超声波联合芬顿反应和厌氧消化处理工业污泥的方法及设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声波联合芬顿反应和厌氧消化处理工业污泥的方法及设备，处理方法包括预处理和后续处理两个步骤：所述的预处理：是在一个设备中同时对工业污泥进行芬顿反应和超声波破碎反应，使工业污泥在破解的同时释放出溶解性物质；所述的芬顿反应条件是：pH1.5-3.5，H2O2的投加量7-21g/L，Fe2+的投加量0.1-3g/L，反应时间为0.5-2.0h，反应温度为50-70℃，所述的超声破碎的声能密度为0.1-3w/m3，超声时间为10-50min；所述的后续处理是经芬顿超声破碎后的污泥，进入厌氧消化罐，进行厌氧消化产沼气，产生的一部分沼气用作燃料，另一部分沼气从罐底循环至罐内，形成内循环，代替搅拌器，不需要维护搅拌器。
【专利说明】超声波联合芬顿反应和厌氧消化处理工业污泥的方法及设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种污泥处理【技术领域】，特别是涉及工业污泥及城市污泥的处理及资源化利用的方法。
【背景技术】
[0002]随着工业经济的快速发展，人们的生活水平不断的提高，工业生产和城市生活产生大量的污泥。这些污泥多以填埋处置为主，占地面积大，处理费用高。有的经过处理后作为农业有机肥，在发达国家，污泥处理处置是极其重要的环节，其投资约占污水处理厂总投资的50.0-70.0%，可见污泥处理费用之高之多。
[0003]工业污泥，特别是食品污泥中，例如酒精废液、淀粉污泥、罐头厂污泥等富含有机质和氮、磷、钙、镁等营养元素，若将污泥氧化破解，使营养元素得以释放，并加以利用，不仅能使污泥减量化，节省填埋处置成本，还能实现污泥资源化利用，产生额外的经济效益。而氮磷元素是富营养化的主要污染因子，若大量排放至地表，势必影响地表水的水质，严重的话，会引起富营养化，若能将其利用，作为厌氧消化氮源等营养源，既能有效利用，又能减少污染。
[0004]有关工业污泥和废水废渣处理的文献报道较多，但芬顿反应是最近人们研究的一个热点之一。
[0005]芬顿反应(Fenton)是一种高级氧化技术,通过Fe2+与H2O2的反应,产生强氧化剂羟基自由基，继而氧化破解污泥，破坏污泥微生物的细胞壁，使细胞体内的细胞质释放，并将大分子难降解有机物分解`为小分子物质，增加污泥的无机化程度，Fenton氧化技术是一种有效的污泥预处理技术，但Fenton氧化技术需要高浓度的酸和亚铁离子和过氧化氢，成本较高，如何减少过氧化氢使用量，进一步降低Fenton氧化成本是研究的方向。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决污泥减量化和资源化而提出一种利用超声波联合Fenton氧化技术预处理工业污泥和城市污泥，进而进行厌氧消化获得沼气的一项方法。
[0007]超声波联合芬顿反应和厌氧消化处理工业污泥的方法，其特征在于:处理方法包括预处理和后续处理两个步骤:所述的预处理:是首先在一个设备中同时对工业污泥进行芬顿反应和超声波破碎反应，使得工业污泥在降解的同时分解为小分子物质；所述的芬顿反应条件是:pH 1.5-3.5，H2O2的投加量7-21g/L，Fe2+的投加量0.1_3 g/L，反应时间为0.5-2.0h，反应温度为50-70°C，所述的超声破碎的声能密度为0.l-3w/ m3，超声时间为10-50 min ;所述的后续处理是经芬顿超声破碎后的污泥，进入到厌氧消化罐，进行厌氧消化产沼气。产生的一部分沼气用作燃料，另一部分沼气从罐底循环至罐内，形成内循环，代替搅拌器。
