一种低成本提取剩余污泥中高附加值有机物的方法及设备

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，尤其是涉及一种低成本提取剩余污泥中高附加值有机物的设备和方法。

背景技术

目前我国绝大多数污水处理厂采用活性污泥法处理污水，活性污泥法是利用活性污泥中微生物的生理代谢活动来去除废水中的污染物质。随着污水处理量的日益提高，剩余污泥的产生量显著增加。处理污泥的费用占了污水处理厂总投资的20%-45%。剩余污泥有机成分中含量最高的是微生物单细胞蛋白质，据报道，剩余污泥中粗蛋白的含量约占污泥干重的30%-60%。微生物单细胞蛋白质品质较好，氨基酸种类齐全，有较高的应用价值，但尚未得到充分利用。

污泥中的蛋白质是一类优质蛋白，可用于制备富含蛋白的动物饲料、绿化有机肥、可降解发泡剂、泡沫灭火剂及泡沫混凝土保温材料等。这些稳定的大分子有机质因含有多种活性含氧官能团，是土壤结构的稳定剂、改良剂，对污泥稳定化处理产物的资源化利用有重要价值和意义。

针对如此巨大的污泥量，如能对其进行无害化、资源化处理，最终转化为一种资源加以充分利用，不仅使污泥变废为宝，而且有利于环境保护，能带来良好的社会和经济效益。

剩余污泥中的大多数有机质存在于微生物细胞内部，从其中提取蛋白质的原理就是使得微生物蛋白质从细胞内部被释放出来，进入水相变成可溶物质的过程。目前，研究者从固体废弃物中提取蛋白质的处理技术主要有：物理法、化学法、生物法及其中任意两种方法的联合。其中最常用的方法是化学法中的碱法水解、酸法水解以及二者与热法或者超声法结合。

赵顺顺（赵顺顺.剩余污泥蛋白质提取及其作为动物饲料添加剂的可行性研究[D].中国海洋大学，2007.）等人利用酸水解法对剩余污泥蛋白质进行提取并对剩余污泥蛋白质作为动物饲料添加剂的营养性和安全性进行了分析，结果表明，该沉淀物蛋白质纯度较高，可检测到含量较高的7种必需氨基酸和8种非必需氨基酸；李亚东（李亚东，李海波.利用剩余活性污泥水解蛋白质制备蛋白质泡沫灭火剂的研究[J].湖北大学学报(自然科学版)，2005(01):91-93.）等人利用活性污泥制备蛋白质泡沫灭火剂，避免了化学灭火剂对环境的污染及灭火场地相关物件的腐蚀；同时克服了植物蛋白质成本高、动物蛋白质气味重污染空气的缺点。另一方面，作为一种微生物絮体，污泥中的微生物跑内、胞外酶及其他代谢产物含量非常髙，从中可提取微生物絮凝剂，作为水处理工艺的替代化学絮凝药剂，不仅可以去除水体中的悬浮物，还避免了二次污染，研究表明通过热碱水解作用，可使污泥中微生物细胞破壁，释放出蛋白质和水分，同时稳定污泥中的重金属、杀死病原体等。回收的蛋白液可以作为混凝土发泡剂、制作泡沫灭火剂、植物营养液等。

现阶段，活性污泥提取有机质技术作为新型技术，在提取技术上以及设备上的定价很高，其中高成本主要体现在有机质溶出和浓缩两方面，这就极大限制了该技术的应用和推广。因此有必要研发出低成本的活性污泥有机质的提取工艺，为低成本、高效的回收活性污泥中高附加值资源探索新的解决途径。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种低成本提取剩余污泥中高附加值有机物的方法及设备，以通过降低浓缩蛋白质的成本，从而降低蛋白质的提取成本，通过污泥中资源的回收实现其资源化。

本发明充分利用污泥中高附加值有机物的表面活性和气液界面吸附特性，利用污泥厂比较冗余的曝气系统即可实现低成本的有机物回收。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种低成本提取剩余污泥中高附加值有机物的方法，剩余污泥水解液使用泡沫分离浓缩，其中，泡沫分离浓缩系统中，通入压缩空气，气水比为10-50；泡沫分离浓缩系统内的温度为10-60℃，pH为7-12。通入的压缩空气可来自污泥厂比较冗余的曝气系统。

