CN111233304A - 污泥用破壁剂、疏水骨架以及制备方法和污泥减量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的污泥用破壁剂及制备是将靶向剂、杀菌剂、渗透剂和交联剂按顺序和比例复配制得；提供的疏水骨架及制备是以生物质粉末或处理后改性的干性污泥为填料基材，使破壁剂干燥并负载在填料基材上混合配制。本发明还提供了一种污水厂污泥减量方法，是将含水污泥含固率提升至4‑5％后，投入破壁剂后再加入疏水骨架，搅拌均匀并反应后将混合液压滤脱水，得到含水率在45‑48％的泥饼。泥饼回收、外运填埋或焚烧，或选取部分污泥作为疏水骨架中填料基材，压滤液作为碳源回用于污水处理系统。本发明可充分破坏污泥絮体结构，以较低的能耗和成本降低了含水污泥脱水后的含水率，还可杀灭微生物，除臭，吸附污泥中的有毒物质，处理后的固体和液体皆能回收利用。

Description

污泥用破壁剂、疏水骨架以及制备方法和污泥减量方法

技术领域

本发明属于城市生活污水厂污泥处理技术领域，特别涉及一种污泥处理用破壁剂和疏水骨架以及破壁剂和疏水骨架和利用破壁剂和疏水骨架进行污水厂污泥减量方法。

背景技术

目前我国的垃圾填埋厂填埋容量日趋饱和，污泥处理处置不当造成的二次污染严重，我国当前的污泥处理处置形势相当严峻。现有的技术存在各自的缺点和问题，卫生填埋消耗大量的土地和运输费用，而且污染污泥填埋场周边的环境；污泥焚烧需要高昂的基建投入和运行成本，同时污泥焚烧过程还存在产生二噁英等致癌物质的环境风险；另外由于我国的剩余污泥中成分复杂，含有重金属等有毒有害物质较多，因此将剩余污泥用于土地利用时也存在重金属导致土地板结并可能在植物体内产生富集的作用，病原菌、氮磷元素以及有毒有害物质对水体的污染等问题。现有的污泥处理处置技术不能较好的满足生产实际的需求。因此，本领域技术人员一直在探索研究更多的污泥处理处置的方法，寻求适合特定国情实际的处理处置方式。

污泥减量是在污水处理过程中减少污泥的实际产生量，是一种过程减量，也是根本性的源头减量，这与清洁生产的原则要求是一致的，也是实现污水处理可持续发展的内在要求。由于是在污水处理过程中的减量，污泥减量可以避免大量的土地消耗，高昂的污泥运输成本以及二次污染等问题，同时污泥减量的相关工艺有一般具有占地小，对原有的污水处理工艺以及环境影响小等优点。因此，污泥减量是很有必要的，同时它在解决我国的污泥处理处置难的问题上具有相当大的潜力和发展前景。近年来，城镇生活污水处理量的增加导致剩余活性污泥量大幅提高，污泥中所含水分可分为4种形态即自由水、表面吸附水、毛细结合水和内部结合水。其中自由水占总水分的比例约为70％，分布于污泥颗粒之间，并且与污泥絮体及颗粒之间不存在相互作用力，因此可以通过重力浓缩方式或者施加很小的机械力即可去除。毛细水和表面吸附水是依靠毛细力和化学键力附着于污泥絮体表面或其间隙中的水分，这部分水难以通过自然重力分离，需要利用污泥调理和机械脱水方法进行分离。内部结合水是指包含在污泥微生物细胞中的液体，如果只在污泥絮体外部施加机械力而不破坏细胞结构，水分状态没有改变，无法从污泥内部释出。虽然毛细水、吸附水和内部结合水三种水分虽然只占污泥水分的小部分，但其总含量还是远远超出干污泥的质量，且不容易脱除，使得污泥脱水深度难以提高。而且，污泥特殊的絮体结构被认为是决定污泥脱水性能的主要因素，它主要由高度水合的胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances，EPS)包裹吸附水中的悬浮颗粒而形成，具有结构松散、形状不规则等特点，表现出液态的胶体性质。对于典型的市政污泥，其絮体颗粒的组成主要包括三部分：以细菌为主的微生物群体；微生物细胞新陈代谢所产生的胞外聚合物；污水自身所含的无机物和尚未被降解的有机，积聚于细菌周围的EPS不仅具有促进污泥絮体形成的作用，还可为微生物提供相对稳定的生长环境，储备水分和养分以应对不利条件。EPS的主要成分为蛋白质和多糖，含有大量OH’、NH2"等亲水性官能团，具有很强的保持水分的能力。所以，剩余活性污泥减容减量是污水厂的公认难题。

为了达到污泥的减量化、安定化、无害化、资源化，在脱水、干燥、焚烧之前，通常要对污泥进行一系列的前处理以改变污泥颗粒表面的物化性质和组分，破坏污泥的胶体结构，减小与水的亲和力，改善脱水性能，从而减少操作上的困难，增加污泥的资源价值。通常污泥前处理依据机制可分成三类：

(1)物理法：此法具体泛指通过外加能量或应力以改变污泥性质的方法，如冷冻融化处理、加热处理、超声波处理、高压处理等。该方法可以破坏污泥絮体结构，使污泥间隙水游离，改善污泥的脱水性能，但是其应用并不广泛，关键是投资、运行费用高，操作复杂；冷冻融化处理也可以充分破坏污泥絮体结构，它可以使污泥结合水含量大大降低，但其受气候条件的限制很难普遍推广应用。

(2)生物法：如好氧消化或厌氧消化，在这些程序中好氧或厌氧菌群利用废弃污泥中的碳、氮、磷等成分为生长基质，以达到污泥减量与破坏污泥高孔隙结构的目的。20世纪70年代就有研究者开始研制微生物絮凝剂，包括直接用微生物细胞作为絮凝剂；从微生物细胞体中提取物质作为絮凝剂；微生物细胞的代谢产物作为絮凝剂这三类方法。

