CN109020149B - 一种污泥回收资源化利用方法及回收资源化利用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种污泥回收资源化利用方法及资源化利用装置，通过对含水污泥进行机械浓缩、高速离心脱水处理、超声处理、膨润土和硅藻土复合处理、聚合氯化铝混凝沉淀、物理吸附等处理，能够有效将污泥中的磷素和抗生素释放至外部环境中，并将磷素和抗生素进行有效清除，最后将清除了磷、抗生素等物质后的污泥制备成生态砖，增强了污泥修复使用的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种污泥的回收方法和装置，特别涉及一种污泥回收资源化利用方法及资源化利用装置。
背景技术
受工业废水、生活废水和养殖废水的影响，大量的污染物聚集于水体中，最后形成污泥沉积于水底，同时，受污染的污泥又对水体作用，造成一系列耦合的复合污染。而随着社会经济的迅速发展和人口的激增，中国农药、化肥、含磷洗涤剂和养殖抗生素的使用量不断增长，使水中氮、磷和残留抗生素的含量不断增加，打破了水体中原有的生态平衡，致使水体出现富营养化并且含有抗生素，且这种现象往往易出现在湖泊、水库、海湾等流速缓慢的水体当中。
其中，富营养化对水体产生严重的危害，直接后果是导致一些水生植物激增，迅速消耗水中溶解氧，导致众多水族动物因缺氧而死亡，某些贝类能够将一些藻类产生的毒素富集，而人类经常食用这些水产品，无形中又影响到了人类的身体健康。而水源中残留的抗生素更对居民人体健康和水生态安全造成危害。
目前，针对水体的富营养化和抗生素的净化处理方法已经较为成熟，但是由于污泥的含水率高，体积大等特征，为堆放、运输和后续处理带来较大的困难，导致污泥的治理已成为水环境治理的难题。同时，处理后的污泥如何进行利用，使之不再成为污染，是目前研究的热点和难点。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术而提出的一种污泥回收资源化利用方法及资源化利用装置，能够有效将污泥中含有的磷素和抗生素充分释放，并将污泥中的磷素和抗生素有效清除，处理后的物料能够用于制备生态砖，该方法制得的生态砖具有强度高，吸附性好，具有广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种污泥回收资源化利用方法，包括以下步骤：
（1）向污泥中加水将污泥稀释，稀释后经螺旋排渣处理除去污泥中比重大的无机物，经格栅除去水面的漂浮物；
（2）将处理后的含水污泥进行机械浓缩和高速离心脱水处理；
（3）将浓缩脱水后的污泥进行稀释，并将步骤（2）中的污泥水一并通入反应器中，在搅拌的同时对混合液进行超声处理；
（4）向步骤（3）处理后的混合液中添加双氧水水溶液，在双氧水水溶液的作用下发生氧化；
（5）向反应器中添加膨润土和硅藻土混合物，然后进行机械搅拌，搅拌速度为20～30r/min，搅拌一段时间后，反应液停留一段时间；
（6）向步骤（5）处理后的混合液中加入pH值调控剂，调节pH值8.5～9.5；
（7）向反应器中添加聚合氯化铝溶液，并控制搅拌速度为300～500 r/min；
（8）将步骤（7）处理后的混合液通入吸附塔中，采用吸附剂吸附混合液中的残留物，吸附时间2～3h后即可排出；
（9）将步骤（8）处理后的混合液排入澄清池中自然干燥，制成底料，向底料中加入水泥、粉煤灰，水泥、粉煤灰和底料的质量比为5～20:10～30: 30～80；搅拌混合，搅拌速度为在3000～4500 r/min，搅拌时间为1～2h，将混合料输入至陈化仓内进行陈化，陈化仓内保持温度为40～58℃，陈化时间为2～3h，成为陈化料；
