CN104496140B - 一种市政污泥生物沥浸的方法 - Google Patents

一种市政污泥生物沥浸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种市政污泥生物沥浸的方法。所述方法包括：步骤1、将粒径为10～40目石英砂先用1mol/L的H2SO4浸泡24h，然后用水洗至中性，在55℃下烘干并保存于干燥处；步骤2、预先单独接种驯化数株嗜酸性自养菌和数株耐酸性异养菌，然后将驯化后的嗜酸性自养菌和耐酸性异养菌混合均匀得到复合微生物，使其密度达到108cell/mL；步骤3、在存有含水率为97～99％市政污泥中，先后分别加入所述石英砂、所述复合微生物和市政污泥微生物营养剂，混合均匀后置于28℃、180r/min的振荡设备中振荡培养24～96h。本发明可以提高市政污泥污泥生物沥浸的效率。

Description

一种市政污泥生物沥浸的方法
技术领域
本发明涉及环境工程领域，特别是涉及一种市政污泥生物沥浸的方法。
背景技术
根据调研结果显示，我国污水处理厂所产生的污泥，有80％没有得到妥善处理，污泥随意堆放及所造成的污染与再污染问题已经凸显出来，并且引起了社会各界的关注。污泥不仅含水率高、易腐败、有恶臭，而且还含有大量的有毒化学物质和病原微生物，但同时也含有大量的有机质及氮、磷等植物养分。因此，实现脱水污泥的减量化、无害化和资源化是目前一项艰巨而紧迫的任务。
化学调理虽然可以显著的改善污泥的脱水性能，但大量无机物的引入将降低污泥干物质中有机物的含量，不利于污泥后期资源化利用。
目前，污泥生物沥浸技术已经得到推广工程化应用，根据污泥生物沥浸的机理，除了起主要作用的复合菌种要有较高的密度和活性外，加快污泥体系pH的下降速度和提高次生矿物的生成量将有利于提高污泥生物沥浸效率。
污泥生物沥浸中嗜酸性自养菌的主要功能菌种复合硫杆菌利用还原性硫的最佳pH范围为2～4，而对Fe2+的氧化可以在中性条件下迅速启动，因此，营养剂中掺入少量精黄铁矿或硫酸亚铁(约占10％)将有助于为还原性硫的氧化创造一个适宜的酸性环境，加速生物沥浸进程。促进氧化产物Fe3+向次生矿物转化将更有利于污泥体系初始pH的降低。
一般次生矿物的形成大致可以分为三步：(1)Fe2+氧化成Fe3+；(2)Fe3+水解形成矿物晶核；(3)晶核长大。因此，次生矿物的形成是一个新相生成的过程，因而一般存在诱导期，初始生成速率慢。
一般来说，高Fe3+浓度有利于次生矿物的生成，而在污泥生物沥浸体系中，由于供复合微生物利用的营养剂Fe2+含量较低，这导致生物沥浸过程中不利于次生矿物的大量、快速形成，也间接的降低污泥酸化速度，限制复合硫杆菌对还原性硫的利用，进一步影响整体生物沥浸进程。另一方面，若提高营养剂中Fe2+含量，势必会提高污泥生物沥浸运行成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种市政污泥生物沥浸的方法，以提高市政污泥污泥生物沥浸的效率。
为了解决上述问题，本发明公开了一种市政污泥生物沥浸的方法，包括：
步骤1、将粒径为10～40目石英砂先用1mol/L的H2SO4浸泡24h，然后用水洗至中性，在55℃下烘干并保存于干燥处；
步骤2、预先单独接种驯化数株嗜酸性自养菌和数株耐酸性异养菌，然后将驯化后的嗜酸性自养菌和耐酸性异养菌混合均匀得到复合微生物，使其密度达到108cell/mL；
步骤3、在存有含水率为97～99％市政污泥中，先后分别加入所述石英砂、所述复合微生物和市政污泥微生物营养剂，混合均匀后置于28℃、180r/min的振荡设备中振荡培养24～96h；
其中，加入的石英砂的质量为所述市政污泥体积的1～6％，加入的复合微生物的体积为所述市政污泥体积的10％，加入的市政污泥微生物营养剂的质量为所述市政污泥体积的1～4％。
优选地，所述的石英砂粒径优选30～40目，进一步优选40目。
优选地，所述市政污泥含水率为98.5～99％。
优选地，所述的石英砂的质量为所述市政污泥体积的4％。
优选地，所述的营养剂的质量为所述市政污泥体积的2％。
优选地，所述的振荡培养时间为36h。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
