CN107540187A - 一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，属于废水处理及污泥资源化利用技术领域。本发明将污水厂脱水污泥与生物质废料混合均匀并粉碎得到混合物料A；在混合物料A中加入活化剂A、活化剂B并混合均匀得到混合物料B；将混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为300~500℃并碳化处理20~60min即得用于改善污泥沉降性能的碳基材料。本发明的碳基材料投加于沉降性能较差的活性污泥体系中，其污泥沉降比SV30可降低至25%，沉降性能可提升15.0~33.2%。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，属于废水处理及污泥资源化利用技术领域。
背景技术
城市污水厂运行时，受负荷变化、曝气过度、丝状菌膨胀等因素影响，活性污泥池的沉降性能往往明显下降，不利于生化处理系统的稳定运行。已有处理技术如控制溶解氧浓度、改变好氧池营养条件等均无法在短期内使污泥的沉降性能恢复至正常水平。采用铁碳微电解、投加絮凝剂等方法可快速提升污泥沉降性能，且效果较为明显；但存在成本偏高、水体色度上升、生物絮凝剂制备工艺复杂等问题。已有专利CN201110263672.8与CN201110427783.8公开了利用剩余污泥制备生物絮凝剂的方法，采用阳离子交换树脂这类方法从剩余污泥中提取生物絮凝剂，絮凝率最高可达72.3％。然而，该技术存在生物絮凝剂制备工艺复杂、污泥易厌氧消化产生臭气、生产成本相对较高等不足。已有专利CN201510758213.5公开了一种利用农作物秸秆和剩余活性污泥制备微生物絮凝剂的方法，发明内容包括利用菌株培养获得种子液、种子液植入以农作物秸秆和剩余活性污泥为主体的发酵培养基、发酵液旋转蒸发和冰浴丙酮提取获得絮凝剂。该方法微生物培养工艺过程可控性较差、培养时间长、絮凝剂制备成本费用较高。
目前，我国污水处理厂污泥产量快速增加，2015年湿污泥产量已高达近4000万吨，污泥的合理处置与利用成为污水处理厂亟待解决的难题。利用废弃的污泥为原料制备生物絮凝剂有助于改善污泥的沉降性能，同时也能实现污水厂污泥的资源化利用。利用污泥制备生物絮凝材料进而改善活性污泥池的污泥沉降性能，该技术环境、社会效益明显，但成本偏高、工艺过程可控性差这类不足限制了该类技术在改善污泥沉降性能方面的实际应用与推广。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，本发明的碳基材料具有孔隙发达、吸附性能好、比重适中、能在流动的污水池内缓慢沉降等特点，能够明显提升污泥的沉降性能，且沉降至生化反应池底的碳基材料可最终被微生物降解，无生物毒副作用。
一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，具体步骤为：
（1）将污水厂脱水污泥与生物质废料混合均匀并粉碎得到混合物料A；
（2）在步骤（1）所得混合物料A中加入活化剂A、活化剂B并混合均匀并粉碎得到混合物料B；
（3）将步骤（2）所得混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为300~500℃并碳化处理20~60min，即得用于改善污泥沉降性能的碳基材料，其中保护气体为氮气或水蒸气；
所述步骤（1）中污水厂脱水污泥与生物质废料的质量比为1:(0.5~2)，污水厂脱水污泥中固体物含量不低于20%，生物质废料可以为椰壳、花生壳、核桃壳、竹屑、烟草秸秆等的一种或多种生物质废料；
所述步骤（2）中氮气或水蒸气流速为2×10-4~4×10-4 m/s，匀速升温速率为15~25℃/min；
所述活化剂A和活化剂B的总质量为混合物料A的5~10%，活化剂A与活化剂B的质量比为2:(1~0.5)，活化剂A为KOH或K2CO3，活化剂B为NH4H2PO4或(NH4)2HPO4；
本发明的另一目的是提供所述利用脱水污泥制备碳基材料的方法所制备的碳基材料在改善污泥沉降性能中的应用，在改善废水水质中的应用以及在污泥浓缩脱水的应用。
本发明的有益效果：
（1）本发明利用污水厂废弃的剩余污泥制备了碳基吸附材料，高效改善活性污泥系统的污泥沉降性能，有效实现了污泥的资源化利用；
（2）本发明制备的碳基材料投加至活性污泥池后，能吸附降解污水中的重金属离子，同时对化学需氧量（COD）、悬浮物（SS）、N、P等元素有较好的去除效果；
（3）污水厂剩余污泥包含丰富的有机质以及氮磷等营养成分，而椰壳、花生壳、核桃壳、竹屑、烟草秸秆等生物质废料具有纤维素与碳含量相对较高这类特点，本发明利用剩余污泥与椰壳、花生壳、核桃壳、竹屑、烟草秸秆等生物质废料制备的碳基吸附材料，具有孔隙发达、吸附性能好、比重适中、能在流动的污水池内缓慢沉降等特点，能够明显提升污泥的沉降性能，且沉降至生化反应池底的碳基材料可最终被微生物降解，无生物毒副作用；
