CN104944570A - 污泥基活性炭质制备方法及其应用 - Google Patents

污泥基活性炭质制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种污泥基活性炭质制备方法，还公开了污泥基活性炭质的应用以及应用方法。本发明是一个令城市污水厂污泥零排放资源化、制备低廉与高效的污泥基活性炭质材料，并且回用于膜生物反应器强化城市污水处理效能与膜污染控制的方法。该方法充分利用城市污水厂中膜生物反应器工艺产生的污泥中含有的有机物质，通过一定的化学手段将剩余污泥制备成为具多孔结构的吸附材料；同时将污泥制备而成的吸附剂材料强化膜生物反应器工艺处理城市污水的去污效能、减缓膜污染，这既达到了废弃物的资源化利用，又实现了以废治废的目的，对城市污水处理与污泥处置技术具有深远的影响与非常高的利用价值。

Description

污泥基活性炭质制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及污泥基活性炭质制备方法及其应用。
背景技术
膜生物反应器工艺是一种集膜过滤与生物处理于一体的新型高效生物处理装置，具有工艺流程简单、占地面积小、基建投资少、运行费用较低、操作管理方便，而且出水水质优良、污泥停留时间和水力停留时间分离、便于自动化控制等优点。虽然膜生物反应器工艺存在以上的优点，也存在着一些不足，主要是反应器内较容易产生膜污染，导致系统处理污水能力下降，进而导致膜清洗周期频繁，投资与运行管理成本增高，从而阻碍膜生物反应器工艺的推广与应用。现今已研究了大量的方法来解决膜污染等问题，如投加粉末活性炭于膜生物反应器工艺；粉末活性炭-膜生物反应器工艺可以提高污水处理去污效能，减缓膜污染。投加粉末活性炭后的结果看似具有前景；但粉末活性炭投加量大且费用高，这提高了城市污水厂的运行成本，从而阻碍了其规模化应用。
随着经济的发展与人口数量的增长，污水的排放量与污水处理率的不断提高，使城市污水厂大规模地兴起，相应的污泥产量剧增。根据《中国污泥处理处置市场报告(2011版)》分析显示，我国污水处理厂所产生的污泥有80％没有得到妥善处理，污泥随意堆放所造成的污染与再污染问题已经凸显而出，引起了社会各界的关注。同时，根据政府规划，“十二五”期间我国污泥处理处置设施建设投资将达347亿元。现阶段，污泥处理的宗旨是使污泥的处置、经济的效益与环境保护之间达到一个平衡状态，而最佳的方法是对污泥进行资源化利用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有污水处理厂产生的剩余污泥量高而导致的环境二次污染问题，另外还解决了膜生物反应器污水处理过程中去污效能有限，膜污染严重而导致运行成本高的问题，为实现上述目的本发明的具体方案如下：
一种污泥基活性炭质制备方法，包括以下步骤：
1)城市污水进入膜生物反应器，在反应器内经生化反应后产生剩余污泥，然后剩余污泥经脱水到含水率为60％～80％，最后在101～105℃条件下烘干，其中膜生物反应器的膜孔径为0.01～0.1μm，水力停留时间是2～12h，活性污泥浓度为3～15g/L，污泥停留时间是10～60d，曝气气水比是5:1～30:1，溶解氧浓度是2～4mg/L；
2)烘干的污泥碾磨成50～200目后与酸类或者碱类或者盐类活化剂以质量比1:0.2～1：5混合，在常温下放置12～48h，再在100～110℃放置12～48h烘干，然后在高温400～1000℃、无氧或氮气环境下活化10～240min；
3)活化后产物碾磨成50～200目，再用1～3mol/L盐酸在常温下酸洗1～20min，然后用去离子水清洗至清洗后水的pH值为6.5～7.5；
4)水洗后产物在101～105℃条件下烘干，得到污泥基活性炭质。
优选的，所述步骤1)中膜生物反应器的抽吸压力是5～50kPa，膜通量是5～80L/m2·h，抽吸时间是5～15min；反冲洗时的膜通量为1.5～3倍抽吸时的膜通量，反冲洗时间为30～60s。
优选的，所述步骤1)中酸类活化剂为磷酸或盐酸或硫酸，碱类活化剂为氢氧化钾或氢氧化钠，盐类活化剂为氯化锌。
