申请日2004.04.30
公开(公告)日2007.07.04
IPC分类号C02F11/02; C02F103/16; C02F101/20
摘要
本发明提供一种用于实现污泥中重金属生物脱除工艺的系列设备，包括污泥调节池、生物淋滤池、酸化污泥沉淀池、收集池、重金属回收池以及曝气设备、脱水机等。利用嗜酸性硫杆菌在好氧和充分混匀的条件下，将污泥中本身存在的和外源添加的硫粉、硫铁矿氧化成硫酸，使污泥的pH值下降到1.9时，污泥中的重金属被100%地溶解出来，通过污泥脱水，实现固液分离，液体中的重金属用碱沉淀法回收;而泥饼中的重金属含量较低。含重金属的污泥经本发明所述的工艺及其系列设备处理后，其中的重金属95%以上被去除，实现了污泥的减量化、无害化、清洁化、资源化的处理。
权利要求书
1、一种用于实现污泥中重金属生物脱除工艺的系列设备，其特征在于：
所述系列设备包括污泥调节池、生物淋滤池、酸化污泥沉淀池、收集池、 重金属回收池、曝气设备、脱水机以及配套的管道、泵和阀门，且污泥调节池、 生物淋滤池、酸化污泥沉淀池、收集池、重金属回收池用管道顺次连通;
污泥调节池与生物淋滤池之间相连接的管道上设置污泥泵，污泥泵的进料 管道与污泥调节池连通，污泥泵的出料管道与生物淋滤池连通;
生物淋滤池与酸化污泥沉淀池相连接的管道上设置污泥泵，污泥泵的进料 管道与生物淋滤池连通，污泥泵的出料管道与酸化污泥沉淀池连通;
酸化污泥沉淀池的池壁上沿高度方向不同位置设置多个出料管道，并与收 集池连通，每个出料管道上分别安装阀门;
收集池与重金属回收池相连接的管道上设置污水泵，污水泵的进料管道与 收集池连通，污水泵的出料管道与重金属回收池连通;
酸化污泥沉淀池的池底设置排泥口并由管道与脱水机相连通;
重金属回收池的池底设置排泥口并由管道与脱水机相连通。
2、根据权利要求1所述的系列设备，其特征在于：所述污泥调节池的池底为 斜向污泥泵吸泥口的斜坡，污泥泵出口管道设计成两路，在闸阀的作用下，用 污泥泵先对污泥调节池中的污泥进行循环，使污泥调节池中的污泥得到混匀， 然后再泵送到生物淋滤池中。
3、根据权利要求1所述的系列设备，其特征在于：所述生物淋滤池的池型为 圆型、椭圆型，在其中设置搅拌机构，搅拌机构包括电机、减速器、横梁、承 重器、搅拌轴、联轴器、轴承、搅拌叶轮，且电机、减速器、承重器、搅拌轴、 联轴器及轴承顺次相连;搅拌叶轮安装在搅拌轴上;池壁内侧设置竖向挡板。
4、根据权利要求1所述的系列设备，其特征在于：所述生物淋滤池的外侧上 方设置一个附属设施——营养物自动加料池，且营养物自动加料池中安装搅拌 器，营养物自动加料池设置出料管并伸入到生物淋滤池内，出料管上安装电磁 阀和闸阀，搅拌器和电磁阀的开启由污泥泵向生物淋滤池进料时的开启信号控 制。
5、根据权利要求1所述的系列设备，其特征在于：所述生物淋滤池中还设置 了热交换器，有两种型式：一种是用铜管、不锈钢钢管内放置电阻丝烧结而成 的电加热器;另一种是在池底及池内壁安装蛇形不锈钢管道，管道中通过循环 热水进行热传递;还包括一套温度控制仪器，并使用热敏电阻作温度探头，温 度探头安装在生物淋滤池中，在温度控制仪器的控制下，控制热交换器的工作 状况，使生物淋滤池中的污泥能够保持在设定的恒温下进行生物淋滤处理。