（4）本发明制备的污泥碳基材料也可应用于污泥浓缩脱水过程，污泥脱水性能明显提升，可最终被生物降解，无生物毒副作用、无二次污染问题。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，具体步骤为：
（1）将污水厂脱水污泥与生物质废料（生物质废料为烟草秸杆）混合均匀并粉碎至粒径不大于3mm得到混合物料A；其中污水厂脱水污泥与生物质废料（烟草秸杆）的质量比为1:1，污水厂脱水污泥中固体物含量为20%；
（2）在步骤（1）所得混合物料A中加入活化剂A（活化剂A为KOH）、活化剂B（活化剂B为NH4H2PO4）并混合均匀并粉碎得到混合物料B；其中活化剂A和活化剂B的总质量为混合物料A的10%，活化剂A（KOH）与活化剂B（NH4H2PO4）的质量比为2:1；
（3）将步骤（2）所得混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为500℃并碳化处理60min，即得用于改善污泥沉降性能的碳基材料，其中保护气体为氮气，氮气流速为2×10-4m/s，匀速升温速率为25℃/min；
取本实施例的碳基材料改善污泥沉降性能中的应用：取5 g碳基材料投加到装有1 L活性污泥的烧杯中，快速混合后移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30，静置沉降30min后，得到污泥沉降比SV30为32.1%，空白对照组（空白对照组为1 L活性污泥快速移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30）SV30为58.2%，污泥沉降性能提高率为26.1%。
实施例2：一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，具体步骤为：
（1）将污水厂脱水污泥与生物质废料（生物质废料为烟草秸杆）混合均匀并粉碎至粒径不大于2.5mm得到混合物料A；其中污水厂脱水污泥与生物质废料（烟草秸杆）的质量比为1:0.5，污水厂脱水污泥中固体物含量为20%；
（2）在步骤（1）所得混合物料A中加入活化剂A（活化剂A为K2CO3）、活化剂B（活化剂B为NH4H2PO4）并混合均匀并粉碎得到混合物料B；其中活化剂A和活化剂B的总质量为混合物料A的10%，活化剂A（K2CO3）与活化剂B（NH4H2PO4）的质量比为2:0.8；
（3）将步骤（2）所得混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为400℃并碳化处理60min，即得用于改善污泥沉降性能的碳基材料，其中保护气体为氮气，氮气流速为2.5×10-4m/s，匀速升温速率为20℃/min；
取本实施例的碳基材料改善污泥沉降性能中的应用：取5 g碳基材料投加到装有1 L活性污泥的烧杯中，快速混合后移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30，静置沉降30min后，得到污泥沉降比SV30为33.6%，空白对照组（空白对照组为1 L活性污泥快速移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30）SV30为52.8%，污泥沉降性能提高率为19.2%。
实施例3：一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，具体步骤为：
（1）将污水厂脱水污泥与生物质废料（生物质废料为椰壳）混合均匀并粉碎至粒径不大于2.8mm得到混合物料A；其中污水厂脱水污泥与生物质废料（椰壳）的质量比为1:0.5，污水厂脱水污泥中固体物含量为50%；
（2）在步骤（1）所得混合物料A中加入活化剂A（活化剂A为KOH）、活化剂B（活化剂B为NH4H2PO4）并混合均匀并粉碎得到混合物料B；其中活化剂A和活化剂B的总质量为混合物料A的5%，活化剂A（KOH）与活化剂B（NH4H2PO4）的质量比为2:0.5；
（3）将步骤（2）所得混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为300℃并碳化处理30min，即得用于改善污泥沉降性能的碳基材料，其中保护气体为氮气，氮气流速为3×10-4m/s，匀速升温速率为15℃/min；
取本实施例的碳基材料改善污泥沉降性能中的应用：取5 g碳基材料投加到装有1 L活性污泥的烧杯中，快速混合后移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30，静置沉降30min后，得到污泥沉降比SV30为40.2%，空白对照组（空白对照组为1 L活性污泥快速移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30）SV30为55.2%，污泥沉降性能提高率为15.0%。
