申请日2019.01.20
公开(公告)日2019.04.05
IPC分类号C02F11/18; C02F3/28
摘要
本发明公开了一种基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，包括以下步骤：(1)取市政污泥进行水热碳化，水热碳化反应温度为150～170℃，得到碳化产物;(2)将步骤(1)得到的碳化产物进行固液分离，分别得到生物炭和液相产物;(3)将步骤(2)得到的液相产物作为污水处理厂的补充碳源使用。本发明不仅对市政污泥进行了低温水热碳化原位处理，降低了加热过程所需能耗，而且将主要成分为生物可降解COD的液相产物作为污水处理厂的补充碳源，真正有效实现了利用水热碳化的液相产物补充碳源，有效提高了废水的可生化性，节约了碳源投加费用，具有很高的经济效益。
权利要求书
1.一种基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)取市政污泥进行水热碳化，水热碳化反应温度为150～170℃，得到碳化产物;
(2)将步骤(1)得到的碳化产物进行固液分离，分别得到生物炭和液相产物;
(3)将步骤(2)得到的液相产物作为污水处理厂的补充碳源使用。
2.根据权利要求1所述的基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，液相产物作为污水处理厂的补充碳源使用的方法为：将液相产物与污水处理厂的进水混合或者将液相产物投加到污水处理厂的厌氧池或缺氧池中。
3.根据权利要求1所述的基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，水热碳化反应压力为10～15个大气压。
4.根据权利要求1所述的基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，水热碳化反应时间为6～8小时。
5.根据权利要求1所述的基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，先调节市政污泥的含水率至88%～92%，再进行水热碳化。
6.根据权利要求1所述的基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，市政污泥先进行加热预处理，再进行水热碳化。
7.根据权利要求1所述的基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，水热碳化的加热方式为微波加热、电加热或导热油加热。
8.根据权利要求1所述的基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，市政污泥为污水处理厂的初沉污泥、剩余污泥、厌氧消化污泥和脱水污泥中的一种或两种以上混合。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，其特征在于：将所述步骤(2)中得到的液相产物返回至步骤(1)作为水热碳化的水相，循环若干次后，再将液相产物作为污水处理厂的补充碳源使用。
说明书
一种基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，具体涉及一种基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法。
背景技术
目前国内城镇污水处理厂进水大多是碳源限制型污水，难以满足同时生物除磷脱氮的碳源需求。对于生物除磷，聚磷菌在厌氧池内释放磷酸盐并吸收污水中的溶解性生物可降解COD及挥发性有机酸(VFAs)，将其同化为聚-β-羟基丁酸(PHB)作为细胞内能源储存物，为好氧池内聚磷菌大量吸磷提供能量。对于生物脱氮，进行反硝化反应时，作为异养微生物的反硝化菌需要吸收充足的溶解性生物可降解COD为增殖和反应提供能量。
因此，污水COD组成，尤其是其中溶解性生物可降解COD或挥发性有机酸(VFAs)含量，将深刻影响生物除磷脱氮工艺的运行以及能否达标排放。目前大多数进水碳源不足的城镇污水处理厂会选择投加溶解性生物可降解COD来提高系统的同时除磷脱氮能力，并且污水处理厂执行的排放标准越高，选择投加碳源的可能性就越大，投加量也越高。但是，额外投加碳源成本较高。
水热碳化是一种热化学过程，其中水在一定的温度和压力下作为反应介质。水热碳化法对污泥原料含水率要求低，无需对污泥进行干燥，且反应时间短，反应条件温和，工艺过程简单，因此在能源消耗和生产控制上较传统的市政污泥处理技术具有明显的优势。
申请号为201810337696.5的发明专利申请公开了一种剩余污泥水热碳化液资源化的方法，提出将污泥水热碳化的液相产物(水热碳化液)资源化利用，即将剩余污泥水热碳化后，回收水热碳化液中的氮和磷，然后将液相部分作为污水生物脱氮中反硝化补充碳源，从而既解决了水热碳化的液相产物处理问题，又解决了低碳氮比废水生物脱氮效率低、需要补充碳源的问题。
但是，本发明的发明人通过研究发现，上述方法不能实现如其宣称的有效补充碳源、大幅度提高废水生物脱氮效率等技术效果。本发明的发明人通过研究发现，问题产生的根源在于上述方法的水热碳化反应温度为200～280℃，在水热碳化过程中会发生比较显著的美拉德反应。美拉德反应主要指原料中的氨基化合物(氨基酸、肽及蛋白质)与羰基化合物(糖类)之间发生的复杂反应，是一种非酶褐变反应。随着美拉德反应的进行，会产生一系列复杂的难降解有机物(例如醛，呋喃，吡咯，吡嗪和吡啶等)，即美拉德反应产物(Maillardreaction products，MRPs)。而这些美拉德反应产物由于是难降解有机物，并不是污水处理厂补充碳源所需的溶解性生物可降解COD。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，克服水热碳化与污水处理厂补充碳源结合过程中存在的技术问题，真正有效实现利用水热碳化的液相产物补充碳源，有效提高废水的可生化性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于低温水热碳化补充污水处理厂碳源的方法，包括以下步骤：