在现有生物沥浸的基础上，提供一种进一步提高市政污泥生物沥浸效率的方法，具体通过将粒径为10～40目石英砂先用1mol/L的H2SO4浸泡24h，然后用水洗至中性，在55℃下烘干并保存于干燥处；预先单独接种驯化数株嗜酸性自养菌和数株耐酸性异养菌，然后将驯化后的嗜酸性自养菌和耐酸性异养菌混合均匀得到复合微生物，使其密度达到108cell/mL；在存有含水率为97～99％市政污泥中，先后分别加入所述石英砂、所述复合微生物和市政污泥微生物营养剂，混合均匀后置于28℃、180r/min的振荡设备中振荡培养24～96h；其中，加入的石英砂的质量为所述市政污泥体积的1～6％，加入的复合微生物的体积为所述市政污泥体积的10％，加入的市政污泥微生物营养剂的质量为所述市政污泥体积的1～4％。
通过上述步骤，本发明的特点和有益效果如下：
(1)所选硅酸盐晶种为石英砂，主要成分SiO2，其特点是坚硬、耐磨、价格低廉、化学性能稳定，属非危险化学品，不会造成二次污染。
(2)所选石英砂比重大，生物沥浸中停止振荡或曝气后便迅速沉降在反应器底端，有利于污泥和石英砂短时间内分离。
(3)生物沥浸初期，市政污泥体系中预先添加少量石英砂有助于缩短生物沥浸达到终点(污泥比阻最低值对应时间点)所需时间和进一步提高污泥脱水性能。
(4)污泥经生物沥浸后，石英砂表面粘附的少量次生矿物或残留污泥颗粒可预先用自来水冲洗，再采用H2SO4浸泡后用自来水清洗至中性，烘干后可进行重复循环利用，可以大大节约污泥处理成本。
附图说明
图1是本发明的一种精对苯二甲酸污泥的生物沥浸方法实施例的流程图；
图2是本发明实施例的晶种对市政污泥生物沥浸过程pH影响示意图；
图3是本发明实施例的晶种对市政污泥生物沥浸过程脱水性能影响示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
国内外研究者在采用物理、化学方法提高城市污泥脱水性能方面做了大量的研究，主要包括水热调理、微波调理、超声调理及化学调理等。虽然上述方法对污泥的脱水性能有一定程度的改善，但也存在很大的弊端。例如，水热调理后污泥脱水的滤液中含有大量的化学需氧量COD与氨氮，化学调理虽然可以显著的改善污泥的脱水性能，但大量无机物的引入将降低污泥干物质中有机物的含量，不利于污泥后期资源化利用。
相比于传统的物理、化学方法，市政污泥经生物沥浸后可在不添加任何絮凝剂的条件下，直接机械脱水至含水率60％以下，消除恶臭且对有机质含量没有影响，这对大幅度减少污泥产量和有效解决污泥后续处置问题提供了非常好的途径。
市政污泥生物沥浸专用微生物是复合菌群，主要工作菌是数株嗜酸性自养菌和耐酸性异养菌，主要工作原理是通过耐酸性异养菌的代谢作用快速降解污泥中对嗜酸性自养菌有毒害和抑制作用的小分子水溶性有机物，使嗜酸自养菌能更高效的利用市政污泥微生物营养剂(含N、P、K、S、Ca、Mg、Fe、Si等元素及少量表面活性剂)中的能源物质和合成自身细胞结构的营养元素，通过微生物作用打破原始污泥稳定结构，使得污泥部分结合水向自由水转变，从而改善污泥的沉降和脱水性能。
污泥生物沥浸是一个微生物学过程，其促进污泥脱水性能提高的机制主要包括三个方面：(1)微生物替代效应：随着生物沥浸进行，生物沥浸复合微生物逐步替代原始污泥中活性污泥菌体，从而打破原有污泥体系菌胶团，将部分毛细结合水转换成自由水而释放出来；同时，个体较小的嗜酸性自养菌相对异养菌会分泌更少的具有亲水性的胞外多聚物(EPS)，从而改善脱水性能；(2)生物酸化效应：生物沥浸复合微生物通过对营养物质的利用促使污泥体系pH下降，污泥表面负电荷被H+中和至近电中性，使得污泥相互排斥力减弱，促进污泥聚沉和脱水；(3)二价阳离子及次生矿物效应：污泥本身含有以及营养剂中少量的Mg、Ca、Fe等二价阳离子中和污泥颗粒表面负电荷，同时Fe2+在微生物作用下氧化生成具有絮凝作用的Fe3+会进一步水解，同污泥和营养剂中K、N等营养元素共同作用生成羟基硫酸铁(如施氏矿物、黄铁矾等)等次生矿物，降低污泥压缩系数而改善污泥脱水效果。
