CN114506997B - 一种高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环保领域，公开一种应用于板框压滤机污泥脱水的颗粒污泥的制备方法。首先，将木质纤维素置于氢氧化钠和尿素的水溶液中，冷冻溶胀，待其充分溶解后，冷却至室温，在搅拌条件下，向其中滴入氯乙酸的乙醇溶液，加热搅拌回流，趁热过滤，滤饼用乙醇水溶液反复洗涤直至滤饼中不含有无机盐分；将滤饼置于低温真空干燥器中充分干燥，放入管式炉中，在保护气保护下碳化，自然冷却至室温，得到黑色产物；将黑色粉末充分研磨即纤维素‑炭基调理剂。取污水处理厂浓缩后的污泥，首先向其中加入所述纤维素‑碳化产物，充分搅拌，向混合污泥中加入CPAM充分搅拌后即得颗粒污泥。本发明制备方法简单，制备出的颗粒污泥形貌独特，加入污泥后污泥比阻和毛细吸水时间明显降低，污泥的深度脱水效果明显改善。

Description

一种高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备 方法

技术领域

本发明属于环保领域，具体涉及高压隔膜板框压滤机处理市政、工业污泥深度脱水的领域，特别是涉及一种应用于板框压滤机污泥脱水的颗粒污泥的制备方法。

背景技术

污泥是一种由水、无机颗粒、纤维、有机残片、细菌菌体、絮体和胶体等组成的极其复杂的非均质体物质。其有机物含量高，颗粒较细，比重较小，呈胶状液态，固液分离困难（黄晓婷,袁海平,周熠鸣等.基质投加量对生物调理改善污泥脱水性能的影响[J].环境科学学报, 2017, 37(6): 2137-2142）。目前，污泥脱水常用的方法有，叠螺机脱水、带式压滤机脱水 ，离心机脱水、板框压滤机脱水等，随着国家关于污泥脱水标准提高，叠螺机脱水、带式压滤机，离心机脱水后的污泥含水率在75%-85%之间，不能满足污泥深度脱水的要求，故板框压滤机深度脱水（处理后的污泥含水率60%以下）成了很多用户深度脱水选择(郭望渊,陈科庆.隔膜压滤机在污泥深度脱水中的应用研究[J]. 中国设备工程. 2019(18)。板框压滤机在进行污泥深度脱水过程中，其主要通过板框压滤机的滤布将污泥和水分离，但是未经调理的污泥颗粒较小，Zeta电位的绝对值较大，污泥颗粒的稳定性较好，不利于污泥和水的分离(于晓.不同性质污泥的脱水性能及制备污泥吸附剂的研究[D].青岛:青岛大学,2019.)。未经污泥调理剂调理的污泥有机物含量高、粒径小、亲水高、比阻大、脱水性能较差且不易实现固液分离（Novak J T，Mechanisms of floc destruction duringanaerobic and aerobic digestion and the effect on conditioning and dewateringof biosolids[J]. Water Research, 2003, 37(13): 3136-3144）所以，污泥在进行板框压滤机滤水之前，加入污泥调理剂调理，调理后的污泥的毛细吸水时间、污泥比阻明显降低，有利于污泥的深度脱水。目前，常用的污泥调理剂有聚合氯化铝（刘锐、徐强等.PAC调理剂对全自动板框压滤机污泥深度脱水的影响[J].环境科学与资源利用2021,09(25):158-162）、三氯化铁+PAM、聚合氯化铝+PAM、（牛美清.不同混凝剂对污泥脱水性能的影响研究[J].环境科学与资源利用,2012,09(012):2126-2133）三氯化铁+石灰、硅藻土等。以上调理方法会向污泥中引入大量的氯离子和钙离子，对污泥后续焚烧处理的高炉存在严重的腐蚀。且传统的调理方式引入的无机污泥调理剂，降低了污泥的热值，在后续焚烧过程中会消耗更多的煤炭，不利于环境的绿色可持续发展。本发明中所采用的两种调理剂均为有机调理剂不会影响污泥的燃烧热值，且这两种调理剂中钙离子、氯离子的含量极低对后续的焚烧及其他的资源化利用不会产生不利影响。

