CN110937772A - 污泥有机/无机成分分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污泥无机/有机成分分离方法，包括：污泥调理、酸液提取、中和处理等三个步骤。首先通过污泥调理，灭菌处理，破坏胞外聚合物，细胞破壁，改善污泥除砂和污泥脱水性，也有利于酸液充分提取无机盐；再通过酸液提取，将黏附在污泥中化学药剂产生的沉淀物，即可溶性钙盐、铁盐、铝盐、重金属、磷酸盐等溶出分离，同时也是进一步调理污泥。从而大大提高了污泥中有机质与无机矿物的分离，通过物理手法，利用比重差异，容易实现机械分离。分离后的有机成分可以用于燃料、污水厂碳源回用等，无机矿物可用于土壤修复材料，建筑材料等。可用于污水处理厂污泥处理、水环境治理清理出底泥和管网中清沟的污泥处理等。
Description
技术领域
本发明涉及一种污泥有机/无机成分分离方法；用于污水处理厂污泥处理、水环境治理清理出底泥和管网中清沟的污泥处理等。
背景技术
目前国内污泥处理处置技术主要有堆肥、干化+焚烧、破壁预处理+厌氧消化三种主流工艺。
我国部分地区已开始将污水处理厂污泥堆肥用于土壤改良和城市绿化，少数地区将污泥作基质，制作复合肥用于农业等。但由于污泥中所含病原菌、重金属等成分可能会对土壤造成二次污染，进而会威胁到食品安全，因此污泥堆肥后的最终出路受限是制约污泥堆肥工艺推广的限制因素。
干化+焚烧工艺是污泥处置最为彻底的工艺路线，污泥中的有机物通过焚烧全部得到分解，最终的炉渣可以做为建材进行应用。由于污泥含水率通常均超过80％，因此即使污泥焚烧的热量几乎全部用于污泥的干化使用，但仍需要外加30％以上热源才能满足污泥干化的热量平衡。另外由于我国污泥中有机物含量通常仅为污泥固含量的50％以内，造成污泥干化后热值偏低，不能满足自持燃烧的条件，通常会掺加30％以上煤炭等化石能源才能焚烧和系统能量平衡的要求，这种掺加外加化石能源的焚烧方式不仅会大大增加污泥处置成本，同时也会增加烟气污染物的排放，进一步加重大气污染。
破壁预处理+厌氧消化工艺是近几年在国内发展较为迅速的污泥处理工艺路线，尤其北京、天津、武汉等地区，相继上建设了规模较大的污泥厌氧消化工艺项目，已经逐渐成为大体量污泥处置的主力军，同时在污泥厌氧消化阶段会产生大量的甲烷气体，能够用于沼气发电，从而补充整体污泥处理工艺的部分用电，实现了污泥部分有机质的资源化利用。看似完美的工艺背后实质上掩盖了污泥厌氧消化工艺的诸多弊端，首先污泥在厌氧消化之前必须对污泥微生物细胞的破壁预处理，应用较多破壁预处理工艺通常热水解工艺。另外污泥消化工艺通常采用中温厌氧或高温厌氧，厌氧环节消耗的伴热热能非常可观，在厌氧消化工段产生沼气焚烧的热能很难满足上述两个工艺段的热能消耗；其次，由于污泥中的有机物主要是微生物细胞及有机碎片组成，组成成分基本上都是蛋白质，其碳氮比组成是较为均衡的，然而在污泥厌氧消化阶段会将污泥中的部分C和H合成甲烷气体释放出来，氨氮会溶解在沼液当中，该沼液的氨氮浓度通常可达2000mg/L以上，后续排入污水厂进行处理，为本来碳源不充足的污水厂带来严重运行负担，需要在污水处理环节投加大量碳源才能通过污水处理的硝化反硝化工艺将该氨氮去除，成本很高；再次，污泥厌氧工艺由于停留时间及工艺本身的限制，通常污泥中的有机物通过厌氧效果环节只能去除50％左右，其排放出的沼渣固形物中仍然含有20～30％的有机物，无论后续堆肥还是焚烧处理，都是不可避免的难题，但相关厂家基本上都会回避沼渣的处理问题。
国家污泥处理处置目标是：控制污染，确保环境安全与公众健康；实现营养物质循环利用，利于可持续发展；利用能量，开发清洁能源；低碳排放(可能成为国家的巨大利益)。
然而，目前我国污泥处理处置尚处于起步阶段，全国城镇污水污泥中有80％以上未经任何稳定化处理，通过简单的污泥脱水后，直接进行填埋、焚烧等方式处理。这样造成的结果是：污泥体积庞大，造成污泥处置费用庞大；污泥极不稳定，污泥中有机成分一旦发生腐败变质对环境会造成严重的二次污染；污泥中的有用资源未得到利用，带来了资源的浪费，不符合可持续发展的目标，所以急需要开发新的污泥处理技术，充分利用污泥中有用成分，实现可持续处理处置和开发利用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于弥补现有污泥处理方法存在的缺陷，提供一种高效的无机/有机分离方法，通过调质破坏胞外聚合物和细胞破壁，大大提高了有机质与无机矿物的分离性，同时通过酸性提取，将化学污泥分离出来。从而，简单高效的实现污泥中有机成分与无机成分分离，提高污泥脱水性，分离后的有机成分可以用于燃料、污水厂碳源回用等，无机矿物可用于土壤修复材料，建筑材料等。
