申请日2016.12.05
公开(公告)日2017.02.08
IPC分类号C02F11/00; C02F11/06; C02F11/12; C02F11/14
摘要
本发明公开了一种改善剩余污泥脱水性能的方法，该方法将城市污水处理厂二沉池产生的污泥通过超声处理进行破解，使污泥中的一部分物质从污泥相转移到液相中;再利用钛白废酸与双氧水配制的fenton试剂对上述污泥进行氧化处理，以达到改善脱水性能并增加污泥上清液的SCOD、TN、TP和氨氮的目的。与单独采用fenton试剂或超声波处理相比，能耗降低了23～42%，从而有效降低了剩余污泥处理成本。本发明适用于改善剩余污泥脱水性能，特别适用于各种城市污水处理工艺产生的剩余污泥的脱水性能改善，具有广泛的应用前景。
权利要求书
1.一种改善剩余污泥脱水性能的方法，其特征在于，将城市污水处理厂二沉池产生的污泥通过超声处理进行破解，使污泥中的一部分物质从污泥相转移到液相中;再利用钛白废酸与双氧水配制的fenton试剂对上述污泥进行氧化处理，以达到改善脱水性能并增加泥水混合物的上清液的SCOD、TN、TP和氨氮的目的。
2.根据权利要求1所述的改善剩余污泥脱水性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)超声波处理：对城市污水处理厂二沉池中的污泥进行超声处理，得到破解污泥;所述超声处理所采用的超声波的声能密度为0.5～1.5W/mL，超声波作用时间为60～130min，超声波频率为20～25kHz;
2)氧化处理：向所述的破解污泥中加入钛白废酸和双氧水，并以80～120r/min的搅拌速率搅拌至均匀，以使污泥进行氧化反应，反应时间为30～60min，得到氧化混合物;
3)调节pH值：向氧化混合物中加入浓度为2mol/L的NaOH，以调节pH值至10，反应停止后静置使其自然冷却至室温，得到污泥混合物;
4)脱水处理：将污泥混合物在3000r/min下离心10min;过滤分离得到污泥上清液和剩余污泥;其中上清液循环到污水处理厂的源水进水端，剩余污泥进入资源化处理工序后外排。
3.根据权利要求2所述的改善剩余污泥脱水性能的方法，其特征在于，步骤2)中所述的钛白废酸中的H2SO4质量浓度为24.17%，Fe2+质量浓度为3.64%;双氧水的质量浓度为30%。
4.根据权利要求3所述的改善剩余污泥脱水性能的方法，其特征在于，在步骤2)中，所述的破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：2～8mL，其中，所述的破解污泥按干基计;所述的钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：1.6～6.6。
5.根据权利要求3所述的改善剩余污泥脱水性能的方法，其特征在于，步骤1)中超声波的声能密度为0.5W/mL，超声波作用时间为60min，超声波频率为20kHz;步骤2)中所述的破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：2mL，钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：1.6，搅拌速率为80r/min，反应时间为30min。
6.根据权利要求3所述的改善剩余污泥脱水性能的方法，其特征在于，步骤1)中超声波的声能密度为1.5W/mL，超声波作用时间为130min，超声波频率为25kHz;步骤2)中所述的破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：8mL，钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：6.6，搅拌速率为120r/min，反应时间为60min。
7.根据权利要求3所述的改善剩余污泥脱水性能的方法，其特征在于，步骤1)中超声波的声能密度为1.5W/mL，超声波作用时间为90min，超声波频率为25kHz;步骤2)中所述的破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：3.5mL，钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：5.6，搅拌速率为100r/min，反应时间为45min。
8.根据权利要求2-7任一所述的改善剩余污泥脱水性能的方法，其特征在于，超声波的发出装置为探头式超声波粉碎仪。
说明书
一种改善剩余污泥脱水性能的方法
技术领域
本发明属于城市污水处理领域，具体涉及一种改善剩余污泥脱水性能的方法。
背景技术
活性污泥法是世界上应用最广泛、最成熟的城市污水处理方法。但是，该法在处理污水过程中，会产生大量的含水量为98%的剩余污泥，该污泥除了含有大量的有机质外，还含有大量的寄生虫卵、病原微生物及重金属等。如果处置不当，会产生恶臭，造成地下水污染，破坏环境，威胁人类的健康。如何解决剩余污泥带来的二次污染问题已成为当前我国环保工作者面临的重要任务之一。然而，在传统污泥处理技术的制约下，要实现污泥的无害化、减量化、资源化，首要核心的环节是采用合适的方法改善剩余污泥的脱水性能，降低污泥的含水率，以减少后续处理的难度。