优选的，进入泡沫分离浓缩系统的剩余污泥水解液中，蛋白质浓度为100-2000mg/L。

优选的，使用两级泡沫分离，一级泡沫分离系统内的剩余污泥水解液的停留时间为0.5-5h；从一级泡沫分离系统内排出的泡沫分离残液进入二级泡沫分离系统，其停留时间为0.1-2h。

优选的，剩余污泥水解液是通过碱热法、酸热法、高温热水解、酶水解或超声波法将剩余污泥中的蛋白溶出获得的。这里的方法采用现有的方法即可，主要是将剩余污泥中的蛋白质溶出，然后利用蛋白质的表面活性特点对其进行提取。

优选的，通入泡沫分离浓缩系统的压缩空气为污水处理厂生物系统冗余的压缩空气。

本发明同时提供如上所述的低成本提取剩余污泥中高附加值有机物的方法在污水处理中的应用。

本发明也提供一种用于如上所述的方法的设备，包括依次设置的进料池、一级泡沫分离塔以及二级泡沫分离塔；进料池与一级泡沫分离塔的进水口通过管道连接，且管道上设有进水泵，一级泡沫分离塔的残液出口与二级泡沫分离塔的进液口通过管道连接，且管道上设有残液出口阀门以及离心泵；一级泡沫分离塔的泡沫出口与消泡池连通；二级泡沫分离塔的泡沫出口与进料池连通。

优选的，一级泡沫分离塔以及二级泡沫分离塔分别在塔体内设有第一整流内套筒以及第二整流内套筒；一级泡沫分离塔以及二级泡沫分离塔均设有以下结构：塔体外侧设有分离塔耳座，且设有液位计，塔体底部设有气体分布器，气体分布器与气体压缩机连通，且管道上设有气体流量计、鼓气阀、排空管道，排空管道上设有排空阀。

活性污泥法是利用活性污泥中微生物的生理代谢活动来去除废水中的污染物质。污水和剩余污泥里含有大量的微生物，组成微生物的有机物主要包括蛋白质和多糖，其中，蛋白质含量为20%-40%，是一种附加值较高的有机质资源。通过污泥中资源的回收实现其资源化，是剩余污泥处理处置的重要途径之一。

蛋白质是一种两性电解质，当处于等电点时，分子所带的电荷为零，此时，分子表现出一些特殊的理化性质，如分子间斥力减小，溶解度降低，这有助于蛋白质在气液界面处吸附。当蛋白质处于等电点时，蛋白质的表面活性增强，在溶液中表现出较好的发泡能力，这也有助于蛋白质在泡沫中的富集。

在本发明的工艺方法中，不需要另行添加表面活性剂以及消泡剂等物质，充分利用剩余污泥水解液中的蛋白质起到表面活性剂的作用，在消泡阶段，仅仅需要静置即可。合理控制相关参数可以在不添加消泡剂的情况下实现蛋白质的低成本浓缩。

蛋白质初始浓度直接影响表面张力的大小。若蛋白质质量浓度较低，则需在水中加入的表面活性物质越多，水的表面张力减小，从而有利于提高蛋白质的工作效率。然而因为表面活性物质存在一个临界胶团浓度(CMC)，近乎所有的表面活性物质都有自己的特征浓度。

随着温度的升高，蛋白质在水中的溶解度增大，同时分子热运动增加，胶团数量虽然相对有所减少，使得游离蛋白质分子数增加，但是游离蛋白质分子与水分子间的相互作用会增强，加大憎水基团向气液界面的移动阻力。低的温度使得蛋白质的吸附能力增强，并且温度是工业化生产过程重要的调控参数，如何对温度进行把控是会影响泡沫分离的效果。

