CN109607814B - 一种制备生物絮凝剂的剩余污泥碱解工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于剩余污泥处理技术领域，一种制备生物絮凝剂的剩余污泥碱解工艺，包含连续进泥系统、污泥破解反应系统和沉淀池回流系统。利用物理、化学、生物的污泥破解方式采用热碱法对污泥进行连续处理，操作简单，较易满足工业化生产的条件。污泥处理产物包含上清液和少量沉淀污泥，沉淀池中的沉淀污泥通过回流系统打入反应器中重新参与反应，将沉淀池中的上清液收集可作为生物絮凝剂对废水进行有效处理，该工艺下产生的的生物絮凝剂对万德染料废水、水性漆废水等实际工业废水都具有良好的处理效果。因此本发明可达到废水与污泥同时处理的功效，具有良好的实际应用前景。

Description

一种制备生物絮凝剂的剩余污泥碱解工艺

技术领域

本发明属于剩余污泥处理技术领域，具体涉及一种利用热碱法将剩余污泥资源化和减量化处理的方法。

背景技术

剩余污泥作为污水处理厂运行的必然产物，通常含有相当量的有毒有害物质如寄生虫卵、病原微生物、重金属及未稳定化的有机物，所含有的重金属、有机污染物、病原微生物存在着很大的环境风险。全国的城市生活污水处理厂在处理污水的同时产生了大量的剩余污泥，这部分污泥如果不进行处理直接抛弃的话，会对环境造成直接或间接的污染。目前我国污泥处理的方法主要包括填埋、焚烧、土地利用、海洋处置以及一些小范围的综合利用，据调查，我国污泥农用约占13.51％，填埋约占63.06％，焚烧约占1.80％，综合利用约占5.41％。其中，污泥处置仍以卫生填埋为主，少部分污泥堆肥后作为肥料使用。从长远来看，鉴于我国国土面积大、农林业发达的基本国情，土地利用的污泥处置方式极具发展前景，随着可持续发展战略及循环经济的提出，污泥的资源化技术逐渐成为研究的热点。目前国内外所釆用污泥资源化技术主要有：污泥堆肥、消化制沼气、污泥燃料化、制成建筑材料等，无论是何种污泥处理技术，污泥破解、调质等预处理是必不可少的。预处理效果的好坏直接影响污泥资源化的成本和技术可行性。

在污水处理中，经常采用投加絮凝剂的方法来去除污水中的微小悬浮固体和胶体杂质。常用的絮凝剂按化学成分可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两大类，其中，有机絮凝剂又包括合成有机高分子絮凝剂、天然有机高分子絮凝剂和微生物絮凝剂。生物絮凝剂是指通过生物技术，可在微生物体内及代谢产物中提取到的一类具有絮凝活性的高分子有机物，主要组成包括多糖、蛋白、和核酸等。近些年来，生物絮凝剂因其安全高效、可自身降解、无二次污染等特点成为污水处理的主要发展方向，但是其高昂的生产成本限制了其应用。近年来，寻找廉价的资源来生产微生物絮凝剂已经成为研究热点。

污泥中含有大量的蛋白质、多糖、DNA等有机物质，可采用污泥破解、调质等预处理方式，使污泥中的物质达到有效的释放。经研究发现，污泥破解后所释放的物质可充当生物絮凝剂实现废水的有效处理，既可以使污泥颗粒物破解，达到污泥减量的目的；又可以使胞内物质释放用于制备生物絮凝剂，以达成资源化的目的。目前关于生物絮凝剂的研究大多在实验室进行，缺乏大规模的工业化应用，由此可见其中还存在着需要解决的问题。因而开展污泥减量化与资源化的放大试验研究，开发优化成套化生产装置具有现实意义。

发明内容

本发明提供了一种可放大的、利用城市生活污水剩余污泥制备生物絮凝剂的污泥碱解的装置和方法，具体来说，利用碱解条件下污泥颗粒物质破解会释放出细胞内部的蛋白质、多糖、DNA等有机物质，设计8.12L的污泥破解小试装置，通过改变污泥含水率，反应釜内PH、反应温度与污泥破解时间等条件，使反应器中产生的污泥破解后产物可直接作为生物絮凝剂进行废水处理，同时利用污泥回流装置实现反应器沉淀池污泥减量的目的，达到污泥的0排放。

