CN111423095B - 一种处理剩余活性污泥的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种处理剩余活性污泥的方法，主要步骤包括：制备氧化石墨烯分散液，将该氧化石墨烯分散液加入到剩余活性污泥混悬液中，搅拌混匀，静置8‑72h后形成块状的水凝胶，加热该水凝胶得到含水率≤80％的固体，本发明还公开了对该水凝胶加热脱水后的固体的资源化利用方法。通过本发明技术处理剩余活性污泥，其反应条件温和、易操作、能耗低，可大大减少剩余活性污泥混悬液体积，提高剩余活性污泥生物质利用效率。

Description

一种处理剩余活性污泥的方法
技术领域
本发明属于污水处理的技术领域，尤其涉及一种处理剩余活性污泥的方法。
背景技术
目前，污水生物处理中产生的大量剩余活性污泥是污水处理厂面临的一个主要问题，它的处理处置费用可占污水处理厂运营成本的40-50％，处理不当可造成高环境负担。目前由于更严格的污泥处理规定急需开发高性能脱水工艺以减少待处理的污泥量，并对污泥中的生物质进行能量回收，实现减量化、无害化、稳定化和资源化的目的。
城市污水处理厂产生的二沉池污泥含水率约为99％，主要由菌体细胞和水分组成，污泥中的水分又分为间隙水、毛细结合水、表面吸附水和胞内结合水。目前常规的减量方法是通过重力浓缩和机械挤压，普通浓缩后污泥含水率均值为97％。常规机械压力脱水是以压力差作为推动力，可进一步分离污泥颗粒间的间隙水，但由于活菌细胞的含水量约为90％之上，得到的泥饼含水率仍然很高。为得到含水率约80％的泥饼，一般需采取添加调理剂、机械研磨、超声和高温加热等手段进行过滤预处理，或者高压压滤，释放污泥絮体的毛细水、吸附水和结合水，操作步骤较多，能耗大。此外，为回收菌体生物质中的化学能，剩余活性污泥经压滤脱水后可焚烧发电，但是仍因含水率高、生物有机质富集程度低，能源回收效率不高。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种处理剩余活性污泥的方法。
本发明的技术方案如下：
一种处理剩余活性污泥的方法，包括以下步骤：
(1)制备氧化石墨烯分散液，包括如下步骤：
a、将混合酸逐滴加入到高纯鳞片石墨中，进行酸化处理后得到石墨溶液；
b、于40-60℃，边搅拌边向上述石墨溶液中分若干次缓慢加入高锰酸钾固体颗粒，使该高锰酸钾固体颗粒完全溶解，冷却至室温；
c、将步骤b所得的物料与0-4℃的冰水混合，然后逐滴加入体积浓度为20-40％的过氧化氢溶液，边加边搅拌，待物料的颜色由绿褐色变为金黄色，静置，出现稳定分层后弃去上层黄色液体，获得剩余物料；
d、用体积浓度为8-15％的稀盐酸和去离子水洗涤上述剩余物料至pH值为3-7，进行超声分散，即得该氧化石墨烯分散液，其浓度为3-9g/L，该氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片层大小为200-1200nm，C：O为1-4：1；
(2)将上述氧化石墨烯分散液加入到剩余活性污泥混悬液中，搅拌混匀，静置8-72h直至形成块状的水凝胶，弃去上述物料中的澄清水，保留该水凝胶；氧化石墨烯分散液的添加量使得氧化石墨烯在所述剩余活性污泥混悬液中浓度达到0.05-0.5g/L，所述剩余活性污泥混悬液的生物量与氧化石墨烯的质量比为2-400；
(3)加热步骤(2)所得的水凝胶，得到含水率≤80％的固体；
(4)资源化利用步骤(3)所得固体。
在本发明的一个优选实施方案中，所述混合酸由质量浓度为98％的浓硫酸和磷酸原液以3-5：1的质量比组成。
在本发明的一个优选实施方案中，所述高纯鳞片石墨、混合酸、高锰酸钾固体颗粒和冰水的比例为2.7-3.3g：360-500mL：5.4-6.6g：360-450mL。
在本发明的一个优选实施方案中，所述超声处理的功率为360-440W，时间为1-4h。在本发明的一个优选实施方案中，，所述步骤(2)为：将所述氧化石墨烯分散液与半胱氨酸溶液混合，加入到剩余活性污泥混悬液中，搅拌混匀，静置8-72h直至形成块状的水凝胶，弃去上述物料中的澄清水，保留该水凝胶。
