CN106219916B - 污泥的处理方法及电化学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种污泥的处理方法及电化学装置，处理方法包括以下步骤：将过硫酸钠与活性污泥混合得到混合物；将混合物置于电解槽中，在电解槽的阳极与阴极中间放置活化物，进行电化学处理；在经过电化学处理后的混合物中继续投加骨架材料，搅拌，完成污泥的处理。电化学装置包括电解槽和铁棒，电解槽内设有阳极板和阴极板，铁棒设置于阳极板和阴极板之间，阳极板为IrO2‑RuO2/Ti电极板；阴极板为Ti电极板。本发明基于电化学―高级氧化―骨架建立三者联合调理污泥的方法，可显著提高污泥脱水性能，使污泥脱水后无臭、性质稳定。

Description

污泥的处理方法及电化学装置
技术领域
本发明涉及污泥处理技术领域，尤其涉及一种污泥的处理方法及电化学装置。
背景技术
随着我国社会和城市化的发展，污水处理量的增长必将导致更多的污泥产生。但由于技术、经济、环境、社会和法律等多方面的原因，我国80％污水处理厂的污泥得不到妥善处理处置，造成严重的二次污染，而污泥处置技术的瓶颈往往在于污泥含水率高，脱水性能差。
污泥中有机物含量高、粒径细小、亲水性强、比表面积大、强胶体结构的特性导致了其脱水困难，污泥脱水性能与其内部水分存在形式有很大关系。污泥中含有的水分可分为自由水和结合水。污泥脱水性能差的主要原因是结合水难以脱除。研究表明，结合水的稳定状态与污泥中的胞外聚合物(EPS)有密切关系。EPS是污泥中生物絮体的主要组成部分，主要由蛋白质、多糖组成。EPS通过连接细胞和其他物质以稳定污泥的絮体结构，并形成污泥中微生物生存的保护屏障。EPS的存在不利于污泥沉降，污泥表面胞外聚合物的浓度和性质决定了污泥表面的电荷，当EPS含量过高，导致污泥表而电负性足够大时，由于絮体间斥力作用导致沉降性能恶化。此外，EPS中蛋白质和糖分是亲水性物质，含有大量的结合水，故EPS含量过高，污泥的脱水性能愈差。
常规的污泥调质脱水方法通过混凝剂的电中和、压缩双电层、吸附架桥的作用将污泥絮体颗粒压缩凝聚在一起，可以去除污泥中几乎全部自由水、但对污泥结合水的去除能力十分有限，往往调理后的污泥的胞外聚合物中还含有大量的结合水。
目前，污泥脱水的技术主要有物理化学调理、超声技术、电化学技术、微波技术等。其中，电化学处理是利用电化学的方法将难降解有机物或生物毒性污染物降解，广泛应用于废水处理中，近年来也被应用到了污泥的处理中，但其脱水效果不佳；化学调理中基于Fenton的高级氧化技术，可引起污泥部分氧化破解，提高脱水性能，但该反应需在pH约为3的条件进行，使得污泥后续处置困难，容易造成二次污染。此外，通过投加惰性的助滤剂在污泥中形成坚硬的骨架，降低污泥的可压缩性以提高污泥的过滤性能，但其对于改善污泥中结合水的存在方式效果不明显。单一污泥调理方法作用效果有限，因此，采用联合调理方法提高污泥脱水性能成为污泥调理的研究热点。
罗海健等人研究了阳离子聚丙烯酰胺联合骨架颗粒木屑调理城市污泥，王东升等人研究了酶破解与无机絮凝剂联合调理城市污泥，研究表明，两种方法联合调理污泥后污泥脱水性能优于单一方法调理的效果，但前者未对污泥进行破解，大量胞外聚合物的存在，污泥结合水含量大，阻碍污泥脱水性能的进一步提高，后者未进行骨架构建，在脱水过程中滤饼变得愈发紧密，极大阻碍了水分的流通，因此这两种方法联合调理污泥还存在一定的局限性。杨家宽等人研究了骨架颗粒石膏联合过硫酸盐联合调理城市污泥，此方法缺点在于活化自由基方式单一，污泥破解能力有限，投药剂量较大。此外，巫受群等人将电解与絮凝剂联用调理污泥，但由于电解对EPS降解能力有限，故污泥中残留大量结合水，污泥脱水性能改善不佳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，本发明提供了一种污泥的处理方法，基于电化学-高级氧化-骨架建立三者联合调理污泥的方法，其目的在于利用电化学协同高级氧化技术多途径产生催化剂Fe2+，从而活化产生强氧化自由基破解污泥，同时产生的氢氧化铁胶体絮凝污泥，最后加入的皂土均匀分布于污泥滤饼中形成骨架结构，有效提高污泥脱水性能，由此解决现有高级氧化技术处理污泥需调节pH、单独投加骨架材料剂量过大、单独电化学技术改善污泥脱水性能有限等技术问题，使污泥脱水后无臭、性质稳定。