(1)取市政污泥进行水热碳化，水热碳化反应温度为150～170℃，得到碳化产物;
(2)将步骤(1)得到的碳化产物进行固液分离，分别得到生物炭和液相产物;
(3)将步骤(2)得到的液相产物作为污水处理厂的补充碳源使用。
作为优选的技术方案，所述步骤(3)中，液相产物作为污水处理厂的补充碳源使用的方法为：将液相产物与污水处理厂的进水混合或者将液相产物投加到污水处理厂的厌氧池或缺氧池中。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，水热碳化反应压力为10～15个大气压。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，水热碳化反应时间为6～8小时。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，先调节市政污泥的含水率至88%～92%，再进行水热碳化。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，市政污泥先进行加热预处理，再进行水热碳化。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，水热碳化的加热方式为微波加热、电加热或导热油加热。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，市政污泥为污水处理厂的初沉污泥、剩余污泥、厌氧消化污泥和脱水污泥中的一种或两种以上混合。
作为优选的技术方案，将所述步骤(2)中得到的液相产物返回至步骤(1)作为水热碳化的水相，循环若干次后，再将液相产物作为污水处理厂的补充碳源使用。
本发明的有益效果在于：
本发明的发明人通过研究发现：水热碳化与污水处理厂补充碳源结合过程中，污泥水热碳化的液相产物作为污水处理厂的补充碳源使用时，虽然能够提高碳氮比，但是废水的可生化性、生物脱氮效率却没有显著提高，根本原因在于高温水热碳化会发生比较显著的美拉德反应，美拉德反应产物由于是难降解有机物，并不是污水处理厂补充碳源所需的溶解性小分子生物可降解COD。
因此，本发明通过降低水热碳化的反应温度至150～170℃，抑制美拉德反应的发生，从而抑制难降解有机物的产生，使其在液相产物中的主要产物为生物可降解COD(如乙酸，苯乙酸，丁酸等)，从而作为城镇污水处理厂的补充碳源进行利用。
本发明不仅对市政污泥进行了低温水热碳化原位处理，降低了加热过程所需能耗，而且将主要成分为生物可降解COD的液相产物作为污水处理厂的补充碳源，真正有效实现了利用水热碳化的液相产物补充碳源，有效提高了废水的可生化性，节约了碳源投加费用，具有很高的经济效益。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
1、污水处理厂现状
以我国某城镇污水处理厂为例，该污水处理厂进水量为5万吨/日，进水水质中COD含量为250mg/L，NH4+-N含量为30mg/L(COD/NH4+-N=8.3)。该污水处理厂的污泥(含水率80%)产量为5m3/万吨污水。
2、处理方法
取该污水处理厂的剩余污泥，先调节其含水率至90%，然后进行水热碳化，水热碳化反应温度为160℃，反应压力为10个大气压，反应时间为6小时，得到碳化产物;将得到的碳化产物进行固液分离，分别得到生物炭和液相产物。
所得的生物炭可作为吸附剂、催化剂载体、燃料或土壤改良剂等使用。
所得的液相产物经GC-MS分析后仅检测到3-甲基苯并呋喃这一项美拉德产物，且其GC-MS色谱峰面积仅为0.105%。根据实测结果，液相产物的COD和NH4+-N分别约为20000mg/L和1000mg/L。
将所得的液相产物与污水处理厂的进水混合，补充碳源。
3、实施效果
该污水处理厂每日80%含水率的污泥产量为：5万吨×5m3/万吨=25m3。
进入水热反应的污泥含水率以90%计，每日反应所得液相产物体积不超过90%含水率的污泥，则液相产物的体积近似为：25m3×(100%-80%)/(100%-90%)=50m3。
将液相产物与该污水处理厂的进水混合后，可得：
COD：(50×103×20000+5×104×103×250)mg/(50×103+5×104×103)L=269.7mg/L
NH4+-N：(50×103×1000+5×104×103×30)mg/(50×103+5×104×103)L=31.0mg/L
表明经过处理后，使进水COD值增加约20mg/L即浓度提高7.9%，而且主要以易生物降解的低分子有机物为主，可有效提高废水的可生化性，尽管COD/NH4+-N比值增加不大(8.7与8.3)，但可有效促进生物反应的进行;与COD相比，NH4+-N值增加约1mg/L即浓度提高3.2%，仍在城镇污水处理厂正常水质范围内。
本发明在实施应用中，一般应将水热碳化的反应温度控制在150～170℃。水热碳化反应压力为10～15个大气压、反应时间为6～8小时，是比较优选的工艺条件。而在进行水热碳化前，先调节市政污泥的含水率至88%～92%，先进行加热预处理，能达到更好的效果。至于水热碳化的加热方式，可以为常规的微波加热、电加热、导热油加热等。
本发明在实施应用中，液相产物作为污水处理厂的补充碳源使用的方法可以根据实际情况灵活选择，比如：将液相产物与污水处理厂的进水混合、将液相产物投加到污水处理厂的厌氧池或缺氧池中。
本发明所称的市政污泥，虽然实际应用时更多可能是选择剩余污泥，但也可以是污水处理厂的初沉污泥、剩余污泥、厌氧消化污泥和脱水污泥中的一种或两种以上混合。
本发明在实施应用中，水热碳化后的液相产物可以直接作为污水处理厂的补充碳源使用;也可以先将液相产物返回作为下一次水热碳化的水相，循环若干次后，再将液相产物作为污水处理厂的补充碳源使用。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
