CN109824432B - 一种用污泥与厨余垃圾制备的保水营养凝胶及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固体废物综合利用技术领域，具体涉及一种用污泥与厨余垃圾制备的保水营养凝胶及方法，本发明所述保水营养凝胶由保水模块凝胶、营养模块胶体、丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液混合组成，其中，保水模块凝胶由凝水剂和锁水增效剂按照体积比为2:1的比例混合制成，脱水污泥和K营养基质按照体积比为1:2的比例混合制成。本发明保水营养凝胶可以广泛用于城市绿化营养基材加工、矿山生态治理工程、高速公路护坡生态保护等场合，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用污泥与厨余垃圾制备的保水营养凝胶及方法，属于固体废物综合利用技术领域。
背景技术
随着社会经济的发展，生活污水排放量日益增大，脱水污泥处置问题是环保行业的难题，其含水率偏高，运输困难，填埋场难于接收，即使放置在填埋场经历长时间晾晒也依然难于彻底干化。我国的厨余垃圾产量呈上升趋势，厨余垃圾在存放、收集的过程中极大地污染了周围环境，其后续的处置仍然是一个难题。
生活污水处理厂产生污泥的过程，是一个将污水中的氮、磷物质富集至污泥的过程，此时的污泥可以看作是富含氮素以及聚磷菌的营养物质，若能加以利用，便是优质的营养源。厨余垃圾中的苹果皮、橘皮、香蕉皮等物质，富含果胶成分，苹果皮、橘皮、香蕉皮等果皮中约含20-35％的果胶，其中的果胶主要存在于植物的细胞壁和细胞内层，为内部细胞的支撑物质，可以通过化学方法予以提取，用作凝水、保水基质。厨余垃圾中的粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣可以通过发酵，制取液体钾肥。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用污水处理厂的脱水污泥、厨余垃圾、丙烯酰胺水溶液和丙烯酸水溶液，通过物理与化学方法进行加工处理，制备出了具有保水与营养性的保水营养凝胶，本发明还提供了该保水营养凝胶的制备方法。
本发明采用的技术方案为：
本发明为一种用污泥与厨余垃圾制备的保水营养凝胶，所述的保水营养凝胶由保水模块凝胶、营养模块胶体、丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液混合按照体积比为65-68:17-20:5-7:8-10的比例混合组成，其中丙烯酰胺水溶液的浓度为3.8-4.2mol/L，丙烯酸水溶液的浓度为0.6-0.9mol/L，所述保水模块凝胶由凝水剂和锁水增效剂按照体积比为2:1的比例混合制成，所述的脱水污泥和K营养基质按照体积比为1:2的比例混合制成。
本发明用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，包括以下步骤：
(1)凝水剂的制备：
1)将浓度为3.8-4.2mol/L的丙烯酰胺水溶液与0.6-0.9mol/L的丙烯酸水溶液按照体积比为1:2的比例混合，在温度为55-58℃下搅拌反应，使丙烯酰胺与丙烯酸完成聚合反应，形成丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体；
2)取厨余垃圾中的水果皮，切成块状，装于玻璃容器中，向玻璃容器中加入浓度为0.2mol/L的稀盐酸溶液以将块状果皮淹没，然后调节混合溶液的pH值为2.0-2.5，搅拌后进行抽滤；
3)将抽滤后的滤液冷却后加入浓度为4.5-5.2mol/L的氨水调节pH值为3.5-4.0，将调节后的滤液进行搅拌，搅拌的同时加入体积分数为95％的乙醇水溶液，乙醇水溶液的体积为调节后滤液体积的1.2倍，静置后得到絮状果胶，将上述絮状果胶过滤，制得湿果胶；
4)将步骤1)中的丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体、引发剂、步骤3)中的湿果胶按体积比1:0.05:0.5的比例混合，在温度为55-60℃下搅拌反应，使其完成二次聚合反应，得到凝水剂，其中的引发剂由浓度为0.001mol/L的过硫酸钾水溶液与0.002mol/L的亚硫酸氢钠水溶液按照体积比为2:1的比例混合；
(2)锁水增效剂的制备：
1)取1000mL污泥于容器中第一次离心过滤，倒掉上层清液，得到污泥沉淀物C1，向污泥沉淀物加入500mL生理盐水，进行第一次超声处理，第二次离心后将上层清液Q1和沉淀物C2备用；
2)向沉淀物C2中加入500mL生理盐水，第二次超声后在温度为75-80℃下加热25min，然后第三次离心分离取上层清液Q2；
3)将上层清液Q1和上层清液Q2混合，采用孔径为2.0-3.0微米的滤纸过滤，过滤后的液体为污泥胞外多聚物提取液，即锁水增效剂；
(3)保水模块凝胶的制备：
将上述步骤(1)制得的凝水剂和步骤(2)制得的锁水增效剂按照体积比为2:1的比例混合，搅拌后制得软果冻状保水模块凝胶；
(4)脱水污泥的制备：
脱水污泥采用改良型A2O工艺污水厂的脱水污泥；
