一种生物固体物质冻融预处理溶剂萃取联用深度脱水方法与流程

1.本发明涉及固体废物处理，特别涉及一种生物固体物质冻融预处理溶剂萃取联用深度脱水方法。


背景技术：

2.随着工业化和城市化的步伐不断加快，人们的生活水平显著提高，污水的排放标准不断提高，以及污水的处理设施和处理量的不断增加，导致污泥的产生量持续增加。现阶段城市污水处理厂已广泛使用带式压滤机对污泥进行脱水，但是这种机械脱水的方式并不能有效的降低污泥的含水率，脱水效率不高，污泥脱水后的含水率在80％-85％，这甚至不能满足填埋场对污泥含水率的最低要求。解决污泥的资源化、无害化、减量化问题，关键是有效的解决污泥的高含水率的问题。同时，藻渣、菌渣、厌氧消化沼渣、水产品或水产品废物等生物固体物质的资源化利用也需要对这些物质进行深度脱水处理。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明目的是提供一种生物固体物质冻融预处理溶剂萃取联用深度脱水方法。
4.技术方案：本发明提供一种生物固体物质冻融预处理溶剂萃取联用深度脱水方法，包括如下步骤：
5.(1)冻融预处理：将待处理生物固体物质进行冻融预处理；生物固体物质优选为废水污泥、河流底泥、湖泊底泥、海洋底泥、厌氧消化剩余沼渣、河流藻渣、湖泊藻渣、海洋藻渣等中的任意一种。
6.(2)溶剂萃取深度脱水：使用脱水溶剂与预处理后的生物固体物质接触，将生物固体物质进行萃取脱水；
7.(3)固液分离：将步骤(2)得到的物质经固液分离得到脱水的污泥和溶剂-水混合液；
8.(4)溶剂回收：将步骤(3)得到的溶剂-水混合液中的溶剂和水分离，回收溶剂再利用。
9.进一步地，所述冻融条件为：冷冻温度为0～-80℃，冷冻时间为0.01～120h。
10.进一步地，所述脱水溶剂是在常温常压下为气态或易于气化的有机溶剂，且在液化状态下与水相互溶解的有机溶剂。易于气化是指可通过升温或降压就可使溶剂变成气态。
11.进一步地，所述有机溶剂为烷基溶剂、醇类溶剂、醛类溶剂、酮类溶剂、醚类溶剂、酯类溶剂中的任意一种或几种的混合物。
12.进一步地，所述萃取深度脱水是在0～99℃、0.1～5.0mpa的条件下进行的。
13.进一步地，所述生物固体物质与溶剂的质量比为1∶1～100。
14.进一步地，所述的待处理生物固体物质为废水污泥、河流底泥、湖泊底泥、海洋底
泥、厌氧消化剩余沼渣、河流藻渣、湖泊藻渣、海洋藻渣、产抗生素菌渣、水产品、水产品物料中的任意一种或几种的混合物。
15.上述技术方案中：
16.固液分离的方法优选过滤或离心。溶剂和水分离采用减压蒸发或加热蒸发的方式。所述的待处理的生物固体物质包括废水污泥、河流底泥、湖泊底泥、海洋底泥、厌氧消化剩余沼渣、河流藻渣、湖泊藻渣、海洋藻渣、产抗生素菌渣、水产品、水产品物料中的任意一种或它们的混合物，以及类似的物质。
17.溶剂萃取脱水是一种不消耗水的蒸发潜热，不使生物固体物质中水分蒸发的新型脱水技术，其通过溶剂与污泥的混合和相互作用而使水分以溶解、吸收、交换等方式从污泥中向溶剂中转移，然后使生物固体物质与含水溶剂分离，将水的形态保持在液态直接脱去。与现阶段广泛使用的热干化技术相比，能有效的降低能耗和减少臭气的产生。
18.冻融预处理在生物固体物质处理过程中可以提高生物固体物质脱水性能和可降解性能，冻融包括两个过程，冷冻及融化过程，生物固体物质在冷冻过程中会形成形状不一的冰晶，生物固体物质在融化的过程中冰晶会破解其絮体、菌胶团和细胞体，使生物固体物质中结合水向自由水转化；并且冷冻过程也是病原微生物灭活过程，冻融调理可使细胞机械脱水，丧失活性，有利于生物固体物质的无害化处理，在去除异味、杀死病原微生物，降低生物固体物质的环境风险。
