CN107585982B - 城市生活污泥中蛋白和磷的回收及还原糖转化处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的城市生活污泥中蛋白和磷的回收及还原糖转化处理装置及方法，属于剩余污泥处理设备技术领域。借助超声空化作用及化学药剂的协同作用，达到高效破解生活污泥的效果。污泥破解液进入装有类水滑石过滤器的立式不锈钢桶，借助类水滑石对磷的强吸附作用，获取破解液中的磷；然后除磷破解液再进入装有水滑石过滤器的不锈钢桶中，借助水滑石与蛋白较强的亲和力，获取破解液中蛋白。过滤器内吸附的磷和蛋白再通过各自加入的解吸液解吸得到磷浓缩液和蛋白浓缩液。在纤维素酶和污泥蛋白的作用下，制得还原糖。本发明不仅可以实现生活污泥的有效破解达到污泥的减量化处理，还可以实现生活污泥的高效资源化利用。

Description

城市生活污泥中蛋白和磷的回收及还原糖转化处理装置及 方法

技术领域

本发明属于剩余污泥处理设备技术领域，具体涉及一种城市生活污泥中蛋白和磷的回收及还原糖转化处理装置及方法。

背景技术

生活污泥是城镇生活污水处理厂产生的污泥，是一种成分复杂、产量大、处置困难的固体废弃物。现阶段，我国污水处理厂的建设普遍存在“重水轻泥”的现象，随着全国范围降污减排工作的大力推进，城镇污水集中处理设施不断增加，污泥产生量持续扩大，污泥的有效处理处置刻不容缓。

生活污水主要来源于城市居民生活及配套服务业排水系统，污染物成分相对单一，主要为有机物(蛋白质、碳水化合物、尿素、脂肪以及表面活性剂)、无机物(包括氮、磷以及无机盐)等；重金属及无机有毒物质(砷、氰化物)的含量少，因此在污水处理过程中形成的生活污泥营养物质(氮磷等)含量丰富、有机质含量高(干基含量≥45％)，重金属及无机有毒物质含量低。因此，生活污泥极具资源化利用价值。

传统的污泥处理方法如投海、填埋等都会对环境造成严重的污染。目前，关于生活污泥资源化的研究报道也很多，且都取得了显著的成效，为污泥资源化利用提供了一定的理论指导与技术支持。然而现实中生活污泥资源开发利用率并不高，研究报道大部分仅仅是单独获取其中某一有用物质(如单一提取污泥蛋白、或单一获取污泥中磷)，造成了开发过程中其他资源的流失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种城市生活污泥中蛋白和磷的回收及还原糖转化处理装置及方法，该装置结构设计合理，使用方便，能够实现生活污泥中蛋白和磷的回收利用以及纤维素等资源的转化处理，显著提高生活污泥资源化利用率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种城市生活污泥中蛋白和磷的回收及还原糖转化处理装置，包括反应釜、干卧式离心机、立式不锈钢桶、卧式不锈钢桶及酶解反应罐；

生活污泥通过管路输送至反应釜，在该管路上设有第一球阀和第一离心泵；反应釜的出料口通过管路与卧式离心机相连，在该管路上设有第二球阀和第二离心泵；卧式离心机的液体出口通过管路与立式不锈钢桶相连，在该管路上设有第三球阀，立式不锈钢桶通过管路与卧式不锈钢桶相连，在该管路上设有第四球阀；卧式离心机的固体出口通过管路与酶解反应罐相连，在该管路上设有第五球阀和第三离心泵；卧式不锈钢桶的液体出口及污泥出口分别通过管路连接至酶解反应罐，在液体出口与酶解反应罐相连的管路上设有第六球阀；

还包括与反应釜相连的超声波单元，在反应釜顶部还设有加药口；在立式不锈钢桶中填装有若干层能够吸附磷的类水滑石过滤器，在卧式不锈钢桶中填装有若干层能够吸附蛋白的水滑石过滤器；在立式不锈钢桶设有解吸磷的1#解吸液入口，卧式不锈钢桶上设有解吸蛋白的2#解吸液入口。