本发明的技术方案：

一种制备生物絮凝剂的剩余污泥碱解工艺，包括进泥单元、反应单元和回流单元；

进泥单元包含污泥预处理部分和进泥部分，选用城市污水处理厂二沉池的剩余污泥，将取回来的污泥过筛去掉树叶等堵塞管道物质，静置过夜后倒掉上清液，留下浓缩污泥，检测该浓缩污泥的基本指标，调节含固率为一定值；将预处理完毕的污泥加入进泥槽1中，通过电动搅拌器2充分搅拌污泥，防止污泥沉降影响进泥浓度，污泥通过管道输送到反应单元，在该管道上设置第一蠕动泵驱动器3；

反应单元作为主单元，由两个相同的反应釜串联组成，每个反应釜由反应釜外层13和反应釜内层14组成，污泥进入1#反应釜4中发生反应后再进入2#反应釜5；1#反应釜4上部连接加药罐6，通过调节加药罐6中氢氧化钠水溶液的浓度维持1#反应釜4内PH值，加药罐6通过管路连接1#反应釜4，在该管路上设有第二蠕动泵驱动器11，通过控制转速来控制加碱量；1#反应釜4外部连接恒温水浴装置8，实现控温，恒温水浴装置8内部设有循环泵装置，恒温水由反应釜外层13的下部进入上部打出；反应釜内层14设有磁力驱动循环泵7将污泥由上部抽出下部打入避免污泥下沉影响破解效果，反应釜内层14上部通过管道连接下部，使污泥与碱液充分混匀加强污泥的机械破解力度；1#反应釜4由自流的方式直接与2#反应釜5连接，2#反应釜5对1#反应釜4中未破解的物质进行二次破解，无需外设加药罐6，恒温水浴装置8与内层机械循环装置的设置与1#反应釜4相同；

污泥充分破解后，2#反应釜5中的污泥通过自流方式由反应釜内层14上部排至竖流式沉淀池9中，破解液由中心自上而下进入竖流式沉淀池9中慢慢上升，上清液从竖流式沉淀池9四周沿周边溢流堰流出，在储液槽10中收集备用，悬浮物沉降进入竖流式沉淀池9池底锥形沉泥斗中，静置一段时间后将沉淀物打入1#反应釜4，在竖流式沉淀池9底部设排泥出口与1#反应釜4底部相连，管路上设有第三蠕动泵驱动器12。

一种装置产物对实际工业废水的应用方法，包含如下步骤：

量取一定体积的废水置于大烧杯，稀释混匀，得到待测液。加入一定量生物絮凝剂样品，调节溶液PH，再加入一定量的CaCl₂溶液作为助凝剂，调节混凝搅拌器的转速，最后静置一段时间，在某固定刻度处取样测定吸光度和COD，以相同条件下未添加生物絮凝剂样品的待测液吸光度和COD作为空白对照。

若以废水脱色率来衡量絮凝活性，计算公式如下：

若以COD降解率衡量絮凝活性，计算公式如下：

本发明的有益效果：该方法与其现有技术相比，操作简单并且耗时短，为中小型污水处理厂产生的剩余污泥提供了一条高效、快速清洁而又经济适用的减量化方法，推动了污泥工业化处理的应用和发展。同时通过污泥破解等预处理方式，使污泥中的物质达到有效的释放，所获得的上清液对实际工业废水具有良好的处理效果并且无二次污染。将两者结合在实现污泥减量化的同时实现资源化，具有较为实用的利用价值。

附图说明

图1为本发明的城市生活污泥减量化处理装置结构示意图。

图中：1进泥槽；2电动搅拌器；3第一蠕动泵驱动器；41#反应釜；52#反应釜；6加药罐；7磁力驱动循环泵；8恒温水浴装置；9竖流式沉淀池；10储液槽；11第二蠕动泵驱动器；12第三蠕动泵驱动器；13反应釜外层；14反应釜内层。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1