6、根据权利要求3所述的系列设备，其特征在于：所述搅拌叶轮系采用平板 叶片和斜桨叶片结合而成的组合式叶片，使用3～6个组合式叶片焊接在叶 片座上制成的叶轮;斜桨叶片与平板叶片的夹角为135度。
7、根据权利要求1所述的系列设备，其特征在于：所述酸化污泥沉淀池的池 壁上设置视窗;池底有漏斗形集泥槽。
8、根据权利要求1所述的系列设备，其特征在于：所述重金属回收池内设置 变速搅拌机构，由电磁调速电机、减速器、横梁、叶轮承重器、搅拌轴、叶轮 及联轴器组成，且电磁调速电机、减速器、叶轮承重器、搅拌轴及联轴器顺次 相连，叶轮安装在搅拌轴上;池底有圆锥形集泥斗;池壁内侧设置竖向挡板。
9、根据权利要求1所述的系列设备，其特征在于：所述曝气设备由风机、进 气管、流量计、曝气器、空气分布管组成，且风机、进气管、流量计、空气分 布管顺次连通;空气分布管铺设在生物淋滤池的池底;曝气器安装在空气分布 管上。
说明书
一种用于污泥中重金属生物脱除工艺的系列设备
一、技术领域
本发明涉及环保领域，适用于市政污泥和工业污泥中重金属的脱除，例如制革 企业污水处理厂产生的制革污泥及电镀企业污水处理厂产生的电镀污泥中重金属 的脱除处理等。
二、技术背景
目前全国已建成运转的城市污水处理厂500余座，日处理污水能力近亿立方 米，污水处理率已达到25%。根据我国水环境管理目标和建设部的预测，到2005 年我国城市入管网的污水处理率应达到47%，2015年达到70%，继续大力兴建、 扩建污水处理厂成为社会发展的必然趋势。然而与污水处理事业极不相适应的是， 无论在我省还是在全国，浓缩了污水中85%以上有害物质(尤其是重金属)的污泥 却一直未能得到妥善处置。这些有机固体废弃物多数被任意弃置在污水处理厂周围 或简单堆填或被附近农民滥用在农地上，有些甚至被倾倒在河流附近。污泥的不规 范处置已成为我国土壤和水环境中一个新的环境染源，部分抵消了污水处理厂净化 环境的功效，严重制约了污水处理事业健康发展，由于污泥产生量很大，又没有一 个稳定、环境安全和经济有效的出路，因此，污泥出路问题也就一直成为令污水处 理厂深感头痛的一个难题。虽然城市污泥土地利用是当前国际上倍受重视的处置途 径之一，然而污泥中重金属的存在，在很大程度上限制了污泥土地利用的推行。除 此而外，在我国还有数量庞大的各类工业废(污)水处理站(场)，相当一部分的 工业废(污)水处理站(场)产生的污泥含较高量的有毒重金属，甚至部分污泥可 归属于危险废物范畴，这些污泥成为环境的重要隐患。
例如，根据对我国典型的城市污水处理厂污泥泥质的调查，多数城市污泥中 Cu，Zn，Pb，Cr，Ni等重金属含量可达数百至数千mg/kg，Cd，Hg，As等金 属含量超标者(指Cd，Hg含量超过5mg/kg;As超过20mg/kg)亦不少见。一些工业 污泥，如制革污泥、电镀污泥中重金属含量更高，可达数万至数十万mg/kg。这些 污泥中重金属长期来均没有好的办法予以处理。至多是采用碱性稳定法(即在污泥 中添加粉煤灰、水泥窑灰或石灰等碱性材料)对污泥中重金属进行钝化处理，使重 金属由高活性变成低活性，而减少其毒害，但重金属总量并未发生改变。这些污泥 进入环境中，重金属的潜在危害依然存在。