(3)化学法：此法以加入化学药剂的方式来改变污泥的特性，如改变酸碱值、改变离子强度、添加无机金属盐类絮凝剂，或添加有机高分子絮凝剂、臭氧曝气等。目前使用高分子有机絮凝剂是化学调理的主流方向，调理效果与絮凝剂本身性质有很大关系，但是到目前为止，对调理剂的选择以及调理剂的最佳用量仍然需要现场试验为基础。就目前各大污水处理厂的污泥处理来说，绝大部分是通过化学调理强化污泥中水分的脱除，得到含固率高的泥饼，从而降低污泥运输及处理处置的费用。但是，目前应用最广泛的化学污泥调理剂为聚合硫酸铁、聚合氯化铝等高分子聚合物，由于这些物质容易产生有毒单体，不利于后续的污泥最终处置和资源化利用，使得其应用存在局限性。

污泥减容减量过程中，污泥处理费用占整个污水处理20％-40％，污泥脱水性能的好坏直接关系到整个污泥处理系统的优劣。污泥在脱水前添加化学药剂进行调理，是世界各国采用的较普遍，也是非常有效的方法，可以提高污泥的脱水速率，增加脱水后泥饼的含固率，而且泥饼容易脱离滤布，从而提高机械脱水的工作效率。目前，对污泥脱水性能改善的研究主要在以下方面：①致力于探索新的高效率污泥脱水调理剂、设备及方法；②研究污泥脱水性能及脱水过程中的影响因素，并试图找到最佳工艺条件来改善污泥的脱水性能或强化减容减量效果。针对不同的污泥条件，选用适当的调理剂对污泥脱水起着非常重要的作用，现在为了改善污泥的脱水性能，污泥进行机械脱水前一般均匀加入适量的有机高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)、石灰粉等来降低污泥比阻，使其易于脱水，但此法准确说没有完全100％减容减量。

PAM是一种粘稠状浆体，很容易附在滤布上，阻塞滤孔，影响过滤的效率，PAM很容易导致污泥颗粒脱水后胶状颗粒包复，形成聚丙烯酰胺的包复结构，不易溶解，犹如污泥外面有一层壳，不利于污泥进一步的处理；絮凝剂聚丙烯酰胺(PMA)的单体有毒性、难降解，存在二次污染问题。石灰粉的投加虽然易于脱水，会造成10％-20％的新污泥增量。

鉴于此，目前国内积极研究开发高效、价格低廉的调理剂，可用于调理污泥，能形成颗粒大、孔隙多、结构强的泥饼，利于过滤操作，不仅能增加脱水速度，还能够改变脱水的程度，即能有效降低泥饼的含水率。

寻找廉价高效的污泥脱水用调理剂是目前污泥处置与资源化的一项技术难题。中国专利局公开了一些有关污泥处理的专利文献，下述文献中：

(1)CN1693242A涉及一种污泥脱水和稳定化处理的方法，通过对含水率为75-82％的污泥加热干燥和向污泥中加入碱性粉状物料氧化钙粉两步工艺，对污泥进行脱水和稳定化处理。碱性粉状物料为氧化钙粉、氧化钠粉、氧化镁粉、菱镁粉，还可以外加一些工业废渣碱性粉状物，如粉煤灰、工业粉尘等。此方法能得到含水率较低的污泥，处理对象也是经过机械脱水后含水率为80％左右的污泥。

(2)CN1621371A是以无机高分子脱水调理剂、有机高分子脱水调理剂、石灰粉为原料制得的一种高效脱水调理剂。其复合重量计为：无机高分子脱水调理剂40-90份，有机高分子脱水调理剂0.5-12份，石灰粉5-55份。缺点是脱水调理剂处理效果较好时，有机高分子脱水调理剂含量高，成本较高；后续的污泥泥饼再利用困难。

(3)CN1986788A是以铁盐、钙盐或氧化钙为化学调理剂，先将污泥加水调质，然后在调质后的污泥中先加铁盐，添加量为污泥的0.2-1.5％，并搅拌1-6分钟；再加钙盐和/或氧化钙，添加量为污泥的1-4.5％，并搅拌2-8分钟。最后把调质好的污泥进行正压脱水，保压压力1.0-2.0MPa，保压时间为45-90分钟后卸压放料，正压脱水后污泥的含水率为50-60％。采用的化学调理剂主要是铁盐、钙盐或氧化钙，而且是分步投加，工艺复杂，脱水后污泥含水率仍在59％以上，效果一般。

(4)CN101182095A中公开了一种污泥脱水的高效复合助滤剂，其原料组分及重量百分比含量为：Al2O3 20/-30％，SiO2 40-55％，CaO 2-8％，膨润3-13％，铁粉4-10％；在此基础上可以外加Fe2O3 3-10％，MgO 0.6-2％，K2O 1-2.5％，Na2O 0.1-0.7％。向沉淀后的污泥中加入质量百分比为2-6％的高效复合助滤剂，含水率可以降至40-50％。其处理对象是浓缩污泥，复合助滤剂的组成包括9种之多，原料成本高，制备工艺复杂。

另外，现有技术中，污水脱氮主要通过生物脱氮进行，即主要利用微生物的硝化反硝化反应实现脱氮，在城镇污水处理过程中，碳源是脱氮除磷的重要影响因素。由于国人的生活习惯，污水收集设施系统不健全，雨污合流排水体制改造不彻底等因素的影响，我国的城镇污水处理厂的生活污水进水浓度普遍偏低，导致碳源不足，脱氮除磷效果较差，另一方面国家法律法规对于污水厂出水水质要求日益严格，这进一步激化了碳源不足和脱氮除磷对碳源需求的矛盾。现有传统生物脱氮所对应的理论碳氮比值为2.86kgBOD/kgN，但由于生物除磷过程也会消耗碳源，而且生产过程中还有其他变化因素，因此在实际的污水处理过程中对碳氮比的需求会高于理论值，当碳氮比低于5时，污水处理厂脱氮除磷的效率一般不会太高。考虑到碳源是制约脱氮除磷效率提高的关键因素，从碳源这项主要因素出发，具体应对方式可分为以下4种：

