一种冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法

1.本发明涉及污泥处理技术领域，尤其涉及一种冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法。


背景技术：

2.生物废水处理是利用微生物来降解和清除废水中有机物的方法，由于其成本低廉、操作简单并且有稳定的工艺性能，因此是全世界污水处理厂最常采用的技术。然而活性污泥是生物废水处理过程中不可避免的副产物，其含水率极高(95-99％)，体积庞大，如果不减量处置，运输成本极高。脱水是污泥减量处理的关键环节，可以最大限度地减少污泥体积，方便运输，提高能源利用效率。
3.机械脱水是传统的处理方式之一，如离心脱水、真空脱水、带式压滤等，但由于污泥表面电荷和胞外聚合物的存在，污泥机械脱水效果不佳，即使经过机械脱水，其含水量仍然高达75-80％。最终污泥处置过程(如填埋)之前，干燥需要大量的能量，造成了昂贵的运输成本和处置成本。而实际工业中常常对污泥进行预调理，从而改变污泥的性质和状态，改善污泥的脱水性能。现有研究中常用的预调理方式为化学调理和生物调理，化学调理可能会带来二次污染且容易造成设备腐蚀；生物调理对微生物培养条件严格且适用范围窄。
4.工业废盐主要来源于工业生产，包括精细化工、医药生产以及高盐废水的处理等过程。随着我国工业化的发展，工业废盐(如废碳酸盐)产生的规模越来越大。据统计，我国的工业废盐的年产量目前超过2.0
×
107t。工业废盐处理成本高、有毒有害物质多，易对环境造成巨大的危害。因此，如何对工业废盐进行合理的处理处置成为了社会关注的焦点。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供了一种冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，无需使用离心脱水、真空脱水等机械手段，节省设备成本，省时省力，将污泥冻融处理后加入脱水剂，混合均匀，可得到脱水污泥，操作简便，减少脱水设备的使用，脱水效果强于机械脱水处理，且使用了绿色无污染的脱水剂，可以进行回收再利用，本技术在实现污泥非机械脱水的同时，实现工业生产的绿色可持续发展。
6.本发明提供了一种冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，包括如下步骤：
7.s1：将污泥进行冷冻处理，得到冷冻污泥；
8.s2：将所述冷冻污泥融解，得到融解污泥；
9.s3：向所述融解污泥中加入脱水剂，混合均匀；
10.s4：将s3中得到的固相进行洗涤，得到脱水污泥。
11.进一步地，所述步骤s1中，污泥的冷冻温度为-25～-5℃，冷冻时长为4～24h。
12.进一步地，所述脱水剂包括碳酸盐和室温熔融盐，s3中，得到上层固相和下层液相。
13.进一步地，所述污泥、室温熔融盐与碳酸盐三者之间的质量比为20：1.25～1.5：8～15。
14.进一步地，将上层固相进行洗涤，得到含有室温熔融盐的洗涤液，将洗涤液回收后用于污泥脱水。
15.进一步地，向得到的下层液相中加入可溶性钙盐，得到碳酸钙，所述碳酸钙用作吸附剂。
16.进一步地，所述室温熔融盐为季铵盐类室温熔融盐，所述季铵盐类室温熔融盐为四丁基氯盐、四丁基溴盐中的至少一种。
17.进一步地，所述碳酸盐为废碳酸盐。
18.进一步地，所述步骤s2中，所述冷冻的污泥在室温下融解。
19.进一步地，所述步骤s4中得到的脱水污泥直接填埋。
20.本技术中，将污泥至于冷冻设备中进行冷冻处理，得到冷冻的污泥，再在室温条件下等待污泥融解，经过冷冻和融解两个过程，污泥的水固热动力学平衡状态被打破，污泥稳定的胶体状态被打破，使污泥疏松的絮状结构发生了不可逆转变，污泥颗粒团聚粒径变大，使污泥脱水性增强，使污泥释放水的通道更大更畅通，污泥中部分结合水转变为自由水，并且污泥的亲水性减弱、疏水性增强，提高固相和液相的分层效果；向融解后的污泥中加入脱水剂，充分混匀，得到分层的固相和液相，优选的，脱水剂包括碳酸盐和室温熔融盐，由于脱水剂中的碳酸盐比脱水剂中的室温熔融盐更加亲水，使得水分子在靠近废碳酸盐时更易形成氢键网络，由于室温熔融盐包裹的脱水污泥密度小于碳酸盐溶液，因此所述废碳酸盐与污泥中的水分形成下层液相，所述室温熔融盐与脱水后疏水性更强的污泥形成上层固相，将上层固相收集后进行洗涤以除去室温熔融盐，即可得到脱水污泥。
