申请日2011.08.19
公开(公告)日2012.04.11
IPC分类号A01G1/00; C02F11/02
摘要
本发明公开了一种用于污泥资源化的生物复合酶及其使用方法。本发明所述用于污泥资源化的生物复合酶是几十种从北美土著自然植物中提取的广谱复合酶。通过该生物复合酶处理污泥后，经脱水、与腐殖土混合造粒、干化后得到复合土壤，该土壤不仅可以将重金属和有机污染物固化，还可以作为屋顶、雨水花园、生态排水系统等多种设施的基础材料，有效解决了污水处理厂污泥的出路问题。
权利要求书
1.一种用于污泥资源化的生物复合酶，其特征在于所述生物复合酶包括如下组分：还原酶、淀粉酶、纤维素酶、酯酶、脂肪酶、木质酶、蛋白酶、尿素酶和木聚糖酶共30wt%，食品级的烷基聚葡糖苷表面活性剂15wt%，食品级尿素10wt%，余量为水。
2.根据权利要求1所述用于污泥资源化的生物复合酶，其特征在于所述还原酶为0.5~5wt%，淀粉酶为0.5~4wt%，纤维素酶0.5~5wt%，酯酶0.5~4wt%，脂肪酶0.5~5wt%，木质酶0.5~3wt%，蛋白酶0.5~5%，尿素酶0.5~4wt%，木聚糖酶0.5~5wt%。
3.利用权利要求1或2所述用于污泥资源化的生物复合酶进行污泥资源化的方法，其特征在于所述方法是通过该生物复合酶处理污泥后，经脱水、与腐殖土混合造粒、干化后得到复合土壤。
4.根据全了要求3所述生物复合酶进行污泥资源化的方法，其特征在于为如下步骤：
(1)生物复合酶以1:100的比例与水稀释，喷洒在污泥沉淀池中;
(2)将污泥脱水，与腐殖土混合搅拌均匀，腐殖土的含量为50~80%;
(3)将混合好的土进行造粒;
(4)将颗粒干化。
5.根据权利要求4所述用于污泥资源化的生物复合酶进行污泥资源化的方法，其特征在于所述腐殖土是以树枝、树叶和落叶为主要成分发酵而成的。
6.权利要求3所述将污泥资源化的方法制得的复合土壤在低冲击开发和景观绿化设施中的应用。
说明书
一种用于污泥资源化的生物复合酶及其使用方法
技术领域
本发明涉及环境工程领域，具体涉及一种用于污泥资源化的生物复合酶及其使用方法。
背景技术
城镇污水处理厂产生的污泥含水率高(75~99%)，而且不稳定、易腐败、有恶臭。污泥中含有具有有机质，氮、磷、钾和各种微量元素，寄生虫卵、病原微生物等致病物质，铜、锌、铬等重金属，以及多氯联苯、二噁英等难降解有毒有害物质，如不妥善处理，易造成二次污染。
城镇污水处理厂产生的大量污泥，经沉淀分离、浓缩、消化、脱水及最终处置等的常规污泥处理和处置工艺，需要大量的基建投资和高昂的运行费用，其运行费用约为污水处理厂总运行费用的40%(烘干)~65% (焚烧)左右。污泥中除了含有大量有机污染物、油脂外，还含有重金属，因此怎样处理污水处理厂的污泥成为世界性难题。目前世界上采用的污泥处置方法基本上可以分为三种：
1. 卫生填埋法
填埋法是指将脱水泥饼直接送入填埋场，填埋场一般是一层垃圾一层覆土，然后进行碾压，以确保更好的空间利用。脱水泥饼填埋本身是对资源的严重浪费，此外，还可能对填埋场形成诸多困难：污泥的高含水率、高粘度经常使得碾压机械打滑甚至深陷其中，给填埋操作带来困难。 污泥的流变性使得填埋体易变形和滑坡，成为人为的“沼泽地”，给填埋场带来极大安全隐患。
污泥的高含水率大大增加了填埋场渗滤液处理量，由于污泥细小，经常堵塞渗滤液收集系统和排水管，加重了垃圾坝的承载负荷，给填埋场安全和管理带来困难。清理收集系统的费用极为昂贵。
填埋资源有限，必然导致填埋成本的上升。填埋法将受到越来越严格的的限制，在今后数年内美国将关闭大部分的污泥填埋场。直接填埋污泥浆，所占用的土地非常多，而且由于存在病原体继续繁殖、臭味等问题，尤其在人口非常稠密的地区这种方法并不实际。因此这种处理方式在中国的沿海发达地区也将行不通。