以典型的某制革企业污水处理厂产生的污泥为例，其中含有大量的有机物(高 达45%左右)，还含有丰富的N、P、K等植物可利用的营养物质，但是制革污泥不 仅特别难以脱水，而且由于其特别恶臭，更严重的是其中含有大量的重金属铬，铬 的含量高达10000-40000mg/kg。虽然污泥中铬主要以毒性相对较低的三价铬形态 存在，但其在环境中也可转化成六价铬。六价铬有较大的毒性，会使人致癌、致畸 胎、致突变，对皮肤、呼吸系统和消化系统都会产生较大的危害，也影响植物等生 物机体的新陈代谢。我国的污泥农用标准中规定总铬的浓度应小于600mg/kg(对 pH≤6.5的土壤)或1000mg/kg(对pH>6.5的土壤)。目前在我国，制革企业对其 产生的污泥尚无规范的处置途径，多数是采用干化场自然干化或机械脱水后，将污 泥运至他处堆填，少部分用来制砖。由于重金属的存在，无论采用何种处置方式， 存在环境污染风险。
为去除污泥中重金属，Macchi等(1998)和Panswad(1995)就尝试过采用无机酸如 硫酸浸提法去除制革污泥铬的方案，用硫酸将制革污泥的pH从8左右调节到1， 此时污泥中铬将大量溶出，然后通过脱水而得以去除或回收。Wozniak和 Wong(1982)，Jenkins等(1981)，Wu等(1998)曾利用酸或络合剂如H2SO4、HNO3、 HCl、EDTA等处理城市市政污泥以溶解和浸提污泥中重金属的化学方法在降低或 去除污泥中重金属方面也取得较好效果。然而因污泥有巨大的缓冲性，特别是一些 工业污泥如制革污泥，用无机酸调节耗酸量极大，处理费用高;直接加无机酸还会 造成大量的有毒气体硫化氢外泄，操作不安全。这些缺点使得污泥的化学脱毒法并 无实际应用价值。
利用微生物主要是嗜酸性硫杆菌的作用将污泥中重金属去除的生物脱毒技术 (也称“生物淋滤技术”)，因反应温和、环境安全、成本低廉等优点而备受人们的 重视。上世纪90年代开始，国外一些研究者，主要是加拿大Taygi教授所领导的课 题组，对城市污泥的微生物脱毒技术去除重金属进行了一些研究。其基本原理是， 在添加能源物质(主要是亚铁和还原性硫等)和通氧条件下，利用硫杆菌的生物氧 化作用及其产生的低pH环境使以难溶性形态存在的重金属溶出进入水相，再通过 固液分离而去除，硫化物通过氧化作用而转变为硫酸盐，污泥中重金属去除率可达 到85%-99%。本课题组也曾从城市污泥和制革污泥中分离出两株高效的硫杆菌菌 株(氧化亚铁硫杆菌LX5，保藏号CGMCC NO.0727和氧化硫硫杆菌TS6，保藏 号CGMCC NO.0759)，并发现利用该菌可有效脱除污泥中重金属。并于2002年4 月和7月先后申请了2个国家发明专利(氧化亚铁硫杆菌及其去除污泥重金属的方 法，申请号：02112924.X;氧化硫硫杆菌及制革污泥中铬的生物脱除方法，申请号： 02137921.1)。
然而有关污泥中重金属生物脱出的研究及其相关专利，仅是报道了其方法，所 获结果都是通过摇瓶的方式或在很小的反应器中获得的，而且未涉及对实际工程相 当重要的核心设备与设施的研究以及具体工艺。因此，所获参数及实验室的方法难 以应用到实际工程。本发明正是在上述背景下，发明了能应用于实际工程的污泥中 重金属微生物脱除的系列设备。
