CN111747625A

CN111747625A - 一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法

Info

Publication number: CN111747625A
Application number: CN202010785251.0A
Authority: CN
Inventors: 唐玉朝
Original assignee: Anhui Jianzhu University
Current assignee: Anhui Jianzhu University
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2020-10-09

Abstract

本发明涉及一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法，步骤包括：重力浓缩、机械破碎、厌氧水解酸化。剩余污泥浓缩后获得第一上清液和浓缩污泥，在第一上清液中加入药剂后进行沉淀，沉淀后获得第二上清液和化学沉淀污泥；浓缩污泥进入破碎池中采用低耗能的机械方法进行破碎；最后将破碎后的污泥采用厌氧水解酸化进行处理，厌氧池顶部排水。本发明采用低耗能的机械方法研磨对剩余污泥进行预处理，然后再以厌氧进行生化处理，经过该方法处理后污泥细胞有机质可部分转化为可生物利用的低分子量有机物，能够作为生物处理工艺的补充碳源使用，碳源回收率高。与原剩余污泥相比，二次剩余污泥排放量显著减少，含水率低，处理处置成本低。

Description

一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法

技术领域

本发明属于水环境保护技术领域，具体涉及一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法。

背景技术

目前市政污水处理厂碳源不足成为影响污水处理效率的主要制约因素，随着对出水水质要求的提高，对碳源的需求也进一步增加了。同时，在污水厂污水经过处理后，有数量不菲的剩余污泥需要处理和处置，而污泥的主要成分是有机物，由于未经处理的生污泥不可能直接作为碳源利用，故开发污泥的碳源释放是近年来研究的热点。将剩余污泥碳源释放出来主要方法是物理破解、化学氧化破解和生物水解酸化等，其中破解方法较多，如物理方法有超声波、热解、微波和球磨等，化学方法有臭氧、NaOH、石灰和芬顿试剂等多种氧化剂。但现有的处理方法碳源释放不充分，而且成本常常较高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述处理后污泥碳源释放不充分，重量体积较大等问题而提供一种设计合理的基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法，具体包括以下步骤：

步骤S1.重力浓缩：将待处理污泥导入重力浓缩池进行重力浓缩处理，浓缩后获得第一上清液和浓缩污泥，在第一上清液中加入第一药剂后导入沉淀池中进行化学沉淀，沉淀后获得第二上清液和以无机成分为主的化学沉淀污泥，将第二次上清液导入缺氧池中；当污泥采用碳源回收方法减量化时，污泥中含有的磷必须采用化学沉淀方法从系统单独去除，所以需要设置释放磷的浓缩池，并且对浓缩的上清液进行化学沉淀处理。同时，污泥即使浓缩后仍呈现液态不影响后续处理过程，而且污泥浓度高，有利于后续处理节省能耗，故首先对污泥采用浓缩处理；

步骤S2.机械破碎处理：将上述步骤S1中获得的浓缩污泥导入机械破碎池中进行破碎处理；污泥一般为生物聚集体，内部传质率低，若不进行破碎，厌氧过程需要的反应时间长，反应效率低，且过长的HRT容易导致产甲烷，对于碳源回收是不利的，所以需要对污泥进行破碎处理；

步骤S3.厌氧水解酸化处理：将经步骤S2破碎后的污泥导入厌氧水解酸化池内进行水解酸化处理，获得顶部排放厌氧出水，底部沉淀的污泥属于以生物膜为主的厌氧污泥，将厌氧出水导入缺氧池中，将厌氧污泥一部分导入机械破碎池中再次进行机械破碎处理，一部分排出厌氧池；而厌氧生物反应，可对呈现颗粒状态的非溶解性有机质进行水解酸化反应，可得到分子量相对较小的有机质，有利于有机质在缺氧环节被反硝化过程所利用。另外，对于污泥采用碳源回收的减量化方法，污泥中的细小无机质(颗粒)需要尽可能从污泥中分离出来，否则无机质不断积累会导致工艺不能稳定运行。在特殊构造的厌氧生物膜-悬浮污泥一体化的反应器内，无机细颗粒容易在通过生物膜层时被粘附/吸附在生物膜上，生物膜不断积累无机质，最终脱落而将无机细颗粒从系统中去除，二次剩余污泥的无机质含量也较高；

步骤S4.将步骤S1与步骤S3中获得的化学沉淀污泥和厌氧污泥混合后加入第二药剂并进行脱水处理，获得泥饼和脱出水，将脱出水也导入缺氧池中。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中的厌氧水解酸化池包括反应池、设于反应池上端的搅拌电机、连接在搅拌电机输出轴上的叶轮，反应池从上到下依次是上沉淀区、生物膜区、悬浮污泥区、下沉淀区和污泥斗区，所述反应池上设有出水管、进泥管以及排泥管，所述出水管上连接有出水堰。

