CN114772879B - 一种利用离子交换树脂调理污泥的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用离子交换树脂调理污泥的装置及方法，装置包括反应池和设于反应池上的进料口和出料口，所述反应池中沿污泥流向平行设有多个树脂层，所述树脂层包括立体筛笼和填充于立体筛笼中的树脂填料，污泥与每个树脂层中的离子交换树脂发生反应，降低污泥中多价态金属离子含量。与现有技术相比，本发明不仅实现污泥与离子交换树脂的充分混合反应，而且使得后续离子交换树脂与污泥的分离更加便捷，避免堵塞离子交换树脂层，增加了实际工程应用的可行性；同时；离子交换树脂层是固定于反应池的凹槽中，易于对离子交换树脂层进行再生、更换；具备利用离子交换树脂调理污泥提高污泥厌氧消化性能的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及污泥资源化利用领域，尤其是涉及一种利用离子交换树脂调理污泥的装置及方法。
背景技术
厌氧消化技术在减小污泥污染的同时回收生物质能，成为世界上备受青睐的污泥处理技术。但是，污泥的半刚性结构和复杂性质不利于污泥中有机质降解，造成污泥厌氧消化效率低，如反应周期长、有机物降解率低以及甲烷产量低，成为限制污泥厌氧消化技术发展的瓶颈。为突破污泥厌氧消化的瓶颈问题，有不少研究人员利用离子交换树脂预处理污泥，以此破坏污泥结构，提升污泥厌氧消化效率。离子交换树脂具有可回收、可再生且成本低的优势，在水处理领域被广泛应用。树脂柱是离子交换树脂处理水的主要装置，但是，在污泥领域，很难将树脂柱应用于污泥的处理，这主要是由于污泥是一种半固态流体，传统树脂柱易出现被固态污泥颗粒堵塞等问题，从而导致树脂预处理污泥的效率低下。
当前的研究常用筛网或者仅将污泥上清液过树脂柱的手段，例如，专利CN113003909A公开了一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，先将钠型阳离子交换树脂与污泥进行搅拌、反应，然后加入溶菌酶进一步反应，最终将混合物过筛，分离树脂与剩余混合物；专利CN103043875A公开了一种污泥强化预处理方法，将反应器中污泥沉淀后进行固液分离，上清液进入树脂软化器，经树脂处理后的上清液以及沉淀的污泥再回流至反应器。然而，这些利用树脂处理污泥的方法均存在一些不足。利用筛网分离树脂与污泥在实验室规模中是可行的，但不能连续处理，因而不利于工程应用推广；树脂软化污泥上清液虽可以避免树脂柱堵塞的问题，但忽视了树脂对污泥固相的作用，不利于破坏整个污泥体系的稳定结构，污泥厌氧消化产甲烷并未得到改善。
因此，需要设计一种可操作性高、对污泥结构破坏性强且有利于工程应用推广的污泥调理装置。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用离子交换树脂调理污泥提升厌氧消化的装置及方法，突破了传统树脂柱易被污泥固态颗粒堵塞以及筛网难以大规模应用的难题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的第一个目的是提供一种利用离子交换树脂调理污泥的装置，包括反应池和设于反应池上的进料口和出料口，所述反应池中沿污泥流向平行设有多个树脂层，所述树脂层包括立体筛笼和填充于立体筛笼中的树脂填料。
进一步地，所述进料口和出料口设于反应池的两端，多个树脂层以等间距的形式设于进料口和出料口之间，进出料方向与树脂层固定方向互相垂直。
进一步地，所述反应池两侧设有多对凹槽，所述树脂层的两侧卡设于凹槽中，构成可拆卸结构。
进一步地，树脂层是通过将树脂填充至立体筛网至一定高度获得，保证树脂与污泥的充分接触，树脂填料为阳离子交换树脂，
所述阳离子交换树脂包括大孔强酸性阳离子交换树脂、大孔弱酸性阳离子交换树脂、凝胶型强酸性阳离子交换树脂、凝胶型弱酸性阳离子交换树脂中的一种或多种的组合。