(5)K营养基质的制备：
所述的K营养基质由厨余垃圾中的粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣发酵产生的液体构成；
(6)营养模块胶体的制备：
将脱水污泥与K营养基质按照体积比为1:2的比例混合，在搅拌转速为120r/min，搅拌时间为20min的条件下搅拌制成营养模块胶体；
(7)保水营养凝胶的制备：
将步骤(3)制得的保水模块凝胶、步骤(6)制得的营养模块胶体、丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液按照体积比为65-68:17-20:5-7:8-10的比例混合，在温度为62-65℃下先快速搅拌反应，再进行慢速搅拌反应，完成第三阶段聚合反应，形成新的凝胶体，经过切割、造粒，制得球状保水营养凝胶。
进一步地，本发明所述(1)凝水剂的制备中步骤1)的丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液搅拌反应的时间为30min，转速为60r/min；所述步骤2)中的果皮为苹果皮、橘皮或者香蕉皮中的任意一种或者质量比1:2:1的苹果皮、橘皮和香蕉的混合果皮，所述块状果皮的长和宽均为20mm，所述步骤2)中搅拌时的温度为85-88℃，时间为45min，转速为20r/min，所述步骤2)中抽滤温度大于30℃。
进一步地，本发明所述(1)凝水剂的制备中步骤3)中滤液冷却的温度为低于25℃，静置时间为30min，所述过滤时采用125-150微米孔径的聚丙烯纤维滤布进行过滤；所述(1)凝水剂的制备中步骤4)中丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体、引发剂、步骤3)中湿果胶混合溶液的搅拌时间为40min，转速为60r/min。
进一步地，本发明(2)锁水增效剂的制备中步骤1)中所述的污泥的含水率为92％，所述第一次离心的转速为6000rpm，离心时间为5min；所述第一次超声的时间为5min，频率为40kHz，功率为35-40W；所述第二次离心的时间10min，转速为8000rpm。
进一步地，本发明(2)锁水增效剂的制备中步骤2)中所述的第二次超声的时间为3min，频率为40kHz，功率为25-35W；所述第三次离心的时间为20min，转速为12000rpm。
进一步地，本发明(3)保水模块凝胶的制备中所述的搅拌时间为20min，转速为30r/min。
进一步地，本发明(4)脱水污泥的制备中所述的脱水污泥中的含氮量为25.0-29.0g/kg，含磷量为20.0-22.0g/kg。
进一步地，本发明(5)K营养基质的制备中所述的发酵方法为：将厨余垃圾粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣、自来水按照体积比为0.8-1.0:1.0-1.2:0.5-0.7:4.4-5.0的比例置于有盖并且带有排气阀的塑料容器内，装入物质的总体积为容器体积的80％，搅拌后，盖上密封盖，每天打开排气阀10min，排除发酵产生的气体，容器放置于避光处，每3天打开盖子进行搅拌5min，容器外包裹2层PE塑料布，作为保温层，2层塑料布之间的空气可以作为简易隔热夹层，维持发酵环境温度为32-35℃，发酵40-50天，取上层清液，为K营养基质。
进一步地，本发明(7)保水营养凝胶的制备中所述的快速搅拌的时间为2min，转速为120-140r/min，所述的慢速搅拌的时间为20min，转速为60-75r/min，所述的球状保水营养凝胶的粒径为1.0-1.5cm。
为进一步表明本发明保水营养凝胶的保水效果，本发明作了如下验证：
在充分给水的条件下，0.5-1.0小时后能够吸收自重90-100倍的水分。在充分吸收水分之后，在30℃干燥通风环境中停留15天之后凝胶的含水率依然可以保持75-78％。保水营养凝胶的有机质含量为12-16％。含氮量为24.0-26.5g/kg(总氮)，含磷量为16.0-18.0g/kg(总磷)，含钾量为15.0-18.5g/kg(总钾)。可以满足城市绿化营养土、矿山生态治理工程、高速公路护坡生态保护等场合植物生长对营养、水分的需求。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明制成的保水营养凝胶可以广泛应用于绿化植被种植、土壤治理领域，与土壤混合使用时，具有良好的保持土壤水分与营养的作用。在自然环境中停留15天之后的含水率依然可以保持75-78％，可以大大降低绿化植被对浇水频率的需求，大幅度提高栽种植物的成活率，同时降低养护植物所需的耗水量，对沙漠干旱地区、偏远山区的绿化工作具有重要意义。
2.本发明保水模块凝胶中的凝水剂与锁水增效剂采用了新型制备工艺，产品具有优良的凝水、锁水能力。本发明凝水剂由丙烯酰胺水溶液、丙烯酸水溶液、厨余垃圾果皮中的果胶通过化学反应形成，充分激发了有机聚合体与水分子的结合能力，利用了果胶的凝胶化特征，依靠果胶的亲水性杂多糖结构，生成稳定度优良的凝结网状结构，实现高倍率吸水性。本发明锁水增效剂由污泥胞外多聚物提取液构成，与前述凝水剂联合实现对水分子的封闭保持，减小土壤水分的蒸发速率，保持土壤或绿化基材的营养成分不流失、使营养成分缓慢释放，提高营养利用率，促进植物根系生长发育，促进种子发芽，提高绿化质量。