优选地，所述超声波单元，由伸入反应釜内的超声波探头及与超声波探头相连的超声波发生器组成。

优选地，还包括顺次设置在卧式离心机的固体出口与酶解反应罐相连的管路上的干燥器及粉碎机。

优选地，还包括设置在卧式不锈钢桶外的温度控制组件，该温度控制组件由加热器及与其相连的温度控制器组成。

优选地，还包括能够调节反应釜内液体pH值的pH调节单元，包括pH计，pH计的探头伸入反应釜内。

优选地，在酶解反应罐上设有取样口及搅拌装置。

本发明还公开了采用上述装置处理城市生活污泥的方法，包括以下步骤：

1)打开第一球阀和第一离心泵，生活污泥被输送至反应釜中，打开加药口添加药剂，然后启动超声波单元对污泥进行超声波处理；

2)待污泥充分破解后，打开第二球阀和第二离心泵，破解污泥溶液进入卧式离心机中，进行固液分离，在离心力作用下，固体泥渣与污泥上清液分离；

3)启动第三球阀，污泥破解液进入立式不锈钢桶中，在类水滑石过滤器的作用下，磷被吸附；然后启动第四球阀，污泥破解液进入卧式不锈钢桶中，在水滑石过滤器的作用下，蛋白被吸附；

4)待立式不锈钢桶与卧式不锈钢桶中的污泥破解液全部流出后，通过各自的解吸液入口分别加入1#解吸液与2#解吸液，在解吸液的作用下，得到磷与蛋白浓缩液；

5)立式不锈钢桶与卧式不锈钢桶中流出的污泥破解液进入酶解反应罐中，打开球阀第五球阀、第六球阀和第三离心泵，泥渣与蛋白进入酶解反应罐(21)，然后加入纤维素酶，纤维素酶解反应发生，获得还原糖。

优选地，步骤2)中，固体泥渣与污泥上清液分离，泥渣进入干燥器中于80℃下进行干燥处理，干燥后的污泥在粉碎机中进行粉碎；步骤5)中，通过酶解反应罐上的取样口进行取样分析，判断反应进行程度。

优选地，所述类水滑石过滤器由以下方法制得，包括步骤：

(1)选取二价含有金属阳离子Zn²⁺和三价金属阳离子Al³⁺的化合物，用去离子水按照Zn²：Al³⁺＝(2.5～3.5)：1的摩尔比配制成金属氯化物混合溶液，移取该溶液于烧杯中，调节溶液pH值为9.5～9.8，使之发生沉淀反应；

(2)将得到的沉淀物于85～93℃恒温陈化24h后，用去离子水反复抽滤洗涤至无Cl^-检出，制得膏体；

(3)将所得膏体烘干、研磨，得到粉体；将所得粉末与聚乙烯醇按质量比1:3.5混合，制得混合液；

(4)取若干条与立式不锈钢桶的内径大小相当的海绵，将海绵浸泡于混合液中，待海绵饱和后取出海绵，然后于50±4℃烘干，以相同的条件反复浸泡、烘干处理5次；将最后一次烘干的海绵于300±50℃处理3小时，冷却，制得类水滑石过滤器。

优选地，所述水滑石过滤器由以下方法制得，包括步骤：

a、将镁铝水滑石与聚乙烯醇按照质量比1:(3～3.5)混合，制得混合液；

b、取若干条与卧式不锈钢桶内径大小相当海绵，将海绵浸泡于混合液中，待海绵饱和后取出海绵，然后于55±4℃烘干，以相同的条件反复浸泡、烘干5次；将最后一次烘干的海绵于900±30℃处理4小时，冷却，制得水滑石过滤器。