发明内容

本发明目的是提供纤维素-碳化调质剂的制备方法，本发明基于纤维素是难溶于水的天然高分子，但是纤维素可以在冷冻条件下快速溶解在氢氧化钠-尿素体系中，实现了纤维素在均质溶液中的接枝反应，之后经过碳化处理得到特殊形貌的花球型碳化颗粒，此花球型碳化颗粒加入污泥中形成新型的污泥凝结核，使污泥团聚后配合CPAM制备粒径较大的球型颗粒污泥，此球型颗粒污泥的存在可大幅度降低污泥比阻和毛细吸水时间。因此，本发明提供一种应用于板框压滤机污泥脱水的颗粒污泥的制备方法，用本发明制备的纤维素-碳化调理剂配合CPAM制备颗粒污泥。通过合成新型骨架污泥凝聚颗粒，加入污泥中形成新型的凝结核，将污泥间隙水、部分结合水除掉，后配合CPAM产品，使原本松散无序的污泥，形成有序的颗粒状态，且形成的污泥颗粒结实不易碎，提高污泥的滤水性能，降低污泥比阻，和毛细吸水时间，有利于污泥的深度脱水。

本发明提供一种用于污泥深度脱水的颗粒污泥制备的纤维素-碳化调理剂的制备方法，其包括如下步骤：

（1）将木质纤维素置于氢氧化钠和尿素的水溶液中，冷冻溶胀，待其充分溶解后冷却；

（2）在磁力搅拌条件下，将步骤（1）中溶液水浴加热搅拌回流，向其中滴入氯乙酸的乙醇溶液，回流加热搅拌下反应，再向其中加入乙醇，趁热过滤，弃去滤液；

（3）从步骤（2）中得到的滤饼用乙醇水溶液反复洗涤直至滤饼中不含有无机盐分；

（4）将步骤（3）中所得滤饼置于低温真空干燥器中充分干燥获得微黄色粉末；

（5）将微黄色粉末在保护气保护下，升温碳化，自然冷得到黑色粉末；

任选地，还包括：（6）将所得黑色粉末充分研磨。

在一个具体实施方式中，步骤（1）是将1-4g木质纤维素置于氢氧化钠10-30wt%和尿素5-15wt%的水溶液中，-10～-35℃冷冻溶胀，待其充分溶解后冷却至室温；优选的，步骤（1）中，氢氧化钠20wt%和尿素8wt%的水溶液,冷冻温度为-25℃。

在一个具体实施方式中，步骤（2）是在磁力搅拌条件下，向步骤（1）中溶液30-55℃水浴加热搅拌回流，向其中滴入5-25ml氯乙酸的乙醇溶液，回流加热搅拌50-75℃下反应2-8h，待反应结束，向其中加入30-50ml乙醇，趁热过滤，弃去滤液；优选的，步骤（2）中，磁力搅拌时间为30 min，氯乙酸乙醇溶液的添加量为12ml，加热温度为60⁰C。

在一个具体实施方式中，步骤（3）从步骤（2）中得到的滤饼用乙醇水溶液体积比7：3-4：6反复洗涤直至滤饼中不含有无机盐分；优选的，步骤（3）中，滤饼用乙醇水溶液体积比7:3为最佳，清洗次数3次。

在一个具体实施方式中，步骤（4）是将步骤（3）中所得滤饼置于低温真空干燥器中充分干燥6-20h获得微黄色粉末；优选的，步骤（4）中，饼置于低温（-10℃到-20℃）真空干燥器中充分干燥8h获得微黄色粉末。

在一个具体实施方式中，步骤（5）将微黄色粉末在Ar气保护下，以0.5~15℃/min的升温速率，升温至450~950℃，碳化时间为0.5~10 h后，自然冷却至室温，得到黑色粉末；优选的，步骤（5）中，以0.5~15℃/min的升温速率，升温至450~950℃，更优选地，以升温速率为5 ℃/min，升温至750℃，碳化时间为5h。

