利用给水污泥制备污泥调理剂的方法及其应用

1.本发明涉及污泥处理处置及资源化利用领域，具体涉及一种利用给水污泥制备污泥调理剂的方法及其应用。


背景技术：

2.污泥的来源主要包括市政污水厂、给水净水厂、工业水厂和河湖底泥。其中，城市污泥比重较大，主要有污水污泥和给水污泥组成。污水污泥是活性污泥法水处理产生的，具有含水量高难脱水、易腐化、臭味重，而且还含有大量难以降解的胞外聚合物、病原菌和重金属等特点。给水污泥是在饮用水源中添加混凝剂或絮凝剂以去除浊度、颜色、病原体和天然有机物而产生的大量富含铁或铝盐的污泥。与污水污泥不同的是，给水污泥有机物含量低，二氧化硅含量高，因此不适用于生物降解和焚烧处理方法，高浓度的金属也使其不适合陆地应用。由于结合水含量高给水污泥同样面临难脱水的问题。因此，作为污泥处理中的关键环节，脱水可以最大限度地减少污泥量，便于运输，降低处理处置成本。脱水后的污泥资源化利用是避免二次污染的有效途径，已成为环境污染防治的焦点。污水污泥和给水污泥往往是分别处理处置，随着对两种污泥特性认识的不断加深，供排水一体化体制的建立和完善，将两类水厂污泥联合处理处置的研究和应用值得考虑。
3.给水污泥主要含有sio2、fe2o3、al2o3、caco3等无机成分和少量有机成分，具有一定的硬度，脱水后具有一定的孔隙率和较大的比表面积范围，体现出卓越的催化性能和吸附性能。结合给水污泥自身特点对其进行改性并科学回用是污泥资源化的重要需求。给水污泥的应用一般取决于其理化特性和可用的应用条件。目前给水污泥主要用于作为污水中磷(p)和其他污染物吸附剂，以及陶粒或建筑材料制造的替代品。例如专利cn 106540650a公开了一种给水厂污泥基除磷颗粒吸附剂的制备方法，专利cn 105903426a公开了一种改性给水污泥及其制备方法和应用，作为氨氮吸附剂，专利cn103723999a公开了利用城市给水污泥制备花卉陶粒的方法。但是目前还没有利用给水污泥和污水污泥混合制备污泥基调理剂来进行污泥调理方面的报道。
4.给水污泥含有大量残留的fe2o3、al2o3和无机颗粒物可以分别作为化学和物理调节剂，因此添加给水污泥以提高污泥的脱水能力是可行的环境友好型调理工艺。给水污泥因其具有的硬度可被用作物理调节剂形成可渗透且更刚性的晶格结构，以在机械脱水过程中在高压下保持孔隙率。直接将其加入剩余污泥中，可能会导致给水污泥中有机物的溶出，不利于脱水。可以考虑经热改性后，水分和挥发组分逸出，有机质碳化后出现大量孔隙，形成骨架结构，可作为骨架材料和重金属(as,cd,cr,cu,ni,pb和zn)及有机污染物的吸附剂。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种利用给水污泥制备污泥调理剂的方法及其应用，首先解决含有大量铁/铝盐混凝剂成分的给水污泥并没有充分利用的问题，同时实现强化脱水性能和吸附重金属为目标的多源污泥调理的环境问题。
6.为实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：
7.一种利用给水污泥制备污泥调理剂的方法，所述调理剂由给水污泥和污水污泥混合制备得到，具体方法为，将给水污泥和污水厂污泥按比例混合，投加造孔剂，搅拌均匀，机械脱水后经风干、研磨、筛分、热解制得污泥调理剂。
8.优选地，污水厂污泥含水率为92～95wt.％。
9.所述污水厂污泥含水率为92～95wt.％，含碳量范围为15～30mg/g干基；给水污泥含水率为60～80wt.％，铁/铝盐含量范围为50～250mg/g污泥干基。
10.优选地，给水污泥和污水污泥的混合比例为1:3～5:1，混合比例按污泥干基比例计算。
11.优选地，造孔剂为不与基体发生反应的酸或碱溶液的各种无机盐，例如磷酸、氢氧化钠、na2so4、nacl或cacl2等中的一种或多种，投加量为0.5～2mmol/g污泥干基。
12.优选地，混合污泥烘干方式为自然风干或30～60℃烘干，研磨后经40～80目筛子筛分。
