一种利用磷钨酸水热耦合处理的污泥深度脱水方法

1.本发明属于固体废物资源化技术领域，具体来说涉及一种利用磷钨酸水热耦合处理的污泥深度脱水方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的不断推进，城市污水处理厂的污水量递增导致剩余污泥产量剧增，大量剩余活性污泥的产生与处置引起人们的广泛关注。据报道，2019年我国污泥产量已超过6000万吨，预计2025年我国污泥年产量将突破9000万吨。污泥产量的迅速增加给污泥污染防治工作带来了巨大的压力。一方面，“重污轻水”的思想导致大家不能深刻地认识到剩余污泥处理处置的重要性，剩余污泥随意堆放、违规弃置等现象屡见不鲜，这在一定程度上影响了污水处理的效益；另一方面，剩余污泥本身具有含水量高、体积庞大和深度脱水困难等特点，导致了剩余污泥处理的费用高和操作程序繁杂，其处理费用占污水处理厂总运行成本的30％～60％。剩余活性污泥的处理是污水处理工作的延续，是污水处理生态环境效益的有力保障。因此，寻求有效的污泥脱水技术，从根本上解决剩余污泥处理的问题，实现污水处理厂运营管理成本的降低以及污泥的资源化势在必行。
3.水热处理是一种最简单、最有效和最具成本效益的污泥脱水技术。它引起絮状物的溶解，降低胞外聚合物(eps)的亲水性，从而导致结合水的释放。据报道，温度是热处理中决定污泥脱水性能好坏的关键因素，其阈值温度为180℃。脱水性能在该温度以上可以明显提高，而在该温度以下会恶化。当低于阈值温度时，大量的亲水性大分子聚合物从污泥胞内区域释放到污泥液相外层，提高了污泥胶体表面的亲水性和电负性，降低了污泥脱水性能。
4.近年来，热化学处理已经引起了极大的关注，通过在水热处理中添加一些化学试剂，能够有效地降低水热处理温度，实现中低温下的高效污泥脱水性能提升。据报道，在污泥水热过程中使用h2so4预酸化能够有效降低污泥的zeta电位，增加絮体粒径。因此，热耦合h2so4工艺能够在120～155℃实现污泥脱水性能的改善。热耦合h2so4虽然能够有效降低污泥的表面电负性，但不能进一步破坏释放的大分子物质的亲水结构。因此，热耦合h2so4依然并不能实现高效的中低温深度脱水，而这进一步增加了后续干燥与运输的成本，且硫酸的高危性也限制了热耦合h2so4工艺的实际应用。因此，寻求一种绿色、安全、高效的化学试剂与水热处理耦合实现中低温深度脱水具有重大的经济价值和应用前景。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中热耦合h2so4工艺在进行污泥调理时存在的安全性低、危险性高、脱水效率低、综合成本高等问题，提供一种更为绿色、安全、高效、低成本的利用磷钨酸水热耦合处理的污泥深度脱水方法。
6.为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
7.一种利用磷钨酸水热耦合处理的污泥深度脱水方法，所述方法为：将磷钨酸和待处理的污泥混合后，将混合物于水热温度下进行水热反应，反应结束后进行脱水，实现污泥
的中低温深度脱水处理。
8.优选的，所述磷钨酸的投料量为0.1～2.0mmol/g vss，更优选为0.6-1.0mmol/g vss。
9.优选的，所述磷钨酸和污泥通过振荡实现混合；更优选振荡时间为1-3min。在该条件下磷钨酸和污泥已基本实现混合充分，但需要注意的是，实际操作时可以根据实际的物料投量等情况适当延长时间以使得物料混合更加充分，而不限于当前所述时间。
10.优选的，所述水热温度为60～180℃，更优选温度为140℃。
11.优选的，所述水热反应时间为60-300min，更优选为60min。
12.优选的，所述脱水方法为机械脱水，更优选为真空抽滤脱水，更优选真空抽滤压力为0.55～1.0mpa，持续时间为4～15min。进一步加大压力和抽滤时间可以进一步降低泥饼含水率，实现污泥的固液分离。
13.优选的，所述脱水方法处理后的泥饼含水率降至62％，与未经处理的污泥相比含水率下降了35％。