实施例4：一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，具体步骤为：
（1）将污水厂脱水污泥与生物质废料（生物质废料为核桃壳）混合均匀并粉碎至粒径不大于2.6mm得到混合物料A；其中污水厂脱水污泥与生物质废料（核桃壳）的质量比为1:2，污水厂脱水污泥中固体物含量为50%；
（2）在步骤（1）所得混合物料A中加入活化剂A（活化剂A为K2CO3）、活化剂B（活化剂B为(NH4)2HPO4）并混合均匀并粉碎得到混合物料B；其中活化剂A和活化剂B的总质量为混合物料A的9%，活化剂A（K2CO3）与活化剂B（(NH4)2HPO4）的质量比为2:0.6；
（3）将步骤（2）所得混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为500℃并碳化处理20min，即得用于改善污泥沉降性能的碳基材料，其中保护气体为氮气，氮气流速为3.5×10-4m/s，匀速升温速率为20℃/min；
取本实施例的碳基材料改善污泥沉降性能中的应用：取5 g碳基材料投加到装有1 L活性污泥的烧杯中，快速混合后移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30，静置沉降30min后，得到污泥沉降比SV30为28.3%，空白对照组（空白对照组为1 L活性污泥快速移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30）SV30为56.5%，污泥沉降性能提高率为28.2%。
实施例5：一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，具体步骤为：
（1）将污水厂脱水污泥与生物质废料（生物质废料为花生壳）混合均匀并粉碎至粒径不大于2.5mm得到混合物料A；其中污水厂脱水污泥与生物质废料（花生壳）的质量比为1:2，污水厂脱水污泥中固体物含量为80%；
（2）在步骤（1）所得混合物料A中加入活化剂A（活化剂A为KOH）、活化剂B（活化剂B为(NH4)2HPO4）并混合均匀并粉碎得到混合物料B；其中活化剂A和活化剂B的总质量为混合物料A的10%，活化剂A（KOH）与活化剂B（(NH4)2HPO4）的质量比为2:0.7；
（3）将步骤（2）所得混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为500℃并碳化处理60min，即得用于改善污泥沉降性能的碳基材料，其中保护气体为氮气，氮气流速为4×10-4m/s，匀速升温速率为25℃/min；
取本实施例的碳基材料改善污泥沉降性能中的应用：取5 g碳基材料投加到装有1 L活性污泥的烧杯中，快速混合后移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30，静置沉降30min后，得到污泥沉降比SV30为25.1%，空白对照组（空白对照组为1 L活性污泥快速移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30）SV30为58.3%，污泥沉降性能提高率为33.2%。
实施例6：一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，具体步骤为：
（1）将污水厂脱水污泥与生物质废料（生物质废料为竹屑）混合均匀并粉碎至粒径不大于2.8mm得到混合物料A；其中污水厂脱水污泥与生物质废料（竹屑）的质量比为1:1，污水厂脱水污泥中固体物含量为60%；
（2）在步骤（1）所得混合物料A中加入活化剂A（活化剂A为KOH）、活化剂B（活化剂B为(NH4)2HPO4）并混合均匀并粉碎得到混合物料B；其中活化剂A和活化剂B的总质量为混合物料A的8%，活化剂A（KOH）与活化剂B（(NH4)2HPO4）的质量比为2:0.9；
（3）将步骤（2）所得混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为400℃并碳化处理40min，即得用于改善污泥沉降性能的碳基材料，其中保护气体为氮气，氮气流速为2×10-4m/s，匀速升温速率为25℃/min；
取本实施例的碳基材料改善污泥沉降性能中的应用：取5 g碳基材料投加到装有1 L活性污泥的烧杯中，快速混合后移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30，静置沉降30min后，得到污泥沉降比SV30为31.0%，空白对照组（空白对照组为1 L活性污泥快速移入1 L 的量筒中，静置沉降30 min，记录污泥沉降比SV30）SV30为57.0%，污泥沉降性能提高率为26.0%。