19.采用易汽化物质为脱水介质，不使水分蒸发而使水分除去，完全不需要蒸发潜热的回收，因此可以在接近大气温度的操作温度下进行脱水，并且不需回收水分的蒸发潜热，可节约能源。
20.由于是常温常压下为气体的物质，所以液化物和水分的分离容易，能够节约的进行脱水。
21.有益效果：本发明方法高效，脱水效果好，去除异味和有害微生物，不仅可以较高的脱水效率，还能节约能源，在生物固体物质处理处置当中有着广阔的应用前景。
附图说明
22.图1为本发明的工艺流程图；
23.图2为0℃条件下，不同冷冻时间对污泥eps含量的影响结果图；
24.图3为-10℃条件下，不同冷冻时间对污泥eps含量的影响结果图；
25.图4为-20℃条件下，不同冷冻时间对污泥eps含量的影响结果图；
26.图5为-30℃条件下，不同冷冻时间对污泥eps含量的影响结果图；
27.图6为原泥的粒径频度分布和累积分布图；
28.图7为冻融条件下(-10℃，16h)污泥的粒径频度分布和累积分布图；
29.图8为冻融条件下(-20℃，40h)污泥的粒径频度分布和累积分布图；
30.图9为原泥dsc的放热与吸热曲线图；
31.图10为冻融条件下(-20℃，40h)污泥dsc的放热与吸热曲线图；
32.图11为冻融预处理前后污泥的水含量变化图(-20℃，40h)；
33.图12为-10℃条件下，不同冷冻时间对溶剂萃取深度脱水的影响图；
34.图13为-20℃条件下，不同冷冻时间对溶剂萃取深度脱水的影响结果图。
具体实施方式
35.本实施例的工艺流程如图1所示，包括顺序循环串联的可精准控温控时的生物固体物质冷冻箱1、萃取反应釜2、固液分离器3、气液分离器4、干燥器6、压缩冷凝机7、溶剂储罐8、加压装置9。固液分离后的液相进入气液分离器4中，主要部件有温度计和压力计，部件之间设有阀门和流量计。生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的过程如下，取一定量的生物固体物质置于可精准控温的冷冻箱1中进行冻融预处理，将冻融预处理后的生物固体物质加入萃取反应釜2中，同时液态萃取溶剂经过加压装置9加压后流入萃取反应釜2中，并通过流量计控制溶剂流量。萃取反应釜2配有搅拌装置，调至适当转速，使液态萃取溶剂与生物固体物质充分接触，生物固体物质中的水分由于相似相溶原理被溶剂萃取出来。打开阀门，萃取反应釜2出口配有固液分离器3，生物固体物质固体残留物质被截留在萃取反应釜2内。液态溶剂-水混合物流入气液分离器4中，由于适当的升温或降压，使液态萃取溶剂发生气化，而水分则保持液态留在气液分离器4中，水分从气液分离器4排出废水5，气化的萃取溶剂通过干燥器7干燥后经压缩冷凝后流入溶剂储罐8中再利用。
36.实施例1
37.在本例中，取自某污水处理厂经带式压滤机处理后的脱水污泥，污泥含水率为82.3％，萃取剂采用常温常压下为气体的二甲醚，沸点为-24.9℃。按前述生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的方法，取污泥40g置于可精准控温控时的生物固体物质冷冻箱，冷冻温度设为-10℃，冷冻时间分别设为0小时、8小时、16小时、24小时、32小时、40小时、48小时，待达到上述冷冻时间后，使冷冻污泥在室温下融化，将冻融预处理后的污泥置于萃取反应釜中，温度为室温20℃，压强为0.5mpa。加入液体萃取溶剂，污泥质量与液体萃取溶剂的质量比为1∶20，搅拌速度为40rpm，萃取反应时间为30min。萃取后分离溶剂和废水，同时回收溶剂，使溶剂得到回用。由图12可知，上述条件下，污泥的最终含水率分别为28.5％、24.9％、22.1％、18.2％、16.7％、14.9％、13.1％。
