一种污泥中重金属生物脱除工艺及其设备的制作方法

专利名称：一种污泥中重金属生物脱除工艺及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及环保领域，适用于市政污泥和工业污泥中重金属的脱除，例如制革企业污水处理厂产生的制革污泥及电镀企业污水处理厂产生的电镀污泥中重金属的脱除处理等。
二、技术背景目前全国已建成运转的城市污水处理厂500余座，日处理污水能力近亿立方米，污水处理率已达到25％。根据我国水环境管理目标和建设部的预测，到2005年我国城市入管网的污水处理率应达到47％，2015年达到70％，继续大力兴建、扩建污水处理厂成为社会发展的必然趋势。然而与污水处理事业极不相适应的是，无论在我省还是在全国，浓缩了污水中85％以上有害物质(尤其是重金属)的污泥却一直未能得到妥善处置。这些有机固体废弃物多数被任意弃置在污水处理厂周围或简单堆填或被附近农民滥用在农地上，有些甚至被倾倒在河流附近。污泥的不规范处置已成为我国土壤和水环境中一个新的环境污染源，部分抵消了污水处理厂净化环境的功效，严重制约了污水处理事业健康发展，由于污泥产生量很大，又没有一个稳定、环境安全和经济有效的出路，因此，污泥出路问题也就一直成为令污水处理厂深感头痛的一个难题。虽然城市污泥土地利用是当前国际上倍受重视的处置途径之一，然而污泥中重金属的存在，在很大程度上限制了污泥土地利用的推行。除此而外，在我国还有数量庞大的各类工业废(污)水处理站(场)，相当一部分的工业废(污)水处理站(场)产生的污泥含较高量的有毒重金属，甚至部分污泥可归属于危险废物范畴，这些污泥成为环境的重要隐患。
例如，根据对我国典型的城市污水处理厂污泥泥质的调查，多数城市污泥中Cu，Zn，Pb，Cr，Ni等重金属含量可达数百至数千mg/kg，Cd，Hg，As等金属含量超标者(指Hg，Cd含量超过5mg/kg；As超过20mg/kg)亦不少见。一些工业污泥，如制革污泥、电镀污泥中重金属含量更高，可达数万至数十万mg/kg。这些污泥中重金属长期来均没有好的办法予以处理。至多是采用碱性稳定法(即在污泥中添加粉煤灰、水泥窑灰或石灰等碱性材料)对污泥中重金属进行钝化处理，使重金属由高活性变成低活性，而减少其毒害，但重金属总量变未发生改变。这些污泥进入环境中，重金属的潜在危害依然存在。
以典型的某制革企业污水处理厂产生的污泥为例，其中含有大量的有机物(高达45％左右)，还含有丰富的N、P、K等植物可利用的营养物质，但是制革污泥不仅特别难以脱水，而且由于其特别恶臭，更严重的是其中含有大量的重金属铬，铬的含量高达10000-40000mg/kg。虽然污泥中铬主要以毒性相对较低的三价铬形态存在，但其在环境中也可转化成六价铬。六价铬有较大的毒性，会使人致癌、致畸胎、致突变，对皮肤、呼吸系统和消化系统都会产生较大的危害，也影响植物等生物机体的新陈代谢。我国的污泥农用标准中规定总铬的浓度应小于600mg/kg(对pH≤6.5的土壤)或1000mg/kg(对pH＞6.5的土壤)。目前在我国，制革企业对其产生的污泥的尚无规范的处置途径，多数是采用干化场自然干化或机械脱水后，将污泥运至他处堆填，少部分用来制砖。由于重金属的存在，无论采用何种处置方式，存在环境污染风险。
