CN117023933A - 一种铁基污泥的深度脱水调理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污泥脱水处理技术领域，具体涉及一种铁基污泥的深度脱水调理方法。为开发一种安全高效、经济节能且适合铁基污泥的脱水调理方法，本发明将原位异化铁还原与强化高级氧化工艺相耦合，首先通过异化铁还原反应将铁基污泥中的三价铁还原为亚铁，并在较温和的酸性条件下释放游离态亚铁；然后投加安全、有效且环境友好的过碳酸钠试剂，利用亚铁催化过碳酸钠引发类芬顿反应，并通过低氧化还原电位的环境强化类芬顿反应过程中的铁还原限速步骤，进而产生更多强氧化性和非选择性的羟基自由基，破坏污泥EPS，释放结合水分，既实现了铁的原位利用，又达到了污泥深度脱水的效果。
Description
技术领域
本发明属于污泥脱水处理技术领域，具体涉及一种铁基污泥的深度脱水调理方法。
背景技术
活性污泥处理工艺作为20世纪环境工程领域最伟大的发明之一，不可避免的产生大量的剩余污泥。近年来，随着经济的快速发展，城市化进程的加快和管网建设水平的发展，污水处理规模日益提升，污泥产量也相应增加。同时，由于出水水质标准的提高，铁盐被应用于强化化学除磷，导致产生大量的铁基剩余污泥。
脱水作为污泥处理的一个重要步骤，可以最大限度地减少污泥量，减轻环境负担，并降低下游运输和处置的运营成本。目前已有较多方法被用于污泥脱水，主要有混凝/絮凝、添加骨架材料、电解、超声、芬顿高级氧化等。但由于胞外聚合物(EPS)和微生物的相互作用形成了复杂的凝胶状网络，导致大量水分被包裹而造成污泥很难脱水。其中，混凝/絮凝、骨架材料对EPS的破坏能力有限，电解和超声则由于能量消耗大的问题而受到了应用限制，而芬顿反应已被证实能有效破坏EPS，破坏污泥絮体结构，释放结合水分，进而达到深度脱水的目的。
主流的芬顿工艺是通过亚铁离子的催化产生活性极强的自由基(如羟基自由基)，再通过自由基与有机化合物之间的加合、取代、电子转移、断键等过程，使EPS氧化降解成小分子物质。然而，芬顿工艺处理污泥在应用中存在以下缺点：(1)芬顿工艺需要额外投加亚铁离子，这会使污泥中无机物质的含量增加，造成脱水泥饼热值的降低，不利于后续的污泥焚烧等能源化处置过程；(2)在亚铁离子催化的传统芬顿反应中，三价铁还原为亚铁的铁还原过程被认为是总反应的限速步骤，从而限制了自由基的产生和高级氧化效果的进一步提升；(3)对于铁基污泥而言，还会导致处理后的泥饼和渗滤液中含有更大量铁离子；(4)芬顿药剂(如过氧化氢)的运输储存存在一定的安全性隐患。因此，寻找一种安全、有效的试剂以及如何原位利用铁基污泥当中的铁来引发芬顿反应，是进一步降低成本、节约能源且提升脱水效果的关键。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种铁基污泥的深度脱水调理方法，通过对原位异化铁还原反应以及强化高级氧化工艺进行优化，为铁基污泥提供了一种全新的深度脱水技术，既实现了铁的原位利用，又达到了污泥深度脱水的效果。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供了一种铁基污泥的深度脱水调理方法，该方法包括以下步骤：
S1、对污水处理厂二沉池的铁基剩余污泥进行重力浓缩；
S2、将步骤S1得到的浓缩污泥进行常温厌氧处理，使污泥环境的氧化还原电位低于-300mV，促使污泥中的三价铁转为亚铁，达到异化铁还原；
S3、对步骤S2得到的原位异化铁还原污泥进行酸化，将污泥的pH值调节为3～4，使污泥释放固相中的亚铁至上清液当中，为高级氧化类芬顿反应提供合适的反应条件；
S4、向步骤S3得到的异化铁还原酸化污泥中加入过碳酸钠，待搅拌充分反应后完成对高含铁污泥的脱水调理；
S5、使用固液分离装置对步骤S4得到的调理污泥进行压榨脱水，使得到的泥饼含水率低于55％，完成铁基污泥的深度脱水调理。