进一步优选的，所述半胱氨酸溶液的质量浓度为2-4％，其添加量使得半胱氨酸在所述剩余活性污泥混悬液中浓度大于0g/L但不超过5g/L。
在本发明的一个优选实施方案中，所述剩余活性污泥混悬液取自污水生化处理活性污泥曝气池、二沉池，经过充分曝气后，该剩余活性污泥混悬液的MLSS浓度为1-20g/L，pH为7-8，含水率为90-99％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)中的加热的方式包括烘干、微波加热和通电加热。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(4)中的资源化利用的方式为焚烧该固体以回收热能。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(4)中的资源化利用的方式为600-800℃下炭化该固体以制备生物炭。
本发明的有益效果是：
1.本发明利用石墨烯碳材料特殊的物理化学性质和电子转移能力，直接将剩余活性污泥中的菌体细胞进行聚合，避免了加压过滤产生的能耗，实现高效脱水减量的目的。
2.剩余活性污泥生物质中通过添加了石墨烯材料，其导电导热性能大幅提升，相应提高了后期加热处理的能量利用效率，可进一步进行资源化利用。
附图说明
图1为本发明实施例1中剩余活性污泥处理的流程示意图。
图2为本发明实施例1中所使用的剩余活性污泥混悬液。
图3为本发明实施例1中所形成的水凝胶。
图4为本发明实施例2中水凝胶和原始污泥生物质加热失重曲线对比图。
具体实施方式
下面将通过实施例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
实施例1
一种处理剩余活性污泥的方法，其流程见图1所示：
(1)制备氧化石墨烯分散液：
a、将300目的高纯鳞片石墨3.0g置于1L的烧杯中，缓慢加入含360mL98％浓硫酸和90mL磷酸原液的混合酸；
b、将18.0g高锰酸钾固体颗粒分三次缓慢加入上述溶液，在50℃的水浴锅里恒温加热搅拌12h，然后冷却至室温；
c、将上述混合液倒入盛有400mL0-4℃的冰水的2L烧杯中，逐滴加入3mL的体积浓度为30％的过氧化氢溶液，边加边搅拌，直至溶液由绿褐色变为金黄色后，静置一晚，倒掉上层黄色液体，获得剩余产物；
d、用体积浓度为10％的稀盐酸洗涤3次，去离子水洗涤10次，至上清液的pH值为7，超声功率为400W，超声时间为4h，得到氧化石墨烯分散液，其浓度为9.0g/L，且氧化石墨烯含氧量2.4，片层大小范围是342-531nm。
(2)剩余活性污泥混悬液取自市政污水厂二沉池，经过充分曝气后，其MLSS稳定在5g/L，pH为7.5，土黄色，沉降性能好，如图2所示。
(3)将步骤(1)得到的氧化石墨烯分散液0.4mL和9.6mL剩余活性污泥混悬液加入到15mL试管，控制氧化石墨烯在该试管中的浓度为0.36g/L，震荡混匀，容器加盖防止其他物体落入，28℃下静置48h，形成如图3所示的块状的水凝胶，脱水后采用差重法检测该水凝胶的含水率为99％。
实施例2
(1)取剩余活性污泥2份，一份为实施例1中所得混有石墨烯和剩余活性污泥生物质的水凝胶；另一份采用0.45μm滤膜真空抽滤，获得含水率89％的原始污泥生物质的湿固体，该湿固体所含污泥生物质质量与水凝胶相同。
(2)将上述水凝胶和湿固体同时置于104℃烘箱烘干，24h后二者含水率分别降为1％和1.2％，对比二者的失重曲线(见图4所示)，可知含有氧化石墨烯的水凝胶烘干速率高于压滤所得湿固体。
(3)将上述烘干后的水凝胶和烘干后的湿固体均采用三德科技氧弹量热仪SDC715测定热值。开启仪器电源，打开仪器软件；将氧弹放入内筒并盖上桶盖，点击“温度平衡”使系统进行温度平衡(需30min)；随后从内筒中取出氧弹，用坩埚精确称取1g样品，放到氧弹坩埚支架上，装点火丝，并在弹筒内装入10mL的纯净水，将氧弹芯装入弹筒，拧紧氧弹盖；将氧弹拿到充氧器上充氧30s，充氧结束后将氧弹放入仪器内筒，并盖上桶盖；输入样品重量后开始进行实验，实验后软件会自动报出发热量结果。测得烘干后的湿固体和烘干后的水凝胶的燃烧放热结果分别为6244.73J/g和6718.57J/g。可知添加氧化石墨烯有助于提高污泥焚烧效率。
