申请日2017.06.16
公开(公告)日2017.12.05
IPC分类号C02F11/00; C02F11/04; C02F11/12; C02F11/10
摘要
本发明属于污水处理领域，具体为一种污泥高效资源化的方法。该方法主要由污泥浓缩、预处理、固液分离、厌氧消化和制备污泥吸附剂等部分组成。操作方法是先将污水处理厂污泥浓缩到合适浓度，然后进行混合钙碱剂结合其它方法的预处理，再进行固液分离，液体部分进行厌氧消化产甲烷，固体部分通过干化或热解制备污泥生物炭。采用包含混合钙碱处理过程的预处理可以将污泥中的有机物质进行释放，这些有机物质可能通过高效厌氧反应器进行厌氧消化产甲烷。混合钙碱一方面可以将污泥中的大部磷保存在污泥固体中，减少预处理过程中磷的释放，所制备污泥生物炭磷含量较高，另一方面可以对污泥固形物进行活化和改性，制备的污泥生物炭具有很好的吸附特性。
权利要求书
1.一种污泥高效资源化方法，其特征在于，污泥浓缩后采用混合碱剂进行预处理，所述混合碱剂为氢氧化钠和氢氧化钙的混合物，两者混合的质量比为1-10:1;预处理后再进行固液分离，液体部分进行厌氧消化产甲烷，固体部分直接干化制备成污泥吸附剂，或高温热解制备成污泥生物炭。
2.如权利要求1所述的一种污泥高效资源化方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)污泥浓缩处理，将污泥浓度调整到15～100g/L;
(2)对浓缩后污泥采用混合碱剂进行预处理，预处理过程中的加碱量通过pH值控制，pH值范围为10.0-13.0;
(3)对预处理后的污泥进行固液分离;
(4)固液分离得到液体部分采用高效厌氧反应器进行厌氧消化产甲烷;
(5)固液分离得到的固体部分，通过直接干化制备成污泥吸附剂，或高温热解制备成污泥生物炭。
3.如权利要求2所述的一种污泥高效资源化方法，其特征在于，混合碱剂预处理的同时结合以下处理方法：热处理、微波处理、超声处理或机械处理。
4.如权利要求2所述的一种污泥高效资源化方法，其特征在于，氢氧化钠和氢氧化钙的质量比为2-3：1。
5.如权利要求2所述的一种污泥高效资源化方法，其特征在于，所述直接干化的温度为60-105℃。
6.如权利要求2所述的一种污泥高效资源化方法，其特征在于，所述高温热解的温度为500-700℃，热解时间为40-120分钟。
7.如权利要求2所述的一种污泥高效资源化方法，其特征在于，具体步步骤如下：
(1)污泥浓缩处理，将污泥浓度调整到20～60g/L;
(2)对浓缩后污泥采用混合碱剂进行预处理，预处理过程中的加碱量通过pH值控制，pH值范围为11.5-12.0，预处理时间为5min-24h，混合碱剂预处理的同时结合以下处理方法：热处理、微波处理、超声处理或机械处理;
(3)对预处理后的污泥进行固液分离;
(4)固液分离得到液体部分采用高效厌氧反应器进行厌氧消化产甲烷;
(5)固液分离得到的固体部分，通过直接干化制备成污泥吸附剂，或高温热解制备成污泥生物炭;
所述直接干化的温度为85-105℃;
所述高温热解的温度为550-650℃，热解时间为60-80分钟;
8.由权利要求1-7任意一项所述污泥高效资源化方法制备的污泥吸附剂或污泥生物炭。
9.权利要求8所述污泥吸附剂或污泥生物炭的应用。
10.如权利要求9所述的污泥吸附剂或污泥生物炭的应用，其特征在于，所述污泥吸附剂或污泥生物炭可用于吸附污水中重金属、染料、磷、氨或废气或沼气中的硫化氢、氨气;
所述污泥生物炭还可以直接用作土壤改良剂。
说明书
一种污泥高效资源化的方法
技术领域：
本发明属于污水处理技术领域，特别涉及一种通过混合碱剂结合其它处理方法强化污水处理厂污泥资源化的方法。
背景技术：