现有的改善污泥脱水性能的方法，如《环境工程学报》2013年12月第7卷第12期“Fenton氧化破解污水处理厂污泥”一文中，公开的方法是：取污水处理厂混合池中的污泥，利用Fenton试剂进行预处理，处理后的污泥挥发性悬浮固体减少，脱水性能增强。该法的主要缺点是：(1)涉及到的H2SO4和H2O2等药剂的成本高;(2)反应存在安全隐患;(3)处理效率低。又如《中国给水排水》2013年第21期“臭氧与酸碱耦合对剩余污泥的溶胞减量研究”一文中，公开的方法是：利用臭氧与酸解、碱解联合对剩余污泥进行溶胞处理，处理结果显示剩余污泥破碎率及液相中多糖浓度上升，污泥平均粒径下降，脱水性能增加。该法的主要缺点是：(1)臭氧发生器设备庞大;(2)单位臭氧能耗高，工业化应用比较困难。
而钛白废酸是在硫酸法生产钛白粉的酸解和水洗单元中产生的，据统计，每生产1吨钛白粉就会产生约8吨质量浓度为20%左右的废酸，该废酸一般含有4%左右的硫酸亚铁。传统的处理钛白废酸的方法是用石灰石中和，该法不但增加企业的生产成本，还会造成严重的二次污染。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种无污染、效率高、投入少、作用时间短的改善剩余污泥脱水性能的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种改善剩余污泥脱水性能的方法，其特征在于，将城市污水处理厂二沉池产生的污泥通过超声处理进行破解，使污泥中的一部分物质从污泥相转移到液相中;再利用钛白废酸与双氧水配制的fenton试剂对上述污泥进行氧化处理，以达到改善脱水性能并增加泥水混合物的上清液的SCOD、TN、TP和氨氮的目的。
具体包括以下步骤：
1)超声波处理：对城市污水处理厂二沉池中的污泥进行超声处理，得到破解污泥;所述超声处理所采用的超声波的声能密度为0.5～1.5W/mL，超声波作用时间为60～130min，超声波频率为20～25kHz。
2)氧化处理：向所述的破解污泥中加入钛白废酸和双氧水，并以80～120r/min的搅拌速率搅拌至均匀，以使污泥进行氧化反应，反应时间为30～60min，得到氧化混合物;
3)调节pH值：向氧化混合物中加入浓度为2mol/L的NaOH，以调节pH值至10，反应停止后静置使其自然冷却至室温，得到污泥混合物;
4)脱水处理：将污泥混合物在3000r/min下离心10min;过滤分离得到污泥上清液和剩余污泥;其中上清液循环到污水处理厂的源水进水端，剩余污泥进入资源化处理工序后外排。
其中，步骤2)中所述的钛白废酸中的H2SO4质量浓度为24.17%，Fe2+质量浓度为3.64%;双氧水的质量浓度为30%。所述的破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：2～8mL，其中，所述的破解污泥按干基计;所述的钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：1.6～6.6。
具体而言，可采用以下参数进行处理：步骤1)中超声波的声能密度为0.5W/mL，超声波作用时间为60min，超声波频率为20kHz;步骤2)中所述的破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：2mL，钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：1.6，搅拌速率为80r/min，反应时间为30min。
也可采用以下参数进行处理：步骤1)中超声波的声能密度为1.5W/mL，超声波作用时间为130min，超声波频率为25kHz;步骤2)中所述的破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：8mL，钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：6.6，搅拌速率为120r/min，反应时间为60min。
还可采用以下参数进行处理：步骤1)中超声波的声能密度为1.5W/mL，超声波作用时间为90min，超声波频率为25kHz;步骤2)中所述的破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：3.5mL，钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：5.6，搅拌速率为100r/min，反应时间为45min。为了降低处理成本，超声波的发出装置可以采用常用的声波发出装置，如探头式超声波粉碎仪。