整套装置所涉及的所有接口处均由机械密封部件密封连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的城市生活污泥资源化处理装置，借助超声空化作用及化学药剂的协同作用，达到高效破解生活污泥的效果。污泥破解液首先进入装有类水滑石过滤器的立式不锈钢桶，借助类水滑石对磷的强吸附作用，获取破解液中的磷；然后除磷破解液再进入装有水滑石过滤器的不锈钢桶中，借助水滑石与蛋白较强的亲和力，获取破解液中的蛋白。过滤器内吸附的磷和蛋白再通过各自加入的解吸液解吸得到磷浓缩液和蛋白浓缩液。由于生活污泥中含有大量木质纤维素生物质，在本处理过程中经过超声破解，木质纤维素失稳，可溶性纤维素进入液相，不可溶纤维素进入泥渣，两部分纤维素最后进入酶解反应罐，在纤维素酶和污泥蛋白的作用下，制得还原糖。本发明不仅可以实现生活污泥的有效破解，达到污泥的减量化处理，还可以实现生活污泥的高效资源化利用(可同时获得磷、蛋白与还原糖)。装置结构新颖、绿色环保、使用方便、效率高、经济效益显著。

进一步地，还包括顺次设置在卧式离心机的固体出口与酶解反应罐相连的管路上的干燥器及粉碎机，反应物料在卧式离心机经过固液分离后，固体泥渣进入干燥器内干燥，富含纤维素的泥渣干燥后在粉碎机内被粉碎，更加利于后续的处理。

进一步地，由于蛋白为大分子物质，吸附与解吸较为困难，可通过在卧式不锈钢桶外部设置温度控制组件来调节温度，以强化吸附与解吸速率。

进一步地，还包括能够调节反应釜内液体pH值的pH调节单元，所加药剂仅仅用于pH值的微调，添加量通常较少，避免了大量化学药剂进入污泥而造成污泥蛋白的过度破坏及后续复杂的分离程序。

进一步地，在酶解反应罐上设有搅拌装置和取样口，搅拌装置可对反应物料进行搅拌，使各物质充分混合，加快反应速率。通过取样口进行取样分析，更好地判断反应进行程度。

本发明公开的方法，操作简单，环境友好，不仅可以实现生活污泥的有效破解，达到污泥的减量化处理，还可以实现生活污泥的高效资源化利用(可同时获得磷、蛋白与还原糖，显著提高生活污泥资源化利用率。

附图说明

图1为本发明的城市生活污泥资源化处理装置结构示意图。

其中：1为第一球阀；2为第一离心泵；3为反应釜；4为超声波发生器；5为超声波探头；6为pH计；7为第二球阀；8为第二离心泵；9为卧式离心机；10为干燥器；11为粉碎机；12为第五球阀；13为第三离心泵；14为第三球阀；15为立式不锈钢桶；16为第四球阀；17为卧式不锈钢桶；18为第六球阀；19为温度控制器；20为加热器；21为酶解反应罐。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的城市生活污泥资源化处理装置，包括反应釜3，生活污泥在第一离心泵2的作用下，进入反应釜3，污泥流量大小由第一球阀1调节。反应釜3上设置有超声波单元，超声波单元由超声波发生器4和超声波探头5组成，可对生活污泥进行声空化作用；反应釜3内物料pH值通过反应釜上加药口添加药剂进行调节，pH值大小由pH计6测量显示。在声空化和化学协同作用下实现生活污泥的高效破解，加快污泥磷、蛋白的释放速度以及污泥内木质纤维素生物质的破解速度。破解后的生活污泥在第二离心泵8的作用下进入卧式离心机9，进行固液分离，流量大小由第二球阀7调节。分离后的上清液进入立式不锈钢桶15，流量大小由第三球阀14调节，立式不锈钢桶15内含有若干层自制类水滑石过滤器，污泥释放磷在类水滑石材料吸附作用下被大量吸附。然后污泥破解液进一步进入卧式不锈钢桶17中，卧式不锈钢桶17内含有若干层自制水滑石过滤器，污泥释放蛋白在水滑石材料吸附作用下被大量吸附。吸附后的磷与蛋白可通过解吸液获得。蛋白的吸附与解吸速度可通过温度控制器19和加热器20调控。破解后的木质纤维素其中可溶纤维素部分进入污泥液、不可溶纤维素部分进入泥渣，两部分纤维素共同进入酶解反应罐21(自带搅拌)中，在纤维素酶和少量污泥蛋白的作用下酶解糖化得还原糖。

