CN110937768B

CN110937768B - 处理污泥的方法以及除臭方法

Info

Publication number: CN110937768B
Application number: CN201910863214.4A
Authority: CN
Inventors: 曾谦; 郝天伟; 薛蔚琦; 陈光浩
Original assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Current assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: CN110937768A

Abstract

本发明涉及一种处理污泥的方法、一种同时对污泥进行除臭和提高脱水效果的方法以及一种除臭的方法。处理污泥的方法包括：提供由废水处理产生的第一污泥，以及以5～15V的电压以及10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度对所述第一污泥进行电化学处理，以得到处理后的第二污泥。本发明的方法能够在低能耗的情况下对各种物料(包括污泥)进行除臭，还能同时提高(污泥)脱水效果。

Description

处理污泥的方法以及除臭方法

技术领域

本发明涉及环保工程领域，特别是一种低能耗的处理污泥的方法、同时对污泥进行除臭和提高脱水效果的方法以及除臭方法。特别是，本发明尤其涉及在不添加任何化学品或者化学试剂的情况下对污泥进行处理，尤其是对化学强化一级废水处理(CEPT)产生的污泥的处理。

本发明的方法能够在低能耗的情况下对各种物料(包括污泥) 进行除臭，还能同时提供脱水效果。

背景技术

一系列针对臭源(如污泥)除臭(去除硫化物，如H₂S)的方法已经被研究并发展。常规方法主要涉及化学氧化和化学沉淀。比如利用添加次氯酸盐和铁盐，但是次氯酸盐不能从根本上长期有效的控制H₂S的产生，次氯酸盐会被污泥中快速消耗，从而降低了氧化效果，而铁盐的添加会降低后续的出水消毒效果。此外，添加化学药剂常常带来其他的弊端。例如，氧化钙能有效的控制污泥H₂S，但是氧化钙的添加不仅会将污泥的pH提高至碱性，还会增加污泥的体积，造成污泥后续处理的困难。

在污泥中加入K₂FeO₄(50mg/g)，可以去除超过80％的硫化物并将H₂S转化为无毒硫酸盐。然而，这种额外的制剂会产生高昂的成本(4,850美元/吨K₂FeO₄)。化学品的频繁运输、处理和储存也带有健康和安全问题。当前市场上通常选用生物处理法(如生物过滤器)进行H₂S吸附氧化去除。生物处理法虽然经济可行，但是不可避免的将产生二次污染物，需要最终的处理处置。另外，H₂S被氧化成的硫单质常常导致生物过滤器的堵塞，造成运营管理的困难。

为了经济高效地控制和处理污泥(特别是减少硫化氢产生),需要一种创新战略，无需添加化学物并且不产生二次污染物。

发明内容

针对上述的至少一个问题，本发明提供了一种处理污泥的方法、同时对污泥进行除臭和提高脱水效果的方法以及除臭的方法。含有硫化物的物料通常会产生硫化氢，从而产生发臭的问题。

本发明仅仅通过低能耗的电化学处理就能够对污泥进行有效经济的处理，从而解决发臭的问题。本发明的方法还能够同时提高污泥脱水效果。本发明的方法无需添加化学品，并且不产生二次污染物。

具体来说，本发明提供了：

一种处理污泥的方法，包括：

提供由废水处理产生的第一污泥，以及

以5～15V的电压以及10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度对所述第一污泥进行电化学处理，以得到处理后的第二污泥。

一种同时对污泥进行除臭和提高脱水效果的方法，包括：

以5～15V的电压以及10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度对第一污泥进行电化学处理，以得到除臭并且脱水的第二污泥。

其中所述第一污泥的导电率为3-4.5μS·cm^-1。

其中上述的方法还包括在进行电化学处理之前，对所述第一污泥进行浓缩，以得到悬浮固体浓度(MLSS)为5g/L-25g/L的第三污泥，然后对第三污泥进行电化学处理。

其中电化学处理的持续时间为10-120分钟，

任选的，电化学处理的温度为23℃-38℃。

其中上述的方法还包括在搅拌的同时进行电化学处理，并且搅拌的转速为50-250rpm。

其中所述电化学处理包括将浓缩的污泥置于电解槽中，

在电解槽中设置至少一对电极单元以及

对电极单元通电，以进行电化学处理，

优选地，至少一个电极单元包括比面积为8000m²/m³的刷形碳纤维电极。

其中上述的方法不添加任何化学试剂或者药剂。

其中所述第一污泥的含水量为97％～99％，硫化物含量为 300～350mg-S/L，并且所述第二污泥离心脱水后含水量为72～77％，硫化物含量为0～15mg-S/L。

