CN111762884B

CN111762884B - 一种污泥活性固化物及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111762884B
Application number: CN202010669714.7A
Authority: CN
Inventors: 叶林; 江伟; 孙浩浩; 张徐祥; 黄开龙; 任洪强
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2040-07-13
Also published as: CN111762884A

Abstract

本发明公开了一种污泥活性固化物及其制备方法和应用，属于污水处理技术领域。污泥活性固化物的内层包含脱水剩余污泥和聚乳酸，外层包含反硝化活性污泥和聚乙烯醇。其制备方法为：1)将脱水剩余污泥和聚乳酸混合，加热造粒；2)将聚乙烯醇溶液与反硝化活性污泥浓缩液混合；3)将步骤1)中所得颗粒物加入步骤2)混合液中，搅拌均匀后将颗粒物取出晾干。本发明中固体碳源由能够释放有机物的剩余污泥和起固化作用的可生物降解的聚乳酸均匀混合形成，以达到碳源缓释的目的；内层固化物为外层反硝化微生物提供碳源，有利于反硝化反应器的快速启动。此外，在本发明中使用处理后的剩余污泥作为固体碳源，还可降低污水脱氮处理过程中碳源投加的成本。

Description

一种污泥活性固化物及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，更具体地说，涉及一种污泥活性固化物及其制备方法和应用。

背景技术

污水生化处理出水硝态氮浓度过高是当前水处理领域常见的问题，主要原因是碳源不足限制了反硝化脱氮过程的进行。目前，碳源投加是去除硝态氮最广泛且最为有效的手段。外加碳源包括水溶性碳源和固态碳源，其中水溶性碳源应用较为广泛，包括乙酸、甲醇和葡萄糖等。

固态碳源是难溶于水的可生物降解材料，常见的有聚-β-羟丁酸(PHB)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等聚合物。水溶性碳源和固态碳源在实际应用中各有优缺点，水溶性碳源容易获得且容易被微生物利用，反硝化脱氮效果明显，但是碳源投加量不容易控制，投加量偏少无法达到脱氮效果，投加量过大则导致出水有机物超标。与水溶性碳源相比，固体碳源具备缓释功能，不存在碳源投加过量的问题，而且可以充当填料，促进生物膜生长，但是由于成本相对较高，严重影响了其在实际工程中的应用。

目前，已有学者对固体碳源进行了相关研究。中国发明专利公开号CN107915969A的现有技术公开了一种了包含淀粉、聚乳酸和稻壳的共混物及其制备方法和用途。共混物包含淀粉、聚乳酸、稻壳、水和硅烷偶联剂。共混物的制备方法是：将稻壳进行破碎，然后进行粒径筛选，筛选后的稻壳颗粒与淀粉、聚乳酸、水和硅烷偶联剂混合，最后加温，挤出造粒。共混物可用作固体碳源、生物膜载体，克服了传统液体碳源在反硝化过程中投放量难以控制的问题，有效缩短了固相反硝化技术的启动时间，用于低碳氮比污水脱氮中。

中国发明专利公开号CN107935202A的现有技术公开了一种生物可降解型缓释碳源填料及其制备方法，属于污水处理技术领域，缓释碳源填料由外部碳源层、内部碳源层、连接胶体，外部碳源层主要包括可生物降解聚合物、淀粉、乳化剂；内部碳源层主要包括琼脂粉、燕麦麸粉、微生物营养剂、黄原胶、海藻糖；连接胶体主要包括碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素；该发明在传统以淀粉和可生物降解聚合物为基本体系共混制作缓释碳源的方法基础上，将外部碳源制成粉末，并通过连接胶体对内部碳源进行多层包裹。形成的碳源填料机械强度良好、释碳速率稳定、碳源品质高，可为微生物反硝化提供稳定的碳源和生长代谢的场所。淀粉与可生物降解聚合物的混合物合成方法，上述合成的混合物可以作为反硝化碳源，也取得了较好的脱氮效果。

在污水生化处理中，处理成本的控制是非常重要的，采用固体碳源虽然具有较好的缓释效果，但成分复杂时往往成本较高，难以工程化应用。因此，如何利用低成本的原料及方法制备固体碳源成为固体碳源应用领域亟待解决的问题。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有固体缓释碳源成分复杂、成本较高的问题，本发明提供一种污泥活性固化物及其制备方法和应用，采用剩余污泥作为固体碳源的主要成分，使将制造成本大大降低，从而提升了固态碳源的经济适用性。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种污泥活性固化物，所述固化物的内层包含脱水剩余污泥和聚乳酸，外层包含反硝化活性污泥和聚乙烯醇。内层中脱水剩余污泥作为固体碳源，聚乳酸作为固化剂及碳源；外层聚乙烯醇作为粘结剂及碳源，使外层的反硝化活性污泥固定在内层周围；同时，外层设置反硝化活性污泥，能够有效缩短启动时间。