取污水处理厂二沉池处的剩余污泥过筛去掉树叶等堵塞管道物质，静置过夜后倒掉上清液，测定污泥参数，污泥原始PH值为7.04，污泥含水率98.36wt％，灰分含量为63.31wt％干基，挥发分为36.69wt％干基，污泥干物质中的C、H、N之比是29.43：4.59：5.28，TCOD含量10708.80mg/L，SCOD起始含量92.07mg/L。将该污泥加入污泥槽1中，根据污泥槽1中的污泥体积，调节电动搅拌器2的转速，使污泥内部搅拌维持后续进泥的稳定统一，保持污泥悬浮防止污泥沉底。由管道连接将污泥从污泥槽底部打入反应釜中，6mm管道上设有第一蠕动泵驱动器3，3的转动方向与加药方向保持一致，根据污泥停留时间10h、管道直径和反应釜体积确定泵速为7.1。

反应单元由两个相同的反应釜串联而成，上下为密封层使完全密封。反应釜使用有机玻璃材质，高55.5cm，每个反应釜由内层和外层组成，其中外层水浴部分13外径18cm，内径10cm，高47.9cm；内层为污泥破解部分14，直径10cm，高51.7cm，反应总体积4.06L，在筒状底部设有内径1.0cm的进水管，在顶部设有内径1.0cm的出水管。反应釜上部连接加药装置6，选用4mm管道经过第二蠕动泵驱动器11进入1#反应釜中，配制6中氢氧化钠溶液的浓度为1.5mol/L，11的转速根据前期小瓶实验中加药量与加泥量的配比调节为2.1。外部连接恒温水浴装置8，保持电热恒温水槽的水泵处于开启状态，自下而上的对污泥破解部分进行恒温水循环，设置温度为45℃，实时监测实际温度与恒定温度保持一致。内层设有磁力驱动循环泵7，额定流量10L/min，额定扬程6m，从上部抽出污泥上清液再从下部打入，防止污泥沉降影响出泥浓度，巨大的冲击使反应釜内部碱与污泥充分混合，污泥细胞与细胞之间由于水力冲击达到进一步机械破解的目的。1#反应釜由自流的方式经管路与2#反应釜连接，维持固定温度并且使用循环泵7对已处理污泥进行二次破解。

2#反应釜中污泥通过管道进入竖流式沉淀池9，沉淀池高44.5cm，直径19cm，反应液在池中均匀分布后沿整个过水断面缓慢上升，于溢流堰处收集上清液进入10，收集量可达0.8L/h，作为生物絮凝剂备用，污泥悬浮物在沉淀池中沉降后进入池底锥形沉泥斗中，后经12回流至4重新参与破解反应实现污泥的零排放。

结果：该上清液产物可溶于水，不溶于有机溶剂，颜色呈黄褐色。对其加热处理后发现热稳定性良好，可应用于高温条件下的废水处理。经测定COD浓度7981.536mg/L，根据起始的SCOD和TCOD值得溶出率为73.15％，利用考马斯亮蓝法测定蛋白含量为1024.696mg/L，苯酚硫酸法测得多糖含量是842.336mg/L。将污泥破解产生了大量的蛋白、多糖，而蛋白和多糖具备一定的絮凝能力，因此该工艺的反应后破解产物可作为生物絮凝剂投入应用。

实施例2

选用实施例1中的反应产物，取反应上清液作为生物絮凝剂。取5ml的万德染料工业废水于500ml大烧杯中，加入去离子水至200ml处。加入5ml的生物絮凝剂，用氢氧化钠和盐酸溶液调节PH为3，加入1ml的10％氯化钙溶液作为助凝剂，放置六联搅拌器下，300rpm/min下快速搅拌30s，100rpm/min下慢速搅拌5min，静置30min，在150mL刻度处移取一定上清液在最佳波长477nm处测定吸光度。经测定，空白样品的吸光度是0.4549，该样品上清液的吸光度是0.0633，废水由黑红色变成浅褐色，废水脱色率达到86.08％。

