有机固体的城市和工业污泥进行脱水处理时，通常将污泥与一种或多个化学试剂混合以引起固体的凝结或絮凝，然后使用机械装置将其与水分离。

迄今为止，人们已使用酶催方法、化学方法和热学方法来促进从污泥絮凝物释放水，均获得了不同程度的成功。污泥絮凝物是复杂且动态的凝聚体，主要包含EPS基质以及嵌入该基质中的微生物，它们均能够影响污泥的脱水特性。此外，人们也已研究通过微波辐射法来改进降解EPS和/或改变污泥絮凝物的机械和/或化学完整性的脱水能力。污泥固液分离的一个挑战在于，若充分断裂水分子与EPS基质之间的结合而不破坏微生物本身，可能实际上导致污泥中的水含量增加，而不会改进脱水。

需要确定一种改进的污泥处理方法以用于废水处理中，该方法能够断裂污泥的水结合能力和/或机械整体性，从而改进脱水能力。增加污泥饼固体的能力将提供多种财务和运营优势，包括：1)减少需要工厂处理以及垃圾填埋或应用的脱水污泥量，2)降低从WWTP移除污泥的托运成本，3)减少需要通过焚化蒸发的水量，以及4)获得更浓缩的污泥以在蒸炼器中进行二级处理。

发明内容

一方面，本发明提供一种废水处理方法。所述方法包括：在约3W/ml到约17W/ml的功率密度(每毫升污泥的瓦特数)下，更有利地在约7W/ml到约13W/ml的功率密度下，更有利地在约10W/ml的功率密度下，将废水处理工艺或设施中的污泥暴露于微波辐射中。将污泥暴露于微波辐射中的持续时间为约1秒到约60秒，更有利地为约5秒到约50秒，更有利地为约10秒到约30秒。

在一些实施例中，执行微波辐射的频率在约0.4GHz到约6GHz的范围内，更有利地，在约0.915GHz到约2.45GHz的范围内。

另一方面，所述污泥处理方法包括：将微波辐射处理与用于污泥脱水中的至少一种额外的方法相结合，所述方法包括但不限于：例如，进行酶处理或者使用聚合电解质絮凝剂进行处理。在一些实施例中，所述酶为淀粉酶。

另一方面，所述方法包括：基本上在暴露于微波辐射中的同时，对所述污泥执行机械脱水。

又一方面，本发明涉及一种污泥脱水方法，所述方法基本上按顺序包括以下步骤：a)添加构成糖苷荚膜多糖水解活性的有效量的酶成分，以形成经酶处理的污泥，以及b)以约3W/ml到约17W/ml的功率密度，将所述经酶处理的污泥暴露于微波辐射中。在一些实施例中，所述方法进一步包括c)使用所属领域中的技术人员已知的方法，将经辐射的污泥暴露于机械脱水中。

通过结合附图阅读以下对本发明多个方面的详细描述，可以清楚地了解本发明的这些和其他目标、特征和优势。

附图说明

图1是一副图表，其中示出了微波辐射对污泥浊度的影响。

图2是一幅图表，其中示出了对已暴露于微波辐射中的污泥样本执行重力排水测试的结果。

图3相对于未经处理的样本，示出了已暴露于微波辐射中的污泥样本的顶部压滤脱水的结果。

图4示出了经过多个处理之后，污泥样本中的总固体百分数比较。

图5示出了一种带式压滤设备，用于将污泥暴露于微波辐射中，同时基本上同时从经辐射的污泥中压榨出水。

图6示出了一种带式/压滤设备，用于将污泥暴露于微波辐射中，同时基本上同时从经辐射的污泥中压榨出水。

图7示出了一种带式压滤/离心设备，用于将污泥暴露于微波辐射中，同时基本上同时从经辐射的污泥中压榨出水。

图8示出了一种带式压滤/离心设备，用于将污泥暴露于微波辐射中，同时基本上同时从经辐射的污泥中压榨出水。

具体实施方式

本发明总体上涉及一种用于处理废水污泥的方法。具体来说，本发明涉及一种通过以约3W/ml到约17W/ml的功率密度将污泥暴露于微波辐射中宋改进生物污泥(包括，但不限于，HPI污泥)的脱水能力的方法。在一个实施例中，需要以约7W/ml到约13W/ml的功率密度来执行微波辐射。在另一个实施例中，对污泥执行微波辐射的功率密度是约10W/ml。

发明人已发现，在该功率密度执行微波辐射能够促使残余水与污泥分离，从而在使用絮凝聚合物调节污泥时，浊度得到提高并且所获得的排水得到大幅改进。因此，微波处理能够在一开始提高污泥的浊度/絮凝，并且提高沉降能力。在一个实施例中，微波处理在时间上与机械脱水相结合，以利用增强的凝结效果。

