CN105731760A - 改性硅藻土、其制备方法、污泥调理剂及污泥处理方法 - Google Patents

改性硅藻土、其制备方法、污泥调理剂及污泥处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明的第一目的在于提供一种改性硅藻土，包括带有阳离子的硅藻土；带有阳离子的硅藻土通过改性剂改性硅藻土制得；所述改性剂为十六烷基三甲基溴化铵或阳离子聚丙烯酰胺。本发明的改性硅藻土带有大量阳离子，大大提高污水、污泥等处理能力。本发明的第二目的在于提供两种改性硅藻土的制备方法，整体工艺精简，工艺参数容易控制。本发明的第三目的在于提供一种污泥调理剂，包括带有阳离子的硅藻土。本发明的污泥调理剂具有成本低、所需用量少、无污染且污泥脱水效果好的技术效果。本发明的第四目的在于提供一种污泥处理方法，设备投资小，工艺精简且工艺参数容易控制，污泥处理成本低。

Description

改性硅藻土、其制备方法、污泥调理剂及污泥处理方法
技术领域
本发明涉及固体废物处理技术领域，具体涉及一种改性硅藻土、改性硅藻土的制备方法、包含此改性硅藻土的污泥调理剂及用此污泥调理剂进行污泥处理的方法。
背景技术
近年来，城镇生活污水处理量的增加导致剩余活性污泥量大幅提高，因此，对污泥的处理和资源化利用日益受到关注。为了达到污泥的减量化、安定化、无害化、资源化，在脱水、干燥、焚烧之前，通常要对污泥进行一系列的前处理以改变污泥颗粒表面的物化性质和组分，破坏污泥的胶体结构，减小与水的亲和力，改善脱水性能，从而减少操作上的困难，增加污泥的资源价值。通常污泥前处理依据机制可分成三类：
1、物理法：此法具体泛指通过外加能量或应力以改变污泥性质的方法，如冷冻融化处理、加热处理、超声波处理、高压处理等。该方法可以破坏污泥絮体结构，使污泥间隙水游离，改善污泥的脱水性能，但是其应用并不广泛，关键是投资、运行费用高，操作复杂；冷冻融化处理也可以充分破坏污泥絮体结构，它可以使污泥结合水含量大大降低，但其受气候条件的限制很难普遍推广应用。
2、生物法：如好氧消化或厌氧消化，在这些程序中好氧或厌氧菌群利用废弃污泥中的碳、氮、磷等成分为生长基质，以达到污泥减量与破坏污泥高孔隙结构的目的。20世纪70年代就有研究者开始研制微生物絮凝剂，包括直接用微生物细胞作为絮凝剂；从微生物细胞体中提取物质作为絮凝剂；微生物细胞的代谢产物作为絮凝剂这三类方法。
3、化学法：此法以加入化学药剂的方式来改变污泥的特性，如改变酸碱值、改变离子强度、添加无机金属盐类絮凝剂，或添加有机高分子絮凝剂、臭氧曝气等。目前使用高分子有机絮凝剂是化学调理的主流方向，调理效果与絮凝剂本身性质有很大关系，但是到目前为止，对调理剂的选择以及调理剂的最佳用量仍然需要现场试验为基础。就目前各大污水处理厂的污泥处理来说，绝大部分是通过化学调理强化污泥中水分的脱除，得到含固率高的泥饼，从而降低污泥运输及处理处置的费用。但是，目前应用最广泛的化学污泥调理剂为聚合硫酸铁、聚合氯化铝等高分子聚合物，由于这些物质容易产生有毒单体，不利于后续的污泥最终处置和资源化利用，使得其应用存在局限性。
因此，行业内急需寻找一种成本低、所需用量少、无污染且污泥脱水效果好的污泥调理剂以解决现有技术的不足。
发明内容
本发明目的第一目的在于提供一种具体大量阳离子的改性硅藻土，具体方案如下：
一种改性硅藻土，包括带有阳离子的硅藻土，以重量份数计所述带有阳离子的硅藻土通过1-5份的改性剂改性95-99份的硅藻土制得；
所述改性剂为十六烷基三甲基溴化铵或阳离子聚丙烯酰胺。
以上技术方案中优选的，硅藻土包括以重量百分数计的如下组分：二氧化硅70-85％、三氧化二铝10-15％、氧化钙5-10％以及三氧化二铁0-5％。
硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，具有轻质多孔、比表面积大以及化学稳定性高的特点，硅藻土表面带有负电性，所以，对于带正荷的胶体态污染物来说，硅藻土可实现对胶体态污染物进行电中和而使其胶体脱稳。目前，污泥中的颗粒大多是带负电的，因此，仅采用硅藻土对其进行处理，效果不佳。除此之外，污泥表面因凝聚一些大分子物质而使其变成活性污泥聚集体，此种物质不易被压缩，所以，活性污泥聚集体的内部含有较多的间隙水，最终导致活性污泥聚集体的沉降速度减慢及脱水性能下降，具体是：胞外聚合物(简称EPS，它是在一定环境条件下由微生物分泌于体外的一些高分子聚合物，如多糖、蛋白质和核酸等)普遍存在于活性污泥絮体内部及表面，胞外聚合物(EPS)能结合大量的水，因此，胞外聚合物(EPS)对活性污泥的浓缩和过滤性能有直接的影响；蛋白质和多糖约占胞外聚合物(EPS)总含量的70％～80％，因此，胞外聚合物(EPS)对污泥脱水性能的影响可以通过对滤液中蛋白质和多糖的含量来进行分析。蛋白质具有胶体粒子的双电层结构，其表面带有很多如-NH+、-COO-、-CONH2、-OH、-SH等高度亲水的极性基团，使污泥絮体外表面吸附了大量的水分子，增加了细胞粘附水的量，还会在蛋白质的表面形成一层密度较厚的水膜。综上所述，采用普通的硅藻土作为调理剂，只能起到压缩双电层的作用，而无法使胶体脱稳。通过对硅藻土的表面改性，可以充分利用到硅藻土和改性剂两者各自的优势的同时，还可通过两者之间的交联等反应产生协同作用，大大提高污泥的脱水性能。
本发明技术方案具有以下效果：
1、本发明采用改性剂对硅藻土进行改性，使得硅藻土带有大量阳离子，当将带有阳离子的硅藻土的污泥调理剂加入污泥后，可使蛋白质从污泥中脱出至滤液，减少污泥表面亲水基团的数量，降低其粘附水含量和降低污泥亲水性，从而有利于改善污泥的脱水性能；同时，硅藻土利用其自身的比表面积和表面吸附性，脱稳胶体极易被吸附到硅藻土上，加速了压缩胶体双电层作用及电性中和作用，对溶液中胶体悬浮物的去除效果好。
2、本发明选用十六烷基三甲基溴化铵作为改性剂，十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，作为一种廉价的日用化工品，分子结构兼具亲油(疏水)基和亲水(疏油)基两个部分，能吸附在两相界面上，呈单分子排列，使溶液的表面张力降低，相对于一般絮凝剂来说，表面活性剂对界面性质的影响更大，因此，采用表面活性剂改性硅藻土加入到活性污泥中，能降低气/液界面张力，增大固/液界面接触角，减小污泥毛细压力，促进污泥颗粒表面的胞外聚合物(EPS)释放，从而减少污泥滤饼的含水率。
3、本发明采用阳离子聚丙烯酰胺作为改性剂，聚丙烯酰胺是一种线型高分子聚合物，是水溶性高分子化合物中应用最为广泛的品种之一，在此处用作有效的絮凝剂、增稠剂、以及减阻剂等，少用量即可对硅藻土进行很好得改性，成本低，且不会造成化学污染。
本发明的第二目的在于提供一种改性硅藻土的制备方法，详情如下：
采用十六烷基三甲基溴化铵作为改性剂时，具体包括以下步骤：
步骤一：将改性剂加入改性剂重量10-50倍的溶剂中混合均匀得改性剂溶液；
步骤二：将相应比例的硅藻土和所述改性剂溶液加入55℃-65℃的恒温水浴锅内以150-300r/min的搅拌速度搅拌0.5-24h，得到改性混合溶液；
步骤三：将改性混合溶液进行抽滤得到抽滤产物，将所述抽滤产物放入温度为100℃-120℃的烘箱中烘烤1-2h得到烘烤物；将烘烤物放入温度为450℃-550℃的马弗炉中焙烧1.0-2.0h得到焙烧物；将焙烧物冷却后研磨并过100目筛，即得带有阳离子的硅藻土；
所述溶剂为水。
该方法中焙烧可使硅藻土内OH-Si-OH中的两个羟基脱水形成O-Si-O，这种结构明显对助滤更加有利，且此方法在不影响改性效果的基础上，操作简便，更利于工业化生产。
采用阳离子聚丙烯酰胺作为改性剂时，具体包括以下步骤：
