專利名稱：負載TiO₂光電催化深度處理污泥的催化劑、裝置與方法
技術領域：
本發(fā)明涉及環(huán)保技術的污泥處理領域，尤其是一種負載TiO2光電催化深度處理污泥的催化劑、裝置與方法。
背景技術：
城市污泥是污水處理過程中產生的有機質、微生物菌膠團等沉淀物質以及污水表面漂浮的浮沫等殘渣，其中含有大量的病原菌、寄生蟲、致病微生物、二噁英和砷、銅、汞、鉻等有毒重金屬。污泥顆粒主要以胞外多聚物(EPS)的形式存在，成分復雜，通常含有蛋白質(protein)、多糖(polysaccarides)、腐殖質(humic-like substances)、糖酸酸(uronic acid)、脂類(lipid)和DNA等。由于污泥顆粒胞外多聚物的油包水結構特性，導致污水廠污泥含水率高，體積大，給堆放和運輸等帶來困難。城市污泥如處理不當或不規(guī)范處理，如隨意棄置山野農地或不規(guī)范填埋，將對生態(tài)環(huán)境造成新的潛在威脅。因此，進一步處理污水廠所產生的污泥是當今世界環(huán)保領域的重大難題。我國由于長期以來污泥處理投資力度小，致使目前國內污泥處理處置處于嚴重滯后狀態(tài)，有的甚至片面地追求污水處理率，盡可能地簡化、甚至忽略了污泥處理處置單元， 將未處理的濕泥隨意外運、簡單填埋或堆放，致使許多大城市出現(xiàn)了污泥圍城的現(xiàn)象，并已開始向中小城市蔓延，給生態(tài)環(huán)境帶來了極為不利的影響。隨著我國城市化進程的加速，城市污水處理率逐年提高，城市污水處理廠污泥產量以年增長率大于10%的速度急劇增加。2010年，全國城鎮(zhèn)污水處理率超過50%，城市污水處理率超過70%，年污水處理量達到365億噸，年污泥產量達2740萬噸；到2015年，年污水處理能力達到475億噸，年污泥產量達3560萬噸。污泥處理已經成為困擾我國水處理行業(yè)乃至環(huán)境領域的重要問題。近年來我國對市政污泥問題開始密切關注，各級部門也曾試圖效仿國外先進技術，如焚燒和熱能利用、好氧厭氧消化等。然而，焚燒和熱能利用技術雖然可利用能源，但國內污泥相對國外發(fā)達國家的污泥有機質含量低，因此能源自身利用率不及國外，而且設備和運行費用昂貴，仍造成如二噁英等有機質大氣污染和殘留約1/3左右固體量的無機物 (屬危險品)需進一步處置。好氧厭氧消化在國外雖然較為廣泛。但國內由于①污泥厭氧消化技術處理污泥的投資大，我國污泥消化處理的相關工程經驗也不多，大型的污泥消化設備大都是從國外進口的，基礎投資和運行成本高；②污泥厭氧消化處理除需要投資大量資金建設消化裝置之外，還需投入大量資金建設配套處理設施，污泥經厭氧消化后只能對污泥中有機質減量1/3到1/2左右的質量。從污泥處置的整個產業(yè)鏈角度來看，厭氧消化還沒有達到最終處置的目的，還會留下大量剩余污泥(殘渣)還需要通過其他技術進行處理。產生的消化液COD濃度相當高，還需建立配套的污水處理設施或返回到污水處理廠處理。這都需要大量的額外投資和運行成本；③我國污泥的含砂量較高，有機質含量比歐美國家低，污泥的可生化性差，消化設備運行的穩(wěn)定性、沼氣產率等指標普遍都達不到國外的標準。所以在國外普遍使用的消化技術，在我國運行效果并不理想；④污泥厭氧消化會產生大量的甲烷等易燃氣體，對消防安全等級要求和管理要求高，污泥厭氧消化設施周邊還需要設置幾百米的防護距離，占地面積大。因此污泥消化技術在國內仍難以推廣。目前我國城市污泥處理的主要方法有濃縮填埋、慪制堆肥、少量干化焚燒等，其中在土地資源比較豐富的區(qū)域，濃縮填埋是污泥處理處置的主要方法。