CN111977930B - 一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，具体包括以下步骤：（1）臭氧氧化阶段：在臭氧氧化阶段磁性光催化剂有效提高了臭氧的利用率，（2）光催化阶段：光催化阶段采用自然光辐射，蛭石作为载体有效提高了磁性光催化剂的光催化效率；（3）污泥脱水：采用改进的隔膜式压滤机对污泥进行压滤处理；该方法以臭氧氧化、光催化、磁场强化处理有效改善了污泥的脱水性能；采用改进的隔膜式压滤机对污泥处理，获得的污泥的含水率达到了60%以下，实现了污泥的减量化处理，且成本低，环境友好。

Description

一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法
技术领域
本发明涉及污泥处理领域，具体涉及一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法。
背景技术
污泥作为污水处理后的产物，其是水处理过程中污染物的浓缩，是一种由微生物细胞群体、有机残片、无机颗粒、胶体污泥等组成的非均质体，污泥的主要特点是含水量高，有机物含量高、体积庞大、形态复杂、输送困难；污泥处理量大给污水处理厂带来了沉重的负担；污泥的处理处置在我国污水处理中占有较突出的位置；
污泥减量化处理就是采用适当的处理方法将污泥中的有机物和水分减少的过程；光催化降解以及臭氧氧化，一方面能将污泥中的有机物降解产生二氧化碳释放降低中的有机物，另一方面能氧化污泥中的微生物细胞；使微生物细胞发生溶解，释放胞内水和小分子有机物进入污泥上清液中或被污泥中生物体系重新利用而达到有利于污泥中水分释放以及有机物消耗的目的，实现污泥减量；但目前的单独采用光催化或者采用臭氧氧化处理污泥的处理方法中光催化剂以及臭氧不能得到有效利用，且不能回收处理，一方面造成了资源的浪费，另一方面也间接增加了污泥的量，同时污泥减量效率还有待进一步提高；
目前污泥含水率高是制约污泥处理的关键问题；污泥中包含着不同状态的水分，包括自由水、间隙水、吸附水和表面结合水；现有污泥脱水方法包括：污泥干化法、污泥热解破壁法；污泥干化技术一般采用蒸汽作为热源，是“以热换热”，能耗较高，运行成本高；并且高温干燥还存在粉尘爆炸风险；采用污泥热水解破壁，需要使用高温热源加热污泥，能耗较高；并且在实际生产中高温热源还存在着安全隐患。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法；该方法采用光催化、臭氧氧化、磁场协同处理的方式能够显著改善污泥减量效率；提高光催化剂以及臭氧的利用率；处理后的污泥中的固含量以及含水率得到有效降低；同时采用改进的隔膜式压滤机对污泥进行进一步脱水处理，隔膜式压滤机的鼓膜采用吸水树脂的膨胀实现鼓膜，进而对污泥进一步挤压处理，有效降低了污泥挤压处理的能耗，降低处理成本；
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，是将剩余污泥经臭氧氧化、光催化、磁场强化协同处理后，经隔膜式压滤机压滤处理获得减量化脱水污泥；具体包括以下步骤：
(1)催化剂的制备：
将粉碎、筛分后的蛭石颗粒置于马弗炉中焙烧；将焙烧后的蛭石置于Fe2+和Fe3+的混合溶液中超声浸泡24h，然后于60℃下向其中滴加氢氧化钠溶液搅拌反应至无黑色物质生成，过滤分离出黑色物质；将黑色物质分散于二氧化钛溶胶中充分搅拌后置于马弗炉中焙烧获得复合催化剂；