为去除污泥中重金属，Macchi等(1998)和Panswad(1995)就尝试过采用无机酸如硫酸浸提法去除制革污泥铬的方案，用硫酸将制革污泥的pH从8左右调节到1，此时污泥中铬将大量溶出，然后通过脱水而得以去除或回收。Wozniak和Wong(1982)，Jenkins等(1981)，Wu等(1998)曾利用酸或络合剂如H2SO4、HNO3、HCl、EDTA等处理城市市政污泥以溶解和浸提污泥中重金属的化学方法在降低或去除污泥中重金属方面也取得较好效果。然而因污泥有巨大的缓冲性，特别是一些工业污泥如制革污泥，用无机酸调节耗酸量极大，处理费用高；直接加无机酸还会造成大量的有毒气体硫化氢外泄，操作不安全。这些缺点使得污泥的化学脱毒法并无实际应用价值。
利用微生物主要是嗜酸性硫杆菌的作用将污泥中重金属去除的生物脱毒技术(也称“生物淋滤技术”)，因反应温和、环境安全、成本低廉等优点而备受人们的重视。上世纪90年代开始，国外一些研究者，主要是加拿大Taygi教授所领导的课题组，对城市污泥的微生物脱毒技术去除重金属进行了一些研究。其基本原理是，在添加能源物质(主要是亚铁和还原性硫等)和通氧条件下，利用硫杆菌的生物氧化作用及其产生的低pH环境使以难溶性形态存在的重金属溶出进入水相，再通过固液分离而去除，硫化物通过氧化作用而转变为硫酸盐，污泥中重金属去除率可达到85％-99％。本课题组也曾从城市污泥和制革污泥中分离出两株高效的硫杆菌菌株(氧化亚铁硫杆菌LX5，保藏号CGMCC NO.0727和氧化硫硫杆菌TS6，保藏号CGMCC NO.0759)，并发现利用该菌可有效脱除污泥中重金属。并于2002年4月和7月先后申请了2个国家发明专利(氧化亚铁硫杆菌及其去除污泥重金属的方法，申请号02112924.X；氧化硫硫杆菌及制革污泥中铬的生物脱除方法，申请号02137921.1)。
然而有关污泥中重金属生物脱出的研究及其相关专利，仅是报道了其方法，所获结果都是通过摇瓶的方式或在很小的反应器中获得的，而且未涉及对实际工程相当重要的核心设备与设施的研究以及具体工艺。因此，所获参数及实验室的方法难于应用到实际工程。本发明正是在上述背景下，发明了能应用于实际工程的污泥中重金属微生物脱除工艺及相关设备。

发明内容
本发明涉及污泥中重金属生物脱除的主要基本工艺和设备，如附图1所示，由以下几部分组成在污泥调节池1中的原始污泥，经污泥泵2输送到生物淋滤池3中进行搅拌，并由曝气系统9进行充氧，生物淋滤池中接种有嗜酸性硫杆菌菌株(如氧化亚铁硫杆菌LX5和氧化硫硫杆菌TS6)，在该池中完成污泥中重金属的生物淋滤浸出。当生物淋滤池3中的污泥pH下降到设定的值时，可先经泵4输送到酸化污泥沉淀池5中进行自然沉降，污泥中的重金属溶解在上清液中，将上清液转移到收集池6；酸化污泥沉淀池中的沉淀污泥部分回流到生物淋滤池中接种和保持菌液浓度，其余剩余沉淀污泥经淘洗后再输送到脱水机10上脱水，分离出来的液体转移到收集池6，再经泵7输送到重金属回收池8。在回收池8中，采用碱回收的方法，将其中的重金属沉淀下来，上清液回流到污水处理厂(场)，回收池8中的沉淀物经脱水、烘干，回收其中的重金属。这套工艺及设备可完成含重金属污泥的生物淋滤处理，在回收重金属铬的同时，也使污泥在不投加任何絮凝剂的条件下直接进行机械脱水。
在本发明的设施中，污泥调节池的作用兼有调节污泥浓度和储存剩余污泥的作用(见附图2)。在污泥调节池池底，出料泵吸泥点的位置，设置0.5×0.5×0.5m3(但不限于此)的凹槽，池底设计成斜向此凹槽的斜坡，坡度采用1∶50，使调节池中因重力的作用产生的自然浓缩在池底的污泥流向凹槽，池底的污泥不断更新，也便于在需要的时候清空调节池。污泥泵4的出口管道设计成两路，一路作为生物淋滤池的进料，另一路作为污泥调节池的强制循环，强制循环管道1可分为若干支管2，在两个闸阀3配合作用下先进行调节池中原始污泥的强制循环，并将循环支管设计成不同的角度，使强制循环管道中的污泥回到调节池中不同的位置，以达到混匀污泥的目的，然后将原始污泥输送到生物淋滤池中。