优选地，超声波功率在300～550W，作用时间在15～35min。

优选地，立式不锈钢桶中装填的若干层类水滑石过滤器的制备方法如下：选用的二价金属阳离子Zn²⁺和三价金属阳离子Al³⁺，用去离子水按照Zn²/Al³⁺为(2.5～3.5):1摩尔比配制金属氯化物混合溶液，移取该溶液于烧杯中,在85～93℃水浴条件下逐滴加入NaOH(1mol/L)至溶液pH为9.5～9.8，使之发生沉淀反应。得到的沉淀物于85～93℃恒温陈化24h后，用去离子水反复抽滤洗涤至无Cl^-检出。将所得膏体置于鼓风干燥箱中85℃烘干，研磨，所得粉末与聚乙烯醇按照质量比1:3.5混合，取不锈钢桶内径大小海绵若干，将海绵浸泡于混合液中，待海绵饱和后取出海绵，然后于50±4℃烘干，然后再浸泡于混合液中，饱和后50±4℃烘干，反复5次；最后将烘干海绵于300±50℃处理3小时，冷却，即得类水滑石过滤器(也可选用同种功效的市售其他类水滑石过滤器)。

进一步地，卧式不锈钢桶中装填的若干层水滑石过滤器的制备方法如下：将镁铝水滑石与聚乙烯醇按照质量比1:(3～3.5)混合，取不锈钢桶内径大小海绵若干，将海绵浸泡于混合液中，待海绵饱和后取出海绵，然后于55±4℃烘干，然后在浸泡于混合液中，饱和后55±4℃烘干，反复5次；最后将烘干海绵于900±30℃处理4小时，冷却，即得水滑石过滤器(也可选用同种功效的市售其他水滑石过滤器)。

本发明的城市生活污泥资源化处理装置，在使用时：

首先打开第一球阀1，启动第一离心泵2，生活污泥被输送至反应釜3中，污泥进料流量通过调节第一球阀1控制，然后启动超声波发生器4和pH计6，打开加药口，添加药剂至设定pH值，对污泥进行超声波处理，待污泥充分破解后打开第二球阀7，启动第二离心泵8，破解污泥溶液进入卧式离心机9中，进行固液分离，在离心力作用下，固体泥渣与污泥上清液分离，泥渣进入干燥器10，进行干燥处理(干燥温度80℃)，干燥后的污泥在粉碎机11进行粉碎。粉碎后，启动第三球阀14，污泥破解液进入立式不锈钢桶15中，在类水滑石过滤器的作用下，磷被吸附；然后启动第四球阀16，污泥破解液进入卧式不锈钢桶17中，在水滑石过滤器的作用下，蛋白被吸附；立式不锈钢桶15与卧式不锈钢桶17待污泥破解液全部流出后，在立式不锈钢桶15设有解吸磷的1#解吸液入口，卧式不锈钢桶17上设有解吸蛋白的2#解吸液入口，分别加入1#解吸液与2#解吸液，在解吸液的作用下，得到磷与蛋白浓缩液。最终污泥破解液进入酶解反应罐21中，打开球阀第五球阀12、第六球阀18，启动第三离心泵13，泥渣与蛋白进入酶解反应罐21，然后加入纤维素酶，纤维素酶解反应发生，通过取样口进行取样分析，判断反应进行程度，最后获得还原糖。

本发明采用类水滑石与水滑石过滤器的作用原理如下：

1、类水滑石过滤器中M³⁺对M²⁺的部分置换是其具有磷吸附性能的主要原因之一，适量的Al³⁺取代Zn²⁺增加了类水滑石层板的净正电荷，由此引起插入层板间阴离子(磷酸根)的量随之增加。