为达到上述目的，本发明的污泥有机/无机成分分离方法，包括以下步骤：
1)污泥调质
2)酸液提取
21)取上述调理后的污泥加入酸调节pH至小于2，充分搅拌反应10-60min；
22)固液分离得到酸液和污泥；
3)中和处理
31)在酸液中投加中强碱，调节pH至中性，产生沉淀，固液分离；
32)在污泥中投加中强碱和水，调节pH至中性，充分搅拌均匀；
4)污泥有机/无机矿物分离：利用污泥中无机矿物颗粒和有机质颗粒的比重差，通过除砂系统实现有机质污泥与无机矿物污泥的分离；
5)检测无机污泥和有机污泥的有机质含量
若无机污泥中有机质含量低于15％，则经脱水后资源化利用；
若无机污泥中有机质含量高于15％，则返回步骤1)；
若有机污泥中有机质含量高于55％，则经脱水后资源化利用；
若有机污泥中有机质含量低于55％，则返回步骤1)。
本发明首先通过污泥调理，灭菌处理，避免处理过程臭气产生，破坏胞外聚合物，细胞破壁，改善污泥除砂和污泥脱水性，也有利于酸液充分提取无机盐；再通过酸液提取，将黏附在污泥中化学药剂产生的沉淀物(含细胞内的无机盐)，即可溶性钙盐、铁盐、铝盐、重金属、磷酸盐等溶出分离，同时也是进一步调理污泥。从而大大提高了污泥中有机质与无机矿物的分离，通过物理手法，利用比重差异，容易实现机械分离。污泥有机/无机矿物分离后测试无机污泥和有机污泥的有机质含量，若无机污泥中有机质含量低于15％，则经脱水后资源化利用，相反若高于15％，则返回污泥前处理经行二次处理；若有机污泥中有机质含量高于55％，则经脱水后资源化利用，相反若低于55％，则返回污泥前处理经行二次处理，依次反复循环处理。分离后的有机成分可以用于燃料、污水厂碳源回用等，无机矿物可用于土壤修复材料，建筑材料等。可用于污水处理厂污泥处理、水环境治理清理出底泥和管网中清沟的污泥处理等。
有益效果：
1、本发明方法处理的污泥通过化学调质和物理调质协同作用，有效破坏胞外聚合物和细胞破壁，从而提高有机质与无机成分的分离性和脱水性；
2、本发明方法处理的污泥还通过酸液提取将黏附在污泥中的化学污泥中无机盐(含细胞内无机盐)分离出来，同时发挥进一步调理污泥的作用，提高有机质与无机成分的分离性和脱水性；
3、本发明方法处理的污泥有效实现污泥中有机质与无机矿物成分的高效分离，分别加以处理和利用；
4、发明方法的处理工艺简单，易于控制，成本低，适合规模化应用。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明
图1是本发明一种污泥无机/有机成分分离方法工艺流程图
表1是分离后无机污泥与有机污泥中有机质含量
表2是分离后无机污泥与有机污泥的量
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例及其结果仅用于本发明，而不应当也不会限值权利要求书中所描述的本发明。
污泥：马鞍山某污水处理厂脱水污泥，含水率80％；
四水氯化亚铁：国药试剂
过硫酸钠：国药试剂
氧化钙：国药试剂
氢氧化钠：国药试剂
硫酸：国药试剂
实施例1
污泥取自马鞍山某市政污水处理厂的脱水污泥和二沉池污泥。
一种污泥无机/有机成分分离方法，包括以下处理步骤：
步骤1)污泥调质
11)将按照一定比例将脱水污泥和二沉池污泥混合，调节污泥含水率调至94.6％；
12)取500g上述污泥置于烧杯中，加入过硫酸钾0.2g和硫酸亚铁0.1g，充分搅拌反应30min；
13)加入生石灰0.5g，充分搅拌反应30min；
14)对污泥进行热处理：70℃搅拌，30min。
步骤2)：酸液提取
21)取上述调理后的污泥加入硫酸调节pH至1.5，充分搅拌反应30min；
22)2000r/min离心实现固液分离，得到酸液和脱水污泥。
步骤3)：中和处理
31)在酸液中投加氧化钙2g，调节pH至中性，产生沉淀，离心实现固液分离；
32)在污泥中投加氧化钙2g和水，调节pH至中性，充分搅拌均匀。
步骤4)：污泥有机/无机矿物分离
41)利用污泥中无机矿物颗粒和有机质颗粒的比重差，通过除砂系统实现有机质污泥与无机矿物污泥的分离；
