一種利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料及其製備方法
2023-05-29 06:45:11 1
專利名稱：一種利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬於廢物資源化利用環保技術領域，具體涉及一種利用剩餘活性汙泥生產 的一次性使用可降解材料及其製備方法。
背景技術：
隨著城市化進程的加快，城市汙水處理率逐年提高，城市汙水處理廠的剩餘汙 泥也急劇增加。據統計，2006年我國汙水處理總量1.6X101(I噸(t)，同時汙泥總量為 1. 6 X 107t (含水率80 %左右)。有關專家預算，到「十一五」末，我國城鎮汙水處理量達到 3.0\10、，那時剩餘汙泥產量將達到3.0\10、，而且每年還以10% 15%的速度增加。 如何安全經濟地處置城市汙泥是世界各國共同面臨的問題，解決這一世界難題對我國來說 刻不容緩。目前國內外處理汙泥的方法主要有衛生填埋、焚燒、土地利用、投海。但是它們也 帶來了一系列的環境問題衛生填埋操作簡單，投資費用較小，處理費用較低，適應性強，但是其佔用了大量 的土地資源，破壞生態環境，侵佔土地嚴重，如果防滲技術不夠，將導致潛在的土壤汙染和 地下水汙染。由於滲濾液對地下水的潛在汙染和城市用地的減少等原因，衛生填埋的處理 技術標準要求越來越高，汙泥填埋處置所佔比例越來越小。在歐洲，剩餘汙泥與城市垃圾混 合填埋比較多，但呈逐年下降趨勢，美國汙泥填埋的比例也正逐步下降，許多地區甚至已禁 止汙泥填埋。在我國，填埋仍然是最主要的汙泥處置方式，而且多數採用混合填埋。焚燒最大優點是可以迅速和較大程度地使汙泥減量，並且在惡劣的天氣條件下不 需存儲設備，能夠滿足越來越嚴格的環境要求和充分地處理不適宜於資源化利用的部分汙 泥。但是其缺點在於汙泥焚燒所需的基建投資和運行費用較高，並且焚燒會產生一定的煙 塵和有毒物質，造成大氣汙染，使汙泥形成二次汙染。汙泥土地利用是各國較為關注的處置方法，它與其他方法相比，不僅能耗低，而且 還可回收利用汙泥中大量的植物養分。汙泥中含有豐富的有機營養成分，如氮、磷、鉀等和 植物所需的各種微量元素，其中有機物的濃度佔40 % 70 %，其含量高於普通農家肥，能 夠改良土壤結構，增加土壤肥力，促進作物生長。影響其推廣的因素是可能引起的病原體擴 散和重金屬汙染。因此各國先後出臺了農用汙泥重金屬許可濃度標準和嚴格的衛生無害化 要求，並對單位面積汙泥使用量做了限制。為減少或消除汙泥直接施於農田可能產生的不 良影響，需對汙水廠的進水水質進行控制並對汙泥進行預處理。鑑於汙水廠設計流量大，所 產生的汙泥量也較多，試圖通過化學方法去除重金屬離子幾乎是不可能的。因此只有限制 排放重金屬離子汙染源的汙染物排放總量，使汙水廠汙泥達到農用標準。同時還應對汙泥 進行堆肥預處理，以消除汙泥中的大量生化有機物及病原菌。其實，汙泥中有豐富的未開發的資源，如可生物降解塑料原料的聚羥基烷酸酯 (polyhydroxyalkanoates, PHA)值得我們深入的研究，並加以綜合利用。聚羥基烷酸酯是汙泥中某些微生物在營養不平衡的條件下(缺氮、磷、鎂等)產生的一種細胞內含物，由於 其結構與石油基塑料結構和功能上很相似，而且又能夠在自然條件下完全降解，是目前由 SM^I原料生產的不可降解塑料的理想替代品，因而成為近幾年國外內研究的熱點。目前研發的產PHA的方法主要有細菌純培養和剩餘活性汙泥混合菌種發酵，前者 已工業化大生產。細菌純培養主要是通過篩選高產菌種或構建基因工程菌，經過工業發酵 罐生產，但其工藝複雜，價格昂貴。剩餘活性汙泥混合菌種發酵與純培養相比少了滅菌等 工藝，降低了固定資產投資，以及生產運作和管理方面的成本，但是生產PHA成本最高的部 分——有機溶劑萃取和純化過程仍然是不可缺少的。針對以上問題，如何在降低生產成本的基礎上利用剩餘活性汙泥中富含的PHAjn 何開闢一條符合我國國情的汙泥無害化、減量化、穩定化、資源化處理的新途徑是我們所共 同面臨的問題。
發明內容