38.实施例2
39.在本例中，取自某污水处理厂经带式压滤机处理后的脱水污泥，污泥含水率为82.3％，萃取剂采用常温常压下为气体的二甲醚，沸点为-24.9℃。按前述生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的方法，取污泥40g置于可精准控温控时的生物固体物质冷冻箱，冷冻温度设为-20℃，冷冻时间分别设为0小时、8小时、16小时、24小时、32小时、40小时、48小时，待达到上述冷冻时间后，使冷冻污泥在室温下融化，将冻融预处理后的污泥置于萃取反应釜中，温度为室温20℃，压强为0.5mpa。加入液体萃取溶剂，污泥质量与液体萃取溶剂的质量比为1∶20，搅拌速度为40rpm，萃取反应时间为30min。萃取后分离溶剂和废水，同时回收溶剂，使溶剂得到回用。由图13可知，上述条件下，污泥的最终含水率分别为28.5％、23.6％、20.1％、16.2％、14.5％、12.4％、12.3％。
40.实施例3
41.在本例中，取自某污水处理厂经带式压滤机处理后的脱水污泥，污泥含水率为75.3％，萃取剂采用常温常压下为气体的二甲醚，沸点为-24.9℃。按前述生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的方法，取污泥40g置于可精准控温控时的生物固体物质冷冻箱，冷冻温度设为-30℃，冷冻时间设为40小时，待达到上述冷冻时间后，使冷冻污泥在室温下融化，将冻融预处理后的污泥置于萃取反应釜中，温度为室温20℃，压强为0.5mpa。
加入液体萃取溶剂，污泥质量与液体萃取溶剂的质量比为1∶25，搅拌速度为50rpm，萃取反应时间为40min。萃取后分离溶剂和废水，同时回收溶剂，使溶剂得到回用。污泥的最终含水率为10.1％。
42.实施例4
43.在本例中，取自某河流底泥，污泥含水率为85.9％，萃取剂采用常温常压下为气体的二甲醚，沸点为-24.9℃。按前述生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的方法，取污泥40g置于可精准控温控时的生物固体物质冷冻箱，冷冻温度设为-25℃，冷冻时间设为36小时，待达到上述冷冻时间后，使冷冻污泥在室温下融化，将冻融预处理后的污泥置于萃取反应釜中，温度为室温20℃，压强为0.5mpa。加入液体萃取溶剂，污泥质量与液体萃取溶剂的质量比为1∶30，搅拌速度为40rpm，萃取反应时间为30min。萃取后分离溶剂和废水，同时回收溶剂，使溶剂得到回用。污泥的最终含水率为15.1％。
44.实施例5
45.在本例中，取自某河流底泥，污泥含水率为85.9％，萃取剂采用常温常压下为气体的甲乙醚，沸点为7.4℃。按前述生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的方法，取污泥40g置于可精准控温控时的生物固体物质冷冻箱，冷冻温度设为-15℃，冷冻时间设为48小时，待达到上述冷冻时间后，使冷冻污泥在室温下融化，将冻融预处理后的污泥置于萃取反应釜中，温度为室温20℃，压强为0.5mpa。加入液体萃取溶剂，污泥质量与液体萃取溶剂的质量比为1∶25，搅拌速度为45rpm，萃取反应时间为35min。萃取后分离溶剂和废水，同时回收溶剂，使溶剂得到回用。污泥的最终含水率为13.5％。