为解决上述技术问题，提供了一种污泥的处理方法，包括以下步骤：
(1)将过硫酸钠与活性污泥混合得到混合物；
(2)将步骤(1)中的所述混合物置于电解槽中，在电解槽的阳极板与阴极板中间放置活化物，进行电化学处理；
(3)在经过所述电化学处理后的混合物中继续投加骨架材料，搅拌，完成污泥的处理。
上述的处理方法，优选的，所述步骤(1)中，所述过硫酸钠的投加量占所述活性污泥干重的9％～12％。
上述的处理方法，优选的，所述步骤(2)中，所述活化物为铁棒、废铁和/或铁屑(本发明中铁棒、废铁、铁屑均为Fe0)。
上述的处理方法，优选的，所述电解槽的阳极板为IrO2-RuO2/Ti电极板，阴极板为Ti电极板。
上述的处理方法，优选的，阴极板和阳极板之间的间距80mm～120mm。
上述的处理方法，优选的，所述步骤(2)中，所述电化学处理过程中，通电电匝为30V～60V，通电时间为15min～25min。电化学处理过程在室温下进行。
上述的处理方法，优选的，所述步骤(3)中，所述的骨架材料为皂土，所述皂土的投加量占所述污泥干重的5％～10％。
作为本发明的同一技术构思，本发明还提供了一种电化学装置，包括电解槽和铁棒，所述电解槽内设有阳极板和阴极板，所述铁棒设置于所述阳极板和阴极板之间，所述阳极板为IrO2-RuO2/Ti电极板；所述阴极板为Ti电极板。
上述的电化学装置，优选的，所述铁棒为四根，四根铁棒呈正方形布置。
上述的电化学装置，优选的，所述电化学装置还包括机械搅拌器，所述机械搅拌器设置于四根所述铁棒的中心。
上述的电化学装置，优选的，所述电化学装置还包括直流电源、恒温水浴控制器，所述直流电源与所述阳极板和阴极板串联；所述恒温水浴控制器设于所述电解槽外部。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种污泥的处理方法，基于电化学-高级氧化-骨架建立三者联合调理污泥的方法，其目的在于利用电化学协同高级氧化技术多途径产生催化剂Fe2+，具体地，Fe2+可以通过以下四种途径产生：Fe0的化学氧化(Eq.(1))、Fe3+的化学还原(Eq.(3))、Fe0的电解(Eq.(4))、Fe3+的电还原(Eq.(5))；从而产生的催化剂Fe2+活化产生强氧化自由基SO4 -·破解污泥(Eq.(2))，此外，未被还原的Fe3+可以生成氢氧化铁胶体絮凝污泥(Eq.(7))，最后加入的皂土均匀分布于污泥滤饼中形成骨架结构，通过此方法调理后，可以有效提高污泥脱水性能。
具体的化学反应方程式为：
2Fe3++Fe0→3Fe2+ Eq.(3)
Fe0-2e-→Fe2+ Eq.(4)
Fe3++e-→Fe2+ Eq.(5)
Fe3++3H2O→Fe(OH)3+3H+ Eq.(7)
(2)本发明提供了一种污泥的处理方法，与传统的单独使用Fe2+活化过硫酸盐相比，活性自由基的产生主要可以通过电还原过硫酸盐和Fe2+活化过硫酸盐产生，其中Fe2+可由过硫酸盐氧化Fe0、电解Fe0生来实现，从而实现自由基的化学活化与电活化，大大加强污泥破解效果。并且，Fe2+主要由电解Fe0生，Fe0变为Fe2+的过程可控，避免了体系中大量Fe2+生成并转化为Fe3+，导敛活化自由基效果变差。
(3)本发明提供了一种污泥的处理方法，整个调理体系无需调节体系pH，可以在较宽的pH环境下进行，尤其是在pH为7左右时，即可直接达到理想的调理效果，从而克服了传统Fenton及类Fenton高级氧化必须在pH为2～4的条件下才能发挥最佳效果的局限。
(4)本发明提供了一种污泥的处理方法，破解后的污泥体系中加入皂土，作用如下：(i)其表面积巨大，可以去除溶液中的重金属和有机物。(ii)其均匀分布于污泥中作为骨架支撑，显著增加了污泥孔隙率，降低污泥的可压缩性，污泥强度加强，从而实现污泥深度脱水。(iii)其作为澄清剂，还可以改善滤液浊度。
(5)本发明提供了一种电化学装置，结构简单，处理污泥的效率高。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1是本发明实施例中电化学装置的结构示意图。