本發明是針對現有剩餘活性汙泥處理利用技術的不足而發明的一種全新的剩餘 活性汙泥資源化方案。本發明的目的之一是提供一種利用脫水剩餘活性汙泥生產的一次性 可降解材料；本發明的另一個目的是提供所述一次性可降解材料的製備方法，旨在解決現 有技術存在的汙泥二次汙染造成的環境汙染問題，同時將汙泥資源化利用，達到環保節能 的目的。本發明的目的通過以下技術方案來實現提供一種利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料，其原料包括以下重量百分 比的各組分汙泥40 70 %，纖維15 30 %，膠黏劑15 30 %，潤滑劑0 5 %，脫硫 劑0 5%0本發明所述利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料，其原料優選包括以下重 量百分比的各組分汙泥50 65%，纖維17 25%，膠黏劑18 25%，潤滑劑0 3%，脫硫劑0 3%。本發明所述利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料，其原料中可以不使用潤 滑劑和脫硫劑，在上述技術方案基礎上，所述原料優選包括以下重量百分比的各組分汙 泥50 65%，纖維17 25%，膠黏劑18 25%，潤滑劑1 3%，脫硫劑1 3%。更為優選的，上述的利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料，其原料包括以 下重量百分比的各組分汙泥57%，纖維20%，膠黏劑19%，潤滑劑2%，脫硫劑2%。所述汙泥優選脫水汙泥或經過馴化後富含聚羥基烷酸酯(PHA)的市政汙泥或工 業汙泥；所述纖維優選稻草纖維、木屑、甘蔗渣或藥渣中的一種或多種，採用多種時，混合的 比例不做嚴格限定；所述膠黏劑優選聚乙烯醇、酚醛樹脂、脲醛樹脂或變性澱粉中的一種或 多種，採用多種時，混合的比例不做嚴格限定；所述潤滑劑優選硬脂酸鋇或硬脂酸鎂的一種 或兩種，採用兩種時，混合的比例不做嚴格限定；所述脫硫劑優選氧化鈣。本發明同時提供了所述利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料的製備方法， 包括以下步驟(1)將汙泥脫水至水份含量在70 90% (重量百分數)的範圍；可將脫水市政汙泥或工業汙泥或馴化後富含聚羥基烷酸酯(PHA)剩餘活性汙泥進一步脫水至水份含量控制在70 90%的範圍；(2)將脫水汙泥和甲醛投入到反應釜中，進行攪拌，然後用氨水調節其PH值至8左 右，加熱使反應釜維持在陽 60°C之間；成糊狀反應物時取出至盛器；(3)將糊狀反應物烘乾至含水量為20 30% (重量百分數)左右，然後粉碎成粉 末；(4)將纖維材料蒸煮脫膠後烘乾收集；(5)然後將步驟C3)製備得到的汙泥樹脂粉末、步驟(4)收集的纖維材料與膠黏 劑、潤滑劑和脫硫劑的混合物放入攪拌機內混合均勻，取出高溫加壓成型，獲得成型的利用 剩餘活性汙泥生產一次性可降解材料。上述步驟⑵所述脫水汙泥和甲醛的重量比為9 1 19 1 ；所述反應釜在 55 60°C之間維持時間優選80 120min ；上述步驟(3)所述烘乾優選的溫度範圍優選80 90°C。本發明的有益效果是本發明選用具有膠黏作用的剩餘活汙泥。選用合適比例的纖維，使其發揮填料和 適宜的交聯作用，採用膠黏劑除了發揮其膠黏作用外，將所述膠黏劑與汙泥混合一起後，還 可起到防黴，防水作用，延緩成品的降解時間，所述潤滑劑增加本發明材料的可塑性，使高 壓成型後容易脫模，脫硫劑氧化鈣一方面可以固定汙泥中游離狀態的硫元素，同時還能鈍 化汙泥中游離的重金屬元素，使其變成不溶性的重金屬鹽，此外氧化鈣還具有殺菌除臭作 用，阻止成品被微生物快速降解。為剩餘活性汙泥再利用提供新途徑，不僅能變廢為寶，而 且還能為汙水處理廠帶來經濟效益，降低了剩餘活性汙泥處理成本，減少剩餘活性汙泥造 成的環境汙染；本發明終產品作為一次性使用塑料製品的代替品，減少目前廢棄塑料製品 對環境的汙染。本發明製備工藝簡單，原材料易得，通過最低成本的方法解決汙泥處置技術問題。
具體實施例方式下面結合具體實施例進一步詳細說明本發明。下述實施例中所使用的試驗方法如 無特殊說明，均為常規方法；所使用的材料、試劑等，如無特殊說明，為可從商業途徑得到的 試劑和材料。實施例1取來自於廣州大坦沙汙水廠的市政汙泥經常規馴化方法(即缺氮缺磷只添加碳 源，採用SBR系統)馴化後富含聚羥基脂肪酸酯(PHA濃度為細胞乾重的60%以上)的剩餘 活性汙泥經離心處理至含水率約90%，按照活性汙泥甲醛的重量比為9 1將所述活性 汙泥和甲醛加入到反應釜中，用氨水(質量濃度為25%)調節pH值至8.0左右，55 60°C 之間反應120min，反應物成糊狀時將混合物取出至盛器；將糊狀混合物在90°C烘乾至含水率為30%左右，然後粉碎成粉末狀的汙泥粉過 80目篩後備用；將稻草纖維粉粉碎後過50目篩後按常規鹼法脫膠後收集；將汙泥粉、稻草纖維、聚乙烯醇、硬脂酸鋇、氧化鈣按重量比57 20 19 2 2 的比例混合，送入攪拌機內混勻，然後取出加壓成型即得利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料。