2. 农用资源化处置方法
2.1 污泥自然风干
污泥自然风干指脱水污泥厌氧消化后，经浓缩、脱水，然后置于干化场自然风干后直接用于农田。此生产工艺简单，除一台铲车外无需其它设备，该方法一般用于经过中温厌氧消化后的脱水污泥，此工艺由于无法有效控制其中有毒、有害物质及重金属含量，并且干污泥颗粒较大，农用耕作很不方便，因此，在应用上受到很大限制，对于城市污水中工业废水所占比重较小的处理厂，可采用此工艺。
2.2 污泥直接干燥和造粒
污泥直接干燥工艺指消化后的污泥经浓缩、脱水后，直接(或添加外加剂)进行干燥成为产品或直接造成肥，采用该工艺处理后的污泥臭味较小、农用方便，在干燥过程中杀死了污泥中大部分有毒有害物质，从而降低了污泥中有害物质对农田利用的影响，产品便于运输，投资、运行费用相对较低，但经该方法处理的污泥，肥份较低，在使用过程中秸秆作物容易发生倒伏。
污泥造粒工艺指污泥在干燥后，又进行破碎造粒处理。通过干燥造粒工艺，并向污泥中添加必要的氮、磷、钾等营养成分，将污泥加工成复合有机肥。采用该方法生产的污泥肥中，所添加的营养元素进入土壤后可以迅速释放，而城市污泥中所含的大量有机质，具有改良土壤、培肥地力、抗旱和供肥平稳等特点，肥效比普通化肥时间长，而且对化肥中氮素具有一定的固定作用，使化肥带入的氮素缓慢释放，提高其养份利用效率。
该方法的主要缺点是能耗高，干燥设备一次性投资大。如果污泥中重金属含量过高的话，会对土地造成二次污染并污染地下水源。
2.3 污泥堆肥发酵
堆肥是利用污泥中好氧微生物进行好氧发酵的过程。污泥与调理剂(如锯沫、桔杆、树叶、粪便等)及膨胀剂(如木屑、桔杆短节、花生壳等)，在一定条件下(如pH、C/N、通气、水分、温度)进行好氧堆沤，借助于微生物群落，在潮湿环境中对多种有机物进行氧化分解，使有机物转化为类腐殖质。污泥经堆肥处理后，病源菌、寄生虫卵、杂草种子几乎全部被杀死，挥发性成分减少且臭味降低，重金属有效态的含量也会降低，速效养分含量有所增加，成为一种比较干净而性质比较稳定的物质。污泥堆肥过程是个相当复杂的过程，它受到耗氧率、碳氮比、温度、PH值、挥发固体含量、空隙率等诸因素的影响，所涉及的学科相当复杂。
总的来说堆肥是稳定和卫生的产品，但是大规模污泥堆肥存在着许多限制：
(1)污泥本身不是一个非常好的堆肥物料，降解性差，孔隙率低，含水率高，须添加大量调理剂来松散污泥，堆肥化处理污泥的量相对很低(经堆肥化处理的大部分是大量的调理剂)，不适合多雨的南方地区。
(2)堆肥化过程没有实现体积减量化，而且处理、储存、缓冲区占地面积很大。
(3)臭味处理过程复杂，系统庞大。对于南方多雨的气候，储存和堆肥化的场地和设施要求高，同样也增加了投资。
(4)运行费用较高：供氧、通风和气味处理所需的耗电量大，除虫所需的化学剂量大，购买大量蓬松调理剂，运输和储存费用大。
污泥堆肥不适应于大型处理项目，而且没有大型处理项目在成功运行实例。目前世界上成功运行的最大的污泥堆肥场，其处理能力为10，000吨/年。
3. 焚烧法
焚烧法是使污泥中的可燃烧成分在高温下燃烧，最终成为稳定的灰渣。以焚烧为核心的污泥处理方法是最彻底的污泥处理方法，它能使有机物全部碳化，杀死病原体，可最大限度地减少污泥体积。焚烧法尤其适合于污染严重的污泥(例如重金属含量或化学污染物超标的工业污泥)：污泥最终要实现完全矿化。但是其缺点在于处理设施投资大，处理费用高，可能产生二次污染(废气、噪声、震动、热和辐射)。尤其是没有经过干化的污泥直接进行焚烧不仅十分困难，而且在能耗上也是极不经济的。
污泥焚烧的投资和运行费用要高于干燥/造粒，这是因为：焚烧运行温度高(焚烧850℃，干燥100℃);工艺复杂(还未实现完全自动化运行，需要更多人工，严格的排放限制，高额的最终二次废物填埋费用)。在一些国家公众对焚烧技术的接受程度较低(负面印象：可能对人们身体健康造成危害的高风险的心理负担)。
