CN113415976B - 一种污泥生物干化调理剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及污泥资源化技术领域，特别涉及一种污泥生物干化调理剂及其制备方法，所述的污泥生物干化调理剂包括多孔生物炭材料和高活性酶，所述的高活性酶以硬脂酸作为固定剂负载在所述的多孔生物炭材料上；所述的高活性酶可定向催化降解污泥中的大分子难降解物质，所述硬脂酸的相变温度为65‑75℃；本发明中，前期吸收足够热量的硬脂酸在污泥生物干化高温中后期发生相变，释放出高活性酶催化大分子难降解物质，即难降解的物质分解，为简单有机质被大量消耗的生物干化系统继续提供有机质，促进嗜热菌的有氧呼吸，保障其生长环境，延长了污泥生物干化的高温期，从而提高了生物干化的效率。

Description

一种污泥生物干化调理剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及污泥资源化技术领域，特别涉及一种污泥生物干化调理剂及其制备方法。
背景技术
污泥是污水处理过程中的副产物，是一种由生物质有机质和多种无机物、金属离子的混合物组成的非均质体。据中国环境科学研究院测算，全国每年废水排放总量约1500多亿吨，产生的污泥约6000万吨/年。污泥中含有大量有机污染物、病原微生物和重金属元素，对土地和生态环境造成严重污染，进而威胁人类身体健康。当前我国的污泥处理尚处于初级阶段，对污泥的安全无害化处置率尚不足30％，污泥的处置已经成为紧迫的问题。
生物干化是利用嗜热菌的好氧呼吸产生的热量将污泥彻底熟化降解的高效生化反应过程。生物干化主要利用生物能对污泥进行处理，通过嗜热菌的有氧呼吸分解污泥中易降解物质，释放热量的同时蒸发污泥中的水分以达到污泥干化的效果。该过程不需要外部热源的引入，同时也不会产生甲烷等厌氧气体，具有污泥资源化处理的应用潜力。但是，微生物对污泥中难降解物质如大分子蛋白、多糖、纤维素等的消化降解作用有限，未能充分利用污泥中的生物能，导致生物干化过程中高温期较短。此外，目前生物干化还存在氧气利用率低、热量耗散等瓶颈问题，影响其市场化应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种污泥生物干化调理剂，其能够有效延长污泥生物干化的高温期，从而达到提高污泥生物干化效率的效果。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种污泥生物干化调理剂，包括多孔生物炭材料和高活性酶，所述的高活性酶以硬脂酸作为固定剂负载在所述的多孔生物炭材料上；所述的高活性酶可定向催化降解污泥中的大分子难降解物质，所述硬脂酸的相变温度为65-75℃。
在进一步的技术方案中，所述的高活性酶为耐热型蛋白酶、糖蛋白酶、多糖酶、纤维素酶中的一种或一种以上的组合物。
在进一步的技术方案中，所述高活性酶与硬脂酸的重量比为1：(5-50)，所述硬脂酸与多孔生物炭材料的重量比为1：(5-20)。
本发明另一方面提供了一种污泥生物干化调理剂的制备方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)将生物质材料破碎研磨处理后得到细碎粉末，然后将细碎粉末置于管式热解炉中，在无氧条件下进行热解反应，反应结束后得到多孔生物炭材料；
(2)取一定量的硬脂酸，升温至其转变为液态，然后加入高活性酶，搅拌混合后加入到多孔生物炭材料中，冷却至室温，经真空干燥处理后制粒即得所述的污泥生物干化调理剂。
在进一步的技术方案中，所述的生物质材料选自污泥、稻壳、玉米芯中的一种或一种以上的混合物；
所述的污泥是市政污泥，含水率为60-90％。
在进一步的技术方案中，所述热解反应的条件至少满足：热解温度为500-1200℃，升温速率10℃/min，热解时间30-120min。
在进一步的技术方案中，所述的无氧条件是在热解过程中通入氮气，氮气的流量为0.5-1.5L/(min·kg)。