本发明还提供一种应用于高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，包括如下步骤：

（1）取污水处理厂经污泥浓缩池浓缩后的污泥，向其中加入上述的制备方法得到的纤维素-碳化调理剂，充分搅拌充分混合；

（2）向混合污泥中加入CPAM充分搅拌后即得。

优选实施方式中，步骤（1）是取污水处理厂经污泥浓缩池浓缩后的污泥，向其中加入绝干污泥量的5-40wt%的所述纤维素-碳化调理剂，充分搅拌10-50min；更优选地，加入绝干污泥量的5-20wt%的所述纤维素-碳化调理剂，进一步优选地，加入量10wt%。

另一优选实施方式中，步骤（2）中向混合污泥中加入绝干污泥量1-10wt%CPAM充分搅拌；优选地，加入绝干污泥量2-5wt%CPAM。

在具体实施方式中，所述污水是生活污水或工业污水。

本发明以可再生资源木质纤维素为原料通过接枝反应得到具有特殊结构的炭基聚合物再利用高温热处理法，首次合成花球状纤维素-碳化复合材料，最后将其与生活污水处理厂的浓缩污泥混合，配合CPAM，制备出规则的球型颗粒污泥颗粒污泥的直径为0.5-2.5mm。该球型颗粒污泥可有效降低污泥比阻和毛细吸水时间。本发明也具有工艺简单，适合规模化工业生产。本发明添加到污泥中的药剂基本为有机药剂，对后续的污泥焚烧和污泥堆肥不会产生太大的影响。因此，本发明在市政和工业污泥深度脱水领域有潜在的、广泛的应用前景。

附图说明

图1为实施例1所制备的 纤维素-碳化调制剂（样品S-1）的扫描电镜照片；

图2为实施例1所制备的 纤维素-碳化调制剂（样品S-1）的透射电镜照片；

图3为对比例污水处理厂原泥的显微镜放大800倍的图片；

图4为添加了纤维素-碳化调制剂和CPAM制备颗粒污泥的显微镜放大800倍的图片（样品S-2）。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述，这些实施例只是为了阐述本发明的技术方案而不能视为对本发明权利要求内容的限制。实施例中，所用原料均为常规市购产品，木质纤维素阿拉丁试剂厂有售，氯乙酸、无水乙醇在Sigma公司有售，阳离子聚丙烯酰胺CPAM在国药化学试剂有限公司有售；所用设备均为常规设备，测试方法均为常规方法。

本发明所制备样品的扫描电镜照片是经日本Hitachi S-4800场发射扫描电子显微镜检测获得，透射电镜照片是经日本JEM-1011透射电子显微镜检测获得，污泥比阻仪，毛细吸水率仪由海富达304M 测得。

实施例1

本实施例中，高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，具体步骤如下：

（1）将3g木质纤维素置于氢氧化钠25wt%和尿素8wt%的水溶液中，-25℃冷冻溶胀，待其充分溶解后冷却至室温。

（2）在磁力搅拌条件下，向（1）中溶液55℃水浴加热搅拌回流，向其中滴入12ml氯乙酸乙醇溶液，回流加热搅拌75℃下反应2-8h，待反应结束，向其中加入50ml乙醇，趁热过滤，弃去滤液。

（3）从步骤（2）中得到的滤饼用乙醇水溶液体积比（7:3）反复洗涤直至滤饼中不含有无机盐分.

（4）将步骤（3）中所得滤饼置于-20℃低温真空干燥器中充分干燥10h获得微黄色粉末。

（5）将微黄色粉末在Ar气保护下，以5℃/min的升温速率，升温至750 ℃，碳化时间为4 h后，自然冷却至室温，得到黑色粉末；

（6）在研钵中，将所得黑色粉末充分研磨待用。

（7）取生活污水处理厂经污泥浓缩池浓缩后的污泥，向其中加入绝干污泥量的15wt%的以上制备碳化产物，充分搅拌20min，

（8）待碳化产物和污泥充分混合后向混合污泥中加入绝干污泥量2wt%CPAM充分搅拌后测定污泥的污泥比阻和毛细吸水时间。

由图1和图2可见，样品S-1为制备的纤维素-炭基调理剂，花球大小较均一，直径约350nm左右。对本实施例制备的纤维素-炭基调理剂添加到污泥中配合CPAM使用，形成的颗粒污泥直径为1-1.5mm，污泥比阻为0.124*108（s2/g），毛细吸水时间为18s。相比于原泥的污泥比阻和毛细吸水时间有明显提高。另外，此方法形成的颗粒污泥颗粒紧实，不易碎，抗压能力强。

