CN105174681B - 超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法，首先按每毫升剩余污泥中加入0.05～0.4g改性蛋壳计，向剩余污泥中加入改性蛋壳，混合均匀制得污泥浆；然后用超声波对污泥浆进行超声处理，破解剩余污泥。本发明通过对采用改性蛋壳，实现了蛋壳变废为宝，减少了环境污染，有效的解决了其处理处置问题，并获得了破解剩余污泥的有效药剂，节省了污泥处理中药剂的费用，降低了剩余污泥处理成本；在破解实验中，超声波的引入，大大的提高了污泥细胞破解速率，有效地降低了剩余污泥的破解时间，提高了处理效率，且剩余污泥的破解效果显著，沉降性能得到了极好地改善，破解后的污泥无臭味。

Description

超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法

【技术领域】

本发明属于污泥处理领域，涉及一种超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法。

【背景技术】

剩余污泥是污水处理过程中产生的一种含水率很高(≥97％)的絮状泥粒，它实际上是由污水中的悬浮物、微生物及所吸附的有机物和微生物代谢活动产物所形成的聚集体，其处理一直是一个世界性的难题，处置不当极易造成环境二次污染。该聚集体颗粒细小，结构复杂，比表面积大，含有大量的EPS(胞外聚合物)，而EPS主要由蛋白质、多糖、少量DNA等组成，均为高亲水物质，复杂的絮体结构间又存在着大量毛细管、细小间隙，可包裹大量水分，因此剩余污泥脱水十分困难，为制约其处理与处置的瓶颈问题。

打碎污泥聚集体、破坏EPS，释放其中包覆的大量水分，是目前改变污泥脱水性能的主要途径。在日本、美国等国家，污泥处理早、研究深入，有众多学者就剩余污泥破解改善其脱水性能问题进行了针对性的研究。在我国，剩余污泥的破解研究取得了显著地成效。如天津大学的王芬(2006)探讨了利用超声波破解剩余污泥的工艺与方法，超声破解后的剩余污泥脱水性能得到了明显改善，王芬，天津大学博士论文，2006；东华大学的郑忆枫(2011)和南华大学的吴宇琦(2013)利用电子束辐照剩余污泥，发现采用γ-射线辐照剩余污泥可以强化其破解，有利于污泥的稳定、减量及后续处理处置，郑忆枫，东华大学硕士论文，2011，吴宇琦，南华大学硕士论文，2013。上述有关剩余污泥的破解技术均具有较好的效果，破解后的剩余污泥脱水性能明显改善，但是这些技术的运行成本普遍较高，破解时间较长，破解后的污泥仍会或多或少的含有一定的臭味，且含水率始终在60％以上。

超声波技术，广泛用于工业、农业、医疗、军事等领域，在清洗、提取、检测、治疗等方面具有显著效果。尤其是细胞破壁提取内容物方面的应用，该技术不仅安全可靠，成本低，效果好，而且对细胞内有益成分的破坏最小。

【发明内容】

本发明为了克服现有技术的上述缺点，提供一种超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法。本发明提供的超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法具有操作方便、能耗低、效率高、成本低、破解后污泥脱水效果好及绿色环保等优点。

本发明的技术方案是：

包括以下步骤：

(1)按每毫升剩余污泥中加入0.05～0.4g改性蛋壳计，向剩余污泥中加入改性蛋壳，混合均匀制得污泥浆；

(2)用超声波对污泥浆进行超声处理，破解剩余污泥。

进一步地，所述的改性蛋壳为粉末状，且粒径在2mm以下。

进一步地，所述的改性蛋壳是通过以下步骤制备得来的：首先取清洗过的蛋壳烘干并粉碎过筛，得到蛋壳粉末；将蛋壳粉末浸泡于氢氧化钾溶液中0.5～3h后分离得到固体X，将固体X于700～900℃焙烧1～4小时后经粉碎处理，得到粉末A，将粉末A浸泡于硫酸溶液中0.5～2h后分离得到固体Y，将固体Y进行水洗，然后在700～900℃煅烧1～4小时，冷却后研磨成粉末，得到改性蛋壳。