13.优选地，混合污泥热解是经过管式炉分段式煅烧，煅烧气氛是以氮气或氩气为载气的惰性气氛，气体流速为80～260ml/min；其中，低温段，以5～10℃/min的升温速率从室温启动热解程序，热解温度为100～260℃，热解停留时间为30～40min；中温段，升温速率为15～30℃/min，热解温度为260～600℃，热解停留时间为20～50min；高温段，升温速率为30～60℃/min，热解温度为600～960℃，热解停留时间为40～90min；热解结束降温速率10～20℃/min。
14.发明人研究发现，调理剂热解制备过程，影响其催化性能和吸附性能的影响因素较多。本发明为确保制备的调理剂具有较大的比表面积、孔隙结构和丰富的表面官能团，优选地热解方式为分段式热解过程，分为低温段、中文段和高温段。
15.将上述污泥调理剂用于催化/活化臭氧、过硫酸盐、芬顿/类芬顿反应等，调节目标污泥至适用的ph范围，投加制得的污泥调理剂，强化目标污泥脱水性能并吸附污泥中的重金属和其他有机污染物，同步降低脱水滤液的污染性。
16.优选地，待调理污泥可以是市政污水污泥、工业污水污泥或河湖底泥中的任意一种，含水率为90～99wt.％。
17.优选地，调节待调理的污泥至适用的ph范围为2～9。
18.优选地，调理剂的投加量为50～600mg/g污泥干基。
19.发明人研究发现，应用于臭氧氧化调理技术待调理的污泥适用的ph范围为3～5，臭氧剂量范围为20～100mg/g污泥干基；过硫酸盐氧化调理技术待调理的污泥适用的ph范围为4～9，过硫酸盐剂量范围为0.5～1.8mmol/g污泥干基；芬顿/类芬顿调理技术待调理的污泥适用的ph范围为2～4，过氧化氢剂量范围为30～90mg/g污泥干基。
20.优选地，调理后的目标污泥可循环利用制备污泥调理剂。
21.本发明的工作原理为：利用污水污泥作为碳基材料，给水污泥中残留的大量铁/铝盐成分经过分段式热解制备具有较大比表面积、孔隙结构和丰富的表面官能团的调理剂，其表面特性增加了催化活性和吸附活性位点，应用于高级氧化的化学调理污泥技术中可以有效破坏污泥絮体结构，氧化亲水性胞外聚合物降解为可溶性有机物，增加胞内结合水的流动性，提升污泥脱水性能。随着污泥絮体的瓦解，絮体中富集的重金属和其他有机污染物
得以释放，调理剂利用其吸附特性可实现重金属和其他有机污染物的有效吸附，同时达到污泥减量化和滤液污染阻断的目的。
22.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
23.(1)本发明采用给水污泥和污水污泥共同制备污泥调理剂是一种新型具有高附加值的材料制备技术，为污泥资源化再利用提供了新思路。
24.(2)本发明制备的调理剂比给水污泥或污水污泥单独热解制备的污泥基材料，具有更大的比表面积、孔隙结构增强、催化性能和吸附性能明显提升的优势。
25.(3)将给水污泥和污水污泥共同制备污泥调理剂用于调理污泥，在污泥高效脱水时降低脱水滤液的污染，提高了污泥工程应用价值。
附图说明
26.图1-3分别为本发明实施例1～3调理剂扫面电镜sem图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
28.实施例1
29.本发明提供的利用给水污泥制备污泥调理剂的方法，具体实施过程如下：
30.(1)调理剂的制备：
31.将含水率为95wt.％的污水污泥与含水率为75wt.％的给水污泥按干基含量1:1混合，投加造孔剂磷酸0.5mmol/g污泥干基，搅拌均匀，通过机械脱水后自然风干、研磨后经40目筛子筛分；在管式炉中以氮气为载气，气体流速为100ml/min，经低温段以5℃/min的升温速率从室温启动热解程序，热解温度为120℃，热解停留时间为30min；中温段，升温速率为15℃/min，热解温度为300℃，热解停留时间为30min；高温段，升温速率为30℃/min，热解温度为600℃，热解停留时间为40min；热解结束降温速率为10℃/min，降至室温收集污泥基调理剂。
32.(2)目标污泥调理