46.实施例6
47.在本例中，取自某河流底泥，污泥含水率为85.9％，萃取剂采用常温常压下为气体的甲醛，沸点为-19.5℃。按前述生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的方法，取污泥40g置于可精准控温控时的污泥冷冻箱，冷冻温度设为-10℃，冷冻时间设为32小时，待达到上述冷冻时间后，使冷冻污泥在室温下融化，将冻融预处理后的污泥置于萃取反应釜中，温度为室温20℃，压强为0.5mpa。加入液体萃取溶剂，污泥质量与液体萃取溶剂的质量比为1∶20，搅拌速度为45rpm，萃取反应时间为30min。萃取后分离溶剂和废水，同时回收溶剂，使溶剂得到回用。污泥的最终含水率为12.9％。
48.实施例7
49.在本例中，取自某餐厨垃圾处理厂的厌氧消化剩余沼渣，沼渣含水率为88.9％，萃取剂采用常温常压下为气体的甲醛，沸点为-19.5℃。按前述生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的方法，取沼渣40g置于可精准控温控时的生物固体物质冷冻箱，冷冻温度设为-10℃，冷冻时间设为32小时，待达到上述冷冻时间后，使冷冻沼渣在室温下融化，将冻融预处理后的沼渣置于萃取反应釜中，温度为室温20℃，压强为0.5mpa。加入液体萃取溶剂，沼渣质量与液体萃取溶剂的质量比为1∶20，搅拌速度为45rpm，萃取反应时间为30min。萃取后分离溶剂和废水，同时回收溶剂，使溶剂得到回用。沼渣的最终含水率为15.4％。
50.实施例8
51.在本例中，取自某湖泊底泥，污泥含水率为85.3％，萃取剂采用常温常压下为液体的甲醇，沸点为64.7℃。按前述生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的方法，取污泥40g置于可精准控温控时的污泥冷冻箱，冷冻温度设为-25℃，冷冻时间设为30小时，待
达到上述冷冻时间后，使冷冻污泥在室温下融化，将冻融预处理后的污泥置于萃取反应釜中，温度为室温20℃，压强为0.5mpa。加入液体萃取溶剂，污泥质量与液体萃取溶剂的质量比为1∶25，搅拌速度为55rpm，萃取反应时间为40min。萃取后分离溶剂和废水，同时回收溶剂，使溶剂得到回用。污泥的最终含水率为15.9％。
52.实施例9
53.在本例中，取自某湖泊藻渣，藻渣含水率为49％，萃取剂采用常温常压下为液体的甲酸甲酯，沸点为32℃。按前述生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的方法，取藻渣40g置于可精准控温控时的生物固体物质冷冻箱，冷冻温度设为-20℃，冷冻时间设为20小时，待达到上述冷冻时间后，使冷冻后的藻渣在室温下融化，将冻融预处理后的藻渣置于萃取反应釜中，温度为0℃，压强为0.1mpa。加入液体萃取溶剂，藻渣质量与液体萃取溶剂的质量比为1∶1，搅拌速度为50rpm，萃取反应时间为40min。萃取后分离溶剂和废水，同时回收溶剂，使溶剂得到回用。藻渣的最终含水率为25％。
54.实施例10(新增实施例)