（10）将上述陈化料导入模具中，将模具置于压力机中，成型压力为20～30Mpa，在最高压力处保压20～25s，放压卸下模具，取出砖坯；将砖坯风干，洒水自然养护10～20d，得生态砖成品。
由于采用挖掘机械采集的污泥中经常含有石头、水草、生活垃圾等杂物，因此在对污泥处理前，通过螺旋排渣处理除去污泥中比重大的无机物，经格栅除去水面的漂浮物，能够有效清除采集的污泥中的上述杂物。
将处理后的含水污泥进行机械浓缩和高速离心脱水处理，能够实现污泥中的胞外聚合物溶出，同时在浓缩脱水环境下污泥中磷又重新释放到污泥水中。
将浓缩脱水后的污泥进行稀释后，将步骤（2）中的污泥水一并通入反应器中，在搅拌的同时对混合液进行超声处理，能够减弱固相磷素与有机物之间的键合关系，便于固相磷素的充分溶出，同时提高污泥混合液中抗生素的降解速度。
采用膨润土和硅藻土的配比制成复合物，能够明显提升对污泥混合液中磷素和抗生素的有效清除。
向步骤（5）处理后的混合液中加入pH值调控剂，调节pH值8.5～9.5，向反应器中添加聚合氯化铝溶液，并控制搅拌速度为300～500 r/min，能够通过聚合氯化铝与混合液中磷素反应形成混凝沉淀，有效清除上述处理后的混合液中残留微量残留物。
随着混合液中磷素的浓度逐渐降低，较低浓度的磷素无法继续反应进行清除，本发明将步骤（7）处理后的混合液通入吸附塔中，采用吸附剂可进一步对游离态和固相磷素进行吸附，可克服液相中磷素容易流失与回收效能低的问题。
作为本发明更进一步的限定，步骤（3）中搅拌速度在50～500 r/min，超声处理参数为：功率60～120W，频率20～40MHz。
作为本发明更进一步的限定，步骤（4）中双氧水水溶液与混合液的体积比为(5～10) ：100 ；双氧水水溶液的质量分数为20％～30％。
作为本发明更进一步的限定，步骤（5）中膨润土和硅藻土混合物中膨润土和硅藻土的质量比为60％:40％，膨润土和硅藻土混合物投加量为500mg/L，搅拌3-7d，搅拌完后停留2h。
作为本发明更进一步的限定，步骤（7）中向反应器中添加聚合氯化铝溶液，控制混合液中Al/P离子浓度比为2.4～2.7：1。
作为本发明更进一步的限定，吸附塔中的吸附剂制备方法如下：取5克生物质炭，加入超纯水浸泡并超声10min，反复洗涤3次，110℃下烘至恒重；向经过预处理的生物质炭中加入20mL的浓度为1mol/L的硝酸铁溶液，室温下搅拌24h后，转移至旋转蒸发仪中，加热温度设置为60℃并抽真空条件下反应12h，固体材料取出后冷却，并用去离子水洗净，25℃下真空干燥24 h。
同时，本发明还公开了一种用于污泥回收资源化利用的资源化利用装置，包含左右连接的两个反应器，反应器包括装有盖体的混合腔，在混合腔左侧设有入料口，在混合腔右侧设有出料口，左右两个连接的反应器之间通过高压泵连接，在混合腔底部设有沉淀物排放口，在盖体上装有伸入混合腔内的进液管，在进液管的内侧管体上分布有多个进液孔；进液管的上端穿过法兰并安装在法兰上，进液管通过法兰固定安装在盖体的法兰端体上；在法兰顶部设置与进液管连接的连接阀。
多个进液孔为两列竖直排列且对称分布在进液管上，在进液管外套设有与进液管配合的弧形挡板，弧形挡板由设置在盖体顶部的伺服电机驱动，通过伺服电机的驱动控制弧形挡板对进液孔的开启或封闭，进而实现向混合腔中供液或停止供液。
在弧形挡板设置四个开口，开口沿弧形挡板竖直方向设置，开口用于实现与进液孔的连通或封闭，进而实现向混合腔中供液或停止供液。在其中一个开口底部装有液位感应器，液位感应器检测反应器中混合液的液位，当液位感应器检测到混合腔中液体液位到达其位置时，控制伺服电机的反转，进而控制向混合腔中停止供液。