14.优选的，所述脱水方法包括以下步骤：
15.步骤1：将100ml污泥置于反应体积为200ml的水热反应釜中；
16.步骤2：添加磷钨酸至步骤1的水热反应釜中，混合振荡1min；
17.步骤3：将水热反应釜于水热温度下进行60min水热反应；
18.步骤4：将经过步骤3调理的污泥进行自然降温，然后进行机械脱水，测定污泥比阻和调理脱水后的泥饼含水率。
19.优选的，步骤2中添加的磷钨酸浓度为0～2.0mmol/g vss。
20.优选的，步骤3中的水热反应温度范围为60～180℃。
21.优选的，步骤4中的机械脱水采用真空抽滤，真空抽滤压力为0.55mpa,持续时间为4min,实现污泥的固液分离。
22.磷钨酸是一种环保的多功能催化剂，具有由微量杂原子和最高化合态的过渡金属组成的三维框架。由于其特殊的结构，磷钨酸同时具有强酸度、强氧化性，且能与蛋白质、氨基酸相互作用。本发明以磷钨酸代替h2so4进行热耦合，进一步实现了中低温水热下的高效脱水。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.(1)本发明采用了中低温水热耦合磷钨酸处理污泥，经过处理后污泥中的亲水胶体结构被破坏，释放了大量内部结合水。相较于传统水热处理，中低温水热处理高效地提高了污泥脱水性能，降低了阈值温度，降低了处理成本。
25.(2)本发明采用磷钨酸为调理剂。在磷钨酸水热耦合处理过程中，磷钨酸能够高效络合释放的亲水性蛋白质，减弱结合水与亲水污泥固相间的结合力。此外，磷钨酸的酸性能够进一步减少污泥表面的电负性，进一步改善污泥的过滤性能，提高脱水效率。
26.(3)磷钨酸作为一种无毒、绿色、安全、易储存的催化剂，被广泛应用于光电催化和生物制药领域。因此，添加磷钨酸为调理剂不增加脱水泥饼的毒害性。
27.(4)本发明工艺流程简单，易于操作，经过低压短时间的抽滤，调理后的泥饼即可达到较低的含水率，大幅降低综合处理成本，具有巨大的应用前景。
附图说明
28.图1为不同磷钨酸投量下热耦合调理的泥饼含水率随温度变化图；
29.图2为不同磷钨酸投量下热耦合调理的污泥比阻随温度变化图。
具体实施方式
30.下面将通过具体实施例，并结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本发明实施例中所用污泥取自杭州七格污水处理厂二沉池，污水处理工艺为a/a/o。污泥中的tss含量：21.85g/l；vss含量：9.24g/l；含水率：98％；ph：6.62。本发明中上述污泥的相关数据明示仅作为技术方案中相关数据的进一步明确和便于结果的对比，但不限于仅为上述污泥具有本发明的效果，实际上符合背景技术所描述的污泥使用本发明所述技术方案均具有相应的调理效果。
32.实施例1：利用磷钨酸水热耦合处理对污泥进行调理，包括以下步骤：
33.步骤1：将100ml污泥置于反应体积为200ml的水热反应釜中；
34.步骤2：添加磷钨酸至步骤1的水热反应釜中，混合振荡1min；
35.所述步骤2中的磷钨酸投加量为0～1.0mm/g vss；
36.步骤3：设定不同的水热温度，达到设定温度后，将水热反应釜转移至烘箱,进行60min水热反应；
37.所述步骤3中的水热温度反应温度为60～180℃；
38.步骤4：将经过步骤3调理的污泥进行自然降温，降至室温然后进行机械脱水，测定污泥比阻和调理后的泥饼含水率；
39.所述步骤4中的真空抽滤压力为0.55mpa,持续时间为4min。
40.本发明的机理是利用磷钨酸的特性，其能够高效络合水热处理过程中释放的亲水性蛋白质，减弱结合水与亲水污泥固相间的结合力。此外，磷钨酸的酸性能够进一步减少污泥表面的电负性，大大提高污泥的过滤性能，提高脱水效率。
41.实施例2：本实施例2中不添加磷钨酸，仅用水热处理进行污泥调理，包括以下步骤：
42.步骤1：将100ml污泥置于反应体积为200ml的水热反应釜中；
43.步骤2：设定温度为不同的水热温度，达到设定温度后，将水热釜转移至烘箱，进行60min水热反应；