污泥基活性炭质在强化膜生物反应器城市污水处理去污效能与膜污染控制的方法，包括以下步骤：
由膜生物反应器产生的剩余污泥制备而成的污泥基活性炭质材料通过投加系统投加于膜生物反应器，其中膜生物反应器的膜孔径为0.01～0.1μm，水力停留时间是2～12h；活性污泥浓度为3～20g/L；污泥停留时间是10～60d，曝气气水比是5:1～30:1，溶解氧浓度是2～4mg/L；
待处理城市污水进入反应器内，经活性炭质材料的吸附与反应器内活性污泥生物协同处理，再经膜过滤后出水。
优选的，污泥基活性炭质材料以逐日投加法为膜生物反应器运行初期初次投加0.5～5g/L的污泥基活性炭质材料，并在运行过程中根据污泥龄情况，每天投加污泥基活性炭质材料来补充由于剩余污泥排出所导致的损失量。
优选的，污泥基活性炭质材料以逐月投加法为膜生物反应器运行初期投加5～20g/L的污泥基活性炭质材料，并在后续的每个月一次性投加0.5～1.5倍初次投加量的污泥基活性炭质材料。
优选的，所述膜生物反应器的抽吸压力是5～50kPa，膜通量是5～80L/m2·h，抽吸时间是5～15min；反冲洗时的膜通量为1.5～3倍抽吸时的膜通量，反冲洗时间为30～60s。
优选的，投加了污泥基活性炭质材料的膜生物反应器产生了剩余污泥，该剩余污泥含有一定量的污泥基活性炭质材料，将此剩余污泥再次制备成污泥基活性炭质材料，然后按将此污泥基活性炭质材料投加于膜生物反应器，以此强化去污效能与缓解膜污染，使整个工艺得以循环运行，达到膜生物反应器污泥零排放与强化污水去污效能、膜污染控制的目标。
本发明提供的污泥基活性炭质制备方法不仅解决了城市污水厂污泥量多，对环境极易造成二次污染的问题，而且污泥基活性炭质材料能形成高的比表面积与孔容体积，对污染物有较高的吸附作用。根据污泥基活性炭质的优良性能，能作为良好的吸附剂材料投加于膜生物反应器中，以此强化膜生物反应器的城市污水处理效能与膜污染控制。
投加于膜生物反应器后，污泥基活性炭质材料不仅对城市污水中的污染物有强大的物理吸附效果，使各种污染物去除率升高；而且活性炭质材料的存在增加了其表面吸附微生物、酶与有机物的可能性，这使微生物能更好地进行新陈代谢，从而使大量微生物繁殖于污泥基活性炭质材料表面。因此，污泥基活性炭质材料的吸附作用与其表面的生物作用协同作用于城市污水中的污染物，对城市污水中的污染物进行去除。
而且，污泥基活性炭质材料投于膜生物反应器后形成的生物污泥基活性炭质材料，通过吸附作用与絮凝作用，不断地在城市污水中消耗胶体状物质与胞外聚合物，降低膜污染，因为这些物质都是贴附于膜表面并且引起膜表面的污染物。另一方面，膜生物反应器中的生物絮体以污泥基活性炭质材料为核心的条件下将会更加密实，不易因曝气作用而破坏絮体结构而产生释放出引起膜污染的胞外聚合物，因此该方法能降低反应器内的膜污染。
总之，本发明是一个令城市污水厂污泥零排放资源化、制备低廉与高效的污泥基活性炭质材料，并且回用于膜生物反应器强化城市污水处理效能与膜污染控制的方法。该方法充分利用城市污水厂中膜生物反应器工艺产生的污泥中含有的有机物质，通过一定的化学手段将剩余污泥制备成为具多孔结构的吸附材料；同时将污泥制备而成的吸附剂材料强化膜生物反应器工艺处理城市污水的去污效能、减缓膜污染，这既达到了废弃物的资源化利用，又实现了以废治废的目的，对城市污水处理与污泥处置技术具有深远的影响与非常高的利用价值。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
膜生物反应器污泥零排放资源化污泥基活性炭质制备方法，按照以下步骤进行：
一、城市污水进入到膜生物反应器，经生化反应后产生剩余污泥；其中膜生物反应器的运行参数如下：1)膜组件为超滤膜，膜的类型是中空纤维膜或者管状膜或者平板膜，膜的材质为聚偏氟乙烯或者聚氯乙烯或者聚乙烯，膜的孔径为0.01～0.1μm；2)水力停留时间是2～12h(小时)，活性污泥浓度为3～20g/L，污泥停留时间是10～60d(天)；3)曝气作用是：一是对膜生物反应器内微生物供氧，二是对膜组件的膜丝进行冲刷清洗来降低膜污染程度，气水比是5:1～30:1，溶解氧浓度是2～4mg/L；4)抽吸压力是5～50kPa，膜通量是5～80L/m2·h，抽吸时间是5～15min；反冲洗时的膜通量为1.5～3倍抽吸时的膜通量，反冲洗时间为30～60s(秒)。