优选地，所述脱水剩余污泥和聚乳酸经过加热至170～210℃处理。

优选地，所述内层的颗粒密度为1100～1300kg/m³。

优选地，所述剩余污泥选自污水处理厂脱水后的污泥，含水率在10～65％之间，且经微生物破坏处理。

优选地，所述聚乳酸的分子量为5000～200000。

优选地，所述剩余污泥干重与聚乳酸的质量比为(3～7):3。

优选地，所述外层还包含海藻酸钠，其作用在于增加粘稠性。

优选地，所述外层所占质量百分比不超过固化物总质量的5％。外层含量过高会增加生产成本；外层含量过低可导致外层生物量不足。

本发明还提供一种污泥活性固化物的制备方法，包括以下步骤：

1)采用搅拌机将脱水剩余污泥和聚乳酸混合，加热使聚乳酸熔化，并在一定程度上破坏剩余污泥中微生物的细胞结构以利于有机物的释放，然后造粒；其中加热温度范围一般为170～210℃，造粒可采用双螺杆挤出机进行挤出造粒；

2)将聚乙烯醇溶液或聚乙烯醇与海藻酸钠的混合溶液与反硝化活性污泥浓缩液混合；所述反硝化活性污泥浓缩液取自污水厂反硝化池；

3)将步骤1)中造粒所得的颗粒物加入步骤2)混合液中搅拌均匀后将颗粒物取出晾干得到污泥活性固化物。

优选地，所述步骤2)中首先将聚乙烯醇与水混合后加热溶解，冷却后再与反硝化活性污泥浓缩液混合。

优选地，所述步骤2)中反硝化活性污泥浓缩液悬浮物浓度为20000～30000mg/L。

优选地，所述步骤2)中聚乙烯醇溶液质量分数为10～15％。

优选地，所述步骤2)中将聚乙烯醇、海藻酸钠及水按照质量比为10:2:88的比例混合，煮沸使聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解，冷却至30℃时与取自污水厂反硝化池的反硝化活性污泥浓缩液按照质量比为(2～4):1的比例混合。

本发明还提供一种采用上述的污泥活性固化物作为固体碳源和生物膜载体在低碳氮比废水反硝化脱氮方面的应用。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明设计了采用剩余污泥作为内层的固化物结构，相对于现有技术中共混物形式的固化物，本发明的固化物优点在于内层固化物为外层反硝化微生物提供碳源，有利于反硝化反应器的快速启动；在聚乳酸中加入处理后的剩余污泥，使固体碳源由能够释放有机物的剩余污泥和起固化作用的聚乳酸均匀混合形成，以达到缓释的目的；此外，在本发明中使用处理后的剩余污泥作为固体碳源，还可降低污水脱氮处理过程中碳源投加的成本；

(2)本发明制备的固化物具备有机物缓释功能，克服了传统水溶性碳源在反硝化过程中投加量难以控制的问题；

(3)本发明制备的固化物可作为生物膜载体，有效提升了固相脱氮工艺的技术实用性；

(4)本发明使用的剩余污泥经过脱水和高温(170～210℃)处理后，细菌菌体结构遭到破坏，生物降解性显著提高，相比单独应用人工合成的聚合物，该固化物有效缩短了外加固体碳源工艺的启动时间，提高了对反硝化环境的适应能力；

(5)本发明利用的剩余污泥作为水处理过程中的主要副产物，产量巨大，处理难度大、成本高，是水处理过程中的一大难题，剩余污泥通过脱水、高温改性等方式破坏微生物结构处理后，含有大量的微生物残体等有机物，与人工合成聚合物进行共混，制备成混合生物降解固化物，一方面可以大大降低固体碳源的生产成本，另一方面实现了剩余污泥的资源化利用。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如本文所使用，术语“约”用于提供与给定术语、度量或值相关联的灵活性和不精确性。本领域技术人员可以容易地确定具体变量的灵活性程度。

浓度、量和其他数值数据可以在本文中以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式仅是为了方便和简洁而使用，并且应当灵活地解释为不仅包括明确叙述为范围极限的数值，而且还包括涵盖在所述范围内的所有单独的数值或子范围，就如同每个数值和子范围都被明确叙述一样。例如，约1至约4.5的数值范围应当被解释为不仅包括明确叙述的1至约4.5的极限值，而且还包括单独的数字(诸如2、3、4)和子范围(诸如1至3、2至4等)。相同的原理适用于仅叙述一个数值的范围，诸如“小于约4.5”，应当将其解释为包括所有上述的值和范围。此外，无论所描述的范围或特征的广度如何，都应当适用这种解释。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