(1)外加碳源，如甲醇、乙醇、乙酸钠、蔗糖、葡萄糖以及淀粉等；

(2)改进原有工艺，充分利用原进水中的碳源；

(3)通过物理化学的方法将剩余污泥酵解，溶胞，实现内碳源的回用；

(4)研究探索对碳源需求较少的脱氮新工艺，并做相应工程化应用研究。

但以上的改进方法也存在一些问题，如脱氮新工艺的运行稳定性不佳，操作管理水平要求较高，实际应用较少；改进原有工艺投资成本较大且对原有工艺的影响有待进一步研究；外加碳源的费用较高，增加了污水处理厂的综合运行成本，同时外加的碳源也是有机资源，这在一定程度上造成了资源的浪费。

因此，有必要解决上述现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，首先提供了一种用于污水厂污泥减量的破壁剂，可以大大提高含水污泥脱水处理效果。

本发明提供的污泥用破壁剂，包括下述重量份的原料：靶向剂：10-20；杀菌剂：20-30；渗透剂：2-5；交联剂：2-5。

进一步地，所述的靶向剂可选用浓度为1-10％的羟丙基壳聚糖；所述的杀菌剂可选用浓度为1-40％的2.2-二溴-3-氰基丙酰胺；所述的渗透剂可选用浓度为浓度为1-10％的癸炔二醇或1-10％的聚氧乙烯脂肪醇醚；所述交联剂可选用浓度为1-10％的戊二醛或浓度为1-10％1,2-戊二醇。

上述污泥用破壁剂的制备方法，包括下述步骤：

S1将靶向剂和去离子水按照重量比1:5-20均匀搅拌制成混合液A；

S2将杀菌剂和渗透剂按照重量份均匀搅拌制成混合液B；

S3将混合液A与混合液B均匀搅拌制成混合液C；

S4向混合液C中按重量份加入交联剂，搅拌均匀，制得液态破壁剂。

本发明破壁剂通过氧化裂解作用导致疏松型胞外聚合物(EPS)破坏、释放，降低含水污泥固液间的界面张力和粘附性，改变和破坏固体颗粒与有机质间的稳定结构，加速混凝和絮凝过程，强化过滤/压滤效果，可大大降低含水污泥脱水处理后的含水率，而且可以杀灭微生物，起到除臭的作用，还能够吸附污泥中的有毒物质。同时，上述破壁剂各组分较为环保，无毒无害，制作工艺简便，避免了传统污泥调理剂中的石灰组分，克服了现有技术用量大、对设备损耗腐蚀严重、对环境潜在危害等缺陷，性能较现有污泥调剂及传统污泥调理剂，具有技术优势和极好的推广价值。

本发明还提供了一种疏水骨架，是以含水率为10-20％的生物质粉末或污水处理厂压滤处理后含水率为25％-35％的污泥为填料基材，与上述所述的破壁剂按照下述重量百分比混合制成，其中：含水率为10-20％的生物质粉末或污水处理厂压滤处理后含水率为25％-35％的污泥为：50-80％；破壁剂：20-50％。

进一步地，所述的生物质粉末包括但不限于稻壳粉末、农作物秸秆粉末、甘蔗渣粉末、木屑粉末或棉子壳粉末，粒径在80-200目之间。

上述疏水骨架制备方法包括下述步骤：

S1将靶向剂和去离子水按照重量比1:5-20均匀搅拌制成混合液A；将杀菌剂和渗透剂按照重量份均匀搅拌制成混合液B；将混合液A与混合液B均匀搅拌制成混合液C；向混合液C中按重量份加入交联剂，搅拌均匀，制得液态破壁剂；

S2将填料基材输送至烘干滚筒内，加热烘干至设定的含水率，其中所述生物质粉末加热烘干至含水率为10-20％，污水处理厂压滤处理后的污泥含水率45％-48％加热烘干至含水率25％-35％；

S3将S1步骤得到的破壁剂和S2步骤得到的填料基材按照重量百分比，使破壁剂干燥并负载在填料基材上，形成疏水骨架。

本发明提供的疏水骨架主材料，是采用廉价的工业副产品或污水厂污泥处理系统产生的含水率45-48％的泥饼经过搅拌、破碎、干燥成骨架填料，通过破壁剂负载在填料基材上并烘至表干形成的疏水骨架可替代常规的聚丙烯酰胺絮凝剂，用于污泥脱水处理后，污泥体积增量小，泥饼量相对绝干污泥的量增比1.01～1.05，较传统石灰法绝干污泥的增比降低90％，后续处理成本低，处理效率增加。

本发明还提供了一种污水厂污泥减量方法，包括下述步骤：

S1将置于沉淀池中含固率在1％～2％的含水污泥排至污泥浓缩池，再使含水污泥浓缩至含固率在4％～5％；

S2将污泥浓缩池含固率在4％～5％的含水污泥排至污泥整理池中，按破壁剂体积：含水污泥体积为2-5ml：1L的比例，将破壁剂投入污泥整理池中，搅拌30-40分钟后，再按疏水骨架和含水污泥含固量的重量比为50-100g/Kg的比例加入疏水骨架；

S3把加有破壁剂与疏水骨架的含水污泥搅拌均匀并反应30-60min后的混合液用污泥泵泵入压滤机，进行机械脱水，得到含水率在45-48％的泥饼，泥饼作为燃料的原料回收、外运填埋或焚烧，或选取部分污泥作为疏水骨架中填料基材，脱水后的压滤液作为碳源回用于污水处理系统。

采用上述污泥减量方法，可使含水率90％～99％的污泥压滤脱水后含水率降低至45％～48％，由于比阻的降低，自然晾晒2-3天后，含水率能够降到35％以下。压滤液输送回系统可以作为系统的碳源补充，脱水后的泥饼可以作为燃料的原料，处理后的固体和液体皆能回收利用，最大限度的做到了物尽其用。本发明污泥减量方法整个处理过程工艺简单，工艺流程较短，大大降低能耗和成本，有利于工业化大规模生产,符合目前产业的需求，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