三、发明内容
本发明涉及一种用于污泥中重金属生物脱除工艺的系列设备。
一种污泥中重金属生物脱除工艺包括以下步骤：利用氧化硫硫杆菌在好氧的条 件下，将硫粉、硫铁矿等氧化成硫酸，使污泥的pH下降，当污泥pH值下降到1.9 时，污泥中的重金属100%地溶解在液相中，污泥经脱水后，除去污泥中的重金属， 分离出来的含重金属的液体，再用碱沉淀法，回收其中的重金属。
一种用于实现污泥中重金属生物脱除工艺的系列设备，包括污泥调节池1、生 物淋滤池3、酸化污泥沉淀池5、收集池6、重金属回收池8、曝气设备、脱水机10 以及配套的管道、泵和阀门等(参见附图1～附图6)，且污泥调节池1、生物淋滤 池3、酸化污泥沉淀池5、收集池6及重金属回收池8用管道顺次连通;污泥调节 池1与生物淋滤池3相连接的管道上设置污泥泵2，污泥泵2的进料管道与污泥调 节池1连通，污泥泵2的出料管道与生物淋滤池3连通;酸化污泥沉淀池5与生物 淋滤池3相连的管道上设置污泥泵4，污泥泵4的进料管道与生物淋滤池3连通， 污泥泵4的出料管道与酸化污泥沉淀池5连通;酸化污泥沉淀池5的池壁上沿高度 方向不同位置设置多个出料管道，并与收集池6连通，每个出料管道上分别安装阀 门63;重金属回收池8与收集池6相连的管道上设置污水泵7，污水泵7的进料管 道与收集池6连通，污水泵7的出料管道与重金属回收池8连通;酸化污泥沉淀池 5池底设置排泥口62并由管道与脱水机10连通;重金属回收池8池底设置排泥口 77并由管道与脱水机10连通。
污泥调节池1中的原始污泥混匀后，经污泥泵2输送到生物淋滤池3中并进行 搅拌，同时由风机9进行充氧，生物淋滤池3中接种了嗜酸性硫杆菌菌株(如氧化 亚铁硫杆菌LX5和氧化硫硫杆菌TS6)，它们在好氧和充分混匀的条件下，将污泥 中本身存在的和外源添加的硫粉、硫铁矿氧化成硫酸，使污泥的pH下降。当生物 淋滤池3中的污泥pH下降到1.9时，污泥中的重金属就100%地溶解在液相中，即 完成了污泥中重金属的生物淋滤浸出过程。随后，污泥泵4将其输送到酸化污泥沉 淀池5中进行自然沉降，沉淀完全后，含有重金属的上清液转移到收集池6中。酸 化污泥沉淀池5中的沉淀污泥一部分回流到生物淋滤池3中接种和保持菌液浓度， 进行下一批次污泥的生物淋滤;其余的沉淀污泥输送到脱水机10上脱水，泥饼中 的重金属含量达标，可作其它后处理用料;分离出来的液体因富含重金属也转移到 收集池6中，再经污水泵7输送到重金属回收池8。在重金属回收池8中，采用碱 沉淀法，将液体中的重金属沉淀下来，沉淀下来的污泥输送到脱水机10上脱水， 上清液回流到污水处理厂(场);而泥饼富含重金属，可回收利用。这套工艺及设 备可完成含重金属污泥的生物淋滤处理，在回收重金属的同时，也使污泥在不投加 任何絮凝剂的条件下直接进行机械脱水。