[0008]所述的芬顿反应是首先将工业污泥加入酸调节剂，调节污水的pH为1.5-3.5 ;酸调节剂是硫酸或盐酸。
[0009]以上超声波联合芬顿反应和厌氧消化处理工业污泥的方法采用的设备，包括芬顿反应器和超声波反应器及厌氧消化罐，所述的芬顿反应器和超声波反应器及厌氧消化罐做成一体式，称为超声芬顿反应池，超声芬顿反应池安装在厌氧消化罐的上部，超声芬顿反应池外部有防护罩，超声芬顿反应池内部设有超声换能器，超声换能器接外部的超声波发生器；超声芬顿反应池上部有污泥入口管、芬顿反应剂入口和加酸管，和超声芬顿反应池底部有出泥管通到与下部的厌氧消化罐，厌氧消化罐上部有沼气收集管，底部有出泥管和出水管，出水管接循环泵，沼气收集管有接管通到厌氧消化罐底部作为搅拌的反冲污泥器波池出口接厌氧消化罐，厌氧消化罐上部和下部都设有沼气出口管，消化罐底部设有出泥管。
[0010]超声芬顿反应池根据需要，可以增加搅拌器。
[0011]厌氧消化罐出口的污泥可以直接作为有机肥料的原料。
[0012]厌氧消化罐出口的少量污水经过沉淀符合环保要求后可以排放。
[0013]本发明的原理:
亚铁盐和过氧化氢的组合体系称为Fenton试剂，具有强氧化性，能有效氧化去除传统废水处理技术无法去除的难降解有机物，如可将羧酸、醇、酯类氧化为无机态，氧化效果十分明显，其实质是H2O2在Fe2+的催化作用下生成具有高反应活性的羟基自由基(-OH), -OH氧化破解污泥，破坏污泥微生物的细胞壁，使细胞体内的细胞质释放，并将大分子难降解有机物分解为小分子物质，增加污泥的无机化程度。
[0014]超声波是频率高于20kHz，并且不引起听觉的弹性波。超声波的空化效应、热效应和机械作用是超声技术用于加速药酒泡制过程的三大理论依据。(I)空化作用。液体中往往存在一些真空的或含有少量气体或蒸汽的小气泡，这些小气泡尺寸不一。当一定频率的超声波作用于液体时，只有尺寸适宜的小泡能发生共振现象，大于共振尺寸的小泡被驱出液体外，小于共振尺寸的小 泡在超声作用下逐渐变大。接近共振尺寸时，声波的稀疏阶段使小泡迅速胀大，在声波的压缩阶段，小泡又突然被绝热压缩，直至湮灭。湮灭过程中，小泡内部可达几千度的高温和几千个大气压的高压。上述现象称为空化现象。在小泡胀大时，由于摩擦可产生电荷，在湮灭过程中可产生放电、发光现象。超声波可以使常温常压不能发生的化学反应在空化作用下发生，可以使污泥的细胞破裂，加速分解。(2)热效应。超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。声能被吸收可引起媒质中的整体加热，边界外的局部加热和空化形成激波时波前处的局部加热等。超声波的强度愈大，产生的热作用愈强。这种局部的加热效果可以加速药材中有效成份的溶解。(3)机械作用。超声波是机械振动能量的传播，可在液体中形成有效的搅动与流动，破坏介质的结构，粉碎液体中的颗粒，能达到普通低频机械搅动达不到的效果。这种机械搅拌作用可以使液体浓度扩散，加速有效成份浸出。除此之外，还发现超声波可激活某些酶与细胞参与的生理化学过程，提高酶加速细胞新陈代谢过程。在超声过程中产生及打破波动压力所生成的微小气泡而产生的机械振动机制，这种振动具有破坏细胞结构及组成作用。对非均相界面会因超声波振动的切向力和微射流等作用而使固相颗粒或板块破碎变细，从而可起到清除污垢的作用，超声有很强的杀菌保鲜效果。