55.在本例中取自某抗生素厂家的菌渣，菌渣含水率为95％，萃取剂采用常温常压下为液体的甲醇，沸点为64.7℃。按前述生物固体物质冻融预处理联合溶剂萃取深度脱水的方法，取污泥40g置于可精准控温控时的生物固体物质冷冻箱，冷冻温度设为-80℃，冷冻时间设为48小时，待达到上述冷冻时间后，使冷冻后的污泥在室温下融化，将冻融预处理后的污泥置于萃取反应釜中，温度为50℃，压强为5mpa。加入液体萃取溶剂，菌渣质量与液体萃取溶剂的质量比为1∶100，搅拌速度为60rpm，萃取反应时间为10小时。萃取后分离溶剂和废水，同时回收溶剂，使溶剂得到回用。菌渣的最终含水率为11.2％。
56.实施例11：性能测试
57.(1)不同冷冻时间和冷冻温度对污泥eps含量的影响
58.考察了在特定冷冻温度和冷冻时间下污泥中eps含量的变化来评价其对污泥脱水性能的影响，实验结果如图2，3，4，5所示，通过图2和图3可以看出冷冻的温度对污泥中eps的释放影响非常明显，在0℃的条件下，污泥中的eps并没有明显的释放，在-10℃的条件下，随着冷冻时间的增加，eps的释放效果就越明显，当冷冻时间达到48h后，蛋白质和多糖的含量降低到稳定值，分别为171mg/l和32mg/l。通过3和4，可以看出在-20℃的冷冻条件下，当冷冻时间为40h时，蛋白质和多糖的含量分别为154mg/l和27mg/l，这表明在较低的温度下(-20℃)，不仅能使eps的释放速度加快，而且能使eps的释放量增加。通过4和5，可以发现在-30℃的条件下，污泥中eps最终释放量和-20℃污泥中eps最终释放量相当，只是在-30℃条件下，污泥中eps的释放在32h达到了最大值。
59.(2)不同冷冻温度和冷冻时间对污泥粒径的影响
60.污泥的粒径大小对其脱水、沉降有很大的影响作用，污泥冷冻期间，生长的冰晶排斥杂质，使固体脱水，并导致浓缩颗粒聚集并形成大颗粒，污泥的粒径变大使其脱水性能和沉降性能明显提高。通过激光粒度仪测定原泥和较佳冻融预处理的污泥粒径分布，以探讨冷冻温度和冷冻时间对污泥颗粒的影响。图6为污泥冷冻前后其颗粒粒径的频度分布和累积分布曲线；从图6中可以看出，原泥中粒径为146.82μm的颗粒所占比例最大，体积分数达到2.8％左右。图7为冻融条件下(-10℃，16h)污泥的粒径频度分布和累积分布曲线；从图7可以看出，粒径为373μm的颗粒所占比例最大，体积分数约为3.1％。图8为冻融条件下(-20
℃，40h)污泥的粒径频度分布和累积分布曲线；从图8可以看出，粒径为409μm的颗粒所占比例最大，体积分数约为3.9％。
61.(3)不同冷冻时间和冷冻温度对污泥自由水和结合水含量的影响
62.分别考查了原泥以及较佳冻融预处理后污泥的自由水和结合水的含量，来分析冻融预处理对污泥的水分分布的影响。实验结果表明，对于原泥(图9)，污泥在-5～-11℃之间降温时向环境中释放能量，出现了一个放热峰，在升温的过程中，污泥在-1～6℃出现了一个吸热峰；对于冻融预处理条件下(-20℃，40h)的污泥(图10)，在-10～-19℃之间的降温过程，污泥出现了一个放热峰，在-8～7℃之间的升温过程出现了一个吸热峰。从图11我们可以看出，冻融条件-20℃，40时，原泥中自由水和结合水的含量分别为0.604g/g和4.046g/g，经过冻融预处理后污泥的自由水和结合水的含量分别为1.354g/g和3.296g/g；这表明冻融预处理可以使污泥中难以去除的结合水转化为易去除的自由水。
63.综上所述，一方面，冻融预处理可以有效的促进污泥中的eps释放，降低污泥中eps的含量，从而改善污泥的脱水性能；另一方面冻融预处理可以使污泥的粒径增大，这个过程也能有效的提高污泥的沉降性能及脱水性能。同时，由于冻融预处理使污泥的细胞破裂，污泥中的结合水转化为自由水，促使污泥的脱水性，能得到改善。