增加气体表面流速可以缩短分离时间，降低残留液相浓度，增加表面活性物质的脱除率，但同时也会夹带更多的液体，降低富集比。相反，在气速比较低的时候，则有利于分离的进行。尽管适当降低气速可以增加蛋白质的富集比，但蛋白质在气液界面吸附时间的延长必然也会延长蛋白质所受变性因素的影响。

pH在蛋白质等电点附近时，蛋白质溶解度降低，更有利于吸附在气-液界面上，合理控制分离介质的pH可以提高蛋白质泡膜分离的浓缩效率。

相对于现有技术，本发明所述的方法及设备，具有以下优势：

（1）通过污泥中资源的回收实现其资源化。本发明通过研究污水中有机质的资源化回收和综合利用方法，为污水处理厂探索出一条新的污泥资源化和综合利用的途径，变废为宝增加污泥处理附加值；

（2）浓缩成本低。目前剩余污泥水解液提取有机质主要成本在浓缩过程，泡沫分离方法仅需污水处理厂自身冗余的气体即可完成低成本浓缩，而且设备非承压设备，简单易行；

（3）有利于污泥脱水过程。剩余污泥水解去除有机质后更易于脱水，对于节能降耗甚至增加收益具有重要意义。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的剩余污泥提取蛋白质工艺流程图；

图2为本发明实施例所述的泡沫分离提取蛋白质工艺流程图；

图3为本发明实施例所述的两级泡沫分离塔的简单结构示意图；

附图标记说明：

1、污泥水解液；2、进水泵；3、进水口；4-1、一级泡沫分离塔；4-2、二级泡沫分离塔；5-1、第一整流内套筒；5-2、第二整流内套筒；6、分离塔耳座；7、泡沫出口；8、液位计；9、气体分布器；10、残液出口阀门；11、残液排放口阀门；12、残液排放口；13、排空管；14、排空阀；15、鼓气阀；16、气体流量计；17、搅拌电机；18、气体压缩机；19、离心泵；20、泡沫分离残液出口；21、进料池；22、消泡池；23、泡沫回流管。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-3所示，一种低成本提取剩余污泥中高附加值有机物的设备，包括依次设置的进料池21、一级泡沫分离塔4-1以及二级泡沫分离塔4-2；进料池21与一级泡沫分离塔4-1的进水口3通过管道连接，且管道上设有进水泵2，一级泡沫分离塔4-1的残液出口与二级泡沫分离塔4-2的进液口通过管道连接，且管道上设有残液出口阀门10以及离心泵19；一级泡沫分离塔4-1的泡沫出口7与消泡池22连通；二级泡沫分离塔4-2的泡沫出口7与进料池21连通。

一级泡沫分离塔4-1以及二级泡沫分离塔4-2分别在塔体内设有第一整流内套筒5-1以及第二整流内套筒5-2；一级泡沫分离塔4-1以及二级泡沫分离塔4-2均设有以下结构：塔体外侧设有分离塔耳座6，且设有液位计8，塔体底部设有气体分布器9，气体分布器9与气体压缩机18连通，且管道上设有气体流量计16、鼓气阀15、排空管道，排空管道上设有排空阀14。

从一级泡沫分离塔4-1的泡沫出口7出来的泡沫进入消泡池22进行消泡，一级泡沫分离塔4-1出来的泡沫分离残液进入二级泡沫分离塔4-2，二级泡沫分离塔4-2出来的破泡后的消泡液回流到一级泡沫分离塔4-1的进料池21，二级泡沫分离塔4-2出来的残液回到整个污水系统的泡沫分离系统的前池即可。

以下实施例采用上述设备进行相关操作，且采用泡沫分离浓缩剩余污泥水解液；剩余污泥水解液是通过碱热法获得，碱热法相关参数如下：pH为11-12，温度为60-100℃，水解时间为15-20min，得到污泥水解液中蛋白质浓度为150-900mg/L（具体的工艺方法参照其现有的碱热法即可）。

实施例一 浓度对分离结果的影响

分离结果：

实施例二 温度对分离的影响

分离结果：

实施例三 pH对分离结果的影响

分离结果：

实施例四 气水比对分离结果的影响

分离结果：

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。