一、固化物制备：

(1)采用搅拌机将含水率10％的脱水剩余污泥和分子量为200000聚乳酸按照质量比为7:3的比例(剩余污泥干重与聚乳酸的质量比)混合，在双螺杆挤出机中加热至200℃熔化，然后进行挤出造粒，粒径为0.8～1cm，颗粒密度为1100～1300kg/m³。此处的加热温度处于170～210℃之间均可实现造粒及破坏剩余污泥中细菌菌体的目的，本实施例中选取在200℃下进行。

(2)将聚乙烯醇，海藻酸钠及水按照质量比为10:2:88的比例混合，煮沸使聚乙烯醇和海藻酸钠溶解，冷却至30℃时与取自污水厂反硝化池的活性污泥浓缩液(悬浮物浓度为20000mg/L)按照质量比为3:1的比例混合。此步中的聚乙烯醇溶液质量分数可以为10～15％之间的值，其与取自污水厂反硝化池的活性污泥浓缩液可以按照(2～4):1的比例混合，本实施例中选取了聚乙烯醇质量分数为10％，且该溶液与活性污泥浓缩液按照质量比为3:1进行试验；

(3)然后将步骤(1)中造粒所得的颗粒物加入混合液中搅拌均匀后将颗粒物取出并晾干得到固化物，晾干后得到的固化物颗粒外层所占质量百分比不超过固化物总质量的5％。

二、反硝化脱氮应用：

所采用的反应器尺寸为10×50cm(直径×高)；将上述制备的固化物作为碳源和生物膜载体装入反应器，填充高度为30cm。为了提供足够的反硝化生物量，向反应器中加入200mL浓度为3000mg/L的新鲜活性污泥作为接种污泥，以市政污水处理厂二沉池出水作为反应器进水。调节进水NO₃ ^--N浓度为40mg/L，反应器停留时间设置为2h，温度为25℃，pH值为7.5。稳定运行5天后，检测其NO₃ ^--N的去除率，处理前后水质如表1所示，NO₃ ^--N的去除率高达98％，具有很好的脱氮效果，同时，出水COD并未受到碳源的影响。

表1反应器进出水水质对比

实施例2

一、固化物制备：

(1)采用搅拌机将含水率20％的脱水剩余污泥和分子量为100000聚乳酸按照质量比为3:2的比例(剩余污泥干重与聚乳酸的质量比)混合，在双螺杆挤出机中加热至200℃熔化，然后进行挤出造粒，粒径为0.8～1cm，颗粒密度为1100～1300kg/m³。

(2)将聚乙烯醇，海藻酸钠及水按照质量比为10:2:88的比例混合，煮沸使聚乙烯醇和海藻酸钠溶解，冷却至30℃时与取自污水厂反硝化池的反硝化活性污泥浓缩液(悬浮物浓度为25000mg/L)按照质量比为3:1的比例混合。

二、反硝化脱氮应用：

所采用的反应器尺寸为10×50cm(直径×高)；将上述制备的固化物作为碳源和生物膜载体装入反应器，填充高度为30cm。为了提供足够的反硝化生物量，向反应器中加入200mL浓度为3000mg/L的新鲜活性污泥作为接种污泥，以市政污水处理厂二沉池出水作为反应器进水。调节进水NO₃ ^--N浓度为30mg/L，反应器停留时间设置为2h，温度为25℃，pH值为7.5。稳定运行5天后，检测其NO₃ ^--N的去除率，处理前后水质如表2所示，可知，NO₃ ^--N的去除率高达98％，具有很好的脱氮效果。

表2反应器进出水水质对比

实施例3

一、固化物制备：

(1)采用搅拌机将含水率45％的脱水剩余污泥和分子量为50000聚乳酸按照质量比为3:2的比例(剩余污泥干重与聚乳酸的质量比)混合，在双螺杆挤出机中加热至200℃熔化，然后进行挤出造粒，粒径为0.8～1cm，颗粒密度为1100～1300kg/m³。

二、反硝化脱氮应用：

所采用的反应器尺寸为10×50cm(直径×高)；将上述制备的固化物作为碳源和生物膜载体装入反应器，填充高度为30cm。为了提供足够的反硝化生物量，向反应器中加入200mL浓度为3000mg/L的新鲜活性污泥作为接种污泥；以自来水配制的模拟废水作为反应器进水。调节进水NO₃ ^--N浓度为30mg/L，反应器停留时间设置为2h，温度为25℃，pH值为7.5。稳定运行5天后，检测其NO₃ ^--N的去除率，处理前后水质如表3所示，可知，NO₃ ^--N的去除率高达97％，具有很好的脱氮效果。

