申请日2018.11.01
公开(公告)日2019.01.11
IPC分类号C02F11/148; C02F11/122
摘要
一种用于污泥高效脱水的复配调理剂及污泥脱水方法，该复配调理剂由可生物降解的微纳米线状固体材料与高分子絮凝剂和/或无机絮凝剂组合而成，其中可生物降解的微纳米线状固体材料是将可生物降解的固体材料直接破碎剪切成微纳米线状固体材料，或溶解纺丝制得微纳米线状固体材料，使其长度在0.5‑5mm，直径在1‑10μm，长径比在200‑1000之间。采用本发明的复配调理剂及污泥脱水方法，可达到高效、快速的污泥脱水效果，污泥经过深度脱水后，污泥泥饼含水率最低能达到51%，体积减少从而大幅度实现污泥的减量化和稳定化，在加药成本和污泥减量方面具有显著经济优势。
权利要求书
1.一种用于污泥高效脱水的复配调理剂，该复配调理剂由可生物降解的微纳米线状固体材料与高分子絮凝剂和/或无机絮凝剂组合而成，其中可生物降解的微纳米线状固体材料是将可生物降解的固体材料直接破碎剪切成微纳米线状固体材料，或溶解纺丝制得微纳米线状固体材料，使其长度在0.5-5mm，直径在1-10μm，长径比在200-1000之间。
2.根据权利要求1所述的复配调理剂，其中各组分的重量配比为：所述可生物降解的微纳米线状固体材料5-15份，高分子絮凝剂1-10份，无机絮凝剂1-10份。
3.根据权利要求1所述的复配调理剂，所述可生物降解的微纳米线状固体材料为高分子材料，密度小于1.1g/cm3，选自天然高分子材料或合成高分子材料中的一种或任意两种。
4.根据权利要求3所述的复配调理剂，所述可生物降解的微纳米线状固体材料为天然或人工合成生物质纤维及其衍生物。
5.根据权利要求3所述的复配调理剂，所述可生物降解的微纳米线状固体材料通过以下方法制得，首先将可生物降解的固体材料在60-80℃条件下烘干，使其含水率低于8%，破碎剪切后在72～120℃下将其溶解在N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)里，过滤脱泡后纺丝，制成所需尺寸的微纳米线状固体材料。
6.根据权利要求1所述的复配调理剂，所述高分子絮凝剂为阳离子型高分子材料，分子量在4000-2000万。
7.根据权利要求1所述的复配调理剂，所述无机絮凝剂为氯化铁、氯化铝、聚合氯化铝、聚合氯化铁或聚合氯化铝铁。
8.一种污泥高效脱水方法，包括以下步骤：
(1)配制絮凝剂和制备可生物降解的微纳米线状固体材料
①高分子絮凝剂溶液的配置：将高分子絮凝剂加入水中，搅拌溶解5-30分钟后，保存待用;
②可生物降解的微纳米线状固体材料：将可生物降解的固体材料在60-80℃条件下烘4-8h，使其含水率低于8%，然后直接破碎剪切可生物降解的固体材料或将可生物降解的固体材料溶解后纺丝，使得到的可生物降解的微纳米线状固体材料的长度在0.5-5mm，粒径在1-10μm，长径比在200-1000之间;
③无机絮凝剂溶液的配置：将无机絮凝剂加入水中，搅拌溶解5-15分钟后，保存待用;
(2)絮凝剂溶液的添加
将步骤(1)配制的高分子絮凝剂、微纳米线状固体材料和无机絮凝剂添加到污泥里;
(3)污泥脱水
启动进泥泵向板框压滤脱水机开始进泥，进泥时间为5-100分钟，当进泥压力达到0.9MPa时，停止进泥。随后开始压榨，压榨的压力为1-3MPa，压榨时间5～150分钟;
(4)卸泥
压滤脱水结束后开启板框卸泥。
9.根据权利要求8所述的污泥高效脱水方法，其中可生物降解的微纳米线状固体材料用量为绝干污泥重量的0.1-5%，高分子絮凝剂用量为绝干污泥重量的0-2%，无机絮凝剂用量为绝干污泥重量的0-10%。