进一步地，所述的清洗过的蛋壳在100℃烘干，并粉碎过1～2mm筛。

进一步地，所述的氢氧化钾溶液的浓度为4mol/L，硫酸溶液的浓度为2.5mol/L。

进一步地，所述的超声处理中采用200～480W的超声波发生装置。

进一步地，所述的超声处理的时间为10～60分钟。

本发明相对现有技术来说，具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法，通过对蛋壳的处理，实现了其变废为宝，减少了环境污染，有效的解决了其处理处置问题；通过对废弃蛋壳进行改性处理获得了破解剩余污泥的有效药剂，节省了污泥处理中药剂的费用，降低了剩余污泥处理成本，相比现有普遍应用的污泥机械脱水在同等处理规模下能耗降低将近30％；在破解实验中，超声波的引入，大大的提高了污泥细胞破解速率，有效地降低了剩余污泥的破解时间，提高了处理效率，且剩余污泥的破解效果显著，破解率达到23.68％，含水率仅54.7％，突破了现有污泥破解后含水率难以降至60％以下的瓶颈，25min内就发生沉降，沉降性能得到了极好地改善；破解后的污泥无臭味；同时，该工艺不需要外加热能、操作方便、安全可靠、绿色环保。本发明方法的效果明显，可实现蛋壳、剩余污泥的无害化资源化利用，获得的剩余污泥上清液含有大量的蛋白质，可浓缩后开发蛋白泡沫剂，污泥残渣可做建材利用。

【具体实施方式】

本发明制备方法通过如下步骤进行的：

1)用去离子水对蛋壳进行清洗，除去表面的赃物，100℃烘干，然后用粉碎机对烘干的蛋壳进行粉碎处理并过1～2mm筛，过筛后拦截下的大颗粒蛋壳可回向粉碎机继续粉碎直至能够过1～2mm筛；将蛋壳粉末浸泡于4mol/L氢氧化钾溶液中0.5～3h，过滤除去水分后得到固体X，将固体X于700～900℃焙烧1～4小时后经粉碎处理，得到粉末A，将粉末A浸泡于2.5mol/L硫酸溶液中0.5～2h；离心分离除去上层液，收集下层固体Y进行水洗，然后将水洗后的固体Y在700～900℃煅烧1～4小时，冷却，研磨成粒径在2mm以下的粉末，得到改性蛋壳；

2)按每毫升剩余污泥中加入0.05～0.4g改性蛋壳计，取20mL剩余污泥，向其中添加改性蛋壳，置入50mL反应器中，搅拌，制得污泥浆；

3)向装有污泥浆的反应器中引入超声波发生装置，功率设置为200～480W，反应10～60分钟，反应完成后取出超声波发生装置，样品冷却至室温，2500r/min离心20min，对固液相进行检测分析。

以上步骤2)中关于剩余污泥方面的所有实验在通风橱中进行；步骤3)当天未能分析的试样须置于4℃恒温保存，冷藏试样所有待分析项目不得拖延超过2天进行。

本发明制作方法中首先将蛋壳清洗、粉碎、过筛，然后高温煅烧致其分解；然后与剩余污泥混合，在超声波作用下，对剩余污泥进行破解。本发明具有新颖、独特、成本低、效率高等特点。

下面通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

(1)蛋壳、剩余污泥的取样：

蛋壳取自学生食堂的餐饮垃圾，剩余污泥取自污水处理厂二沉池污泥，其中蛋壳进行去离子水清洗表面脏污，剩余污泥含水率约98％-99％，置于4℃恒温保存，待用。

(2)改性蛋壳破解剂的制备：

用去离子水对蛋壳进行清洗，除去表面的赃物，100℃烘干，然后用粉碎机对烘干的蛋壳进行粉碎处理并过1mm筛；将蛋壳粉末浸泡于4mol/L氢氧化钾溶液中0.5h，过滤除去水分后于700℃焙烧1小时后经粉碎处理，得到粉末A，将粉末A浸泡于2.5mol/L硫酸溶液中0.5h；离心分离除去上层液，收集下层固体进行水洗，然后将水洗后的固体在700℃煅烧1小时，冷却，研磨成粒径在2mm以下的粉末，备用；

(3)破解反应：

按每毫升剩余污泥中加入0.05g改性蛋壳计，取20mL剩余污泥，向其中添加改性蛋壳，置入50mL反应器中，搅拌，制得污泥浆；向装有污泥浆的反应器中引入超声波发生装置，功率设置为200W，反应10分钟，反应完成后取出超声波发生装置,样品冷却至室温，2500r/min离心20min，对固液相进行检测分析。