进一步地，所述树脂填料的活化形式为钠型。
进一步地，所述阳离子交换树脂的粒度范围为0.4～0.7mm，以此确保树脂与污泥充分接触。
进一步地，所述树脂层的厚度为树脂层高的1/4～2/3。
进一步地，所述立体筛笼的孔径为50～60目，所述立体筛笼为不锈钢材质，以此保证树脂被拦截在筛笼内，不会随污泥流向反应池，同时也确保绝大部分污泥固态颗粒可以流出筛笼，降低堵塞的可能性。
进一步地，树脂层中的钠离子与污泥中多价态金属离子发生离子交换，以此破坏污泥有机质和金属之间的结合作用，诱导胞外聚合物瓦解以及污泥解絮，污泥经过若干个树脂层后，污泥中的多价态金属不断被去除，污泥结构的破坏程度逐步增加，使得有机质释放。
本发明的第二个目的是提供一种利用上述装置调理污泥的方法，包括以下步骤：
将污泥由进料口输入，使得污泥逐层通过树脂层并与每个树脂层中的离子交换树脂发生反应，使得污泥停留时间为1～12h，反应过程中树脂层中的钠离子与污泥中多价态金属离子发生离子交换，以此破坏污泥有机质和金属之间的结合作用，诱导胞外聚合物瓦解以及污泥解絮，污泥经过若干个树脂层后，污泥中的多价态金属不断被去除，污泥结构的破坏程度逐步增加，使得有机质释放。
本发明在原理上，以传统树脂柱的设计理念为基础，为解决污泥易堵塞树脂柱的问题，本发明采用若干个树脂层取代单一树脂柱的方法，相当于将高填充度树脂柱拆分成若干低填充度的小树脂柱，这既能保证污泥与树脂之间的反应，又能缓解因单一树脂层(柱)过厚导致污泥固态颗粒堵塞至树脂层(柱)内部的问题。而且本发明中将若干树脂层间隔固定，可以确保污泥与树脂的分离有一定的缓冲时间，进一步改善堵塞问题。此外，本发明中树脂层是嵌入于反应池凹槽处，实现树脂层固定的同时又利于树脂层的更换以及树脂的再生，该固定方式相比于传统树脂柱，更为灵活，具有优越性。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)本发明采用若干低厚度树脂层取代单一树脂柱的方法，突破了传统树脂柱易被污泥堵塞的瓶颈。
2)本发明采用可拆卸式树脂层，更易于树脂反应层的更换以及树脂的再生冲洗。
3)本发明采用可再生利用的离子交换树脂对污泥进行调理，经济环保，符合可持续发展理念。
4)本发明在实现树脂与污泥反应的同时完成两者的分离，不仅保证污泥与树脂充分混合反应，而且使得树脂与污泥的分离更便捷，具有优秀的应用前景。
5)本发明的装置和方法适用于与低温、中温、高温厌氧消化系统耦合，具有较强的操作性。
附图说明
图1为本发明利用离子交换树脂调理污泥的装置的结构示意图；
图2为本发明污泥反应池的结构示意图(有凹槽的一侧)；
图3为本发明树脂层的结构示意图。
图中：1、进料口，2、出料口，3、树脂填料，4、立体筛笼，5、树脂层，6、凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的制备手段、材料、结构或组成配比等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
实施例1
本实施例旨在说明一种利用离子交换树脂调理污泥提升厌氧消化的装置及其具体操作步骤。
参见图1-图3，本实施例中利用离子交换树脂调理污泥提升厌氧消化的装置，包括反应池和树脂层(图1)。反应池两端设有污泥进料口1和出料口2，另外两侧设有凹槽(图2)，用于放置固定树脂层5，树脂层放置方向与污泥进出方向相垂直，保证树脂与污泥的充分接触。树脂层包括树脂填料3与立体筛笼4，立体筛笼4为六面体结构，且6面均设有筛网，立体筛笼4的孔径为50～60目，立体筛笼4为不锈钢材质。反应池中设有若干低厚度树脂层(图3)，且树脂层与树脂层之间设有一定间隔，确保树脂与污泥在出料前实现分离，并且可以改善树脂层堵塞现象，同时也强化了树脂对污泥的调理，提升后续厌氧消化。