然而，污水廠污泥處理傳統(tǒng)工藝由于無法有效地破解污泥的包外聚合物，使得污泥膠團結構吸包水和菌團細胞水難以脫除，導致污水廠處理后污泥含水率仍高達78 83%，造成污泥填埋時運輸成本高， 填埋土地占用率巨大，且極易因污泥返溶、滲出等造成填埋地的二次污染，影響周邊生態(tài)環(huán)境。污泥的含水率無法降到60%以下，限制了污泥的直接填埋及資源化綜合利用，這是當前污泥處理處置中的一個技術瓶頸。半導體超微米級T^2是一種高效光電催化劑，在紫外光的誘導與空氣源載流高能態(tài)電子作用下，T^2微粒中電子進入導帶，形成高能態(tài)激發(fā)態(tài)e *，使固-液界面形成·0Η自由基，與有機質膠束污泥結合完成對位阻結構的對稱性加· OH過程，破解有機質膠束網狀結構膜及菌類的晶胞膜，使有機質污泥的結構水、吸包水，結晶水變成可流動的間隙水；超微米級TW2吸收光電子后，對有機質污泥的-SH、-NH2等結構發(fā)生氧化還原過程，有效地防止系統(tǒng)內形成惡臭；重金屬離子由污泥顆粒表面吸附轉變?yōu)楹藘然钚晕稽c的有機螯合，使污泥中有毒重金屬離子得到有效固化；半導體超微米級T^2在光電協(xié)同作用下，具有很強的氧化能力，具有能耗低、操作簡單、反應條件溫和以及無二次污染等優(yōu)點，成為近年來日益受重視的環(huán)境污染治理新技術。

發(fā)明內容
本申請人針對上述現(xiàn)有污泥處理處置中，含水率無法降到60%以下的技術瓶頸， 提供一種負載TiO2光電催化深度處理污泥的催化劑、裝置與方法，從而在常溫、普通壓力的條件下，能將剩余污泥(excess activated sludge)中的水分含量一步降低至50%以下，同時完成殺菌、除臭、有毒重金屬離子固化。剩余污泥是指活性污泥系統(tǒng)中從二次沉淀池(或沉淀區(qū))排出系統(tǒng)外的活性污泥。本發(fā)明所采用的技術方案如下
一種負載T^2光電催化劑，按照如下步驟制備
(1)按重量百分比為1 :0. 5 1.4加入半導體超微米級鈦白粉與微米級過渡金屬的氧化物并混合；
(2)將上述混合粉末在60(TC 1260°C下進行燒結，然后進行球磨、水洗、干燥、 細篩工藝制備獲得核心催化劑；
(3)按照重量百分比將0. 5% 2 %的核心催化劑與98% 99. 5%的作為載體的分散穩(wěn)定劑進行攪拌混合。其進一步特征在于所述過渡金屬包括狗、Mn、Al、V。分散穩(wěn)定劑的組成為活性炭、硅藻土、膨潤土、珍珠巖及鹽類中的多組分組成。一種利用上述催化劑進行負載TiO2光電催化深度處理污泥的裝置，光電催化反應釜頂部中央設置有攪拌電機，電機的輸出軸上設置有攪拌葉片；曝氣管道設置在反應釜內部，在曝氣管道上排布有曝氣頭；曝氣管道與外部輸送管道連接，輸送管道順序串聯(lián)連接有空氣源載流高能電子發(fā)生儀、壓縮空氣儲氣罐與空氣壓縮機；在反應釜的內腔上部布置有多組紫外線發(fā)生器，配藥池通過管路與輸送泵與反應釜連通。其進一步特征在于所述反應釜頂部設置有電動加料口，固體提升機通過反應釜側面的提升機軌道將催化劑提升并通過加料口向反應釜內加料。所述紫外線發(fā)生器的功率為3 6KW，所述空氣源載流高能態(tài)電子發(fā)生儀的功率為25KW 50KW，輸送氣源壓力為2. 2Χ105 4.8Χ105Ρει，載流高能態(tài)電子空氣源量 1200 5200L。一種利用上述催化劑與裝置，進行負載TiO2光電催化深度處理污泥的方法，包含以下步驟
第一步在污泥中加入負載TiO2光電催化劑，充分攪拌，；
第二步根據有機質含量的不同在反應釜中攪拌污泥30 90分鐘，同時采用反應釜上部的紫外線發(fā)生器進行照射，采用空氣源載流高能態(tài)電子發(fā)生儀通過反應釜下部的曝氣管路向污泥中導入高能電子；
