微波輻射去除剩餘汙泥中壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚的方法

2023-05-30 03:03:36

專利名稱：微波輻射去除剩餘汙泥中壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚的方法
技術領域：
本發明屬於剩餘汙泥處理技術，特別涉及一種微波輻射去除城市汙水處理系統產生的剩餘汙泥(以下簡稱「汙泥」)中壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚的方法。
背景技術：
壬基酚聚氧乙烯醚是一類非離子表面活性劑，約佔烷基酚聚氧乙烯醚總產量的 80 % [Naylor CG. 2001. Alkylphenol ethoxylates :Science, regulatory status, and future outlook. AATCC REVIEW 1(3) =34-38] 0它具有性能優良、價格相對低廉，可用於生產清潔劑、乳化劑、潤溼劑、分散劑、抗靜電劑等，在工業、商貿及日化等方面的應用極為廣泛。壬基酚聚氧乙烯醚是壬基酚在鹼催化下與環氧乙烷發生聚合反應產生的，是一系列不同聚合度的同系物的混合物。在環境中，壬基酚聚氧乙烯醚可再次轉化為壬基酚、或短鏈壬基酚聚氧乙烯醚等代謝產物，好氧條件下其主要降解產物為壬基酚聚氧乙烯酸。然而， 壬基酚、短鏈壬基酚聚氧乙烯醚等與母體壬基酚聚氧乙烯醚相比，具有更強的毒性和內分泌幹擾效應，且在環境中相對穩定，對人體健康和環境安全具有一定危害和潛在的風險。目前歐盟已全面禁止生產壬基酚，美國等國家也對壬基酚的使用進行嚴格監控。 而與此同時，我國仍未對壬基酚的生產或使用做出明確限制。2008年我國壬基酚產量為 1. 7萬噸，淨進口為0. 8萬噸，表觀消費量為2. 5萬噸/年，對壬基酚的需求量還在逐年增加。大量的壬基酚、壬基酚聚氧乙烯醚及其代謝產物隨生活汙水、生產廢水進入城市汙水處理廠，發生降解轉化。其中，近90%的壬基酚吸附於活性汙泥顆粒上，是城市汙水中壬基酚去除的主要方式。而汙水處理廠剩餘汙泥與處理出水的外排則成為壬基酚和短鏈壬基酚聚氧乙烯醚進入環境的主要途徑[Soares，A.，B. Guieysse，et al. 2008. "Nonylphenol in the environment :A criticalreview on occurrence, fate,toxicity and treatment in wastewaters. " EnvironmentInternational 34 (7) :1033_1049. ]。 PIBl■ TtJg^K 處理率的日益提高，汙水處理廠迅猛增加，隨之而來的剩餘汙泥產量也逐年增加，所以，城市汙水汙泥中壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚所引起的生態環境安全問題已不容忽視，越來越受到公眾關注。目前，國內外有關提高剩餘汙泥處理過程中壬基酚聚氧乙烯醚及其代謝產物的降解效率的研究較少，主要是厭氧消化、好氧降解等生物處理方法。一般情況下，中溫厭氧消化可去除汙泥中的少量壬基酚聚氧乙烯醚，而高溫厭氧消化可提高去除率，並減少剩餘汙泥中的固體量。例如，Chang 等[Chang，B. V.，Chiang, F.，Yuan, S. Y.，2005. Anaerobic degradation of nonylphenol insludge. Chemosphere 59 1415—1420. ] i正明硫酸鹽還原菌、產甲烷菌及真細菌可在厭氧條件下去除剩餘汙泥中加入的壬基酚等，但Ferguson等 [Ferguson，P.Ε.，Brownawel1, B. J. ,2003. Degradation of nonylphenol ethoxylatesin estuarinesediment under aerobic and anaerobic conditions.Environ.Toxicol. Chem. 22. 1189-1199.]在批量實驗中並沒有從沉積物泥漿中得到壬基酚聚氧乙烯醚轉化而來的壬基酚。不過，大量研究已證實壬基酚可在好氧條件下發生降解，並已應用於好氧汙泥處理中[Corvini，P. F. X.，Schaffer, A.，Schlosser，D. , 2006. Microbial degradation of nonylphenol and other alkylphenols-our evolving view. App1. Microbiol. Biotechnol. 72 =223-243.]。高溫好氧條件下，壬基酚與短鏈壬基酚聚氧乙烯醚可同時得至Ij去除，且去除率高於厭氧條件[Dominique Patureau, Nadine Delgenes, Jean-Philippe Delgenes,2008. Impact of sewage sludgetreatment processes on the removal of the endocrine disrupters nonylphenolethoxylates. Chemosphere 72 :586_591·]。