表3反应器进出水水质对比

实施例4

一、固化物制备：

(1)采用搅拌机将含水率65％的脱水剩余污泥和分子量为5000聚乳酸按照质量比为1:1(剩余污泥干重与聚乳酸的质量比)的比例混合，在双螺杆挤出机中加热至200℃熔化，然后进行挤出造粒，粒径为0.8～1cm，颗粒密度为1100～1300kg/m³。

(2)将聚乙烯醇，海藻酸钠及水按照质量比为10:2:88的比例混合，煮沸使聚乙烯醇和海藻酸钠溶解，冷却至30℃时与取自污水厂反硝化池的反硝化活性污泥浓缩液(悬浮物浓度为30000mg/L)按照质量比为3:1的比例混合。

(3)然后将步骤(1)中造粒所得的颗粒物加入混合液中搅拌均匀后将颗粒物取出并晾干得到固化物。

二、反硝化脱氮应用：

所采用的反应器尺寸为10×50cm(直径×高)；将上述制备的固化物作为碳源和生物膜载体装入反应器，填充高度为30cm。为了提供足够的反硝化生物量，向反应器中加入200mL浓度为3000mg/L的新鲜活性污泥作为接种污泥；以市政污水处理厂二沉池出水作为反应器进水。调节进水NO₃ ^--N浓度为15mg/L，反应器停留时间设置为2h，温度为25℃，pH值为7.5。稳定运行5天后，检测其NO₃ ^--N的去除率，处理前后水质如表4所示，可知，TN的去除率高达96％，具有很好的脱氮效果。

表4反应器进出水水质对比

对比例A

采用搅拌机将含水率20％的脱水剩余污泥和分子量为50000聚乳酸按照质量比为8:2(剩余污泥干重与聚乳酸的质量比)的比例混合，加温至200℃，然后进行造粒，但是造粒失败，产物呈粉末状，无法成粒。

上述实施案例仅为本发明中较佳的实施案例，但本发明的实施方式并不受上述实施案例的限制，如实施例中方案的各种形式的组合，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合均应为等效的替换方式，都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种污泥活性固化物，其特征在于，所述固化物的内层包含脱水剩余污泥和聚乳酸，外层包含反硝化活性污泥和聚乙烯醇；

所述剩余污泥选自污水处理厂脱水后的污泥，含水率在10~65%之间，且所述脱水剩余污泥和聚乳酸经加热170℃~210℃对微生物破坏处理；

所述聚乳酸的分子量为5000~200000，所述剩余污泥干重与聚乳酸的质量比为(3~7) :3；

所述污泥活性固化物的制备方法包括以下步骤：

1）采用搅拌机将脱水剩余污泥和聚乳酸混合，加热并造粒；所述加热温度范围为170~210℃；

2）将聚乙烯醇溶液或聚乙烯醇与海藻酸钠的混合溶液与反硝化活性污泥浓缩液混合；所述反硝化活性污泥浓缩液取自污水厂反硝化池；

3）将步骤1）中造粒所得的颗粒物加入步骤2）混合液中，搅拌均匀后将颗粒物取出晾干得到污泥活性固化物。

2.根据权利要求1所述的污泥活性固化物，其特征在于，所述内层的颗粒密度为1100~1300 kg/m³。

3.根据权利要求1所述的污泥活性固化物，其特征在于，所述外层还包含海藻酸钠。

4.根据权利要求3所述的污泥活性固化物，其特征在于，所述外层所占质量百分比不超过固化物总质量的5%。

5.根据权利要求1所述的污泥活性固化物，其特征在于，所述步骤2）中首先将聚乙烯醇与水混合后加热溶解，冷却后再与反硝化活性污泥浓缩液混合。

6.根据权利要求5所述的污泥活性固化物，其特征在于，所述步骤2）中反硝化活性污泥浓缩液悬浮物浓度为20000~30000mg/L，聚乙烯醇溶液质量分数为10~15%。

7.根据权利要求1所述的污泥活性固化物，其特征在于，所述步骤2）中将聚乙烯醇、海藻酸钠及水按照质量比为10 : 2 : 88的比例混合，煮沸使聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解，冷却后与取自污水厂反硝化池的反硝化活性污泥浓缩液按照质量比为(2~4) : 1的比例混合。

8.一种采用权利要求1~4中任意一项所述的污泥活性固化物作为固体碳源和生物膜载体在低碳氮比废水反硝化脱氮方面的应用。