(2)污泥预处理：
将污泥加入到臭氧反应器中并向其中加入步骤(1)复合催化剂后进行臭氧破碎；将破碎后的污泥置于处理池中于自然光下照射，同时进行电磁搅拌反应后；施加磁场进行磁分离获得磁性催化剂颗粒和预处理污泥；
(3)污泥脱水：将步骤(2)中预处理污泥泵入压滤机中进行脱水获得脱水污泥；所述的压滤机为隔膜式压滤机；
优选地，步骤(1)中所述的Fe2+和Fe3+的摩尔比为1∶2；所述的Fe2+与蛭石粉的浸泡比例为0.5-1mmol/g；所述的焙烧温度为300-400℃；所述的二氧化钛溶胶的固含量为25％；所述的黑色物质与二氧化钛溶胶的质量比为1∶1；
优选地，步骤(2)中臭氧的投加量与绝干污泥的重量比为：2-2.5∶100；所述的催化剂的加入量与绝干污泥的重量比为1-2∶100；所述的绝干污泥为将待处理污泥于105℃加热至恒重；
优选地，所述的电磁搅拌是向处理池中插入搅拌电极，同时向电极中通入交流电，产生变化的磁场；
优选地，所述的压滤机为隔膜式压滤机，所述的隔膜式压滤机的隔膜由三层结构组成，由内至外依次为玻璃纤维层、吸水树脂层、弹性橡胶层；
优选地，所述的隔膜的制备方法为：将纤维束盘旋成螺旋状结构形成玻璃纤维层，将吸水树脂涂覆于玻璃纤维层表层，再覆盖弹性橡胶层经压合获得复合隔膜；
所述的隔膜可以从隔膜滤板的芯板上拆卸；
优选地，所述的隔膜边缘设置有绑带；所述的隔膜通过边缘绑带绑缚在芯板上；
本发明首先提供了一种蛭石负载二氧化钛磁性复合催化剂，经焙烧活化的蛭石具有丰富的孔结构为磁性氧化物以及二氧化钛提供充足的负载空间，且蛭石负载二氧化钛磁性光催化剂不仅有利于臭氧的氧化，提高臭氧的利用率；且该催化剂对自然光的利用率较单纯的二氧化钛光催化剂高；有效提高了光催化效率；
本发明提供了一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，臭氧氧化和光催化采用相同复合催化剂；有效提高了复合催化剂的利用率；
本发明还提供了一种改进的隔膜式压滤机隔膜，该隔膜由玻璃纤维层、吸水树脂层和弹性橡胶层组成，在对污泥进行压榨脱水过程中，无需向隔膜中通入高压流体进行鼓膜，隔膜中的高吸水树脂层会迅速吸收污泥中的水分发生膨胀形成鼓膜现象而实现对污泥的压榨脱水；高吸水树脂一方面吸收污泥中的水分一方面又对污泥进行挤压脱水，达到对污泥良好的脱水效果；采用吸水鼓膜的方式挤压脱水有效降低了能耗；
有益效果
本发明采用臭氧氧化、光催化、磁场强化协同处理污泥的方式将显著提高污泥的破解效率，提高污泥中的胞内有机物以及水分的释放量，同时使污泥中的有机物发生降解生成二氧化碳和水，提高污泥中水分的脱除率，实现污泥的减量化；
本发明的方法在臭氧氧化阶段复合催化剂首先作为臭氧氧化的催化剂，显著提高了臭氧的利用率；复合催化剂又进一步作为光催化阶段的催化剂，且在光催化阶段施加磁场显著提高了光催化的效率；通过实验验证发现通过控制电极的搅拌速度而影响产生的磁场的变化频率；而对光催化效率产生影响，本发明控制合适的电磁搅拌速度为800r/min；
本发明的方法在光催化阶段中采用电磁搅拌的方式施加变化的磁场，一方面有利于光催化剂在污泥中充分分散，另一方面磁场具有强化光催化的作用；提高光催化效率；
本发明的污泥处理方法具有较高的脱水效果，成本低，环境友好的特点，一方面使用的磁性催化剂可以回收利用，实现了资源的重复利用，节约资源；另一方面压榨脱水过程采用吸水鼓膜的方式挤压脱水有效降低了能耗；且在污泥处理过程中不会带来二次污染具有环境友好性。