(4)破解效果检测分析：

SCOD采用重铬酸钾回流冷却法测定，剩余污泥的破解率根据下式计算：

式中：SCOD_after表示处理后剩余污泥中的溶解性COD量；TCOD₀表示剩余污泥中总COD的量；SCOD₀表示处理前剩余污泥中溶解性COD的量。

沉降时间的测定：用量筒量取50mL待测污泥样品于150mL的烧杯中，快速搅拌5分钟，静置，记录沉降时间。

含水率的测定：准确称取适量的污泥样品于烧杯中，在105(±2)℃的烘箱中，干燥3h，取出并放入干燥器中冷却，半小时后称重。重复以上操作，直到前后两次质量差不超过0.002g，即为恒重。按下式计算：

式中：W—烧杯质量，g；

W₁—烘干前污泥样品加烧杯质量，g；

W₂—烘干后污泥样品加烧杯质量，g。

剩余污泥的破解效果见表1。

表1 剩余污泥破解效果

由表1数据可知，该方法对剩余污泥的破解效果显著，破解后的泥饼含水率55.1％，突破了现有污泥破解后含水率难以将至60％以下的瓶颈。沉降时间较现有技术缩短至少10min，同时破解后的污泥无臭味。

实施例2

(1)蛋壳、剩余污泥的取样同实施例1。

(2)改性蛋壳破解剂的制备：

用去离子水对蛋壳进行清洗，除去表面的赃物，100℃烘干，然后用粉碎机对烘干的蛋壳进行粉碎处理并过1.25mm筛；将蛋壳粉末浸泡于4mol/L氢氧化钾溶液中1h，过滤除去水分后于750℃焙烧2小时后经粉碎处理，得到粉末A，将粉末A浸泡于2.5mol/L硫酸溶液中1h；离心分离除去上层液，收集下层固体进行水洗，然后将水洗后的固体在750℃煅烧2小时，冷却，研磨成粒径在2mm以下的粉末，备用；

(3)破解反应：

按每毫升剩余污泥中加入0.1g改性蛋壳计，取20mL剩余污泥，向其中添加改性蛋壳，置入50mL反应器中，搅拌，制得污泥浆；向装有污泥浆的反应器中引入超声波发生装置，功率设置为240W，反应20分钟，反应完成后取出超声波发生装置,样品冷却至室温，2500r/min离心20min，对固液相进行检测分析。

破解效果检测分析同实施例1。破解效果见表2。

表2 剩余污泥破解效果

由表2数据可知，该方法对剩余污泥的破解效果显著，破解后的泥饼含水率55.6％，突破了现有污泥破解后含水率难以将至60％以下的瓶颈。沉降时间较现有技术缩短至少10min，同时破解后的污泥无臭味。

实施例3

(1)蛋壳、剩余污泥的取样同实施例1。

(2)改性蛋壳破解剂的制备：

用去离子水对蛋壳进行清洗，除去表面的赃物，100℃烘干，然后用粉碎机对烘干的蛋壳进行粉碎处理并过1.43mm筛；将蛋壳粉末浸泡于4mol/L氢氧化钾溶液中1.5h，过滤除去水分后于800℃焙烧3小时后经粉碎处理，得到粉末A，将粉末A浸泡于2.5mol/L硫酸溶液中1.5h；离心分离除去上层液，收集下层固体进行水洗，然后将水洗后的固体在800℃煅烧3小时，冷却，研磨成粒径在2mm以下的粉末，备用；

(3)破解反应：

按每毫升剩余污泥中加入0.2g改性蛋壳计，取20mL剩余污泥，向其中添加改性蛋壳，置入50mL反应器中，搅拌，制得污泥浆；向装有污泥浆的反应器中引入超声波发生装置，功率设置为280W，反应30分钟，反应完成后取出超声波发生装置,样品冷却至室温，2500r/min离心20min，对固液相进行检测分析。

