CN110316939A - 一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法 - Google Patents
一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法，包括以下步骤：利用溶胶‑凝胶法制备TXC，将TiCl4滴加到乙醇和乙酰丙酮(AcAc)的混合物中并在室温下用磁力搅拌器混合，得到TiCl4‑乙醇‑AcAc的混合溶液，其次将乙醇和超纯水的混合物逐滴滴加到TiCl4‑乙醇‑AcAc的溶液中进行稀释，搅拌混合物，以获得淡黄色均匀的溶胶，得到TXC储备液；壳聚糖碱化膨胀，氯乙酸投入其中，充分搅拌，再加入催化剂氯化钾、水浴反应，用盐酸中和至中性，离心取其上清液制成CMC储备液备用；先投加CMC再投加TXC恒温搅拌，水浴加热到，室温熟化，鼓风干燥箱烘干至恒重，得到淡黄色固体颗粒即为TXC/CMC复合絮凝剂；本发明能够实现剩余污泥的资源化、减量化目的。
Description
技术领域
本发明涉及固体废物处理技术领域，特别涉及一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法。
背景技术
作为污水的衍生品，我国每年产生3000～4000万吨含水率80％的湿污泥，污水处理能力的增长带动了污泥产量的提升，然而污泥含水率高，难于脱水阻碍了污泥的处置。污泥调理工程中添加混凝剂是最常用的一种方法，混凝剂的品种和种类是影响污泥脱水性能的决定性因素，其中国内外使用最多的就是无机絮凝剂。按金属盐分类，无机絮凝剂大致可以分为铝盐系、铁盐系、锌盐系、钙盐系及其复合金属盐系等类别，其中铝盐系、铁盐系类絮凝剂应用最广，以硫酸铝、氯化铝和硫酸铁和三氯化铁为代表的絮凝剂在实践应用中较为常见。
地球上的钛资源储存丰富，虽被列为稀有元素，但在地壳中仅次于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢居于第10位，比常见锌、铅、铜高的多。据报道钛无毒，具有很好的人体生物相溶性，应用前景广泛。因此钛盐絮凝剂近年来引起了国内外学者的关注，有研究者将四氯化钛作为絮凝剂在水处理工艺中进行研究，并将絮凝后产生的污泥回收，得到具有应用价值的二氧化钛。李新等研究了复合钛铁盐絮凝剂对饮用水中砷的去除，结果表明钛铁盐絮凝剂对As(Ⅲ)的去除率在90％以上。若按分子量大小则可分成低分子和高分子聚合物两大类，例如聚合硫酸铝、聚合硫酸铁就是目前实践中最常用的无机高分子絮凝剂代表。高分子絮凝剂通常以OH-或其他方式架桥多核络离子，从而由原先的低分子变为巨大的无机高分子化合物，其相对分子质量可高达510级别。一般情况下无机絮凝剂分子量越高，其絮凝效果越好，这是由于它在水处理时能吸附大量的胶体微粒，被吸附的胶体又进一步通过粘附、架桥和交联作用，促使胶体凝聚而下沉。喻德忠采用慢速滴碱法成功制备出了3种新型钛系絮凝剂PTC、PTSC和PTFC，并且可以稳定储存3个月。张帅等以煤矸石为原料制备高效无机高分子絮凝剂PAC，不但可以使得大量煤矸石能废物利用，解决环境污染，而且经济实用。煤矸石转化成PAC及其絮凝实验结果表明，煅烧煤矸石的温度控制在700℃时可以对煤矸石进行活化处理；PAC的加入量为120mg/L时，去除污水浊度的效果更好。学者Wang X M等人利用溶胶凝胶法制备出了新型钛干凝胶TXC，克服了TiCl4自身为酸性，导致出水pH值过低，不可控制性的水解方式，和PTC水解速度快，液态材料不易长时间保留，容易沉淀失效等缺点。
随着无机絮凝剂的大量使用，同时不可避免出现弊端。随着人们环保意识和环保局管理措施的增强，寻找并研发高性能、无污染满足当代水和废水处理要求的新型絮凝剂至关重要。而天然改性高分子絮凝剂是利用化学手段增强某些天然高分子有机物的絮凝性能而生成的絮凝剂。根据制备原料属性，可将改性的天然高分子絮凝剂分为改性淀粉类、原胶类、瓜尔胶类、木质素类、羧甲基素(钠)类及其他等类别。虽然天然改性高分子絮凝剂的稳定性能差，容易发生降解，以致其应用不及人工合成高分子絮凝剂广泛。但是无机絮凝剂存在用量大、稳定性差、絮体小、浮渣量大、后处理困难以及残留有毒副作用的金属离子等缺点；有机合成高分子絮凝剂存在价格昂贵、难降解或其残留单体有毒副作用等缺点。