作为本发明的进一步优化方案，所述出水管和出水堰位于上沉淀区，所述进泥管位于悬浮污泥区和下沉淀区之间，所述排泥管连接在反应池的底部。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2中的机械破碎池包括一级破碎池和二级破碎池，一级破碎池采用连续流反应器，二级破碎池采用间歇式反应器，所述一级破碎池和二级破碎池内均设有若干球磨珠，若干所述球磨珠的直径为0.6～2.0mm，密度大于2g/cm³，所述步骤S2中破碎处理的时间为0.5～1h，所述步骤S2中对浓缩污泥进行破碎时，破碎池中采用机械搅拌带动水力旋流并带动球磨珠对浓缩污泥进行剪切研磨。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中重力浓缩的时间为16～32h，所述步骤S3中水解酸化处理的时间为16～24h。

本发明的有益效果在于：

1)本发明较好地实现了污泥的资源化，将污泥中的碳源得以有效回收，具有明显经济效益；特别是对于当前城镇污水厂碳源缺乏的现状，回收后的碳源无需任何装置储存，无需运输，就地直接返回利用；

2)本发明通过碳源回收而实现了污泥的减量化，从源头实现减量化和资源化，避免了常规方法处理流程长，处理成本高的问题；

3)本发明与现有技术相比，需要最终处置的污泥(二次剩余污泥)重量和体积大幅度减小，含水率低于常规剩余污泥，无机质含量高于常规剩余污泥，故处理处置成本较低；

4)本发明的耗能较低，采用水力与机械综合的方法将污泥破碎，再辅以厌氧生物化学方法水解，过程消耗的能源较少，处理成本低。

附图说明

图1是本发明的工艺流程示意图；

图2是本发明的厌氧水解反应器的结构示意图；

图3是本发明的第一级机械破碎与第二级机械破碎处理示意图；

图4是本发明的机械破碎池处理示意图；

图5是本发明的机械破碎池与碱性水解池的相配合视图。

图中：1、搅拌电机；2、出水管；3、上沉淀区；4、生物膜区；5、叶轮；6、悬浮污泥区；7、污泥斗区；8、排泥管；9、进泥管。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1-3所示，一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法，具体包括以下步骤：

步骤S1.重力浓缩

对于原始的剩余污泥，其含水率一般在99％以上，若直接以原始污泥进行处理能耗偏大，反应器容积也较大。而且，当前市政污水厂多数包括一定的除磷功能，污泥含有一定的磷不可避免，若不将污泥中的磷转移去除，磷在污泥/污水处理工艺中不断循环和积累，工艺不能长期稳定运行。

本实施例在实施减量化处理时，设置重力浓缩池，将待处理污泥导入重力浓缩池进行重力浓缩处理，浓缩后获得第一上清液和浓缩污泥，本实施例中重力浓缩池内的水力停留时间HRT设置为16～32h，该设置比正常需求值偏长，以确保磷的有效释放且污泥浓缩得到更高的浓度，采用重力浓缩可以将剩余污泥的含水率降低到97.5％左右。

在第一上清液中加入第一药剂后导入沉淀池中进行沉淀，沉淀后获得第二上清液和以无机成分为主的化学沉淀污泥，将第二上清液导入缺氧池中，由于第一上清液释放的磷形态一般都是正磷酸盐，故第一药剂为三价铁铝盐与石灰的混合物，磷形成不溶性的磷酸盐沉淀，最后经脱水后外运。此部分的化学沉淀污泥可以与水解酸化池排放的厌氧污泥合并处理。

步骤S2.机械破碎处理

将上述步骤S1中获得的浓缩污泥导入机械破碎池中进行破碎处理，浓缩污泥在机械破碎池中进行细胞破碎处理，使浓缩污泥中的细胞有效碎片转化为细胞有机质碎片。本实施例中，包括两级机械破碎池，在第一级机械破碎池中，将直径为0.6mm至2.0mm的球磨珠与污泥混合，采用连续流反应器，机械搅拌带动水力旋流，剪切研磨污泥，使污泥的细胞破裂，形成的颗粒物粒径小于0.5μm，然后进入第二级机械破碎池进行间歇式反应，形成粒径小于0.2μm的的颗粒，其中预定时间为0.5～1h。

经过机械破碎后的污泥细胞破裂，胞内物质能够充分释放出来。此外，细胞膜、细胞壁等有机质破碎形成有机颗粒碎片，若机械破碎的方法得当且破碎时间较长，碎片能够破裂到纳米尺度(几个至几十个纳米)，有利于后续的厌氧水解酸化处理。但破碎时间长，能耗显著增加，需要根据破碎设备的性能和后续处理的要求确定机械破碎操作条件。反应器一般可以采取两段或三段串联使用。