附图说明
图1是本发明采用的隔膜式压滤机隔膜的横截面结构示意图；
其中1为弹性橡胶层；2为吸水树脂层；3为玻璃纤维层；
具体实施方式
实施例1
复合催化剂的制备：将粉碎、筛分后的蛭石颗粒置于马弗炉中400℃焙烧；将1000g焙烧后的蛭石置于等量的FeCl2和FeCl3的混合溶液(0.5mmol/gFe2+和1mmol/gFe3+)中浸泡24h，然后于60℃下向其中滴加氢氧化钠溶液搅拌反应至无黑色物质生成，过滤分离出黑色物质；将黑色物质分散于等质量的二氧化钛溶胶(固含量为25％)中充分搅拌后置于马弗炉中400℃焙烧获得复合催化剂；
磁性二氧化钛的制备:向0.5mmol/g Fe2+和1mmol/g Fe3+的混合溶液于60℃搅拌条件下向其中滴加氢氧化钠溶液反应至至无黑色物质生成，过滤分离出黑色物质即为磁性颗粒；将磁性颗粒分散于等质量的固含量为25％的二氧化钛溶胶中，分散均匀后于马弗炉中400℃焙烧获得磁性二氧化钛；
磁性颗粒的制备：将0.5mmol/g Fe2+和1mmol/g Fe3+的混合溶液于60℃搅拌条件下，向其中滴加氢氧化钠溶液反应至至无黑色物质生成，过滤分离出黑色物质即为磁性颗粒；
二氧化钛的制备：将固含量为25％的二氧化钛溶胶于马弗炉中400℃焙烧获得二氧化钛；
实施例2
一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，将剩余污泥经臭氧氧化、光催化、磁场协同处理后，经隔膜式压滤机压滤处理获得减量化脱水污泥；具体包括以下步骤：
(1)污泥预处理：
将含水量为98.5％的污泥加入到臭氧反应器中并向其中加入复合催化剂(实施例1制备)后进行臭氧破碎，其中复合催化剂加入量为绝干污泥重量的1％；臭氧投加量为绝干污泥重量的2％；反应时间为20min；绝干污泥为将待处理污泥于105℃加热至恒重；
将破碎后的污泥置于处理池中于自然光下照射24h，通过处理池中电极搅拌棒以以800r/min的速度搅拌处理，同时向搅拌棒中通入交流电；反应结束后，停止搅拌，施加外磁场进行磁分离获得磁性催化剂颗粒和预处理污泥；
(2)污泥脱水：将步骤(1)中预处理污泥泵入隔膜压滤机中进行脱水获得脱水污泥；获得的污泥中的含水率为52.8％；固含量减少率为29.5％；
本实施例采用的隔膜式压滤机是将隔膜板改进后的压滤机，在压榨脱水阶段，无需向隔膜中通入高压流体对隔膜进行鼓膜，而是利用隔膜吸收污泥中的水分膨胀后鼓膜对污泥进行进一步压榨脱水；隔膜板由隔膜和芯板组成，隔膜通过边缘设置的绑带绑缚于芯板上获得隔膜板；所述的隔膜由三层结构组成，由内至外依次为玻璃纤维层、聚丙烯酸钠吸水树脂层、吸水弹性橡胶层；其是将纤维束盘旋成螺旋状结构形成玻璃纤维层，将聚丙烯酸钠吸水树脂涂覆于玻璃纤维层表层，再覆盖吸水弹性橡胶层经压合获得复合隔膜；
所述的玻璃纤维束来自于市售；
所述的吸水弹性橡胶是由以下重量份数的原料经硫化获得：天然橡胶100份、亲水性聚氨酯预聚体30份、聚丙烯酸钠30份、白炭黑10份、微晶蜡2份、防老剂RD1.5份、防老剂1.5份、氧化锌5份、硬脂酸1份、聚乙二醇10份、促进剂DM1.0份、促进剂M0.5份和硫磺1.5份；
压滤操作完成后，将隔膜从隔膜板上拆卸，挤压脱水后干燥后可重复使用；
实施例3