而天然高分子物质壳聚糖呈现出白色或灰白色、略带有珍珠光泽、半透明的无定型粉末或片状。正常条件下壳聚糖不溶于水和一般有机溶剂，这是因为分子间有氢键作用。但是壳聚糖却溶于稀醋酸，这是因为壳聚糖分子链上游离—NH2与H+结合，质子化后形成阳离子NH3+，形成带有正电荷的聚电解质，自然界中带有正电荷的天然高分子只有壳聚糖。壳聚糖无毒、无害、安全可靠、易于生物降解、不造成二次污染，是典型的环境友好材料，壳聚糖作为絮凝剂，其制备原料一甲壳素，是地球上存在的数量第2大的天然有机化合物,因此,壳聚糖被认为是很有潜力的有机絮凝剂之一。由于其在给水应用和水处理中显示了独特的优越性,美国环保局已批准壳聚糖作为饮用水的净化剂。
壳聚糖是由自然界广泛存在的甲壳素经脱乙酰处理获得，其分子链中的氨基被质子化后，成为一种典型的阳离子絮凝剂。壳聚糖絮凝剂具有无毒、无害、安全可靠、易于生物降解、不造成二次污染，因此具有广阔应用前景。但由于壳聚糖水溶性差，絮凝效果有限，制约了它的发展。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法，对壳聚糖增加活性基团，羧甲基后的壳聚糖(CMC)提高絮凝性能，然后与无机絮凝剂TXC复合，能够实现剩余污泥的资源化、减量化目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法，包括以下步骤：
步骤一：制备TXC储备液
利用溶胶-凝胶法制备TXC，将TiCl4滴加到乙醇和乙酰丙酮(AcAc)的混合物中并在室温下用磁力搅拌器混合，得到TiCl4-乙醇-AcAc的混合溶液，其次将乙醇和超纯水的混合物逐滴滴加到TiCl4-乙醇-AcAc的溶液中进行稀释，搅拌混合物，以获得淡黄色均匀的溶胶，得到TXC储备液；
步骤二：制备CMC储备液
壳聚糖碱化膨胀2h，氯乙酸每隔10min分3次投入其中，充分搅拌，再加入催化剂氯化钾、水浴反应，用盐酸中和至中性，离心取其上清液制成CMC储备液备用；
步骤三：制备TXC/CMC新型复合絮凝剂
TXC与CMC按体积比为1:1、1:3、1:5、3:1、5:1，先投加CMC再投加TXC恒温搅拌，水浴加热到，室温熟化，鼓风干燥箱烘干至恒重，得到淡黄色固体颗粒即为TXC/CMC复合絮凝剂；
步骤四：3种絮凝剂对污泥CST的影响探究
TXC:CMC的体积比、pH和投加量对CST的影响，采用CST-304型毛细吸水时间测定，取5m调理得到的污泥加入CST圆槽中，当计时终止后，CST仪上显示的时间即为污泥的CST。
所述的步骤一中AcAc/Ti的摩尔比为1:4，得到TiCl4-乙醇-AcAc的混合溶液，到TiCl4-乙醇-AcAc的溶液中进行稀释，H2O/Ti的摩尔比为4:1。
所述的步骤二中壳聚糖/氯乙酸质量比为1:5，壳聚糖/氯化钾质量比为20:1。
所述的步骤三中水浴逐渐加热到60℃，室温熟化24h。
所述的步骤二中离心的条件为2000rpm离心分离10min。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用新型复合絮凝剂TXC/CMC调理污泥，相比较于TXC、CMC单一调理，最佳投加量减少64％，CST降幅54％，污泥脱水能力明显改善。且操作方便、无毒、无害、安全可靠、不造成二次污染，处理成本低廉，可直接降低后续处理费用。
(2)本发明制备的新型复合絮凝剂TXC/CMC，在较低的pH值下，H+的浓度较高，H+与复合絮凝剂分子链上的部分—NH2质子化，形成—NH3+；碱性条件下，可产生—COO-。离子化的功能性基团通过静电作用等提供额外的螯合力，CST进一步降低，更利于污泥脱水。
附图说明
图1是本发明复CMC制备结构示意图。
图2是本发明TXC/CMC制备结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
步骤一：制备TXC储备液
利用溶胶-凝胶法制备TXC，将TiCl4滴加到乙醇和乙酰丙酮(AcAc)的混合物中并在室温下用磁力搅拌器混合，得到TiCl4-乙醇-AcAc的混合溶液，其次将乙醇和超纯水的混合物逐滴滴加到TiCl4-乙醇-AcAc的溶液中进行稀释，搅拌混合物，以获得淡黄色均匀的溶胶，得到TXC储备液；
