CN108409091B - 基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂进行污泥脱水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂进行污泥脱水的方法。该方法包括以下步骤：（1）污泥类芬顿氧化：在城市污水处理厂的污泥中投加生物纳米铁‑H2O2的类芬顿试剂进行氧化调理；（2）污泥絮凝：在类芬顿氧化调理后的污泥中投加两性高分子絮凝剂P（AM‑DAC‑SMAS）（简称PADS）；（3）将调理后的污泥混合物进行离心分离，然后将分离的污泥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。本发明采用生物纳米铁‑H2O2类芬顿试剂与两性高分子絮凝剂PADS联用调理污泥，充分发挥两种调理剂的各自优势，有效改善污泥的结构和性质，显著提高污泥脱水效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂P（AM-DAC-SMAS）（简称PADS）进行污泥脱水的方法，属于污泥处理技术领域。
背景技术
污泥的处理处置成为人们关注和研究的热点。城市污水处理厂污泥一般含水率高达98%以上，体积庞大且含有病原微生物、寄生虫卵及重金属等有毒有害物质。如果处置不当，将会对环境造成二次污染。污泥的无害化、减量化、资源化的核心环节是污泥脱水，以实现污泥含水率的降低，减少后续处理的难度。
污泥中水的存在形式可分为间隙水、毛细水、表面吸附水和内部结合水，其中，间隙水可采用机械方法去除，毛细水、表面吸附水含量少可以忽略，而内部结合水只有细胞破壁后才能脱除。目前，细胞破壁多采用化学氧化技术，其中芬顿（Fenton）试剂氧化具有降解有机物、溶解和破解包裹在微生物表面的分子胞外聚合物（EPS）和细胞壁的作用，近年来被广泛应用于改善污泥的脱水性能。Fenton氧化的机理：在酸性条件下，利用Fe2+催化H2O2生成活泼的羟基自由基（·OH），引发和传递了链反应，从而加快有机物的氧化分解。但实际应用中，Fenton氧化需要预先对污泥进行酸化，采用酸液调节pH值,增加了药剂费用，还会对后续处理带来不便。
发明内容
本发明旨在提供一种基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂P（AM-DAC-SMAS）进行污泥脱水的方法，以达到改善污泥脱水性能、实现污泥减量化目的。
本发明采用的生物合成纳米铁是利用植物提取液中的生物活性还原剂将铁盐或亚铁盐还原为纳米零价铁而制得，这些生物活性物质如多酚、黄酮、酶、蛋白质等同时兼有分散剂和稳定剂的作用，以减少纳米颗粒的团聚。而基于生物纳米铁的类芬顿试剂，扩大了pH值的适用范围，污泥调理过程中不需要预先进行酸化调节pH值，简化了工艺流程，减少了操作步骤；且生物纳米铁还可以通过吸附、络合等作用稳定污泥中的重金属，以利于后续污泥的资源化。两性高分子絮凝脱水剂PADS，既具有阳离子单元又具有阴离子单元和中性单元。与传统阳离子高分子絮凝脱水剂相比较，两性高分子絮凝剂pH值适用范围宽，能调理组成成分复杂的污泥，有着更好的污泥脱水性能。
经生物纳米铁-H2O2的类芬顿试剂氧化调理后，污泥的结构发生改变，释放出细胞内部水和EPS表面结合水，但污泥颗粒变小且分散，联用两性高分子絮凝剂PADS，利用PADS对污泥颗粒的强絮凝作用，可以提高污泥脱水固液分离比，进一步增强污泥的脱水性能。
本发明提供了一种基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂PADS进行污泥脱水的方法，利用类芬顿试剂氧化破解分子胞外聚合物EPS和细胞壁，释放出细胞内部水和EPS表面结合水；结合PADS的强絮凝作用，提高污泥脱水的固液分离比，显著改善污泥脱水性能；同时利用生物纳米铁可以稳定污泥中的重金属，为污泥的后续处理和资源化利用奠定基础。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂PADS进行污泥脱水的方法，包括以下步骤：
（1）污泥的类芬顿氧化：在城市污水处理厂浓缩池的静置24h后的污泥中投加生物纳米铁-H2O2的类芬顿试剂进行氧化调理；利用生物纳米铁催化H2O2生成具有强氧化性的羟基自由基（·OH），有效降解有机物，溶解和破坏污泥中的微生物细胞和胞外聚合物EPS，释放细胞内部水及EPS表面结合水；
步骤（1）中，生物纳米铁的投加量：0.05g ~0.2g Fe /g干污泥，H2O2投加量：0.1~0.35g/g干污泥；温度为20~30℃下，搅拌速度200~400r/min，反应50~60min。