在本发明所述的系列设备中，污泥调节池1的作用兼有调节污泥浓度和储存剩 余污泥的作用(见附图2)。在污泥调节池1的池底、污泥泵2吸泥口的位置，设置 0.5×0.5×0.5m3(但不限于此)的凹槽，并将池底设计成斜向此凹槽的斜坡，即为 斜向污泥泵2吸泥口的斜坡，坡度采用1∶50，使污泥调节池1中因重力作用产生 的自然浓缩在池底的污泥流向凹槽，池底的污泥不断更新，也便于在需要的时候清 空污泥调节池1。污泥泵2的出口管道设计成两路，一路是至生物淋滤池3的进料 管道，另一路是污泥调节池1中污泥的循环管道24。污泥循环管道24上设有若干 支管23，并将支管23安置成不同的角度，使污泥循环管道24中的污泥回到污泥调 节池1中的不同位置，在闸阀21和22的作用下，用污泥泵2先对污泥调节池1中 的污泥进行循环，以达到混匀污泥的目的，然后再泵送到生物淋滤池3中。
生物淋滤池3是本发明中最重要的部分(参见附图3)，微生物的淋滤作用就是 在此设施中完成的。生物淋滤池3的池型为圆型、椭圆型，在池壁内侧设置数只竖 向挡板41。生物淋滤池3可以采用耐酸材料建成，也可以采用钢筋混凝土结构，当 采用钢筋混凝土结构时，其内壁采用环氧树脂做防腐处理。生物淋滤池3中还设置 了搅拌机构，包括电机31、减速器32、横梁33、承重器34、搅拌轴35、联轴器 36、搅拌叶轮37、轴承38等，且电机31、减速器32、承重器34、搅拌轴35、联 轴器36及轴承38顺次相连;搅拌叶轮37安装在搅拌轴35上;电机31和减速器 32可采用立式结构，也可采用卧式结构。搅拌机构的作用是在挡板41的配合下， 使污泥以及添加的能源物质硫铁矿、硫粉在生物淋滤池3中混合均匀，并对曝气器 39产生的气泡进行一定的分割，增加气泡中的氧在污泥中的转移率。在这里，搅拌 机构中叶轮37的设计是关键，既要能避免产生较大的剪切力，又要能产生较强的 混合效果。根据污泥含固率较高的特点，采用平板叶片和斜桨叶片的结合，设计成 一种具有推流和平流作用的组合式叶片，并使用3～6个组合叶片(但不限与此) 焊接在叶片座上制成叶轮(参见附图4)，斜桨叶片与平板叶片的夹角为135度。此 套搅拌机构具有较强的混和能力和较小的剪切力。
在本发明述及的系列设备中，与生物淋滤池3配套的曝气设备，主要由附图1 中的风机9以及附图3中的进气管51、流量计42、曝气器39、空气分布管40及相 应的阀门组成，且风机9、进气管51、流量计42、空气分布管40顺次连通;空气 分布管40铺设在生物淋滤池3的池底;曝气器39安装在空气分布管40上。曝气 设备的作用，是将风机9产生的空气经进气管51、流量计42、空气分布管40输送 到曝气器39，并以气泡的形式分散在污泥中，保证生物淋滤池3中污泥的溶解氧达 到本发明工艺所要求的水平。风机9供气量的大小，由工艺要求决定。
生物淋滤池3的外侧上方还设置了一个附属设施——营养物自动加料池45(参 见附图3)，营养物自动加料池45中安装搅拌器44，营养物自动加料池45设置出 料管并伸入到生物淋滤池3内，出料管上安装电磁阀46和闸阀47。当生物淋滤池 3中投加新的原始污泥时，将(附图1中的)污泥泵2的开启信号43传给搅拌器 44以及电磁阀46;当污泥泵2停止向生物淋滤池3进泥时，搅拌器44也停止工作， 同时电磁阀46关闭。营养物的加入量由污泥泵2的开机时间和闸阀47的协同作用 共同完成，即搅拌器44和电磁阀46的开启由污泥泵2向生物淋滤池3进料时的开 启信号控制，使得在投加新的原始污泥时，能够自动地按照一定比例地补充微生物 的营养物质。