发明内容
本发明的目的在于根据现有的污泥处理中存在的缺点，提供一种生物复合酶，通过该复合酶将污泥处理后得到可以用于低冲击开发和景观绿化设施中的复合土壤。
本发明另一目的在于提供一种利用生物复合酶进行污泥资源化的方法。
本发明还有一个目的在于提供上述复合土壤的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种用于污泥资源化的生物复合酶，包括如下组分：还原酶、淀粉酶、纤维素酶、酯酶、脂肪酶、木质酶、蛋白酶、尿素酶和木聚糖酶共30wt%，食品级的烷基聚葡糖苷表面活性剂15wt%，食品级尿素10wt%，余量为水。
作为一种优选方案，上述生物复合酶中，所述还原酶为0.5~5wt%，淀粉酶为0.5~4wt%，纤维素酶0.5~5wt%，酯酶0.5~4wt%，脂肪酶0.5~5wt%，木质酶0.5~3wt%，蛋白酶0.5~5%，尿素酶0.5~4wt%，木聚糖酶0.5~5wt%。
本发明利用城镇污水厂难以处置的污泥制造出低冲击开发(Low Impact Development)所需的复合土壤(Amended Soil)。低冲击开发是二十世纪九十年代末由美国西雅图、波特兰和马里兰州的乔治-王子县率先开发的一种暴雨管理技术。其原理是通过小型的、分散的工程手段，利用复合土壤和特定植物的保水、入渗、蒸发来消减暴雨径流的峰值和流量，从源头上控制暴雨径流和由径流产生的面源污染，从而使开发地区尽量接近于开发前的自然水文循环状态。这是一种以生态系统为基础，从径流源头开始的暴雨管理方法。低冲击开发技术的基本原料之一就是具有保水性高、渗透能力强、有机质释放慢的复合土。这种复合土通常是由腐殖土和砂粒、矿物质混合配制而成。而本发明则是运用复合酶将污泥中的有机污染物和油脂降解，然后脱水与腐殖土混合、造粒、干化而形成复合土。这种复合土不仅仅具有保水、渗透功能，而且能将重金属和有机物固化在复合土中。使难于处置的城镇污水处理厂产生的污泥变废为宝。
上述方法中，本发明所选用的腐殖土是以园林绿化修剪下来的树枝树叶和落叶为主要成分发酵而成的腐殖土。这种腐殖土含有木质素、纤维素、腐植酸、复杂和稳定的多聚糖、植物和动物残体及微生物，具有吸附、粒子交换、螯合及吸收功能。另外腐殖土中的有机物与土壤中的粘粒结合后形成聚合体，增强了气体交换能力，使土壤维持好氧状态，增强了土壤的透水性能。由于这种腐殖土具有吸附功能，可以作为过滤的吸附介质使用，将污染物吸附在介质中。腐殖土本身具有极强的抗微生物降解能力，在短时间内不易被降解掉，所以吸附在腐殖土中的污染物在短时间内不会释放出来。腐殖土的离子交换功能能将污泥中的重金属置换出来。因为腐殖土略偏酸性(pH值在6.5左右)，置换出的重金属不易溶出。
复合酶是一种结合多种酶类、非离子型表面活化剂、蛋白质和无机营养物的生物激活剂。目前用添加酶制剂来减少污水处理厂的污泥已在欧美有许多应用。污泥中的有机污染物必须通过质量传递进入微生物细胞参与代谢反应才能得到降解。但只有分子量小于1000Da的单体和低聚物基质通过细胞特异性主动运输过程才能够跨越微生物的膜。因此在污泥减量过程中对大分子有机物进行水解，使其分解为能为微生物吸收利用的小分子有机物是制约微生物分解净化功能的瓶颈。本发明采用的复合酶包括各类水解酶，能迅速将污泥中大分子有机物分解成便于微生物吸收利用的小分子有机物，刺激土著微生物生长繁殖，强化微生物分解功能;迅速分解氨氮、亚硝酸盐、硫化氢等有毒化合物。另外复合酶中包括还原酶(Reductase)，可以将重金属固化在污泥中，转化为不易溶解、迁移和毒性小的形式。
