申请日2018.12.26
公开(公告)日2019.03.08
IPC分类号C02F11/121; C02F11/00; C02F3/12; C02F3/28; C02F103/28
摘要
本发明涉及固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种剩余污泥减量化的工艺和方法。所述的工艺和方法是通过将电化学原位减量化技术和膜生物反应器减量化技术结合，将两种技术集中于一个工艺中，构建造纸有机污泥减量化工艺：实现电化学‑膜生物反应器的梯级减量工艺过程。具有处理费用低、污泥减量效果好、无二次污染等优点。为污泥减量化技术的发展起到了一定的推动作用，具有一定的理论指导意义和推广应用价值。
权利要求书
1.一种电化学-膜生物反应器的梯级减量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先用高压脉冲电场技术处理浓缩池污泥，使胞内物质溶出。
(2)加入轻稀土元素提高其处理效果，使污泥减量。
(3)将步骤(2)处理过的污水投入膜生物反应器做进一步处理，使污泥进一步减量。
2.如权利要求1所述的电化学-膜生物反应器的梯级减量方法，其特征在于，步骤(2)所述的轻稀土元素为铈。
3.如权利要求1所述的电化学-膜生物反应器的梯级减量方法，其特征在于，步骤(2)中污泥浓度与铈浓度比为20-40:1。
4.如权利要求1所述的电化学-膜生物反应器的梯级减量方法，其特征在于，步骤(1)中所述的高压脉冲电场技术处理，其工艺参数包括：污泥pH为6.8-7.5，高压脉冲电源输出峰值电压为35-50kV，脉冲频率为300-400kHz，占空比为15%～20%，场强范围在10-100Kv/cm、电流密度为0-2A/m2、处理时间为1-5s、极板间距5-8mm。
5.如权利要求4所述的电化学-膜生物反应器的梯级减量方法，其特征在于，步骤(1)中所述的高压脉冲电场技术处理，其工艺参数包括：污泥pH值为7.12、高压脉冲电源输出峰值电压为35-50kV，脉冲频率为300-400kHz，占空比为15%～20%，场强范围在10-100Kv/cm、电流密度为0-2A/m2、处理时间为3s、极板间距6mm。
6.如权利要求1所述的电化学-膜生物反应器的梯级减量方法，其特征在于，步骤(3)中膜生物反应器由生物反应器、膜组件、进出水泵、鼓风机组成。
7.如权利要求1所述的电化学-膜生物反应器的梯级减量方法，其特征在于，步骤(3)中膜生物反应器系统釆用连续曝气的方式运行，膜出水选择间歇方式，膜材质为PVDF;膜孔径为0.1μm，膜通量为15-25L/m2·h。
说明书
一种造纸污泥减量化的工艺和方法
技术领域
本发明主要涉及固体废弃物减量化领域，具体涉及通过电化学原位减量化技术和膜生物反应器减量化技术的联合作用促使造纸污泥减量化。
技术背景
造纸行业在国民经济中占有重要地位。然而造纸行业排放的大量高浓度废水经过废水处理系统产生了大量的有机污泥。这些污泥往往不同于市政污泥，主要表现为含水率高，有机质含量高，呈现出於泥状态，含病原体，微生物，尤其是致病菌含量高，脱水困难(40%以下)，在干化后大部分采用填埋或焚烧方式处理，处理效率低，成本高，且填埋体量巨大，不具有环保性，是企业综合整治新的难点。传统的污泥处理处置方式不仅效率低，成本高而且不环保，经常造成二次污染。因此开发造纸行业有机污泥减量化、资源化技术及工艺装备是解决造纸行业有机污泥最有效的途径。
但是造纸污泥是制浆造纸废水生物处理过程中产生的有机质含量非常丰富的一种物质，富含碳酸钙、高岭土等无机物和纤维素、半纤维素、木素等有机物以及填料、絮凝剂等，是一种非常好的生物质资源。
污泥减量化是在20世纪90年代才提出的对剩余污泥处置的新概念，目前国内外对污泥减量化方面的技术研究较少，研究方向主要集中在解偶联减量技术的研究上，而以电化学法作为污泥减量化的主要手段的研究在国外鲜有报道，在国内基本上还处于空白。并且大部分污泥减量化工艺都是一种单一的方法，其处理效果并不理想。因此,只有从源头控制最大程度地减少污泥产生量,才是可持续且环境友好型发展方向。源头污泥减量技术的研发及减量机理的研究也逐渐成为国内外研究的热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种造纸污泥减量化的工艺与方法。在电化学原位减量化技术和膜生物反应器减量化技术的联合作用下促使造纸污泥减量化，具有经济，高效，清洁等优点。
名词解释：
