一种加速污泥沉降的纳米速沉剂、制备方法及应用

技术领域

本发明属于环保技术领域中的污水净化处理领域，尤其涉及一种加速污泥沉降的纳米速沉剂、制备方法及应用。

背景技术

活性污泥法是当前国内外绝大多数污水处理厂采用的主要处理方法，活性污泥的稳定运行是关系污水处理效率及成本的决定因素。污泥沉降困难，尤其在北方因冬季温度偏低容易出现污泥膨胀，会导致污泥在二沉池中沉降慢，泥水难以分离，即出现二沉池浮泥跑泥现象，既影响生化系统稳定运行，又给后段深度处理带来巨大挑战，甚至影响出水达标排放，造成重要环境影响，同时增加污水厂运行成本。

当前市场上常用的絮凝剂，如铁盐、铝盐等无机絮凝剂，聚丙烯酰胺等高分子有机絮凝剂，可通过电中和、吸附、架桥等作用，使难沉降的污泥加速沉降，但这些药剂存在如下缺点：

(1)常用铝盐，如PAC，需投加量较大。长期大量使用，使铝盐在系统内富集，对微生物具有很大的毒害作用，使得污泥活性降低，反而使污泥活性进一步恶化，对污水厂运行造成不利影响。

(2)常规铁盐，如聚合硫酸铁，加药量大，大量投加会增加污泥量，也会影响出水pH值，增加出水色度，同时对污水处理厂的相关设备产生严重腐蚀。

(3)有机高分子(如聚丙烯酰胺)的投加可加速污泥沉降，但聚丙烯酰胺残留单体丙烯酰胺对微生物具有毒性，使得污泥活性降低，同时会增大污水处理系统粘度，此外可能增加氨氮升高风险，长期投加不利于污水厂的稳定运行。

针对上述污水厂实际运行需求及当前常规药剂加药量大、具有生物毒性等缺点，开发一种污泥沉降效果好、加药量小且对微生物无毒可长期使用的产品，可帮助污水厂实现长期稳定运行，成为市场的迫切需求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种加速污泥沉降的纳米速沉剂、制备方法及应用。污泥沉降效果好、加药量小且对微生物无毒可长期使用，可帮助污水厂实现长期稳定运行

本发明提供：一种加速污泥沉降的纳米速沉剂，包含以下组分及组分质量比为：A组分纳米级四氧化三铁颗粒0.01～0.1份,B组分高分子助凝剂5～15份,C组分无机盐溶液15～30份，D组分为防腐稳定剂0.1～0.2份；水55-80份。

进一步地，所述B组分含十六烷基三甲基氯化铵、聚二甲基二烯丙基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺聚合物及多胺中的一种或多种。

进一步地，所述C组分无机盐溶液，包含硫酸亚铁、硫酸铝、氯化亚铁、氯化铝中的两种或多种。

进一步地，所述D组分防腐稳定剂，包含微米铁粉、异噻唑啉酮、亚硫酸钠、柠檬酸、乙二胺四乙酸二纳中的一种或几种。

进一步地，所述A组分纳米级四氧化三铁颗粒粒径在20-100nm之间。

本发明的另一目的在于：提供一种制备加速污泥沉降的纳米速沉剂的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、A组分纳米级四氧化三铁颗粒的制备：将铁盐混合物与0.5mol/L稀盐酸按质量比1：5～1:10在惰性气氛下溶解，其中铁盐混合物为FeCl

步骤2、将B组分的高分子助凝剂5～15份加入到55～80份的水中，以50～150r/min的速度搅拌至完全混合均匀，得到纳米速沉剂基液；其中，B组分含十六烷基三甲基氯化铵、聚二甲基二烯丙基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺聚合物及多胺中的一种或多种；

步骤3、将C组分的无机盐15～30份加入步骤2所得纳米速沉剂基液中，控制温度在30～40℃，将容器密闭，在无氧环境中以150～200r/min的速度搅拌至完全溶解，用盐酸将pH调至3待用；其中，C组分无机盐溶液，包含硫酸亚铁、硫酸铝、氯化亚铁、氯化铝中的两种或多种；