21.本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下有益效果：
22.(1)本发明提供的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，冻融后的污泥其水固热动力学平衡状态被打破，污泥稳定的胶体状态被打破，污泥絮体原本疏松的网状结构发生了不可逆的破坏，使污泥颗粒团聚尺寸变大且更加致密、强度增加、压缩性降低，并且疏水性增强，胞外聚合物被破坏，部分结合水转变为自由水，有利于在脱水剂的作用下进一步改善脱水性能；
23.(2)本发明提供的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，脱水剂中的碳酸盐比脱水剂中的室温熔融盐更加亲水，使得水分子在靠近碳酸盐时更易形成氢键网络，碳酸盐与污泥中的水形成下层水相，而室温熔融盐与暴露了多糖蛋白质的污泥形成疏水性较强的固体团聚物，实现污泥固体和水分的分离，污泥冻融后再加入脱水剂，可以提高污泥分层效果以及脱水效果；
24.(3)本发明提供的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，脱水效率高且无二次污染，可使污泥含水率降到46.63％左右，有效提高脱水效率且无需机械处理，大大降低运行成本，省时省力，适用于实际应用；
25.(4)本发明提供的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，脱水剂中的碳酸盐可采用废碳酸盐，大大提高了废盐的利用率，实现了废盐的资源化再利用，在环境保护和资源利用等方面具有重要的实用价值；
26.(5)本发明提供的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，加入脱水
剂后得到的下层液相，为高浓度的碳酸盐溶液，加入可溶性钙盐后，可合成吸附剂碳酸盐，可用于废水处理。
附图说明
27.图1为本发明实施例1-3中污泥含水率的对比图；
28.图2为本发明合成碳酸钙与商用碳酸钙的ftir对比图；
29.图3为本发明不同投加量的合成碳酸钙对重金属pb
2+
的吸附效果图；
30.图4为本发明不同投加量的合成碳酸钙对p的吸附效果图；
31.图5为本发明不同冻融温度处理后与原污泥的脱水效果对比；
32.图6为本发明不同冻融时间处理后和原污泥的脱水效果对比。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明提供了一种冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，包括如下步骤：
35.s1：将污泥进行冷冻处理，得到冷冻污泥；
36.具体的，将待处理的污泥进行冷冻处理，污泥优选活性污泥，冷冻温度为-25～-5℃，冷冻时长为4～24h，冷冻时间以及冷冻温度可以示污泥情况而定。
37.s2：将所述冷冻污泥融解，得到融解污泥；
38.具体的，将冷冻好的污泥置于室温融解，直至融解完全。优选的，为了便于污泥冷冻和融解，对于大体量的待处理污泥，可以将污泥分成多份，进行冷冻和融解，提高冻融效率，缩短冻融时间。
39.s3：向所述融解污泥中加入脱水剂，充分混合均匀，可固液分层，得到分层的固相和液相；
40.具体的，所述脱水剂包括碳酸盐和室温熔融盐，将脱水剂投加到融解污泥中，室温下充分混合，可通过搅拌使得脱水剂与污泥混合均匀，混合均匀后停止搅拌，污泥固体快速稳定聚浮，自然分层得到固相和液相，所述碳酸盐与所述融解污泥中的水分形成下层液相，所述室温熔融盐与所述融解污泥形成上层固相。其中，下层液相为高浓度碳酸盐溶液，上层固相为室温熔融盐与脱水后的污泥团聚体；上层固相和下层液相体积比近乎1:20，由此可见，污泥中大量水分得以脱除。