3、本发明营养模块胶体中的氮磷营养物均由具备生物活性的绿色营养物质构成，避免了化学肥料的负面效应。其中的氮、磷营养基质由脱水污泥构成。污泥来源于市政生活污水处理厂的底泥，富含死去的菌胶团微生物细胞。营养模块胶体中的K营养基质由厨余垃圾中的粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣发酵产生的液体构成。作为氮磷钾营养，在施用至土壤中时易与土壤原生营养有机结合，不会造成不良影响。
4、本发明采用新颖的“三阶段聚合工艺”。
第一步先由丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液完成初步聚合反应，形成丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体。
第二步再将上述丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体、引发剂、湿果胶，进行第二次聚合反应，得到凝水剂。
第三步再将保水模块凝胶、营养模块胶体、丙烯酰胺水溶液、丙烯酸水溶液，共同进行第三阶段聚合反应，形成最终的凝胶体。
经过三个阶段的聚合反应，实现各种组成成分的紧密结合，实现综合凝水、锁水性能的提升。
5、本发明所采用的原料均为廉价易得的材料。其中的脱水污泥是污水厂难以处置的废弃物，急需寻找出路，本技术为脱水污泥找到了一个很好的归宿。厨余垃圾是居民生活垃圾治理的难题，本技术很好地利用了其中的苹果皮、橘皮、香蕉皮、粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣，变废为宝。
综上所述，本发明的应用性强，可以创造出良好的社会效益、经济效益
附图说明
图1是本发明方法的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，包括如下步骤：
(1)凝水剂的制备：
1)将浓度为3.8mol/L的丙烯酰胺水溶液与0.6mol/L的丙烯酸水溶液按照体积比为1:2的比例混合，在温度为55℃下搅拌反应，搅拌反应的时间为30min，转速为60r/min，使丙烯酰胺与丙烯酸完成聚合反应，形成丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体；
2)取厨余垃圾中的苹果皮，切成块状果皮，果皮的长和宽均为20mm，装于玻璃容器中，向玻璃容器中加入浓度为0.2mol/L的稀盐酸溶液，然后调节混合溶液的pH值为2.5，总的稀盐酸加入量以淹没果皮为准，进行搅拌反应，搅拌时的温度为85℃，时间为45min，转速为20r/min，结束搅拌后，进行抽滤，抽滤温度大于30℃；
3)将抽滤后的滤液冷却低于25℃后，加入浓度为4.5mol/L的氨水调节pH值为3.5，将调节后的滤液进行搅拌，搅拌的同时加入体积分数为95％的乙醇水溶液，乙醇水溶液的体积为调节后滤液体积的1.2倍，静置30min后得到絮状果胶，将上述絮状果胶过滤，采用125-150微米孔径的聚丙烯纤维滤布进行过滤，制得湿果胶；
4)将步骤1)中的丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体、引发剂、步骤3)中的湿果胶按体积比1:0.05:0.5的比例混合，在温度为55℃下搅拌反应，搅拌时间为40min，转速为60r/min，使其完成二次聚合反应，得到凝水剂，其中的引发剂由浓度为0.001mol/L的过硫酸钾水溶液与0.002mol/L的亚硫酸氢钠水溶液按照体积比为2:1的比例混合；
(2)锁水增效剂的制备：
本发明的锁水增效剂主要是污泥胞外多聚物提取液。
污泥中含有良好的三维网状纤维结构，同时含有较多的烃基(R)、亚硝酸基(-NO2)等非极性基团，有一定程度的憎水效果，在本技术的保水模块中能够促进保水膜隔离水分子的作用。
污泥胞外多聚物提取液的具体步骤为：
1)取1000mL污泥置于容器中，污泥的含水率为92％，进行第一次离心，离心的转速为6000rpm，离心时间为5min，倒掉上层清液，得到污泥沉淀物C1，向污泥沉淀物加入500mL生理盐水，进行第一次超声处理，超声的时间为5min，频率为40kHz，功率为35W；然后进行第二次离心，离心的转速为8000rpm，离心时间为10min，将第二次离心的上层清液Q1和沉淀物C2备用；
2)向沉淀物C2中加入500mL生理盐水，进行第二次超声，超声的时间为3min，频率为40kHz，功率为25W；第二次超声后在温度为75℃下加热25min，然后进行第三次离心，离心的时间为20min，转速为12000rpm，离心分离后取上层清液Q2；
3)将上层清液Q1和上层清液Q2混合，采用孔径为2.0-3.0微米的滤纸过滤，过滤后的液体为污泥胞外多聚物提取液，即锁水增效剂；
(3)保水模块凝胶的制备：