步骤4、将步骤1所得纳米四氧化三铁颗粒0.01～0.1份加入到纳米速沉剂基液中，在转速500～1000r/min条件下，搅拌1～2h，同时采用超声波辅助分散纳米颗粒；

步骤5、向步骤4制得的混合液中加入D组分防腐稳定剂0.1～0.2份，搅拌均匀，熟化48h后得到纳米速沉剂；其中，D组分防腐稳定剂，包含微米铁粉、异噻唑啉酮、亚硫酸钠、柠檬酸、乙二胺四乙酸二纳中的一种或几种。

一种市政污水处理方法，所述市政污水处理方法使用权利要求1所述的加速污泥沉降的纳米速沉剂。

一种纺织、印染、造纸、制药、食品加工、屠宰、化工、农药、钢铁、皮革、电镀等废水处理方法，所述纺织、印染、造纸、制药、食品加工、屠宰、化工、农药、钢铁、皮革、电镀等废水处理方法使用权利要求1所述的加速污泥沉降的纳米速沉剂。

一种农村污水及分散污水处理方法，所述农村及分散污水处理方法使用权利要求1所述的加速污泥沉降的纳米速沉剂。

为了证明本发明的技术效果,进行了真实污水厂实验：

广东某工业废水和生活污水混合处理污水厂好氧池末端泥水混合液，污泥发生膨胀，污泥沉降指数(SVI)约180ml/g，沉降困难，二沉池跑泥，影响该污水厂正常运行。将本发明实施例1制备的纳米速沉剂用于该厂泥水混合液，设置空白组进行对照，用1000ml量筒进行污泥沉降性实验，并取沉淀0.5小时后上清液检测化学需氧量、温度、悬浮物浓度及总磷进行对比，测试结果如表1和表2所示。

表1：纳米速沉剂对污水厂膨胀污泥沉降性能的改善效果(加药量25mg/L)

由上表结果可以看出，与空白组相比，纳米速沉剂的投加可极大的改善难沉降污泥的沉降性能，加快污泥沉降速度。

表2：纳米速沉剂对污水厂沉降后上清液水质改善效果(加药量25mg/L)

由上表结果可以看出，纳米速沉剂在加快污泥沉降的同时，改善上清液的水质。观察到加药组上清液比对照组更清澈，对应悬浮物浓度和浊度均有显著下降。此外，加入纳米速沉剂后，去除了部分化学需氧量，还起到辅助除磷的作用，均为后续的深度处理减轻压力，减少后续药剂的使用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

1、显著加快污泥沉降速度：本发明产品可快速中和污泥絮团表面的负电荷，并通过有机-无机成分的吸附架桥作用，污泥以纳米颗粒为晶核快速形成大颗粒絮团，从而实现污泥快速沉降。

2、改善出水水质，减轻下游污水处理工艺流程压力：本发明产品通过电中和、吸附架桥、网捕卷扫等多种作用，可将污水中细小的悬浮物吸附到污泥絮团上，从而与水分离，使出水更清澈，降低出水化学需氯量、悬浮物含量、浊度，为下游深度处理减轻压力。

3、对微生物无毒，不会影响污泥活性：本发明产品全部采用微生物友好型材料，长期投加不会对微生物造成任何影响，在加速沉降的同时不会对污水厂运行带来负面影响。

4、具有辅助除磷功能：本发明产品在加速污泥沉降的同时，还可通过化学反应及吸附去除一部分总磷，起到一定的除磷作用，减少除磷剂的使用量。

5、帮助污水厂应急处理：本发明产品可快速实现泥水分离，因此，在工业或生活污水厂受到水量水质冲击、污泥中毒、污泥膨胀、浮泥跑泥等状况时投加，可作为应急措施，防止污泥流失，确保污水厂稳定运行。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

(1)将铁盐混合物与0.5mol/L稀盐酸按质量比1：8在惰性气氛下溶解，其中铁盐混合物为FeCl

(2)将十六烷基三甲基氯化铵0.1份、多胺0.9份、聚二甲基二烯丙基氯化铵9份加入到72.3份水中，以100r/min的速度搅拌至完全混合均匀，得到纳米速沉剂基液。

