一种采用穿孔凝缩技术进行生物污泥脱水的新方法

摘要

本发明揭示了一种生物污泥高效脱水的方法，处理后的污泥含水量低于50％。经过自身酶催化处理后的生物污泥在电压为25kV/cm－120kV/cm、频率为1000Hz－10000Hz高压脉冲电场和作为穿孔剂的浓硫酸或三氧化硫的协同作用下，污泥中微生物细胞结构被破坏。从破碎的细胞中释放出来后的蛋白质、核酸和其它生物大分子物质被新产生的硫酸钙(硫酸与碳酸钙或氧化钙中和反应生成的产物)和阴或阳离子型聚丙烯酰胺凝聚脱水形成结构致密的大块污泥凝聚体，后者被投入压榨脱水机械脱去游离的水分。

说明书

技术领域

本发明涉及一种污水处理厂污泥脱水的新方法，特别是涉及一种采用穿孔凝缩技术处理污水处理厂产生的生物污泥，使其含水量大幅度降低的方法，属于环境保护与资源化利用领域，尤其适用于污泥的减量化处理方面。

背景技术

生物污泥是污水处理厂采用生物法(尤其是活性污泥法)对城市生活及工业污水进行处理时产生的沉淀物。它除了含有未被完全沉降去除的少量泥沙外，主要含有水和有机物质。后者包括纤维素、毛发、微生物细胞(各类微生物细胞和原虫卵)、微生物产生的胶体状代谢产物和污水中未被完全消化的有机物等。污泥的含水量高达70％-90％。由于含有大量的微生物(包括致病微生物)和有机物以及丰富的氮、磷、钾等营养物质，未经合理处置的污泥会很快腐败，散发恶臭，对环境造成严重污染及疾病的传播。

随着城市化进程的快速发展，城市污水处理厂大量增加。污水处理厂污泥的妥善处理已经成为市政管理部门迫在眉睫需要解决的问题，也是全球共同关注的课题。污泥的处理处置技术必须建立在保护生态环境、治理环境污染的基础上，以“减量化、稳定化、无害化”为目标，尽可能地利用污泥处理处置过程中产生的能量和物质，实现无害化和资源化利用。

目前常用的污泥处置方法主要有深海倾倒法、焚烧法、填埋法和干燥制肥等方法。

将污泥运到深海倾倒不仅运输费用高昂，而且也污染环境，事实上是一种污染转移的处置方法。

以焚烧为核心的处理方法是最彻底的处理方法，它的技术优势在于处理的彻底性，其减容率可达到95％左右，其有机物被完全被氧化，重金属(除汞外)几乎全部截流在灰渣中。其缺点在于污泥焚烧前必须通过高耗能物理学方法干化至半干。目前的干化设备主要靠进口，处理设施投资大，建设和运转费用太高，国内一般难以承受。如将生化污泥进行直接焚烧，必须向污泥中添加燃料，势必造成能量的浪费和增加温室气体的排放。

卫生填埋操作简单、费用低，但是渗漏液难处理，影响地下水系。并且国内的一些垃圾填埋厂禁止含水80％的脱水污泥直接进入填埋厂，原因不仅有渗漏液的问题，关键由于污泥含水率高，各种压实设备无法工作，造成填埋厂无法运行。污水处理厂的新鲜污泥含水率都很高，一般在70％-90％之间。如此高含水率的污泥给其最终处置带来诸多问题。例如，将高含水率的污泥进行填埋，污泥的流动性势必给填埋工作带来额外的工作量。高流动性的污泥会赌塞垃圾填埋场内铺设的填埋气收集管道，影响填埋气的收集利用，也会造成填埋场塌陷和滑坡等危害。现阶段一些填埋厂只允许含水40％以下的污泥进入填埋厂。而资料表明当前我国污水污泥的处置方式中60％为填埋法。

影响我国污泥处理处置进程的主要因素是污泥处理成本太高。从这个角度出发，要真正实现污泥的无害化和资源化，污泥减量化是首先需要考虑的问题。这是由于污泥处理成本主要包括厂内传输费用、厂外传输费用和填埋费用，而影响污泥处理处置成本的最主要因素是污泥的含水率。在污泥处理处置的严峻形势下，无论从污泥处理成本角度来考虑，还是从污泥最终处置的技术方面来看，寻求合理的污泥脱水减量方法已经成为污泥处置要解决的首要问题。

生物污泥中的水分主要以结合水的形式存在于污泥中的微生物细胞中。一般来说，若直接采用机械脱水的方法仅仅可以去除微生物细胞间的水分，获得20％-30％含固率的泥饼，其含水率仍然较高。若要进一步去除污泥中的水分，必须破坏污泥中微生物的细胞结构和增加污泥的疏水性能。