将上述步骤(1)制得的凝水剂和步骤(2)制得的锁水增效剂按照体积比为2:1的比例混合，进行搅拌反应，搅拌时间为20min，转速为30r/min，搅拌后制得软果冻状保水模块凝胶；
(4)脱水污泥的制备：
脱水污泥采用改良型A2O工艺污水厂的脱水污泥，这种污泥是污水厂脱氮、除磷工艺获得的富含氮素以及聚磷菌的生物质固体，其中的氮、磷含量较高。本发明所选用脱水污泥中的含氮量为25.0-29.0g/kg，含磷量为20.0-22.0g/kg，略高于普通猪粪的氮、磷含量，适宜作为保水营养凝胶的氮磷营养基质。
(5)K营养基质的制备：
所述的K营养基质由厨余垃圾中的粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣发酵产生的液体构成，具体的发酵方法为：将厨余垃圾粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣、自来水按照体积比为0.8:1.0:0.5:4.4的比例置于有盖并且带有排气阀的塑料容器内，装入物质的总体积为容器体积的80％，搅拌后，盖上密封盖，每天打开排气阀10min，排除发酵产生的气体，容器放置于避光处，每3天打开盖子进行搅拌5min，容器外包裹2层PE塑料布，作为保温层，2层塑料布之间的空气可以作为简易隔热夹层，维持发酵环境温度为32℃，发酵40天，取上层清液，为K营养基质。
(6)营养模块胶体的制备：
将脱水污泥与K营养基质按照体积比为1:2的比例混合，搅拌转速为120r/min，搅拌时间为20min的条件下搅拌制成营养模块胶体。
(7)保水营养凝胶的制备：
将步骤(3)制得的保水模块凝胶、步骤(6)制得的营养模块胶体、丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液按照体积比为65:17:5:8的比例混合，在温度为62℃下先快速搅拌反应，搅拌的时间为2min，转速为120r/min，再进行慢速搅拌，搅拌的时间为20min，转速为60r/min，完成第三阶段聚合反应，形成新的凝胶体，经过切割、造粒，制得粒径为1.0cm的球状保水营养凝胶。
实施例2
一种用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，包括如下步骤：
(1)凝水剂的制备：
1)将浓度为3.9mol/L的丙烯酰胺水溶液与0.7mol/L的丙烯酸水溶液按照体积比为1:2的比例混合，在温度为55℃下搅拌反应，搅拌反应的时间为30min，转速为60r/min，使丙烯酰胺与丙烯酸完成聚合反应，形成丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体；
2)取厨余垃圾中的橘皮，切成块状果皮，果皮的长和宽均为20mm，装于玻璃容器中，向玻璃容器中加入浓度为0.2mol/L的稀盐酸溶液，然后调节混合溶液的pH值为2.5，总的稀盐酸加入量以淹没果皮为准，进行搅拌反应，搅拌时的温度为85℃，时间为45min，转速为20r/min，结束搅拌后，进行抽滤，抽滤温度大于30℃；
3)将抽滤后的滤液冷却低于25℃后，加入浓度为4.7mol/的L氨水调节pH值为3.5，将调节后的滤液进行搅拌，搅拌的同时加入体积分数为95％的乙醇水溶液，乙醇水溶液的体积为调节后滤液体积的1.2倍，静置30min后得到絮状果胶，将上述絮状果胶过滤，采用125-150微米孔径的聚丙烯纤维滤布进行过滤，制得湿果胶；
4)将步骤1)中的丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体、引发剂、步骤3)中的湿果胶按体积比1:0.05:0.5的比例混合，在温度为55℃下搅拌反应，搅拌时间为40min，转速为60r/min，使其完成二次聚合反应，得到凝水剂，其中的引发剂由浓度为0.001mol/L的过硫酸钾水溶液与0.002mol/L的亚硫酸氢钠水溶液按照体积比为2:1的比例混合；
(2)锁水增效剂的制备：
本发明的锁水增效剂主要是污泥胞外多聚物提取液。
污泥中含有良好的三维网状纤维结构，同时含有较多的烃基(R)、亚硝酸基(-NO2)等非极性基团，有一定程度的憎水效果，在本技术的保水模块中能够促进保水膜隔离水分子的作用。
污泥胞外多聚物提取液的具体步骤为：
1)取1000mL污泥置于容器中，污泥的含水率为92％，进行第一次离心，离心的转速为6000rpm，离心时间为5min，倒掉上层清液，得到污泥沉淀物C1，向污泥沉淀物加入500mL生理盐水，进行第一次超声处理，超声的时间为5min，频率为40kHz，功率为35W；然后进行第二次离心，离心的转速为8000rpm，离心时间为10min，将第二次离心的上层清液Q1和沉淀物C2备用；
2)向沉淀物C2中加入500mL生理盐水，进行第二次超声，超声的时间为3min，频率为40kHz，功率为25W；第二次超声后在温度为76℃下加热25min，然后进行第三次离心，离心的时间为20min，转速为12000rpm，离心分离后取上层清液Q2；
3)将上层清液Q1和上层清液Q2混合，采用孔径为2.0-3.0微米的滤纸过滤，过滤后的液体为污泥胞外多聚物提取液，即锁水增效剂；
(3)保水模块凝胶的制备：