在进一步的技术方案中，制粒的粒径为1-5cm。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明提供的技术方案中，通过硬脂酸的相变特性将可定向催化降解污泥中大分子难降解物质的高活性酶固定在高比表面积的多孔生物炭材料上，并将该材料用于污泥生物干化的调理，在具体的应用过程中，前期吸收足够热量的硬脂酸在污泥生物干化高温中后期发生相变，释放出高活性酶催化大分子物质，即难降解的物质分解，为简单有机质被大量消耗的生物干化系统继续提供有机质，促进嗜热菌的有氧呼吸，保障其生长环境，延长了污泥生物干化的高温期，从而提高了生物干化的效率；此外，由于硬脂酸本身的相变特性也有利于吸收并保留污泥生物干化中的热量，达到减少热量损失的技术效果。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明提供了一种污泥生物干化调理剂，包括多孔生物炭材料和高活性酶，所述的高活性酶以硬脂酸作为固定剂负载在所述的多孔生物炭材料上；所述的高活性酶可定向催化降解污泥中的大分子难降解物质，所述硬脂酸的相变温度为65-75℃。
本发明提供的技术方案中，通过硬脂酸作为固定剂，将高活性酶负载在多孔生物炭材料中，在污泥生物干化进入高温期时，恰好与硬脂酸相变温度相吻合，干化系统中的热量通过导热性较差的多孔生物炭材料缓慢传导到孔隙结构中的硬脂酸，诱导硬脂酸逐步发生相变。通过控制硬脂酸和高活性酶、多孔生物炭材料的比例，液化后的硬脂酸带动被包裹的高活性酶由多孔生物炭材料的孔隙中逐步释放，恰好在污泥生物干化高温的中后期进入生物干化体系。此时干化系统中简单有机质被大量消耗，高活性酶将靶向降解生物干化体系中的大分子难降解物质，具体如大分子蛋白质、糖蛋白和纤维素等，将其转变为适合微生物消化分解的简单有机质，保障和促进提高嗜热菌有氧呼吸，延长生物干化高温期，提高生物干化对污泥中有机质的降解效率，从而增强污泥生物干化的脱水效率。
根据本发明，本发明中，所述高活性酶的作用是在硬脂酸受热逐渐由固态转变为液态时，通过控制硬脂酸与高活性酶、多孔生物炭材料的比例，逐步的释放到污泥生物干化系统中，对难降解物质(大分子蛋白质、糖蛋白、纤维素等)进行分解，为污泥生物干化系统中嗜热菌群的有氧呼吸继续提供易利用的有机质，延长污泥生物干化的高温期，从而提高生物干化的效率。所述的高活性酶可选择本领域技术人员所公知的，作为优选的，所述的高活性酶为耐热型蛋白酶、糖蛋白酶、多糖酶、纤维素酶中的一种或一种以上的组合物。
进一步的，本发明中，根据高活性酶的具体种类不同以及对应的硬脂酸的液化时间，所述高活性酶与硬脂酸以及硬脂酸与多孔生物炭材料的重量比可在较宽的范围内进行选择，作为优选的，所述高活性酶与硬脂酸的重量比为1：(5-50)，所述硬脂酸与多孔生物炭材料的重量比为1：(5-20)。
本发明还提供了一种污泥生物干化调理剂的制备方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)将生物质材料破碎研磨处理后得到细碎粉末，然后将细碎粉末置于管式热解炉中，在无氧条件下进行热解反应，反应结束后得到多孔生物炭材料；
(2)取一定量的硬脂酸，升温至其转变为液态，然后加入高活性酶，搅拌混合后加入到多孔生物炭材料中，冷却至室温，经真空干燥处理后制粒即得所述的污泥生物干化调理剂。
进一步的，根据本发明提供的方法，所述的生物质材料选自污泥、稻壳、玉米芯中的一种或一种以上的混合物；所述的污泥是市政污泥，含水率为60-90％。市政污泥中含有丰富的活性生物质，通过将其作为本发明中的生物质材料的选择来制备多孔生物炭材料，实现了资源的合理化利用，降低了成本。
进一步的，本发明中，所述热解反应的条件至少满足：热解温度为500-1200℃，升温速率10℃/min，热解时间30-120min。需要指出的，针对不同类的生物质材料，根据最终所需制备的多孔生物炭材料的比表面积和孔径分布，本领域技术人员可择优选择热解反应的工艺参数。
进一步的，本发明中，所述的无氧条件是在热解过程中通入氮气，氮气的流量为0.5-1.5L/(min·kg)。
进一步的，本发明中，经真空干燥处理后的材料制粒以方便后续使用，制粒的粒径可以在较宽的范围内进行选择，作为优选的，本发明中，制粒的粒径为1-5cm。
以下通过具体的实施例对本发明提供的污泥生物干化调理剂及其制备方法做出进一步的说明。
实施例1
一种污泥生物干化调理剂的制备方法，具体包括以下步骤：