41.s4：将s3中得到的固相进行洗涤，得到脱水污泥。
42.具体的，加入脱水剂后得到的固相中含有室温熔融盐，对固相进行洗涤后，收集到的洗涤液中含有室温熔融盐，可回收再利用，继续用于污泥脱水。上层固相回收室温熔融盐后得到的脱水污泥，可直接用于填埋。优选的，可采用少量水进行洗涤。
43.优化实施方式，所述污泥、室温熔融盐与碳酸盐三者之间的质量比为20：1.25～1.5：8～15；优选的，所述污泥、室温熔融盐与碳酸盐三者之间的质量比为20:1.5:10。
44.优化实施方式，向得到的下层液相中加入可溶性钙盐，可溶性钙盐与碳酸盐反应得到碳酸钙，碳酸钙可用作吸附剂，用于吸附含磷废水中的磷或含铅废水中的铅。优选的，可溶性钙盐可以选用氯化钙，当然，也可以根据需求选择其他的可溶性钙盐。
45.具体而言，污泥加入脱水剂后分层，对两相进行分离，得到上层固相和下层液相，向下层液相中投加可溶性钙盐，保证其钙碳元素比为1:1，在室温下进行振荡5h，然后在室温下陈化24h，反应完全后固液分离，沉淀经水洗后于105℃烘干至恒重，即得到吸附剂碳酸钙。
46.优化实施方式，所述室温熔融盐包括但不限于季铵盐类室温熔融盐，季铵盐类室温熔融盐对胞外聚合物具有较好的溶解性能，所述季铵盐类室温熔融盐优选四丁基氯盐、四丁基溴盐中的至少一种；所述季铵盐类室温熔融盐优选四丁基溴盐。
47.优化实施方式，所述碳酸盐包括但不限于废碳酸钾、废碳酸钠中的至少一种，优选废碳酸钾。可资源化利用工业废盐，以废治废，将废盐转变为有经济效益的副产品，保护环境，且提高经济效益。
48.实施例1
49.取某城市污水处理厂的二沉池污泥，将污泥过筛，以除去颗粒较大的砂石以及其他杂质，可采用1mm孔径的不锈钢筛网进行过筛；将活性污泥放入温度为-25℃的冷冻设备中，冷冻时间为4h，然后取出冷冻的污泥，在室温下融解；在融解污泥中加入脱水剂，将融解污泥、四丁基氯盐、碳酸钾进行混合，其比例为融解污泥：四丁基氯盐：碳酸钾＝20：2.5：15，室温下充分搅拌2分钟，静置后随即分相为上下两层，上层固相为偏黄褐色粘稠物，下层液相为淡黄色清液，将上层固相和下层液相分离。
50.称量上层偏黄褐色粘稠物的质量后，放入冷冻干燥机进行干燥处理，干燥10h后，称取干燥后固体质量，干燥前后质量差值，即为脱水后污泥的含水质量，含水率为64.87％；将上层偏黄褐色粘稠物进行多次洗涤，将洗涤液浓缩至一定浓度，得到再生室温熔融盐，并进行回用。
51.取下层液相，加入可溶性钙盐，搅拌均匀，可得到碳酸钙，可用作吸附剂。
52.实施例2
53.取某城市污水处理厂的二沉池污泥，将污泥过筛，以除去颗粒较大的砂石以及其他杂质，可采用1mm孔径的不锈钢筛网进行过筛；将活性污泥放入温度为-5℃的冷冻设备中，冷冻时间为24h，然后取出冷冻的污泥，在室温下融解；在融解污泥中加入脱水剂，将融解污泥、四丁基氯盐、碳酸钾进行混合，其比例为融解污泥：四丁基氯盐：碳酸钾＝20：1.25：8，室温下充分搅拌2分钟，静置后随即分相为上下两层，上层固相为偏黄褐色粘稠物，下层液相为淡黄色清液，将上层固相和下层液相分离。
54.称量上层偏黄褐色粘稠物的质量后，放入冷冻干燥机进行干燥处理，干燥10h后，称取干燥后固体质量，干燥前后质量差值，即为脱水后污泥的含水质量，含水率为61.50％；将上层偏黄褐色粘稠物进行多次洗涤，将洗涤液浓缩至一定浓度，得到再生室温熔融盐，并进行回用。
55.取下层液相，加入可溶性钙盐，搅拌均匀，可得到碳酸钙，可用作吸附剂。
56.实施例3
57.取某城市污水处理厂的二沉池污泥，将污泥过筛，以除去颗粒较大的砂石以及其
他杂质，可采用1mm孔径的不锈钢筛网进行过筛；将活性污泥放入温度为-15℃的冷冻设备中，冷冻时间为18h，然后取出冷冻的污泥，在室温下融解；在融解污泥中加入脱水剂，将融解污泥、四丁基溴盐、碳酸钾进行混合，其比例为融解污泥：四丁基溴盐：碳酸钾＝20：1.5：10，室温下充分搅拌2分钟，静置后随即分相为上下两层，上层固相为偏黄褐色粘稠物，下层液相为淡黄色清液，将上层固相和下层液相分离。