(3)将氯化铝5份、氯化亚铁12.5份加入步骤2所得基液中，控制温度在30℃，将容器密闭，在无氧环境中以180r/min的速度搅拌至完全溶解。用盐酸将pH调至3待用。

(4)将步骤1所得纳米四氧化三铁0.05份加入到纳米速沉剂基液中，在转速800r/min条件下，搅拌1.5小时，同时采用超声波辅助分散，确保纳米颗粒均匀分散到溶液中。

(5)向步骤4所得溶液中加入0.15份防腐稳定剂(其中0.05份微米铁粉、0.02份异噻唑啉酮、0.05份亚硫酸钠、0.03份的乙二胺四乙酸二纳)，搅拌均匀，熟化48h，得到纳米速沉剂。

实施例2

(1)将铁盐混合物与0.5mol/L稀盐酸按质量比1：5在惰性气氛下溶解，其中铁盐混合物为FeCl3﹒6H2O和FeSO4﹒7H2O按2：1的摩尔比混合，向溶液中缓慢逐滴加入2mol/L氨水，机械搅拌转速为500rpm，直至溶液pH升至9。将所得溶液在85℃下搅拌加热2h。产物磁分离，用去离子水和乙醇交替清洗3遍，在60℃的真空烘箱中烘干得到。所得纳米Fe3O4颗粒粒径在20-50nm之间。

(2)将十六烷基三甲基氯化铵0.15份、二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺共聚物4.35份、多胺0.5份加入至64.79份水中，以50r/min的速度搅拌至完全混合均匀，得到纳米速沉液基液。

(3)将硫酸亚铁22份、硫酸铝8份份加入步骤1所得基液中，控制温度在40℃，将容器密闭，在无氧环境中以200r/min的速度搅拌至完全溶解。用盐酸将pH调至3待用。

(4)将步骤1所得纳米四氧化三铁颗粒0.01份加入到纳米速沉剂基液中，在转速500r/min条件下，搅拌1h，同时采用超声波辅助分散纳米颗粒。

(5)向步骤4所得溶液中0.2份防腐稳定剂(其中0.08份微米铁粉、0.02份异噻唑啉酮0.02份柠檬酸和0.08份亚硫酸钠)，搅拌均匀，熟化48h，得到纳米速沉剂。

实施例3

(1)将铁盐混合物与0.5mol/L稀盐酸按质量比1：10在惰性气氛下溶解，其中铁盐混合物为FeCl3﹒6H2O和FeSO4﹒7H2O按3：1的摩尔比混合，向溶液中缓慢逐滴加入2mol/L氨水，机械搅拌转速为2000rpm，直至溶液pH升至9。将所得深色溶液在85℃下搅拌加热4h。产物磁分离，用去离子水和乙醇分别清洗3遍，在60℃的真空烘箱中烘干得到。所得纳米Fe3O4颗粒粒径在50-100nm之间。

(2)将十六烷基三甲基氯化铵0.1份、多胺1份、聚二甲基二烯丙基氯化铵2份、二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺聚合物11.9份、加入到79.8份水中，以150r/min的速度搅拌至完全混合均匀，得到纳米速沉剂基液。

(3)将氯化亚铁4份和氯化铝1份加入步骤1所得基液中，控制温度在30℃，将容器密闭，在无氧环境中以150r/min的速度搅拌至完全溶解。用盐酸将pH调至3待用。

(4)将步骤1所得纳米四氧化三铁0.1份加入到纳米速沉剂基液中，在转速1000r/min条件下，搅拌2h，同时采用超声波辅助分散纳米颗粒。

(5)向步骤4所得溶液中加入0.1份防腐稳定剂(其中0.02份微米铁粉、0.04份异噻唑啉酮、0.01份乙二胺四乙酸二钠和0.03份亚硫酸钠)，搅拌均匀、熟化48h，得到纳米速沉剂。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。