步骤S3.厌氧水解酸化处理

将充分破碎后的浓缩污泥导入厌氧水解酸化池内进行水解酸化处理后获得厌氧出水和含有少量有机质的厌氧污泥(厌氧污泥成分复杂，除了脱落的生物膜碎片外，还包括粘附在生物膜上的无机细颗粒)，含有机质的厌氧污泥作为可回流泥渣进入破碎池中再次进行机械破碎处理。在此过程，有机质进一步水解与发酵，有机质大部分形成低分子量的羧酸和二氧化碳等。但即使采用厌氧处理，仍有相当一部分有机碎片仍保持细小的颗粒物形态，不能彻底液化，这些细小颗粒有机物将回流到缺氧反应器，与原污水处理污泥混杂在一起，构成新的活性污泥组成成分。单纯的一次厌氧过程，在水力停留时间有限的情况下不足以将细胞碎片的有机质彻底水解酸化(若采用长的HRT既不经济，也容易形成甲烷而导致碳源回收效率低)，故颗粒有机物将在污水-污泥处理工序中不断循环，长时间滞留，最终大多数得以降解，少量最终会成为二次剩余污泥的组成成分。

厌氧水解酸化处理采用联合生物膜-厌氧活性污泥法，厌氧水解酸化池的预设时间为16～24h，然后将水解酸化池排出的厌氧出水导入缺氧池中，将可回流泥渣导入机械破碎池中再次进行机械破碎处理。厌氧水解酸化池包括反应池、设于反应池上端的搅拌电机1、连接在搅拌电机1输出轴上的叶轮5、从上到下依次设于反应池内的上沉淀区3、生物膜区4、悬浮污泥区6、下沉淀区和污泥斗区7，所述反应池上设有出水管2、进泥管9以及排泥管8，所述出水管2上连接有出水堰，所述叶轮5位于悬浮污泥区6和下沉淀区之间，所述出水管2和出水堰位于上沉淀区3，所述进泥管9位于悬浮污泥区6和下沉淀区之间，所述排泥管8连接在反应池的底部。

厌氧水解反应器的构造是本方法的关键，在厌氧水解酸化反应发生的同时，一方面能够将无机质含量较高的厌氧污泥残渣从底部排出，另一方面要能够实现细颗粒有机质和水解后呈现溶解状态的有机质回流到污水处理工序中去。故采用在反应器的中上部位置布置一定厚度的弹性填料，弹性填料以上区域属于上沉淀区，以下属于厌氧活性污泥区。因为搅拌是在厌氧活性污泥区，故上沉淀区水流的流速很低，确保较细小的颗粒物也有一定的沉淀效果。出水(实际上包括大量细颗粒物，故为浑浊液，称为厌氧出水)从顶部流出。

采用联合生物膜-厌氧活性污泥进行厌氧水解酸化处理，厌氧水解酸化反应器顶部和底部分别构建有相对独立的沉淀区域，厌氧污泥从底部排出系统或回流，在机械破碎后无法水解的无机颗粒在上升通过厌氧生物膜区的时候，由于过滤作用的存在，颗粒容易粘附在厌氧生物膜上，最终随生物膜的脱落而离开厌氧生物反应器，成为二次剩余污泥的主要来源。在厌氧反应器内厌氧活性污泥在悬浮污泥区6，附着污泥在生物膜区4，厌氧活性污泥与附着污泥共同作用使大分子有机质和细胞碎片得到不同程度的水解，释放出溶解性有机物，包括细胞破解时释放的有机物在内的溶解性有机物和小颗粒的细胞碎片无法在反应器内沉降，回流到污水处理工序的缺氧池被作为碳源利用，即将细胞碎片循环进入污泥-污水处理工艺中去，从而实现污水碳源充分回收。厌氧水解酸化反应器的生物膜区4设置有弹性填料，填料附着生长微生物，形成厌氧生物膜，厌氧生物膜粘附且水解发酵呈碎片化状态的颗粒有机质，所述上沉淀区3的水流流速低，由于搅拌发生在悬浮污泥区6，当上沉淀区3的水流速度低时才能确保较细小的颗粒物也有一定的沉淀效果。所述悬浮污泥区6通过缓慢搅拌控制进入下沉淀区的颗粒物性质同时促进厌氧污泥的传质，所述沉淀区含有生物膜区4填料脱落下来的无机质含量高颗粒大的越过搅拌区的颗粒物，所述污泥斗区7含有无机质含量高的污泥，通过泵吸或利用静水压力可以将污泥排出反应器，厌氧水解酸化过程需要控制反应的进行程度，避免发生产甲烷化反应。