将上述步骤(1)制得的凝水剂和步骤(2)制得的锁水增效剂按照体积比为2:1的比例混合，进行搅拌反应，搅拌时间为20min，转速为30r/min，搅拌后制得软果冻状保水模块凝胶；
(4)脱水污泥的制备：
脱水污泥采用改良型A2O工艺污水厂的脱水污泥，这种污泥是污水厂脱氮、除磷工艺获得的富含氮素以及聚磷菌的生物质固体，其中的氮、磷含量较高。本发明所选用脱水污泥中的含氮量为25.0-29.0g/kg，含磷量为20.0-22.0g/kg，略高于普通猪粪的氮、磷含量，适宜作为保水营养凝胶的氮磷营养基质。
(5)K营养基质的制备：
所述的K营养基质由厨余垃圾中的粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣发酵产生的液体构成，具体的发酵方法为：将厨余垃圾粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣、自来水按照体积比为0.9:1.1:0.6:4.5的比例置于有盖并且带有排气阀的塑料容器内，装入物质的总体积为容器体积的80％，搅拌后，盖上密封盖，每天打开排气阀10min，排除发酵产生的气体，容器放置于避光处，每3天打开盖子进行搅拌5min，容器外包裹2层PE塑料布，作为保温层，2层塑料布之间的空气可以作为简易隔热夹层，维持发酵环境温度为32℃，发酵40天，取上层清液，为K营养基质。
(6)营养模块胶体的制备：
将脱水污泥与K营养基质按照体积比为1:2的比例混合，搅拌转速为120r/min，搅拌时间为20min的条件下搅拌制成营养模块胶体。
(7)保水营养凝胶的制备：
将步骤(3)制得的保水模块凝胶、步骤(6)制得的营养模块胶体、丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液按照体积比为66:18:6:9的比例混合，在温度为63℃下先快速搅拌反应，搅拌的时间为2min，转速为120r/min，再进行慢速搅拌，搅拌的时间为20min，转速为60r/min，完成第三阶段聚合反应，形成新的凝胶体，经过切割、造粒，制得粒径为1.0cm的球状保水营养凝胶。
实施例3
一种用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，包括如下步骤：
(1)凝水剂的制备：
1)将浓度为4.0mol/L的丙烯酰胺水溶液与0.8mol/L的丙烯酸水溶液按照体积比为1:2的比例混合，在温度为55℃下搅拌反应，搅拌反应的时间为30min，转速为60r/min，使丙烯酰胺与丙烯酸完成聚合反应，形成丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体；
2)取厨余垃圾中的香蕉皮，切成块状果皮，果皮的长和宽均为20mm，装于玻璃容器中，向玻璃容器中加入浓度为0.2mol/L的稀盐酸溶液，然后调节混合溶液的pH值为2.5，总的稀盐酸加入量以淹没果皮为准，进行搅拌反应，搅拌时的温度为85℃，时间为45min，转速为20r/min，结束搅拌后，进行抽滤，抽滤温度大于30℃；
3)将抽滤后的滤液冷却低于25℃后，加入浓度为4.9mol/L的氨水调节pH值为3.5，将调节后的滤液进行搅拌，搅拌的同时加入体积分数为95％的乙醇水溶液，乙醇水溶液的体积为调节后滤液体积的1.2倍，静置30min后得到絮状果胶，将上述絮状果胶过滤，采用125-150微米孔径的聚丙烯纤维滤布进行过滤，制得湿果胶；
4)将步骤1)中的丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体、引发剂、步骤3)中的湿果胶按体积比1:0.05:0.5的比例混合，在温度为55℃下搅拌反应，搅拌时间为40min，转速为60r/min，使其完成二次聚合反应，得到凝水剂，其中的引发剂由浓度为0.001mol/L的过硫酸钾水溶液与0.002mol/L的亚硫酸氢钠水溶液按照体积比为2:1的比例混合；
(2)锁水增效剂的制备：
本发明的锁水增效剂主要是污泥胞外多聚物提取液。
污泥中含有良好的三维网状纤维结构，同时含有较多的烃基(R)、亚硝酸基(-NO2)等非极性基团，有一定程度的憎水效果，在本技术的保水模块中能够促进保水膜隔离水分子的作用。
污泥胞外多聚物提取液的具体步骤为：
1)取1000mL污泥置于容器中，污泥的含水率为92％，进行第一次离心，离心的转速为6000rpm，离心时间为5min，倒掉上层清液，得到污泥沉淀物C1，向污泥沉淀物加入500mL生理盐水，进行第一次超声处理，超声的时间为5min，频率为40kHz，功率为35W；然后进行第二次离心，离心的转速为8000rpm，离心时间为10min，将第二次离心的上层清液Q1和沉淀物C2备用；
2)向沉淀物C2中加入500mL生理盐水，进行第二次超声，超声的时间为3min，频率为40kHz，功率为25W；第二次超声后在温度为78℃下加热25min，然后进行第三次离心，离心的时间为20min，转速为12000rpm，离心分离后取上层清液Q2；
3)将上层清液Q1和上层清液Q2混合，采用孔径为2.0-3.0微米的滤纸过滤，过滤后的液体为污泥胞外多聚物提取液，即锁水增效剂；