一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，将剩余污泥经臭氧氧化-光催化、磁场协同处理后，经隔膜式压滤机压滤处理获得减量化脱水污泥；具体包括以下步骤：
(1)污泥预处理：
将含水量为98.5％的污泥加入到臭氧反应器中并向其中加入复合催化剂(实施例1制备)后进行臭氧破碎，其中复合催化剂加入量为绝干污泥重量的1.5％；臭氧投加量为污泥重量的2.3％；反应时间为20min；
将破碎后的污泥置于处理池中于自然光下照射24h，通过处理池中电极搅拌棒以800r/min的速度搅拌处理，同时向搅拌棒中通入交流电；反应结束后，停止搅拌施加外磁场进行磁分离获得磁性催化剂颗粒和预处理污泥；
(3)污泥脱水：将步骤(2)中预处理污泥泵入压滤机中进行脱水获得脱水污泥；获得的污泥的含水率为50.3％；固含量减少了30.6％；
所述的玻璃纤维束来自于市售；
所述的吸水弹性橡胶是由以下重量分数的原料经硫化获得：天然橡胶100份、亲水性聚氨酯预聚体30份、聚丙烯酸钠30份、白炭黑10份、微晶蜡2份、防老剂RD1.5份、防老剂1.5份、氧化锌5份、硬脂酸1份、聚乙二醇10份、促进剂DM1.0份、促进剂M0.5份和硫磺1.5份；
本实施例采用的隔膜式压滤机是将隔膜板改进后的压滤机，在压榨脱水阶段，无需向隔膜中通入高压流体对隔膜进行鼓膜，而是利用隔膜吸收污泥中的水分膨胀后鼓膜对污泥进行进一步压榨脱水；隔膜板由隔膜和芯板组成，隔膜通过边缘设置的绑带绑缚于芯板上获得隔膜板；所述的隔膜由三层结构组成，由内至外依次为玻璃纤维层、聚丙烯酸钠吸水树脂层、吸水弹性橡胶层；其是将纤维束盘旋成螺旋状结构形成玻璃纤维层，将聚丙烯酸钠吸水树脂层覆盖于玻璃纤维层表层，再覆盖吸水弹性橡胶层经压合获得复合隔膜；
压滤操作完成后，将隔膜从隔膜板上拆卸，挤压脱水干燥后可重复使用；
实施例4
一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，将剩余污泥经臭氧氧化-光催化、磁场协同处理后，经隔膜式压滤机压滤处理获得减量化脱水污泥；具体包括以下步骤：
(1)污泥预处理：
将含水量为98.5％的污泥加入到臭氧反应器中并向其中加入复合催化剂(实施例1制备)后进行臭氧破碎，其中复合催化剂加入量为绝干污泥重量的2％；臭氧投加量为污泥重量的2.5％；反应时间为20min；绝干污泥是将本发明的处理污泥于105℃加热至恒重；
将破碎后的污泥置于处理池中于自然光下照射24h，通过处理池中电极搅拌棒以800r/min的速度搅拌处理，同时向搅拌棒中通入交流电；产生变化的磁场，反应结束后，停止搅拌，施加外磁场进行磁分离获得磁性催化剂颗粒和预处理污泥；
(4)污泥脱水：将步骤(2)中预处理污泥泵入压滤机中进行脱水获得脱水污泥；获得污泥的含水率为46.7％；固含量减少了33.8％；
所述的玻璃纤维束来自于市售；
所述的吸水弹性橡胶是由以下重量分数的原料经硫化获得：天然橡胶100份、亲水性聚氨酯预聚体30份、聚丙烯酸钠30份、白炭黑10份、微晶蜡2份、防老剂RD1.5份、防老剂1.5份、氧化锌5份、硬脂酸1份、聚乙二醇10份、促进剂DM1.0份、促进剂M0.5份和硫磺1.5份；
