CN105618007B - 一种复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合凝胶及复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，所述复合凝胶的制备方法包括如下步骤：A）称取混合碱于反应器中，加磁化水配制成混合碱液，水浴条件下加入丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；B）向所述中和溶液中依次加入交联剂、膨润土和引发剂，搅拌，得到待聚合溶液；C）所述待聚合溶液发生聚合反应，洗涤，干燥，得到复合凝胶材料。本发明属于环保技术领域，本发明提供的复合凝胶具有优良的吸附性能，吸附容量大等优点。本发明还提供的复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，以污泥为原料，制备得到缓释肥料，实现了变废为宝，制得的缓释肥料具有改善土壤理化性状，保水保肥，促进植物生长等优点。

Description

一种复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺
技术领域
本发明属于环保技术领域，尤其涉及一种复合凝胶及复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺。
背景技术
随着社会经济的发展，城市污水量不断增长。污泥是污水处理的直接产物，污泥的成分很复杂，包括泥砂、纤维、有机质、重金属等成分。据统计，我国的污泥年产量已超过3000万吨。污泥具有含水率高（往往高达95%以上），有机物含量高，容易腐化发臭等特点。当前的污泥处理主要包括填埋、焚烧、堆肥等方法，焚烧可以减少污泥的容积，但需要较高的能耗，会导致二次污染。
胶凝材料，指在物理化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料，制成有一定机械强度的复合固体的物质。凝胶材料可分为水硬性胶凝材料和非水硬性胶凝材料两大类。凝胶材料由于其优异的吸附性能，得到了越来越广泛的应用。
中国专利申请201310397252.8公开了一种吸附重金属的凝胶囊材的制备方法，该方法包括如下步骤：氢氧化钠或氢氧化钾加水配制成碱液，加入丙烯酸，搅拌混匀，再依次加入交联剂和引发剂，搅拌反应，再加入硅藻土，搅拌混匀，聚合反应，洗涤，干燥，研磨，得到凝胶囊材。
现有技术的凝胶材料虽然具有较好的吸附能力，但存在制备的反应温度较高，时间较长等缺点。此外，现有技术尚无将凝胶材料用于污泥处理并实现变废为宝的报道。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，发明人通过大量试验对复合凝胶的制备方法进行探索，预料不到的发现：通过使用磁化水，可显著改善反应条件，得到一种新的复合凝胶，且该复合凝胶具有优良的吸附性能，吸附容量大，膨润土的使用降低了生产成本。进一步地，本发明还提供了复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺。
本发明的目的将通过下面的详细描述来进一步体现和说明。
本发明提供一种复合凝胶，所述复合凝胶的制备方法包括如下步骤：
A）称取12～20重量份数的混合碱于反应器中，加磁化水配制成混合碱液，水浴条件下加入25～40重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；
B）向所述中和溶液中依次加入40～50重量份数的交联剂、25~32重量份数的膨润土和75～90重量份数的引发剂，搅拌，得到待聚合溶液；
C）所述待聚合溶液于55～65℃发生聚合反应，洗涤，干燥，得到复合凝胶。
采用上述技术方案，制得的复合凝胶具有优良的吸附性能，且制备方法简单，降低了能耗；通过特定碱液的使用，实现了膨润土等在较低温度下的聚合，膨润土的使用降低了生产成本，还提高了复合凝胶的机械强度和耐盐性能。
优选地，所述混合碱由氢氧化钠和三乙醇胺以1：3~6的重量比组成。
优选地，所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为4000～7000高斯。
优选地，所述交联剂为双丙烯酰胺或水溶性酚醛树脂；所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠。更优选地，所述聚合反应的反应时间为1~3h。
此外，本发明还提供一种复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，包括如下步骤：
S1）收集污泥，加入所述污泥重量10~30%的辅料，混匀，得到污泥混合物；
S2）向所述污泥混合物中加入所述辅料重量0.02~0.2%的纤维素分解菌，搅拌均匀，堆体于50～60℃条件下进行一次发酵，发酵周期5～10天，得到一次发酵产物；
S3）对所述一次发酵产物进行蚯蚓养殖堆肥，得到蚯蚓堆肥产物；