实施例2

本实施例中，高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，具体步骤如下：

实施例2操作步骤只是改变了实施例1中的纤维素-碳化产物的添加量，此添加量变为绝干污泥量的10wt%

对本实施例制备的纤维素-炭基调理剂添加到污泥中配合CPAM使用，形成的颗粒污泥直径为0.8-1.2 mm，污泥比阻为 0.4*108（s2/g），毛细吸水时间为25s。相比于原泥的污泥比阻和毛细吸水时间有一定提高。另外，此方法形成的颗粒污泥颗粒紧实，不易碎，抗压能力强。

实施例3

本实施例中，高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，具体步骤如下：

实施例3操作步骤只是改变了实施例1中的纤维素-碳化产物的添加量，此添加量变为绝干污泥量5wt%

对本实施例制备的纤维素-炭基调理剂添加到污泥中配合CPAM使用，形成的颗粒污泥直径为0.4-0.6mm，污泥比阻为0.8*108（s2/g），毛细吸水时间为38s。相比于原泥的污泥比阻和毛细吸水时间有所降低。另外，此方法形成的颗粒污泥颗粒紧实，不易碎，抗压能力强。

实施例4

本实施例中，高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，具体步骤如下：

实施例4操作步骤只是改变了实施例1中的氯乙酸乙醇溶液添加量，此添加量变为5ml。

对本实施例制备的纤维素-炭基调理剂添加到污泥中配合CPAM使用，形成的颗粒污泥直径为0.8-1 mm，污泥比阻为0.324*108（s2/g），毛细吸水时间为25s。相比于原泥的污泥比阻和毛细吸水时间有明显提高。另外，此方法形成的颗粒污泥颗粒紧实，不易碎，抗压能力强。

实施例5

本实施例中，高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，具体步骤如下：

实施例5操作步骤只是改变了实施例1中的氯乙酸乙醇溶液添加量，此添加量变为2ml。

对本实施例制备的纤维素-炭基调理剂添加到污泥中配合CPAM使用，形成的颗粒污泥直径为0.4-0.6 mm，污泥比阻为1.2*108（s2/g），毛细吸水时间为 54s。相比于原泥的污泥比阻和毛细吸水时间有明显提高。另外，此方法形成的颗粒污泥颗粒紧实，不易碎，抗压能力强。

对比例1

本对比例中，高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，具体步骤如下：

取一定量的生活污水处理厂的浓缩污泥向污泥不添加任何污泥调理剂充分搅拌后测定污泥的污泥比阻和毛细吸水时间。对本对比例未添加任何污泥调理剂，未形成颗粒污泥污泥比阻为6.13*108（s2/g），毛细吸水时间为118s。另外，此污泥颗粒较为松散，抗压能力弱。

对比例2

取一定量的生活污水处理厂的浓缩污泥向污泥加入绝干污泥量20wt%的聚合氯化铝充分搅拌后测定污泥的污泥比阻和毛细吸水时间。对本对比例未添加任何污泥调理剂，形成较小颗粒污泥，形成的颗粒污泥直径为 0.05-0.1 mm；污泥比阻为 2.89*108（s2/g），毛细吸水时间为 42s。

对比例3

取一定量的生活污水处理厂的浓缩污泥向污泥加入CPAM充分搅拌后测定污泥的污泥比阻和毛细吸水时间。本对比例所形成的颗粒污泥形状不规则，污泥比阻为2.8*108（s2/g），毛细吸水时间为48s。相比于原泥的污泥比阻和毛细吸水时间有一定提高。另外，此方法形成的颗粒污泥颗粒松散，易碎，抗压能力弱。