實施例2取來自廣州大坦沙汙水廠的市政剩餘活性汙泥不經馴化直接離心處理至含水率 約90%，以活性汙泥甲醛的重量比為11 1將所述活性汙泥和甲醛加入到反應釜中，用 氨水(質量濃度為25%)調節pH值至8.0左右，55 60°C之間反應120min，反應物成糊 狀時將混合物取出至盛器；將糊狀混合物在90°C烘乾至含水率為25%左右，然後粉碎成粉末狀的汙泥粉過 80目篩後備用；將稻草纖維粉碎脫過50目篩後按常規鹼法膠後收集；將汙泥粉、稻草纖維、聚乙烯醇、硬脂酸鋇、氧化鈣按重量比為 61 17 18 2 2的比例混合送入攪拌機內混勻，然後取出加壓成型利用剩餘活性汙 泥生產的一次性可降解材料。實施例3取來自於廣州獵德汙水廠的市政汙泥經常規馴化方法馴化後富含聚羥基脂肪酸 酯(PHA濃度為細胞乾重的60%以上)的剩餘活性汙泥經離心處理至含水率約90%，以活 性汙泥甲醛的重量比為14 1將所述活性汙泥和甲醛加入到反應釜中，用氨水(質量濃 度為25% )調節pH值至8. 0左右，55 60°C之間反應lOOmin，反應物成糊狀時將混合物 取出至盛器；將糊狀混合物在90°C烘乾至含水率為20%左右，然後粉碎成粉末狀的汙泥粉過 80目篩後備用；將木屑纖維粉碎後過50目篩後按常規鹼法脫膠後收集。將汙泥粉、木屑纖維、聚乙烯醇、硬脂酸鎂、氧化鈣按重量比為 56 18 22 2 2的比例混合送入攪拌機內混勻，然後取出加壓成型利用剩餘活性汙 泥生產的一次性可降解材料。實施例4取來自於廣州獵德汙水廠的市政剩餘活性汙泥不經馴化直接離心處理至含水率 約90%，以活性汙泥甲醛的重量比為16 1將所述活性汙泥和甲醛加入到反應釜中，用 氨水(質量濃度為25%)調節pH值至8.0左右，55 601之間反應801^11，反應物成糊狀 時將混合物取出至盛器；將糊狀混合物在80°C烘乾至含水率30%左右，然後粉碎成粉末狀。將甘蔗纖維粉碎過50目篩後按常規鹼法脫膠後收集。將汙泥粉、甘蔗纖維、酚醛樹脂、硬脂酸鎂、氧化鈣按53 25 18 2 2的比例 混合送入攪拌機內混勻，然後取出加壓成型利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料。實施例5取來自於廣州獵德汙水廠的市政汙泥經經常規馴化方法馴化後富含聚羥基脂肪 酸酯(PHA濃度為細胞乾重的60%以上)的剩餘活性汙泥經離心處理至含水率約90%，以 活性汙泥甲醛的重量比為19 1將所述活性汙泥和甲醛加入到反應釜中，用氨水(質量 濃度為25% )調節pH值至8. O左右，55 60°C之間反應120min，反應物成糊狀時將混合 物取出至盛器；
將糊狀混合物在90°C烘乾至含水率30%左右，然後粉碎成粉末狀。將木屑纖維粉碎過50目篩後按常規鹼法脫膠後收集。將汙泥粉、木屑纖維、聚乙烯醇、硬脂酸鋇、氧化鈣按55 17 24 2 2的比例 混合送入攪拌機內混勻，然後取出加壓成型利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料。實施例6取來自於廣州石化廢水處理廠工業汙泥經經常規馴化方法馴化後富含聚羥基脂 肪酸酯(PHA濃度為細胞乾重的60%以上)的剩餘活性汙泥經離心處理至含水率約90%， 以活性汙泥甲醛的重量比為9 1將所述活性汙泥和甲醛加入到反應釜中，用氨水(質 量濃度為25% )調節pH值至8. 0左右，55 60°C之間反應120min，反應物成糊狀時將混 合物取出至盛器；將糊狀混合物在90°C烘乾至含水率30%左右，然後粉碎成粉末狀。將稻草纖維粉碎過50目篩後按常規鹼法脫膠後收集。將汙泥粉粉、稻草纖維、聚乙烯醇、硬脂酸鋇、氧化鈣按59 19 18 2 2的 比例混合送入攪拌機內混勻，然後取出加壓成型利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材 料。實施例7將上述實施例1 6所獲得的一次性可降解材料，測定其拉伸強度按GB/T 1040. 2-2006標準進行，抗壓強度按GB/T 1935-1991標準進行，吸水率按GB/T 1034-1998 標準進行，細菌總數按GB 4789. 2-2010標準進行，大腸桿菌總數按GB 4789.3-2010。其降 解性實驗，是將上述實施例製備得到的材料按照相同的現有工藝製做出來的花缽，分別置 於室內常溫環境、室內露天環境、掩埋於土壤中以及掩埋於汙泥中，定期觀察其完整性和失 重情況。並記錄當花缽失重率達到80%左右時所需的時間。其測定結果如下表所示表1 一次性可降解材料各項指標參數