本发明是先用超声波对污泥进行破解，使污泥中的大部分物质从污泥相转移到液相，改变污泥的颗粒分布发生，使整个污泥体系容易与化学试剂作用。在超声处理后，再用钛白废酸与双氧水配置成的fenton试剂进行氧化处理，通过化学试剂直接与处理物质作用，达到增强污泥脱水性能的效果。本发明在不影响剩余污泥品质的前提下，改善污泥的脱水性能，使得污泥的含水率下降到70%以下，降低了污泥后续处理的难度。该法是利用钛白废酸代替fenton试剂中的硫酸和硫酸亚铁两种原料，与超声波联用处理剩余污泥以改善污泥的脱水性能，达到以废治废，变废为宝的目的，为企业有效节约了成本。同时，该法具有无污染、效率高、投入少、作用时间短等优势，具有一定的可操作性和工业化的可能性。
具体来说，超声波是一种低频的弹性机械波，其频率范围为20kHz～100kHz，适合用来处理污泥。当超声波作用污泥一定时间时，污泥不断被压缩和膨胀，内部产生气穴泡，且不断成长并最终共振“内爆”产生5000℃超高温、500bar高压，同时产生强力水喷射形成巨大的水力剪切力，对污泥絮体结构与污泥中微生物的细胞壁产生巨大的破坏，使细胞质和酶从细胞中溶出，使污泥的物理、化学和生物性质发生不同程度的改变，从而有益于污泥脱水性能的改善。
紧接着将钛白废酸作为fenton试剂的一部分，用来氧化处理剩余污泥。利用钛白废酸代替fenton试剂中的硫酸和硫酸亚铁两种原料，在酸性环境和亚铁离子的催化作用下双氧水得到激发产生羟基自由基，羟基自由基具有极高的氧化性使剩余污泥中的胞外聚合物氧化破解，使污泥中键合态的水被释放，从而提高污泥的脱水性能。同时，在fenton试剂氧化污泥的过程中产生的铁离子，还可以通过生成磷酸铁沉淀及铁离子水解聚合沉淀产物的形式，从而强化和改善污泥的性质。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.改善污泥的脱水性能。污泥经过处理后大部分的结合水从污泥相转移到液相，剩余污泥的含水率大幅下降，同时，污泥的比阻和毛细吸水时间也有所下降，整个污泥体系的脱水性能得到改善。
2.可以有效的节约企业成本，达到以废治废的目的。本发明中利用钛白废酸代替fenton试剂中的硫酸和硫酸亚铁，有效降低了污泥的处理处置成本，达到了以废治废，资源利用最大化的目的。
3.处理效率高，工艺路线简单，具有可操作性。本方法涉及到的超声波和钛白废酸联合处理单元操作简单，只需要在污泥进入脱水单元前增加联合处理单元即可，该单元能够和原来的工艺有效融合，工业化容易，便于推广应用。
4.减轻了后续处理的压力。经处理后的污泥，不但含水率低，而且增加了污泥中的铁元素和磷元素，适合用于土地利用和堆肥发酵，使得剩余污泥再次利用成为一种可能。
5.针对超声波和化学氧化法单独处理污泥的不足，联合处理方式可以达到优势互补。处理后上清液溶解性化学需氧量(SCOD)由25.6mg/L增加到438～632mg/L，总氮(TN)由11.9mg/L增加到28.4～58.6mg/L，总磷(TP)由0.55mg/L增加到26.2～40.8mg/L，氨氮由0.33mg/L增加到7.21～9.15mg/L，污泥比阻(SRF)由4.0×108S2/g下降到2.0×108～1.5×108S2/g，污泥的毛细吸水时间(CST)由108.3s下降到20.1～32.5s，污泥含水率(DS)由98.6%下降到62.5～70.8%，与单独化学氧化法或超声波处理相比，能耗降低了23～42%，从而有效降低了剩余污泥处理成本。本发明方法适用于改善剩余污泥脱水性能，特别适用于各种城市污水处理工艺产生的剩余污泥的脱水性能改善，具有广泛的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
取某城市污水处理厂二沉池中的污泥为原料，按本发明的方法进行处理来检验处理效果。具体步骤为：
1)超声波处理：对污水处理厂二沉池中的污泥采用探头式超声波粉碎仪进行超声处理，得到破解污泥;所述超声处理所采用的超声波的声能密度为0.5W/mL，超声波作用时间为60min，超声波频率为20kHz。
2)氧化处理：向所述的破解污泥中加入钛白废酸(H2SO4质量浓度为24.17%，Fe2+质量浓度为3.64%)和质量分数为30%的双氧水，并以80r/min的搅拌速率搅拌至均匀，以使污泥进行氧化反应，该阶段反应时间为30min，得到氧化混合物。
其中，破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：2mL，其中，所述的破解污泥按干基计;所述的钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：1.6。
3)调节pH值：向氧化混合物中加入浓度为2mol/L的NaOH，以调节pH值至10，反应停止后静置使其自然冷却至室温，得到污泥混合物。
4)脱水处理：将污泥混合物在3000r/min下离心10min;过滤分离得到污泥上清液和剩余污泥;其中上清液循环到污水处理厂的源水进水端来进行二次处理，剩余污泥进入资源化处理工序后外排。
经检测，处理后上清液溶解性化学需氧量(SCOD)由25.6mg/L增加到438mg/L，总氮(TN)由11.9mg/L增加到28.4mg/L，总磷(TP)由0.55mg/L增加到26.2mg/L，氨氮由0.33mg/L增加到7.21mg/L;污泥比阻(SRF)由4.0×108S2/g下降到2.0×108S2/g，毛细吸水时间(CST)由108.3s下降到32.5s，含水率(DS)由98.6%下降到70.8%;能耗与单独采用fenton试剂氧化处理相比，降低了42%，能耗与单独采用超声波相比降低了39%。