(3)保水模块凝胶的制备：
将上述步骤(1)制得的凝水剂和步骤(2)制得的锁水增效剂按照体积比为2:1的比例混合，进行搅拌反应，搅拌时间为20min，转速为30r/min，搅拌后制得软果冻状保水模块凝胶；
(4)脱水污泥的制备：
脱水污泥采用改良型A2O工艺污水厂的脱水污泥，这种污泥是污水厂脱氮、除磷工艺获得的富含氮素以及聚磷菌的生物质固体，其中的氮、磷含量较高。本发明所选用脱水污泥中的含氮量为25.0-29.0g/kg，含磷量为20.0-22.0g/kg，略高于普通猪粪的氮、磷含量，适宜作为保水营养凝胶的氮磷营养基质。
(5)K营养基质的制备：
所述的K营养基质由厨余垃圾中的粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣发酵产生的液体构成，具体的发酵方法为：将厨余垃圾粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣、自来水按照体积比为0.95:1.15:0.65:4.7的比例置于有盖并且带有排气阀的塑料容器内，装入物质的总体积为容器体积的80％，搅拌后，盖上密封盖，每天打开排气阀10min，排除发酵产生的气体，容器放置于避光处，每3天打开盖子进行搅拌5min，容器外包裹2层PE塑料布，作为保温层，2层塑料布之间的空气可以作为简易隔热夹层，维持发酵环境温度为32℃，发酵40天，取上层清液，为K营养基质。
(6)营养模块胶体的制备：
将脱水污泥与K营养基质按照体积比为1:2的比例混合，搅拌转速为120r/min，搅拌时间为20min的条件下搅拌制成营养模块胶体。
(7)保水营养凝胶的制备：
将步骤(3)制得的保水模块凝胶、步骤(6)制得的营养模块胶体、丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液按照体积比为67:19:6.5:9.5的比例混合,在温度为64℃下先快速搅拌反应，搅拌的时间为2min，转速为120r/min，再进行慢速搅拌，搅拌的时间为20min，转速为60r/min，完成第三阶段聚合反应，形成新的凝胶体，经过切割、造粒，制得粒径为1.0cm的球状保水营养凝胶。
实施例4
一种用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，包括如下步骤：
(1)凝水剂的制备：
1)将浓度为4.2mol/L的丙烯酰胺水溶液与0.9mol/L的丙烯酸水溶液按照体积比为1:2的比例混合，在温度为55℃下搅拌反应，搅拌反应的时间为30min，转速为60r/min，使丙烯酰胺与丙烯酸完成聚合反应，形成丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体；
2)取厨余垃圾中质量比1:2:1的苹果皮、橘皮和香蕉皮的混合果皮，切成块状果皮，果皮的长和宽均为20mm，装于玻璃容器中，向玻璃容器中加入浓度为0.2mol/L的稀盐酸溶液，然后调节混合溶液的pH值为2.5，总的稀盐酸加入量以淹没果皮为准，进行搅拌反应，搅拌时的温度为85℃，时间为45min，转速为20r/min，结束搅拌后，进行抽滤，抽滤温度大于30℃；
3)将抽滤后的滤液冷却低于25℃后，加入浓度为5.2mol/L的氨水调节pH值为3.5，将调节后的滤液进行搅拌，搅拌的同时加入体积分数为95％的乙醇水溶液，乙醇水溶液的体积为调节后滤液体积的1.2倍，静置30min后得到絮状果胶，将上述絮状果胶过滤，采用125-150微米孔径的聚丙烯纤维滤布进行过滤，制得湿果胶；
4)将步骤1)中的丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体、引发剂、步骤3)中的湿果胶按体积比1:0.05:0.5的比例混合，在温度为55℃下搅拌反应，搅拌时间为40min，转速为60r/min，使其完成二次聚合反应，得到凝水剂，其中的引发剂由浓度为0.001mol/L的过硫酸钾水溶液与0.002mol/L的亚硫酸氢钠水溶液按照体积比为2:1的比例混合；
(2)锁水增效剂的制备：
本发明的锁水增效剂主要是污泥胞外多聚物提取液。
污泥中含有良好的三维网状纤维结构，同时含有较多的烃基(R)、亚硝酸基(-NO2)等非极性基团，有一定程度的憎水效果，在本技术的保水模块中能够促进保水膜隔离水分子的作用。
污泥胞外多聚物提取液的具体步骤为：
1)取1000mL污泥置于容器中，污泥的含水率为92％，进行第一次离心，离心的转速为6000rpm，离心时间为5min，倒掉上层清液，得到污泥沉淀物C1，向污泥沉淀物加入500mL生理盐水，进行第一次超声处理，超声的时间为5min，频率为40kHz，功率为35W；然后进行第二次离心，离心的转速为8000rpm，离心时间为10min，将第二次离心的上层清液Q1和沉淀物C2备用；
2)向沉淀物C2中加入500mL生理盐水，进行第二次超声，超声的时间为3min，频率为40kHz，功率为25W；第二次超声后在温度为80℃下加热25min，然后进行第三次离心，离心的时间为20min，转速为12000rpm，离心分离后取上层清液Q2；