其中所述第一污泥的毛细管抽吸时间为200～250秒，污泥比阻为150×10¹²～180×10¹²m/kg，并且所述第二污泥的毛细管抽吸时间为45～80秒，污泥比阻为50×10¹²～100×10¹²m/kg。

其中仅通过所述电化学方法对所述第一污泥进行处理，以得到处理后的第二污泥。

其中上述的方法还包括对所述第二污泥进行厌氧发酵。

其中所述第一污泥得自添加了絮凝剂和聚合物的化学强化一级废水处理厂。

任选地，所述絮凝剂为氯化铁并且所述聚合物为阴离子聚合物，以及

任选地，所述第一污泥包含300-400毫克硫/升的硫酸盐离子。

一种除臭的方法，包括：

以5～10V的电压以及10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度对臭源进行电化学处理，以除去臭源中的硫化物。

其中所述臭源选自污泥、工业废物以及臭水河沉积物中的至少一者。

其中所述污泥选自屠宰场污泥、化学强化一级废水处理后产生的污泥、生物废水污泥、废水活化污泥以及消化污泥中的至少一者。

本发明具有以下至少一个优点：

本发明的方法具有易于运行和操作，减少、甚至无需添加额外化学药剂的优点，为污泥中完全去除硫化物以及除臭提供了简单、高效的方法。

本发明的方法涉及低能耗的电化学处理，并且制造电化学处理中所用电极的材料易于得到，制造过程中可规模化生产。

本发明可以采用10V的输入电压作为临界输入电压，因此具有低能耗的优点。

本发明的方法传统化学品(如次氯酸钠和铁盐)的有效替代品，无需运输、处理和储存任何化学药剂。

本发明的方法也可应用于各类受硫化物问题影响的领域，如污泥预处理，包括厌氧发酵和卫生填埋、工业废物处理、沉积物修复等。另外，经过本发明方法处理后的污泥具有更好的脱水性能，这为污泥处理提供了额外的好处。

附图简要说明

图1示出根据本发明一个实施方案的电化学处理过程的示意图。

图2示出根据本发明一个实施方案电化学处理时间对CEPT污泥的累积气体量和硫化氢产生的影响；

图3示出根据本发明一个实施方案电化学处理时间对污泥的总溶解硫化物浓度的影响；

图4示出根据本发明一个实施方案电化学处理时间对污泥脱水率的影响，其中污泥脱水率由含水率、毛细管抽吸时间以及污泥比阻反映。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方案。下面描述的实施方案是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施方案中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

定义和一般术语

现在详细描述本发明的某些实施方案，其实例由随附的结构式和化学式说明。本发明意图涵盖所有的替代、修改和等同技术方案，它们均包括在如权利要求定义的本发明范围内。本领域技术人员应认识到，许多与本文所述类似或等同的方法和材料能够用于实践本发明。本发明绝不限于本文所述的方法和材料。在所结合的文献、专利和类似材料的一篇或多篇与本申请不同或相矛盾的情况下(包括但不限于所定义的术语、术语应用、所描述的技术，等等)，以本申请为准。

应进一步认识到，本发明的某些特征，为清楚可见，在多个独立的实施方案中进行了描述，但也可以在单个实施例中以组合形式提供。反之，本发明的各种特征，为简洁起见，在单个实施方案中进行了描述，但也可以单独或以任意适合的子组合提供。

除非另外说明，本发明所使用的所有科技术语具有与本发明所属领域技术人员的通常理解相同的含义。本发明涉及的所有专利和公开出版物通过引用方式整体并入本发明。

除非另有说明或者上下文中有明显的冲突，本文所使用的冠词“一”、“一个(种)”和“所述”旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。因此，本文所使用的这些冠词是指一个或多于一个(即至少一个)宾语的冠词。例如，“一组分”指一个或多个组分，即可能有多于一个的组分被考虑在所述实施方案的实施方式中采用或使用。

