CN106277712A

CN106277712A - 一种生物酶‑ctab联合调理污泥的方法

Info

Publication number: CN106277712A
Application number: CN201610842377.0A
Authority: CN
Inventors: 王毅力; 曹艾清
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明是一种用于污泥脱水前的调理方法，该方法的实现步骤如下：(1) 将污泥的温度、pH调节到生物酶的适宜范围；(2) 向污泥中投加生物酶，混合均匀，并进行一定时间的反应；(3) 向污泥中投加定量的CTAB，搅拌混合，并进行一定时间的反应，然后进入脱水单元。本发明组合了生物酶降解EPS组分、释放结合水的作用与CTAB的亲疏水性、电中和作用，充分发挥二者的各自优势，产生协同效果，使得污泥脱水后泥饼含水率降低至70%以下。此外，该方法中调理剂费用较低，适用范围广，各调理步骤明确，操作方便，减量化明显，可以降低污泥后续处置的费用。

Description

一种生物酶-CTAB联合调理污泥的方法

技术领域

本发明属于污泥处理处置技术领域，特别涉及一种生物制剂和化学物质对污泥调理以致减量化的方法，具体涉及酶和表面活性剂联合促进污泥脱水性能提高的方法。

背景技术

市政污泥是城市污水处理厂中污水处理单元所产生的固体废弃物，污水处理单元中产生的活性污泥水分含量可达99%以上，消化污泥水分含量可达96%以上。据有关部门预测，2015年6月底，含水率为80%的污泥产生量可达4410万吨/年，预计到 2020 年，污泥产量将达到5 000～6 000万吨（含水率按80%计），未来的20年城市污泥量将会增加到5.4～21.6亿t/年。高速增长的污泥产量对环境的压力越来越大，其所带来的环境污染问题十分严峻，因此，污泥的处理处置问题已成为各国市政行业面临的重要问题。目前，污泥处理方面存在的主要问题是污泥的脱水效果差、含水率较高，从而给污泥的后续处理以及运输带来了很大困难，严重制约了污泥的处理处置工作的开展。因此，合理高效的污泥调理技术实现污泥减量化显得越来越重要。

污泥是由大量EPS形成的三维网状结构包裹的具有凝胶结构的颗粒固体，其脱水性能与污泥EPS形成的“粘胶相区”呈负相关，由于EPS组分中70～80%为蛋白质和多糖，因此，可利用中温a-淀粉酶和中性蛋白酶调理污泥，其原理是通过酶的高效降解破坏污泥EPS结构，释放出被絮体包裹的水分进而提高污泥的脱水性能。表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）是一种比较有效的调理药剂，其调理污泥的作用包括：通过电中和作用，中和污泥表面负电荷减少污泥颗粒间的斥力的同时，可具有一定的杀菌效果；通过分散作用解体污泥絮体结构、释放原絮体内部的结合水，并保持松散的絮体在水相中的稳定性，不沉降在污泥颗粒表面中；通过增溶作用溶解有高度水合作用的胞外聚合物（EPS）到水相，剥离EPS中LB-EPS层，同时释放出部分结合水，提高污泥的压缩性能，从而提高污泥的含固率和脱水速率。目前，表面活性剂和酶联合处理纤维制品的相关报道居多，而没有其联合后针对市政污泥处理处置的报道。本发明针对污泥的减量化问题，将酶破坏EPS结构的作用和CTAB的分散、增溶、电中和作用充分结合并利用起来，通过释放部分结合水和提高污泥的压缩性增强污泥的脱水性能，提高抽滤后泥饼含固率。

公开号为201110445557.2的中国专利采用“a-淀粉酶和中性蛋白酶”强化以剩余污泥为燃料的MFC产电性能及其减量化，公开号为CN 102211842 A的中国专利申请公开了一种利用表面活性剂十二烷基硫酸钠和酶（蛋白酶/淀粉酶质量比为3/1）的同时投加，以促进剩余污泥厌氧消化过程中的水解和酸化方法。但以上方法中a-淀粉酶与蛋白酶的适用条件不同可能会导致酶的活性降低或者适用范围变窄，不能充分发挥二者的优势，且该专利不针对污泥脱水。