测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，结果见表1，有机污泥中有机质含量高于55％，无机污泥中有机质含量低于15％。
42)有机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表2；
③无机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表2。
实施例2
本实施例为实施例1的变形，其不同之处在于，将步骤1)热处理，改为微波处理：70℃，60min。
一次污泥前处理后污泥有机/无机矿物分离。测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，有机污泥中有机质含量为46％，无机污泥中有机质含量13.6％。
有机污泥返回污泥前处理，方法同上，经二次污泥前处理后，污泥有机/无机矿物分离，分离出的有机污泥测试有机质含量，结果见表1，分离出的无机污泥与一次分离出无机污泥合并，测试无机污泥中有机质含量，结果见表1，有机污泥中有机质含量高于55％，无机污泥中有机质含量低于15％。脱水、干燥，有机污泥量和无机污泥量见表2。
实施例3
本实施例为实施例1的变形，其不同之处在于，将步骤1)热处理，改为超声波处理：40kHz，60s。
一次污泥前处理后污泥有机/无机矿物分离。测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，有机污泥中有机质含量为56％，无机污泥中有机质含量25％。
无机污泥返回污泥前处理，方法同上，经二次污泥前处理后，污泥有机/无机矿物分离，分离出的无机污泥测试有机质含量，结果见表1，分离出的有机污泥与一次分离出有机污泥合并，测试有机污泥中有机质含量，结果见表1，有机污泥中有机质含量高于55％，无机污泥中有机质含量低于15％。脱水、干燥，有机污泥量和无机污泥量见表2。
实施例4
本实施例为实施例1的变形，其不同之处在于，将步骤1)加入过硫酸钾0.3g和硫酸亚铁0.15g。
测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，结果见表1。脱水、干燥，有机污泥量和无机污泥量见表2。
实施例5
本实施例为实施例1的变形，其不同之处在于，将步骤1)加入过碳酸钠0.2g和硫酸亚铁0.1g。
一次污泥前处理后污泥有机/无机矿物分离。测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，有机污泥中有机质含量为42％，无机污泥中有机质含量28％。
有机污泥和无机污泥均返回污泥前处理，方法同上，经二次污泥前处理后，污泥有机/无机矿物分离，分离出的有机污泥和无机污泥分别测试有机质含量，结果见表1，有机污泥中有机质含量高于55％，无机污泥中有机质含量低于15％。脱水、干燥，有机污泥量和无机污泥量见表2。
实施例6
本实施例为实施例1的变形，其不同之处在于，将步骤1)加入生石灰1g。
测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，结果见表1。脱水、干燥，有机污泥量和无机污泥量见表2。
实施例7
本实施例为实施例1的变形，其不同之处在于，将步骤2)用盐酸代替硫酸。加入中强碱用氢氧化钠代替生石灰。
测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，结果见表1。脱水、干燥，有机污泥量和无机污泥量见表2。
实施例8
本实施例为实施例1的变形，其不同之处在于，将步骤3)加入中强碱用氢氧化钠代替生石灰中和处理。
测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，结果见表1。脱水、干燥，有机污泥量和无机污泥量见表2。
比较例1
一种污泥无机/有机成分分离方法：污泥有机/无机矿物分离
①利用污泥中无机矿物颗粒和有机质颗粒的比重差，通过除砂系统实现有机质污泥与无机矿物污泥的分离，测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，结果见表1；
②有机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表2；