名词解释：

(1)污泥：为城市生活污泥、自来水厂污泥、工业污泥或江、河、湖泊的淤泥。

(2)活性污泥：为曝气池中繁殖的含有各种好氧微生物群体的絮状体。

(3)剩余污泥：为活性污泥系统中从二次沉淀池(或沉淀区)排出系统外的活性污泥。

本发明实施例首先提供了一种污泥用破壁剂，包括下述质量份的原料：靶向剂：10-20；杀菌剂：20-30；渗透剂：2-5；交联剂：2-5。

上述原料组分中，所述的靶向剂可选择浓度为1-10％的羟丙基壳聚糖(HPCS)；所述的杀菌剂可选择浓度为1-40％的2.2-二溴-3-氰基丙酰胺(DBNPA)；所述的渗透剂可选择浓度为1-10％的癸炔二醇或浓度为1-10％的聚氧乙烯脂肪醇醚；所述交联剂可选择浓度为1-10％的戊二醛或浓度为1-10％1,2-戊二醇，余量为水。需要说明的是，上述各原料组分中，靶向剂、杀菌剂、渗透剂以及交联剂还可以根据需要选择性状类似的原料，这些原料都是本发明破壁剂的保护范围，在此不再列举。

本发明提供的破壁剂以羟丙基壳聚糖为靶向剂，引领杀菌剂2.2-二溴-3-氰基丙酰胺为主要成分选择性地与靶组织细胞上发生反应，同时借助渗透剂，使各原料能够可控性地分布于含水污泥中微生物细胞壁上，并施以杀菌消毒剂，实现生物膜破壁作用。

具体机理是：壳聚糖作为靶向剂，靶向杀菌剂2.2-二溴-3-氰基丙酰胺主要成分选择性地与靶组织细胞发生反应，使杀菌剂能够最大限度地运送到细胞壁靶区，可控性地分布于细胞壁上，并且使杀菌剂优先富集在细胞壁上增加杀菌剂浓度，缩短杀菌剂与靶组织细胞作用的时间，使杀菌剂专属地与细胞发生反应，可明显提高细胞破壁效果。壳聚糖靶向作用与其正电性密切相关，因为细胞表面带有负电荷，壳聚糖能吸附到细胞表面使电荷中和，在酸性环境下形成的带正电荷的氨基基团，与体细胞具有亲和性，靶向途径是因为细胞表面有一种蛋白叫甘露糖受体，它对甘露糖有很强的亲和能力。壳聚糖还可以改变泥水中大量微生物细胞膜的流通性和通透性，这是由其所带的正电荷与微生物细胞表面的带负电荷的基团相互作用而引起的。壳聚糖对微生物DNA有高度的亲合力，可以进入细胞核，与带负电荷的DNA相互作用，影响DNA的复制和RNA的转录。

2.2-二溴-3-氰基丙酰胺(DBNPA)作为有机溴类杀菌剂，具有广谱的杀菌性能，对细菌、真菌、酵母菌、藻类、生物粘泥以及威胁人类健康的病原性微生物等均具有较好的杀灭效果。DBNPA特点是杀菌速度极快，效率高，5-10分钟杀菌率可达99％以上。在羟丙基壳聚糖引领与配合下，2.2-二溴-3-氰基丙酰胺(DBNPA)作为有机溴类杀菌剂，在壳聚糖靶向剂引领下，分子能最大限度地运送到细胞壁靶区，并且使杀菌剂优先富集在细胞壁上，迅速穿透微生物细胞膜，作用于一定的蛋白基团，使细胞正常氧化还原终止，缩短杀菌剂与靶组织细胞作用的时间，它的分支还可以选择性的溴化或氧化微生物的特殊酶代谢物，最终导致细胞死亡。这样，通过靶向剂的引领与配合，杀菌剂与细胞发生反应，可明显提高细胞破壁效果。

癸炔二醇作为渗透剂，是一种非离子型表面活性剂，分子量低，较易扩散，分散性好，毒性很低，且具有很强的极性和亲水性，可降低含水污泥体系的动态表面张力，并具有较好的疏水性；同时，癸炔二醇性能稳定，对金属表面也有很强的亲和力，易于吸附在金属表面，有利于含水污泥中重金属的去除。同样地，聚氧乙烯脂肪醇醚也可作为渗透剂，它是非离子表面活性剂中发展最快、用量最大的品种。这种表面活性剂是由聚乙二醇(PEG)与脂肪醇缩合而成的醚，最重要的一类非离子表面活性剂。分子中的醚键不易被酸、碱破坏，所以稳定性较高，水溶性较好，耐电解质，易于生物降解，泡沫小。聚氧乙烯脂肪醇醚与其他表面活性剂的配伍性好。对硬水不敏感，低温洗涤性能好，但随着水温的升高，其溶解度会逐渐降低。在pH为3～11的范围内，聚氧乙烯脂肪醇醚水解稳定。上述渗透剂具有较佳的附着、渗透性能，可降低含水污泥分子表面张力，破坏污泥的胶体结构，减小与水的亲和力，以改善含水污泥的脱水性能。

戊二醛为高效消毒剂，具有广谱、高效、低毒、对金属腐蚀性小、受有机物影响小、稳定性好等特点。由于壳聚糖膜中含有大量的亲水基团,因此较易溶胀从而导致配伍的破壁剂稳定性较差,对应用造成一定的影响,本发明采用交联的方法对其进行改性，以戊二醛作为交联剂配伍壳聚糖交联。

1,2-戊二醇是直链的二醇，具有明显的极性和非极性，这种特殊的电荷分布使其具有独特的特征和多功能性，作为交联剂配伍壳聚糖交联，可提高其稳定性。另外，1,2-戊二醇还具有较高的抗菌活性，可以抑制微生物生长。

本发明通过上述原料配伍成的破壁剂，是由靶向剂、杀菌剂、渗透剂和交联剂按一定的顺序和比例复配制得的一种壳聚糖溴络季铵盐；壳聚糖作为靶向剂，利用其带正电性途径靶向细胞表面带负电荷的甘露糖，引领杀菌剂以最快速度地运送到细胞壁靶区可控杀菌剂浓度地富集于细胞壁上，并选择性地与靶组织细胞发生反应，迅速穿透微生物细胞进入细胞核，与带负电荷的DNA相互作用，影响DNA的复制和RNA的转录，溴络季铵盐分支还可以选择性的溴化或氧化微生物的特殊酶代谢物，破坏细胞膜的完整性并使细胞内物质(Na+、K+、PO43-、DNA、RNA等)释放出来，细菌细胞膜的离子通透性增加，胞内电解质和β-半乳糖苷酶大量外渗，使生物膜破壁而最终导致细胞死亡。同时，辅佐渗透剂降低固液间的界面张力和粘附性，破坏污泥的胶体结构，减小与水的亲和力，缩短杀菌剂与靶组织细胞作用的时间，提高细胞破壁效果，在利用交联剂提高靶向剂引领的同时，交联剂可充分破坏污泥絮体结构，在后续压滤脱水过程中形成液态疏水通道，使污泥结合水含量迅速降低，可得到高含固率的泥饼，有效降低了污泥运输及处理处置的费用，从而实现了本发明的目的。