公开号为CN 102897987 A的中国专利申请公开了一种造纸污泥脱水复合生物酶处理剂及处理方法。此专利中的复合生物酶处理剂的原料重量百分含量如下：表面活性剂(烷基聚氧乙烯醚、脂肪醇、环氧乙烷缩合物和十六烷基三甲基溴化按质量比1:1:1混合)0.95-0.99%，生物酶(纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、漆酶和脂肪酶按质量比1:1:1:1:1混合)0.01-0.05%，余量为水。该专利提出的多种生物酶混合及酶与表面活性剂的同时添加必然存在不能充分发挥各自优势的缺点，而且该发明并未针对市政污泥的脱水。

发明内容

本发明旨在针对现有污泥调理中无法破坏污泥EPS结构、释放结合水及调理后污泥脱水效果不显著等问题，提供一种有效改善污泥脱水性能的联合调理方法。该方法利用生物酶与CTAB的协同作用有效提高污泥脱水性能，使得污泥脱水后泥饼含水率降低至70%以下，具有费用较低，适用范围广，各调理步骤明确，操作方便，减量化明显，可以降低污泥后续处置费用等优点。

本发明为一种生物酶-CTAB联合调理污泥的方法，其特征在于：先利用生物酶的降解作用，分解污泥中的胞外有机物（EPS），破坏污泥絮体结构，释放污泥中结合水，随后利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）表面活性剂的亲疏水及电中和作用，改变污泥絮体的亲疏水性，中和污泥表面负电荷，使得部分EPS和结合水从污泥絮体中分离，提高污泥压缩性的同时增大污泥絮体尺寸，增强其脱水性能；

所述的生物酶与CTAB联合方式为：中温a-淀粉酶-CTAB；中性蛋白酶-CTAB；中温a-淀粉酶-中性蛋白酶-CTAB 。

上述调理方法通过预处理、酶降解、CTAB调理等主要步骤实现：

(1) 污泥的预处理：将污泥的温度、pH调节到生物酶的适宜范围；

(2) 酶降解：向污泥中投加生物酶，混合均匀，并进行一定时间的反应；

(3) CTAB调理：向污泥中投加定量的CTAB，搅拌混合，并进行一定时间的反应，然后进入脱水单元。

特别地，所述的待处理污泥为城市污水处理厂产生的污泥，包括活性污泥，消化污泥以及浓缩污泥等，含水率应在90%以上。优选为好氧活性污泥与厌氧消化污泥。

特别地，所述的污泥预处理，应先通过控温设备调节污泥温度为所投加酶的适宜区间，后经过H⁺或OH^-（常用浓度为1 mol/L的HCl和NaOH溶液）调解其pH至所使投加酶的适用pH范围内，所述的中温a-淀粉酶适用温度、pH范围为25～70℃、5.5～6.8，优选为30～50℃、6.0～6.4；中性蛋白酶适用温度、pH范围为10～60℃、6.0～8.0，优选为30～45℃、6.9～7.3。

特别地，所述的生物酶降解过程中其投加量和作用时间如下：中温a-淀粉酶单独调理时，投加量和作用时间范围为0.05～0.15g/g干污泥（TS）、1～4h，优选为0.05～0.10g/gTS、1～2h；中性蛋白酶单独调理时，投加量和作用时间范围为0.1～0.2g/gTS、1～4h，优选为0.1～0.15g/gTS、2～3h。

特别地，所述的生物酶降解中其投加量和作用时间如下：复合酶 (中温a-淀粉酶-中性蛋白酶)调理时，先投加0.02～0.2 g/gTS的中温a-淀粉酶，作用0.1～1.5 h后，再投加0.05～0.2g/gTS的中性蛋白酶，并作用1～4h，每次投加前需将污泥温度、pH调节至所投加酶的适宜范围内；当污泥含水率为95%以上时，复合酶调理优选为先投加0.02～0.1 g/gTS的中温a-淀粉酶，作用0.1～1 h后，再投加0.05～0.15g/gTS的中性蛋白酶，并作用2～3h。

