一种高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法及装置。其中，方法包括以下步骤：步骤S1：将剩余污泥输送至阳离子交换树脂反应器中，提取剩余污泥中胞外聚合物；步骤S2：通过微滤膜组件截留剩余污泥中微生物细胞及其残体，获得含胞外聚合物的滤液；步骤S3：通过多级膜组件进行过滤处理，可依次使高分子量胞外聚合物和低分子量胞外聚合物得到浓缩和纯化，进而分离出不同分子量范围的胞外聚合物；步骤S4：将步骤S3过滤产生的滤出液输送至以肥料作为驱动剂的正渗透膜组件中进行过滤，得到含有肥料的汲取液，所述汲取液可直接用于水肥一体化灌溉或无土栽培。本发明专利技术具有细胞无损以及无污染的特点。

A pollution-free integrated method and device for high value-added extracellular polymer recovery

【技术实现步骤摘要】
一种高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法及装置
本专利技术涉及一种高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法及装置。
技术介绍
资源化已成为未来污水处理技术的重要方向与必然趋势。目前，最常用的生物污水处理技术是活性污泥法，但随之而来的是大量难以处理处置的剩余污泥。以中国为例，根据2018年底E20研究院所发布报告的数据显示，2017年污泥产量(含水率80％)高达4328万吨/年。据预测，到2020年，我国污泥年产量将达5075万吨，因此需要对污泥进行稳定化、无害化和资源化处置。胞外聚合物(ExtracellularPolymericSubstances，简称EPS)是活性污泥的重要组成部分，约占污泥干重的10％～40％，通常来自微生物的细胞自溶、细胞分泌物以及细胞表面脱落等，主要由多糖、蛋白质、核酸、脂质及金属离子等构成。这些物质通过静电作用力、氢键结合、离子吸引力、生物化学等作用形成紧致高密的网状结构，可作为微生物的保护层，抵御外部重金属和有毒化合物等的侵袭，EPS不同组合方式导致具有不同的复杂结构，可用作保水剂、重金属吸附剂、防火材料、生物絮凝剂等，具有极高的利用价值。在剩余污泥处理处置过程中，EPS占比也是污泥脱水减量的关键因素，脱去EPS后的剩余污泥的浓缩脱水性能可大幅增强。在环境友好型理念下，以EPS回收资源化为首要目标，不仅可以实现资源的高附加值利用，还可在源头上解决庞大的污泥量问题，并改善污泥脱水性以利于后续污泥处理处置。然而回收EPS正面临着两个巨大的难题。一方面对于回收率而言，传统的EPS提取方法如酸、碱提取法或有机溶剂萃提取法，不仅消耗大量化学药剂、增加提取成本，而且可能破坏细胞结构、带来二次污染。阳离子交换树脂法(简称CER)尽管对细胞损伤最小、能够有效吸附重金属离子，但是阳离子交换树脂需频繁再生、且对非离子型(中性)高分子提取效果不佳等局限导致CER法亦存在处理通量小的问题。而表面活性剂能够增加非溶解态物质向溶解态物质的转移，并使污泥中的EPS脱离胞体。因此，我们提出以表面活性剂等作为预处理解决CER法局限性，在零污染下提高污泥中EPS的提取率。另一方面对于回收而言，无论是好氧颗粒污泥、活性污泥或是污水处理过程中任意阶段产生的污泥，理论上都是一种混合式微生物系统，提取过程亦将重金属离子与抗生素等小分子污染物大部分从剩余污泥固相转移至EPS中去，这也被以往国内外所有研究所忽略。经过传统低效提取后不加选择的分离EPS混合物，使得回收产物含有大量杂质，难以形成特定的高附加值产物，进而难以满足潜在开发应用。而在生物工程领域，多级膜(微滤与超滤)分离技术已广泛应用于多糖和蛋白质的分离、浓缩、纯化研究。目前，传统方法对EPS提取率难以提高且易造成二次污染。现有研究仅仅是不加选择地提取污泥中EPS，提取物含有大量杂质，难以应用。剩余污泥为市政污水混合式微生物处理系统中产生的，提取EPS过程中会将重金属离子与抗生素等小分子污染物大部分从剩余污泥固相转移至EPS中去，而至今国内外未见有对回收的EPS进行有毒有害污染物含量检测的研究，考虑从EPS中去除有毒有害污染物更是闻所未闻。同时，回收EPS过程产生的废水作为二次污染源，亦是需要解决的突出问题。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的上述问题，本专利技术的主要目的在于提供一种高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法及装置。