优选的，步骤S1中，所述铁基剩余污泥为使用铁盐化学除磷的高含铁污泥；重力浓缩后，污泥含水率在96～98％。
本发明通过工艺的组合优化，将原位异化铁还原与强化高级氧化工艺相耦合，为铁基污泥的深度脱水提供了一种全新的思路。本发明所针对的对象为铁基污泥，对于采用铁盐化学除磷的污水处理厂，如果采用常规高级氧化进行深度脱水调理，必会使脱水后的泥饼和渗滤液中含有更大量的铁，且常规高级氧化试剂的储存运输有安全隐患。因此，本发明采用原位异化铁还原反应转变污泥中铁的形态，在厌氧处理后使污泥中80％以上的三价铁被铁还原菌还原成亚铁，并且在酸性条件下(pH＝3～4)释放到上清液当中，成为可利用的亚铁离子，而释放的亚铁离子能够催化SPC引发类芬顿反应，同时在低还原电位的条件下，使类芬顿反应中的铁还原限速步骤被增强，从而产生更多强氧化性和非选择性的羟基自由基，破坏EPS和污泥絮体结构，释放结合水分。通过上述原位异化铁还原反应耦合强化高级氧化反应调理后，所得到的污泥再经固液分离后得到含水率低于55％的泥饼，达到污泥深度脱水的目的。
更优选的，使用铁盐化学除磷包括采用聚合硫酸铁强化化学除磷和采用聚合氯化铝铁强化化学除磷。
优选的，步骤S2中，厌氧处理过程中，定期进行搅拌，搅拌频率为1～3次/天，共厌氧处理5～10天，以保证更好的污泥传质，达到更好的异化铁还原效果。
优选的，步骤S3中，采用浓度为3～4M的硫酸进行酸化。
优选的，步骤S4中，过碳酸钠的投加量为绝干污泥量的1％～4％；搅拌的转速为150-250rpm/min，时间为15～30分钟。
优选的，步骤S5中，所述固液分离装置为高压板框压滤脱水机，压榨压力为2.3MPa，压榨时间为30～40分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
为开发一种安全高效、经济节能且适合铁基污泥的脱水调理方法，本发明公开了一种铁基污泥的深度脱水调理方法，将原位异化铁还原与强化高级氧化工艺相耦合，首先通过异化铁还原反应将铁基污泥中的三价铁还原为亚铁，并在较温和的酸性条件下释放游离态亚铁；然后投加安全、有效且环境友好的过碳酸钠试剂，利用亚铁催化过碳酸钠引发类芬顿反应，并通过低氧化还原电位的环境强化类芬顿反应过程中的铁还原限速步骤，进而产生更多强氧化性和非选择性的羟基自由基，破坏污泥EPS，释放结合水分，既实现了铁的原位利用，又达到了污泥深度脱水的效果。总体而言，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法提供的污泥深度脱水方法具有针对性：本发明是针对“目前污水处理厂由于出水水质标准提高而投加大量铁盐絮凝剂或除磷剂，导致产生铁基污泥的现象”而提出来，具有较好的实用性。
(2)本发明方法在无需额外投加亚铁的条件下实现了高级氧化反应：常规的芬顿工艺需要额外投加亚铁来催化反应，进而通过异化铁还原将污泥中的三价铁转变为亚铁，并通过耦合酸化处理将亚铁释放到上清液中，实现了铁资源的原位利用。
(3)本发明方法所用的药剂安全且环境友好：常规高级氧化工艺所用药剂在运输储存方面具有一定的危险性，而过碳酸钠是一种安全且环境友好的氧化剂，整体反应过程中不产生任何有害物质。
(4)本发明方法实现了强化高级氧化效果：与传统的芬顿反应相比，由于亚铁在催化过氧化氢产生羟基自由基的过程中需要不断在二价态和三价态之间转化，而三价铁还原为二价铁的铁还原反应是传统芬顿反应的限速步骤，为此，本发明利用低氧化还原电位条件强化铁还原反应，使得类芬顿反应得以加强，产生更多羟基自由基。
(5)本发明方法达到污泥深度脱水效果：与常规添加混凝/絮凝药剂、骨架材料等工艺相比，本发明方法通过产生强氧化性和非选择性的羟基自由基，破坏EPS和污泥絮体结构，释放结合水分，使脱水后的泥饼含水率小于55％，达到深度脱水的目的。
(6)本发明方法药剂成本低：与常规高级氧化调理工艺相比，本发明方法无需额外投加亚铁离子，减少了铁资源的浪费，并且过碳酸钠相较于常规的高级氧化药剂更便宜，进而大大降低了处理成本。
附图说明