2、污泥蛋白分子中含有-OH、-NH₂和-SH等极性官能团，与卧式不锈钢桶内含有无机阳离子和阴离子的水滑石过滤器具有较强的亲和力，使蛋白分子吸附于水滑石材料上，该作用力大小可通过升降温度加以影响，进而实现对蛋白吸附与解吸速度的控制。

本发明在污泥纤维素酶解反应中加入污泥蛋白是因为污泥活性蛋白可延长纤维素酶活性，降低纤维素酶用量，提高污泥-糖转化效率。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用生活污泥为原料，通过超声波和化学作用，破解生活污泥，释放污泥磷与蛋白质，破解污泥木质纤维素。进入水相的污泥磷与蛋白通过不锈钢桶，在不锈钢桶内类水滑石与水滑石过滤器的作用下，被大量吸附，再经解吸液解吸作用得磷与蛋白浓缩液。破解后的木质纤维素在酶解反应罐内进行酶解糖化反应，得还原糖。该装置即达到了生活污泥的减量化，又获得磷、蛋白与还原糖，可谓是一举多得。

2、本发明在生活污泥处理过程中不用添加大量的化学药剂，只加入少量的药剂进行污泥pH值的微调，借助超声波与化学作用达到污泥的高效破解，获得的污泥蛋白分子破坏程度低，污泥磷与蛋白的回收采用类水滑石与水滑石的吸附与解吸作用实现，不用复杂的分离程序，纯度较高，环境污染轻，并且类水滑石与水滑石过滤器可重复利用，过程经济效益显著。

3、该装置可实现生活污泥的减量化处理和资源化利用，获得的磷、蛋白以及还原糖又可增加该处理过程的经济效益，使处理成本显著降低，该装置做到了生活污泥的减量化、资源化、稳定化处理，积极地相应了国家节能减排的号召。

Claims (8)

1.一种城市生活污泥资源化处理装置，其特征在于，包括反应釜（3）、卧式离心机（9）、立式不锈钢桶（15）、卧式不锈钢桶（17）及酶解反应罐（21）；

生活污泥通过管路输送至反应釜（3），在该管路上设有第一球阀（1）和第一离心泵（2）；反应釜（3）的出料口通过管路与卧式离心机（9）相连，在该管路上设有第二球阀（7）和第二离心泵（8）；卧式离心机（9）的液体出口通过管路与立式不锈钢桶（15）相连，在该管路上设有第三球阀（14），立式不锈钢桶（15）通过管路与卧式不锈钢桶（17）相连，在该管路上设有第四球阀（16）；卧式离心机（9）的固体出口通过管路与酶解反应罐（21）相连，在该管路上设有第五球阀（12）和第三离心泵（13）；卧式不锈钢桶（17）的蛋白浓缩液出口及污泥破解液出口分别通过管路连接至酶解反应罐（21），在卧式不锈钢桶（17）的蛋白浓缩液出口与酶解反应罐（21）相连的管路上设有第六球阀（18）；在卧式离心机（9）的固体出口与酶解反应罐（21）相连的管路上顺次设置干燥器（10）及粉碎机（11）；

还包括与反应釜（3）相连的超声波单元，所述超声波单元，由伸入反应釜（3）内的超声波探头（5）及与超声波探头（5）相连的超声波发生器（4）组成；在反应釜（3）顶部还设有加药口；在立式不锈钢桶（15）中填装有若干层能够吸附磷的类水滑石过滤器，在卧式不锈钢桶（17）中填装有若干层能够吸附蛋白的水滑石过滤器；在立式不锈钢桶（15）设有解吸磷的1#解吸液入口，卧式不锈钢桶（17）上设有解吸蛋白的2#解吸液入口，解析得到的蛋白浓缩液从卧式不锈钢桶（17）的蛋白浓缩液出口流出；酶解反应罐（21）中加入纤维素酶，纤维素酶解反应发生，获得还原糖。