本专利技术的技术方案是这样的：一种高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法，包括以下步骤：步骤S1：将剩余污泥输送至阳离子交换树脂反应器中，通过表面活性剂强化阳离子交换树脂法优化提取胞外聚合物，使得大量胞外聚合物溶解于水中；步骤S2：步骤S1中得到的含有大量溶解态的胞外聚合物的污泥进入微滤膜组件中进行分离处理，截留排出污泥中的悬浮物，得到含溶解态的胞外聚合物滤液；步骤S3：将步骤S2得到的胞外聚合物溶液输送至多级膜组件中进行过滤处理，当所述多级膜组件采用超滤/超滤集成膜组件时，可依次使高分子量胞外聚合物和低分子量胞外聚合物得到浓缩和纯化，进而分离出不同分子量范围的胞外聚合物；步骤S4：将步骤S3过滤产生的滤出液输送至以肥料作为驱动剂的正渗透膜组件中进行过滤，截留去除滤出液中有毒有害污染物，并得到含有肥料的汲取液，所述汲取液可直接用于水肥一体化灌溉或无土栽培。步骤S3中所述多级膜组件为微滤/超滤集成膜组件，当所述多级膜组件采用微滤/超滤集成膜组件时，向胞外聚合物溶液中加入高价金属离子，以形成高价金属离子水溶液环境，多糖从溶解态转变为胶体态，进而分离并回收胞外聚合物溶液中的多糖和蛋白质。所述高价金属离子为钙离子、镁离子、铁离子、铝离子。步骤S4中，将步骤S3过滤产生的滤出液输送至以肥料作为驱动剂的正渗透膜组件中进行过滤，截留去除滤出液中有毒有害污染物，其中，所述肥料为水溶性肥料，且所述有毒有害污染物包括重金属离子和抗生素。所述胞外聚合物中的物质包括多糖与蛋白质。一种高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化装置，所述装置包括阳离子交换树脂反应器、微滤膜组件、多级膜组件以及正渗透膜组件，其中，所述微滤膜组件分别与所述阳离子交换树脂反应器以及多级膜组件相连通，且所述多级膜组件还与所述正渗透膜组件相连。所述多级膜组件为超滤/超滤集成膜组件，且所述超滤/超滤集成膜组件的截留分子量为1～500kDa。所述超滤/超滤集成膜组件中超滤膜为平板膜或中空纤维膜中任意一种，且所述超滤/超滤集成膜组件中超滤膜的过滤方式为死端方式或扫流方式。所述多级膜组件为微滤/超滤集成膜组件，其中：所述微滤/超滤集成膜组件中微滤膜为平板膜或中空纤维膜中任意一种，且所述微滤/超滤集成膜组件中微滤膜的过滤方式为死端方式或扫流方式；所述微滤/超滤集成膜组件中超滤膜为平板膜或中空纤维膜中任意一种，且所述微滤/超滤集成膜组件中超滤膜的过滤方式为死端方式或扫流方式。所述微滤膜组件中微滤膜为平板膜或中空纤维膜，且所述微滤膜组件中微滤膜的过滤方式为死端方式或扫流方式，所述微滤膜组件中微滤膜的膜孔径为0.1～8μm。本专利技术具有以下优点和有益效果：1、表面活性剂强化阳离子交换树脂法优化EPS提取条件，强化EPS提取率；2、多级膜优化分离条件，高效去除细胞体等悬浮物、重金属离子、抗生素等小分子有机污染物，分离并纯化多糖、蛋白质及不同分子量的典型EPS；3、以水溶性肥料为驱动剂的正渗透净化回收EPS过程产生的废水，可直接用于水肥一体化灌溉或无土栽培，因此可实现无污染回收的目的。附图说明图1为本专利技术实施例提供的高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法中采用超滤/超滤集成膜组件的工艺流程图。图2为本专利技术实施例提供的高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法中采用微滤/超滤集成膜组件的工艺流程图。图3为本专利技术实施例提供的高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化装置中多级膜组件为超滤/超滤集成膜组件的结构示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1：将剩余污泥输送至阳离子交换树脂反应器中，通过表面活性剂强化阳离子交换树脂法优化提取胞外聚合物，使得大量胞外聚合物溶解于水中；/n步骤S2：步骤S1中得到的含有大量溶解态的胞外聚合物的污泥进入微滤膜组件中进行分离处理，截留排出污泥中的悬浮物，得到含溶解态的胞外聚合物滤液；/n步骤S3：将步骤S2得到的胞外聚合物溶液输送至多级膜组件中进行过滤处理，当所述多级膜组件采用超滤/超滤集成膜组件时，可依次使高分子量胞外聚合物和低分子量胞外聚合物得到浓缩和纯化，进而分离出不同分子量范围的胞外聚合物；/n步骤S4：将步骤S3过滤产生的滤出液输送至以肥料作为驱动剂的正渗透膜组件中进行过滤，截留去除滤出液中有毒有害污染物，并得到含有肥料的汲取液，所述汲取液可直接用于水肥一体化灌溉或无土栽培。/n