二、对膜生物反应器产生的剩余污泥进行化学活化制备污泥基活性炭质材料的过程如下：1)剩余污泥经脱水至含水率为60～80％，然后在烘干101～105℃条件下烘干；2)烘干后的污泥碾磨成50～200目后与酸类或者碱类或者盐类活化剂以质量比1:0.2～1：5混合，在常温下放置12～48h(小时)，再在100～110℃放置12～48h(小时)烘干，然后在高温400～1000℃、无氧或氮气环境下活化10～240min；3)活化后产物碾磨成50～200目后用1～3mol/L盐酸在常温下酸洗1～20min，然后用去离子水清洗至清洗后水的pH值为6.5～7.5；4)水洗后产物在101～105℃条件下烘干，得到污泥基活性炭质。
需要说明的是，生化反应的结果不影响剩余污泥制备污泥基活性炭质材料。而污泥基活性炭质材料依靠其巨大的比表面积与多孔结构，一方面通过物理、化学吸附作用吸附污水中的污染物，另一方面给微生物提供栖息地，促进微生物对污染物的降解与自身的繁殖。另外，膜生物反应器中的生物絮体以污泥基活性炭质材料为核心的条件下将会更加密实，不易因曝气作用而破坏絮体结构而产生释放出引起膜污染的胞外聚合物，因此该方法能降低反应器内的膜污染。
所以，本发明方法是强化膜生物反应器的污染物去除效能，并且减缓膜污染，延长膜的清洗周期，降低运行成本。
实施例2
污泥基活性炭质强化膜生物反应器城市污水去污效能与膜污染控制的应用，具体按照以下步骤进行：膜生物反应器运行初期初次投加2g/L的污泥基活性炭质材料，并在运行过程中每天投加适量的污泥基活性炭质材料，以补充由于剩余污泥排出所导致的损失量，由于污泥龄不同，每天排放的剩余污泥量不同，而导致每天的排放的污泥基活性炭质不同，因此应根据污泥龄的情况来补充每日污泥基活性炭质材料量。待处理城市污水进入反应器内，经污泥基活性炭质材料的吸附与活性污泥生物协同处理，再经膜过滤后出水。其中膜生物反应器的运行参数如下：1)膜组件为超滤膜，膜的类型是中空纤维膜或者管状膜或者平板膜，膜的材质为聚偏氟乙烯或者聚氯乙烯或者聚乙烯，膜的孔径为0.01～0.1μm；2)水力停留时间是2～12h(小时)，活性污泥浓度为3～20g/L，污泥停留时间是10～60d(天)；3)曝气作用是：一是对膜生物反应器内微生物供氧，二是对膜组件的膜丝进行冲刷清洗来降低膜污染程度，气水比是5:1～30:1，溶解氧浓度是2～4mg/L；4)抽吸压力是5～50kPa，膜通量是5～80L/m2·h，抽吸时间是5～15min；反冲洗时的膜通量为1.5～3倍抽吸时的膜通量，反冲洗时间为30～60s(秒)。经过投加污泥基活性炭质材料于膜生物反应器处理城市污水后，在高比表面积与多孔容积的污泥基活性炭质材料的作用下，污泥基活性炭质材料与膜生物反应器耦合作用对城市污水的有机物指标DOC(溶解性有机碳)与UV254的去除率分别为88.8％与58.5％，比单独膜生物反应器对DOC与UV254的去除率分别提高5～10％与10～20％。另外，相比单独膜生物反应器，投加了污泥基活性炭质材料的膜生物反应器的膜阻力降低了45.4％％，膜清洗周期延长了一倍。
实施例3
本实施方式与具体实施方式2不同的是：运行初期投加10g/L的污泥基活性炭质材料，并在后续的每个月一次性投加5g/L的污泥基活性炭质材料。其他步骤及参数与具体实施方式2相同。
实施例4
本实施方式与具体实施方式二不同的是：投加了污泥基活性炭质材料的膜生物反应器产生了剩余污泥，该剩余污泥含有一定量的污泥基活性炭质材料。将此剩余污泥按具体实施方案一的操作制备成污泥基活性炭质材料，然后按具体实施方案二的操作过程将此污泥基活性炭质材料投加于膜生物反应器，以此强化去污效能与缓解膜污染。因此此具体实施方案可使整个工艺得以循环运行，达到膜生物反应器污泥零排放与强化污水去污效能、膜污染控制的目标。其他步骤及参数与具体实施方式二相同。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以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 (9)