复合酶的另一个作用是与污泥中的粘土中大量存在的有机大分子结合生成的中间产物，该物质被粘土离子置换吸附，从而打破粘土矿物的双电层结构，削弱了粘土土粒吸附水的能力，粘土颗粒表面的水膜厚度在表面活性剂的作用下也相应减薄，致使粘土的结构发生变化，有利于其中的水分排出，促使土颗粒集聚、进一步团粒化而胶结;同时固化剂能够吸附于粘土矿物的内层和外部区域以阻止对水分的吸附。又产生了对水的屏蔽作用，形成防水土层，因此提高了污泥的脱水性能。
本发明采用的具体工艺如下：
(1)复合酶以1：100的比例与水稀释，用计量泵或其他喷洒设备喷洒在污泥沉淀池中。复合酶用量根据污泥的特性而决定，一般在1000~1500 ml/L;
(2)加入复合酶的污泥在沉淀池中曝气搅拌4~6小时;
(3)污泥经复合酶预处理后进入脱水机脱水后的污泥与腐殖土混合搅拌均匀，腐殖土含量在50~ 80%之间;
(4)用造粒机将混合好的土制成各种粒径的颗粒;
(5)将制成的颗粒在小于摄氏80度的温度下干化。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、将污泥中有机污染物和油脂有效地安全地转换成二氧化碳，硝酸盐和水：
从生化的角度来说，有机污染物的降解过程就是微生物新城代谢的过程。微生物分为好氧和厌氧两种。好氧微生物通过分解代谢、合成代谢和物质矿物化，能把污泥中的有机物氧化分解成二氧化碳和水等，同时从中获得碳源、氮源、磷源和能量等。污泥中含有大量的微生物，因此本工艺中(2)就是为好氧微生物提供所需的氧气。如果污泥中的有机污染物是可溶性的，那么就很容易通过微生物的细胞壁进行新城代谢，但如果有机污染物是复杂结构的颗粒状或是胶质(大分子)，那么这些污染物就无法通过微生物的细胞膜进行新城代谢因为微生物的细胞膜是半透膜，大于1000 Da分子量的物质都无法通过。因此本发明使用的复合酶就是将这些大分子的有机污染物和油脂分解成小分子有机物使之能够通过微生物的细胞壁参与新城代谢，最终分解为二氧化碳和水。
2、减少了污泥的出产量：
污泥减量主要是通过复合酶的催化作用，将结构复杂的颗粒状有机污染物和胶体打碎成小分子，为土著微生物种群提供营养源，通过微生物的新城代谢将其转变成二氧化碳和水而达到减量的目的。本发明在实验中取500ml西雅图Renton污水处理厂的新鲜污泥，加入0.5ml复合酶，曝气6小时，污泥消减率达17%。表1是实验数据。
表1 污泥减量实验
DEAR? Wasterwater Enzymes TSS Control (对照组) 3.6g Aeration (曝气) 3.4g Aeration + Enzyme (曝气 + 复合酶) 3.0g Sludge Reducation (污泥减少量) 17%
3、减少了淤泥的臭味;
复合酶除了本身能将淤泥中的有害气体如硫化氢和甲烷气体的分子结构打断外，还能催化淤泥中的微生物繁殖。酶是一种能量巨大的生物催化剂。淤泥中加入复合酶后，它立刻把难以被微生物直接吸收降解的大分子有机物、长分子链或复杂的结构(如脂肪链、蛋白质、苯环、萘结构等)迅速切开，使其变为无毒性的小分子链物质，以便于微生物吸收降解。正是由于酶的分解作用使得微生物降解有机物的效率大大提高。在适宜的环境条件下 ，臭气化合物被吸附在微生物细胞表面、或者吸附在薄膜水层中，这些薄膜水层形成在颗粒表面与细菌表面。在被微生物吸收前，污染气体分子在空气和介质间被分配多次。被微生物吸收后，有机气体参与微生物代谢，自身被氧化为CO2、H2O和微生物细胞生物质。
4、增强污泥的脱水性;
5、加速降解一些难降解的污染物;
6、缩短污泥消化的水利停留时间(HRT)：
从表1中我们看到，加入复合酶曝气6小时后，对淤泥的降解达17%，而没有加复合酶曝气的样品在同样的时间内仅仅降解了6%。这表明加入复合酶后缩短了污泥消化降解的水利停留时间。
7、在不改变工艺的情况下增加污泥处理能力，节省改造投资;
8、复合酶不是微生物，不存在外来菌种带来的环境安全问题。