生物淋滤反应池是本工艺中最重要的设施(参见图3所示)，微生物的淋滤作用就是在此设施中完成的。在生物淋滤池池型以圆型、椭圆型为佳，在其中设置搅拌和曝气装置，及在池壁四周安装竖向挡板12，生物淋滤池3可以采用耐酸材料建成，也可以采用钢筋混凝土结构，当采用钢筋混凝土结构时，在其内壁用环氧树脂做防腐处理，在外壁做防水处理。在生物淋滤池内设置热交换器，池壁外侧采用保温材料进行保温处理。如附图2所示，生物淋滤池中的搅拌机构包括电机2，减速器3，承重器5，搅拌轴6，联轴器7，叶轮8等。电机2和减速器3可采用立式结构，也可采用卧式结构。搅拌装置的作用是在挡板12的配合下，使物料包括添加的营养物质硫粉在反应池中混合均匀，也对下文提到的曝气机构产生的气泡进行一定的分割，增加气泡中氧在污泥中的传递。在这里，搅拌机构中叶轮8的设计是关键，要能避免产生较大的剪切力，又要能产生较强的混合效果。根据污泥含固率较高的特点，本发明说明书中所提到的叶轮8，采用平板叶片和斜桨叶片的结合，设计成一种具有推流和平流作用的组合叶片，此套搅拌机构具有较强的混和能力和较小的剪切力，参见附图4。一般使用3-6个叶片(但不限与此)焊接在叶片座上制成叶轮。
在本发明中，与生物淋滤池(参见附图3)配套的曝气机构包括空气压缩机，流量计14，微孔曝气器10等。曝气机构的作用，是将空气压缩机产生的空气经进气管22，流量计14，池内空气分布管11，微孔曝气器10，以微气泡的形式分散在污泥中，保证污泥中的溶解氧达到工艺要求的水平，使污泥中添加的微生物能够正常生长。空压机供气量的大小，由工艺要求决定。
生物淋滤反应池设置了一个附属设施——营养物自动加料池17(参见附图3)。当生物淋滤池中投加新的原始污泥时，将进料泵的开启信号15送给搅拌营养物自动加料池17中的搅拌电机16，以及电磁阀18，当生物淋滤反应池进料泵停止工作时，自动加料池17中的搅拌电机16也停止工作，同时电磁阀18关闭，实现营养物的自动加料。营养物的加入量由开机时间和闸阀19的协同作用下完成。
本发明所提及的环氧树脂防腐处理方法，对于钢筋混凝土结构的容器，在其池壁内侧，环氧树脂的涂装配方按环氧树脂WRS618∶环氧树脂固化剂∶邻苯二甲酸二丁脂＝4∶1∶2，配好混合剂，现配现用，进行涂装，每遍施工用量以环氧树脂计125g/m2，室温下72小时完全固化后，仍按此配比、用量，再涂刷第二遍。另外，还可以采用在钢筋混凝土池内壁表面贴3-7层玻璃布，每层都涂环氧树脂的方法进行防腐。对于搅拌叶轮、搅拌轴、档板等这些于物料接触的构件，可以采用耐酸材料制成，当采用一般碳钢材质制成时，采用以下方法进行防腐，环氧树脂WSR610(4份)∶固化剂605(3份)∶邻苯二甲酸二丁酸(1份)进行配比，此配方使环氧树脂稍厚重，适于在钢质材料上涂刷。实施时将此环氧树脂调匀后涂在钢质搅拌器上，钢质挡板上，24h后固化，48h达到完全固化。外观明亮，手感涂层饱满有弹性。
由于本发明中所提及工艺要求在处理过程中，微生物最适宜环境温度是25℃-35℃，在生物淋滤池中设置热交换器，可以有两种型式(参见附图3)一种是用铜管或不锈钢钢管内放置电阻丝烧结而成的电加热器13；另一种是在反应池池底及池壁安装蛇形管道21，利用热水(可利用企业废热资源、沼气资源、太阳能资源等)，管道中通过循环热水进行热传递。同时使用热敏电阻作反应池中的温度探头20，在温控仪的控制下，控制热交换的工作状况，使生物淋滤池中的污泥能够保持在设定的恒温下进行生物淋滤处理，使本发明所提及的工艺及设备能在寒冷的季节里正常运行。