实施例3
制得2份样品，第一份为实施例1中方法制得的水凝胶，第二份水凝胶的制作与实施例1中方法除以下不同之外，其他步骤全部相同：在实施例1制得的氧化石墨烯分散液中加入现配的1mL 3wt％的半胱氨酸溶液，混匀后加入到剩余活性污泥混悬液中，搅拌均匀，半胱氨酸在所述剩余活性污泥混悬液中浓度为3g/L。上述两份样品形成水凝胶的时间分别为48h和8h，可见用本发明技术处理剩余活性污泥时，添加半胱氨酸作为助剂可显著加快水凝胶的形成。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (3)

1.一种处理剩余活性污泥的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备氧化石墨烯分散液，包括如下步骤：
a、将混合酸逐滴加入到高纯鳞片石墨中，进行酸化处理后得到石墨溶液；混合酸由质量浓度为98％的浓硫酸和磷酸原液以3-5：1的质量比组成；
b、于40-60℃，边搅拌边向上述石墨溶液中分若干次缓慢加入高锰酸钾固体颗粒，使该高锰酸钾固体颗粒完全溶解，冷却至室温；
c、将步骤b所得的物料与0-4℃的冰水混合，然后逐滴加入体积浓度为20-40％的过氧化氢溶液，边加边搅拌，待物料的颜色由绿褐色变为金黄色，静置，出现稳定分层后弃去上层黄色液体，获得剩余物料；其中，所述高纯鳞片石墨、混合酸、高锰酸钾固体颗粒和冰水的比例为2.7-3.3g：360-500mL：5.4-6.6g：360-450mL；
d、用体积浓度为8-15％的稀盐酸和去离子水洗涤上述剩余物料至pH值为3-7，进行360-440W的超声分散1-4h，即得所述氧化石墨烯分散液，其浓度为3-9g/L，该氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片层大小为200-1200nm，C：O为1-4：1；
(2)将上述氧化石墨烯分散液加入到剩余活性污泥混悬液中，搅拌混匀，静置8-72h直至形成块状的水凝胶，弃去上述物料中的澄清水，保留该水凝胶；氧化石墨烯分散液的添加量使得氧化石墨烯在所述剩余活性污泥混悬液中浓度达到0.05-0.5g/L，所述剩余活性污泥混悬液的生物量与氧化石墨烯的质量比为2-400；或将上述氧化石墨烯分散液与半胱氨酸溶液混合，加入到剩余活性污泥混悬液中，搅拌混匀，静置8-72h直至形成块状的水凝胶，弃去上述物料中的澄清水，保留该水凝胶；所述半胱氨酸溶液的质量浓度为2-4％，其添加量使得半胱氨酸在所述剩余活性污泥混悬液中浓度大于0g/L但不超过5g/L；
上述剩余活性污泥混悬液取自污水生化处理活性污泥曝气池、二沉池，经过充分曝气后，所述剩余活性污泥混悬液的MLSS浓度为1-20g/L，pH为7-8，含水率为90-99％；
(3)加热步骤(2)所得的水凝胶，得到含水率≤80％的固体；
(4)资源化利用步骤(3)所得固体；
所述步骤(4)中的资源化利用的方式为焚烧所述固体以回收热能。
2.根据权利要求1所述的一种处理剩余活性污泥的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的加热的方式包括烘干、微波加热和通电加热。
3.根据权利要求1所述的一种处理剩余活性污泥的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的资源化利用的方式为600-800℃下炭化所述固体以制备生物炭。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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