權利要求
1.一種利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料，其特徵在於原料包括以下重量百 分比的各組分汙泥40 70%，纖維15 30%，膠黏劑15 30%，潤滑劑0 5%，脫 硫劑0 5%。
2.根據權利要求1所述利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料，其特徵在於原料 包括以下重量百分比的各組分汙泥50 65%，纖維17 25%，膠黏劑18 25%，潤 滑劑1 3%，脫硫劑1 3%。
3.根據權利要求1或2所述利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料，其特徵在於 原料包括以下重量百分比的各組分汙泥57%，纖維20%，膠黏劑19%，潤滑劑2%，脫 硫劑2%。
4.根據權利要求1、2或3所述利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料，其特徵在 於所述汙泥為脫水汙泥、經過馴化後富含聚羥基烷酸酯的市政汙泥或工業汙泥。
5.根據權利要求1、2或3所述利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料，其特徵在 於所述纖維為稻草纖維、木屑、甘蔗渣或藥渣中的一種或多種。
6.根據權利要求1、2或3所述利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料，其特徵在 於所述膠黏劑為聚乙烯醇、酚醛樹脂、脲醛樹脂或變性澱粉中的一種或多種；所述潤滑劑為 硬脂酸鋇或硬脂酸鎂的一種或兩種；所述脫硫劑為氧化鈣。
7.—種權利要求1、2或3所述利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料的製備方 法，包括以下步驟(1)將汙泥脫水至水份含量在70 90%的範圍；(2)將脫水汙泥和甲醛投入到反應釜中，攪拌，調節其pH值為8，加熱使反應釜維持在 55 60°C之間，成糊狀反應物時取出；(3)將糊狀反應物烘乾至含水量為20 30%後粉碎成粉末；(4)將纖維材料蒸煮脫膠後烘乾收集；(5)將步驟( 製備得到的汙泥樹脂粉末、步驟(4)收集的纖維材料與膠黏劑、潤滑劑 和脫硫劑的混合物放入攪拌機內混合均勻，取出後高溫加壓成型，獲得成型的利用剩餘活 性汙泥生產一次性可降解材料。
8.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於步驟( 所述脫水汙泥和甲醛的重量 比為9 1 19 1。
9.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於步驟(2)所述反應釜在55 60°C之 間維持時間為80 120min。
10.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於步驟C3)所述烘乾優選的溫度範圍為 80 90 。
全文摘要
本發明公開了一種利用剩餘活性汙泥生產的一次性可降解材料及其製備方法。製備所述一次性可降解材料的原料包括以下重量百分比的各組分汙泥40～70％，纖維15～30％，膠黏劑15～30％，潤滑劑0～5％，脫硫劑0～5％。本發明原材料簡單易得，製備工藝簡單，通過最低成本的方法解決汙泥處置的難題，生產得到的一次性可降解材料，可用於製備比如花缽、垃圾桶、纖維板以及蛋託等，可以部分替代目前的一次性塑料物品，減少廢棄塑料製品對環境的汙染。本發明為剩餘活性汙泥資源化提供新途徑，不僅能變廢為寶，而且還能為汙水處理廠帶來經濟效益，降低了剩餘活性汙泥處理成本，減少剩餘活性汙泥造成的環境汙染。
文檔編號C08K3/22GK102079851SQ20101056516
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月25日 優先權日2010年11月25日
發明者龐旭, 胡文鋒 申請人:華南農業大學