污泥是水、矿物质和有机物质、蛋白质和多糖(统称为胞外聚合性物质或EPS)以及微生物的复杂混合物。通过污泥的活性成分与无机成分之间的复杂化学和静电作用，水得以固留在污泥中。

污泥的EPS浓度和颗粒大小是污泥脱水能力的关键因素。起初，提高污泥中的EPS的浓度可能会产生高度絮凝，从而改进脱水能力特性。当达到最佳絮凝和反絮凝平衡时，进一步提高EPS浓度只能恶化污泥脱水能力。

研究表明，在微波辐射期间，将EPS成分结合在一起的极弱静电力作用将断裂，而该静电力作用对污泥絮凝物的胶态稳定性至关重要。但是，研究表明，在特定功率和接触时间下对污泥进行微波辐射不仅能够破坏絮凝物，而且还能够完全破坏污泥的细胞成分，从而将细胞中的细胞内物质和额外的水释放到水相中。一种此类研究发现，改进污泥脱水能力的最佳接触时间为60秒，最佳微波功率密度为2.25W/ml。

发明人意外地发现，能够通过以当前尚未报告的功率密度和接触时间将污泥暴露于微波辐射中来改进污泥脱水能力。此外，当结合其他调节方法时，微波效果得以增强，所述方法包括但不限于聚合电解质调节、酶处理、同步机械脱水或这些项的组合。

使用本发明的方法，通过在特定功率密度下将生物污泥相对较短时间地，即不到一分钟，暴露于微波辐射中，所述生物污泥的脱水能力能够提高，所述功率密度在约3W/ml到约17W/ml的范围内，更有利地在约7W/ml到约13W/ml的范围内，更有利地为约10W/ml。

可以需要在脱水过程的任意阶段中单一暴露于微波辐射中。或者，可以在该过程中的多个点使用微波辐射对污泥进行处理。在一个实施例中，可以对沉淀的污泥进行微波辐射，然后使用带式压滤机对其进行脱水。再如，可以将经过带式压滤机处理的污泥饼供给到微波设备中，然后输送到二次脱水工艺。所属领域中的技术人员将认识到，潜在构造的非限定性实例仅用于说明。

可以使用微波频率在约0.4GHz到约6GHz的范围内，更有利地在约0.915GHz到约2.45GHz的范围内的商用微波装置来对污泥进行微波辐射。

所述微波装置可以用于释放适当剂量的辐射的任意构造中。在一些实施例中，可能需要进行改造以适用于特定应用或工作流。在一些情况下，可能需要使用部件材料、接触时间和/或微波功率(或其他特性)与传统装置不同的替代设计。例如，如果在基于压力的脱水过程(例如，压滤机或带式压滤机)的同时执行微波辐射，则需要将机械脱水装置并入微波装置中。此外，需要在压滤机或者其他机械脱水装置的部件中使用不吸收微波的材料，例如，聚四氟乙烯。

微波辐射可以为连续波(污泥样本经历的电磁场振幅可能随微波功率电平的不同而不同)或者脉冲。污泥辐射可以作为连续过程或者以批量模式执行。根据污泥性质和所需的最终结果来调整功率电平和暴露时间；污泥性质的一些实例包括固体含量、生物质的EPS/细胞比例、需氧污泥与厌氧污泥之比、污泥龄、使用生物质处理的废水类型。

微波频率可以对辐射效率以及渗透到材料中的深度起重要作用。本说明书中公开的方法涵盖从约0.4GHz到约6GHz的微波频率；基于其商用性，在约0.915GHz到约2.45GHz范围内的频率可能较为有利。

酶调节

淀粉酶是一组酶，使用淀粉酶催化淀粉和其他直链和支链多糖的水解在所属领域中是公知的，并且常规用于污泥的废水处理中。相关调节剂包括其他基于酶的制备品，例如由废物消化酶和所选的天然菌株构成的粉末。当用于废水处理系统中时，这些制备品提供能够在废水处理中产生酶的水解酶和天然菌株集中来源。此外，在改变防止水从污泥中释放的化学作用时，可以使用其他酶，包括但不限于核酸酶、蛋白酶、脂肪酶等。

絮凝剂

可以与本发明中的微波处理相结合的其他调节方法包括，但不限于，添加试剂以促进凝结、絮凝和离子交换，从而促进水与污泥分离。聚合电解质絮凝剂是用于改进污泥脱水能力的试剂的一个实例。所属领域中的技术人员还了解许多其他试剂。