图2是本发明实施例中皂土含量对污泥脱水效果的影响图。
图3是本发明实施例中预处理过程中过硫酸钠对污泥脱水性能的影响图。
图4是本发明实施例中预处理过程中电匝对污泥脱水性能的影响图。
附图标记说明：
1、电解槽；2、铁棒；3、阳极板；4、阴极板；5、机械搅拌器；6、直流电源；7、恒温水浴控制器；8、温度计。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。(电解槽是化学仪器厂定制的)
实施例1：
一种电化学装置，参见图1，包括直流电源6、电解槽1和铁棒2，电解槽1内设有阳极板3(IrO2-RuO2/Ti电极板)和阴极板4(Ti电极板)，IrO2-RuO2/Ti电极板与直流电源6的正极串联；Ti电极板与直流电源6的负极串联，形成电流回路。铁棒2设于IrO2-RuO2/Ti电极板和Ti电极板之间。
优选的，阳极板和阴极板之间的间距为120mm。
优选的，铁棒2为四根，四根铁棒2设置于阳极板3和阴极板4之间，呈正方形布置，每一根铁棒2距正方形中心的距离为30mm。四根铁棒2的中心与阳极板3和阴极板4的中心重合。
优选的，电化学装置还包括机械搅拌器5，机械搅拌器5设置于四根铁棒2的中心，用于搅拌污泥。
优选的，电化学装置还包括恒温水浴控制器7，恒温水浴控制器7设置于电解槽1外部，对电解槽1进行水浴加热。
优选的，电化学装置还包括数字温度计8，数字温度计8设置于电解槽1内。
实施例2：
一种污泥的处理方法，包括以下步骤：
(1)取自长沙市某污水厂的剩余污泥，静置沉淀12h后污泥含水率为96.0％～96.9％，污泥pH为6.80。
(2)在200r/min搅拌速率下，向步骤(1)的污泥中投加占污泥干重11.2％的过硫酸钠，搅拌5min后，得到混合物。
(3)将步骤(2)的混合物投入电化学装置(即实施例1的电化学装置)的电解槽1中，电解槽1内四根铁棒2在污泥中的淹没深度均为30mm。
(4)开启电化学装置的直流电源6，以及机械搅拌器5的电源，在200r/min搅拌速率、40V电压条件下，将步骤(2)的混合物通电处理20min。
(5)关闭电化学装置的直流电源6，继续开启机械搅拌器5，在100r/min搅拌速率下，向步骤(2)的混合物中继续投加占污泥干重5.8％的皂土，搅拌5min。
(6)将步骤(5)处理后的污泥进行抽滤脱水。
检测处理前和处理后污泥的情况，检测结果参见图2：处理前污泥进行过滤，污泥比阻为2.57×1011m/kg，毛细吸水时间为63.0s，滤饼含水率为92.4％；经步骤(4)的电化学联合零价铁活化过硫酸盐处理后的污泥比阻为4.4×1010m/kg，毛细吸水时间为28s，滤饼含水率为72.3％；加入5.8％皂土骨架处理后的污泥比阻下降到3.0×1010m/kg，毛细吸水时间下降到23.3s，滤饼含水率下降到66.8％。
实施例3：
一种污泥的处理方法，包括以下步骤：
(1)取自长沙市某污水厂的剩余污泥，静置沉淀12h后污泥含水率为96.0％～96.9％，污泥pH为6.80。
(2)在200r/min搅拌速率下，向步骤(1)的污泥中投加占污泥干重11.2％的过硫酸钠，搅拌5min后，得到混合物。
(3)将步骤(2)的混合物投入电化学装置(即实施例1的电化学装置)的电解槽1中，电解槽1内的四根铁棒2在污泥中的淹没深度均为30mm。
(4)开启电化学装置的的直流电源6，以及机械搅拌器5的电源，在200r/min搅拌速率、40V电压条件下，将步骤(2)的混合物通电处理20min。
(5)关闭电化学装置的直流电源6，继续开启机械搅拌器5，在100r/min搅拌速率下，向步骤(2)的混合物中继续投加占污泥干重7.0％的皂土，搅拌5min。
(6)将步骤(5)处理后的污泥进行抽滤脱水。
检测处理前和处理后污泥的情况，检测结果参见图2：处理前污泥进行过滤，污泥比阻为2.61×1011m/kg，毛细吸水时间为64.0s，滤饼含水率为92.8％；经步骤(4)的电化学联合零价铁活化过硫酸盐处理后的污泥比阻为4.40×1010m/kg，毛细吸水时间为28.6s，滤饼含水率为71.8％；加入7.0％皂土骨架处理后的污泥比阻下降到2.87×1010m/kg，毛细吸水时间下降到21.2s，滤饼含水率下降到65.4％。