污泥是污水生物处理过程的副产物，污泥中含有大量的有机废弃物，不经处理会造成严重的环境问题。随着我国城市化和工业化进程的加快，城市污水的处理量也随之大幅增加，随之而来的是污水处理过程中产生的污泥也大量增加。据统计2015年我国全年城镇污水处理厂污泥产量(以含水率80%计)达3359万吨，且仍在不断增加，预计至2020年污泥产量将突破6000万吨。传统的“重水轻泥”观念抑制了污泥处理的投入和发展，导致在面对污泥处理要求“资源化、减量化、稳定化和无害化”的目标和要求时，目前我国污泥处理的能力不足、手段落后。由于污泥处理成本较高，可占到污水处理厂总投资的30%～60%，污泥的处理处置已成为污水处理厂面临的重要问题。同时，污泥中资源化丰富，是一种有机废弃物，面对目前资源短缺的现状，污泥资源化是污泥处理处置的首选。目前，污泥资源化的方法有土地利用、能源回收(如厌氧发酵制氢、产甲烷与产电)、用作替代燃料来源、用作建筑材料(如水泥、砖)、利用新兴技术从污泥中回收资源(如气化、裂解制油)和用作吸附材料(如生物炭、陶粒)等等。其中，厌氧消化产甲烷是目前应用较多的污泥资源化方法。另外，目前大部分污泥资源化都只采用一种方法，缺乏两种或多种资源化方法的耦合。
由于污泥组成复杂且污泥中大部分有机物都处于微生物细胞内。污泥的独特结构影响了污泥资源化的效率。因此，常常采用预处理来提高污泥资源化效率，例如，预处理强化污泥厌氧消化，污泥预处理释放有机物做反硝化的内碳源等。在污泥预处理过程中，一部分有机物会从不溶态转化为溶解态，从而使污泥的固形物减少。然而，目前大部分预处理只能使污泥的固形物减少10-50%，污泥中仍存在大量固形物。而固形物的存在会影响污泥资源化方法的选择。例如，由于固形物的存在，污泥厌氧消化通常都采用简单的全混式厌氧发酵罐，而难以采用第二代高效厌氧反应器(如上流式污泥床反应器，内循环式厌氧反应器)。另一方面，在污泥吸附剂的制备过程中，常常可以采用碱性氢氧化物(如氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙)对污泥进行活化、改性，提高污泥吸附剂的吸附性能。含碱处理过程的方法(如碱处理，热碱处理、碱-超声处理、碱-均质处理、碱-微波等)是一类重要的污泥预处理方法。在此类方法中，常用的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙等，其中前两者的预处理效果明显高于后者。然而，钙离子能够通过压缩污泥胶体双电层、在带负电荷的絮体间架桥等方式改善污泥的脱水性能，因此有利于污泥的固液分离。同时，钙离子可以与污泥预处理过程中释放的磷反应，从而将这部分磷固定在污泥固体中，减少预处理过程中磷的释放。因此，如果将预处理强化污泥厌氧、碱性氢氧化物提高污泥吸附剂的吸附特性和钙离子提高污泥的固液分离效果与固磷作用结合起来，则可以提高污泥资源化效率。然而目前并无这方面的研究。
发明内容：
为了克服传统污泥资源化的方法存在的不足，本发明提供了一种工艺简单、操作和控制简便和运行费用低的污泥高效资源化方法，通过将污泥进行合适的预处理，然后进行固液分离，液体部分作为高浓度有机废水采用高效厌氧反应器进行厌氧消化，而固体部分通过直接干化或高温热解制备污泥吸附剂，从而提高污泥资源化效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
首先将浓缩后的污水处理厂污泥采用混合碱剂结合其它方法进行预处理，释放污泥中有机物，然后再进行固液分离，液体部分进行高效厌氧反应器进行厌氧消化产甲烷，固体部分直接干化制备成污泥吸附剂，或高温热解制备成污泥生物炭。具体步骤如下：
(1)污泥浓缩处理，将污泥浓度调整到15～100g/L;
所述浓缩处理的方法为重力浓缩、离心浓缩或过滤浓缩;