在一些实施例中，可能需要确定污泥起始物料的含水量。可以根据所属领域中公知的标准方法来确定水量，以建立基准值。随后，在1秒到40秒的时间段内，以3W/ml到17W/ml的功率密度，将废水污泥暴露于在约0.4GHz到约6GHz的频率范围内，更优选地，在约0.915GHz到约2.45GHz的频率范围内的微波中。

在一个实施例中，使用酶成分对污泥进行处理，然后将其暴露于约100W到约300W的微波辐射中约1秒到约45秒，更优选地，约10秒到约30秒。酶成分包括淀粉酶以及至少一个其他酶，例如蛋白酶、脂肪酶和核酸酶。

在机械脱水的同时进行微波辐射

一方面，例如，通过在微波辐射之前和/或之间和/或之后压缩污泥，污泥的微波辐射基本上与机械脱水同时进行。用于实践本发明方法的废水处理设备将包括腔，在所述腔中，污泥以适当的功率并且在所需的时间内暴露于微波辐射中。此外，所述微波腔包括脱水装置，以便脱水与微波处理基本上同时进行。

通常，通过传送系统将废料引入处理设备中。废物处理系统的实施例如图5到图7所示，所述废物处理系统提供了至少一个传送器，用于将待处理的废料输送到微波腔中。传送器的部件通常包括传送带、第一滚轮和第二滚轮。对于位于微波腔外部的传送器，所述传送带可以由任意柔性和弹性材料制成。胶乳、硅酮、聚氨酯、橡胶、塑料和尼龙是可用于制造传送带的材料实例。

位于微波腔外部的传送带滚轮可以通过相关领域中公知的任意方式构造，包括，但不限于，以下项中的任意项的组件：圆盘、轴杆、滚轮轴承和滚珠轴承。

对于微波腔内部的传送器，针对传送器的部件对材料进行适当调整。

传送器可以是具有电动机的变速传送带，所述电动机由控制器进行控制，在所述控制器中，可以调整废料的进料速率。除了传送器以外，可以使用所属领域中已知的多种装置来引入废料。

在一个实施例中，通过重力以及挤出水的预压紧带预先排放的污泥进入脱水设备的微波腔中，在所述微波腔中，污泥暴露于约100W到约500W的微波辐射中约10秒到60秒。辐射期间，污泥同时受到两个滚轮挤压。过量水分落到下方的网状带上，从而排出。滚轮由微波透明材料制成，进出所述腔的传送带也是如此。滚轮在所述腔的每一侧向外突出，并且得到适当的支撑(参见图5)。

在一个实施例中，废物处理系统提供了传送器或其他装置，用于将待处理的污泥输送到微波腔或槽中，在所述微波腔或槽中，对污泥进行辐射，同时在活塞和压板等之间对其进行压缩。活塞和压板由微波透明材料制成，进出所述腔的传送带也是如此(参见图6)。过量水分从腔的底部排出。将压板及其支架连接起来的销在所述腔的每一侧上向外突出。进入微波腔之前，可以通过重力和/或挤出水的预压紧带排出污泥。辐射/脱水之后，在允许水通过的网上将污泥带走。

联合式微波辐射和脱水的另一个实施例如图7所示。在进入微波腔时，污泥落到具有网状底部的旋转桶中。随着桶的旋转，水与污泥分离，过量水分冲击墙壁，然后排放到下方的网状带上，从而排出。桶与网状底部与微波透明材料制成。所述桶由在腔的每一侧上向外突出并且得到适当地支撑和旋转的杆支撑。

本说明书使用了以下实例来说明本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域的技术人员想出的其他实例。

实例

实例1

在多个玻璃试管中的每个玻璃试管内等分三十(30)ml的二级需氧污泥；随后将这些样本分为控制和处理组。单模微波系统用于在200W到300W下辐射所述污泥样本10秒、20秒和30秒。所用的微波系统是连续波；功率和电场相应地调整。监控正向功率和反射功率；使用调谐短截线来最小化反射功率。

在以300W进行微波辐射20s和30s期间，样本的最高温度分别达到约50℃到60℃和70℃到80℃。

辐射处理之后，允许经处理的污泥样本和未处理的污泥样本沉降45秒。使用标准方法，随后评估样本的浊度。将污泥样本暴露于300W(10W/ml)中20秒之后，水与污泥显著分离(结果如下表1和图1所示)。

表1

20s MW	101.7
		20s MW	91.34
30s MW	753.3
		30s MW	578
控制	927.1
		控制	906.4

实例2

如实例1所述将污泥样本暴露于微波辐射中。暴露于微波中10秒、20秒或30秒之后，将污泥样本与絮凝聚合物，CE2694(GE水)混合，以达到100ppm的最终浓度。根据所属领域中已知的方法进行重力排水测试，并且确定20秒排出的水量。相对于未暴露于微波中的控制样本，从已暴露于微波中的样本中排出的水量增加了40％或以上。结果如图2所示。