所述干污泥（TS）指经105℃烘干的污泥。

上述生物酶调理时可投加生物酶粉末或者生物酶溶液，其中生物酶溶液配制过程如下：取3g中性蛋白酶溶解于50mL、pH为7.2的磷酸缓冲液中，于30～50℃下加温搅拌溶解，后于1000rpm离心处理后，取上清液即为蛋白酶溶液。淀粉酶溶解于50mL、 pH=6.2的磷酸缓冲液中，再加入16～27mg的无水CaCl₂粉末，作为淀粉酶的激活剂，其余参照蛋白酶溶液的配制。

特别地，所述酶降解污泥的阶段，混合过程分为快慢两种振荡方式，相应的振荡强度与时间分别为200～350rpm、1～5min和20～200rpm、既定酶作用时间。

特别地，所述CTAB投加量范围如下：当中温a-淀粉酶/中性蛋白酶-CTAB联合调理时，CTAB投加量范围为0.2～0.5g/gTS，优选为0.3～0.5 g/gTS；当复合酶-CTAB调理污泥时，其CTAB投加量范围为0.3～0.6g/gTS，优选为0.4～0.5g/gTS；

所述干污泥（TS）指经105℃烘干的污泥。

特别地，所述CTAB调理时所述的混合过程实行快慢两阶段搅拌方式，相应的搅拌强度和时间分别为100～800rpm、0.5～5min和20～200rpm、10～30min，优选为550～800rpm、0.5～2.5min；50～120rpm、15～25min。

特别地，所述相应的脱水单元包括：板框脱水、带式脱水、真空抽滤等机械脱水方式或电脱水装置。脱水后泥饼含水率＜70%。

本专利发明与现有技术相比，本专利的作用及优点如下：

(1) 调理剂费用较低且适用范围广。此方法中生物酶和CTAB均为比较常见、容易获得、价格低廉的药剂，适用条件温和，对含水率90%以上的市政污泥均有较好的效果，是安全、高效的污泥调理方法。

(2) 生物酶与CTAB的协同作用可有效提高污泥脱水性能。本发明采用生物酶与CTAB联合调理组合技术工艺，充分发挥两种调理试剂各自的优势，形成协同效应，有效改善污泥的结构和性质，提高污泥脱水性能。具体为先利用中温a-淀粉酶，中性蛋白酶的高效催化降解作用，降解污泥EPS组分中多糖和蛋白质以达到破坏污泥EPS结构、释放污泥絮体中结合水的效果，后通过CTAB的分散、增溶及电中和作用，分散松散絮体，释放更多的结合水；增溶污泥表面大分子有机物，有效剥离松散污泥絮体中LB-EPS层；将被生物酶降解后形成的结构松散、负电荷增大，浊度高，比表面积大的污泥絮体团聚起来同时改善污泥的亲疏水性，提高污泥的可压缩性进一步释放结合水，改善污泥脱水性能，提高污泥脱水中的固液分离比。

(3) 调理步骤明确且操作简单。生物酶与CTAB的单独投加可使其最大限度地发挥各自优势，生物酶和CTAB药剂在投加时均可直接投入固体粉末，无需配成溶液，具有方法简单、操作方便、节省时间及人力成本等优点。从而实现污泥的减量化，大大减少脱水后污泥体积，提升污泥资源化潜力。

(4) 减量化明显且后续处理处置费用低。此方法经脱水单元后泥饼含水率可快速降低至70%以下，污泥减量化明显，大大降低脱水后污泥后续的运输和处理处置费用及存放空间。