化学需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。废水、废水处理厂出水和受污染的水中，能被强氧化剂氧化的物质(一般为有机物)的氧当量。
BOD5(Biochemical Oxygen Demand)是一种用微生物代谢作用所消耗的溶解氧量来间接表示水体被有机物污染程度的一个重要指标。
悬浮物SS(suspended solids)指悬浮在水中的固体物质，包括不溶于水中的无机物、有机物及泥砂、黏土、微生物等。水中悬浮物含量是衡量水污染程度的指标之一。
MLVSS是混合液挥发性悬浮固体浓度(mixed liquor volatile suspendedsolids)的简写。
本发明提供一种电化学-膜生物反应器的梯级减量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先用高压脉冲电场技术处理浓缩池污泥，使胞内物质溶出。
(2)加入轻稀土元素提高其处理效果，使污泥减量。
(3)将步骤(2)处理过的污水投入膜生物反应器做进一步处理，使污泥进一步减量。
步骤(2)所述的轻稀土元素为铈。污泥浓度与铈浓度比为20-40:1。优选的，污泥浓度与铈浓度比为30:1。
该方法将电化学原位减量化技术和膜生物反应器减量化技术集中于一个工艺中，实现电化学-膜生物反应器的梯级减量工艺过程。
高压脉冲电场技术利用在两个电极间产生的瞬时高压脉冲电场作用于介质，使胞内物质溶出，从而达到破坏微生物细胞的目的，可有效降低脱水污泥的含水率。处理后的上清液回流至进水端，与水厂进水一起进入生化反应区。
优选的，步骤(1)中污泥取自污水场的浓缩池。
优选的，步骤(1)中所述的高压脉冲电场技术处理，其工艺参数包括：高压脉冲电源输出峰值电压为35-50kV，脉冲频率为300-400kHz，占空比为15%～20%。场强范围在10-100Kv/cm、电流密度为0-2A/m2、处理时间为1-5s、极板间距5-8mm。
优选的，步骤(1)中所述的高压脉冲电场技术处理，其工艺参数包括：高压脉冲电源输出峰值电压为35-50kV，脉冲频率为300-400kHz，占空比为15%～20%。场强范围在10-100Kv/cm、电流密度为0-2A/m2、处理时间为1-5s、极板间距5-8mm。
稀土合金元素对活性污泥中微生物的增殖、生物活性、胞外多聚物等产生影响。适宜浓度的轻稀土元素对微生物生长有轻微刺激作用，有利于促进活性污泥的生长。适宜浓度的轻稀土元素对微生物的代谢产物和胞外酶的分泌能力有一定影响，有利于促进好氧颗粒污泥的形成。
通过加入轻稀土元素铈来提高高压脉冲电场技术的处理效果。催化剂的加入加速了活性污泥的颗粒化，显著提高活性污泥的沉降性能。
优选的，加入轻稀土元素铈后，高压脉冲电场处理有机污泥MLVSS去除率在83%以上，污泥上清液COD含量降低。
膜生物反应器有效结合了活性污泥法与膜过滤技术的优点，对污泥有高效的截流作用和分离作用，能将微生物完全截流在反应器内，使废水中的污染物高效降解和高效分离，进一步降低污泥的产生量。
优选的，步骤(3)中膜生物反应器由生物反应器、膜组件、进出水泵、鼓风机等组件组成，来水经泵均匀注入生物反应器中，废水中易降解有机物通过微生物的代谢作用得到分解，混合液在真空泵的作用下由膜过滤后得到处理出水。所述膜生物反应器处理造纸废水的效果：COD的去除率达到95%、BOD5的去除率达到93%、色度和SS去除达100%。
优选的，步骤(3)中膜生物反应器系统釆用连续曝气的方式运行，膜出水选择间歇方式，膜材质为PVDF,膜孔径为0.1μm，膜通量为15-25L/m2·h。
电化学原位减量化技术和膜生物反应器减量化技术的联合作用过程描述如下：
高压脉冲电场技术是将两个电极间产生的瞬时高压脉冲电场作用于浓缩池污泥，使胞内物质溶出，从而达到破坏微生物细胞的目的，可有效降低脱水污泥的含水率。
加入轻稀土元素铈来提高微生物细胞膜的通透性、代谢关键酶的合成和繁殖复制的速率，最终提高活性污泥微生物对废水中有机物的分解代谢速率。同时，加速活性污泥的颗粒化，提高活性污泥的沉降性能，进一步提高高压脉冲电场对造纸污泥的处理效率。
将处理后的泥水进入膜生物反应器，利用膜生物反应器高效的截流作用和分离作用，将微生物完全截流在反应器内，使废水中的污染物高效降解和高效分离，进一步降低污泥的产生量，最终实现造纸污泥的减量化。