3)将上层清液Q1和上层清液Q2混合，采用孔径为2.0-3.0微米的滤纸过滤，过滤后的液体为污泥胞外多聚物提取液，即锁水增效剂；
(3)保水模块凝胶的制备：
将上述步骤(1)制得的凝水剂和步骤(2)制得的锁水增效剂按照体积比为2:1的比例混合，进行搅拌反应，搅拌时间为20min，转速为30r/min，搅拌后制得软果冻状保水模块凝胶；
(4)脱水污泥的制备：
脱水污泥采用改良型A2O工艺污水厂的脱水污泥，这种污泥是污水厂脱氮、除磷工艺获得的富含氮素以及聚磷菌的生物质固体，其中的氮、磷含量较高。本发明所选用脱水污泥中的含氮量为25.0-29.0g/kg，含磷量为20.0-22.0g/kg，略高于普通猪粪的氮、磷含量，适宜作为保水营养凝胶的氮磷营养基质。
(5)K营养基质的制备：
所述的K营养基质由厨余垃圾中的粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣发酵产生的液体构成，具体的发酵方法为：将厨余垃圾粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣、自来水按照体积比为1.0:1.2:0.7:5.0的比例置于有盖并且带有排气阀的塑料容器内，装入物质的总体积为容器体积的80％，搅拌后，盖上密封盖，每天打开排气阀10min，排除发酵产生的气体，容器放置于避光处，每3天打开盖子进行搅拌5min，容器外包裹2层PE塑料布，作为保温层，2层塑料布之间的空气可以作为简易隔热夹层，维持发酵环境温度为32℃，发酵40天，取上层清液，为K营养基质。
(6)营养模块胶体的制备：
将脱水污泥与K营养基质按照体积比为1:2的比例混合，搅拌转速为120r/min，搅拌时间为20min的条件下搅拌制成营养模块胶体。
(7)保水营养凝胶的制备：
将步骤(3)制得的保水模块凝胶、步骤(6)制得的营养模块胶体、丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液按照体积比为68:20:7:10的比例混合，在温度为65℃下先快速搅拌反应，搅拌的时间为2min，转速为120r/min，再进行慢速搅拌，搅拌的时间为20min，转速为60r/min，完成第三阶段聚合反应，形成新的凝胶体，经过切割、造粒，制得粒径为1.0cm的球状保水营养凝胶。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一 种用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，其特征在于：所述的保水营养凝胶由保水模块凝胶、营养模块胶体、丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液混合按照体积比为65-68:17-20:5-7:8-10的比例混合组成，其中丙烯酰胺水溶液的浓度为3.8-4.2mol/L，丙烯酸水溶液的浓度为0.6-0.9mol/L，所述保水模块凝胶由凝水剂和锁水增效剂按照体积比为2:1的比例混合制成，所述的营养模块胶体由脱水污泥和K营养基质按照体积比为1:2的比例混合制成；
所述保水营养凝胶的制备方法包括以下步骤：
(1)凝水剂的制备：
1)将浓度为3.8-4.2mol/L的丙烯酰胺水溶液与0.6-0.9mol/L的丙烯酸水溶液按照体积比为1:2的比例混合，在温度为55-58℃下搅拌反应，使丙烯酰胺与丙烯酸完成聚合反应，形成丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体；
2)取厨余垃圾中的水果皮，切成块状，装于玻璃容器中，向玻璃容器中加入浓度为0.2mol/L的稀盐酸溶液以将块状果皮淹没，然后调节混合溶液的pH值为2.0-2.5，搅拌后进行抽滤；
3)将抽滤后的滤液冷却后加入浓度为4.5-5.2mol/L的氨水调节pH值为3.5-4.0，将调节后的滤液进行搅拌，搅拌的同时加入体积分数为95％的乙醇水溶液，乙醇水溶液的体积为调节后滤液体积的1.2倍，静置后得到絮状果胶，将上述絮状果胶过滤，制得湿果胶；
4)将步骤1)中的丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体、引发剂、步骤3)中的湿果胶按体积比1:0.05:0.5的比例混合，在温度为55-60℃下搅拌反应，使其完成二次聚合反应，得到凝水剂，其中的引发剂由浓度为0.001mol/L的过硫酸钾水溶液与0.002mol/L的亚硫酸氢钠水溶液按照体积比为2:1的比例混合；
(2)锁水增效剂的制备：
1)取1000mL污泥于容器中第一次离心过滤，倒掉上层清液，得到污泥沉淀物C1，向污泥沉淀物加入500mL生理盐水，进行第一次超声处理，第二次离心后将上层清液Q1和沉淀物C2备用；
2)向沉淀物C2中加入500mL生理盐水，第二次超声后在温度为75-80℃下加热25min，然后第三次离心分离取上层清液Q2；
3)将上层清液Q1和上层清液Q2混合，采用孔径为2.0-3.0微米的滤纸过滤，过滤后的液体为污泥胞外多聚物提取液，即锁水增效剂；
(3)保水模块凝胶的制备：