10.根据权利要求9所述的污泥高效脱水方法，其中可生物降解的微纳米线状固体材料用量为绝干污泥重量的0.3-4.5%，高分子絮凝剂用量为绝干污泥重量的0.2-1%，无机絮凝剂用量为绝干污泥重量的0.5-6%。
说明书
一种用于污泥高效脱水的复配调理剂及污泥脱水方法
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种用于污泥高效脱水和分离的复配调理剂及其使用方法，可广泛应用于市政及工业污水厂污泥、管网污泥、含油污泥、河道、湖泊疏浚底泥等高含水比污泥的脱水和分离。
背景技术
污泥是一类高含水率、固液混合的絮状物质，大量产生于污水处理、底泥疏浚、油田生产等过程中。以市政污泥为例，每处理1万吨污水将产生10-20 吨(按含水率90%计)污泥。污泥不仅产量大而且含有寄生虫卵、重金属、病源微生物和持久性有机物等有毒有害物质,必须对其进行有效处理处置,否则极易对地下水和土壤等造成二次污染,威胁环境安全和公众健康。而经济、高效的泥水分离技术是对污泥有效处理处置的前提，也是实现污泥减量化和资源化的关键。
污泥通常表现出成分复杂、有机物含量高，亲水性强，颗粒细小，比表面积大，孔隙率高，性质不稳定，强胶体结构等特性。因而污泥中的水分可分为自由水、间隙水、表面吸附水和内部结合水四种结合形式,结合能差别较大,这使得污泥脱水变得非常困难。研究表明污泥脱水主要应从以下四个方面入手： (1)克服污泥颗粒的电性排斥作用和水合作用，降低其与水的亲和力;(2)调整污泥胶体粒子群的排列状态，增大颗粒尺寸;(3)破坏污泥絮体结构，改变污泥内水分分布;(4)改善污泥的过滤性能，提高脱水速度。因此，污泥调理是污泥处理过程中的一个十分重要环节。目前我国国内应用较多的是石灰加三氯化铁药剂调理，调理效果良好，调理后污泥含水率可在60%以下，但是药剂投加量过大，大大增加了污泥的干基量，同时也不利于污泥后续资源化。
中国专利文献CN104193135A公开一种污泥深度脱水方法,。该方法向含水率70～85%的待处理脱水污泥中分别加入硅酸盐溶液、无机絮凝剂溶液、粉煤灰，各搅拌2-5分钟并使其充分混合，混合后静置3-5分钟，硅酸盐的加入量占待处理脱水污泥重量1%～4%，制得调理后的污泥;将调理后的污泥用滤布包裹放入压滤装置中进行脱水处理。经过深度脱水后,污泥泥饼含水率小于 40%。该方法可有效降低污泥含水率，并具有工艺简单和成本较低的特点，但仅适用于含水率较低的脱水污泥，并且药剂投加量仍然较高。因此，在污泥脱水技术领域，仍需要研究和寻找新的适应性强、效果明显、价格低廉的调理药剂及其使用方法。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种药剂用量少、脱水效果好，污泥处理效率高的普适性污泥复配调理剂及其使用方法。本发明的方法是利用可生物降解的微纳米线状固体材料与市售絮凝剂的复配，达到高效、快速的污泥脱水效果，污泥经过深度脱水后，污泥泥饼含水率最低能达到51%，体积减少从而大幅度实现污泥的减量化和稳定化，大大降低了污泥外运时的运输成本和处理处置成本;同时脱水前后污泥中有机物含量和污泥热值基本保持不变，有利于后续污泥资源化;此外，可生物降解的微纳米线状固体材料可取自农业废弃物或者工业下脚料，药剂添加量少，污泥干基量的增加不超过10%，在加药成本和污泥减量方面具有显著经济优势。
本发明的技术方案如下：
根据本发明的第一方面，提供一种用于污泥高效脱水的复配调理剂，该复配调理剂由可生物降解的微纳米线状固体材料与高分子絮凝剂和/或无机絮凝剂组合而成，其中可生物降解的微纳米线状固体材料是将可生物降解的固体材料直接破碎剪切成微纳米线状固体材料，或将其溶解纺丝制得微纳米线状固体材料，使其长度在0.5-5mm，直径在1-10μm，长径比在200-1000之间。进一步优选情况下，可生物降解的微纳米线状固体材料长度在1-4.5mm之间，粒径在 1-6μm，长径比在300-900之间，表面亲水性强的微纳米线状固体材料。