本实施例采用的隔膜式压滤机是将隔膜板改进后的压滤机，在压榨脱水阶段，无需向隔膜中通入高压流体对隔膜进行鼓膜，而是利用隔膜吸收污泥中的水分膨胀后鼓膜对污泥进行进一步压榨脱水；隔膜板由隔膜和芯板组成，隔膜通过边缘设置的绑带绑缚于芯板上获得隔膜板；所述的隔膜由三层结构组成，由内至外依次为玻璃纤维层、聚丙烯酸钠吸水树脂层、吸水弹性橡胶层；其是将纤维束盘旋成螺旋状结构形成玻璃纤维层，将聚丙烯酸钠吸水树脂涂覆于玻璃纤维层表层，再覆盖吸水弹性橡胶层经压合获得复合隔膜；
压滤操作完成后，将隔膜从隔膜板上拆卸，挤压脱水干燥后可重复使用；
实施例5
探讨电磁搅拌速度对污泥脱水性能的影响
采用实施例4的方法对同一批污泥(含水率为98.5％)进行脱水处理，控制不同的电磁搅拌速度，对脱水后的污泥中的含水率以及固含量减少率进行分析，结果如表1所示。
电磁搅拌速度(r/min) 含水率(％) 固含量减少率(％)
200 59.4 22.4
400 56.8 24.8
600 52.3 28.7
800 46.7 33.8
1000 52.9 29.7
1200 55.3 28.3
在搅拌速度为200-1200r/min条件下，随着搅拌速度的增大，处理后的污泥中的含水率先降低后有增大趋势，固含量减少率先增大后减小，搅拌速度达到800r/min时，处理后污泥中的含水率达到最低，固含量减少量达到最大，因此本发明优选搅拌速度为800r/min。
实施例6
隔膜式压滤机中隔膜的重复使用性：
将本发明实施例2-4使用过的隔膜板上的隔膜拆卸后，先进行挤压脱水再进行干燥后重复使用；重复使用10次后，隔膜的膨胀性能未发生变化，将隔膜安装于隔膜式压滤机上采用实施例4的方法进行污泥脱水处理；处理后的污泥中的含水率都达到了60％以下，依然保持了较好的脱水效果，说明了本发明的复合隔膜具有良好的重复使用性能；
对比例1
对比例1污泥的处理方法与实施例4基本相同，不同之处在于，向臭氧反应器中添加等量的磁性二氧化钛(实施例1制备)代替复合催化剂；对处理后的污泥中的含水率固含量进行测试，其中含水率为58.1％；固含量减少了25.3％；
对比例2
对比例2污泥的处理方法与实施例4基本相同，不同之处在于，向臭氧反应器中添加等量的二氧化钛代替磁性复合催化剂；对处理后的污泥中的含水率固含量进行测试，其中含水率为65.3％，固含量减少了18.9％；其中二氧化钛为将25％的二氧化钛溶胶置于马弗炉中于400℃煅烧获得；
对比例3
对比例3污泥的处理方法与实施例4基本相同，不同之处在于，向臭氧反应器中添加等量的磁性颗粒(实施例1制备)代替磁性复合催化剂；对处理后的污泥中的含水率固含量进行测试，其中含水率为73.6％；固含量减少了10.4％；
对比例4
对比例4污泥的处理方法与实施例4基本相同，不同之处在于在光催化过程中不采用电磁搅拌，而采用普通的机械搅拌，且保持搅拌速度相同；对处理后的污泥中的含水率固含量进行测试，其中含水率为62.3％；固含量减少了21.3％；
对比例5
对比例5污泥的处理方法与实施例4基本相同，不同之处在于在污泥脱水过程中，隔膜式压滤机中的隔膜中的聚丙烯酸钠吸水树脂层用不吸水的环氧树脂层代替制备获得；对处理后的污泥中的含水率固含量进行测试，其中含水率为60.4％；固含量减少了29.8％。