优选地，浓缩后污泥浓度为20～60g/L;
(2)对浓缩后污泥采用混合碱剂进行预处理，预处理过程中的加碱量通过pH值控制，pH值范围为10.0-13.0;
所述混合碱剂为氢氧化钠和氢氧化钙的混合物，两者混合的质量比为1-10:1;
所述预处理时间为5min-24h;
优选地，氢氧化钠和氢氧化钙的质量比为2-3：1;
优选地，所述pH值范围为11.5-12.0;
优选地，混合碱剂预处理的同时结合其它处理方法，如热处理、微波处理、超声处理、机械处理等;
(3)对预处理后的污泥进行固液分离;
所述固液分离可以采用高速离心分离或过滤分离;
(4)固液分离得到液体部分采用高效厌氧反应器进行厌氧消化产甲烷;
优选地，所述高效厌氧反应器为上流式厌氧污泥床反应器、膨胀颗粒污泥床反应器、内循环式厌氧反应器或厌氧膜生物反应器;
(5)固液分离得到的固体部分，通过直接干化制备成污泥吸附剂，或高温热解制备成污泥生物炭;
所述直接干化温度为60-105℃;
优选地，所述直接干化的温度为85-105℃;
所述高温热解的温度为500-700℃，热解时间为40-120分钟;
优选地，所述高温热解的温度为550-650℃，热解时间为60-80分钟;
所述污泥吸附剂或污泥生物炭可用于吸附污水中重金属、染料、磷、氨或废气或沼气中的硫化氢、氨气等;
所述污泥生物炭还可以直接用作土壤改良剂。
有益效果：
1、本发明采用合适比例的氢氧化钠、氢氧化钙的混合碱剂结合其它方法进行浓缩污泥的预处理，OH-将污泥进行溶胞、释放污泥有机物;加入的钙离子能够通过压缩污泥胶体双电层、在带负电荷的絮体间架桥等方式改善预处理污泥的脱水性能，提高污泥固液分离效率;同时钙离子可以与污泥预处理过程中释放的磷反应，从而将这部分磷固定在污泥固体中，减少预处理过程中磷的释放，从而提高后续制备生物炭的磷含量;
2、通过固液分离，污泥固体部分不进行厌氧消化，从而解除固形物浓度高对厌氧反应器选择的要求，且预处理之后污泥上清液含大量有机物，厌氧消化产甲烷效率可以大大提高;
3、固体部分可以制备成污泥生物炭，用于吸附去除污水中重金属、染料、磷、氨或废气或沼气中的硫化氢、氨气等，由于混合钙碱处理的作用，所得污泥吸附剂或生物炭的吸附效率得到明显提高，相比未做预处理的原污泥，Cu2+的吸附量提高20-45%，P的吸附量提高25-60%，Pb2+的吸附量提高25-35%，而相比仅采用NaOH进行碱处理的污泥，Cu2+的吸附量提高10-25%，P的吸附量提高15-30%，Pb2+的吸附量提高10-15%。
4、固体污泥部分也可以用于土壤改良剂，由于污泥中磷大部分被保留在固体中，所制备的生物炭含有较高的营养物。
5、本发明工艺简单、操作和控制简便，运行费用低，能显著提高污泥的资源化效率。
具体实施方式：
实施例1、一种污泥高效资源化的的方法
将取自污水处理厂的剩余污泥，通过重力浓缩，将污泥浓度调整到20g/L，用质量比为3：1的NaOH和Ca(OH)2混合碱剂调节污泥pH值为12，处理24小时，然后将处理后污泥在6000r/min下离心10min进行固液分离。液体部分通过上流式厌氧污泥床反应器进行厌氧消化产甲烷，水力停留时间为8-12天，相比传统污泥厌氧消化罐(其水力停留时间按20天计)缩短40-60%，相比未进行预处理的污泥，厌氧消化的产气量提高53-65%。固体部分于105℃下烘干6小时，烘干污泥经研磨粉碎(2mm)后，用于吸附Cu2+，相比未经预处理的原污泥制备得到的样品，Cu2+的吸附量提高20-30%;而相比仅采用NaOH调节pH值到12再制备得到的样品，Cu2+的吸附量提高15-25%。
实施例2一种污泥高效资源化的的方法