实施例二
取某城市污水处理厂二沉池中的污泥为原料，按本发明的方法进行处理来检验处理效果。具体步骤为：
1)超声波处理：对污水处理厂二沉池中的污泥采用探头式超声波粉碎仪进行超声处理，得到破解污泥;所述超声处理所采用的超声波的声能密度为1.5W/mL，超声波作用时间为130min，超声波频率为25kHz。
2)氧化处理：向所述的破解污泥中加入钛白废酸(H2SO4质量浓度为24.17%，Fe2+质量浓度为3.64%)和质量分数为30%的双氧水，并以120r/min的搅拌速率搅拌至均匀，以使污泥进行氧化反应，该阶段反应时间为60min，得到氧化混合物。
其中，破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：8mL，其中，所述的破解污泥按干基计;所述的钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：6.6。
3)调节pH值：向氧化混合物中加入浓度为2mol/L的NaOH，以调节pH值至10，反应停止后静置使其自然冷却至室温，得到污泥混合物。
4)脱水处理：将污泥混合物在3000r/min下离心10min;过滤分离得到污泥上清液和剩余污泥;其中上清液循环到污水处理厂的源水进水端来进行二次处理，剩余污泥进入资源化处理工序后外排。
经检测，处理后上清液的SCOD由25.6mg/L增加到516mg/L，TN由11.9mg/L增加到42.7mg/L，TP由0.55mg/L增加到35.2mg/L，氨氮由0.33mg/L增加到8.12mg/L;污泥的SRF由4.0×108S2/g下降到1.8×108S2/g，CST由108.3s下降到26.4s，DS由98.6%下降到67%;能耗与单独采用fenton试剂氧化处理相比，降低了35%，能耗与单独采用超声波相比降低了32%。
实施例三
取某城市污水处理厂二沉池中的污泥为原料，按本发明的方法进行处理来检验处理效果。具体步骤为：
1)超声波处理：对污水处理厂二沉池中的污泥采用探头式超声波粉碎仪进行超声处理，得到破解污泥;所述超声处理所采用的超声波的声能密度为1.5W/mL，超声波作用时间为90min，超声波频率为25kHz。
2)氧化处理：向所述的破解污泥中加入钛白废酸(H2SO4质量浓度为24.17%，Fe2+质量浓度为3.64%)和质量分数为30%的双氧水，并以100r/min的搅拌速率搅拌至均匀，以使污泥进行氧化反应，该阶段反应时间为45min，得到氧化混合物。
其中，破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9g：3.5mL，其中，所述的破解污泥按干基计;所述的钛白废酸与双氧水的体积比为3.5：5.6。
3)调节pH值：向氧化混合物中加入浓度为2mol/L的NaOH，以调节pH值至10，反应停止后静置使其自然冷却至室温，得到污泥混合物。
4)脱水处理：将污泥混合物在3000r/min下离心10min;过滤分离得到污泥上清液和剩余污泥;其中上清液循环到污水处理厂的源水进水端来进行二次处理，剩余污泥进入资源化处理工序后外排。
经检测，处理后上清液的SCOD由25.6mg/L增加到632mg/L，TN由11.9mg/L增加到58.6mg/L，TP由0.55mg/L增加到40.8mg/L，氨氮由0.33mg/L增加到9.15mg/L;污泥的SRF由4.0×108S2/g下降到1.5×108S2/g，污泥的CST由108.3s下降到20.1s，DS由98.6%下降到62.5%;能耗与单独采用fenton试剂氧化处理相比，降低了23%，能耗与单独采用超声波相比降低了26%。
本发明将某城市污水处理厂二沉池中的污泥经过超声处理，以通过连续超声波作用对污泥进行破解，使污泥中的大部分物质从污泥相转移到液相，同时，污泥的颗粒发生变化，使其容易与化学物质作用。然后，再利用钛白废酸与双氧水配置的fenton试剂进行氧化处理，让化学试剂直接与处理物质进行作用，达到改善脱水性能的效果。处理后上清液的SCOD由25.6mg/L增加到438～632mg/L，TN由11.9mg/L增加到28.4～58.6mg/L，TP由0.55mg/L增加到26.2～40.8mg/L，氨氮由0.33mg/L增加到7.21～9.15mg/L，污泥比阻SRF由4.0×108S2/g下降到2.0×108～1.5×108S2/g，污泥的毛细吸水时间CST由108.3s下降到20.1～32.5s，污泥含水率DS由98.6%下降到62.5～70.8%，与单独采用芬顿试剂或超声波处理相比，能耗降低了23～42%，从而有效降低了剩余污泥处理成本。本发明方法适用于改善剩余污泥脱水性能，特别适用于各种城市污水处理工艺产生的剩余污泥的脱水性能改善，具有广泛的应用前景。本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。