但在以上處理工藝中，基質的可生物利用性是去除壬基酚類物質的限制因素。此外，多種物化技術被嘗試用於去除城市汙水中的壬基酚聚氧乙烯醚及其代謝產物，如活性炭吸附、臭氧氧化[Deborde M, Rabouan S, Duguet J, LegubeB, 2005. Kinetics of aqueous ozone-induced oxidation of some endocrinedisrupters. Environ. Sci. Technol. 39 =6086-6092.]、光催化、超聲聲化學氧化、電子束輻射分解等方法，雖取得了較好的去除效果，但技術相對複雜、成本過高，難以適於工程應用。同時，物化技術應用於去除剩餘汙泥中壬基酚聚氧乙烯醚及其代謝產物的研究非常少。因此，開發符合我國國情，能夠經濟高效地去除城市汙水處理廠產生的剩餘汙泥中壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚，具有重要的應用價值與現實意義。

發明內容
本發明的目的在於提供一種有效的利用微波輻射去除城市汙水處理系統剩餘汙泥中壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚的方法，可作為城市汙水處理系統剩餘汙泥處理與處置的技術。本發明的微波輻射去除剩餘汙泥中(以下簡稱「汙泥」)壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚的方法的工藝流程圖如圖1所示包括在常壓下對濃縮所述汙泥進行微波輻射與過氧化氫協同作用的處理、及對處理後的所述汙泥進行固液分離等。所述的常壓下對濃縮所述汙泥進行微波輻射與過氧化氫協同作用的處理，是首先採用微波反應器對濃縮所述汙泥進行微波輻射，所述進行微波輻射時的微波源功率在 400 900W之間，當接受微波輻射的所述汙泥溫度達到80°C時停止微波輻射；然後以過氧化氫汙泥的總固體含量為0.5 1的比例加入過氧化氫溶液，再次啟動微波輻射，採用微波輻射-過氧化氫協同氧化對所述汙泥進行處理；待所述汙泥溫度達到100°C時，停止微波輻射，自然冷卻至室溫，協同去除所述汙泥中的壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚。經上述處理得到的上清液部分回流到城市汙水處理系統中，固體部分可進入汙泥濃縮池中進行進一步的後續處理。所述的濃縮所述汙泥是將剩餘汙泥經過濃縮後得到的汙泥濃度在20 30g/L之間的汙泥。所述的濃縮方式是重力濃縮或離心濃縮等。所述的固液分離是採用重力沉降的方式進行固液分離。所述的過氧化氫溶液的質量濃度為30%。
所述的剩餘汙泥是指城市汙水處理廠採用活性汙泥處理系統工藝對城市汙水進行處理後產生的剩餘汙水汙泥混合液。所述的後續處理，包括用於厭氧產氫、用於厭氧消化產甲烷、好氧處理汙泥減量和磷回收等。本發明的方法升溫快速，通過微波諧振與過氧氧化的協同作用，顯著促進了短鏈壬基酚聚氧乙烯醚的降解與壬基酚的分解，不僅可有效去除城市汙水處理廠剩餘汙泥中的壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚，而且可收到明顯的汙泥減量效果。


圖1.本發明的微波輻射去除城市汙水汙泥中壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚的工藝流程示意圖。附圖標記I離心濃縮 II微波協同處理 III固液分離
具體實施例方式實施例1.請參見圖1。在北京市清河汙水處理廠採集由活性汙泥法工藝產生的剩餘汙泥， 採用重力濃縮至汙泥濃度為20118. 3mg/L，濃縮汙泥中的壬基酚的濃度為5. 30mg/kg、短鏈壬基酚聚氧乙烯醚(NPlEO)的濃度為2.25mg/kg、短鏈壬基酚聚氧乙烯醚(NP2E0)的濃度為2. 63mg/kg。在室溫下，首先將600mL上述濃縮汙泥移至IOOOmL燒杯中，將其置於微波反應器中。微波反應器的微波頻率為2450MHz，磁控管最大輸出功率為1000W，可無級調節，腔體容積25L，具有可升降攪拌裝置及測溫探頭，磁控管開啟時間由定時裝置控制。在常壓下對上述濃縮汙泥進行微波輻射(進行微波輻射時的微波源功率為400W)，當接受微波輻射的汙泥溫度達到80°C後，暫停微波輻射，按照過氧化氫與汙泥的總固體含量為0.5 1的比例，向其中投加質量濃度為30%的過氧化氫溶液20mL。重新啟動微波輻射，採用微波輻射-過氧化氫協同氧化對汙泥進行處理，待汙泥的溫度達到100°C時，停止微波輻射，自然冷卻。處理後的汙泥採用重力沉降的方式進行固液分離，上清液部分回流到城市汙水處理廠的汙水處理系統中，固體部分進入汙泥濃縮池中可進行進一步的後續處理。汙泥中的總固體含量由處理前的12. 07g降至處理後的7. 