进一步地，上述破壁剂实施例的制备方法是：

S1将靶向剂(1-10％浓度的羟丙基壳聚糖水溶液)和去离子水按照重量比1:5-20均匀搅拌制成混合液A；

S2将杀菌剂(1-40％的2.2-二溴-3-氰基丙酰胺)和渗透剂(浓度为1-10％的癸炔二醇或1-10％的聚氧乙烯脂肪醇醚)按照重量份均匀搅拌制成混合液B；

S3将混合液A与混合液B均匀搅拌制成混合液C；

S4向混合液C中按重量份加入交联剂(浓度为1-10％的戊二醛或浓度为1-10％1,2-戊二醇)，搅拌均匀，制得液态破壁剂。

上述制备步骤中，由于靶向剂与去离子水混合需要一定的时间并且有粘稠度的要求，故靶向剂单独与去离子水先配合制得一定粘稠度后再与杀菌剂混合，另外本发明采用的有机溴杀菌剂在水中的溶解度不高，需要通过渗透剂(癸炔二醇或聚氧乙烯脂肪醇醚)来提高水的溶解度而加快有机溴杀菌剂的溶解，交联剂和杀菌剂与靶向剂相溶。因此，靶向剂与杀菌剂分开溶解至所需浓度后才能混合。

将上述制备的搅拌均匀的破壁剂输送至塑料桶包装备用，有效期为60天，超过有效期会影响破壁效果。

上述破壁剂实施例的制备方法，是以羟丙基壳聚糖为靶向剂，以2.2-二溴-3-氰基丙酰胺为有机溴类杀菌剂，以癸炔二醇或聚氧乙烯脂肪醇醚作为渗透剂，以戊二醛为交联剂，按照一定的顺序和比例复配后制得。整体工艺简单，无需专用设备，工艺参数容易控制，成本低廉。

本发明还提供了一种疏水骨架，是以生物质粉末或污水处理厂压滤脱水后的污泥为填料基材，与上述所述的破壁剂按照下述重量百分比混合配制而成，其中：

生物质粉末或污水处理厂压滤脱水后的污泥：50-80％；破壁剂：20-50％。

具体地，所述的生物质粉末包括但不限于稻壳粉末、农作物秸秆粉末、甘蔗渣粉末、木屑粉末或棉子壳粉末，粒径在80-200目之间。污水处理厂压滤处理后含水率为45％-48％的污泥，经过搅拌、破碎、干燥成含水率为25％-35％的污泥作为填料基材，通过破壁剂负载在填料基材上并烘至表干形成的疏水骨架。

本发明提供的疏水骨架是由廉价的生物质粉末或污水处理厂压滤处理后含水率为45％-48％的污泥经过搅拌、破碎、干燥形成的填料基材，以破壁剂为改性剂通过喷雾干燥接枝负载在填料基材上而制得。所述疏水骨架是基于由作为骨架的基质和键合在基质上参与疏水作用的配基组成。疏水骨架表面负载的壳聚糖因为其具有疏水吸附功能而成为疏水吸附剂，疏水吸附剂是由球状的载体与疏水基团共价结合而成的。在疏水吸附剂颗粒的表面上，分布着许多的疏水基团。在球状蛋白质分子的表面上，有疏水区和疏水口袋。在吸附条件下，由于疏水吸附剂的疏水基团与蛋白质分子的疏水基团之间的疏水相互作用，因而，使污泥破壁溶出的蛋白质吸附在吸附剂的表面上，在压滤机的压榨下形成疏水通道，从而使污泥中的水分迅速被挤出。而且，疏水骨架的电性中和与吸附架桥作用，能破坏污泥胶体颗粒的稳定性，利于分散小颗粒的聚集，改善脱水性能，疏水吸附剂不仅可以起到助凝作用，而且可以形成碱性环境，杀灭微生物，起到除臭的作用。进一步地，本发明载体为生物质废弃物，具有较大的比表面积和孔容，能够吸附污泥中的有毒物质，对于重金属具有一定钝化作用。本发明制得的疏水骨架可对城市生活污泥、工业污泥，或江河湖泊的淤泥进行调理。

进一步地，由于作为填料基材的生物质粉末或污水处理厂压滤处理后含水率为45％-48％的污泥经过搅拌、破碎、干燥处理后含水率为25％-35％的污泥构成，来源广，成本非常低廉，污泥处理时所需用量少、外新增固废少、无污染且污泥脱水效果好。

本发明还提供了一种疏水骨架制备方法，包括下述步骤：

S1将靶向剂和去离子水按照重量比1:5-20均匀搅拌制成混合液A；将1-40％的2.2-二溴-3-氰基丙酰胺和浓度为1-10％的癸炔二醇或1-10％的聚氧乙烯脂肪醇醚按照重量份均匀搅拌制成混合液B；然后将混合液A与混合液B均匀搅拌制成混合液C；向混合液C中按重量份加入交联剂，搅拌均匀，制得液态破壁剂。

S2将填料基材输送至烘干滚筒内，加热烘干至设定的含水率，其中所述生物质粉末加热烘干至含水率为10-20％，污水处理厂压滤处理后的污泥含水率45％-48％加热烘干至含水率25％-35％；

S3将S1步骤得到的破壁剂和S2步骤得到的填料基材按照重量百分比，使破壁剂干燥并负载在填料基材上，形成疏水骨架。

本步骤中，在烘干滚筒内设有加热装置，其中所述加热装置对烘干滚筒内的填料基材加热至40-90℃，并保持恒温，驱动烘干滚筒，使得填料基材在烘干滚筒内达到上述设定的含水率。