58.称量上层偏黄褐色粘稠物的质量后，放入冷冻干燥机进行干燥处理，干燥10h后，称取干燥后固体质量，干燥前后质量差值，即为脱水后污泥的含水质量，含水率为46.63％；将上层偏黄褐色粘稠物进行多次洗涤，将洗涤液浓缩至一定浓度，得到再生室温熔融盐，并进行回用。
59.取下层液相，加入废氯化钙，搅拌均匀，保持其钙碳比为1:1，在室温下振动5h，又在室温下陈化24h，反应完全后固液分离，沉淀经水洗后与105℃烘干至恒重，得到吸附剂碳酸钙产品。
60.如说明书附图1所示，为原污泥、实施例1、实施例2以及实施例3的污泥含水率，结果显示，实施例3中，污泥采用冷冻温度-15℃，冷冻时间18h进行冻融，并添加室温熔融盐为四丁基溴盐的脱水剂，可以得到很好的脱水效果，脱水污泥含水率为46.63％。
61.实施例4
62.对实施例3得到的碳酸钙产品，采用傅里叶变换红外光谱仪对合成碳酸钙进行表征，并与商用碳酸钙进行比对，如说明书附图2所示，实施例3中得到的碳酸钙与商用碳酸钙的红外光谱图一致。
63.分别称取5mg、10mg、20mg、40mg、60mg的实施例3得到的碳酸钙吸附剂加入体积为50ml，浓度为50mg
·
l-1
pb
2+
溶液中，溶液ph为5，在30℃、转速170r/min条件下反应240min，经0.22μm滤头过滤，利用icp测定pb
2+
浓度，测试不同碳酸钙投加量对pb
2+
的吸附量，如说明书附图3所示，结果显示，碳酸钙对pb
2+
具有良好的吸附效果，当吸附剂用量为800mg/l时，铅的吸附效果最好,这是由于水溶液中铅的吸附位点数目增加所致。
64.实施例5
65.分别称取30mg、60mg、100mg、200mg、300mg的实施例3得到的碳酸钙吸附剂加入体积为50ml，浓度为20mg
·
l-1
磷酸盐溶液中，溶液ph为7，在30℃、转速170r/min条件下反应240min，经0.22μm滤头过滤，利用icp测定p元素的浓度，测试不同碳酸钙投加量对磷的吸附量，如说明书附图4所示，碳酸钙对磷有良好的吸附效果，当吸附剂用量为6
×
103mg/l时，磷的吸附效果最好，这是由于水溶液中磷的吸附位点数目增加所致。
66.对比例1
67.取某城市污水处理厂的二沉池污泥，将污泥过筛，以除去颗粒较大的砂石以及其他杂质，可采用1mm孔径的不锈钢筛网进行过筛；将活性污泥放入温度为-5℃的冷冻设备中，冷冻时间为18h，后取出待室温融解，取少量融解后的污泥测试毛细吸水时间(cst)、污泥比阻(srf)。
68.对比例2
69.取某城市污水处理厂的二沉池污泥，将污泥过筛，以除去颗粒较大的砂石以及其他杂质，可采用1mm孔径的不锈钢筛网进行过筛；将活性污泥放入温度为-15℃的冷冻设备中，冷冻时间为18h，后取出待室温融解，取少量融解后的污泥测试毛细吸水时间(cst)、污
泥比阻(srf)。
70.对比例3
71.取某城市污水处理厂的二沉池污泥，将污泥过筛，以除去颗粒较大的砂石以及其他杂质，可采用1mm孔径的不锈钢筛网进行过筛；将活性污泥放入温度为-25℃的冷冻设备中，冷冻时间为18h，后取出待室温融解，取少量融解后的污泥测试毛细吸水时间(cst)、污泥比阻(srf)。
72.说明书附图5对比了原污泥、对比例1、对比例2、对比例3中的cst(图a)、srf(图b)值，结果表明当冷冻温度为-15℃时，污泥脱水效果优于其他冷冻温度。因此对此温度开展冷冻时间的进一步优化，见对比例4和对比例5。
73.对比例4
74.取某城市污水处理厂的二沉池污泥，将污泥过筛，以除去颗粒较大的砂石以及其他杂质，可采用1mm孔径的不锈钢筛网进行过筛；将活性污泥放入温度为-15℃的冷冻设备中，冷冻时间为4h，后取出待室温融解，取少量融解后的污泥测试毛细吸水时间(cst)、污泥比阻(srf)。
75.对比例5
76.取某城市污水处理厂的二沉池污泥，将污泥过筛，以除去颗粒较大的砂石以及其他杂质，可采用1mm孔径的不锈钢筛网进行过筛；将活性污泥放入温度为-15℃的冷冻设备中，冷冻时间为11h，后取出待室温融解，取少量融解后的污泥测试毛细吸水时间(cst)、污泥比阻(srf)。