优选情况下，所述可生物降解的微纳米线状固体材料5-15份，高分子絮凝剂1-10份，无机絮凝剂5-20份。
具体情况下，所述可生物降解的微纳米线状固体材料为高分子材料，密度小于1.1g/cm3，选自天然高分子材料或合成高分子材料中的一种或任意两种。所述可生物降解的微纳米线状固体材料为天然或人工合成生物质纤维及其衍生物，如棉、麻、毛、丝、再生纤维素、改性纤维素、淀粉、细菌纤维素、壳聚糖、蛋白纤维、纤维素纳米须、聚乳酸、聚乙烯醇等。
优选情况下，所述可生物降解的微纳米线状固体材料通过以下方法制得，首先将可生物降解的固体材料在60-80℃条件下烘干，使其含水率低于8%;然后在72～120℃下将其溶解在N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)里，过滤脱泡后纺丝，得到所需尺寸的微纳米线状固体材料。进一步优选情况下，还可对剪切或纺丝后的微纳米线状固体材料进行化学活化改性处理：将微纳米线状固体材料用清水反复冲洗后烘干;然后将烘干的微纳米线状固体材料放入容器中，在 60℃恒温水浴中依次加入过硫酸钾溶液和硝酸铈铵溶液，搅拌15min后，加入亚硝酸钠溶液和二甲基二烯丙基氯化铵，搅拌反应1h后，加入交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，继续搅拌反应5h，反应产物用去离子水清洗干净，80℃烘干保存待用。改性最佳条件是：可生物降解的微纳米线状固体材料：二甲基二烯丙基氯化铵的重量比=1:2;过硫酸钾：二甲基二烯丙基氯化铵的重量比=2:100;N,N-亚甲基双丙烯酰胺：二甲基二烯丙基氯化铵的重量比=1:1000;引发剂的重量配比为：硝酸铈铵：亚硫酸钠：过硫酸钾=4:6:20。
具体情况下，所述高分子絮凝剂为阳离子型高分子材料，如聚胺类、聚丙烯酰胺类、聚乙烯亚胺、聚乙烯嘧啶、淀粉接枝共聚物等，分子量在 4000-2000万。进一步优选的，高分子絮凝剂为聚丙烯酰胺，分子量在400万 -600万之间的;聚胺，分子量在4000-6万之间;聚二甲基二烯丙基氯化铵，分子量在10万-50万。
优选情况下，所述无机絮凝剂为氯化铁、氯化铝、聚合氯化铝、聚合氯化铁或聚合氯化铝铁。
根据本发明的第二方面，提供一种污泥高效脱水方法，包括以下步骤：
(1)配制絮凝剂和制备可生物降解的微纳米线状固体材料
①高分子絮凝剂溶液的配置：将高分子絮凝剂加入水中，搅拌溶解5-30 分钟后，保存待用;
②可生物降解的微纳米线状固体材料：将可生物降解的固体材料在 60-80℃条件下烘4-8h，使其含水率低于8%，然后直接破碎剪切成微纳米线状固体材料，或将其溶解纺丝制得微纳米线状固体材料，使可生物降解的微纳米线状固体材料的长度在0.5-5mm，粒径在1-10μm，长径比在200-1000之间;
③无机絮凝剂溶液的配置：将无机絮凝剂加入水中，搅拌溶解5-15分钟后，保存待用;
(2)絮凝剂溶液的添加
将步骤(1)配制的高分子絮凝剂、微纳米线状固体材料和无机絮凝剂添加到污泥里;
(3)污泥脱水
启动进泥泵向板框压滤脱水机开始进泥，进泥时间为5-100分钟，当进泥压力达到0.9MPa时，停止进泥。随后开始压榨，压榨的压力为1-3MPa，压榨时间5～150分钟;
(4)卸泥
压滤脱水结束后开启板框卸泥。
本领域技术人员应该理解，本发明第一方面所述复配调理剂的特征可以应用在本发明第二方面中。