国外已有一些发明者提出利用化学手段与机械手段降低污泥含水量的方法。例如，1977年Talbert年在美国专利US 4038180中提出，可以利用100％浓硫酸或三氧化硫处理污水处理厂产生的脱水污泥。在硫酸浓度达到50％时，借助于硫酸的吸水作用和产生的热量将污泥中的水分蒸发。残存的硫酸用氨中和后，可以获得含75％硫酸铵的复合肥料。但是其手段比较单一，处理不够彻底，处理后的产物中仍含有25％污泥物质。在1983年发表的专利US 4377486中，Barrick和Zarur提出先利用硫酸将高含水量脱水污泥的pH值降低至3-5，然后加入次氯酸或双氧水、高锰酸、重铬酸等强氧化剂破坏污泥中的微生物细胞。最后用机械过滤，产生的泥饼不需添加燃料即可焚烧。Highsmith等人在1991年公开的专利US 4988442中，叙述了用高温处理污泥使污泥灭活和脱水的方法。该方法是将污泥在125℃高温下处理后，再用高速离心机离心，获得含水量降低的污泥。此后，再向分离出的污泥中添加化学絮凝剂，并利用机械方法进一步脱水获得可无害化处置的污泥泥饼。在2001年9月公开的专利US0023850 A1中，Millard发表的了利用石灰等碱性物质处理污泥的方法。该方法借助于氢氧化钙产生的高碱性和石灰水化反应中产生的热量杀死微生物和蒸发污泥中的水分。Thodore在2006年发表的专利US 0043025 A1中提出：利用二氧化硫将污水处理厂产生的污泥酸化至pH2.0后，经过24小时至48小时的处理，借助于亚硫酸的对污泥的凝聚作用和杀菌能力使污泥脱水和稳定；再经机械脱水后可产生含水量为30％-40％的半干污泥泥饼。

在美国专利US 5785852中，Rivard等人揭示了利用热和压力喷射产生的剪切力相结合的方法破坏污泥中微生物细胞的完整性，使细胞内容物释放出来的方法。

自19世纪末以来，国内外对高压电场的杀菌效应进行了广泛的研究。在美国专利US1900509、2428328、2428329、3594115、4457221和德国专利1946267、2907887中均提到了利用高压电场破坏微生物细胞的方法。低电场强度下产生的低频交流电对微生物的致死效应是电解化学作用和由电流产生的热效应产生的杀菌功效。美国专利US 5048404中揭示了利用这种致死效应延长乳制品、天然果汁、蛋类、啤酒、葡萄酒、汤食、炖食、肉汁、含固体颗粒食品或浆状食品等易腐败食品保存期限的方法和装置。实验研究表明，高压电弧放电可以产生电液压冲击波。采用高压脉冲电场技术对各种食品进行加工，可以有效杀死致病和腐败微生物及不利的酶类。但是，由于脉冲放电杀菌时产生的电解化学产物容易造成食品污染，大大限制了该技术在液态食品保存方面的应用。除了具有杀菌作用外，近年来，Sale、Hulsheger、Zimmermann和Kinositas等人分别对高压脉冲电场对非营养介质中微生物细胞膜的半渗透性屏障功能可逆或不可逆的失效方面进行了研究。研究结果表明，在细胞膜上施加高压脉冲电场可以降低细胞膜强度，增加微生物细胞和细胞膜的渗透性，使细胞最终发生破裂，内容物外泄，外界物质进入细胞内部。在非营养介质中，影响电场杀菌的因素主要包括电场强度临界值和高压脉冲电场的施加时间。细胞膜穿孔效应假说认为，外部电场的短时间作用可以增大跨膜电势，当跨膜电势达到可以使膜失效的电场强度临界值后，细胞膜渗透性剧增。而细胞膜渗透性的增加可以降低由于其渗透压的差异对细胞内容物和环境物质互相渗透的抵抗能力。在非营养介质中，细胞膜内外电势差的存在不仅增强了细胞膜的渗透能力，同时，由于细胞内容物的外泄和细胞结构不可逆的破坏使细胞丧失自我修复能力。

尽管高压脉冲场的这种杀菌作用应用已经比较广泛，但是，目前使用高压脉冲电场来处理生物污泥的研究并不是很多。Held曾在其发明专利US 6030538中揭示了利用高压脉冲电场和微波加热的方式可以杀死污泥中的微生物，有效降低生物污泥的含水量。

发明内容

本发明提供了一种运行成本低廉、脱水效能高的污泥脱水的新方法，适用于各种采用生物法处理污水时产生的污泥。此法在低投入的条件下，可以使污泥的含水量降低至50％。由于利用这一方法产生的半干污泥中的致病微生物被全部杀死、重金属元素也已被固定，可被植物利用的氮磷等元素保存完好，处理后得到的污泥泥饼可以作为优质的有机肥料进行农用或绿化，可以直接作为燃料焚烧产生电能，也可以直接填埋处置。