第三步加入復合聚沉劑進行絮凝反應5 10分鐘；
第四步將反應釜中的污泥輸出至中間池，并利用壓濾機進行壓濾。其進一步特征在于所述負載TW2光電催化劑的添加重量百分比為絕干污泥負載催化劑=100 :3. 2 11。按照權利要求7所述的負載TiO2光電催化深度處理污泥的方法，其特征在于所述復合聚沉劑由重量百分比為85 95%的PAC與5 15%的CPAM組成，添加重量百分比為絕干污泥復合聚沉劑=100 0. 8 1. 5。本發(fā)明的有益效果如下
本發(fā)明選用負載催化劑，可有效降低污泥光電氧化過程中存在的氣-固、固-液的傳質阻力，提高氧化效果；載體具有很好的吸附性能、中和沉淀和過濾截留作用，且來源廣泛，價格低廉，可節(jié)省處理成本。本發(fā)明在催化反應聚沉后只需要進行普通壓濾，不需要能耗很高、磨損很大的加壓壓濾，處理后污泥含水率即可降至50%以下，含菌指數低，結構穩(wěn)定，各項指標均滿足GB/ T23485-2009要求，可作為垃圾填埋場覆蓋土泥質。國內污泥干基中有機質均在35% 65%， 對應的燃燒值在1800 3600大卡，因此本發(fā)明處理后的干化污泥也可作為火電廠或水泥廠、磚廠燃料替代物，具有廣泛的應用前景。本發(fā)明突破了常溫處理污泥工藝中無法脫除含有機質污泥吸包水的技術瓶頸，達到了污泥減量大、處理成本低、效果好、處理污泥達到國家環(huán)保部最新標準，便于后續(xù)的資源化應用?，F(xiàn)有污泥干化處理過程中普遍使用CaO，由于CaO在污泥處理過程中轉化為 Ca(OH)2,處理后的污泥成堿性；若將污泥作為中低熱值燃料資源化利用，Ca(OH)2分解過程是吸熱過程，使得污泥的熱值受到一定程度的損耗，不利于資源利用。本發(fā)明在處理過程中未使用CaO，不僅節(jié)省了運行成本，更重要的是保持了污泥的熱值。且本發(fā)明處理后的污泥含水率在在50%以下，相對于現(xiàn)有技術中的含水率80%左右相比，熱值得到很大程度的提高，處理后的污泥可直接用于可用于磚廠、水泥廠、火力電廠的中低熱值燃料替代物。含水率50%以下的處理后污泥合乎環(huán)保部[2010] 157號文件中“污水處理廠以貯存(即不處理處置)為目的將污泥運出廠界的，必須將污泥脫水至含水率50%以下”的要求，更好地方便資源利用。本發(fā)明的光電催化反應為零級反應，不受溫度影響，因而適用性非常廣，不僅可以應用在溫帶熱帶地區(qū)，而且寒帶地區(qū)也可以普遍應用。這是因為光電引發(fā)TiO2催化活性中心界面構成· OH自由基對有機質污泥膠束網狀的破膜反應不受環(huán)境溫度的影響該反應能量來自紫外光對微米級TiA活性中心價電子躍遷，在固-液界面形成· OH自由基；同時空氣源載流高能態(tài)電子流不斷激發(fā)催化活性中心微米級打02界面形成·0Η自由基循環(huán)過程。
OH自由基與有機質污泥膠束網狀的破膜反應的活化能為零；其能量源自于光電引發(fā)催化過程，反應時間不受環(huán)境溫度的影響。


圖1為本發(fā)明的處理裝置示意圖。圖2為本發(fā)明的處理方法的工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖，說明本發(fā)明的具體實施方式
。本發(fā)明所述的負載T^2光電催化劑按照如下步驟制備
(1)按1:0. 5 1. 4 (重量比)比例加入半導體超微米級鈦白粉與微米級過渡金屬的氧化物，所述過渡金屬包括Fe、Mn、Al、V等，其氧化物如狗203、MnO2, A1203、V2O5等；