（2）污泥的絮凝：在类芬顿氧化调理后的污泥中投加两性高分子絮凝剂PADS：利用PADS将类芬顿氧化调理后形成的结构分散、颗粒粒径小、比表面积大的污泥颗粒絮凝，改善污泥脱水性能，提高污泥脱水中的固液分离比；
步骤（2）中，PADS的投加量为50~200mgPADS/g干污泥，200~500r/min搅拌30~60s后，再以60~100r/min搅拌3~5min。
（3）污泥离心脱水：将调理后的污泥混合物进行离心分离，然后将分离的污泥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；
步骤（3）中，离心分离的条件为：在4000~10000r/min下离心5~10min，污泥含水率由初始的97~99%降低至67~77%。
上述方法中，所述的生物纳米铁是以悬浮液的形式加入到体系中的，悬浮液中Fe的浓度为0.03~0.25mol/L；上述生物纳米铁悬浮液的制备步骤如下：
（1）葡萄多酚提取液的制备：向经烘干粉碎后的葡萄皮或葡萄籽粉末中加入提取剂，于N2保护下加热，所得溶液经离心，离心后的上清液即为葡萄多酚提取液；
（2）生物纳米铁悬浮液的制备：N2保护中，60~100r/min搅拌下，滴加葡萄多酚提取液于亚铁盐溶液中，20~30℃下反应10~30s得到生物纳米铁悬浮液。
进一步地，生物纳米铁悬浮液的制备步骤（1）中，提取条件为：提取剂为蒸馏水或乙醇溶液；提取剂加入量为：1g葡萄皮或葡萄籽粉末加入提取剂15~25mL；提取温度：70~90℃，提取时间：0.5~1h。
进一步地，生物纳米铁悬浮液的制备步骤（2）中，所述亚铁盐溶液为硫酸亚铁、氯化亚铁或硫酸亚铁铵中的一种；亚铁盐溶液浓度为0.1~0.5mol/L；葡萄多酚提取液与亚铁盐溶液的体积比为：1:1~1:2。
上述方法中，投加的H2O2是30wt%的H2O2溶液，H2O2投加量是纯H2O2的投加质量。
上述方法中，所述的两性高分子絮凝剂PADS的制备方法如下：按照丙烯酰胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯磺酸钠物质的量比=70~89:10~20:1~10，分别配制质量分数为10%的丙烯酰胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯磺酸钠的水溶液，将上述配制好的三种单体溶液混合，并倒入装有冷凝和搅拌的装置中，调节pH值为4~8，100~200r/min搅拌下，通氮除氧10~30min；然后向所得混合溶液中加入占三种单体质量分数0.05~0.15%的引发剂过硫酸铵-亚硫酸氢钠，过硫酸铵与亚硫酸氢钠的物质的量比=1:1，50~100r/min下持续搅拌，控制温度40~60℃，通氮气反应3~6h后出料，得到淡黄色胶状粘稠溶液PADS，经真空干燥后，存于干燥器中。
上述方法中，所述的污泥是污水处理厂的浓缩池静置24h后的污泥，pH值为6.5~7.5。
本发明的有益效果：
（1）本发明采用生物纳米铁-H2O2类芬顿试剂与两性高分子絮凝剂PADS联用调理污泥，充分发挥两种调理剂的各自优势，有效改善污泥的结构和性质，显著提高污泥脱水效率；
（2）本发明实施过程中不需要调节污泥的pH值，省去了传统芬顿（Fenton）氧化需要预先加酸液调节pH值的操作，简化了工艺流程，操作更易控制，为污泥处理处置提供了一条新思路；
（3）本发明中加入的生物纳米铁，制备采用的葡萄皮或葡萄籽是葡萄鲜食、榨汁和葡萄酿酒业的废弃部分，天然取材、变废为宝，制备简单，具有经济性、环境友好和资源再利用等特点，同时生物纳米铁还可以通过吸附、络合等作用，稳定污泥中的重金属，为后续污泥的资源化利用奠定基础。
附图说明
图1是生物纳米铁-H2O2类芬顿试剂与两性高分子絮凝剂PADS联用进行污泥脱水的工艺流程图。
图2是分别采用芬顿（对比例1）、生物纳米铁-H2O2类芬顿（对比例2）、生物纳米铁-H2O2类芬顿试剂与两性高分子絮凝剂PADS联用方法（实施例2）调理后的污泥含水率的比较。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
生物纳米铁悬浮液的制备步骤如下：
（1）葡萄多酚提取液的制备：经烘干、粉碎后的葡萄皮渣（葡萄皮与葡萄籽混合物）粉末中，加入体积分数为50%的乙醇溶液提取剂：1g葡萄皮渣粉末中加入提取剂20mL；氮气保护下，于80℃水浴锅中加热提取40min，获得葡萄多酚提取液，经8000r/min离心所得上清液即为葡萄多酚提取液。