本发明揭示的采用穿孔凝缩技术进行生物污泥脱水新方法的工作原理为：

1.污水处理厂出来的脱水生物污泥经过至少3天到4天的自身酶催化反应后，对其施加高压脉冲电场进行处理。高压脉冲电场产生的跨膜电势改变微生物细胞膜的结构；

2.加入浓硫酸或三氧化硫进一步破坏污泥中微生物的细胞壁和细胞膜。在微生物细胞内高渗透压的作用下，细胞内的蛋白质、核酸等生物大分子物质从破损的细胞中喷发出来，形成胶体状污泥；

3.加入的碳酸钙或氧化钙在中和硫酸时产生的新生硫酸钙对从细胞内喷发出的蛋白质、核酸等生物大分子物质产生的凝聚作用和投入的阴离子型聚丙烯酰胺或阳离子型聚丙烯酰胺的共同作用下，生物大分子物质胶体的稳定性遭到破坏，变成疏水状态，促使胶体状污泥凝聚释放出一般处理方法无法去除的结合水，并形成结构致密的污泥块。后者在螺杆式压榨脱水机或者带式压滤机、板框压滤机、真空压滤机的挤压下形成含水量小于50％的半干泥饼；

4.加入的硫酸和碳酸钙或氧化钙还能同重金属离子形成稳定的、难溶的重金属沉淀，使重金属离子得以固定。

本发明所述的采用穿孔凝缩技术进行生物污泥脱水的新方法具体包括如下步骤：(1)将污水处理厂出来的生物污泥放置至少3天到4天，进行污泥的自身酶催化处理；(2)对经过自身酶催化处理后的生物污泥施加电压为25kV/cm-120kV/cm、频率为1000Hz-10000Hz的高压脉冲电场；(3)在搅拌条件下，向污泥中加入浓硫酸或三氧化硫，充分混合使混合物pH值降至1.0以下，酸化15分钟至4小时；(4)向酸化后的污泥中添加与污泥体积相等的碳酸钙粉末或氧化钙粉末的水悬浊液，将酸化污泥中和至pH5.0；(5)在缓慢搅拌条件下，再向其中添加用量等于未处理污泥体积5％-10％的、浓度为0.15％-0.2％的阴离子型聚丙烯酰胺或阳离子型聚丙烯酰胺(分子量为8000000-10000000)溶液，继续搅拌5分钟后停止搅拌；(6)将凝聚的污泥注入污泥螺杆式压榨脱水机或者带式压滤机、板框压滤机和真空压滤机等过滤设备，获得含水量小于50％的半干污泥泥饼。

附图说明

图1为本发明所揭示的采用穿孔凝缩技术进行生物污泥脱水新方法的技术路线图。其中，1为含水70％-90％的脱水生物污泥，2为酶催化自溶作用，3为高压脉冲电场处理，4为变性污泥，5为污泥胶体，6为机械压榨脱水，7半干污泥泥饼，8为微生物细胞穿孔剂，9为污泥凝缩剂。

图2为本发明所述的污泥脱水系统的工艺流程示意图。

整个系统包括污泥储仓1、浓料泵2、高压脉冲穿孔器3、穿孔反应罐4、穿孔剂储仓5、计量泵6、穿孔污泥储仓7、单螺杆泵8、臭气处理系统9、调理搅拌罐10、凝缩剂储仓11、给料器12、凝缩剂水力输送装置13、回用水泵14、回用水处理系统15、单螺旋泵16、污泥螺杆式压榨脱水机17、皮带式输送机18、干化污泥堆场19。使用本发明所述的方法对污泥进行脱水的工作流程是先将由污水处理厂排出的生物污泥放置于污泥储仓1内进行自身酶催化处理。出来的污泥经过浓料泵2的输送进入高压脉冲穿孔器3，进行污泥脱水性能的改善处理。利用计量泵6将穿孔剂储仓5内的微生物细胞穿孔剂打入穿孔反应罐4，使之与进入穿孔反应罐4的污泥进行穿孔反应，形成胶体状污泥。得到的胶体状污泥储存在穿孔污泥储仓7内，再经由单螺杆泵8送入调理搅拌罐10进行凝缩处理。凝缩剂储仓11内的污泥凝缩剂经由给料器12进入凝缩剂水力输送装置13，在凝缩剂水力输送装置13内与回用水混合配制得到凝缩剂悬浊液。将凝缩处理后得到的凝聚污泥经由单螺旋泵16注入污泥螺杆式压榨脱水机17进行污泥压榨处理，即可获得含水量小于50％的半干污泥泥饼。再将得到的泥饼通过皮带式输送机18输送至干化污泥堆场19堆放，进行后续处置。将调理搅拌罐10的上清液和污泥螺杆式压榨脱水机17中的压榨液混合后在回用水处理系统15内进行处理，其出水可以达到GB/T18920-2002规定的中水回用标准，使用回用水泵14将得到的中水送入凝缩剂水力输送装置13进行凝缩剂悬浊液的配制。在穿孔污泥储仓7内进行污泥的穿孔反应时会释放出大量的恶臭气体，这些恶臭气体需要经过臭气处理系统9的处理后才可以排至大气中。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明予以说明，但它并不限制本发明的保护范围。