附图说明

附图1为本发明中生物酶与CTAB联合调理污泥的技术工艺图

具体实施方式

下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不意味着限制本发明的保护范围。

实施实例1：复合酶-CTAB联合调理改善活性污泥脱水性能

中温a-淀粉酶溶液配制如下：取2.85g淀粉酶溶解于50mL、 pH=6.2的磷酸缓冲液中，再加入25mg的无水CaCl₂粉末，作为淀粉酶的激活剂，在40℃下加温搅拌溶解，后于1000rpm离心处理后，取上清液即为中温a-淀粉酶溶液，现配现用。

中性蛋白酶溶液配制如下：取3g中性蛋白酶溶解于50mL、pH为7.2的磷酸缓冲液中，于40℃下加温搅拌溶解，后于1000rpm离心处理后，取上清液即为蛋白酶溶液，现配现用。

复合酶-CTAB联合调理：某市政污水处理厂的活性污泥，经过4h的沉降，弃去上清液，浓缩后污泥过0.18cm的网筛（含水率98.15%）为污泥样品，测量其温度和pH分别为31.7℃、6.40。取上述污泥样品300mL置于500mL烧杯中，同时向污泥中投加一定量的CaCl₂固体，使污泥中的Ca²⁺浓度为120mg·L^-1左右，在转速为200rpm时，加入5mL中温a-淀粉酶溶液，混合2min后在转速为50rpm的条件下于恒温培养箱中降解1h；随后再次测定污泥温度和pH，分别为32.9℃和6.65，调节污泥pH到7后，在转速为200rpm时，加入8mL的中性蛋白酶溶液，混合1min后在转速为60rpm的条件下振荡2h。复合酶调理完毕后，将上述污泥样品转移至六联搅拌器的设备中，在转速为650rpm时，投加2.22g的CTAB，搅拌5min中后，在转速为62rpm的条件下，慢速搅拌10min，随后直接进行电脱水。测定经复合酶与CTAB调理后的污泥泥饼含水率为59.63%，原始污泥的泥饼含水率为70.8%。

表1为所投加酶的基本参数

表1 生物酶的基本参数

名称	活性/U·g^-1	温度/℃	pH
				中温α-淀粉酶	2×10³	25-70	5.5-6.8
中性蛋白酶	1×10⁵	10-60	6.0-8.0

注：为保持中温α-淀粉酶的稳定性，调节污泥中的Ca²⁺浓度为120mg·L^-1。

实施实例2：中温a-淀粉酶与CTAB联合调理消化污泥后脱水性能的变化

取某市政污水处理厂的厌氧消化污泥（含水率为96.27%）25L，利用加热装置和1mol/L的HCl溶液将厌氧污泥的温度和pH分别调节至45℃、6.2，向污泥中投加一定量的CaCl₂固体，使污泥中的Ca²⁺浓度为120mg·L^-1左右，随后在转速为250rpm时加入56g的中温a-淀粉酶，混合2min后，将转速调节到120rpm，在45℃下恒温振荡2h，淀粉酶调理完毕后，将上述污泥样品转移至搅拌器的设备中，在转速为650rpm时，投加180g的CTAB，搅拌3min中后，在转速为50rpm的条件下，慢速搅拌10min，随后直接进行真空抽滤脱水，压力和时间参数分别为0.06MPa和20min。测定经复合酶与CTAB调理后的污泥泥饼含水率为62.63%，原始污泥的泥饼含水率为75.8%。

实施实例3：中性蛋白酶-CTAB联合调理剩余污泥的脱水性能

某市政污水处理厂的剩余污泥（含水率为98.6%），过0.18cm的网筛后，取出300mL置于500mL锥形瓶中，调整其温度和pH分别为37.6℃、7.23，在转速为200rpm时加入7mL蛋白酶溶液，混合2min后，于50rpm的转速下震荡3h，中性蛋白酶处理完毕后，将污泥样品移入六联搅拌器中，在720rpm转速下，加入1.26g的CTAB快速搅拌10min后，在62rpm转速下慢速搅拌10min后真空抽滤，压力和时间参数分别为0.06MPa和20min。测定抽滤后泥饼含水率为69.64%，原始污泥的泥饼含水率为75.8%。