③无机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表2。
比较例2
一种污泥无机/有机成分分离方法，包括以下处理步骤：
步骤一：污泥调质
①将按照一定比例将脱水污泥和二沉池污泥混合，调节污泥含水率调至94.6％；
②取500g上述污泥置于烧杯中，加入过硫酸钾0.2g和硫酸亚铁0.1g，充分搅拌反应30min；
③加入生石灰0.5g，充分搅拌反应30min；
④对污泥进行热处理：70℃搅拌，30min。
步骤二：污泥有机/无机矿物分离
①利用污泥中无机矿物颗粒和有机质颗粒的比重差，通过除砂系统实现有机质污泥与无机矿物污泥的分离，测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，结果见表1；
②有机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表2；
③无机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表2。
比较例3
一种污泥无机/有机成分分离方法，包括以下处理步骤：
步骤一：酸液提取
①取上述调理后的污泥加入硫酸调节pH至1.5，充分搅拌反应30min；
②2000r/min离心实现固液分离，得到酸液和脱水污泥。
步骤二：中和处理
①在酸液中投加氧化钙0.5g，调节pH至中性，产生沉淀，离心实现固液分离；
②在污泥中投加氧化钙0.5g和水，调节pH至中性，充分搅拌均匀。
步骤三：污泥有机/无机矿物分离
①利用污泥中无机矿物颗粒和有机质颗粒的比重差，通过除砂系统实现有机质污泥与无机矿物污泥的分离，测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，结果见表1；
②有机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表2；
③无机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表2。
比较例4
一种污泥无机/有机成分分离方法，包括以下处理步骤：
步骤一：污泥调质
①将按照一定比例将脱水污泥和二沉池污泥混合，调节污泥含水率调至94.6％；
②取500g上述污泥置于烧杯中，加入过硫酸钾0.2g和硫酸亚铁0.1g，充分搅拌反应30min；
步骤二：酸液提取
①取上述调理后的污泥加入硫酸调节pH至1.5，充分搅拌反应30min；
②2000r/min离心实现固液分离，得到酸液和脱水污泥。
步骤三：中和处理
①在酸液中投加氧化钙0.5g，调节pH至中性，产生沉淀，离心实现固液分离；
②在污泥中投加氧化钙0.5g和水，调节pH至中性，充分搅拌均匀。
步骤四：污泥有机/无机矿物分离
①利用污泥中无机矿物颗粒和有机质颗粒的比重差，通过除砂系统实现有机质污泥与无机矿物污泥的分离，测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，结果见表1；
②有机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表2；
③无机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表3。
比较例5
一种污泥无机/有机成分分离方法，包括以下处理步骤：
步骤一：污泥调质
①将按照一定比例将脱水污泥和二沉池污泥混合，调节污泥含水率调至94.6％；
②对污泥进行热处理：70℃搅拌，30min。
步骤二：酸液提取
①取上述调理后的污泥加入硫酸调节pH至1.5，充分搅拌反应30min；
②2000r/min离心实现固液分离，得到酸液和脱水污泥。
步骤三：中和处理
①在酸液中投加氧化钙0.5g，调节pH至中性，产生沉淀，离心实现固液分离；
②在污泥中投加氧化钙0.5g和水，调节pH至中性，充分搅拌均匀。
步骤四：污泥有机/无机矿物分离
①利用污泥中无机矿物颗粒和有机质颗粒的比重差，通过除砂系统实现有机质污泥与无机矿物污泥的分离，测试有机污泥中有机质含量和无机污泥中有机质含量，结果见表1；
②有机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表2；