实施例4：
一种污泥的处理方法，包括以下步骤：
(1)取自长沙市某污水厂的剩余污泥，静置沉淀12h后污泥含水率为96.0％～96.9％，污泥pH为6.80。
(2)在200r/min搅拌速率下，向步骤(1)的污泥中投加占污泥干重11.2％的过硫酸钠，搅拌5min后，得到混合物。
(3)将步骤(2)的混合物投入电化学装置(即实施例1的电化学装置)的电解槽1中，电解槽1内的四根铁棒2在污泥中的淹没深度均为30mm。
(4)开启电化学装置的直流电源6，以及机械搅拌器5的电源，在200r/min搅拌速率、40V电压条件下，将步骤(2)的混合物通电处理20min。
(5)关闭电化学装置的直流电源6，继续开启机械搅拌器5，在100r/min搅拌速率下，向步骤(2)的混合物中继续投加占污泥干重8.2％的皂土，搅拌5min。
(6)将步骤(5)处理后的污泥进行抽滤脱水。
检测处理前和处理后污泥的情况，检测结果参见图2：处理前污泥进行过滤，污泥比阻为2.57×1011m/kg，毛细吸水时间为61.0s，滤饼含水率为91.9％；经步骤(4)的电化学联合零价铁活化过硫酸盐处理后的污泥比阻为4.40×1010m/kg，毛细吸水时间为30.1s，滤饼含水率为73.0％；加入8.2％皂土骨架处理后的污泥比阻下降到2.59×1010m/kg，毛细吸水时间下降到18.2s，滤饼含水率下降到63.4％。
实施例5：
一种污泥的处理方法，包括以下步骤：
(1)取自长沙市某污水厂的剩余污泥，静置沉淀12h后污泥含水率为96.0％～96.9％，污泥pH为6.80。
(2)在200r/min搅拌速率下，向步骤(1)的污泥中投加占污泥干重11.2％的过硫酸钠，搅拌5min后，得到混合物。
(3)将步骤(2)的混合物投入电化学装置(即实施例1的电化学装置)的电解槽1中，电解槽4内的四根铁棒2在污泥中的淹没深度均为30mm。
(4)开启电化学装置的的直流电源6，以及机械搅拌器5的电源，在200r/min搅拌速率、40V电压条件下，将步骤(2)的混合物通电处理20min。
(5)关闭电化学装置的直流电源6，继续开启机械搅拌器5，在100r/min搅拌速率下，向步骤(2)的混合物中继续投加占污泥干重9.4％的皂土，搅拌5min。
(6)将步骤(5)处理后的污泥进行抽滤脱水。
检测处理前和处理后污泥的情况，检测结果参见图2：处理前污泥进行过滤，污泥比阻为2.71×1011m/kg，毛细吸水时间为64.2s，滤饼含水率为92.6％；经步骤(4)的电化学联合零价铁活化过硫酸盐调理后的污泥比阻为4.58×1010m/kg，毛细吸水时间为29.4s，滤饼含水率为71.9％；加入9.4％皂土骨架调理后的污泥比阻下降到2.71×1010m/kg，毛细吸水时间下降到20.1s，滤饼含水率下降到65.9％。
实施例6：
考察过硫酸钠的投加量对污泥处理效果的影响，具体包括以下步骤：
(1)取自长沙市某污水厂的剩余污泥，静置沉淀12h后污泥含水率为96.0％～96.9％，污泥pH为6.80。
(2)在200r/min搅拌速率下，向步骤(1)的污泥中分别投加占污泥干重0％，2.25％，4.50％，6.75％，9.00％，11.25％，13.5％和15.75％的过硫酸钠，搅拌5min后，得到混合物1、2、3、4、5、6、7、8。
(3)分别将步骤(2)的混合物1、2、3、4、5、6、7、8投入8个电化学装置(电化学装置采用实施例1的电化学装置)的电解槽1中，电解槽1内的四根铁棒2在污泥中的淹没深度均为30mm。
(4)开启电化学装置的直流电源6，以及机械搅拌器5的电源，在200r/min搅拌速率、40V电压条件下，将步骤(2)的混合物通电处理20min。
(5)将步骤(4)处理后的污泥进行抽滤脱水。
检测处理前和处理后污泥的情况，检测结果参见图3：处理前污泥进行过滤，污泥比阻为2.57×1011m/kg，毛细吸水时间为63.0s；经步骤(4)的电化学联合零价铁活化过硫酸盐调理后的污泥脱水效果如下：过硫酸钠投加为0时，污泥比阻为3.31×1011m/kg，毛细吸水时间为70.0s；随着过硫酸钠的加入，污泥比阻和毛细吸水时间大幅下降，投加污泥干重11.25％的过硫酸钠后，污泥比阻降至4.42×1010m/kg，毛细吸水时间达到28.2s；继续加大过硫酸钠投加量，污泥脱水性能进一步改善不明显，投加污泥干重13.5％的过硫酸钠后，污泥比阻为4.31×1010m/kg，毛细吸水时间为27.2s。