在轻稀土元素铈的催化下，污泥胞内物质溶出效率显著增强，而单一的膜生物反应器对污泥的减量效果仅达到60%。本发明将两种工艺集中于一个工艺中实现，构建造纸有机污泥减量化工艺：实现了电化学-膜生物反应器的梯级减量工艺过程，造纸污泥整体减量80%以上。为解决目前造纸污水处理普遍面临的污泥处理费用高、污泥处置困难的问题提供了一条崭新的思路。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，但本发明并不局限于此。
COD采用重铬酸盐法测定。BOD5采用稀释与接种法测定。色度采用稀释倍数法测定。SS采用重量法测定。总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。总磷采用钼酸铵分光光度法测定。
实施例1
采用高压脉冲电场技术，并且加入轻稀土元素铈提高其处理效果。以某造纸厂浓缩池污泥为处理对象，通过泵将浓缩池污泥注入脉冲电场反应区进泥口，处理量为10m3/h，污泥pH值为6.8，在污泥中加入轻稀土元素铈(污泥浓度与铈浓度比为30:1)经高压脉冲电场处理后，由出泥口流入浓缩池，试验过程与污水处理运行时间保持一致，连续运行，污泥浓缩池停留时间维持在20h，其处理后的上清液回流至进水端，与水厂进水一起进入生化反应区。连续运行过程中，调节高压电源参数，维持高压脉冲电源输出峰值电压为50kV，脉冲频率为300kHz，占空比为20%，输出峰值电流为100m A，输出波形为方形波。场强在15Kv/cm、电流密度为1A/m2、处理时间为3s、极板间距6mm。
污泥浓度计算公式：
式中：W1为干污泥加滤纸重(mg)，W2为滤纸重(mg)。
采用高压脉冲电极处理浓缩池污泥，处理后浓缩池污泥上清液中COD、BOD5、总氮、总磷的平均增幅分别达到280%、470%、55%、169%;COD/TP值由之前的12.9增至18.2，COD/TN值由处理前的3.4增至8.3，有机物较氮、磷具有更高的释放幅度。将经高压脉冲电极处理的污泥上清液回流至系统中，能有效增加系统碳源，出水总氮、总磷浓度大幅下降，达到一级A标准;脱水污泥比阻由155×1011m/kg降至14×1011m/kg，提高了污泥的脱水性能。
TN为总氮，TP为总磷。
COD/TP为化学需氧量与总磷的比值，比值越大说明有机物较磷有更高的释放幅度，细胞破碎效果好。
COD/TN为化学需氧量与总氮的比值，比值越大说明有机物较氮有更高的释放幅度，细胞破碎效果好。
实施例2
一种电化学-膜生物反应器的梯级减量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先用高压脉冲电场技术处理浓缩池污泥，使胞内物质溶出。污泥pH值为7.12、高压脉冲电源输出峰值电压为40kV，脉冲频率为350kHz，占空比为20%，输出峰值电流为100mA。场强在35Kv/cm、电流密度为1A/m2、处理时间为3s、极板间距6mm。
(2)加入轻稀土元素铈提高其处理效果，使污泥减量。污泥浓度与铈浓度比为20:1。
(3)将步骤(2)处理过的污水投入膜生物反应器做进一步处理，使污泥进一步减量。膜生物反应器系统釆用连续曝气的方式运行，膜出水选择间歇方式，膜材质为PVDF,膜孔径为0.1μm，膜通量为25L/m2·h。
浓缩池污泥经进一步处理后，COD去除效果良好，平均去除率为96.4%，系统出水COD平均值为27mg/L。BOD5的平均去除率为93.3%，平均出水BOD5为11.2mg/L。总氮总磷均达到要求，整个运行过程对色度和SS去除率一直很稳定，可维持在100%。所有指标均达到排放标准且污泥产率大幅度降低。
实施例3
一种电化学-膜生物反应器的梯级减量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先用高压脉冲电场技术处理浓缩池污泥，使胞内物质溶出。污泥pH值为7.5、高压脉冲电源输出峰值电压为50kV，脉冲频率为400kHz，占空比为15%。场强在60Kv/cm、电流密度为0.2A/m2、处理时间为5s、极板间距8mm。
(2)加入轻稀土元素铈提高其处理效果，使污泥减量。污泥浓度与铈浓度比为40:1。
(3)将步骤(2)处理过的污水投入膜生物反应器做进一步处理，使污泥进一步减量。膜生物反应器系统釆用连续曝气的方式运行，膜出水选择间歇方式，膜材质为PVDF,膜孔径为0.1μm，膜通量为15L/m2·h。
浓缩池污泥经过膜生物反应器的进一步处理，出水COD的去除率达到95%、BOD5的去除率达到93%、色度和SS去除达100%。出水指标均可达到或优于制浆造纸工业水污染物排放标准。并且系统稳定后的表观污泥产率基本稳定在0.04到0.06kgMLVSS/kgCOD之间，大幅度降低了污泥产率。