本发明的上述资源化利用装置使用时，先将连接阀的转接头与溶液导管连接，启动伺服电机驱动弧形挡板，弧形挡板上的四个开口分别与竖直且对称排列设置的进液孔对齐，溶液从进液孔喷射入反应腔中向混合腔中输入反应溶液；反应溶液添加完后，启动伺服电机驱动弧形挡板，弧形挡板上的四个开口分别封闭上述各自对应的进液孔，即实现向混合腔中停止供液。
采用上述资源化利用装置能够实现向混合腔中供液和停止供液的操作，并且通过设置的液位感应器能够有效识别混合腔中的液位，且通过沉淀物排放口可将反应得到的沉淀物有效排出，通过弧形挡板间断设置的四个开口能够防止进液孔被混合腔中生成的固体物质堵塞。
本发明的有益效果是:
1、通过对含水污泥进行机械浓缩和高速离心脱水处理，能够实现污泥中的胞外聚合物溶出，同时在浓缩脱水环境下，能够将污泥中磷充分释放到污泥水中。
2、将浓缩脱水后的污泥进行稀释，并将步骤（2）中的污泥水一并通入反应器中，在搅拌的同时对混合液进行超声处理，能够减弱固相磷素与有机物之间的键合关系，便于固相磷素的充分溶出，同时提高污泥混合液中抗生素的降解速度。这是由于对含有污泥的混合液进行超声处理，能够减弱固相磷素与有机物直接的键合作用，易于提高后续氧化释放磷和转化磷的效果；同时，超声处理对混合液中有机物产生高温热解效应、超声机械效应和自由基氧化还原反应、以及超声波使混合液中极性分子产生高速旋转而产生热效应，降低了反应的活化能和分子的化学键强度，从而加速了混合液中抗生素的降解。
3、通过对膨润土和硅藻土的配比制成复合物，能够明显提升对污泥混合液中磷素和抗生素的有效清除效果。
4、通过添加聚合氯化铝，与混合液中磷素反应形成混凝沉淀能够进一步清除混合液中的微量残留的磷素。
5、本发明将步骤（7）处理后的混合液通入吸附塔中，采用吸附剂可进一步对游离态和固相磷素进行吸附，可克服液相中磷素容易流失与回收效能低的问题。
6、将清除了磷、抗生素等物质后的污泥制备成生态砖，增强了污泥修复使用的适用性。
附图说明
图1是本发明提出的一种污泥回收资源化利用方法流程示意图。
图2是本发明提出的一种污泥回收资源化利用方法中膨润土与硅藻土质量配比对除磷效果的影响。
图3是本发明提出的一种污泥回收资源化利用方法中吸附剂制备使用不同铁基材料对吸附剂去除混合液中抗生素的影响。
图4是本发明提出的一种污泥回收资源化利用装置结构示意图。
图5是本发明提出的一种污泥回收资源化利用装置A处的放大图。
图6是图5的B—B处的剖视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进一步说明。
参照图1，一种污泥回收资源化利用方法，包括以下步骤：
（1）向污泥中加水将污泥稀释，稀释后经螺旋排渣处理除去污泥中比重大的无机物，经格栅除去水面的漂浮物；
（2）将处理后的含水污泥进行机械浓缩和高速离心脱水处理；
（3）将浓缩脱水后的污泥进行稀释，并将步骤（2）中的污泥水一并通入反应器中，在搅拌的同时对混合液进行超声处理；
（4）向步骤（3）处理后的混合液中添加双氧水水溶液，在双氧水水溶液的作用下发生氧化；
（5）向反应器中添加膨润土和硅藻土混合物，然后进行机械搅拌，搅拌速度为20～30r/min，搅拌一段时间后，反应液停留一段时间；
（6）向步骤（5）处理后的混合液中加入pH值调控剂，调节pH值8.5～9.5；
（7）向反应器中添加聚合氯化铝溶液，并控制搅拌速度为300～500 r/min；
（8）将步骤（7）处理后的混合液通入吸附塔中，采用吸附剂吸附混合液中的残留物，吸附时间2～3h后即可排出；