将上述步骤(1)制得的凝水剂和步骤(2)制得的锁水增效剂按照体积比为2:1的比例混合，搅拌后制得软果冻状保水模块凝胶；
(4)脱水污泥的制备：
脱水污泥采用改良型A2O工艺污水厂的脱水污泥；
(5)K营养基质的制备：
所述的K营养基质由厨余垃圾中的粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣发酵产生的液体构成；
(6)营养模块胶体的制备：
将脱水污泥与K营养基质按照体积比为1:2的比例混合，在搅拌转速为120r/min，搅拌时间为20min的条件下搅拌制成营养模块胶体；
(7)保水营养凝胶的制备：
将步骤(3)制得的保水模块凝胶、步骤(6)制得的营养模块胶体、丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液按照体积比为65-68:17-20:5-7:8-10的比例混合，在温度为62-65℃下先快速搅拌反应，再进行慢速搅拌反应，完成第三阶段聚合反应，形成新的凝胶体，经过切割、造粒，制得球状保水营养凝胶；
所述（1）凝水剂的制备中步骤1)的丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液搅拌反应的时间为30min，步骤4)中丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体、引发剂、步骤3)中湿果胶混合溶液的搅拌时间为40min。
2.根据权利要求1所述的用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，其特征在于：所述(1)凝水剂的制备中步骤1)的丙烯酰胺水溶液与丙烯酸水溶液搅拌反应的转速为60r/min；所述步骤2)中的果皮为苹果皮、橘皮或者香蕉皮中的任意一种或者质量比1:2:1的苹果皮、橘皮和香蕉的混合果皮，所述块状果皮的长和宽均为20mm，所述步骤2)中搅拌时的温度为85-88℃，时间为45min，转速为20r/min，所述步骤2)中抽滤温度大于30℃。
3.根据权利要求1所述的用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，其特征在于：所述(1)凝水剂的制备中步骤3)中滤液冷却的温度为低于25℃，静置时间为30min，所述过滤时采用125-150微米孔径的聚丙烯纤维滤布进行过滤；所述(1)凝水剂的制备中步骤4)中丙烯酰胺—丙烯酸初级聚合胶体、引发剂、步骤3)中湿果胶混合溶液的搅拌转速为60r/min。
4.根据权利要求1所述的用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，其特征在于：(2)锁水增效剂的制备中步骤1)中所述的污泥的含水率为92％，所述第一次离心的转速为6000rpm，离心时间为5min；所述第一次超声的时间为5min，频率为40kHz，功率为35-40W；所述第二次离心的时间10min，转速为8000rpm。
5.根据权利要求1所述的用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，其特征在于：(2)锁水增效剂的制备中步骤2)中所述的第二次超声的时间为3min，频率为40kHz，功率为25-35W；所述第三次离心的时间为20min，转速为12000rpm。
6.根据权利要求1所述的用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，其特征在于：(3)保水模块凝胶的制备中所述的搅拌时间为20min，转速为30r/min。
7.根据权利要求1所述的用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，其特征在于：(4)脱水污泥的制备中所述的脱水污泥中的含氮量为25.0-29.0g/kg，含磷量为20.0-22.0g/kg。
8.根据权利要求1所述的用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，其特征在于：(5)K营养基质的制备中所述的发酵方法为：将厨余垃圾粥类残渣、淘米水、鱼虾类残渣、自来水按照体积比为0.8-1.0:1.0-1.2:0.5-0.7:4.4-5.0的比例置于有盖并且带有排气阀的塑料容器内，装入物质的总体积为容器体积的80％，搅拌后，盖上密封盖，每天打开排气阀10min，排除发酵产生的气体，容器放置于避光处，每3天打开盖子进行搅拌5min，容器外包裹2层PE塑料布，作为保温层，2层塑料布之间的空气可以作为简易隔热夹层，维持发酵环境温度为32-35℃，发酵40-50天，取上层清液，为K营养基质。
9.根据权利要求1所述的用污泥与厨余垃圾制备保水营养凝胶的方法，其特征在于：(7)保水营养凝胶的制备中所述的快速搅拌的时间为2min，转速为120r/min，所述的慢速搅拌的时间为20min，转速为60r/min，所述的球状保水营养凝胶的粒径为1.0-1.5cm。
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