术语“包含”或者“包括”为开放式表达，即包括本发明所指明的内容，但并不排除其他方面的内容。

随着社会和城市化的发展，污水处理量的增长必将导致个多的污泥产生。特别是，化学强化一级污水处理(Chemically enhanced primary treatment，CEPT)工艺已在上海、洛杉矶和中国香港等快速发展的特大城市得到广泛应用，由于其操作维护简单，及低运营成本 (400万美元/年)，CEPT也是发展中国家废水处理的一个有吸引力的选择。然而，添加絮凝剂(15-40毫克/升氯化铁；0.1-1.0毫克/ 升阴离子聚合物)，在增强去除悬浮固体效率的过程中，也产生了大量的污泥。具体来说，CEPT污泥产量达到处理废水量的0.5％。此外，在沿海城市，海水倒灌和海水冲厕通常会导致高浓度的硫酸盐离子 (300～400毫克-硫/升)进入废水中并随后积累在污泥中，在后续的污泥处理过程中，硫酸盐会被还原至硫化氢(H₂S)，造成极大的环境危害。例如,位于香港的昂船洲污水处理厂，是世界上最大的应用CEPT工艺的水厂之一，每天产生约4000吨的臭污泥(含水量占95％)，给市政带来巨大负担。

此外，黑臭水河由生活污水和未经处理的废水以及农业径流造成的长期污染也具有发臭的问题。目前，在中国大多数城市和许多发展中国家都可以找到这些河流。臭味问题(如诸如H₂S等含硫物质产生)长期困扰附近的居民。

由于屠宰场污泥富含含硫蛋白质，因此在加工(例如储存，脱水，堆肥和运输)过程中也会特别释放恶臭(如诸如H₂S等含硫物质产生)。

其他诸如生物废污泥，包括初级污泥，废活性污泥(waste activated sludge)，消化污泥等也面临由含硫物质导致的发臭问题，因此需要进行处理。

然而，如上所述，目前处理臭源或污泥的方法涉及到使用化学药剂和生物处理，其存在二次污染、成本很高等问题。

因此，本发明提供了一种改善的处理污水或臭源的电化学处理方法。该方法减少、甚至无需化学药剂的使用，避免了二次污染并且具有低能耗、成本低的优点。

特别是，本发明的方法适合处理CEPT污泥，因为这种污泥由于大量添加絮凝剂(例如FeCl₃)，CEPT污泥常常具有较高的导电性。高导电性有利于电化学工艺的污泥处理过程。除此之外，电化学工艺的模块化使其运行简单有效且可控，并能极大的减少或者消除化学药剂的添加。

在一个方面中，本发明提供了一种处理污泥的方法，包括：

提供由废水处理产生的第一污泥，以及

以5～10V的电压以及10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度对所述污泥进行电化学处理，以得到处理后的第二污泥。

在另一个方面中，本发明还提供了一种同时对污泥进行除臭和提高脱水效果的方法，包括：以5～10V的电压以及10mA/cm²～80 mA/cm²的电流密度对第一污泥进行电化学处理，以得到除臭并且脱水效果更好的第二污泥。

如上所述，第一污泥可以是CEPT污泥。污泥可以具有高导电率，例如，污泥的导电率可以为3-4.5μS·cm^-1。换言之，第一污泥可以得自添加了絮凝剂和聚合物的化学强化一级废水处理。

任选地，所述第一污泥包含300-400毫克硫/升的硫酸盐离子。

如图1所示，第一污泥可以来自CEPT工艺的污泥沉淀池。由于这种污泥没有进行离心脱水，因此具有高的含水量。此外，污泥还可以包含大量的含硫物质，这种含硫物质可以产生硫化氢，从而发出臭味。例如，第一污泥的含水量或含水率为97％～99％，硫化物含量为 300～350mg-S/L。

污泥的含水量还可以由毛细管抽吸时间和污泥比阻表示。在一个实施方案中，第一污泥的毛细管抽吸时间为200～250秒，污泥比阻为150×10¹²～180×10¹²m/kg。

通过上述的电化学处理，可以得到经过处理的第二污泥。在第二污泥中，含水率可以显著降低。例如，第二污泥的含水率可以低至 72％～77％(离心脱水后)。第二污泥中的硫化物含量也可以显著降低，例如第二污泥的硫化物含量为0～15mg-S/L。

在一个实施方案中，第二污泥的毛细管抽吸时间降低至45～80 秒，并且污泥比阻为50×10¹²～100×10¹²m/kg。

由于含硫化合物的存在，未经处理的第一污泥中总溶解硫化物浓度可以随着时间迅速增加。例如，仅仅放置数小时，例如50小时，第一污泥的总溶解硫化物浓度就增加到250-280毫克硫/升。与此相比，经过电化学处理，污泥中总溶解硫化物浓度显著降低，并且随着时间不再迅速增加，甚至是几乎不增加。这得益于电化学处理对污泥中的硫化物的去除。