S3将S1步骤得到的破壁剂和S2步骤得到的填料基材按照重量百分比混合后，通过高压喷雾装置，在40-90℃的环境下，将液态破壁剂呈雾状喷射于填料基材上且迅速被干燥，使破壁剂负载在填料基材上，形成疏水骨架。

该步骤中采用高压喷雾装置，可将破壁剂通过喷雾分散成很细的雾滴，其表面积大大增加，可增大水分蒸发面积，与热空气接触后可迅速将破壁剂中的水分除去，很快均匀附着于填料基材上。

参见图1，基于上述破壁剂和疏水骨架，本发明还提供了一种污水厂污泥减量方法，包括下述步骤：

S1对沉淀池中含固率在1％～2％的泥水排至污泥浓缩池，通过浓缩池重力浓缩或预浓缩设备使泥水再浓缩至含固率在4％～5％。

S2将污泥浓缩池含固率在4％～5％的泥水排至污泥整理池中，按破壁剂体积：湿污泥体积为2-5ml：1L的比例将破壁剂投入污泥整理池中搅拌30-40分钟，在搅拌过程中按50-100g/Kg(重量/浓缩池含固量)加入疏水骨架；

S3把加有破壁剂与疏水骨架的含水污泥搅拌均匀，反应30-60min后，将混合液用污泥泵泵入压滤机，进行机械脱水，得到含水率在45-48％的泥饼，泥饼作为燃料的原料回收、外运填埋或焚烧，或选取部分污泥作为疏水骨架中填料基材，脱水后的压滤液作为碳源回用于污水处理系统。

上述方法中，含水污泥通过破壁剂破坏生物膜后，通过疏水骨架使污泥破壁溶出的蛋白质吸附在吸附剂的表面上，在压滤机的压榨下形成疏水通道，使污泥中的水分迅速被挤出。进一步地，将疏水骨架加入污泥中形成骨架建构，在污泥中形成网格构造，即使在脱水时面对高压条件仍然可以保持多孔性结构。同时，通过破壁剂可以破坏胶体颗粒有机物结构，为中和的架桥创造有利条件，通过改变污泥絮体电负性及松散型EPS(胞外聚合物)的存在形式使污泥中键合态的水转化成自由态，使污泥真正实现深度脱水，大量降低污泥含水率，并且有效固化污泥中的重金属，具备用量少，过滤速度快，价格低廉等特点。

在各地的中试实验结果表明，调理脱水后的泥饼含水率为45％-48％。此外，有机成分的骨架构建体在泥饼后期处置的过程中会发生水化胶凝反应，使得泥饼中形成具有很高强度的刚性结构。这类泥饼具有长期稳定性和后续水分持续散失特点。

进一步地，由于污泥细胞壁由肽聚糖、磷酸及脂多糖等构成；细胞内原生质体中含有蛋白质、多糖、脂类及核酸等有机物与无机盐。本发明破壁剂破解污泥细胞时，胞内物质溶出进入液相，在压滤机的固液分离后形成的压滤液中多糖、蛋白质、TN和TP含量上升，破壁剂在5mg/(g干泥)、120r/min下处理60分钟，污泥压滤液中多糖、蛋白质、TP及TN增加量分别为23.5、75、5.8和4.3mg/(L·g干泥)。而且，上述破壁溶胞产物中由于含有大量的溶解性有机物，这些有机物被实验证实可作为反硝化过程中的碳源，有助于提高反硝化的效率。因此，在污泥减量的过程中含有大量多糖、蛋白质、TP及小量TN的压滤液，还可作为碳源回收，不仅可使废物得到较好的利用，而且还为城镇污水处理过程中的脱氮除磷提供了重要原料，对污泥减量有显著效果，也大大降低了污水处理的成本。

本发明不需要进行干燥工艺，能耗低，操作简单，每吨含水率45％-48％污泥处理成本仅需150-250元，具有非常高的使用价值。

下面结合实施例对本发明做进一步详述。

实施例一：

本实施例所用污泥为城市生活污泥，初始含水率95％，调理池有效容积为100立方，循环泵抽吸压力为负压0.1-0.16Mpa。

一、实验对象：

深圳市某水质净化厂，厂区占地总面积20000m²，污水处理规模为5万m³/d，采用快PIPR速生化污水处理工艺，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。

该厂现有污泥脱水处理工艺采用浓缩池+板框机压滤。

二、污泥破壁剂制备：

S1将羟丙基壳聚糖1kg，去离子水40kg混合搅拌制成浓度为2.5％的混合液A；

S2将杀菌剂(1-40％的2.2-二溴-3-氰基丙酰胺)20kg，癸炔二醇2kg去离子水138kg均匀搅拌制成混合液B；

S3将A混合液41kg(2.5％浓度的羟丙基壳聚糖水溶液)与B混合液160kg(14.28％浓度的2.2-二溴-3-氰基丙酰胺)均匀搅拌制成混合液C；

S4向混合液C中按重量份加入戊二醛交联剂浓度为1％的2kg搅拌均匀，制得液态破壁剂溶203kg，输送至塑料桶包装备用。

三、疏水骨架的制备：

S1选取粒径为200目的甘蔗渣粉末，输送至烘干滚筒内，加热至70℃，并保持恒温，驱动烘干滚筒，使甘蔗渣粉末的含水率降至20％以下；

S2将制得破壁剂与S1步骤制得的甘蔗渣粉末，按照重量比为2:5的比例，通过高压喷雾装置，在70℃的环境下，将液态破壁剂呈雾状喷射于甘蔗渣粉末上干燥，使破壁剂负载在甘蔗渣粉末上，形成疏水骨架。

四、污泥减量过程：

S1将置于沉淀池中含固率在1％～2％的含水污泥排至污泥浓缩池，再使含水污泥浓缩至含固率在4％～5％；

S2将污泥浓缩池含固率在4％～5％的含水污泥排至污泥整理池中，按破壁剂体积：含水污泥体积为5ml：1L的比例，将破壁剂投入有效容积为100立方污泥整理池中，搅拌40分钟后，再按疏水骨架和含水污泥含固量的重量比：80g/Kg加入疏水骨架；