实施例7：
考察电化学处理过程中通电电压对污泥处理效果的影响，具体包括以下步骤：
(1)取自长沙市某污水厂的剩余污泥，静置沉淀12h后污泥含水率为96.0％～96.9％，污泥pH为6.80。
(2)在200r/min搅拌速率下，向步骤(1)的污泥中投加占污泥干重11.25％的过硫酸钠，搅拌5min后，得到混合物。
(3)将步骤(2)的混合物平均分为7份，分别将7份混合物投入7个电化学装置(电化学装置采用实施例1的电化学装置)的电解槽1中，电解槽1内的四根铁棒2在污泥中的淹没深度均为30mm。
(4)开启电化学装置的直流电源6，以及机械搅拌器5的电源，在200r/min搅拌速率下，将7个电化学装置的电压分别设置为0，10，20，30，40，50和60V，将步骤(2)的混合物通电处理20min。
(5)将步骤(4)处理后的污泥进行抽滤脱水。
检测处理前和处理后污泥的情况，检测结果参见图4：处理前污泥进行过滤，污泥比阻为2.57×1011m/kg，毛细吸水时间为63.0s；经步骤(4)的电化学联合零价铁活化过硫酸盐调理后的污泥脱水效果如下：不通电的情况下，污泥比阻为1.96×1011m/kg，毛细吸水时间为44.0s；随着通电电压的加大，污泥比阻和毛细吸水时间大幅下降，通电电压为40V时，污泥比阻降至4.42×1010m/kg，毛细吸水时间达到28.2s；继续加大电压，污泥脱水性能进一步改善不明显，通电电匝为50V时，污泥比阻为4.35×1010m/kg，毛细吸水时间为27.2s。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种污泥的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将过硫酸钠与活性污泥混合得到混合物；
（2）将步骤（1）中的所述混合物置于电解槽中，在电解槽的阳极板与阴极板中间放置活化物，进行电化学处理；所述活化物为铁棒、废铁和/或铁屑；
（3）在经过所述电化学处理后的混合物中继续投加骨架材料，搅拌，完成污泥的处理；所述的骨架材料为皂土，所述皂土的投加量占所述污泥干重的5 %～10 %。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述过硫酸钠的投加量占所述活性污泥干重的9 %～12 %。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述电解槽的阳极板为IrO2-RuO2/Ti电极板，阴极板为Ti电极板。
4.根据权利要求3所述的处理方法，其特征在于，阴极板和阳极板之间的间距80 mm～120 mm。
5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述电化学处理过程中，通电电压为30 V～60 V，通电时间为15 min～25 min。
6.一种用于权利要求1至5中任一项所述处理方法的电化学装置，其特征在于，包括电解槽（1）和铁棒（2），所述电解槽（1）内设有阳极板（3）和阴极板（4），所述铁棒（2）设置于所述阳极板（3）和阴极板（4）之间，所述阳极板（3）为IrO2-RuO2/Ti电极板；所述阴极板（4）为Ti电极板。
7.根据权利要求6所述的电化学装置，其特征在于，所述铁棒（2）为四根，四根所述铁棒（2）呈正方形布置；所述电化学装置还包括机械搅拌器（5），所述机械搅拌器（5）设置于四根所述铁棒（2）的中心。
8.根据权利要求6所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括直流电源（6）和恒温水浴控制器（7），所述直流电源（6）与所述阳极板（3）和阴极板（4）串联；所述恒温水浴控制器（7 ）设于所述电解槽（1）外部。
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