在一个实施方案中，电化学处理的持续时间为10-120分钟，优选10-15分钟。任选的，电化学处理的温度为23℃-38℃。如果电化学处理时间少于10分钟，则无法充分发挥除去硫化物的效果。如果电化学处理时间超过120分钟，则会造成能耗的增加。此外，电学处理的时间过长，还会导致产生水的分解，产生造成造作安全问题的氢气等。

对于电化学处理的条件，电压和电流密度是重要的参数。如上所述，电化学处理以5～15V的电压以及10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度进行。如果电压低于5V或者电流密度低于10mA/cm²，则除臭和 /或脱水的效果不好。如果电压超过15V或者电流密度超过80mA/cm²，则会导致处理的高能耗。此外，对于更高的电压，大部分电压会浪费在分解水，形成大量的气泡和泡沫(氧气和氢气)。这导致操作问题。

在一个实施方案中，电化学处理包括将浓缩的污泥置于电解槽中，在电解槽中设置至少一对电极单元以及对电极单元通电，以进行电化学处理。

优选地，至少一个电极单元包括比面积为至少8000m²/m³的刷形碳纤维电极。

刷形碳纤维电极的材料易于得到，制造过程中可规模化生产。此外，刷形碳纤维电极允许电化学处理在较低的电压和电流密度和/ 或较短的时间内就能达到除臭和/或提高脱水效果的目的。

处理污泥的方法还包括在进行电化学处理之前，对所述第一污泥进行浓缩，以得到悬浮固体浓度(MLSS)为5g/L-25g/L的第三污泥，然后对第三污泥进行电化学处理。

在一个实施方案中，处理污泥的方法还包括还包括在搅拌的同时进行电化学处理，并且搅拌的转速为50-250rpm。

此外，根据本发明，可以减少，甚至不添加任何化学试剂或者药剂。因此，本发明的方法仅通过所述电化学处理就能对所述第一污泥进行脱水和除臭，以得到处理后的第二污泥。

在一个实施方案中，处理污泥的方法还可以包括对所述第二污泥进行厌氧发酵。例如，可以将处理后的第二污泥输送到厌氧发酵罐中，以产生挥发性有机酸。挥发性有机酸可以用于做碳源做生物除氮使用。

厌氧发酵还可以达到很好的稳定污泥的效果，从而实现污泥的减量化和稳定化。经过本发明的方法处理的污泥，还可以改善厌氧发酵的效率，提高有机酸产率。

在另一方面中，本发明还提供了一种除臭的方法，包括：以5～15V 的电压以及10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度对臭源进行电化学处理，以除去臭源中的硫化物。

臭源可以来自污泥、工业废物、臭水河沉积物中的至少一者。

污泥可以选自屠宰场污泥、化学强化一级废水处理后产生的污泥、生物废水污泥、废水活化污泥以及消化污泥中的至少一者。

在一个具体方面中，本发明提供一种利用电化学工艺进行污泥除臭的方法，包括如下步骤

(1)将污泥浓缩至混合液悬浮固体浓度(MLSS)为5g/L-25g/L；

(2)将污泥加入有机玻璃电解池中，使用碳纤维电极，以5～15V 的电压，10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度，在常温常压的条件下，处理10～120分钟；

(3)收集未经过处理的污泥和经过处理的污泥，并转移到器皿中进行恶臭分析。在实验期间，血清瓶以38℃的恒定温度储存，搅拌速度为200-750rpm；

(4)研究污泥的含水量、毛细管抽吸时间(CST)和过滤中的具体电阻(SRF)，以评估污泥的脱水性能。

上述的污泥优选为CEPT污泥。

下面将结合例子，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。以下例子仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

下述例子中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下例子中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。

例1：使用香港昂船洲污水处理厂的CEPT污泥

从香港昂船洲污水处理厂的污泥沉淀池与污泥储存罐之间的污泥输送管道收集CEPT污泥(如图1所示)。污泥的MLSS为25g/L。

将CEPT污泥加入有机玻璃电解池中，使用碳纤维刷形电极(纤维直径5-7μm，长5cm；圆柱型刷体直径10cm，长15cm，比表面积 8000m²/m³)，以10V的电压，在常温常压的条件下，处理污泥5、 10和15分钟。

收集未经过处理的90毫升的CEPT污泥和经过处理的CEPT污泥，并转移到125毫升的血清瓶中进行恶臭分析。在实验期间，血清瓶以 38℃的恒定温度储存，搅拌750rpm。结果如图2和图3所示。