33.选用含水率为97wt.％的污水污泥作为待调理污泥，应用于催化臭氧氧化调理污泥技术，调节待调理的污水污泥ph为4，投加污泥基调理剂400mg/g污泥干基，以转数800rpm/min搅拌混匀后，倒入污泥调理装置中，通入臭氧剂量为60mg/g污泥干基，调理时间为15min，调理结束后测定污泥脱水性能指标毛细吸水时间cst、污泥比阻srf和泥饼含水率(是指测定srf抽滤产生的泥饼含水率，抽滤压力为0.07mpa)，以及污泥体系中重金属的含量变化。与调理前污水污泥相比，cst削减率达81.7％，srf削减率达84.6％，泥饼含水率为70.1％，污泥脱水性能显著提升，脱水滤液中的重金属(as,cd,cr,cu,ni,pb和zn)的含量明显下降23.3～67.1％。
34.实施例2
35.本发明提供的一种利用给水污泥制备污泥调理剂的应用，具体实施过程如下：
36.(1)调理剂的制备：
37.将含水率为90wt.％的污水污泥与含水率为70wt.％的给水污泥按干基含量2:1混合，投加造孔剂氢氧化钠1mmol/g污泥干基，搅拌均匀，通过机械脱水后置于30℃烘箱中烘
干、研磨后经60目筛子筛分；在管式炉中以氩气为载气，气体流速为150ml/min，经低温段以8℃/min的升温速率从室温启动热解程序，热解温度为150℃，热解停留时间为30min；中温段，升温速率为20℃/min，热解温度为400℃，热解停留时间为30min；高温段，升温速率为40℃/min，热解温度为800℃，热解停留时间为60min；热解结束降温速率为15℃/min，降至室温收集污泥基调理剂。
38.(2)目标污泥调理
39.选用含水率为95wt.％的工业污泥作为待调理污泥，应用于活化过硫酸盐氧化调理污泥技术，调节待调理的污水污泥ph为6，投加污泥基调理剂500mg/g污泥干基，过硫酸盐剂量为0.6mmol/g污泥干基，以转数800rpm/min搅拌15min，静置10min后测定污泥脱水性能指标毛细吸水时间cst、污泥比阻srf和泥饼含水率(是指测定srf抽滤产生的泥饼含水率，抽滤压力为0.07mpa)，以及污泥体系中重金属的含量变化。与调理前污水污泥相比，cst削减率达85.3％，srf削减率达87.6％，泥饼含水率为69.5％，污泥脱水性能显著提升，脱水滤液中的重金属(as,cd,cr,cu,ni,pb和zn)的含量明显下降31.7～68.1％。
40.实施例3
41.本发明提供的一种利用给水污泥制备污泥调理剂的应用，具体实施过程如下：
42.(1)调理剂的制备：
43.将含水率为94wt.％的污水污泥与含水率为65wt.％的给水污泥按干基含量1:5混合，投加造孔剂cacl
2 1.5mmol/g污泥干基，搅拌均匀，通过机械脱水后置于45℃烘箱中烘干、研磨后经80目筛子筛分；在管式炉中以氮气为载气，气体流速为200ml/min，经低温段以10℃/min的升温速率从室温启动热解程序，热解温度为180℃，热解停留时间为40min；中温段，升温速率为30℃/min，热解温度为450℃，热解停留时间为40min；高温段，升温速率为40℃/min，热解温度为900℃，热解停留时间为80min；热解结束降温速率为20℃/min，降至室温收集污泥基调理剂。
44.(2)目标污泥调理
45.选用含水率为92wt.％的河湖污泥作为待调理污泥，应用于活类芬顿氧化调理污泥技术，调节待调理的污水污泥ph为2，投加污泥基调理剂600mg/g污泥干基，过氧化氢剂量为60mg/g污泥干基，以转数800rpm/min搅拌15min，静置10min后测定污泥脱水性能指标毛细吸水时间cst、污泥比阻srf和泥饼含水率(是指测定srf抽滤产生的泥饼含水率，抽滤压力为0.07mpa)，以及污泥体系中重金属的含量变化。与调理前污水污泥相比，cst削减率达88.6％，srf削减率达85.8％，泥饼含水率为68.2％，污泥脱水性能显著提升，脱水滤液中的重金属(as,cd,cr,cu,ni,pb和zn)的含量明显下降28.7～62.4％。
46.图1-3分别为本发明实施例1～3调理剂扫面电镜sem图，表1为实施例1～3调理剂比表面积bet。
47.表1实施例1～3调理剂比表面积bet
[0048][0049]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。