（9）将步骤（8）处理后的混合液排入澄清池中自然干燥，制成底料，向底料中加入水泥、粉煤灰，水泥、粉煤灰和底料的质量比为5～20:10～30: 30～80；搅拌混合，搅拌速度为在3000～4500 r/min，搅拌时间为1～2h，将混合料输入至陈化仓内进行陈化，陈化仓内保持温度为40～58℃，陈化时间为2～3h，成为陈化料；
（10）将上述陈化料导入模具中，将模具置于压力机中，成型压力为20～30Mpa，在最高压力处保压20～25s，放压卸下模具，取出砖坯；将砖坯风干，洒水自然养护10～20d，得生态砖成品。
由于采用挖掘机械采集的污泥中经常含有石头、水草、生活垃圾等杂物，因此在对污泥处理前，通过螺旋排渣处理除去污泥中比重大的无机物，经格栅除去水面的漂浮物，能够有效清除采集的污泥中的上述杂物。
由于污泥中的残留磷会与污泥形成胞外聚合物，为了将污泥中的含磷胞外聚合物充分释放至水中，将处理后的含水污泥进行机械浓缩和高速离心脱水处理，能够实现污泥中的胞外聚合物溶出，同时在浓缩脱水环境下污泥中磷又重新释放到污泥水中。
同时，由于污泥中会含有部分固相磷素和残留抗生素，而固相磷素会与有机物之间形成键合，且抗生素的自然降解速度较慢，为了减弱固相磷素与有机物之间的键合关系，便于固相磷素的充分溶出，同时提高污泥混合液中抗生素的降解速度，将浓缩脱水后的污泥进行稀释，并将步骤（2）中的污泥水一并通入反应器中，在搅拌的同时对混合液进行超声处理。这是由于对含有污泥的混合液进行超声处理，能够减弱固相磷素与有机物直接的键合作用，易于提高后续氧化释放磷和转化磷的效果；同时，超声处理对混合液中有机物产生高温热解效应、超声机械效应和自由基氧化还原反应、以及超声波使混合液中极性分子产生高速旋转而产生热效应，降低了反应的活化能和分子的化学键强度, 从而加速了混合液中抗生素的降解。
虽然，膨润土和硅藻土都能够用于对水体的净化处理，但是两者通常都是单独使用。通过对膨润土和硅藻土的配比制成复合物，能够明显提升对污泥混合液中磷素和抗生素的有效清除。
由图2可知，在膨润土和硅藻土质量比为60%：40%时，总磷的去除效果较好，为后续处理处理提供了较好的基础。
上述处理后的混合液中还含有微量残留物，为了将上述残留物充分清除，向步骤（5）处理后的混合液中加入pH值调控剂，调节pH值8.5～9.5，向反应器中添加聚合氯化铝溶液，并控制搅拌速度为300～500r/min。通过聚合氯化铝与混合液中磷素反应形成混凝沉淀。
由于，污泥水中直接投加聚合氯化铝进行混凝除磷，不仅会恶化其沉降性能，也会降低除磷效率。不同的pH值对混凝反应的影响较大，通过对反应速率的不断研究，申请人发现，当pH<9 时，随着pH升高，磷去除率升高；当pH>9时，进一步提高pH，磷去除率降低，但降低幅度很小。在pH<6和pH>10时，pH对聚合氯化铝的混凝效果影响不大。因此，pH为9时聚合氯化铝对混合液的除磷效率最高。
此外，合适的搅拌转速可使聚合氯化铝迅速扩散到混合液的上部，混合液中的温度和浓度更均匀，促使铝离子与磷接触形成沉淀除磷，但是搅拌转速过大会打碎絮体，阻碍沉淀形成，降低磷去除率。通过对反应速率的不断研究，申请人发现，搅拌速度在50～500r/min的范围内，随着搅拌速度的增加，磷去除率略有升高，但影响变化不大。
通过分析混合液中聚合氯化铝除磷过程中Al/P离子浓度比、pH值和搅拌转速对除磷效果的单独作用效果和联合作用效果，混合液除磷工艺条件的影响效果大小为Al/P离子浓度比>pH值>搅拌速度。
随着混合液中磷素的浓度逐渐降低，较低浓度的磷素无法继续反应进行清除，本发明将步骤（7）处理后的混合液通入吸附塔中，采用吸附剂可进一步对游离态和固相磷素进行吸附，可克服液相中磷素容易流失与回收效能低的问题。