破解效果检测分析同实施例1。破解效果见表3。

表3 剩余污泥破解效果

由表3数据可知，该方法对剩余污泥的破解效果显著，破解后的泥饼含水率54.7％，低于60％。沉降时间较现有技术缩短至少10min，同时破解后的污泥无臭味。

实施例4

蛋壳、剩余污泥的取样同实施例1；用去离子水对蛋壳进行清洗，除去表面的赃物，100℃烘干，然后用粉碎机对烘干的蛋壳进行粉碎处理并过1.6mm筛；将蛋壳粉末浸泡于4mol/L氢氧化钾溶液中2h，过滤除去水分后于850℃焙烧3小时后经粉碎处理，得到粉末A，将粉末A浸泡于2.5mol/L硫酸溶液中1.75h；离心分离除去上层液，收集下层固体进行水洗，然后将水洗后的固体在850℃煅烧3小时，冷却，研磨成粒径在2mm以下的粉末，备用；按每毫升剩余污泥中加入0.3g改性蛋壳计，取20mL剩余污泥，向其中添加改性蛋壳，置入50mL反应器中，搅拌，制得污泥浆；向装有污泥浆的反应器中引入超声波发生装置，功率设置为360W，反应40分钟，反应完成后取出超声波发生装置,样品冷却至室温，2500r/min离心20min，对固液相进行检测分析。

破解效果检测分析同实施例1。破解效果见表4。

表4 剩余污泥破解效果

由表4数据可知，该方法对剩余污泥的破解效果显著，破解后污泥沉降性能良好，沉降时间较现有技术缩短至少10min，获得的泥饼含水率55.1％，低于60％，同时破解后的污泥无臭味。

实施例5

蛋壳、剩余污泥的取样同实施例1；用去离子水对蛋壳进行清洗，除去表面的赃物，100℃烘干，然后用粉碎机对烘干的蛋壳进行粉碎处理并过2mm筛；将蛋壳粉末浸泡于4mol/L氢氧化钾溶液中3h，过滤除去水分后于900℃焙烧4小时后经粉碎处理，得到粉末A，将粉末A浸泡于2.5mol/L硫酸溶液中2h；离心分离除去上层液，收集下层固体进行水洗，然后将水洗后的固体在900℃煅烧4小时，冷却，研磨成粒径在2mm以下的粉末，备用；按每毫升剩余污泥中加入0.4g改性蛋壳计，取20mL剩余污泥，向其中添加改性蛋壳，置入50mL反应器中，搅拌，制得污泥浆；向装有污泥浆的反应器中引入超声波发生装置，功率设置为480W，反应60分钟，反应完成后取出超声波发生装置,样品冷却至室温，2500r/min离心20min，对固液相进行检测分析。

上述方法处理剩余污泥，破解效果显著，破解后的泥饼含水率55％±1，突破了现有污泥破解后含水率难以将至60％以下的瓶颈；沉降性能良好，沉降时间较现有技术缩短至少10min；运行成本低，使用的破解剂为废物蛋壳，相比现有普遍应用的污泥机械脱水在同等处理规模下能耗降低将近30％；破解后的污泥无臭味，获得的污泥上清液含有大量的蛋白质，可浓缩后开发蛋白泡沫剂，污泥残渣可做建材利用；同时该工艺不需要外加热能、操作方便、安全可靠、绿色环保。当然，这只是本方法所针对的剩余污泥的处理，但并不局限于此，也可适用于其他类型污泥的处理。

以上述及内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按每毫升剩余污泥中加入0.05～0.4g改性蛋壳计，向剩余污泥中加入改性蛋壳，混合均匀制得污泥浆；

(2)用超声波对污泥浆进行超声处理，破解剩余污泥；破解后的泥饼含水率55％±1；

所述的改性蛋壳为粉末状，且粒径在2mm以下；

所述的改性蛋壳是通过以下步骤制备得来的：首先取清洗过的蛋壳烘干并粉碎过筛，得到蛋壳粉末；将蛋壳粉末浸泡于氢氧化钾溶液中0.5～3h后分离得到固体X，将固体X于700～900℃焙烧1～4小时后经粉碎处理，得到粉末A，将粉末A浸泡于硫酸溶液中0.5～2h后分离得到固体Y，将固体Y进行水洗，然后在700～900℃煅烧1～4小时，冷却后研磨成粉末，得到改性蛋壳。

2.根据权利要求1所述的超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法，其特征在于，所述的清洗过的蛋壳在100℃烘干，并粉碎过1～2mm筛。

3.根据权利要求1所述的超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法，其特征在于，所述的氢氧化钾溶液的浓度为4mol/L，硫酸溶液的浓度为2.5mol/L。

4.根据权利要求1所述的超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法，其特征在于，所述的超声处理中采用200～480W的超声波发生装置。

5.根据权利要求1所述的超声波联合改性蛋壳破解剩余污泥的方法，其特征在于，所述的超声处理的时间为10～60分钟。