2.根据权利要求1所述的城市生活污泥资源化处理装置，其特征在于，还包括设置在卧式不锈钢桶（17）外的温度控制组件，该温度控制组件由加热器（20）及与其相连的温度控制器（19）组成。

3.根据权利要求1或2所述的城市生活污泥资源化处理装置，其特征在于，还包括能够调节反应釜（3）内液体pH值的pH调节单元，包括pH计（6），pH计（6）的探头伸入反应釜（3）内。

4.根据权利要求1或2所述的城市生活污泥资源化处理装置，其特征在于，在酶解反应罐（21）上设有取样口及搅拌装置。

5.采用权利要求1~4中任意一项所述的城市生活污泥资源化处理装置处理城市生活污泥的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）打开第一球阀（1）和第一离心泵（2），生活污泥被输送至反应釜（3）中，打开加药口添加药剂，然后启动超声波单元对污泥进行超声波处理；

2）待污泥充分破解后，打开第二球阀（7）和第二离心泵（8），破解污泥溶液进入卧式离心机（9）中，进行固液分离，在离心力作用下，固体泥渣与污泥上清液分离；

3）启动第三球阀（14），污泥破解液进入立式不锈钢桶（15）中，在类水滑石过滤器的作用下，磷被吸附；然后启动第四球阀（16），污泥破解液进入卧式不锈钢桶（17）中，在水滑石过滤器的作用下，蛋白被吸附；

4）待立式不锈钢桶（15）与卧式不锈钢桶（17）中的污泥破解液全部流出后，通过各自的解吸液入口分别加入1#解吸液与2#解吸液，在解吸液的作用下，得到磷与蛋白浓缩液；

5）立式不锈钢桶（15）流出的污泥破解液进入卧式不锈钢桶（17）中，卧式不锈钢桶（17）中流出的污泥破解液进入酶解反应罐（21）中，打开第五球阀（12）、第六球阀（18）和第三离心泵（13），泥渣与蛋白进入酶解反应罐（21），然后加入纤维素酶，纤维素酶解反应发生，获得还原糖。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2）中，固体泥渣与污泥上清液分离，泥渣进入干燥器（10）中于80℃下进行干燥处理，干燥后的污泥在粉碎机（11）中进行粉碎；步骤5）中，通过酶解反应罐（21）上的取样口进行取样分析，判断反应进行程度。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述类水滑石过滤器由以下方法制得，包括步骤：

（1）选取含有二价金属阳离子Zn²⁺和三价金属阳离子Al³⁺的化合物，用去离子水按照Zn²：Al³⁺ =（2.5~3.5）：1的摩尔比配制成金属氯化物混合溶液，移取该溶液于烧杯中，调节溶液pH值为9.5~9.8，使之发生沉淀反应；

（2）将得到的沉淀物于85~93℃恒温陈化24h后，用去离子水反复抽滤洗涤至无Cl^-检出，制得膏体；

（3）将所得膏体烘干、研磨，得到粉体；将所得粉末与聚乙烯醇按质量比1:3.5混合，制得混合液；

（4）取若干条与立式不锈钢桶的内径大小相当的海绵，将海绵浸泡于混合液中，待海绵饱和后取出海绵，然后于50±4℃烘干，以相同的条件反复浸泡、烘干处理5次；将最后一次烘干的海绵于300±50℃处理3小时，冷却，制得类水滑石过滤器。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述水滑石过滤器由以下方法制得，包括步骤：

a、将镁铝水滑石与聚乙烯醇按照质量比1:（3~3.5）混合，制得混合液；

b、取若干条与卧式不锈钢桶内径大小相当的海绵，将海绵浸泡于混合液中，待海绵饱和后取出海绵，然后于55±4℃烘干，以相同的条件反复浸泡、烘干5次；将最后一次烘干的海绵于900±30℃处理4小时，冷却，制得水滑石过滤器。