作为本发明更进一步的限定，步骤（3）中搅拌速度在50～500 r/min，超声处理参数为：功率60～120W，频率20～40MHz。
作为本发明更进一步的限定，步骤（4）中双氧水水溶液与混合液的体积比为(5～10) ：100 ；双氧水水溶液的质量分数为20％～30％。
作为本发明更进一步的限定，步骤（5）中膨润土和硅藻土混合物中膨润土和硅藻土的质量比为60％:40％，膨润土和硅藻土混合物投加量为500mg/L，搅拌3-7d，搅拌完后停留2h。
作为本发明更进一步的限定，步骤（7）中向反应器中添加聚合氯化铝溶液，控制混合液中Al/P离子浓度比为2.4～ 2.7：1。
作为本发明更进一步的限定，吸附塔中的吸附剂制备方法如下：取5g生物质炭，加入超纯水浸泡并超声10min，反复洗涤3次，110℃下烘至恒重；向经过预处理的生物质炭中加入20mL的浓度为1mol/L的硝酸铁溶液，室温下搅拌24h后，转移至旋转蒸发仪中，加热温度设置为60℃并抽真空条件下反应12h，固体材料取出后冷却，并用去离子水洗净，25℃下真空干燥24 h。
由图3可以看出，在铁基材料的三价铁离子摩尔浓度相同的条件下，制备的吸附剂对左氟沙星和环丙沙星的去除率的顺序均为硝酸铁最高，其次为硫酸铁，最次为氯化铁。因此，为了提高对混合液中抗生素的有效去除，吸附剂中的铁基材料采用硝酸铁进行制备。
参照图4-6，一种污泥资源化利用装置装置，包含左右连接的两个反应器，反应器包括装有盖体1的混合腔8，在混合腔8左侧设有入料口，在混合腔8右侧设有出料口，左右两个连接的反应器之间通过高压泵（图示未画出）连接，在混合腔8底部设有沉淀物排放口8－1，在盖体1上装有伸入混合腔8内的进液管4，在进液管4的内侧管体上分布有多个进液孔4－1；进液管4的上端穿过法兰2并安装在法兰2上，进液管4通过法兰2固定安装在盖体1的法兰端体1－1上；在法兰2顶部设置与进液管4连接的连接阀3。
在一个实施例中，多个进液孔4－1为两列竖直排列且对称分布在进液管4上，在进液管4外套设有与进液管4配合的弧形挡板6，弧形挡板6由设置在盖体1顶部的伺服电机5驱动，通过伺服电机5的驱动控制弧形挡板6对进液孔4－1的开启或封闭，进而实现向混合腔8中供液或停止供液。
在另一个本实施例中，在弧形挡板6设置四个开口6－1，开口6－1沿弧形挡板6竖直方向设置，开口6－1用于实现与进液孔4－1的连通或封闭，进而实现向混合腔8中供液或停止供液。在其中一个开口6－1底部装有液位感应器9，液位感应器9检测反应器中混合液的液位，当液位感应器9检测到混合腔8中液体液位到达其位置时，控制伺服电机5的反转，进而控制向混合腔8中停止供液。
在另一个本实施例中，弧形挡板6的供液管段上方的的管体上装有密封圈7，密封圈7卡装在弧形挡板6与进液管4之间，密封圈7的外部卡接在弧形挡板6内壁的环形槽体内，密封圈7的内环卡接在进液管4外壁的环形槽体内。
本发明的上述资源化利用装置使用时，先将连接阀3的转接头与溶液导管连接，启动伺服电机5驱动弧形挡板6，弧形挡板6上的四个开口6－1分别与竖直且对称排列设置的进液孔4－1对齐，溶液从进液孔4－1喷射入混合腔8中向反应腔中输入反应溶液；反应溶液添加完后，启动伺服电机5驱动弧形挡板6，弧形挡板6上的四个开口6－1分别封闭上述各自对应的进液孔4－1，即实现向混合腔9中停止供液。
采用上述资源化利用装置能够实现向混合腔8中供液和停止供液的操作，并且通过设置的液位感应器能够有效识别混合腔8中的液位，且通过沉淀物排放口8－1可将反应得到的沉淀物有效排出，通过弧形挡板6间断设置的四个开口6－1能够防止进液孔4－1被混合腔8中生成的固体物质堵塞。