步骤Ⅰ：硅藻土的酸活化，具体是：取相应配比的硅藻土放入温度为450℃-550℃的马弗炉中焙烧1-2h得到焙烧物；将焙烧物取出放入干燥皿中冷却至室温，再将冷却后的焙烧物加入浓度为5％-10％的盐酸溶液中得到第Ⅰ混合物；将第Ⅰ混合物放入温度为50℃-65℃的水浴锅中以150-300r/min的搅拌速度搅拌2h得到第Ⅱ混合物；将第Ⅱ混合物进行离心分离、洗涤、抽滤以及干燥，所述洗涤采用蒸馏水洗涤，且至洗涤液的pH为5.8-6.2；所述干燥具体是：将抽滤后所得固体物质放入温度为100-120℃的烘箱中烘烤1-2h，即得酸活化的硅藻土；
将改性剂加入改性剂重量20-50倍的溶剂中混合均匀得改性剂溶液，所述改性剂采用分子量为800万-1200万的阳离子聚丙烯酰胺；
步骤Ⅱ：将步骤Ⅰ所得酸活化的硅藻土和改性剂溶液放入温度为50℃-65℃的恒温水浴锅中以150-300r/min的搅拌速度搅拌0.5-24h得到搅拌物；将搅拌物进行抽滤后取固体物质部分放入温度为100℃-120℃的烘箱内烘烤1-2h；冷却至室温后进行研磨并过100目筛，即得带有阳离子的硅藻土；
所述溶剂为水。
本发明方法将硅藻土先进行活化后再改性，以改善其孔结构和表面活性，更有利于阳离子聚丙烯酰胺与其结合，从而大大提高污泥的处理能力。
本发明第三目的在于提供一种污泥调理剂，具体包括上述带有阳离子的硅藻土。具有成本低、所需用量少、无污染且污泥脱水效果好的技术效果。
本发明的第四目的在于提供一种污泥处理的方法，具体包括以下步骤：
将上述的污泥调理剂和污泥混合，以150-300r/min的搅拌速度搅拌5-30min，然后通过真空抽滤即可得到污泥滤饼，其中，所述污泥调理剂的重量为污泥的重量的0.2％-0.6％。
以上技术方案中优选的，所述污泥的含水率≥90％。
以上技术方案中优选的，所述搅拌器为真空脱水机，其内部保持恒压，且其压力值为0.3Mpa-0.8Mpa。
以上技术方案中优选的，所述污泥滤饼的含水率≤70％。
采用本发明的污泥处理方法，具有以下效果：(1)所需设备精简，通过一台带有搅拌部件的真空脱水机即可完成，设备投资小；(2)污泥处理工艺精简且工艺参数容易控制；(3)所需污泥调理剂用量小，节省原料成本。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1-实施例6：
一种污泥调理剂，包括带有阳离子的硅藻土，制备所述带有阳离子的硅藻土的原料以重量份数计所包含的组分详见表1，所述改性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，所述溶剂为水。
所述带有阳离子的硅藻土的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将改性剂加入改性剂重量10-50倍的溶剂中混合均匀得改性剂溶液(其中，实施例1-实施例6分别取12.5倍、25倍、30倍、40倍、45倍以及50倍)；
步骤二：将相应比例的硅藻土和所述改性剂溶液加入55℃-65℃的恒温水浴锅内以150-300r/min的搅拌速度搅拌t1小时，得到改性混合溶液；
步骤三：将改性混合溶液进行抽滤得到抽滤产物，将所述抽滤产物放入温度为100℃-120℃的烘箱中烘烤1-2h得到烘烤物；将烘烤物放入温度为T℃的马弗炉中焙烧t2小时得到焙烧物；将焙烧物冷却后研磨并过100目筛，即得带有阳离子的硅藻土。
表1实施例1-实施例6中原料组成及部分工艺参数
序号\参数 硅藻土/份 CTAB/份 t1/h t2/h T/℃
实施例1 99 1 0.5 1.0 500
实施例2 98 2 3 1.0 450
实施例3 95 5 12 1.5 550
实施例4 98 2 6 1.0 500
实施例5 98 2 12 1.5 450
实施例6 95 5 24 2.0 550