图1为铁基污泥的深度脱水调理的技术路线图；
图2为污泥中铁的转换情况；
图3为污泥调理前后CST值；
图4为污泥调理前后的结合水含量；
图5为污泥调理前后的Zeta电位值；
图6为污泥中铁的转化情况；
图7为污泥调理前后的CST值；
图8为调理前后的结合水含量；
图9为污泥调理前后的Zeta电位值。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
本发明提供了一种铁基污泥的深度脱水调理方法，如图1的技术路线图所示，该方法包括以下步骤：
(1)取污水处理厂二沉池的铁基剩余污泥进行重力浓缩，污泥含水率在96～98％；
(2)将步骤(1)得到的浓缩污泥进行常温厌氧处理，厌氧处理过程中定期进行搅拌，搅拌频率为1～3次/天，每次搅拌时间为30分钟，以保证更好的污泥传质，达到更好的异化铁还原效果；共厌氧处理5～10天，以降低污泥环境的氧化还原电位(低于-300mV)，促使污泥中的三价铁转为亚铁，达到异化铁还原。
(3)采用浓度为3～4M的硫酸对步骤(2)得到的原位异化铁还原污泥进行酸化，加入硫酸后将污泥的pH值调节为3～4，使污泥释放固相中的亚铁至上清液当中，为高级氧化类芬顿反应提供合适的反应条件。
(4)向步骤(3)得到的异化铁还原酸化污泥中加入过碳酸钠，投加量为绝干污泥量的1％～4％，150-250rpm/min搅拌充分反应15～30分钟后完成对高含铁污泥的脱水调理。
(5)将步骤(4)得到的调理污泥通过高压板框压滤脱水机进行压榨脱水，压榨压力为2.3MPa，压榨时间为30～40分钟，得到泥饼和滤液，所得到的泥饼含水率低于55％，完成铁基污泥的深度脱水调理。
下面通过实施例1-2具体说明上述的铁基污泥的深度脱水调理方法，需要说明的是，这些实施例是本发明较优的例子，用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1铁基污泥的深度脱水调理方法
污水处理厂(广东省汕尾市西区)一期采用聚合硫酸铁强化化学除磷后，按照图1所示的技术路线采用本发明的铁基污泥的深度脱水调理方法对污泥进行深度脱水处理。
二沉池剩余铁基污泥经重力浓缩后的含水率为97.2％，脱水性能指标CST值为70.4s，污泥总铁含量为31.4mg/g TS，总亚铁含量为6.63mg/g TS，经过常温、SRT＝5天的厌氧消化后，污泥环境的氧化还原电位低于-300mV，污泥当中80％的铁被还原成亚铁，铁的形态得到了转化；再用3M的稀硫酸将污泥pH值调整为3，污泥固相中的亚铁80％释放到上清液中(如图2所示)。此时以固体形式投加绝干污泥量1％的过碳酸钠，以200rpm/min的速率搅拌15分钟，完成对铁基污泥的深度脱水调理。调理后污泥脱水性能指标CST值下降为32.5s(如图3所示)，结合水含量从0.13g/g TS下降为0.06g/g TS(如图4所示)；亲疏水接触角从31.3°上升至63.4°；Zeta电位从-15.9mV上升至-12.7mV(如图5所示)，表明了污泥结合水的释放以及脱水性能得到改善。最后将调理后的污泥进行高压板框脱水，压榨压力为2.3MPa，保压时间为40分钟，最终得到的脱水泥饼的含水率为51.4％。
实施例2铁基污泥的深度脱水调理方法
污水处理厂(广东省汕尾市西区)二期采用聚合氯化铝铁强化化学除磷后，按照图1所示的技术路线采用本发明的铁基污泥的深度脱水调理方法对污泥进行深度脱水处理。
二沉池剩余铁基污泥经重力浓缩后的含水率96.8％，脱水性能指标CST值为83.4s，污泥总铁含量为28.4mg/g TS，总亚铁含量为5.23mg/g TS，经过常温，SRT＝10天的厌氧消化后，污泥环境的氧化还原电位低于-300mV，污泥当中90％的铁被还原成亚铁，铁的形态得到了转化(如图6所示)；再用3M的稀硫酸将污泥pH值调整为3，污泥固相中的亚铁90％释放到上清液中。此时以固体形式投加绝干污泥量1％的过碳酸钠，以200rpm/min的速率搅拌15分钟，完成对铁基污泥的深度脱水调理。调理后污泥脱水性能指标CST值下降为41.5s(如图7所示)，结合水含量从0.21g/g TS下降为0.11g/g TS(如图8所示)；亲疏水接触角从27.6°上升至68.1°；Zeta电位从-18.7mV上升至-13.9mV(如图9所示)，表明了污泥结合水的释放以及脱水性能得到改善。最后将调理后的污泥进行高压板框脱水，压榨压力为2.3MPa，保压时间为40分钟，最终得到的脱水泥饼的含水率为53.7％。