综上，本发明的污泥处理方法中，臭氧氧化以及光催化和磁场强化协同处理污泥将显著改善污泥的脱水性能，降低污泥的固含量；复合催化剂不仅可作为臭氧氧化处理过程中的催化剂，还作为光催化过程的催化剂，光催化氧化过程中电磁搅拌显著提高了光催化效率，提高了光催化作用对污泥中的微生物以及有机物的降解作用，显著改善了污泥的脱水性能，降低了污泥的固含量；另外，磁性复合催化剂还可回收重复使用；同时，本发明对隔膜式压滤机的隔膜进行改进处理，无需向隔膜中通入高压流体，采用高吸水树脂吸收污泥中的水分溶胀后鼓膜再挤压污泥进行脱水，也达到了较好的污泥压榨脱水的效果；节约了因通入高压流体而产生的能耗，且复合隔膜可拆卸，经干燥处理后可重复利用，有效降低了污泥处理成本；因此，本发明方法实现了污泥的低成本、环境友好、高效的减量化处理。
最后说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，其特征在于，是将剩余污泥经臭氧氧化、光催化、磁场强化协同处理后，经隔膜式压滤机压滤处理获得减量化脱水污泥；具体包括以下步骤：
（ 1 ） 催化剂的制备：
将粉碎、筛分后的蛭石颗粒置于马弗炉中焙烧；将焙烧后的蛭石置于Fe2+和Fe3+的混合溶液中超声浸泡24 h ，然后于60℃下向其中滴加氢氧化钠溶液搅拌反应至无黑色物质生成，过滤分离出黑色物质；将黑色物质分散于二氧化钛溶胶中充分搅拌后置于马弗炉中焙烧获得复合催化剂；
（2）污泥预处理：
将污泥加入到臭氧反应器中并向其中加入步骤（1）复合催化剂后进行臭氧破碎；将破碎后的污泥置于处理池中于自然光下照射，同时进行电磁搅拌反应后 ， 施加磁场进行磁分离获得磁性催化剂颗粒和预处理污泥；
（ 3 ） 污泥脱水：将步骤（2）中预处理污泥泵入压滤机中进行脱水获得脱水污泥；所述的压滤机为隔膜式压滤机；
所述的隔膜式压滤机的隔膜由三层结构组成，由内至外依次为玻璃纤维层、吸水树脂层、弹性橡胶层。
2.如权利要求1所述的臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，其特征在于，步骤（1）中所述的Fe2+和Fe3+的摩尔比为1∶2；所述的Fe2+ 与蛭石粉的浸泡比例为0.5-1mmol/g；所述的焙烧温度为300-400℃；所述的二氧化钛溶胶的固含量为25%；所述的黑色物质与二氧化钛溶胶的质量比为1∶1。
3.如权利要求1所述的臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，其特征在于，步骤（2）中臭氧的投加量与绝干污泥的重量比为：2-2.5∶100；所述的催化剂的加入量与绝干污泥的重量比为1-2∶100；所述的绝干污泥为将待处理污泥于105℃加热至恒重。
4.如权利要求1所述的臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，其特征在于，所述的电磁搅拌是向处理池中插入搅拌电极，同时向电极中通入交流电，产生变化的磁场。
5.如权利要求1所述的臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，其特征在于，所述的隔膜的制备方法为：将纤维束盘旋成螺旋状结构形成玻璃纤维层，将吸水树脂层覆盖于玻璃纤维层表层，再覆盖弹性橡胶层经压合获得复合隔膜。
6.如权利要求1所述的臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，其特征在于，所述的隔膜可以从隔膜滤板的芯板上拆卸。
7.如权利要求1所述的臭氧氧化、光催化磁场强化污泥处理方法，其特征在于，所述的弹性橡胶为吸水弹性橡胶。
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