本发明制备的生态砖能够清除污泥中的磷、抗生素等物质，并对重金属具有很好的固化稳定效果，减少了重金属和抗生素对生物体的危害性，很好的解决污泥的重金属污染控制问题，也减少了应用在生态砖上因生物利用而带来二次污染。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种污泥回收资源化利用方法，包括以下步骤：
（1）向污泥中加水将污泥稀释，稀释后经螺旋排渣处理除去污泥中比重大的无机物，经格栅除去水面的漂浮物；
（2）将处理后的含水污泥进行机械浓缩和高速离心脱水处理，能够实现污泥中胞外聚合物的溶出，同时在浓缩脱水环境下污泥中磷又重新释放到污泥水中；
（3）将浓缩脱水后的污泥进行稀释，并将步骤（2）中的污泥水一并通入反应器中，在搅拌的同时对污泥混合液进行超声处理；超声处理能够减弱固相磷素与有机物之间的键合关系，便于固相磷素的充分溶出，同时提高污泥混合液中抗生素的降解速度；
（4）向步骤（3）处理后的污泥混合液中添加双氧水水溶液，在双氧水水溶液的作用下发生氧化；
（5）向反应器中添加膨润土和硅藻土混合物，然后进行机械搅拌，搅拌速度为20～30r/min，搅拌一段时间后，停留一段时间；通过对膨润土和硅藻土配比制成混合物，能够明显提升对污泥混合液中磷素和抗生素的有效清除；
（6）向步骤（5）处理后的污泥混合液中加入pH值调控剂，调节pH值8.5～9.5；
（7）向反应器中添加聚合氯化铝溶液，并控制搅拌速度为300～500 r/min，通过聚合氯化铝与污泥混合液中磷素反应形成混凝沉淀能够进一步清除污泥混合液中微量残留的磷素；
（8）将步骤（7）处理后的污泥混合液通入吸附塔中，采用吸附剂吸附污泥混合液中的残留物，吸附时间2～3h后即可排出；
（9）将步骤（8）处理后的污泥混合液排入澄清池中自然干燥，制成底料，向底料中加入水泥、粉煤灰，水泥、粉煤灰和底料的质量比为5～20:10～30: 30～80，搅拌混合，搅拌速度为在3000～4500 r/min，搅拌时间为1～2h，将混合料输入至陈化仓内进行陈化，陈化仓内保持温度为40～58℃，陈化时间为2～3h，成为陈化料；
（10）将上述陈化料导入模具中，将模具置于压力机中，成型压力为20～30Mpa，在最高压力处保压20～25s，放压卸下模具，取出砖坯；将砖坯风干，洒水自然养护10～20d，得生态砖成品；
其中， 所述吸附剂的制备方法如下：取5克生物质炭，加入超纯水浸泡并超声10min，反复洗涤3次，110℃下烘至恒重；向经过预处理的生物质炭中加入20mL的浓度为1mol/L的硝酸铁溶液，室温下搅拌24h后，转移至旋转蒸发仪中，加热温度设置为60℃并在抽真空条件下反应12h，固体材料取出后冷却，并用去离子水洗净，25℃下真空干燥24 h；
步骤（3）中搅拌速度为50～500 r/min，超声处理参数为：功率60～120W，频率20～40MHz；
步骤（4）中双氧水水溶液与污泥混合液的体积比为(5～10) ：100 ，双氧水水溶液的质量分数为20％～30％；
步骤（5）中膨润土和硅藻土混合物中膨润土和硅藻土的质量比为60％:40％，膨润土和硅藻土混合物投加量为500mg/L，搅拌3-7d，搅拌完后停留2h；
步骤（7）中向反应器中添加聚合氯化铝溶液，控制污泥混合液中Al/P离子浓度比为2.4～ 2.7：1。
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Granted publication date: 20210709 |