综上所述，本发明提供了一种铁基污泥的深度脱水调理方法，该方法主要包括原位异化铁还原反应和强化高级氧化深度脱水两个阶段，具体包括(1)取铁基污泥重力浓缩，使污泥含水率为96～98％；(2)将浓缩的铁基污泥进行原位异化铁还原反应，通过在厌氧状态下激活污泥中的铁还原细菌(IRB)并降低体系氧化还原电位(<-300mV)，使污泥中80％以上的铁转换为亚铁；(3)调整污泥的pH值为3～4，使污泥中80％以上的固相亚铁转换为游离态可利用的亚铁离子，以满足类芬顿反应的酸性条件；(4)加入绝干污泥量1％～4％的过碳酸钠(SPC)，在低氧化还原电位的条件下，利用亚铁离子进行催化，引发高级氧化类芬顿反应；(5)最后使用固液分离装置进行脱水使得到的泥饼含水率低于55％。本发明通过对原位异化铁还原反应以及强化高级氧化工艺进行优化，为铁基污泥提供了一种全新的深度脱水技术。本发明通过异化铁还原反应实现了铁源的原位利用，同时在低氧化还原电位的条件下催化过碳酸钠，从而强化了类芬顿反应中三价铁转化为亚铁的限速反应步骤，使其产生更多的羟基自由基，进而破坏污泥胞外聚合物，改善污泥比阻、可压缩性、流变特性等指标，有效提高污泥自由水的比例，降低脱水泥饼的含水率，最终达到深度脱水的效果。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种铁基污泥的深度脱水调理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对污水处理厂二沉池的铁基剩余污泥进行重力浓缩；
S2、将步骤S1得到的浓缩污泥进行常温厌氧处理，使污泥环境的氧化还原电位低于-300mV，促使污泥中的三价铁转为亚铁，达到异化铁还原；
S3、对步骤S2得到的原位异化铁还原污泥进行酸化，将污泥的pH值调节为3～4，使污泥释放固相中的亚铁至上清液当中，为高级氧化类芬顿反应提供合适的反应条件；
S4、向步骤S3得到的异化铁还原酸化污泥中加入过碳酸钠，待搅拌充分反应后完成对高含铁污泥的脱水调理；
S5、使用固液分离装置对步骤S4得到的调理污泥进行压榨脱水，使得到的泥饼含水率低于55％，完成铁基污泥的深度脱水调理。
2.根据权利要求1所述的一种铁基污泥的深度脱水调理方法，其特征在于，步骤S1中，所述铁基剩余污泥为使用铁盐化学除磷的高含铁污泥；重力浓缩后，污泥含水率在96～98％。
3.根据权利要求2所述的一种铁基污泥的深度脱水调理方法，其特征在于，使用铁盐化学除磷包括采用聚合硫酸铁强化化学除磷和采用聚合氯化铝铁强化化学除磷。
4.根据权利要求1所述的一种铁基污泥的深度脱水调理方法，其特征在于，步骤S2中，厌氧处理过程中，定期进行搅拌，搅拌频率为1～3次/天，共厌氧处理5～10天，以保证更好的污泥传质，达到更好的异化铁还原效果。
5.根据权利要求1所述的一种铁基污泥的深度脱水调理方法，其特征在于，步骤S3中，采用浓度为3～4M的硫酸进行酸化。
6.根据权利要求1所述的一种铁基污泥的深度脱水调理方法，其特征在于，步骤S4中，过碳酸钠的投加量为绝干污泥量的1％～4％；搅拌的转速为150-250rpm/min，时间为15～30分钟。
7.根据权利要求1所述的一种铁基污泥的深度脱水调理方法，其特征在于，步骤S5中，所述固液分离装置为高压板框压滤脱水机，压榨压力为2.3MPa，压榨时间为30～40分钟。
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