实施例7：一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，具体步骤为：
（1）将污水厂脱水污泥与生物质废料（生物质废料为椰壳和竹屑的混合物，椰壳和竹屑的质量比为1:2）混合均匀并粉碎至粒径不大于3mm得到混合物料A；其中污水厂脱水污泥与生物质废料的质量比为1:2，污水厂脱水污泥中固体物含量为60%；
（2）在步骤（1）所得混合物料A中加入活化剂A（活化剂A为KOH）、活化剂B（活化剂B为(NH4)2HPO4）并混合均匀并粉碎得到混合物料B；其中活化剂A和活化剂B的总质量为混合物料A的10%，活化剂A（KOH）与活化剂B（(NH4)2HPO4）的质量比为2:1；
（3）将步骤（2）所得混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为500℃并碳化处理50min，即得用于改善污泥沉降性能的碳基材料，其中保护气体为氮气，氮气流速为2×10-4m/s，匀速升温速率为15℃/min；
从污水厂污泥浓缩池中取定量待处理污泥，将5 g本实施例的碳基材料投加至1 L浓缩污泥中，快速混合后，取5ml样品测试其SS、N、P含量，并与空白对照组进行比较，空白对照组COD浓度为1200mg/L、SS浓度为350mg/L、氮含量为35mg/L 及磷含量为10mg/L，投加碳基材料试验组COD浓度为650mg/L、SS浓度为180mg/L、氮含量为16mg/L、磷含量为6mg/L，污泥COD、SS、N、P去除率分别为45.8%、48.6%、54.3%、40.0%。
实施例8：一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，具体步骤为：
（1）将污水厂脱水污泥与生物质废料（生物质废料为椰壳）混合均匀并粉碎至粒径不大于3mm得到混合物料A；其中污水厂脱水污泥与生物质废料（椰壳）的质量比为1:2，污水厂脱水污泥中固体物含量为60%；
（2）在步骤（1）所得混合物料A中加入活化剂A（活化剂A为K2CO3）、活化剂B（活化剂B为(NH4)2HPO4）并混合均匀并粉碎得到混合物料B；其中活化剂A和活化剂B的总质量为混合物料A的10%，活化剂A（KOH）与活化剂B（(NH4)2HPO4）的质量比为2:0.5；
（3）将步骤（2）所得混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为500℃并碳化处理50min，即得用于改善污泥沉降性能的碳基材料，其中保护气体为水蒸气，水蒸气流速为2×10-4m/s，匀速升温速率为15℃/min；
将5 g本实施例的碳基材料投加至1 L浓缩污泥中，快速混合后，取5ml样品测试毛细吸水时间，并与空白对照组（没有添加碳基材料的浓缩污泥）进行比较，空白对照组毛细吸水时间为192s，投加碳基材料试验组毛细吸水时间为143s，浓缩污泥脱水性能提升25.5%。
Claims (7)
1.一种利用脱水污泥制备碳基材料的方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）将污水厂脱水污泥与生物质废料混合均匀并粉碎得到混合物料A；
（2）在步骤（1）所得混合物料A中加入活化剂A、活化剂B并混合均匀得到混合物料B；
（3）将步骤（2）所得混合物料B置于裂解炉中，通入保护气体，在微波条件下，混合物料B匀速升温至温度为300~500℃并碳化处理20~60min，即得碳基材料，其中保护气体为氮气或水蒸气。
2.根据权利要求1所述利用脱水污泥制备碳基材料的方法，其特征在于：步骤（1）中污水厂脱水污泥与生物质废料的质量比为1:(0.5~2)，污水厂脱水污泥中固体物含量不低于20%。
3.根据权利要求1所述利用脱水污泥制备碳基材料的方法，其特征在于：步骤（2）中氮气或水蒸气流速为2×10-4 ~4×10-4 m/s，匀速升温速率为15~25℃/min。
4.根据权利要求1所述利用脱水污泥制备碳基材料的方法，其特征在于：活化剂A和活化剂B的总质量为混合物料A的5~10%，活化剂A与活化剂B的质量比为2:(1~0.5)，活化剂A为KOH或K2CO3，活化剂B为NH4H2PO4或(NH4)2HPO4。
5.权利要求1所述利用脱水污泥制备碳基材料的方法所制备的碳基材料在改善污泥沉降性能中的应用。
6.权利要求1所述利用脱水污泥制备碳基材料的方法所制备的碳基材料在改善废水水质中的应用。
7.权利要求1所述利用脱水污泥制备碳基材料的方法所制备的碳基材料在污泥浓缩脱水的应用。
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