(2)將上述混合粉末在60(TC 1260°C下進行燒結，然后進行球磨、水洗、干燥、再球磨、細篩，制備獲得核心催化劑；
(3)按照重量百分比將0.5% 2 %的核心催化劑與98% 99. 5%的分散穩(wěn)定劑(作為載體)進行攪拌混合，所述分散穩(wěn)定劑的組成為活性炭、硅藻土、膨潤土、珍珠巖及鹽類等多組分組成。如圖1所示，本發(fā)明所述的負載TiO2光電催化深度處理污泥的裝置的主體為光電催化反應釜1，反應釜1頂部中央設置有攪拌電機14，電機14的輸出軸上設置有多層攪拌葉片16 ；反應釜1頂部設置有電動加料口 12，固體提升機11通過反應釜1側面的提升機軌道10將催化劑提升并通過加料口倒入反應釜1內；反應釜1頂端設計污泥入口 21，采用鑼桿泵從剩余污泥池加入污泥至反應釜1。曝氣管道17設置在反應釜1的底部與周邊，在曝氣管道17上排布有金剛砂環(huán)繞曝氣頭18 ；在反應釜1的內腔上部布置有多組紫外線發(fā)生器15，反應釜1的頂部還設置有尾氣檢測儀13 ；在反應釜1的底部設置有出泥管19，采用位差法排入中間池；在反應池0. 7(Γ0. 85倍高度處設計兩個電池排液閥20排上清液。曝氣管道17與外部不銹鋼輸送管道2連接，輸送管道2順序串聯(lián)連接有空氣源載流高能態(tài)電子儀3、壓縮空氣儲氣罐4與空氣壓縮機5 ；配藥池6、配藥池7通過管路與小型液體輸送泵8 輸入向反應釜1內輸入藥劑?？諝庠摧d流高能態(tài)電子儀3為市售商品。如圖2所示，本發(fā)明所述的負載TiO2光電催化深度處理污泥的方法主要包含以下步驟
第一步在污泥中加入負載TiO2光電催化劑，充分攪拌，按照每立方米含水99. 0%剩余污泥加入負載催化劑320g IlOOg的比例，即每噸有機質含量約35% 60%的絕干污泥， 添加負載催化劑為32kg 110kg。
第二步在反應釜中的紫外光的作用下，導入空氣源載流高能電子，完成對有機質膠束污泥氧化破膜的光電催化反應的循環(huán)過程，使污泥中有機質及菌類的結構水、吸包水， 結晶水變成可流動的間隙水。本發(fā)明采用催化劑T^2與載體特殊結構，根據污泥的濃度與有機質含量可調節(jié)催化劑用量和協(xié)同催化時間，在紫外光和空氣源載流的高能電子協(xié)同作用下，在反應池中產生高能態(tài)· OH自由基，有機質污泥在高能態(tài)· OH自由基作用下，引發(fā)傳質體TiOM構建能態(tài)和軌道對稱的界面s_g、s-1微電子轉移體系，破解了污泥菌膠團結構， 使有機質污泥生物質網狀結構膜破解，釋放出晶胞水、吸包水和結構水。紫外線發(fā)生器的功率為3 6KW，工作時間42 80min，空氣源載流高能態(tài)電子發(fā)生儀的功率為25KW 50KW， 輸送氣源壓力為2. 2X IO5 4. 8X 105Ρει，載流高能態(tài)電子空氣源量1200 5200L。第三步加入復合聚沉劑，每噸有機質含量約35% 60%的絕干污泥，加入復合聚沉劑為:8kg 15kg。所述復合聚沉劑由85 95% (重量百分比)的PAC (Polyaluminium Chloride)與5 15%的PAM (Polyacrylamide)組成，在聚沉劑作用下，經破膜的有機質污泥顆粒等電狀態(tài)聚沉，有毒重金屬離子螯合聚沉，實現(xiàn)泥水的快速分離。第四步將反應釜中的上清液排入污水處理廠排水系統(tǒng)，反應后污泥進入中間池， 經螺桿泵提升至隔膜壓濾機，在普通壓力下實現(xiàn)泥水的快速分離，普通壓濾后可得到含水率50%以下的污泥。實施例1