S4） 筛分回收所述堆肥产物中的大颗粒辅料和蚯蚓，得到粗肥料，加入所述的复合凝胶，复合凝胶的加入量为所述污泥重量的0.1~20%，混匀，得到缓释肥料。
本发明提供的复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，以污泥为原料制备得到缓释肥料，实现了变废为宝，制得的缓释肥料具有改善土壤理化性状，保水保肥，促进植物生长等优点。通过加入辅料，可以降低污泥的含水率，还可以作为纤维素分解菌的原料，进而通过一次发酵和二次发酵，丰富了产物中的营养成分。复合凝胶起保水、保肥和缓释的作用，而复合凝胶本身也含有钠等成分，自身也可起到肥效作用。筛分出的大颗粒辅料进行回收再利用，筛分出的活体蚯蚓可经深加工用于制作药物。整个工艺过程中产生的废气由风机收集经生物滤池处理后排放。蚯蚓堆肥采用现有的常规堆肥技术，蚯蚓的密度为2~3万条/m2，温度为15~25℃，堆肥时间为5~15天。蚯蚓采用赤子爱胜蚓，利用蚯蚓的特性，增加了最终产品的肥效。
优选地，所述辅料包括膨胀剂，所述膨胀剂选自锯末、秸秆或其混合物。
优选地，所述步骤S4）还包括粗肥料于35～45℃条件下进行二次发酵15～25天的步骤。通过二次发酵，得到含水率28~35%的有机肥料，可以进一步增强肥效。
优选地，所述一次发酵的堆体氧浓度为3~15%。
优选地，所述辅料还包括钝化剂，所述钝化剂选自粉煤灰、磷矿粉或其混合物。
优选地，所述二次发酵的堆体氧浓度为3~15%。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种新的复合凝胶，该复合凝胶具有优良的吸附性能，吸附容量大，其制备方法简单，降低了能耗和生产成本。此外，本发明还提供了复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，以污泥为原料，添加蚯蚓及复合凝胶等，制备得到缓释肥料，实现了变废为宝，制得的缓释肥料具有改善土壤理化性状，保水保肥，促进植物生长等优点。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例一 复合凝胶
称取3重量份数的氢氧化钠、12重量份数的三乙醇胺于反应器中，加磁化水配制成氢氧化钠浓度为1mol/L的碱液，4℃水浴条件下加入32重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；向中和溶液中依次加入45重量份数的双丙烯酰胺、32重量份数的膨润土和80重量份数的过硫酸铵，搅拌，得到待聚合溶液；待聚合溶液于60℃发生聚合反应2h，去离子水洗涤，干燥，得到复合凝胶。所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为5000高斯。
实施例二 复合凝胶
称取2重量份数的氢氧化钠、10重量份数的三乙醇胺于反应器中，加磁化水配制成氢氧化钠浓度为1mol/L的碱液，4℃水浴条件下加入28重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；向中和溶液中依次加入42重量份数的双丙烯酰胺、28重量份数的膨润土和76重量份数的过硫酸铵，搅拌，得到待聚合溶液；待聚合溶液于55℃发生聚合反应2h，去离子水洗涤，干燥，得到复合凝胶。所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为7000高斯。
对比例一 复合凝胶
称取3重量份数的氢氧化钠、12重量份数的三乙醇胺于反应器中，加去离子水配制成氢氧化钠浓度为1mol/L的碱液，4℃水浴条件下加入32重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；向中和溶液中依次加入45重量份数的双丙烯酰胺、32重量份数的膨润土和80重量份数的过硫酸铵，搅拌，得到待聚合溶液；待聚合溶液于60℃发生聚合反应2h，去离子水洗涤，干燥，得到复合凝胶。
实施例三 缓释肥料的制备
收集1000kg污泥（含水率98.4%），加入150kg秸秆，混匀，得到污泥混合物（含水率65.2%）；向所述污泥混合物中加入0.1kg纤维素分解菌，搅拌均匀，于55℃条件下进行一次发酵8天，得到一次发酵产物（含水率43.7%）；对一次发酵产物进行蚯蚓堆肥，堆肥10天后，得到堆肥产物；筛分回收所述堆肥产物中的大颗粒辅料和蚯蚓，得到粗肥料，加入5kg实施例一制得的复合凝胶，混匀，得到缓释肥料。发酵过程中根据温度和氧浓度进行翻抛或强制通风，一次发酵的堆体氧浓度为5%，二次发酵的堆体氧浓度为8%。
实施例四 缓释肥料的制备
收集1000kg污泥（含水率98.4%），加入100kg锯末和100kg秸秆，混匀，得到污泥混合物（含水率68.5%）；向所述污泥混合物中加入0.3kg纤维素分解菌，搅拌均匀，于50℃条件下进行一次发酵10天，得到一次发酵产物（含水率42.9%）；对一次发酵产物进行蚯蚓堆肥，堆肥8天后，得到堆肥产物；筛分回收所述堆肥产物中的大颗粒辅料和蚯蚓，得到粗肥料，粗肥料于40℃条件下进行二次发酵20天，加入5kg实施例一制得的复合凝胶，混匀，得到缓释肥料。发酵过程中根据温度和氧浓度进行翻抛或强制通风，一次发酵的堆体氧浓度为5%，二次发酵的堆体氧浓度为8%。