步骤二：制备CMC储备液
壳聚糖碱化膨胀2h，氯乙酸每隔10min分3次投入其中，充分搅拌。再加入催化剂氯化钾、水浴反应，用盐酸中和至中性。离心取其上清液制成CMC储备液备用；
步骤三：制备TXC/CMC新型复合絮凝剂
TXC与CMC按体积比为1:1、1:3、1:5、3:1、5:1，先投加CMC再投加TXC恒温搅拌，水浴逐渐加热到60℃，室温熟化，鼓风干燥箱烘干至恒重，得到淡黄色固体颗粒即为TXC/CMC复合絮凝剂；
步骤四：检测污泥指标
检测城市污水处理厂剩余污泥的主要指标，见表1；
步骤五：3种絮凝剂对污泥CST的影响探究
采用CST-304型毛细吸水时间测定，取5mL调理得到的污泥加入CST圆槽中，当计时终止后，CST仪上显示的时间即为污泥的CST。
表1污泥的基本特性
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
步骤一：制备TXC储备液
将3.1mL 99％的TiCl4滴加到乙醇和乙酰丙酮的混合物中并在室温下用磁力搅拌器混合，AcAc/Ti的摩尔比为1:4，得到TiCl4-乙醇-AcAc的混合溶液，其次将10mL乙醇和12.4mL的超纯水的混合物逐滴滴加到TiCl4-乙醇-AcAc的溶液中进行稀释，H2O/Ti的摩尔比为4:1，搅拌混合后1min后，得到均匀的淡黄色溶胶；
步骤二：制备CMC储备液
称取2g壳聚糖置于200mL的烧杯中，加入蒸馏水20mL搅匀，每隔10min分3次共加入8.5g氢氧化钠，碱化膨胀2h。将氯乙酸每隔10min分3次投入其中，壳聚糖/氯乙酸质量比为1:5，充分搅拌。再加入催化剂氯化钾，壳聚糖/氯化钾质量比为20:1，然后60℃的水浴反应6h。冷却后加入50mL的水，用盐酸中和至中性。然后在2000rpm离心分离10min，取其上清液制成CMC储备液备用。
步骤三：制备TXC/CMC新型复合絮凝剂
TXC与CMC按体积比为1:1、1:3、1:5、3:1、5:1，先投加CMC再投加TXC恒温搅拌10min，水浴逐渐加热到60℃反应1h，室温熟化24h，鼓风干燥箱50℃烘干至恒重，得到淡黄色固体颗粒即为TXC/CMC复合絮凝剂。
步骤四：检测污泥指标
检测城市污水处理厂剩余污泥的主要指标；
步骤五：TXC/CMC复合比对CST的影响探究
TXC与CMC按体积比为1:1、1:3、1:5、3:1、5:1，取200mL污泥于烧杯中，进行絮凝实验，采用CST-304型毛细吸水时间测定，取5mL调理得到的污泥加入CST圆槽中，当计时终止后，5:1时，CST为12.3s，降幅为41％。
实施例2
步骤一：制备TXC储备液
将3.1mL 99％的TiCl4滴加到乙醇和乙酰丙酮的混合物中并在室温下用磁力搅拌器混合，AcAc/Ti的摩尔比为1:4，得到TiCl4-乙醇-AcAc的混合溶液，其次将10mL乙醇和12.4mL的超纯水的混合物逐滴滴加到TiCl4-乙醇-AcAc的溶液中进行稀释，H2O/Ti的摩尔比为4:1，搅拌混合后1min后，得到均匀的淡黄色溶胶；
步骤二：制备CMC储备液
称取2g壳聚糖置于200mL的烧杯中，加入蒸馏水20mL搅匀，每隔10min分3次共加入8.5g氢氧化钠，碱化膨胀2h。将氯乙酸每隔10min分3次投入其中，壳聚糖/氯乙酸质量比为1:5，充分搅拌。再加入催化剂氯化钾，壳聚糖/氯化钾质量比为20:1，然后60℃的水浴反应6h。冷却后加入50mL的水，用盐酸中和至中性。然后在2000rpm离心分离10min，取其上清液制成CMC储备液备用。
步骤三：制备TXC/CMC新型复合絮凝剂
TXC与CMC按体积比为1:1、1:3、1:5、3:1、5:1，先投加CMC再投加TXC恒温搅拌10min，水浴逐渐加热到60℃反应1h，室温熟化24h，鼓风干燥箱50℃烘干至恒重，得到淡黄色固体颗粒即为TXC/CMC复合絮凝剂。
步骤四：检测污泥指标
检测城市污水处理厂剩余污泥的主要指标；
步骤五：pH对CST的影响探究
取3份200mL污泥于烧杯中，控制每组絮凝剂的投加量为75mg/g，分别调节每组初始pH在3-9内进行絮凝实验，采用CST-304型毛细吸水时间测定，取5mL调理得到的污泥加入CST圆槽中，当计时终止后，pH为7时，CST为9.1s，降幅为56％。