将取自污水处理厂的剩余污泥离心浓缩，将污泥浓度调整到40g/L，用质量比为2：1的NaOH和Ca(OH)2混合碱剂调节污泥pH值为11.5，然后175℃下处理60分钟，再将处理后污泥在6000r/min下离心10min进行固液分离。液体部分通过内循环式厌氧反应器进行厌氧消化产甲烷，水力停留时间为5-10天，相比传统污泥厌氧消化罐(其水力停留时间按20天计)缩短50-75%，相比未处理污泥，厌氧消化的产气量提高60-70%。固体部分于600℃通氮气环境下热解1小时间，热解得到的样品研磨粉碎(2mm)后，用于吸附染料阳离子红X-GRL，相比原污泥制备得到的样品，阳离子红X-GRL的吸附量提高30-60%。
实施例3一种污泥高效资源化的的方法
将取自污水处理厂的剩余污泥离心浓缩，将污泥浓度调整到30g/L，用质量比为2：1的NaOH和Ca(OH)2混合碱剂调节污泥pH值为11.5，然后机械处理60分钟，再将处理后污泥在6000r/min下离心10min进行固液分离。液体部分通过厌氧膜生物反应器进行厌氧消化产甲烷，水力停留时间为10天，相比传统污泥厌氧消化罐(其水力停留时间按20天计)缩短50%，相比未处理污泥的传统厌氧消化，厌氧消化的产气量提高80%。固体部分于650℃通氮气环境下热解1小时间，热解得到的样品研磨粉碎(2mm)后，用于吸附污水中的磷，相比由原污泥制备得到的样品，磷的吸附量提高60%，而相比仅采用NaOH调节pH值到11.5、机械预处理再制备得到的样品，磷的吸附量提高30%，所得样品的磷含量也提高60%。
实施例4、一种污泥高效资源化的的方法
将取自污水处理厂的剩余污泥，通过重力浓缩，将污泥浓度调整到60g/L，用质量比为10：1的NaOH和Ca(OH)2混合碱剂调节污泥pH值为10，1000W微波处理5min，然后将处理后污泥在6000r/min下离心10min进行固液分离。液体部分通过膨胀颗粒污泥床反应器进行厌氧消化产甲烷，水力停留时间为8-10天，相比传统污泥厌氧消化罐(其水力停留时间按20天计)缩短50-60%，相比原处理污泥，厌氧消化的产气量提高30-40%。固体部分于85℃下6小时间烘干，烘干污泥经研磨粉碎(2mm)后，用于吸附Pb2+，相比未处理污泥制备得到的样品，Pb2+的吸附量提高25-35%。而相比仅采用NaOH调节pH值到10再同样微波处理制备得到的样品，Pb2+的吸附量提高10-13%。
相比原处理污泥制备得到的样品，磷的吸附量提高25-40%，而相比仅采用NaOH调节pH值到10再同样微波处理制备得到的样品，磷的吸附量提高15-20%，所得样品的磷含量也提高40-60%。
实施例5、一种污泥高效资源化的的方法
将取自污水处理厂的剩余污泥，通过重力浓缩，将污泥浓度调整到100g/L，用质量比为8：1的NaOH和Ca(OH)2混合碱剂调节污泥pH值为13，超声处理(225kJ/kgTS)30分钟，然后将处理后污泥在6000r/min下离心10min进行固液分离。液体部分通过内循环式厌氧反应器进行厌氧消化产甲烷，水力停留时间为6-10天，相比传统污泥厌氧消化罐(其水力停留时间按20天计)缩短50-70%，相比原处理污泥，厌氧消化的产气量提高50-75%。固体部分于550℃下高温热解80min，热解污泥经研磨粉碎(2mm)后，用于吸附Cu2+，相比未经预处理的原污泥制备得到的样品，Cu2+的吸附量提高30-45%。而相比仅采用NaOH调节pH值到13、同样超声处理再制备得到的样品，Cu2+的吸附量提高10-15%。
相比原污泥制备得到的样品，磷的吸附量提高40-50%，而相比仅采用NaOH调节pH值到13、同样超声处理再制备得到的样品，磷的吸附量提高15-25%，所得样品的磷含量也提高30-45%。
以上对本发明的具体实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