对比例二
收集1000kg污泥（含水率98.4%），加入100kg锯末和100kg秸秆，混匀，得到污泥混合物；向所述污泥混合物中加入0.3kg纤维素分解菌，搅拌均匀，于50℃条件下进行一次发酵10天，得到一次发酵产物；对一次发酵产物进行蚯蚓堆肥，堆肥8天后，得到堆肥产物；筛分回收所述堆肥产物中的大颗粒辅料和蚯蚓，得到粗肥料，粗肥料于40℃条件下进行二次发酵20天，加入5kg对比例一制得的复合凝胶，混匀，得到缓释肥料。发酵过程中根据温度和氧浓度进行翻抛或强制通风，一次发酵的堆体氧浓度为5%，二次发酵的堆体氧浓度为8%。
对比例三
收集1000kg污泥（含水率98.4%），加入100kg锯末和100kg秸秆，混匀，得到污泥混合物（含水率68.5%）；向所述污泥混合物中加入0.3kg纤维素分解菌，搅拌均匀，于50℃条件下进行一次发酵10天，得到一次发酵产物（含水率42.9%）；对一次发酵产物进行蚯蚓堆肥，堆肥8天后，得到堆肥产物；筛分回收所述堆肥产物中的大颗粒辅料和蚯蚓，得到粗肥料，粗肥料于40℃条件下进行二次发酵20天，得到肥料。发酵过程中根据温度和氧浓度进行翻抛或强制通风，一次发酵的堆体氧浓度为5%，二次发酵的堆体氧浓度为8%。
试验例不同肥料对辣椒植株生长的影响
将实施例三、实施例四、对比例二和对比例三制得的肥料分别用作辣椒植株的栽培肥料，同时设置未添加凝胶材料的普通市售肥料作为对照组，每个实验组50棵辣椒植株，各组辣椒植株不具有统计学差异。实施例三组、实施例四组、对比例二组和对比例三组的施用量为普通市售肥料施用量的2倍，施用一次，栽培25天后，检测辣椒植株的叶色、成活率和株高等指标，栽培50天后，检测株高，结果如表1所示。
注：与对照组比较，*表示P＜0.05，**表示P＜0.01；与对比例二组比较，#表示P＜0.05，##表示P＜0.01；与对比例三组比较，&表示P＜0.05，&&表示P＜0.01。
从表1可知，本发明实施例制得的缓释肥料使辣椒生长良好，实现了变废为宝，在存活率和株高等方面都优于对照组、对比例二组和对比例三组。其中实施例四组的辣椒植株成活率和生长情况最佳，因此，实施例四为本发明的最佳实施例。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，其特征在于：包括如下步骤：
S1）收集污泥，加入所述污泥重量10~30%的辅料，混匀，得到污泥混合物，所述辅料包括膨胀剂，所述膨胀剂选自锯末、秸秆或其混合物，所述辅料还包括钝化剂，所述钝化剂选自粉煤灰、磷矿粉或其混合物；
S2）向所述污泥混合物中加入所述辅料重量0.02~0.2%的纤维素分解菌，搅拌均匀，堆体于50～60℃条件下进行一次发酵，发酵周期5～10天，得到一次发酵产物；
S3）对所述一次发酵产物进行蚯蚓堆肥，得到堆肥产物；
S4） 筛分回收所述堆肥产物中的大颗粒辅料和蚯蚓，得到粗肥料，粗肥料于35～45℃条件下进行二次发酵15～25天，加入复合凝胶，复合凝胶的加入量为所述污泥重量的0.1~20%，混匀，得到缓释肥料；
所述复合凝胶的制备方法包括如下步骤：
A）称取12～20重量份数的混合碱于反应器中，加磁化水配制成混合碱液，水浴条件下加入25～40重量份数的丙烯酸，搅拌，得到中和溶液；
B）向所述中和溶液中依次加入40～50重量份数的交联剂、25~32重量份数的膨润土和75～90重量份数的引发剂，搅拌，得到待聚合溶液；
C）所述待聚合溶液于55～65℃发生聚合反应，洗涤，干燥，得到复合凝胶。
2.根据权利要求1所述的复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，其特征在于：所述混合碱由氢氧化钠和三乙醇胺以1：3~6的重量比组成。
3.根据权利要求1所述的复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，其特征在于：所述磁化水由去离子水经钕铁硼磁体磁化得到，所述钕铁硼磁体的磁感应强度为4000～7000高斯。
4.根据权利要求1所述的复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，其特征在于：所述交联剂为双丙烯酰胺或水溶性酚醛树脂；所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠。
5.根据权利要求1所述的复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，其特征在于：所述一次发酵的堆体氧浓度为3~15%。
6.根据权利要求1所述的复合凝胶协同生物治理市政污泥及资源化利用工艺，其特征在于：所述二次发酵的堆体氧浓度为3~15%。
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