[0015]本发明的有益效果:
1、首次采用超声波联合芬顿预处理后厌氧消化工业污泥。[0016]2、采用超声芬顿氧化池与厌氧罐的叠加，实现无动力厌氧消化进泥，同时，厌氧罐可采用地埋式，大大缩小了占地面积。
[0017]3、厌氧消化产生的气体，一部分用于罐内气体内循环，进行无动力搅拌，大大减小了设备维护风险，且节约成本。
[0018]4、另一部分气体可回收利用，产生经济效益。污泥的有机物含量已经降低，直接作为农业有机肥。
[0019]5、本发明的超声波联合芬顿预处理后厌氧消化工业污泥可以应用于处理食品工业污泥、纺织工业污泥、城市污泥和冶金工业污泥，特别对于浓度高，粘度大，有颜色的污泥处理，有较好的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明啤酒工业剩余污泥的资源化处理设备示意图。
[0021]如图1所示，超声波联合芬顿反应和厌氧消化处理工业污泥的方法采用的设备，包括芬顿反应器和 超声波反应器及厌氧消化罐，所述的芬顿反应器和超声波反应器及厌氧消化罐做成一体式，称为超声芬顿反应池，超声芬顿反应池安装在厌氧消化罐的上部，超声芬顿反应池外部有防护罩，超声芬顿反应池内部设有超声换能器，超声换能器接外部的超声波发生器；超声芬顿反应池上部有污泥入口管、芬顿反应剂入口和加酸管，和超声芬顿反应池底部有出泥管通到与下部的厌氧消化罐，厌氧消化罐上部有沼气收集管，底部有出泥管和出水管，出水管接循环泵，沼气收集管有接管通到厌氧消化罐底部作为搅拌的反冲污泥器波池出口接厌氧消化罐，厌氧消化罐上部和下部都设有沼气出口管，消化罐底部设有出泥管。超声芬顿反应池根据需要，可以增加搅拌器。
[0022]
【具体实施方式】
[0023]实施例1
将啤酒污泥污水混合物通到超声芬顿反应池中，H2O2的投加量11 g/L, Fe2+的投加量
0.5 g/L，并加入硫酸调节pH到1.5-2.0，反应时间为0.5h，反应温度为50°C，设定超声破碎的声能密度为0.1w/ m3,超声时间=10 min ;超声芬顿反应池下方接厌氧消化罐,厌氧消化罐设有沼气出口管、污泥出口管和污水出口管，污水出口管接污水沉淀罐，再接回收水箱，处理后的污泥可以直接作为有机肥料的原料，厌氧消化罐出口的少量污水沉淀后可以排放。
[0024]实施例2
将城市污泥污水混合物通到超声芬顿反应池中，H2O2的投加量11 g/L, Fe2+的投加量
0.8 g/L，并加入硫酸调节pH到2.0-3.0，反应时间为1.5h，反应温度为60°C，设定超声破碎的声能密度为0.2w/ m3，超声时间30 min;超声芬顿反应池下方接厌氧消化罐，厌氧消化罐设有沼气出口管、污泥出口管和污水出口管，污水出口管接污水沉淀罐，再接回收水箱，处理后的污泥可以直接作为有机肥料的原料，厌氧消化罐出口的少量污水沉淀后可以排放。
[0025]实施例3将淀粉厂污泥污水混合物通到超声芬顿反应池中，H2O2的投加量15 g/L, Fe2+的投加量I g/L，并加入硫酸调节pH到2.0-3.0，反应时间为1.5h，反应温度为60°C，设定超声破碎的声能密度为0.3w/ m3,超声时间50 min ;超声芬顿反应池下方接厌氧消化罐,厌氧消化罐设有沼气出口管、污泥出口管和污水出口管，污水出口管接污水沉淀罐，再接回收水箱，处理后的污泥可以直接作为有机肥料的原料，厌氧消化罐出口的少量污水沉淀后可以排放。
[0026]实施例3