当原始污泥中的重金属含量较高时，为了便于污泥的淘洗，本发明还包括一个酸化污泥沉淀池(附图5)。所谓的酸化污泥，是指原始污泥在生物淋滤池中完成生物淋滤处理后，污泥的pH在1.95左右的污泥。生物淋滤池中的酸化污泥，用污泥泵(过流部分为不锈钢材质)输送到酸化污泥沉淀池中进行自然沉降，酸化污泥经数小时的自然沉降，固液分层明显，上部的液体富含重金属。在酸化污泥沉淀池池壁1上设置了视窗3及沿池的高度方向上设置数个闸阀5，池底为漏斗形集泥槽及排泥口4。(2为酸化污泥液面)。根据酸化污泥沉淀池中固液分界面的相应位置，开启相应位置的闸阀，使富含重金属的液体在自重的作用下流到收集池5中。
本发明工艺及设备，还包括一个重金属回收池，如附图6所示。含重金属的液体(包括污泥沉淀池所产生的上清液和脱水机产生的含重金属的液体)汇集在收集池中，再用耐酸污水泵(过流部分为不锈钢材质)输送到重金属回收池中，在回收池中，设置了变速搅拌机构，包括电磁调速电机2，减速器3，叶轮承重器5，，搅拌轴6，叶轮7及联轴器8组成，池底设置圆锥型集泥斗及排泥口9，池壁设置竖向挡板10，这样可实现搅拌机构的变速搅拌，便于絮凝沉淀的完成，原始污泥中的重金属就被沉淀下来。重金属回收池中的沉淀污泥经脱水后的泥饼主要是重金属的盐类，可回收利用其中的重金属成分，或进行固化填埋。
四

图1是生物淋滤工程主要设施示意图；图2是污泥调节池及其强制循环管道示意图；图3是生物淋滤池示意图；图4是搅拌叶轮形状示意图；图5是酸化污泥沉淀池示意图；图6是重金属回收池示意图。
五、工程实例根据本发明所提及的工艺及设备，建立了一套生物淋滤法处理污泥的工艺流程与工程设施。在该工程实例中，污泥调节池35m3，圆柱型生物淋滤池20m3，酸化污泥沉淀池10m3，重金属回收池5m3；搅拌机功率为2.2kw，罗茨鼓风机功率5.5KW，风压39kpa，风量4m3/min；脱水机为卧式螺旋离心脱水机(LW220×930)供处理污泥为含重金属铬较高的制革污泥，含固率为3.7％，铬的含量达15900mg/kg干泥。在生物淋滤池中，微生物经过3d-6d的淋滤处理，污泥的pH下降到1.5-1.9，污泥中的重金属铬100％溶出。淋滤处理过的污泥经自然沉淀、淘洗后，用卧式离心脱水机脱水。污泥中的重金属铬的回收率为95％，原始污泥经生物淋滤处理后的泥饼中的铬的含量为580mg/kg。每吨污泥的处理费用在150元以下。采用本发明的工艺及其设备，实现了污泥的减量化、无害化、清洁化、资源化的处理。
权利要求
1.本发明所提及的工艺及设备包括、污泥调节池、生物淋滤池、酸化污泥沉淀池、收集池、重金属回收池、曝气设备及配套的管道、泵、阀门，脱水设备等。一种处理污泥的工艺至少包括以下过程利用氧化硫硫杆菌的在好氧的条件下，将硫粉、硫铁矿等氧化成硫酸，使污泥的pH下降，当污泥pH值下降到1.9时，污泥中的重金属100％地溶解在液相中，污泥经脱水后，除去污泥中的重金属，分离出来的含重金属的液体，再用碱沉淀法，回收其中的重金属。
2.根据权利要求1所述，污泥调节池的特征在于，池底为斜向出泥泵吸泥口的斜坡。污泥泵出口管道设计成两路，分别作为生物淋滤池的进料和污泥调节池中污泥的循环。在多个闸阀的作用下，用污泥泵先对污泥调节池中的污泥进行强制循环，使池中污泥得到混匀，然后再泵送到生物淋滤池中。