污泥进入反应池后，离子交换树脂上的钠离子与污泥中多价态金属离子发生离子交换，破坏污泥有机质和金属之间的结合作用，诱导EPS瓦解以及污泥解絮；一定污泥停留时间内，经过若干个树脂层后，污泥固相中的多价态金属也不断被去除，强化对污泥结构的破坏，有机质则得到大量释放。经调理后的污泥进行厌氧消化，可促使水解不再成为限速步骤，进而提升厌氧消化性能。该装置及方法适用于初沉泥、二沉泥、回流污泥等低含固污泥的调理。
本实施例中基于利用离子交换树脂调理污泥提升厌氧消化的方法，具体操作步骤如下：
S1、测试待进料污泥的pH、总固体含量(TS)和有机物含量(VS)，根据反应池工况调整反应池内实际可处理污泥量。
S2、活化待使用的树脂，确保其为钠型阳离子交换树脂，将适量活化后的树脂填充至立体筛笼，制得的树脂层依次放入反应池中的凹槽处，完成树脂层固定。
S3、根据设定的污泥停留时间调整污泥进入反应池的流速。污泥从反应池进料口进入反应池，流向反应池中的树脂层，待达到设定停留时间后，打开出料口。
S4、测试出料的pH、总固体含量(TS)和有机物含量(VS)。将出料污泥与厌氧消化接种物按一定比例混合，进行厌氧消化产甲烷，测定甲烷产量以及有机质降解率。
S5、在运行过程中，可调整树脂层个数或者污泥停留时间，建立树脂层数量与甲烷生产的系统模型或者是污泥停留时间与甲烷生产的系统模型，进而优化整个系统工况。
本装置在实际应用中，可以适用于与污泥批式、半连续或者连续厌氧消化实验系统耦合。
为了满足实际生产需要，本装置可以设置多于反应池可最多容纳树脂层数量的树脂层，这样树脂层在更换再生时，不会影响整个工况的正常运行。
实施例2
本实施例旨在以二沉泥为基质的批式厌氧消化实验中实施一种利用离子交换树脂调理污泥提升厌氧消化的方法，即污泥进入反应池后，与每个树脂层中的离子交换树脂发生反应，降低污泥中多价态金属离子含量，从而强化对污泥絮体以及胞外聚合物稳定结构的破坏作用，释放大量有机质，经离子交换树脂调理后的污泥进行厌氧消化，显著提高甲烷产量。
采用城市污水处理厂的二沉泥(VS/TS＝45.2％～60.9％，TS＝1.7％～4.1％)作为进料，选择钠型大孔弱酸性阳离子交换树脂作为填充树脂，污泥停留时时间设为4h。测定出料污泥的TS、VS以及金属含量。
将调理后的污泥进行批式厌氧消化实验，稳定运行的污泥厌氧消化反应器中的消化污泥(VS/TS＝32.5％～41.85％，TS＝2.0％～5.4％)作为接种物，接种物中挥发性固体与树脂调理污泥中挥发性固体的质量比值为2，混合物加入体积为500mL血清瓶中。在pH调节至7.0～7.5、温度设为35～37℃、搅拌速度为120rpm的条件下，进行厌氧消化实验。测定甲烷产量。
实施例3
本实施例旨在以二沉泥为基质的半连续厌氧消化实验中实施一种利用离子交换树脂调理污泥提升厌氧消化的方法，并探究污泥停留时间对树脂调理污泥效果以及对厌氧消化产甲烷的影响。采用城市污水处理厂的二沉泥(VS/TS＝45.2％～60.9％，TS＝1.7％～4.1％)作为进料，树脂层中的填充树脂选择钠型大孔弱酸性阳离子交换树脂，污泥停留时时间设为4h。测定出料污泥的TS、VS以及金属含量。
将调理后的污泥进行半连续厌氧消化实验，稳定运行的污泥厌氧消化反应器中的消化污泥(VS/TS＝32.5％～41.85％，TS＝2.0％～5.4％)作为接种物。在pH调节至7.0～7.5、温度设为35～37℃的条件下，启动两个工作容积为4L的反应器进行半连续厌氧消化实验。每日进出料200mL，SRT＝20d。监测每日进出料TS、VS以及甲烷产量。
对比例1
与实施例2不同之处在于，使用传统树脂柱代替本发明所述装置。
对比例2
与实施例2不同之处在于，反应池中未设置树脂层。
对比例1中出料污泥的总含量相比于进料污泥总量少了25.2％(按体积计)，而实施例2中进出料污泥总量仅3.7％的差别。
说明本发明装置可以改善污泥残留问题。对比例1与实施例2的甲烷产量无明显差别。实施例2与对比例2相比，实施例2树脂调理后的污泥中金属含量明显发生降低，尤其是Ca和Mg，相比于对比例2分别下降了34.55％和33.08％；