（2）生物纳米铁悬浮液的制备：N2保护中，60r/min搅拌下，滴加葡萄多酚提取液于0.3M硫酸亚铁盐溶液中等体积混合，室温下反应10s，得到生物纳米铁悬浮液。
PADS的制备方法如下：分别配制质量分数为10%的丙烯酰胺（简称AM）、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（简称DAC）、甲基丙烯磺酸钠（简称SMAS）的水溶液，按照AM/DAC/SMAS物质的量比80/10/10混合三种单体溶液，并倒入装有冷凝和搅拌的装置中，调节pH值为7，150r/min搅拌下，通氮除氧20min；然后向所得混合溶液中加入占三种单体质量分数0.10%的引发剂过硫酸铵-亚硫酸氢钠，过硫酸铵与亚硫酸氢钠的物质的量比=1:1，50r/min下持续搅拌，控制温度55℃，通氮气反应4h后出料，得到淡黄色胶状粘稠溶液PADS，经真空干燥后，存于干燥器中。
实施例1：
运行过程如附图1所示，某污水处理厂采用SBR生化反应池处理工艺，取其浓缩池污泥（含水率为99%，pH=6.55），浓缩池污泥经重力浓缩沉降24h后，输送至生物纳米铁-H2O2类芬顿氧化池，H2O2投加量：0.26g/（g干污泥），生物纳米铁的投加量：0.08g（Fe）/（g干污泥），400r/min搅拌调理60min；类芬顿氧化反应完全后，用两性高分子絮凝剂PADS对污泥进行絮凝调理，PADS投加量：55mg/（g干污泥），400r/min搅拌30s后，再以60r/min搅拌5min，污泥中的分散细小颗粒被吸附絮凝，实现良好的泥水分离；然后污泥被输送至机械脱水设备进行离心脱水处理，4000rpm下离心10min，污泥的含水率降到77%，最后脱水后的污泥泥饼外运进一步处理，脱出的水分则返回污水处理系统。
实施例2
运行过程如附图1所示，某污水处理厂采用SBR生化反应池处理工艺，取其浓缩池污泥（含水率97.7%，pH=6.76），浓缩池污泥经重力浓缩沉降24h后，输送至生物纳米铁-H2O2类芬顿氧化池，H2O2投加量：0.31g/（g干污泥），生物纳米铁投加量：0.10g（Fe）/（g干污泥），400r/min搅拌调理60min；类芬顿氧化反应完全后，用两性高分子絮凝剂PADS对污泥进行絮凝调理，PADS投加量：160mg/（g干污泥），400r/min搅拌30s后，再以60r/min搅拌5min，污泥中的分散细小颗粒被吸附絮凝，实现良好的泥水分离；然后污泥被输送至机械脱水设备进行离心脱水处理，9000rpm下离心10min，污泥的含水率降到67%，最后脱水后的污泥泥饼外运进一步处理，脱出的水分则返回污水处理系统。
对比例1：采用芬顿调理污泥的方法：
某污水处理厂采用SBR生化反应池处理工艺，取其浓缩池污泥（含水率97.7%，pH=6.76），浓缩池污泥经重力浓缩沉降24h后，进行芬顿氧化，H2O2投加量：0.31g/（g干污泥），硫酸亚铁投加量：0.10g（Fe）/（g干污泥），400r/min搅拌调理60min；9000rpm下离心10min，污泥的含水率降到82%。
对比例2：采用生物纳米铁-H2O2类芬顿调理污泥的方法：
某污水处理厂采用SBR生化反应池处理工艺，取其浓缩池污泥（含水率97.7%，pH=6.76），浓缩池污泥经重力浓缩沉降24h后，进行生物纳米铁-H2O2类芬顿氧化，H2O2投加量：0.31g/（g干污泥），生物纳米铁投加量：0.10g（Fe）/（g干污泥），400r/min搅拌调理60min；9000rpm下离心10min，污泥的含水率降到80.7%。
图2示出了对比例1、对比例2、实施例2中分别采用芬顿、生物纳米铁-H2O2类芬顿、生物纳米铁-H2O2类芬顿试剂与两性高分子絮凝剂PADS联用方法调理后的污泥含水率图。图中可以看出：联用两性高分子絮凝剂PADS调理污泥，可以有效改善污泥的结构和性质，显著提高污泥的脱水效率；不需调节pH值的条件下，生物纳米铁-H2O2类芬顿法比芬顿氧化法的脱水效果好。
实施例3
运行过程如附图1所示，某污水处理厂采用SBR生化反应池处理工艺，取其浓缩池污泥（含水率97.3%，pH=7.26），浓缩池污泥经重力浓缩沉降24h后，输送至生物纳米铁-H2O2类芬顿氧化池，H2O2投加量：0.35g/（g干污泥），生物纳米铁投加量：0.20g（Fe）/（g干污泥），400r/min搅拌调理60min；类芬顿氧化反应完全后，用两性高分子絮凝剂PADS对污泥进行絮凝调理，PADS投加量：120mg/（g干污泥），400r/min搅拌30s后，再以60r/min搅拌5min，污泥中的分散细小颗粒被吸附絮凝，实现良好的泥水分离；然后污泥被输送至机械脱水设备进行离心脱水处理，8000rpm下离心10min，污泥的含水率降到70.5%，最后脱水后的污泥泥饼外运进一步处理，脱出的水分则返回污水处理系统。