將濃度為15100mg/L、有機質含量為32%的剩余污泥導入反應釜，導入量為94. : 3，然后在反應釜中加入負載TW2光電催化劑(按照核心催化劑0. 75kg和載體74. 05 kg進行配置)，攪拌5min后，開啟紫外線發(fā)生器15對反應釜中的污泥進行照射，同時通過高能電子發(fā)生儀3經由曝氣管路導入高能電子進行反應，邊攪拌邊反應50min。然后通過配藥池加入復合聚沉劑(PAC14. 0kg、PAM1. 89kg), 5min后將反應釜中上清液排入污水處理廠排水系統(tǒng)， 將污泥排放到中間池，經螺桿泵提升至隔膜壓濾機，通過普通壓濾，得到含水率為47. 80% 的污泥。實施例2
將濃度為14800mg/L、有機質含量為35%的剩余污泥導入反應釜，導入量為95. 6m3，然后在反應釜中加入負載TW2光電催化劑(按照核心催化劑0. 98kg和載體64. 02 kg進行配置)，攪拌5min后，開啟紫外線發(fā)生器15對反應釜中的污泥進行照射，同時通過高能電子發(fā)生儀3經由曝氣管路導入高能電子進行反應，邊攪拌邊反應60min。然后通過配藥池加入復合聚沉劑(PAC16. 00kg, PAM1. 89kg), 5min后將反應釜中上清液排入污水處理廠排水系統(tǒng)， 將污泥排放到中間池，經螺桿泵提升至隔膜壓濾機，通過普通壓濾，得到含水率為48. 20% 的污泥。實施例3
將濃度為16560mg/L、有機質含量為20%的剩余污泥導入反應釜，導入量為96. 8m3，然后在反應釜中加入負載TW2光電催化劑(按照核心催化劑0. 26kg和載體51. 54 kg進行配置)，攪拌5min后，開啟紫外線發(fā)生器15對反應釜中的污泥進行照射，同時通過高能電子發(fā)生儀3經由曝氣管路導入高能電子進行反應，邊攪拌邊反應30min。然后通過配藥池加入復合聚沉劑(PAC16. 86kg、PAM2. 18kg), 5min后將反應釜中上清液排入污水處理廠排水系統(tǒng)， 將污泥排放到中間池，經螺桿泵提升至隔膜壓濾機，通過普通壓濾，得到含水率為48. 30%
實施例4
將濃度為25120mg/L、有機質含量為65%的造紙廠污泥導入反應釜，導入量為65. Om3, 然后在反應釜中加入負載TW2光電催化劑(按照核心催化劑3. 27kg和載體160. 2 kg進行配置)，攪拌5min后，開啟紫外線發(fā)生器15對反應釜中的污泥進行照射，同時通過高能電子發(fā)生儀3經由曝氣管路導入高能電子進行反應，邊攪拌邊反應90min。然后通過配藥池加入復合聚沉劑(PAC16. 62kg、PAM2. 39kg), 5min后將反應釜中上清液排入污水處理廠排水系統(tǒng)，將污泥排放到中間池，經螺桿泵提升至隔膜壓濾機，通過普通壓濾，得到含水率為 47. 90%的污泥。對實施例1 4處理后的污泥及濾液進行測定，得各項指標的平均值如表1所示。 負載TiO2光電催化深度處理污泥較傳統(tǒng)污泥處理方法具有明顯優(yōu)勢，部分數據見表2、3數據對比表。表1處理后的污泥及濾液的技術指標
權利要求
1.一種負載TiO2光電催化劑，其特征在于按照如下步驟制備(1)按重量百分比為1:0. 5 1.4加入半導體超微米級鈦白粉與微米級過渡金屬的氧化物并混合；(2)將上述混合粉末在600°C 1260°C下進行燒結，然后進行球磨、水洗、干燥、細篩工藝制備獲得核心催化劑；(3)按照重量百分比將0.5% 2 %的核心催化劑與98% 99. 5%的作為載體的分散穩(wěn)定劑進行攪拌混合。
2.按照權利要求1所述的負載TiO2光電催化劑，其特征在于所述過渡金屬包括狗、 Mn、Al、V。