取200g干基市政污泥样品(105℃干燥24h)，经过破碎研磨后利用管式热解炉以10℃/min的升温速率升温至900℃，热解反应30min，反应过程中持续通氮气以排除空气，氮气流量为1.0L/(min·kg)。反应结束后待管式热解炉自然冷却，取出样品分析，其比表面积为45.16m2/g。
取20g硬脂酸(国药试剂分析纯)，升温至70℃使其转变为液态，加入0.8g耐热型糖蛋白酶(Sigma-Aldrich)，搅拌均匀后加入到之前中制备的多孔生物炭中，冷却至室温，真空干燥后制成粒径为2cm的颗粒待用。
将该调理剂加入到生物干化系统中处理含水率80％的市政污泥，与未加入调理剂的生物干化系统对比，高温期温度(70℃)基本不变，高温期时间由2天延长到5天，干化后污泥含水率由55.85％降低到41.93％。
实施例2
一种污泥生物干化调理剂的制备方法，具体包括以下步骤：
取200g干基市政污泥样品(105℃干燥24h)，经过破碎研磨后利用管式热解炉以10℃/min的升温速率升温至900℃，热解反应60min，反应过程中持续通氮气以排除空气，氮气流量为1.0L/(min·kg)。反应结束后待管式热解炉自然冷却，分析样品，其表面积为51.88m2/g。
取20g硬脂酸(国药试剂分析纯)，升温至70℃使其转变为液态，加入0.5g耐热型蛋白酶(Sigma-Aldrich)，搅拌均匀后加入到之前中制备的多孔生物炭中，冷却至室温，真空干燥后制成粒径为2.5cm的颗粒待用。
将该调理剂加入到生物干化系统中处理含水率80％的市政污泥，与未加入调理剂的生物干化系统对比，高温期温度(70℃)基本不变，高温期时间由2天延长到5天，干化后污泥含水率由55.85％降低到40.88％。
实施例3
一种污泥生物干化调理剂的制备方法，具体包括以下步骤：
取200g干基市政污泥样品(105℃干燥24h)，经过破碎研磨后利用管式热解炉以10℃/min的升温速率升温至500℃，热解反应60min，反应过程中持续通氮气以排除空气，氮气流量为1.0L/(min·kg)。反应结束后待管式热解炉自然冷却，分析样品，其表面积为48.53m2/g。
取20g硬脂酸(国药试剂分析纯)，升温至70℃使其转变为液态，加入1.5g耐热型纤维素酶(Sigma-Aldrich)，搅拌均匀后加入到之前中制备的多孔生物炭中，冷却至室温，真空干燥后制成粒径为3cm的颗粒待用。
将该调理剂加入到生物干化系统中处理含水率80％的市政污泥，与未加入调理剂的生物干化系统对比，高温期温度(70℃)基本不变，高温期时间由2天延长到5天，干化后污泥含水率由55.85％降低到40.52％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种污泥生物干化调理剂，其特征在于，包括多孔生物炭材料和高活性酶，所述的高活性酶以硬脂酸作为固定剂负载在所述的多孔生物炭材料上；所述的高活性酶定向催化降解污泥中的大分子难降解物质，所述硬脂酸的相变温度为65-75℃；
所述的高活性酶为耐热型蛋白酶、糖蛋白酶、多糖酶、纤维素酶中的一种或一种以上的组合物；
所述污泥生物干化调理剂的制备方法包括以下步骤：
（1）将生物质材料破碎研磨处理后得到细碎粉末，然后将细碎粉末置于管式热解炉中，在无氧条件下进行热解反应，反应结束后得到多孔生物炭材料；
（2）取一定量的硬脂酸，升温至其转变为液态，然后加入高活性酶，搅拌混合后加入到多孔生物炭材料中，冷却至室温，经真空干燥处理后制粒即得所述的污泥生物干化调理剂。
2.根据权利要求1所述的污泥生物干化调理剂，其特征在于，所述高活性酶与硬脂酸的重量比为1：（5-50）；
所述硬脂酸与多孔生物炭材料的重量比为1：（5-20）。
3.根据权利要求1所述的污泥生物干化调理剂，其特征在于，所述的生物质材料选自污泥、稻壳、玉米芯中的一种或一种以上的混合物；
所述的污泥是市政脱水污泥，含水率为60-90%。
4.根据权利要求1所述的污泥生物干化调理剂，其特征在于，所述热解反应的条件：热解温度为500-1200℃，升温速率10℃/min，热解时间30-120min。
5.根据权利要求1所述的污泥生物干化调理剂，其特征在于，所述的无氧条件是在热解过程中通入氮气，氮气的流量为0.5-1.5L/(min·kg)。
6.根据权利要求1所述的污泥生物干化调理剂，其特征在于，制粒的粒径为1-5cm。
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