对照实例1：

除中温a-淀粉酶的投加量是为10mL，CTAB投加量为3g，其余与实施实例1相同。泥饼含水率为57.64%。

对照实例2：

除中温a-淀粉酶的投加量和作用振荡时间为62g和1.5h，其余均与实施实例2相同。泥饼含水率为61.64%。

对照实例3：

除中性蛋白酶的投加量是为10mL，CTAB投加量为1.5g，其余均与实施实例3相同。泥饼含水率为64.36%。

检测结果表明：

1、经生物酶调理后，污泥由于结构松散、负电荷增大，浊度高，比表面积增大导致其CST上升。

2、生物酶-CTAB调理后，污泥重新聚集，污泥CST值明显降低，脱水性能好，脱水后污泥含水率更低。

3、酶所处的反应条件不同，会导致CST值各异。

4、CTAB的投加量对真空抽滤后泥饼含水率影响较大。

5、抽滤的操作条件对真空抽滤后泥饼含水率有一定影响。

Claims

1.一种生物酶-CTAB联合调理污泥的方法，其特征在于：先利用生物酶的降解作用，分解污泥中的胞外有机物（EPS），破坏污泥絮体结构，释放污泥中结合水，随后利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）表面活性剂的亲疏水及电中和作用，改变污泥絮体的亲疏水性，中和污泥表面负电荷，使得部分EPS和结合水从污泥絮体中分离，提高污泥压缩性的同时增大污泥絮体尺寸，增强其脱水性能；

2.如权利要求1所述的联合调理污泥的方法，其特征是上述方法步骤如下：

将污泥的温度、pH调节到生物酶的适宜范围；

向污泥中投加生物酶，混合均匀，并进行一定时间的反应；

向污泥中投加定量的CTAB，搅拌混合，并进行一定时间的反应，进入脱水单元。

3.如权利要求1所述联合调理污泥的方法，其特征是所述的污泥为城市污水处理厂产生的污泥，包括活性污泥，消化污泥以及浓缩污泥等，含水率应在90%以上。

4.如权利要求1和2所述联合调理污泥的方法，其特征是生物酶的适宜范围如下：中温a-淀粉酶适用温度、pH范围为25～70℃、5.5～6.8；中性蛋白酶适用温度、pH范围为10～60℃、6.0～8.0。

5.如权利要求1和2所述联合调理污泥的方法，其特征是生物酶调理程序如下：中温a-淀粉酶单独调理时，投加量和作用时间范围为0.05～0.15g/g干污泥（TS）、1～4h；中性蛋白酶单独调理时，投加量和作用时间范围为0.1～0.2g/gTS、1～4h；复合酶 (中温a-淀粉酶-中性蛋白酶) 调理污泥时，先投加0.02～0.2 g/gTS的中温a-淀粉酶，作用0.1～1.5 h后，再投加0.05～0.2g/gTS的中性蛋白酶，并作用1～4h；

所述干污泥（TS）指经105℃烘干的污泥。

6.如权利要求1和2所述联合调理污泥的方法，其特征是酶处理污泥的阶段，混合过程分为快慢两种振荡方式，相应的振荡强度与时间分别为200～350rpm、1～5min和20～200rpm、权利5中所述的酶作用时间。

7.如权利要求1和2所述联合调理污泥的方法，其特征是当中温a-淀粉酶或中性蛋白酶单独调理污泥时，CTAB投加量范围为0.2～0.5g/gTS；当复合酶-CTAB调理污泥时，其CTAB投加量范围为0.3～0.6g/gTS；

所述干污泥（TS）指经105℃烘干的污泥。

8.如权利要求1和2所述联合调理污泥的方法，其特征是CTAB调理时所述的混合过程实行快慢两阶段搅拌方式，相应的搅拌强度和时间分别为100～800rpm、0.5～5min和20～200rpm、10～30min。

9.如权利要求1和2所述联合调理污泥的方法，相应的脱水单元包括：板框脱水、带式脱水、真空抽滤等机械脱水方式和电脱水装置，脱水后泥饼含水率可降至70%以下。