Claims (6)
1.基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂进行污泥脱水的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）污泥类芬顿氧化：在城市污水处理厂的污泥中投加生物纳米铁-H2O2的类芬顿试剂进行氧化调理；所述的生物纳米铁是以悬浮液的形式加入到体系中的，悬浮液中Fe的浓度为0.03~0.25mol/L；
生物纳米铁悬浮液的制备步骤如下：
a、葡萄多酚提取液的制备：向经烘干粉碎后的葡萄皮或葡萄籽粉末中加入提取剂，于N2保护下加热，所得溶液经离心，离心后的上清液即为葡萄多酚提取液；
b、生物纳米铁悬浮液的制备：N2保护中，60~100r/min搅拌下，滴加葡萄多酚提取液于亚铁盐溶液中，20~30℃下反应10~30s得到生物纳米铁悬浮液；
葡萄多酚提取液的制备中，提取条件为：提取剂为蒸馏水或乙醇溶液；提取剂加入量为：1g葡萄皮或葡萄籽粉末加入提取剂15~25mL；提取温度：70~90℃，提取时间：0.5~1h；
生物纳米铁悬浮液的制备过程中，所述亚铁盐溶液为硫酸亚铁、氯化亚铁或硫酸亚铁铵中的一种；亚铁盐溶液浓度为0.1~0.5mol/L；葡萄多酚提取液与亚铁盐溶液的体积比为：1:1~1:2；
（2）污泥絮凝：在类芬顿氧化调理后的污泥中投加两性高分子絮凝剂PADS：利用PADS将类芬顿氧化调理后形成的结构分散、颗粒粒径小、比表面积大的污泥颗粒絮凝，改善污泥脱水性能，提高污泥脱水中的固液分离比；
PADS的制备方法为：按照丙烯酰胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯磺酸钠物质的量比=70~89:10~20:1~10，分别配制质量分数为10%的丙烯酰胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯磺酸钠的水溶液，将上述配制好的三种单体溶液混合，并倒入装有冷凝和搅拌的装置中，调节pH值为4~8，100~200r/min搅拌下，通氮除氧10~30min；然后向所得混合溶液中加入三种单体总质量分数0.05~0.15%的引发剂过硫酸铵-亚硫酸氢钠，过硫酸铵与亚硫酸氢钠的物质的量比=1:1，50~100r/min下持续搅拌，控制温度40~60℃，通氮气反应3~6h后出料，得到淡黄色胶状粘稠溶液PADS，经真空干燥后，存于干燥器中；
（3）污泥离心脱水：将调理后的污泥混合物进行离心分离，然后将分离的污泥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。
2.根据权利要求1所述的基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂进行污泥脱水的方法，其特征在于：步骤（1）中，生物纳米铁的投加量：0.05g ~0.2g Fe /g干污泥，H2O2投加量：0.1~0.35g/g干污泥；温度为20~30℃下，搅拌速度200~400r/min，反应50~60min。
3.根据权利要求1所述的基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂进行污泥脱水的方法，其特征在于：步骤（2）中，两性高分子絮凝剂PADS的投加量为50~200mgPADS/g干污泥，200~500r/min搅拌30~60s后，再以60~100r/min搅拌3~5min。
4.根据权利要求1所述的基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂进行污泥脱水的方法，其特征在于：步骤（3）中，离心分离的条件为：在4000~10000r/min下离心5~10min，污泥含水率由初始的97~99%降低至67~77%。
5.根据权利要求1所述的基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂进行污泥脱水的方法，其特征在于：投加的H2O2是30wt%的H2O2溶液，H2O2投加量是纯H2O2的投加质量。
6.根据权利要求1所述的基于生物纳米铁的类芬顿试剂联用两性高分子絮凝剂进行污泥脱水的方法，其特征在于：所述的污泥是污水处理厂的浓缩池静置24h后的污泥，pH值为6.5~7.5。
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