实施例7-实施例10：
一种污泥调理剂，包括带有阳离子的硅藻土，制备所述带有阳离子的硅藻土的原料以重量份数计所包含的组分详见表2，所述改性剂为阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)，所述溶剂为水。
所述带有阳离子的硅藻土的制备方法包括以下步骤：
步骤Ⅰ：硅藻土的酸活化，具体是：取相应配比的硅藻土放入温度为T℃的马弗炉中焙烧t2小时得到焙烧物；将焙烧物取出放入干燥皿中冷却至室温，再将冷却后的焙烧物加入浓度为5％-10％的盐酸溶液中得到第Ⅰ混合物；将第Ⅰ混合物放入温度为50℃-65℃的水浴锅中以150-300r/min的搅拌速度搅拌2h得到第Ⅱ混合物；将第Ⅱ混合物进行离心分离、洗涤、抽滤以及干燥，所述洗涤采用蒸馏水洗涤，且至洗涤液的pH为5.8-6.2；所述干燥具体是：将抽滤后所得固体物质放入温度为100-120℃的烘箱中烘烤1-2h，即得酸活化的硅藻土；
将改性剂加入改性剂重量20-50倍的溶剂中混合均匀得改性剂溶液(其中，实施例7-实施例10分别取20倍、30倍、40倍以及50倍)，所述改性剂采用分子量为800万-1200万的阳离子聚丙烯酰胺；
步骤Ⅱ：将步骤Ⅰ所得酸活化的硅藻土和改性剂溶液放入温度为50℃-65℃的恒温水浴锅中以150-300r/min的搅拌速度搅拌t1小时得到搅拌物；将搅拌物进行抽滤后取固体物质部分放入温度为100℃-120℃的烘箱内烘烤1-2h；冷却至室温后进行研磨并过100目筛，即得带有阳离子的硅藻土。
表2实施例7-实施例10中原料组成及部分工艺参数
序号\参数 硅藻土/份 CPAM/份 CPAM分子量/万 t1/h t2/h T/℃
实施例7 99 2 1100 2.0 1.0 500
实施例8 98 2 1200 2.0 1.5 450
实施例9 99 1 800 2.0 1.8 550
实施例10 98 1 1000 2.0 2.0 500
应用实施例1-实施例10的污泥调理剂(分别标记为样品1-样品10)进行污泥处理，详细过程如下：
污泥处理的方法，包括以下步骤：
将充分冷却(室温下放置一天以上)的污泥调理剂(样品1-样品10)和污泥(污泥的含水率为93-97％)混合，污泥调理剂加入量占污泥干重的质量百分含量为0.2-0.6％，以150-300r/min的搅拌速度搅拌5-30分钟，静置让其沉降，每隔30秒记一次污泥体积数，直至污泥体积不变，沉降时间的长短可以直接判断污泥的沉降性能优劣；再倒入比阻测定装置铺有定量滤纸的布氏漏斗中，进行定压抽滤，以10秒的间隔记录不同抽滤时间的滤液体积，直至滤饼破裂；抽滤结束后将布氏漏斗中滤纸上截留下来的滤饼称重，再在103～105℃下烘干至恒重，称重，滤液取样测定蛋白质浓度和多糖浓度。详见表3。
对比例1具体是直接将污泥进行上述方法的处理；对比例2是采用6％的硅藻土加入污泥中进行上述方法的处理；对比例3是采用6％的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)加入污泥中进行上述方法的处理；对比例4是采用0.2％的且分子量为1000w的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)加入污泥中进行上述方法的处理。
表3污泥处理过程的配比、工艺参数及污泥处理情况
通过表3可知，采用本发明的污泥调理剂可以将污泥中的含水率降低至70％以下，滤液中蛋白质的浓度和多糖的浓度大大增加，污泥脱水效果好；改性剂和污泥调理剂的用量均非常小，成本低且污染小。从样品3可知，当投加量过高时(将投加量为0.8％和1.0％与0.6％进行比较)，污泥的沉降和脱水性能没有明显的改善；当投加量过低时(将投加量为0.1％与0.2％进行比较)，污泥的沉降和脱水性能大大降低，因此，将调理剂的投加量控制在0.2％-0.6％，从控制成本和污泥处理效果的角度来说更科学。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改性硅藻土，其特征在于：包括带有阳离子的硅藻土，以重量份数计所述带有阳离子的硅藻土通过1-5份的改性剂改性95-99份的硅藻土制得；