③无机污泥脱水，再干燥至恒重，称重干有机污泥，结果见表3。
有机质含量测定
称取上述实施例和比较例得到的无机干污泥和有机干污泥各3g，放入马弗炉中660℃，处理2h，称重，有机质分解殆尽，取出并计算有机质含量，结果见表1。
表1
表2
| 编号 | 无机污泥(g) | 有机污泥(g) |
| 实施例1 | 14 | 13 |
| 实施例2 | 12.5 | 14.5 |
| 实施例3 | 13 | 14 |
| 实施例4 | 12.3 | 14.7 |
| 实施例5 | 12.8 | 14.2 |
| 实施例6 | 15 | 12 |
| 实施例7 | 13.8 | 13.2 |
| 实施例8 | 13.5 | 13.5 |
| 比较例1 | 3.3 | 23.7 |
| 比较例2 | 8.5 | 18.5 |
| 比较例3 | 5.8 | 21.2 |
| 比较例4 | 7.4 | 19.6 |
| 比较例5 | 8 | 19 |
通过对本发明方法实施例1-8处理得到的无机污泥总量河有机污泥总量，以及测试无机污泥中含有有机质含量和有机污泥中含有的有机质含量测试，可以看出，污泥中无机/有机成分得到很好的分离，而本发明之外的比较例分离效果不理想，很难达到有效分离污泥中有机/无机成分的目的。
Claims (10)
1.一种污泥无机/有机成分分离方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
1)污泥调质
2)酸液提取
21)取上述调理后的污泥加入酸调节pH至小于2，充分搅拌反应10-60min；
22)固液分离得到酸液和污泥；
3)中和处理
31)在酸液中投加中强碱，调节pH至中性，产生沉淀，固液分离；
32)在污泥中投加中强碱和水，调节pH至中性，充分搅拌均匀；
4)污泥有机/无机矿物分离：利用污泥中无机矿物颗粒和有机质颗粒的比重差，通过除砂系统实现有机质污泥与无机矿物污泥的分离；
5)检测无机污泥和有机污泥的有机质含量
若无机污泥中有机质含量低于15％，则经脱水后资源化利用；
若无机污泥中有机质含量高于15％，则返回步骤1)；
若有机污泥中有机质含量高于55％，则经脱水后资源化利用；
若有机污泥中有机质含量低于55％，则返回步骤1)。
2.根据权利要求1所述的一种污泥无机/有机成分分离方法，其特征在于，所述的步骤1)污泥调质具体为：
11)将污泥含水率调至85-95％；
12)取上述污泥置于烧杯中，加入氧化还原剂，充分搅拌反应10-60min；
13)加入生石灰，充分搅拌反应10-60min；
14)对污泥进行物理调质。
3.根据权利要求2所述的一种污泥无机/有机成分分离方法，其特征在于，步骤12)所述的氧化还原剂是指过硫酸盐，双氧水，过氧化钙、过氧化镁、过碳酸钠、亚铁盐中一种或两种以上混合物，氧化还原剂用量1-50mg/g干污泥。
4.根据权利要求2所述的一种污泥无机/有机成分分离方法，其特征在于，所述的生石灰用量为10-100mg/g干污泥。
5.根据权利要求2所述的一种污泥无机/有机成分分离方法，其特征在于，所述的物理调质是指热处理，微波处理和/或超声波处理。
6.根据权利要求4所述的一种污泥无机/有机成分分离方法，其特征在于，所述的热处理：70-100℃，10-60min；所述的超声处理：10-80kHz，30-90s；所述的微波处理：50-70℃，10-60min。
7.根据权利要求1所述的一种污泥无机/有机成分分离方法，其特征在于，步骤2)所述的酸是指硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、柠檬酸、酒石酸、乙酸、草酸中一种或两种以上混合物。
8.根据权利要求1所述的一种污泥无机/有机成分分离方法，其特征在于，步骤3)所述的中强碱是指氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、氧化镁、碳酸钠中一种或两种以上混合物。
9.根据权利要求1所述的一种污泥无机/有机成分分离方法，其特征在于，步骤)除砂系统是指旋流除砂系统。
10.根据权利要求1所述的一种污泥无机/有机成分分离方法，其特征在于，污泥指市政/工业污水处理厂污泥、河道湖泊清淤底泥以及市政管网清沟污泥。
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