77.说明书附图6对比了对比例2、对比例4、对比例5中的cst(图a)、srf(图b)值，结果表明当冷冻温度为-15℃时，冷冻温度为18h时，污泥脱水效果最优。
78.本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神和范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为此实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

技术特征：
1.一种冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：将污泥进行冷冻处理，得到冷冻污泥；s2：将所述冷冻污泥融解，得到融解污泥；s3：向所述融解污泥中加入脱水剂，混合均匀；s4：将s3中得到的固相进行洗涤，得到脱水污泥。2.根据权利要求1所述的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，其特征在于，所述步骤s1中，污泥的冷冻温度为-25～-5℃，冷冻时长为4～24h。3.根据权利要求1所述的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，其特征在于，所述脱水剂包括碳酸盐和室温熔融盐，s3中，得到上层固相和下层液相。4.根据权利要求3所述的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，其特征在于，所述污泥、室温熔融盐与碳酸盐三者之间的质量比为20：1.25～1.5：8～15。5.根据权利要求3所述的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，其特征在于，将上层固相进行洗涤，得到含有室温熔融盐的洗涤液，将洗涤液回收后用于污泥脱水。6.根据权利要求3所述的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，其特征在于，向得到的下层液相中加入可溶性钙盐，得到碳酸钙，所述碳酸钙用作吸附剂。7.根据权利要求3所述的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，其特征在于，所述室温熔融盐为季铵盐类室温熔融盐，所述季铵盐类室温熔融盐为四丁基氯盐、四丁基溴盐中的至少一种。8.根据权利要求3所述的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，其特征在于，所述碳酸盐为废碳酸盐。9.根据权利要求1所述的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述冷冻的污泥在室温下融解。10.根据权利要求1所述的冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法，其特征在于，所述步骤s4中得到的脱水污泥直接填埋。

技术总结
本发明涉及污泥处理技术领域，尤其涉及一种冻融和脱水剂耦合实现非机械污泥深度脱水的方法；该方法包括如下步骤：S1：将污泥进行冷冻处理，得到冷冻污泥；S2：将所述冷冻污泥融解，得到融解污泥；S3：向所述融解污泥中加入脱水剂，混合均匀；S4：将S3中得到的固相进行洗涤，得到脱水污泥。本发明中污泥先进行冻融，其水固热动力学平衡状态被打破，污泥稳定的胶体状态被打破，污泥絮体原本疏松的网状结构发生了不可逆的破坏，使污泥颗粒团聚尺寸变大且更加致密、强度增加、压缩性降低，并且疏水性增强，胞外聚合物被破坏，部分结合水转变为自由水，有利于在脱水剂的作用下进一步改善脱水性能。能。能。


技术研发人员：陈朱琦 刘卓 罗放
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/24