将纺织厂有颜色的污泥污水混合物通到超声芬顿反应池中，H2O2的投加量20 g/L, Fe2+的投加量3 g/L，并加入硫酸调节pH到2.0-3.0，反应时间为1.5h，反应温度为60°C，设定超声破碎的声能密度为0.3w/ m3,超声时间50 min ;超声芬顿反应池下方接厌氧消化罐,厌氧消化罐设有沼气出口管、污泥出口管和污水出口管，污水出口管接污水沉淀罐，再接回收水箱，处理后的污泥可以直接作为有机肥料的原料，厌氧消化罐出口的少量污水沉淀后可以排放。
[0027]实验室试验:
1、所述的芬顿反应条件是:pH 1.5-3.5,H2O2的投加量7-21g/L，Fe2+的投加量0-3 g/L，反应时间为0.5-2.0h，反应温度为50-70°C，所述的超声破碎的声能密度为0.08-0.2w/m3，超声时间为 10-50 min ;调节声能密度分别为 0.08 W/mL,0.12 W/mL,0.16ff/mL,0.18 ff/mL和0.2W/mL，得到数据表明，这些条件都可以处理污泥。。
[0028]2、厌氧消化:在超声联合Fenton预处理污泥的实验条件下，氧化破解污泥，破解后，取出150mL的污泥于血清瓶中，接种200mL的厌氧颗粒污泥，进行厌氧消化产沼气。经过15天的厌氧消化，未经超声强化的Fenton处理污泥累计产气量为437mL，而经超声联合Fenton预处理污泥的累计产气量为584mL，相比提高了 23.64%的产气量，甲烷作为一种新型的清洁能源，可以用于工厂供热，减少燃煤的用量，节省了成本的同时还能减少污染。
【权利要求】
1.超声波联合芬顿反应和厌氧消化处理工业污泥的方法，其特征在于:处理方法包括预处理和后续处理两个步骤:所述的预处理:是首先在一个设备中同时对工业污泥进行芬顿反应和超声波破碎反应，使得工业污泥在降解的同时分解为小分子物质；所述的芬顿反应条件是:pH 1.5-3.5，H2O2的投加量7-21g/L，Fe2+的投加量0.1-3 g/L，反应时间为0.5-2.0h，反应温度为50-70°C，所述的超声破碎的声能密度为0.l-3w/ m3，超声时间为10-50 min ;所述的后续处理是经芬顿超声破碎后的污泥，进入到厌氧消化罐，进行厌氧消化产沼气；产生的一部分沼气用作燃料，另一部分沼气从罐底循环至罐内，形成内循环，代替搅拌器。
2.根据权利要求1所述的超声波联合芬顿反应和厌氧消化处理工业污泥的方法，其特征在于:所述的芬顿反应是首先将工业污泥加入酸调节剂，调节污水的PH为1.5-3.5 ;酸调节剂是硫酸或盐酸。
3.一种超声波联合芬顿反应和厌氧消化处理工业污泥的方法采用的设备，其特征在于:包括芬顿反应器和超声波反应器及厌氧消化罐，所述的芬顿反应器和超声波反应器及厌氧消化罐做成一体式，称为超声芬顿反应池，超声芬顿反应池安装在厌氧消化罐的上部，超声芬顿反应池外部有防护罩，超声芬顿反应池内部设有超声换能器，超声换能器接外部的超声波发生器；超声芬顿反应池上部有污泥入口管、芬顿反应剂入口和加酸管，和超声芬顿反应池底部有出泥管通到与下部的厌氧消化罐，厌氧消化罐上部有沼气收集管，底部有出泥管和出水管，出水管接循环泵，沼气收集管有接管通到厌氧消化罐底部作为搅拌的反冲污泥器。
4.权利要求1所述的超声波联合芬顿反应和厌氧消化处理工业污泥的方法在处理食品工业 污泥、纺织工业污泥、城市污泥和冶金工业污泥方面的应用。
【文档编号】C02F11/06GK103613262SQ201310678092
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】陈仁义, 王英辉, 许道全, 姜白杨, 张丹, 张瑞杰 申请人:广西大学