S3把加入破壁剂与疏水骨架的含水污泥搅拌均匀并反应40min后的污泥混合液用污泥泵泵入压滤机，进行机械脱水，得到含水率在45％左右的泥饼，泥饼作为燃料的原料回收，脱水后的压滤液中多糖、蛋白质、TP及TN增加量分别为23.5、75、5.8和4.3mg/(L·g干泥)，作为碳源回收。

上述含水污泥经过破壁剂和疏水骨架联合调理后,污泥中的EPS总量和LB-EPS含量都显著减小。

五、实验报告：

1、实验药品、设备及泥源

1.1小试实验

实验药品：污泥破壁剂；

实验器材：抽滤设备、精确衡量天平、烧杯、量筒、滴定管、布什滤斗、搅

拌器(转速30转/分钟)、小型压滤设备、含水率测定仪等；实验泥源：固戍污水厂污泥项目现场采集并妥善保存的污泥。

1.2中试实验

实验药品：污泥破壁剂

实验设备：项目车间小型压滤设备；称量设备、水分测定仪

板框压滤机：

板框实验机，进泥压力≤0.5MPa，压榨压力≤1.6MPa；

实验泥源：缓存池连续供应的浓缩后污泥。

2、实验过程及数据

本批中试历时数日，在进行中试实验前，均首先考察当日污泥含水率等污泥特性，并以小试结果为依据，对药剂投量、调理过程进行合理放大，指导当日当次中试操作。

2.1小试实验(2019年11月8日，深圳市政水环境技术有限公司)

根据现场生产情况，对污泥含水率、匹配比例、搅拌条件、絮体强度、小试抽滤等条件因素进行了小试实验考察，具体小试结果如下表：

2019年11月8日(实验设备：抽滤试验机)

根据以上实验数据可知，污泥破壁剂在指定污泥条件下脱水效果较好，且药剂添加量较低。此结果将指导中试实验药剂选型、匹配及添加比例。

2.2中试实验

本批中试实验共进行2次，分别为单独使用污泥破壁剂和污泥破壁剂+疏水骨架的两组实验，于2019年11月11日进行了上机试验，中试实验步骤为：由浓缩缓存池进泥至调理罐中，按照小试实验指导的加药方案及加药比例进行加药操作，在30转/分钟下搅拌30分钟后向板框进泥，在与当日生产相同压滤工艺参数下进行污泥脱水，操作结束后，取泥样进行含水率等指标测定，污泥破壁剂+疏水骨架的实验为重复上述操作，在30转/分钟下搅拌30分钟后向调理罐中投加疏水骨架，搅拌10分钟后向板框进泥，在具体实验数据如下：

2019年11月11日：单独使用污泥破壁剂的实验数据：

(实验设备：板框试验机)

2019年11月25日：使用污泥破壁剂+疏水骨架的实验数据：

(实验设备：板框试验机)

3、与传统产品性能对比见下表：

4、结果分析

通过对固戍水质净化厂污泥进行的多批次小试、中试实验，污泥破壁剂取得了较好的调理效果，具体结论如下：

(1)、污泥破壁剂单独使用满足厂家对污泥调理工艺中各项指标的要求。污泥经不同分量污泥破壁剂调理后，经过中试板框压榨20min可使其出泥泥饼含水率分别是59.3％，53.6％，49.7％，泥饼含水率平均＜60％，产能和各项指标均能满足要求。

(2)、污泥破壁剂+疏水骨架使用满足厂家对污泥调理工艺中各项指标的要求。污泥经不同分量污泥破壁剂+疏水骨架调理后，经过中试板框压榨20min可使其出泥泥饼含水率分别是48.3％，47.6％，45.2％，泥饼含水率平均＜50％，产能和各项指标均能满足要求。

(3)、可显著降低污泥调理过程中的投加量。污泥破壁剂+疏水骨架使用新增加污泥量在1.03～1.05之间，影响不大，但泥饼含水率平均＜50％，而且完全替代原有方案中破壁剂的投加。

5、成本分析

通过中试试验结果确定的污泥破壁剂投加方案及投加比例，可与现有药剂方案进行经济技术比较(直接药剂费用)：

污泥破壁剂方案：每吨绝干污泥使用污泥破壁剂剂量为25—30公斤(干重)，破壁剂按照每公斤10元计算，吨泥药剂费在250-300元之间，比现有的药剂综合成本具有明显优势。污泥破壁剂+疏水骨架使用新增加污泥量在1.03～1.05之间，吨泥药剂费在300-320元之间，影响不大，但泥饼含水率平均＜50％，对去除泥饼含水率要求比较高的脱水方案比较适用。

6、结论

通过本阶段中试试验，可以得出以下结论：污泥破壁剂可以满足用户方提出的污泥脱水压榨指标，完全替代了石灰+氯化铁的投加，同时显著降低药剂投加量，进而减少污泥处理处置费用。污泥破壁剂+疏水骨架使用新增加污泥量在1.03～1.05之间，吨泥药剂费在300-320元之间，影响不大，但泥饼含水率平均＜50％，对去除泥饼含水率要求比较高的脱水方案比较适用。通过对亚滤液的检测与常规用的碳源比较，采用可以污泥破壁剂的压滤液STOD升高明显，做压滤液碳源的反硝化速率达到5.60mgN/gSS·h-1，比葡萄糖要好，没有达到乙酸钠的反硝化速率，但可以满足碳源要求。可以预见的是，压滤液可以满足碳源要求，后续污泥干化及资源化过程中，污泥破壁剂将充分发挥干化促进作用，极大改善污泥干化过程中的运行状况；由于污泥破壁剂不含氯离子及不投加石灰，对污泥的最终处置，无论是堆肥、焚烧、还是其他用途，均不受任何限制，为污泥后续生态再利用拓宽了应用前景。

由上述实验数据可以看到，较之于传统的污泥减量方法，采用本发明方法投加量非常少，脱水后的含水量大大降低，且滤液中有毒物质及重金属被吸附，有效解决了目前我国的污泥处理处置难题。

实施例2:

本实施例所用污泥为江、河、湖泊的淤泥，初始含水率90％，循环泵抽吸压力为负压0.1-0.16Mpa。

本实施例含水污泥减量步骤：

S1将羟丙基壳聚糖1kg，去离子水10kg混合搅拌制成浓度为10％的混合液A；

S2将杀菌剂(1-40％的2.2-二溴-3-氰基丙酰胺)30kg，癸炔二醇1kg去离子水139kg均匀搅拌制成(21.42％浓度的2.2-二溴-3-氰基丙酰胺)的混合液B；

S3将A混合液11kg(10％浓度的羟丙基壳聚糖水溶液)与B混合液(21.42％浓度的2.2-二溴-3-氰基丙酰胺)170kg均匀搅拌制成混合液C；

S4向混合液C中按重量份加入浓度为1-10％的1,2-戊二醇0.5kg，搅拌均匀，制得液态破壁剂溶181.5kg，输送至塑料桶包装备用；

S5选取污水处理厂脱水后污泥，输送至烘干滚筒内，加热至90℃，并保持恒温，驱动烘干滚筒，使污泥的含水率降至30％以下；

S6将S4步骤制得破壁剂与S5步骤得到的干污泥，按照重量比为1:5的比例，通过高压喷雾装置，在90℃的环境下，将液态破壁剂呈雾状喷射于干性污泥上且瞬间被干燥，使破壁剂负载在干污泥上，形成疏水骨架；

S7将置于沉淀池中含固率在1％～2％的含水污泥排至污泥浓缩池，再使含水污泥浓缩至含固率在4％～5％；

S8将污泥浓缩池含固率在4％～5％的含水污泥排至污泥整理池中，按破壁剂体积：含水污泥体积为3ml：1L的比例，将破壁剂投入污泥整理池中，搅拌40分钟后，再按疏水骨架和含水污泥含固量的重量比：50g/Kg加入疏水骨架；

S9把加入破壁剂与疏水骨架的含水污泥搅拌均匀并反应60min后的污泥混合液用污泥泵泵入压滤机，进行机械脱水，得到含水率在48％左右的泥饼，泥饼作为燃料的原料回收，脱水后的压滤液作为碳源回收。

上述含水污泥经过破壁剂和疏水骨架联合调理后,污泥中的EPS总量和LB-EPS含量都显著减小。

实施例3:

重复实施例1，使用本发明含水污泥减量方法脱水后的泥饼，在冬季室外正常环境下(昼夜)，24h内可以降低至少5个百分点的含水率，48h内更可降低10-15个百分点含水率。如果是夏季，泥饼含水率会下降更快。而没有加破壁剂和疏水骨架的泥饼在相同环境和时间内只能下降4个百分点含水率。

从而说明，采用本发明进行脱水减量方法后，由于泥饼中含有破壁剂和疏水骨架，后续水分还会持续散失。

本发明的上述实施例所示仅为本发明较佳实施例之部分，并不能以此局限本发明，在不脱离本发明精髓的条件下，本领域技术人员所作的任何修改、等同替换和改进等，都属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种污泥用破壁剂，其特征在于，包括下述重量份的原料：

靶向剂：10-20；杀菌剂：20-30；渗透剂：2-5；交联剂：2-5。

2.如权利要求1所述的污泥用破壁剂，其特征在于，所述的靶向剂选用浓度为1-10％的羟丙基壳聚糖。

3.如权利要求1所述的污泥用破壁剂，其特征在于，所述的杀菌剂选用浓度为1-40％的2.2-二溴-3-氰基丙酰胺。

4.如权利要求1所述的污泥用破壁剂，其特征在于，所述的渗透剂选用浓度为1-10％的聚氧乙烯脂肪醇醚或浓度为1-10％的癸炔二醇。

5.如权利要求1所述的污泥用破壁剂，其特征在于，所述交联剂选用浓度为1-10％的戊二醛或浓度为1-10％1,2-戊二醇。

6.如权利要求1-5任一项所述的污泥用破壁剂的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

S1将靶向剂和去离子水按照重量比1:5-20均匀搅拌制成混合液A；

S2将杀菌剂和渗透剂按照重量份均匀搅拌制成混合液B；

S3将混合液A与混合液B均匀搅拌制成混合液C；

S4向混合液C中按重量份加入交联剂，搅拌均匀，制得液态破壁剂。

7.一种疏水骨架，其特征在于，是以含水率为10-20％的生物质粉末或污水处理厂压滤处理后含水率为污泥的污泥：50-80％；

破壁剂：20-50％。

8.根据权利要求7所述的疏水骨架，其特征在于，所述的生物质粉末包括但不限于稻壳粉末、农作物秸秆粉末、甘蔗渣粉末、木屑粉末或棉子壳粉末，粒径在80-200目之间。

9.如权利要求7-8任一项所述的疏水骨架制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1将靶向剂和去离子水按照重量比1:5-20均匀搅拌制成混合液A；将杀菌剂和渗透剂按照重量份均匀搅拌制成混合液B；将混合液A与混合液B均匀搅拌制成混合液C；向混合液C中按重量份加入交联剂，搅拌均匀，制得液态破壁剂；

S2将填料基材输送至烘干滚筒内，加热烘干至设定的含水率，其中所述生物质粉末加热烘干至含水率为10-20％，污水处理厂压滤处理后的污泥含水率45％-48％加热烘干至含水率25％-35％；

S3将S1步骤得到的破壁剂和S2步骤得到的填料基材按照重量百分比，使破壁剂干燥并负载在填料基材上，形成疏水骨架。

10.一种污水厂污泥减量方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1将置于沉淀池中含固率在1％～2％的含水污泥排至污泥浓缩池，再使含水污泥浓缩至含固率在4％～5％；

S2将污泥浓缩池含固率在4％～5％的含水污泥排至污泥整理池中，按破壁剂体积：含水污泥体积为2-5ml：1L的比例，将破壁剂投入污泥整理池中，搅拌30-40分钟后，再按疏水骨架和含水污泥含固量的重量比为50-100g/Kg的比例加入疏水骨架；

S3把加有破壁剂与疏水骨架的含水污泥搅拌均匀并反应30-60min后的混合液用污泥泵泵入压滤机，进行机械脱水，得到含水率在45-48％的泥饼，泥饼作为燃料的原料回收、外运填埋或焚烧，或选取部分污泥作为疏水骨架中填料基材，脱水后的压滤液作为碳源回用于污水处理系统。

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