优选情况下，可生物降解的微纳米线状固体材料用量为绝干污泥重量的 0.1-5%,高分子絮凝剂用量为绝干污泥重量的0-2%，无机絮凝剂用量为绝干污泥重量的0-10%。进一步优选情况下，高分子絮凝剂用量为绝干污泥重量的 0.2-1%，可生物降解的微纳米线状固体材料用量为绝干污泥重量的0.3-4.5%，无机絮凝剂用量为绝干污泥重量的0.5-6%。
复配调理剂加入污泥的方式为下述方式之一：
a.将原污泥提取至污泥调理反应罐内，以40～60r/min的转速搅拌均匀，然后将复配调理剂加入到调理罐内，以40～80r/min的转速搅拌10-30min至混合均匀。
b.利用管道混合器，在管道里将原污泥和复配调理剂混合均匀，然后直接进入板框。将管道混合器加装在进泥泵后，从而避免进泥泵对絮体的破坏。
本发明优选的，复配调理剂的组成为下述之一：
a.可生物降解的微纳米线状固体材料、高分子絮凝剂和无机絮凝剂三者复配。
b.可生物降解的微纳米线状固体材料和高分子絮凝剂二者复配。
c.可生物降解的微纳米线状固体材料和无机絮凝剂二者复配。
本发明优选的，复配调理剂的使用方式为下述方式之一：
a.将可生物降解的微纳米线状固体材料先加入到高分子絮凝剂溶液中，然后加入污泥中，最后加入无机絮凝剂;
b.将可生物降解的微纳米线状固体材料先加入到无机絮凝剂溶液中，然后加入污泥中，最后加入高分子絮凝剂;
c.将可生物降解的微纳米线状固体材料先加入到高分子絮凝剂溶液中，然后加入污泥中;
d.将可生物降解的微纳米线状固体材料先加入到无机絮凝剂溶液中，然后加入污泥中;
e.将可生物降解的微纳米线状固体材料和高分子絮凝剂同时加入污泥中，最后加入无机絮凝剂;
f.将可生物降解的微纳米线状固体材料和无机絮凝剂同时加入污泥中，最后加入高分子絮凝剂;
g.将可生物降解的微纳米线状固体材料和高分子絮凝剂同时加入污泥中;
h.将可生物降解的微纳米线状固体材料和无机絮凝剂同时加入污泥中;
i.将可生物降解的微纳米线状固体材料、高分子絮凝剂和无机絮凝剂同时加入污泥中。
本发明的污泥深度脱水普适性方法通过投加可生物降解的微纳米线状固体材料、高分子絮凝剂和无机絮凝剂，实现了污泥的高效、快速脱水。阳离子型高分子絮凝剂分子链上带有大量的正电荷基团，能够有效的中和污泥颗粒上的负电荷，同时也具有很强的吸附架桥作用，这两种作用可有效地使污泥颗粒脱稳沉降，达到降低污泥比阻，改善污泥脱水性能的目的。无机絮凝剂则会在水中发生水解产生大量带一定正电荷的絮体，絮体在沉降过程中会网捕、卷扫水中其它胶体颗粒，从而产生沉淀分离。可生物降解的微纳米线状固体材料通过氢键、静电引力、范德华力与污泥的固体颗粒发生强吸附，可以起到电中和以及吸附架桥作用，破坏胶体分散系的稳定性，使分散的小颗粒聚集成较大的颗粒。可生物降解的微纳米线状固体材料的高强度和高韧性增加了絮体强度，使其在高压作用下不易变形，形成适宜均匀的网状滤液通道，减少过滤后期滤饼空隙的堵塞现象，改善了滤液的流通，从而最终改变了污泥的脱水性能。
本发明提供的一种可生物降解的微纳米线状固体材料和高分子絮凝剂二者的协同作用、或者可生物降解的微纳米线状固体材料、高分子絮凝剂和无机絮凝剂三者协同作用的污泥深度脱水普适性方法。污泥经过深度脱水，污泥泥饼含水率小于65%，最低达51%，污泥的体积大幅度减少，而干基量几乎不增加，大大降低了污泥外运时的运输成本和处理处置成本;同时脱水前后污泥中有机物含量和污泥热值基本保持不变，有利于后续污泥资源化，例如污泥可用于焚烧，林业绿化等等。同时污泥深度脱水成本也较低，药剂用量少，可生物降解的微纳米线状固体材料可选用农业废弃物或工业下脚料，在治理成本和污泥减量方面具有经济优势。