44.所述步骤2中的水热温度反应温度为60～180℃；
45.步骤3：将经过步骤2调理的污泥进行自然降温，然后进行机械脱水，测定污泥比阻和调理后的泥饼含水率；
46.所述步骤3中的真空抽滤压力为0.55mpa,持续时间为4min；
47.实施例3：本实施例3中不添加磷钨酸，使用热耦合h2so4处理进行污泥调理，包括以下步骤：
48.步骤1：将100ml污泥置于反应体积为200ml的水热反应釜中；
49.步骤2：向步骤1中水热反应釜中加入2mol/l的h2so4或者naoh至ph＝2；其中naoh的作用主要是在调酸过量时用以中和从而达到目标ph；
50.步骤3：设定温度为不同的水热温度，达到设定温度后，将水热釜转移至烘箱，进行60min水热反应；
51.所述步骤3中的水热温度反应温度为60～180℃；
52.步骤4：将经过步骤3调理的污泥进行自然降温，然后进行机械脱水，测定污泥比阻和调理后的泥饼含水率。
53.所述步骤4中的真空抽滤压力为0.55mpa,持续时间为4min。
54.图1为不同磷钨酸投量下热耦合调理的泥饼含水率随温度变化图，其中表示污泥在不同温度下水热处理后的泥饼含水率(记为rs)；表示污泥在不同温度的热耦合h2so4处理后的泥饼含水率(记为h2so4)；表示污泥在不同温度的热耦合0.2mmol/g vss磷钨酸处理后的泥饼含水率(记为0.2)；表示污泥在不同温度的热耦合0.4mmol/g vss磷钨酸处理后的泥饼含水率(记为0.4)；表示污泥在不同温度的热耦合0.6mmol/g vss磷钨酸处理后的泥饼含水率(记为0.6)；表示污泥在不同温度的热耦合0.8mmol/g vss磷钨酸处理后的泥饼含水率(记为0.8)；污泥在不同温度的热耦合0.8mmol/g vss磷钨酸处理后的泥饼含水率(记为1.0)。水热温度为60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃。
55.图2为不同磷钨酸投量下热耦合调理的污泥比阻随温度变化图，其中表示污泥在不同温度下水热处理后的污泥比阻(记为rs)；表示污泥在不同温度的热耦合h2so4处理后的污泥比阻(记为h2so4)；表示污泥在不同温度的热耦合0.2mmol/g vss磷钨酸处理后的污泥比阻(记为0.2)；表示污泥在不同温度的热耦合0.4mmol/g vss磷钨酸处理后的污泥比阻(记为0.4)；表示污泥在不同温度的热耦合0.6mmol/g vss磷钨酸处理后的污泥比阻(记为0.6)；表示污泥在不同温度的热耦合0.8mmol/g vss磷钨酸处理后的污泥比阻(记为0.8)；污泥在不同温度的热耦合0.8mmol/g vss磷钨酸处理后的污泥比阻(记为1.0)。水热温度为60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃。
56.从图1中可以看出，当水热反应温度一定时，经过不同投量的磷钨酸水热耦合处理后，泥饼含水率随着磷钨酸投加量的增加而逐渐降低。当磷钨酸的投量范围为0.6～1.0mm/g vss时，含水率显著降低。当磷钨酸投加量为1.0mm/g vss，水热温度达到140℃时，调理污泥的含水率降至62％。与rs组相比，含水率降低了35％。与热耦合h2so4组相比，含水率降低了12％，具有显著降低泥饼含水率的效果。
57.从图2中可以看出，当磷钨酸投加量为1.0mm/g vss，水热温度达到140℃时，污泥比阻降至0.9
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m/kg。与rs组相比，污泥比阻下降了98％。与热耦合h2so4组相比，污泥比阻下降了76％。由此可见，磷钨酸水热耦合处理可以明显提高污泥过滤性能，降低污泥含水率，具有良好的应用前景。
58.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
59.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。