实例3

如实例1所述将污泥样本暴露于微波辐射中。微波辐射和后重力排水之后，将污泥置于顶部压滤机中并脱水。分析脱水后的污泥饼的总固体量。相对于未辐射的控制样本，经微波辐射的污泥中的污泥固体百分数提高了至少1.5％。结果如图3所示。

实例4

向200ml未经辐射的污泥样本中添加取自制造商(Genencor)的3μl喜温淀粉酶；向1L未经辐射的污泥中添加100mg淀粉酶(非喜温)(Sigma)。允许经过淀粉酶处理的样本在37℃下反应。酶处理之后，将每个处理组中的污泥样本的一半暴露于微波辐射中，每次30ml，如实例1中所述。随后如实例2所述将所有样本用絮凝聚合物进行处理、进行重力排水和压滤，并且评估总固体百分数。结果如图4所示。

使用喜温淀粉酶处理并且暴露于微波辐射中的污泥样本并未显示出相对于控制样本的改进。另一方面，相对于所有其他处理组而言，使用非喜温淀粉酶处理并且暴露于微波辐射中的污泥样本的固体百分数意外地大幅提高，这表明微波辐射的水平未将温度充分升高到对提高脱水能力施加热效应的程度。

应了解，上述说明旨在进行说明而不限定。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此结合使用。此外，可以进行许多修改以使得特定情况或材料适用于多个实施例的教义，而不脱离这些实施例的范围。尽管本说明书中所述的材料大小和类型旨在定义多个实施例的参数，但是它们不以任何方式做出限定并且仅为示例性的。阅读上述说明之后，许多其他实施例对所属领域中的技术人员而言是显而易见的。因此，多个实施例的范围应相对于随附的权利要求书，以及这些权利要求所具有的等效物的完整范围确定。应了解，根据任意特定实施例并不一定能够实现上述的所有目标或优势。因此，例如，所属领域中的技术人员将认识到，实施和执行本说明书中所述的系统和技术可以实现或者优化本说明书中教示的一个优势或一组优势，而不一定实现本说明书中教示或建议的其他目标或优势。

本说明书中提及的所有出版物、专利案和专利申请案以全文引用方式并入本说明书中，以达到每个独立出版物或专利案得到特别和单独说明以便以引用方式并入的效果。如果出现冲突，本发明，包括本说明书中的任何定义，优先。尽管上文已结合有限数量的实施例来详细描述本发明，但是应清楚地了解到，本发明并不限于所公开的实施例。但是，本发明可以修改以并入未描述的任意数量的变化、改变、替代或等效布置，但是与本发明的精神和范围相符。此外，尽管已描述本发明的多个实施例，但是应了解，本发明的各方面可以仅包括一些上述实施例。因此，本发明并不视作受前述说明限制，而是仅受随附权利要求书的范围限制。

本说明书使用了各种实例来披露本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (21)

1.一种污泥处理方法，所述方法包括：

以约3W/ml到约17W/ml的功率密度将所述污泥暴露于微波辐射中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述微波辐射以约7W/ml到约13W/ml的功率密度执行。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述微波辐射以约10W/ml的功率密度执行。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述微波在约0.4GHz到约6GHz的频率范围内。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述微波在约0.915GHz到约2.45GHz的频率范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述污泥暴露于所述微波辐射中约1秒到约60秒。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述污泥暴露于所述微波辐射中约5秒到约50秒。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述污泥暴露于所述微波辐射中约10秒到约30秒。

9.根据权利要求1所述的方法，其中在暴露于微波辐射中之前，将酶与所述污泥混合。

10.根据权利要求1所述的方法，其中在微波辐射之后，将絮凝剂与所述污泥混合。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步通过机械装置对所述污泥进行脱水。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述污泥是生物污泥。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述酶是淀粉酶。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述微波辐射作为连续波辐射施加。

15.一种污泥脱水方法，所述方法大体按顺序包括：

a)添加构成糖苷多糖水解活性的有效量的酶成分，以形成经酶处理的污泥；以及

b)以约3W/ml到约17W/ml的功率密度将所述经酶处理的污泥暴露于微波辐射中。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：

c)将经辐射的污泥暴露于机械脱水中。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述微波辐射以约7W/ml到约13W/ml的功率密度执行。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述微波辐射以约10W/ml的功率密度执行。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述污泥暴露于微波辐射中约1秒到50秒。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述污泥暴露于微波辐射中约5秒到40秒。

21.根据权利要求15所述的方法，其中所述污泥暴露于微波辐射中约10秒到约30秒。