所述改性剂为十六烷基三甲基溴化铵或阳离子聚丙烯酰胺。
2.根据权利要求1所述的改性硅藻土，其特征在于，所述硅藻土包括以重量百分数计的如下组分：二氧化硅70-85％、三氧化二铝10-15％、氧化钙5-10％以及三氧化二铁0-5％。
3.一种如权利要求1-2任意一项所述的改性硅藻土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将改性剂加入改性剂重量10-50倍的溶剂中混合均匀得改性剂溶液；
步骤二：将相应比例的硅藻土和步骤一所得改性剂溶液加入55℃-65℃的恒温水浴锅内以150-300r/min的搅拌速度搅拌0.5-24h，得到改性混合溶液；
步骤三：将步骤二所得改性混合溶液进行抽滤得到抽滤产物，将所述抽滤产物放入温度为100℃-120℃的烘箱中烘烤1-2h得到烘烤物；将烘烤物放入温度为450℃-550℃的马弗炉中焙烧1.0-2.0h得到焙烧物；将焙烧物冷却后研磨并过100目筛，即得带有阳离子的硅藻土。
4.根据权利要求3所述的改性硅藻土的制备方法，其特征在于：所述改性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
5.一种如权利要求1-2任意一项所述的改性硅藻土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤Ⅰ：硅藻土的酸活化，具体是：取相应配比的硅藻土放入温度为450℃-550℃的马弗炉中焙烧1-2h得到焙烧物；将焙烧物取出放入干燥皿中冷却至室温，再将冷却后的焙烧物加入浓度为5％-10％的盐酸溶液中得到第Ⅰ混合物；将第Ⅰ混合物放入温度为50℃-65℃的水浴锅中以150-300r/min的搅拌速度搅拌2h得到第Ⅱ混合物；将第Ⅱ混合物进行离心分离、洗涤、抽滤以及干燥，所述洗涤采用蒸馏水洗涤，且至洗涤液的pH为5.8-6.2；所述干燥具体是：将抽滤后所得固体物质放入温度为100-120℃的烘箱中烘烤1-2h，即得酸活化的硅藻土；
将改性剂加入改性剂重量20-50倍的溶剂中混合均匀得改性剂溶液；
步骤Ⅱ：将步骤Ⅰ所得酸活化的硅藻土和改性剂溶液放入温度为50℃-65℃的恒温水浴锅中以150-300r/min的搅拌速度搅拌0.5-24h得到搅拌物；将搅拌物进行抽滤后取固体物质部分放入温度为100℃-120℃的烘箱内烘烤1-2h；冷却至室温后进行研磨并过100目筛，即得带有阳离子的硅藻土。
6.根据权利要求5所述的改性硅藻土的制备方法，其特征在于：所述改性剂采用分子量为800万-1200万的阳离子聚丙烯酰胺。
7.一种污泥调理剂，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的带有阳离子的硅藻土。
8.一种污泥处理的方法，其特征在于：包括以下步骤：
将如权利要求7所述的污泥调理剂和污泥混合，以150-300r/min的搅拌速度搅拌5-30min，然后通过真空抽滤即可得到污泥滤饼，其中，所述污泥调理剂的重量为污泥的重量的0.2％-0.6％。
9.根据权利要求7所述的污泥处理的方法，其特征在于：所述污泥的含水率≥90％；所述污泥滤饼的含水率≤70％。
10.根据权利要求7所述的污泥处理的方法，其特征在于：所述搅拌器为真空脱水机，其内部保持恒压，且其压力值为0.3Mpa-0.8Mpa。
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