1.一种污泥基活性炭质制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)城市污水进入膜生物反应器，在反应器内经生化反应后产生剩余污泥，然后剩余污泥经脱水到含水率为60％～80％，最后在101～105℃条件下烘干，其中膜生物反应器的膜孔径为0.01～0.1μm，水力停留时间是2～12h，活性污泥浓度为3～15g/L，污泥停留时间是10～60d，曝气气水比是5:1～30:1，溶解氧浓度是2～4mg/L；
2)烘干的污泥碾磨成50～200目后与酸类或者碱类或者盐类活化剂以质量比1:0.2～1：5混合，在常温下放置12～48h，再在100～110℃放置12～48h烘干，然后在高温400～1000℃、无氧或氮气环境下活化10～240min；
3)活化后产物碾磨成50～200目，再用1～3mol/L盐酸在常温下酸洗1～20min，然后用去离子水清洗至清洗后水的pH值为6.5～7.5；
4)水洗后产物在101～105℃条件下烘干，得到污泥基活性炭质。
2.如权利要求1所述的污泥基活性炭质制备方法，其特征在于：
所述步骤1)中膜生物反应器的抽吸压力是5～50kPa，膜通量是5～80L/m2·h，抽吸时间是5～15min；反冲洗时的膜通量为1.5～3倍抽吸时的膜通量，反冲洗时间为30～60s。
3.如权利要求1所述的污泥基活性炭质制备方法，其特征在于：
所述步骤1)中酸类活化剂为磷酸或盐酸或硫酸，碱类活化剂为氢氧化钾或氢氧化钠，盐类活化剂为氯化锌。
4.如权利要求1所述的污泥基活性炭质在强化膜生物反应器城市污水处理去污效能与膜污染控制的应用。
5.如权利要求4所述的污泥基活性炭质在强化膜生物反应器城市污水处理去污效能与膜污染控制的方法，其特征在于包括以下步骤：
由膜生物反应器产生的剩余污泥制备而成的污泥基活性炭质材料通过投加系统投加于膜生物反应器，其中膜生物反应器的膜孔径为0.01～0.1μm，水力停留时间是2～12h；活性污泥浓度为3～20g/L；污泥停留时间是10～60d，曝气气水比是5:1～30:1，溶解氧浓度是2～4mg/L；
待处理城市污水进入反应器内，经活性炭质材料的吸附与反应器内活性污泥生物协同处理，再经膜过滤后出水。
6.如权利要求5所述的污泥基活性炭质在强化膜生物反应器城市污水处理去污效能与膜污染控制的方法，其特征在于：
污泥基活性炭质材料以逐日投加法为膜生物反应器运行初期初次投加0.5～5g/L的污泥基活性炭质材料，并在运行过程中根据污泥龄情况，每天投加污泥基活性炭质材料来补充由于剩余污泥排出所导致的损失量。
7.如权利要求5所述的污泥基活性炭质在强化膜生物反应器城市污水处理去污效能与膜污染控制的方法，其特征在于：
污泥基活性炭质材料以逐月投加法为膜生物反应器运行初期投加5～20g/L的污泥基活性炭质材料，并在后续的每个月一次性投加0.5～1.5倍初次投加量的污泥基活性炭质材料。
8.如权利要求5所述的污泥基活性炭质在强化膜生物反应器城市污水处理去污效能与膜污染控制的方法，其特征在于：
所述膜生物反应器的抽吸压力是5～50kPa，膜通量是5～80L/m2·h，抽吸时间是5～15min；反冲洗时的膜通量为1.5～3倍抽吸时的膜通量，反冲洗时间为30～60s。
9.如权利要求5所述的污泥基活性炭质在强化膜生物反应器城市污水处理去污效能与膜污染控制的方法，其特征在于：
投加了污泥基活性炭质材料的膜生物反应器产生了剩余污泥，该剩余污泥含有一定量的污泥基活性炭质材料，将此剩余污泥再次制备成污泥基活性炭质材料，然后按将此污泥基活性炭质材料投加于膜生物反应器，以此强化去污效能与缓解膜污染，使整个工艺得以循环运行，达到膜生物反应器污泥零排放与强化污水去污效能、膜污染控制的目标。
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