实施例2甲烷产量由对比例1的82.17mL/g VSadd提升至124.72mL/g VSadd,提高了51.78％；
实施例2有机质降解率由对比例1的45.2％提高至62.6％，实施例2较对比例1提高了38.5％。
对比例3
与实施例3的不同之处在于，反应池中的污泥停留时间为7h。
对比例4
与实施例3的不同之处在于，反应池中的污泥停留时间为12h。
相比于实施例3，对比例3和对比例4的出料污泥总含量分别减少了5.3％，10.4％；实施例3出料污泥中Ca和Mg去除率分别为40.73％、32.83％，对比例3出料污泥中Ca和Mg的去除率分别为49.51％、39.32％，与实施例3相比分别提高了21.55％、19.78％，而对比例4出料污泥中Ca和Mg的去除率分别为37.38％、30.31％，与实施例3相比分别降低了8.22％、7.67％。对比例4和实施例3相比，系统最大甲烷产量由110.32mL/g VSadd增加至143.93mL/gVSadd，提高了30.47％，而对比例4与实施例3相比，系统最大甲烷产量(110.93mL/g VSadd)发生轻微降低，下降了8.51％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种利用离子交换树脂调理污泥的装置，包括反应池和设于反应池上的进料口（1）和出料口（2），其特征在于，所述反应池中沿污泥流向平行设有多个树脂层（5），所述树脂层（5）包括立体筛笼和填充于立体筛笼（4）中的树脂填料（3）；
所述反应池两侧设有多对凹槽（6），所述树脂层（5）的两侧卡设于凹槽（6）中；
所述树脂层（5）的厚度为树脂层（5）高的1/4~2/3；
所述进料口（1）和出料口（2）设于反应池的两端，多个树脂层（5）以等间距的形式设于进料口（1）和出料口（2）之间；
所述树脂填料（3）为阳离子交换树脂；
所述阳离子交换树脂包括大孔强酸性阳离子交换树脂、大孔弱酸性阳离子交换树脂、凝胶型强酸性阳离子交换树脂、凝胶型弱酸性阳离子交换树脂中的一种或多种的组合；
树脂层（5）中的钠离子与污泥中多价态金属离子发生离子交换，以此破坏污泥有机质和金属之间的结合作用，诱导胞外聚合物瓦解以及污泥解絮，污泥经过若干个树脂层（5）后，污泥中的多价态金属不断被去除，污泥结构的破坏程度逐步增加，使得有机质释放；
采用若干个树脂层取代单一树脂柱，既能保证污泥与树脂之间的反应，又能缓解因单一树脂层过厚导致污泥固态颗粒堵塞至树脂层内部的问题；
将若干树脂层间隔固定，确保污泥与树脂的分离有一定的缓冲时间，进一步改善堵塞问题。
2.根据权利要求1所述的一种利用离子交换树脂调理污泥的装置，其特征在于，所述树脂填料（3）的活化形式为钠型。
3.根据权利要求1所述的一种利用离子交换树脂调理污泥的装置，其特征在于，所述阳离子交换树脂的粒度范围为0.4~0.7mm。
4.根据权利要求1所述的一种利用离子交换树脂调理污泥的装置，其特征在于，所述立体筛笼（4）的孔径为50~60目，所述立体筛笼（4）为不锈钢材质。
5.一种利用如权利要求1至4中任意一项所述装置调理污泥的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将污泥由进料口（1）输入，使得污泥逐层通过树脂层（5）并与每个树脂层（5）中的离子交换树脂发生反应，使得污泥停留时间为1~12h，反应过程中树脂层（5）中的钠离子与污泥中多价态金属离子发生离子交换，以此破坏污泥有机质和金属之间的结合作用，诱导胞外聚合物瓦解以及污泥解絮，污泥经过若干个树脂层（5）后，污泥中的多价态金属不断被去除，污泥结构的破坏程度逐步增加，使得有机质释放。
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