【技术特征摘要】
1.一种高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将剩余污泥输送至阳离子交换树脂反应器中，通过表面活性剂强化阳离子交换树脂法优化提取胞外聚合物，使得大量胞外聚合物溶解于水中；
步骤S2：步骤S1中得到的含有大量溶解态的胞外聚合物的污泥进入微滤膜组件中进行分离处理，截留排出污泥中的悬浮物，得到含溶解态的胞外聚合物滤液；
步骤S3：将步骤S2得到的胞外聚合物溶液输送至多级膜组件中进行过滤处理，当所述多级膜组件采用超滤/超滤集成膜组件时，可依次使高分子量胞外聚合物和低分子量胞外聚合物得到浓缩和纯化，进而分离出不同分子量范围的胞外聚合物；
步骤S4：将步骤S3过滤产生的滤出液输送至以肥料作为驱动剂的正渗透膜组件中进行过滤，截留去除滤出液中有毒有害污染物，并得到含有肥料的汲取液，所述汲取液可直接用于水肥一体化灌溉或无土栽培。


2.根据权利要求1所述的高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法，其特征在于，步骤S3中所述多级膜组件为微滤/超滤集成膜组件，当所述多级膜组件采用微滤/超滤集成膜组件时，向胞外聚合物溶液中加入高价金属离子，以形成高价金属离子水溶液环境，多糖从溶解态转变为胶体态，进而分离并回收胞外聚合物溶液中的多糖和蛋白质。


3.根据权利要求2所述的高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法，其特征在于，所述高价金属离子为钙离子、镁离子、铁离子、铝离子。


4.根据权利要求1所述的高附加值胞外聚合物回收的无污染集成化方法，其特征在于，步骤S4中，将步骤S3过滤产生的滤出液输送至以肥料作为驱动剂的正渗透膜组件中进行过滤，截留去除滤出液中有毒有害污染物，其中，所述肥料为水溶性肥料，且所述有毒有害污染物包括重金属离...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹达啟，韩佳霖，田锋，郝晓地，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：北京;11