3.按照權利要求1所述的負載TiA光電催化劑，其特征在于分散穩(wěn)定劑的組成為活性炭、硅藻土、膨潤土、珍珠巖及鹽類中的多組分組成。
4.一種利用權利要求1中的催化劑進行負載TiO2光電催化深度處理污泥的裝置，其特征在于光電催化反應釜(1)頂部中央設置有攪拌電機(14)，電機(14)的輸出軸上設置有攪拌葉片(16);曝氣管道(17)設置在反應釜(1)內部，在曝氣管道(17)上排布有曝氣頭 (18 )；曝氣管道(17 )與外部輸送管道(2 )連接，輸送管道(2 )順序串聯(lián)連接有空氣源載流高能電子發(fā)生儀(3)、壓縮空氣儲氣罐(4)與空氣壓縮機(5);在反應釜(1)的內腔上部布置有多組紫外線發(fā)生器(15)，配藥池通過管路與輸送泵(8)與反應釜(1)連通。
5.按照權利要求4所述的負載TW2光電催化深度處理污泥的裝置，其特征在于所述反應釜(1)頂部設置有電動加料口( 12 )，固體提升機(11)通過反應釜(1)側面的提升機軌道(10 )將催化劑提升并通過加料口向反應釜(1)內加料。
6.按照權利要求4所述的負載1102光電催化深度處理污泥的裝置，其特征在于所述紫外線發(fā)生器(15)的功率為3 6KW，所述空氣源載流高能態(tài)電子發(fā)生儀(3)的功率為 25KW 50KW，輸送氣源壓力為2. 2 X IO5 4. 8 X IO5Pei,載流高能態(tài)電子空氣源量1200 5200L。
7.一種利用權利要求1中的催化劑與權利要求4中的裝置，進行負載TiO2光電催化深度處理污泥的方法，其特征在于包含以下步驟第一步在污泥中加入負載TiO2光電催化劑，充分攪拌，；第二步根據有機質含量的不同在反應釜中攪拌污泥30 90分鐘，同時采用反應釜上部的紫外線發(fā)生器進行照射，采用空氣源載流高能態(tài)電子發(fā)生儀通過反應釜下部的曝氣管路向污泥中導入高能電子；第三步加入復合聚沉劑進行絮凝反應5 10分鐘；第四步將反應釜中的污泥輸出至中間池，并利用壓濾機進行壓濾。
8.按照權利要求7所述的負載TW2光電催化深度處理污泥的方法，其特征在于所述負載TW2光電催化劑的添加重量百分比為絕干污泥負載催化劑=100 3. 2 11。
9.按照權利要求7所述的負載TW2光電催化深度處理污泥的方法，其特征在于所述復合聚沉劑由重量百分比為85 95%的PAC與5 15%的CPAM組成，添加重量百分比為絕干污泥復合聚沉劑=100 0. 8 1. 5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種負載TiO2光電催化深度處理污泥的催化劑、裝置與方法，通過(1)在污泥中加入負載TiO2光電催化劑；(2)采用反應釜上部的紫外線發(fā)生器進行照射，采用空氣源載流高能態(tài)電子發(fā)生儀通過反應釜下部的曝氣管路向污泥中導入高能電子；(3)加入復合聚沉劑進行絮凝；(4)利用壓濾機對污泥進行壓濾。本發(fā)明突破了常溫處理污泥工藝中無法脫除含有機質污泥吸包水的技術瓶頸，在常溫、普通壓力的條件下，能將剩余污泥中的水分含量一步降低至50%以下，同時完成殺菌、除臭、有毒重金屬離子固化，達到了污泥減量大、處理成本低、效果好、處理污泥達到國家環(huán)保部最新標準，便于后續(xù)的資源化應用。
文檔編號B01J21/06GK102513108SQ20111040256
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權日2011年12月7日
發(fā)明者周震球, 尹志強, 尹曙輝, 榮杰 申請人:江蘇兆盛環(huán)保集團有限公司