实施例3

选用实施例1中的反应产物，取反应上清液作为生物絮凝剂。在500ml大烧杯中加入40ml的水性漆工业废水，加入去离子水至200ml处。投加实施例1中的上清液1.5ml作为生物絮凝剂，用酸碱调至最佳PH为3，投加0.5ml的10％氯化钙溶液作为助凝剂，置于六联搅拌器下，先300rpm/min下快速搅拌30s，后100rpm/min下慢速搅拌5min，最后静置15min，在150mL刻度处移取一定上清液在波长500nm处测定吸光度，并移取5ml利用重铬酸钾法测定COD。经测定，空白样品的吸光度是2.5048，该样品上清液的吸光度是0.1077，烧杯底部有明显的絮状物沉淀，水性漆废水由乳白色变澄清，废水脱色率达到95.70％。空白样品的COD值是5830.762mg/L，样品上清液的COD值为474.624mg/L，COD降解率达91.86％。

本发明将实验室的小瓶实验放大化为可工业化利用的小试装置，具有现实可操作意义，克服了剩余污泥中有机物含量丰富，但大量毒害物质限制其应用的问题，并且为生物絮凝剂的制备提供了廉价来源，使其易于推广。同时该工艺装置所产生的产物对实际工业废水具有良好处理效果。通过探索热碱法污泥处理在工业化应用下的条件实现连续处理污泥与连续产生生物絮凝剂，具备较好的环境污染治理、资源化和能源化效果，兼具环境和生态效益、社会效益和经济效益。

Claims (1)

1.一种制备生物絮凝剂的剩余污泥碱解工艺，其特征在于，所述的制备生物絮凝剂的剩余污泥碱解工艺包括进泥单元、反应单元和回流单元；

进泥单元包含污泥预处理部分和进泥部分，选用城市污水处理厂二沉池的剩余污泥，将剩余污泥过筛去掉堵塞管道物质，静置过夜后倒掉上清液，留下浓缩污泥，检测该浓缩污泥的基本指标，调节含固率；将预处理完毕的污泥加入进泥槽(1)中，通过电动搅拌器(2)充分搅拌污泥，防止污泥沉降影响进泥浓度，污泥通过管道输送到反应单元，在该管道上设置第一蠕动泵驱动器(3)；

反应单元作为主单元，由两个相同的反应釜串联组成，每个反应釜由反应釜外层(13)和反应釜内层(14)组成，污泥进入1#反应釜(4)中发生反应后再进入2#反应釜(5)；1#反应釜(4)上部连接加药罐(6)，通过调节加药罐(6)中氢氧化钠水溶液的浓度维持1#反应釜(4)内PH值，加药罐(6)通过管路连接1#反应釜(4)，在该管路上设有第二蠕动泵驱动器(11)，通过控制转速来控制加碱量；1#反应釜(4)外部连接恒温水浴装置(8)，实现控温，恒温水浴装置(8)内部设有循环泵装置，恒温水由反应釜外层(13)的下部进入上部打出；反应釜内层(14)设有磁力驱动循环泵(7)将污泥由上部抽出下部打入避免污泥下沉影响破解效果，反应釜内层(14)上部通过管道连接下部，使污泥与碱液充分混匀加强污泥的机械破解力度；1#反应釜(4)由自流的方式直接与2#反应釜(5)连接，2#反应釜(5)对1#反应釜(4)中未破解的物质进行二次破解，无需外设加药罐(6)，恒温水浴装置(8)与内层机械循环装置的设置与1#反应釜(4)相同；

污泥充分破解后，2#反应釜(5)中的污泥通过自流方式由反应釜内层(14)上部排至竖流式沉淀池(9)中，破解液由中心自上而下进入竖流式沉淀池(9)中慢慢上升，上清液从竖流式沉淀池(9)四周沿周边溢流堰流出，在储液槽(10)中收集备用，悬浮物沉降进入竖流式沉淀池(9)池底锥形沉泥斗中，静置一段时间后将沉淀物打入1#反应釜(4)，在竖流式沉淀池(9)底部设排泥出口与1#反应釜(4)底部相连，管路上设有第三蠕动泵驱动器(12)。

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