3.根据权利要求1所述，生物淋滤池的特征在于，生物淋滤池的池型为圆型、椭圆型，但不限与此，在其中设置的搅拌机构包括电机、减速器、承重器、搅拌轴、联轴器、叶轮等；电机和减速器可采用立式结构，也可采用卧式结构；池壁内侧设置数只竖向挡板；生物淋滤池内壁采用环氧树脂防腐，也可以多层玻璃纤维上每层涂刷环氧树脂的方法进行防腐。
4.根据权利3所述，生物淋滤池还设置了一个附属设施——营养物自动加料池。当生物淋滤池中投加新的原始污泥时，将进料泵的开启信号送给搅拌营养物自动加料池中的搅拌电机，以及电磁阀；当生物淋滤反应池进料泵停止工作时，自动加料池中的搅拌电机也停止工作，同时电磁阀关闭，实现营养物的自动加料；营养物的加入量由开机时间和闸阀开启度的协同作用下完成。
5.根据权利要求3所述，生物淋滤池中还设置了曝气机构，至少包括空气压缩机、流量计、微孔曝气器等；曝气机构的作用，是将空气压缩机产生的空气经进气管、流量计、池内空气分布管，微孔曝气器。
6.根据权利要求3所述，生物淋滤池中还设置了热交换器，可以有两种型式一种是用铜管或不锈钢钢管内放置电阻丝烧结而成的电加热器；另一种是在反应池池底及池壁安装不锈钢管道，管道中通过循环热水进行热传递。同时使用热敏电阻作反应池中的温度探头，还包括一套温度控制仪器。温控仪控制热交换器的工作状况，使生物淋滤池中的污泥能够保持在设定的恒温下进行生物淋滤处理，使本发明所提及的工艺及设备能在寒冷的季节里正常运行。
7.根据权利要求3所述，搅拌叶轮的叶片制成平叶片与斜叶片相结合的组合叶片，斜叶片的竖向斜角为45度，但不限于此。
8.根据权利要求1所述，酸化污泥沉淀池的特征在于，池壁设置视窗及沿池的高度方向上设置数个闸阀，池底为漏斗形集泥槽及排泥口，以便按污泥自然沉降后固液分界面的位置开启相应的阀门。池内壁进行防腐处理。
9.根据权利要求1所述，收集池的特征在于，其作用是收集流程中分离出来的含重金属的污水。池内壁进行防腐处理。
10.根据权利要求1所述，重金属回收池的特征在于，设置了变速搅拌机构，包括电磁调速电机、减速器、叶轮承重器、搅拌轴、叶轮及联轴器组成，池底设置圆锥型集泥斗及排泥口，池壁设置竖向挡板。重金属回收池内壁进行防腐处理。
11.根据权利要求3，8，9，10所述，采用环氧树脂防腐的配方有两种，但不限于此。在钢筋混凝土池壁内侧，采用环氧树脂WRS618∶环氧树脂固化剂∶邻本二甲酸二丁脂＝4∶1∶2；在一般碳钢材料上，按环氧树脂WSR610∶固化剂605∶邻苯二甲酸二丁酸＝4∶3∶1进行配比，现配现用。
12.根据权利要求1所述，包括一套鼓风曝气设备。
13.根据权利要求要求1所述，包括一套机械脱水设备。
全文摘要
一种污泥重金属生物脱除工艺及其设备，包括污泥调节池、污泥重金属生物淋滤池、酸化污泥沉淀池、收集池、重金属回收池等设施，以及曝气装置、搅拌装置、机械脱水设备、加热装置和营养物的自动加料机等。利用污泥中本身存在的和外源添加的还原性硫和亚铁等能源物质，以及在好氧和充分混匀的条件下，嗜酸性硫杆菌将污泥介质的pH降到2以下，污泥中的重金属被100％地溶解出来，通过污泥脱水设施，实现固液分离，分离液中重金属用碱沉淀法回收。含重金属的污泥经本发明所提及的工艺和设备处理后，其中的重金属95％以上被去除，实现了污泥的无害化和资源化利用。
文档编号C02F11/02GK1648077SQ20041001480
公开日2005年8月3日 申请日期2004年4月30日 优先权日2004年4月30日
发明者周立祥, 王电站, 王世梅 申请人:南京农业大学