表1为本发明实施例和对比例中的各项指标。

由上述结果可知，本发明制备的纤维素-炭基调理剂添加到污泥中配合CPAM使用，形成的颗粒污泥非常规则，直径范围比较均一，其中以实施例3和5为例其直径为0.4-0.6mm，污泥比阻为大大降低，毛细吸水时间为明显缩短，相比于原泥的污泥比阻和毛细吸水时间有明显提高。另外，此方法形成的颗粒污泥颗粒紧实，不易碎，抗压能力强。

Claims (19)

1.一种用于污泥深度脱水的颗粒污泥制备的纤维素-碳化调理剂的制备方法，其包括如下步骤：

（1）将木质纤维素置于氢氧化钠和尿素的水溶液中，冷冻溶胀，待其充分溶解后冷却；

（2）在磁力搅拌条件下，将步骤（1）中溶液水浴加热搅拌回流，向其中滴入氯乙酸的乙醇溶液，回流加热搅拌下反应，再向其中加入乙醇，趁热过滤，弃去滤液；

（3）从步骤（2）中得到的滤饼用乙醇水溶液反复洗涤直至滤饼中不含有无机盐分；

（4）将步骤（3）中所得滤饼置于低温真空干燥器中充分干燥获得微黄色粉末；

（5）将微黄色粉末在保护气保护下，升温碳化，自然冷得到黑色粉末；

任选地，还包括：（6）将所得黑色粉末充分研磨。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）是将1-4g木质纤维素置于氢氧化钠10-30wt%和尿素5-15wt%的水溶液中，-10～-35℃冷冻溶胀，待其充分溶解后冷却至室温。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，氢氧化钠20wt%和尿素8wt%的水溶液,冷冻温度为-25℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）是在磁力搅拌条件下，向步骤（1）中溶液30-55℃水浴加热搅拌回流，向其中滴入5-25ml氯乙酸的乙醇溶液，回流加热搅拌50-75℃下反应2-8h，待反应结束，向其中加入30-50ml乙醇，趁热过滤，弃去滤液。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，磁力搅拌时间为30 min，氯乙酸乙醇溶液的添加量为12ml，加热温度为60℃。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）从步骤（2）中得到的滤饼用乙醇水溶液体积比7：3-4：6反复洗涤直至滤饼中不含有无机盐分。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，滤饼用乙醇水溶液体积比7:3为最佳，清洗次数3次。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）是将步骤（3）中所得滤饼置于低温真空干燥器中充分干燥6-20h获得微黄色粉末。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，饼置于-10℃至-20℃低温真空干燥器中充分干燥8h获得微黄色粉末。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）将微黄色粉末在Ar气保护下，以0.5~15℃/min的升温速率，升温至450~950℃，碳化时间为0.5~10 h后，自然冷却至室温，得到黑色粉末。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，以0.5~15℃/min的升温速率，升温至450~950℃。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，以升温速率为5 ℃/min，升温至750℃，碳化时间为5h。

13.一种应用于高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，包括如下步骤：

（1）取污水处理厂经污泥浓缩池浓缩后的污泥，向其中加入如权利要求1至10任一项所述的制备方法得到的纤维素-碳化调理剂，充分搅拌充分混合；

（2）向混合污泥中加入CPAM充分搅拌后即得。

14.根据权利要求13所述的应用于高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，其特征在于，

步骤（1）是取污水处理厂经污泥浓缩池浓缩后的污泥，向其中加入绝干污泥量的5-40wt%的所述纤维素-碳化调理剂，充分搅拌10-50min。

15.根据权利要求13所述的应用于高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，其特征在于，步骤（1）中加入绝干污泥量的5-20wt%的所述纤维素-碳化调理剂。

16.根据权利要求15所述的应用于高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，其特征在于，步骤（1）中加入绝干污泥量的10wt%的所述纤维素-碳化调理剂。

17.根据权利要求13所述的应用于高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，其特征在于，步骤（2）中向混合污泥中加入绝干污泥量1-10wt%CPAM充分搅拌。

18.根据权利要求17所述的应用于高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，其特征在于，骤（2）中加入绝干污泥量2-5wt%CPAM。

19.根据权利要求13至18任一项所述的应用于高压隔膜板框压滤机污泥深度脱水的颗粒污泥的制备方法，其特征在于，所述污水是生活污水或工业污水。

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