从上述机理可以看出，除了起主要作用的复合菌种要有较高的密度和活性外，加快污泥体系pH的下降速度和提高次生矿物的生成量将有利于提高污泥生物沥浸效率。虽然有研究表明，生物沥浸形成的次生矿物会对溶液中重(类)金属存在吸附和共沉淀的作用从而降低污泥重金属浸出率。而市政污泥不同于制革、电镀等污泥，其重金属含量一般不会超标，生物沥浸主要目标是实现污泥深度脱水而有利于后续资源化利用，因此，次生矿物的形成对其只有利而无弊。
污泥生物沥浸所需嗜酸性自养菌的主要功能菌种中包括复合硫杆菌，因此营养剂中存在硫代硫酸钠、改性硫粉等还原性硫作为主要能源物质，约占营养剂的40％。嗜酸性硫杆菌利用还原性硫的最佳pH范围为2～4，而对Fe2+的氧化可以在中性条件下迅速启动，因此，除了N、P、K、Ca、Mg等其它营养和微量元素外，营养剂中还需掺入少量精黄铁矿或硫酸亚铁(约占营养剂的10％)，为还原性硫的氧化创造一个适宜的酸性环境，加速生物沥浸进程。该过程主要反应式如下：
8Fe3++14H2O+SO4 2-→Fe8O8(OH)6SO4(施氏矿物)+22H+ (2)
M++3Fe3++2SO4 2-+6H2O→MFe3(SO4)2(OH)6(黄铁矾)+6H+ (3)
反应式中M+表示污泥本身或营养剂中含有的K+、NH4 +等一价阳离子。
由此可见，加速Fe2+氧化(耗酸少)和提高Fe3+水解成矿(产酸多)存在两大优点：一是产酸将有助于复合硫杆菌对还原性硫的充分利用，进而提高污泥后续酸化速度；二是次生产物的增多将有助于污泥脱水性能的进一步提高。
但实际情况中，次生矿物的形成是一个新相生成的过程，因而一般存在诱导期，初始生成速率慢。高Fe3+浓度有利于次生矿物的生成，但在污泥生物沥浸体系中Fe2+含量较低，导致生物沥浸过程中不利于次生矿物的大量、快速形成，也间接的降低污泥酸化速度，限制复合硫杆菌对还原性硫的利用，进一步影响整体生物沥浸进程。另一方面，若提高营养剂中Fe2+含量，势必会提高污泥生物沥浸运行成本。
因此，通过合适的方法对现有生物沥浸技术的改进来达到上述效果，这对进一步提高市政污泥生物沥浸效率具有重要意义。
参见图1给出了本发明的一种市政污泥生物沥浸的方法实施例的流程图，包括：
步骤1、将粒径为10～40目石英砂先用1mol/L的H2SO4浸泡24h，然后用水洗至中性，在55℃下烘干并保存于干燥处。
具体的，可以采用自来水或去离子水等各种水冲洗至中性，在55℃烘箱烘干并保存于干燥箱中备用。
步骤2、预先单独接种驯化数株嗜酸性自养菌和数株耐酸性异养菌，然后将驯化后的嗜酸性自养菌和耐酸性异养菌混合均匀得到复合微生物，使其密度达到108cell/mL。
步骤3、在存有含水率为97～99％市政污泥中，先后分别加入所述石英砂、所述复合微生物和市政污泥微生物营养剂，混合均匀后置于28℃、180r/min的振荡设备中振荡培养24～96h。
具体的，可以在存有含水率97～99％市政污泥的三角瓶中，先后分别加入步骤1所得的石英砂、步骤2所得的复合微生物和市政污泥微生物营养剂，混合均匀后将三角瓶置于28℃、180r/min摇床中振荡培养24～96h，定时测定污泥脱水性能相关指标。
其中，加入的石英砂的质量为所述市政污泥体积的1～6％，加入的复合微生物的体积为所述市政污泥体积的10％，加入的市政污泥微生物营养剂的质量为所述市政污泥体积的1～4％。
本发明实施例中，优选地，所述的石英砂粒径优选30～40目，进一步优选40目。
本发明实施例中，优选地，所述市政污泥含水率为98.5～99％。
本发明实施例中，优选地，所述的石英砂的质量为所述市政污泥体积的4％。
本发明实施例中，优选地，所述的营养剂的质量为所述市政污泥体积的2％。
本发明实施例中，优选地，所述的振荡培养时间为36h。
通过上述步骤，本发明的特点和有益效果如下：
(1)所选硅酸盐晶种为石英砂，主要成分SiO2，其特点是坚硬、耐磨、价格低廉、化学性能稳定，属非危险化学品，不会造成二次污染。
(2)所选石英砂比重大，生物沥浸中停止振荡或曝气后便迅速沉降在反应器底端，有利于污泥和石英砂短时间内分离。
(3)生物沥浸初期，市政污泥体系中预先添加少量石英砂有助于缩短生物沥浸达到终点(污泥比阻最低值对应时间点)所需时间和进一步提高污泥脱水性能。
(4)污泥经生物沥浸后，石英砂表面粘附的少量次生矿物或残留污泥颗粒可预先用自来水冲洗，再采用H2SO4浸泡后用自来水清洗至中性，烘干后可进行重复循环利用，可以大大节约污泥处理成本。