实施例1

取污水处理厂含水量为85％的生物污泥100kg，放置于污泥储仓内3天，进行污泥的自身酶催化处理。对经过自身酶催化处理后的污泥施加电压为100kV/cm、频率为10000Hz的高压脉冲处理；再向其中加入浓硫酸，充分混合使混合物pH值降至1.0以下，酸化15分钟。向酸化污泥中添加100L回用水和碳酸钙粉末，将酸化污泥中和至pH5.0。在缓慢搅拌条件下，再向其中添加10L浓度为0.17％分子量为10000000的阳离子型聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌5分钟后停止搅拌。将凝聚的污泥注入污泥螺杆式压榨脱水机进行压榨处理后获得含水量为45％的半干污泥泥饼，可以用作优质肥料进行农用、绿化或者用作燃料进行焚烧。

实施例2

取污水处理厂含水量为75％的生物污泥100kg，放置于污泥储仓内4天，进行污泥的自身酶催化处理。对经过自身酶催化处理后的污泥施加电压为50kV/cm、频率为1750Hz的高压脉冲电场；再向其中加入浓硫酸，充分混合使混合物pH值降至1.0以下，酸化30分钟。向酸化污泥中添加100L回用水和氧化钙粉末，将酸化污泥中和至pH5.0。在缓慢搅拌条件下，再向其中添加10L浓度为0.18％分子量为10000000的阳离子型聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌5分钟后停止搅拌。将凝聚的污泥注入真空压滤脱水机进行压榨处理后获得含水量为50％的半干污泥泥饼，可以用作优质肥料进行农用、绿化或者用作燃料进行焚烧。。

实施例3

取污水处理厂含水量为80％的生物污泥100kg，放置于污泥储仓内3.5天，进行污泥的自身酶催化处理。对经过自身酶催化处理后的污泥施加电压为25kV/cm、频率为1950Hz的高压脉冲电场；再向其中通入三氧化硫气体，充分混合使混合物pH值降至1.0以下，酸化15分钟。向酸化污泥中添加100L回用水和碳酸钙粉末，将酸化污泥中和至pH5.0。在缓慢搅拌条件下，再向其中添加5L浓度为0.18％分子量为9000000的阴离子型聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌5分钟后停止搅拌。将凝聚的污泥注入真空压滤脱水机进行压榨处理后获得含水量为48％的半干污泥泥饼，可以用作优质肥料进行农用、绿化或者用作燃料进行焚烧。

实施例4

取皮革加工污水处理厂含水量为85％的生物污泥100kg，放置于污泥储仓内3天，进行污泥的自身酶催化处理。对经过自身酶催化处理后的污泥施加电压为65kV/cm、频率为1000Hz的高压脉冲电场；再向其中通入三氧化硫气体，充分混合使混合物pH值降至1.0以下，酸化4小时。向酸化污泥中添加100L回用水和氧化钙粉末，充分中和酸化过程后剩余的硫酸至pH5.0。在缓慢搅拌条件下，再向其中添加10L浓度为0.17％分子量为10000000的阴离子型聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌5分钟后停止搅拌。将凝聚的污泥注入板框压滤机进行压榨处理后获得含水量为45％的半干污泥泥饼，可以用作优质肥料进行农用、绿化或者用作燃料进行焚烧。

实施例5

取印染污水处理厂含水量为80％的印染生物污泥100kg，放置于污泥储仓内3天，进行污泥的自身酶催化处理。对经过自身酶催化处理后的污泥施加电压为120kV/cm、频率为1000Hz的高压脉冲电场；再向其中加入浓硫酸，充分混合使混合物pH值降至1.0以下，酸化50分钟。向酸化污泥中添加100L浓度为3.2％的碳酸钙粉末悬浊液，充分中和酸化过程后剩余的硫酸至pH5.0。在缓慢搅拌条件下，再向其中添加5L浓度为0.19％分子量为8000000的阳离子型聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌5分钟后停止搅拌。将凝聚的污泥注入带式压滤脱水机进行压榨处理后获得含水量为48％的半干污泥泥饼，可以用作优质肥料进行农用、绿化或者用作燃料进行焚烧。