本发明所提及的防腐处理方法，具体而言，对于钢筋混凝土结构的容器，采用 在其内壁表面贴3～7层玻璃布，每层都涂刷环氧树脂的方法进行防腐。环氧树脂 的涂装配方按环氧树脂∶固化剂∶邻苯二甲酸二丁脂=4∶1∶2的比例，现配现用， 每层施工用量以环氧树脂计125g/m2，室温下72小时完全固化后，仍按此配比、用 量，再涂刷下一层。对于搅拌叶轮、搅拌轴、挡板等这些与物料接触的构件，可以 采用耐酸材料制成;也可采用一般碳钢材质制成，此时，用环氧树脂进行防腐，按 照环氧树脂∶固化剂∶邻苯二甲酸二丁酸=4∶3∶1的比例进行配比，此配方使 环氧树脂稍厚重，适于在钢质材料上涂刷，实施时将环氧树脂调匀后直接涂在构件 上，24h后固化，72h达到完全固化，外观明亮，手感涂层饱满有弹性。
由于本发明所提及的工艺要求在处理过程中，微生物最适宜环境温度是25℃～ 35℃，因此，在生物淋滤池3中还设置了热交换器，有两种型式：一种是用铜管、 不锈钢钢管内放置电阻丝烧结而成的电加热器50;另一种是在池底及池内壁安装蛇 形不锈钢管道49(参见附图3)，可利用企业废热资源、沼气资源、太阳能资源等 先把水加热，然后在管道49中通过循环热水进行热传递;同时还包括一套温度控 制仪器，并使用热敏电阻作温度探头48，温度探头48安装在生物淋滤池3中，在 温度控制仪器的控制下，控制热交换器的工作状况，使生物淋滤池3中的污泥能够 保持在设定的恒温下进行生物淋滤处理，也使本发明所述及的工艺及其设备能够在 寒冷的季节里正常运行。
本发明所述的系列设备中还包括一个酸化污泥沉淀池5(参见附图5)。所谓的 酸化污泥，是指原始污泥在生物淋滤池3中完成生物淋滤处理后，污泥的pH在1.9 左右的污泥。生物淋滤结束后，用(附图1中的)污泥泵4(过流部分为不锈钢材 质)将生物淋滤池3中的酸化污泥输送到酸化污泥沉淀池5中进行自然沉降，酸化 污泥经数小时的自然沉降，固液分层明显，上部的液体富含重金属。在酸化污泥沉 淀池5的池壁上设置视窗61及沿池的高度方向上设置数个出料管，每个出料管上 安装闸阀63;池底为漏斗形集泥槽并设置排泥口62，池底坡度为60°。沉淀下来 的泥向排泥口62汇集，并可通过视窗61观察进料时酸化污泥液面60的位置以及 沉淀稳定后固液分界面，开启相应位置的闸阀63，使富含重金属的液体在自重的作 用下流到(附图1的)收集池6中。酸化污泥沉淀池5和收集池6的内壁都采用前 述的多层(3～7层)玻璃纤维布上每层涂刷环氧树脂的方法进行防腐处理。
本发明所述的系列设备中还包括一个重金属回收池8(如附图6所示)。含重金 属的液体汇集到(附图1的)收集池6中，再用(附图1的)污水泵7(过流部分 为不锈钢材质)输送到重金属回收池8中，并采用碱沉淀法回收其中的重金属，将 液体中的重金属沉淀下来。在重金属回收池8中，设置了变速搅拌机构，由电磁调 速电机70、减速器71、横梁72、叶轮承重器73、搅拌轴74、叶轮75及联轴器76 组成，且电磁调速电机70、减速器71、叶轮承重器73、搅拌轴74及联轴器76顺 次相连;叶轮75安装在搅拌轴74上;池底设置圆锥形集泥斗及排泥口77，池壁内 侧设置竖向挡板78。这样可实现搅拌机构变速搅拌，便于絮凝沉淀的完成。重金属 回收池8中的沉淀污泥经脱水后的泥饼主要是重金属的盐类，可回收利用其中的重 金属成分，或进行固化填埋。