以下通过具体的示例对本发明实施例所述方法中晶种对市政污泥生物沥浸进程影响进行验证。
1、供试材料的准备
(1)市政污泥生物沥浸复合微生物的扩大培养：分别在异养菌、自养菌液体培养基中单独接种驯化数株耐酸性异养菌和嗜酸性自养菌，使其密度分别达到108cell/mL，然后将其混合均匀，作为市政污泥生物沥浸接种物；
(2)供试石英砂预处理：将过40目的石英砂颗粒先用1mol/L的H2SO4浸泡24h，然后用自来水洗至中性，在55℃烘箱烘干并保存于干燥箱中备用；
(3)供试污泥：供试污泥取自江苏无锡某污水处理厂二沉池，经浓缩后含水率约为98.5％，其基本理化性质为：pH6.85；有机质(占干基)59.80％；总氮(占干基)2.87％；总磷(占干基)1.94％；污泥比阻(SRF)32.8×1012m/kg。
2、试验方法
在若干1000mL三角瓶中，预先加入450mL供试污泥和50mL复合微生物(即接种量为10％)，然后按供试污泥体积0、2、4、6％分别添加石英砂，最后按供试污泥体积0.4％添加市政污泥微生物营养剂，混合均匀后将三角瓶置于28℃、180r/min摇床中振荡培养96h，定时测定污泥pH和比阻SRF。
3、结果与讨论
在同批处理中，可以将污泥生物沥浸体系的pH当作Fe3+水解成矿比例和后续嗜酸性硫杆菌对还原性硫氧化程度的综合指标。
图2为本发明实施例中晶种对市政污泥生物沥浸过程pH影响示意图，图3为本发明实施例中晶种对市政污泥生物沥浸过程脱水性能影响示意图，通过污泥比阻SRF进行表征。
从图2可以推断出，外加石英砂的晶种刺激作用促进了污泥中Fe3+水解成矿沉淀和污泥酸化速度。添加量越多，促进作用越明显。将图2结合图3表明，通过外加石英砂来加快生物沥浸污泥酸化速度和促进次生矿物形成有助于缩短生物沥浸到达终点(污泥比阻SRF最低值对应的时间点)所需的时间和进一步提高污泥脱水性能，大幅度提高了市政污泥生物沥浸效率。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和部件并不一定是本发明所必须的。
以上对本发明所提供的一种市政污泥生物沥浸的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种市政污泥生物沥浸的方法，其特征在于，包括：
步骤1、将粒径为10～40目石英砂先用1mol/L的H2SO4浸泡24h，然后用水洗至中性，在55℃下烘干并保存于干燥处；
步骤2、预先单独接种驯化数株嗜酸性自养菌和数株耐酸性异养菌，然后将驯化后的嗜酸性自养菌和耐酸性异养菌混合均匀得到复合微生物，使其密度达到108cell/mL；
步骤3、在存有含水率为97～99％市政污泥中，先后分别加入所述石英砂、所述复合微生物和市政污泥微生物营养剂，混合均匀后置于28℃、180r/min的振荡设备中振荡培养24～96h；
其中，加入的石英砂的质量与所述市政污泥体积的比例为1～6％，加入的复合微生物的体积为所述市政污泥体积的10％，加入的市政污泥微生物营养剂的质量与所述市政污泥体积的比例为1～4％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的石英砂粒径优选30～40目。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述市政污泥含水率为98.5～99％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的石英砂的质量与所述市政污泥体积的比例为4％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的营养剂的质量与所述市政污泥体积的比例为2％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的振荡培养时间为36h。
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Denomination of invention: Method for bioleaching municipal sludge

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