实施例3
步骤一：制备TXC储备液
将3.1mL 99％的TiCl4滴加到乙醇和乙酰丙酮的混合物中并在室温下用磁力搅拌器混合，AcAc/Ti的摩尔比为1:4，得到TiCl4-乙醇-AcAc的混合溶液，其次将10mL乙醇和12.4mL的超纯水的混合物逐滴滴加到TiCl4-乙醇-AcAc的溶液中进行稀释，H2O/Ti的摩尔比为4:1，搅拌混合后1min后，得到均匀的淡黄色溶胶；
步骤二：制备CMC储备液
称取2g壳聚糖置于200mL的烧杯中，加入蒸馏水20mL搅匀，每隔10min分3次共加入8.5g氢氧化钠，碱化膨胀2h。将氯乙酸每隔10min分3次投入其中，壳聚糖/氯乙酸质量比为1:5，充分搅拌。再加入催化剂氯化钾，壳聚糖/氯化钾质量比为20:1，然后60℃的水浴反应6h。冷却后加入50mL的水，用盐酸中和至中性。然后在2000rpm离心分离10min，取其上清液制成CMC储备液备用。
步骤三：制备TXC/CMC新型复合絮凝剂
TXC与CMC按体积比为1:1、1:3、1:5、3:1、5:1，先投加CMC再投加TXC恒温搅拌10min，水浴逐渐加热到60℃反应1h，室温熟化24h，鼓风干燥箱50℃烘干至恒重，得到淡黄色固体颗粒即为TXC/CMC复合絮凝剂。
步骤四：检测污泥指标
检测城市污水处理厂剩余污泥的主要指标；
步骤五：TXC/CMC投加量对CST的影响探究
分别称取15、30、45、60、75、90mg的TXC、CMC、TXC/CMC 3种絮凝剂投入到200mL剩余污泥中，控制每组剩余污泥的pH为7，进行絮凝实验，采用CST-304型毛细吸水时间测定，取5mL调理得到的污泥加入CST圆槽中，当计时终止后，投加量为30mg/g时，CST为9.7s，降幅为54％。
Claims (5)
1.一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备TXC储备液
利用溶胶-凝胶法制备TXC，将TiCl4滴加到乙醇和乙酰丙酮(AcAc)的混合物中并在室温下用磁力搅拌器混合，得到TiCl4-乙醇-AcAc的混合溶液，其次将乙醇和超纯水的混合物逐滴滴加到TiCl4-乙醇-AcAc的溶液中进行稀释，搅拌混合物，以获得淡黄色均匀的溶胶，得到TXC储备液；
步骤二：制备CMC储备液
壳聚糖碱化膨胀2h，氯乙酸每隔10min分3次投入其中，充分搅拌，再加入催化剂氯化钾、水浴反应，用盐酸中和至中性，离心取其上清液制成CMC储备液备用；
步骤三：制备TXC/CMC新型复合絮凝剂
TXC与CMC按体积比为1:1、1:3、1:5、3:1、5:1，先投加CMC再投加TXC恒温搅拌，水浴加热到，室温熟化，鼓风干燥箱烘干至恒重，得到淡黄色固体颗粒即为TXC/CMC复合絮凝剂；
步骤四：3种絮凝剂对污泥CST的影响探究
TXC:CMC的体积比、pH和投加量对CST的影响，采用CST-304型毛细吸水时间测定，取5m调理得到的污泥加入CST圆槽中，当计时终止后，CST仪上显示的时间即为污泥的CST。
2.根据权利要求1所述的一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法，其特征在于，所述的步骤一中AcAc/Ti的摩尔比为1:4，得到TiCl4-乙醇-AcAc的混合溶液，到TiCl4-乙醇-AcAc的溶液中进行稀释，H2O/Ti的摩尔比为4:1。
3.根据权利要求1所述的一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法，其特征在于，所述的步骤二中壳聚糖/氯乙酸质量比为1:5，壳聚糖/氯化钾质量比为20:1。
4.根据权利要求1所述的一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法，其特征在于，所述的步骤三中水浴逐渐加热到60℃，室温熟化24h。
5.根据权利要求1所述的一种新型复合絮凝剂改善污水处理厂剩余污泥脱水性能的工艺方法，其特征在于，所述的步骤二中离心的条件为2000rpm离心分离10min。
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