12g，減少了 41. 01%。汙泥中的壬基酚、短鏈壬基酚聚氧乙烯醚(NP1E0、NP2E0)的濃度分別為3. 25mg/kg、l. 95mg/kg、l. 13mg/kg，去除率分別為 38. 7%U3. 3%,57. 0%。實施例2.請參見圖1。在中國科學院生態環境研究中心汙水處理站採集由活性汙泥法工藝產生的剩餘汙泥，採用離心濃縮至汙泥濃度為29873. 7mg/L，濃縮汙泥中壬基酚的濃度為 6.42mg/kg、短鏈壬基酚聚氧乙烯醚(NPlEO)的濃度為2. 17mg/kg、短鏈壬基酚聚氧 乙烯醚 (NP2E0)的濃度為3. 14mg/kg。在室溫下，首先將500mL上述濃縮汙泥倒入800mL燒杯中，將其置於微波反應器中。微波反應器的微波頻率為2450MHz，磁控管最大輸出功率為1000W， 可無級調節，腔體容積25L，具有可升降攪拌裝置及測溫探頭，磁控管開啟時間由定時裝置控制。在常壓下對汙泥進行微波輻射(進行微波輻射時的微波源功率為900W)，當接受微波輻射的汙泥溫度達到80°C後，暫停微波輻射，按照過氧化氫與汙泥的總固體含量為0.5 1 的比例，向其中投加質量濃度為30%的過氧化氫溶液23. 5mL。重新啟動微波輻射，採用微波輻射-過氧化氫協同氧化對汙泥進行處理，待汙泥溫度達到100°C時，停止微波輻射，自然冷卻。處理後的汙泥採用重力沉降的方式進行固液分離，上清液部分回流到城市汙水處理廠的汙水處理系統中，固體部分進入汙泥濃縮池中可進行進一步的後續處理。汙泥總固體含量由處理前的14. 94g降至處理後的8. 59g，減少了 42. 53%。汙泥中壬基酚、短鏈壬基酚聚氧乙 烯醚(NP1EO、NP2EO)的濃度分別為3. 46mg/kg、2. 19mg/kg、l. 33mg/kg，去除率分別為46. l%、-9. 2%、57. 6%。其中，NPlEO因NP2E0的降解而有所積累，但短鏈壬基酚聚氧乙烯醚的總量確有所下降，去除率為30. 3%。
權利要求
1.一種微波輻射去除城市汙水處理廠剩餘汙泥中壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚的方法，包括常壓下對濃縮所述汙泥進行微波輻射與過氧化氫協同作用的處理，及對處理後的所述汙泥進行固液分離；其特徵是所述的常壓下對濃縮所述汙泥進行微波輻射與過氧化氫協同作用的處理，是首先採用微波反應器對濃縮所述汙泥進行微波輻射，所述進行微波輻射時的微波源功率在400 900W之間，當接受微波輻射的所述汙泥溫度達到80°C時停止微波輻射；然後以過氧化氫 汙泥的總固體含量為0.5 1的比例加入過氧化氫溶液，再次啟動微波輻射，採用微波輻射_過氧化氫協同氧化對所述汙泥進行處理；待所述汙泥溫度達到100°C時，停止微波輻射，自然冷卻至室溫，協同去除所述汙泥中的壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是所述的固液分離是採用重力沉降的方式進行固液分離。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵是所述的過氧化氫溶液的質量濃度為30%。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵是所述的濃縮所述汙泥是將剩餘汙泥經過濃縮後得到的汙泥濃度在20 30g/L之間的汙泥。
5.根據權利要求1或4所述的方法，其特徵是所述的濃縮方式是重力濃縮或離心濃縮。
6.根據權利要求1或4所述的方法，其特徵是所述的剩餘汙泥是指城市汙水處理廠採用活性汙泥處理系統工藝對城市汙水進行處理後產生的剩餘汙水汙泥混合液。
7.根據權利要求2所述的方法，其特徵是固液分離後得到的上清液部分回流到城市汙水處理廠的汙水處理系統中，固體部分進入汙泥濃縮池中進行進一步的後續處理。
全文摘要
本發明涉及微波輻射去除城市汙水處理系統產生的剩餘汙泥(以下簡稱「汙泥」)中壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚的方法。包括在常壓下對濃縮的汙泥進行微波輻射與過氧化氫協同作用的處理，及對處理後的汙泥進行固液分離。所述的微波輻射與過氧化氫協同作用的處理，是首先採用微波反應器對濃縮的汙泥進行微波輻射，當接受微波輻射的汙泥溫度達到80℃時停止微波輻射；加入過氧化氫溶液，採用微波輻射-過氧化氫對汙泥進行協同氧化處理，去除汙泥中的壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚。本發明的方法不僅可有效去除城市汙水處理廠剩餘汙泥中的壬基酚及短鏈壬基酚聚氧乙烯醚，而且可收到明顯的汙泥減量效果。
文檔編號C02F11/06GK102190416SQ20101012200
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月10日 優先權日2010年3月10日
發明者劉俊新, 王亞煒, 肖本益, 閻鴻, 魏源送 申請人:中國科學院生態環境研究中心