研究了污泥的含水量、毛细管抽吸时间(CST)和污泥比电阻(SRF)，以评估污泥的脱水性能。结果如图4所示。

如图2-图4的结果显示，电化学处理(输入10V/800mA；5～15 分钟)去除CEPT污泥恶臭，同时提高CEPT污泥的脱水性。通过15 分钟的处理，与对照样品相比，99％的H₂S被去除，水体中的硫化物减少97％。此外，CEPT污泥的脱水性有明显提高(毛细管吸力和污泥比阻分别下降84％和88％)，且含水量从95.1％降至72.1％。此方法无需添加任何化学药剂，且在常温常压下进行电化学处理，操作简单，效果显著，具有可规模化应用前景。

例2-例8

基本按照例1的方法进行例2-例8，不同之处在于根据下表1改电化学处理条件以及臭源的类型。然后根据例1的方法评估污泥的脱水率和硫化氢去除率。

表1

总之，本方法无需添加化学药剂，且不会产生二次污染物。此方法可以同时控制污泥H₂S的产生，及提高污泥脱水性。本方法采用的电化学处理可以实现污泥的高效除臭(99％H₂S去除率)和脱水性提高(88％)。传统的污泥处理工艺通过添加絮凝剂和氧化剂等不同方法以提高污泥脱水性和恶臭控制，导致更高的处理成本，以及繁琐的操作维护及药品安全问题。本方法操作简单可控，输入电压及能耗较低。

可以理解的是，以上实施方案仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方案，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims

1.一种处理污泥的方法，包括：

提供由废水处理产生的第一污泥，以及

以5～15V的电压以及10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度对所述第一污泥进行电化学处理，以得到处理后的第二污泥，

其中所述电化学处理包括将浓缩的污泥置于电解槽中，

在电解槽中设置至少一对电极单元以及

对电极单元通电，以进行电化学处理，

其中，至少一个电极单元包括比表面积为至少8000m²/m³的刷形碳纤维电极。

2.一种同时对污泥进行除臭和提高脱水效果的方法，包括：

以5～15V的电压以及10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度对第一污泥进行电化学处理，以得到除臭并且脱水效果更好的第二污泥，

其中所述电化学处理包括将浓缩的污泥置于电解槽中，

在电解槽中设置至少一对电极单元以及

对电极单元通电，以进行电化学处理，

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其中所述第一污泥的导电率为3-4.5μS·cm^-1。

4.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，还包括在进行电化学处理之前，对所述第一污泥进行浓缩，以得到悬浮固体浓度(MLSS)为5g/L-25g/L的第三污泥，然后对第三污泥进行电化学处理。

5.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其中电化学处理的持续时间为10-120分钟，

任选的，电化学处理的温度为23℃-38℃。

6.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，还包括在搅拌的同时进行电化学处理，并且搅拌的转速为50-250rpm。

7.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其不添加任何化学试剂或者药剂。

8.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其中所述第一污泥的含水量为97％～99％，硫化物含量为300～350mg-S/L，并且所述第二污泥离心脱水后含水量为72～77％，硫化物含量为0～15mg-S/L。

9.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其中所述第一污泥的毛细管抽吸时间为200～250秒，污泥比阻为150×10¹²～180×10¹²m/kg，并且所述第二污泥的毛细管抽吸时间为45～80秒，污泥比阻为50×10¹²～100×10¹²m/kg。

10.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其中仅通过所述电化学处理对所述第一污泥进行脱水和除臭，以得到处理后的第二污泥。

11.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，还包括对所述第二污泥进行厌氧发酵。

12.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其中所述第一污泥来自添加了絮凝剂和聚合物的化学强化一级废水处理厂，

任选地，所述第一污泥包含300-400毫克硫/升的硫酸盐离子。

13.一种除臭的方法，包括：

以5～10V的电压以及10mA/cm²～80mA/cm²的电流密度对臭源进行电化学处理，以除去臭源中的硫化物，

其中所述电化学处理包括将所述臭源置于电解槽中，

在电解槽中设置至少一对电极单元以及

对电极单元通电，以进行电化学处理，

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述臭源选自污泥、工业废物以及臭水河沉积物中的至少一者。

15.根据权利要求1、2、13和14中任意一项所述的方法，其中所述污泥选自屠宰场污泥、化学强化一级废水处理后产生的污泥、生物废水污泥、废水活化污泥以及消化污泥中的至少一者。