步骤S4.二次剩余污泥脱水排放

将步骤S1与步骤S3中获得的化学沉淀污泥和厌氧污泥混合后加入第二药剂并进行浓缩脱水处理，获得泥饼和脱出水，将脱出水导入缺氧池中。

泥饼中含有不能作为碳源回收的无机物，需要作为残渣排出系统。在厌氧水解酸化反应器中的污泥由附着生长的生物膜污泥、悬浮生长的厌氧活性污泥、细小的细胞颗粒碎片和无机颗粒碎片组成。对于污泥碎片，颗粒有机质不断水解为小分子而溶解流出系统(回流到污水处理的缺氧池)，而无机质无法水解酸化，污泥碎片大量滞留在厌氧反应器内或在系统内往复循环，有机质不断损耗而无机质几乎不变，最终导致其VSS/SS比值低。厌氧污泥表面粘附有较多的污泥碎片、细颗粒无机质等，使其密度变大，活性变差，最终从填料上脱落下来，脱落的厌氧污泥构成二次剩余污泥的主要来源。在厌氧水解酸化反应器内，有机质含量高且活性高的厌氧悬浮污泥在上沉淀区3可以沉淀，但在下沉淀区却难以沉淀(下沉淀区有水力扰动)，会滞留在反应器内(可以从上部随水流回到污水处理工艺的缺氧池)，而活性低有机质含量低且密度大的生物膜污泥在上下沉淀区都可以沉淀，在下沉淀区沉淀后即可作为厌氧污泥排放。即通过厌氧水解酸化反应器，细小的有机颗粒碎片能够有效回流到污水处理工序，而无机质含量高的生物膜碎片则可以沉淀排出。厌氧污泥中含有不能作为碳源回收的无机物，需要作为残渣排出系统，由于反应器中产生的两种污泥混合后，无机质含量在60％-70％以上，含水率也较高，需要添加第二药剂并进行浓缩脱水处理。通过本方法，原剩余污泥中的碳源可以回收70％-80％以上，需要处置的二次剩余污泥一般仅为原剩余污泥重量的30％-40％。

由于二次剩余污泥不仅重量减少，其无机质含量大幅度提高，故处理处置成本也显著降低。

实施例2

本实施例提供了另一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法，该方法的步骤与实施例1相同，在此不再赘述，不同之处在于，本实施例采用三级机械破碎池进行机械破碎处理，如图4所示，在第一级机械破碎池中，将直径为0.6mm至1.5mm的球磨珠与污泥混合，采用连续流反应器，机械搅拌带动水力旋流，剪切研磨污泥，使污泥的细胞破裂，形成的颗粒物粒径小于0.5μm，然后进入第二级机械破碎池进行间歇式反应，形成粒径小于0.2μm的的颗粒，其中预定时间为0.5～1h；

在第二级破碎池后增设一第三级破碎池，第三级破碎池中进行的机械破碎反应形成粒径比第二次机械破碎更小的颗粒，在充分破碎后，碎片能够破裂到纳米尺度，有利于后续的厌氧水解酸化处理，进一步提升厌氧酸化的效果，在多级破碎时反应器可以采取两段或三段串联使用，从而实现能耗少破碎时间长的优点。

实施例3

如图5所示，本实施例提供了另一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法，步骤包括：基于上述实施例2，在机械破碎处理池后添加碱性水解池，在碱性水解池中投入一定量的碱性药剂，如Ca(HCO3)2和CaO，使污泥呈现弱碱性，pH值在8.5至9.5，当pH值过低并持续过久时，引起反应系统的“酸化”，严重酸化发生后，反应系统难以恢复至原有状态，投入一定量的碱性药剂形成较强的酸碱缓冲体系能够降低系统pH的变化幅度，使厌氧酸化能够稳定进行。其它步骤与实施列1相同，在此不再赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法，其特征在于,具体包括以下步骤：

步骤S1.重力浓缩：将待处理污泥导入重力浓缩池进行重力浓缩处理，浓缩后获得第一上清液和浓缩污泥，在第一上清液中加入第一药剂后导入沉淀池中进行化学沉淀，沉淀后获得第二上清液和以无机成分为主的化学沉淀污泥，将第二次上清液导入缺氧池中；

步骤S2.机械破碎处理：将上述步骤S1中获得的浓缩污泥导入机械破碎池中进行破碎处理；

步骤S3.厌氧水解酸化处理：将经步骤S2破碎后的污泥导入厌氧水解酸化池内进行水解酸化处理，获得顶部排放厌氧出水，底部沉淀的污泥属于以生物膜为主的厌氧污泥，将厌氧出水导入缺氧池中，将厌氧污泥一部分导入机械破碎池中再次进行机械破碎处理，一部分排出厌氧池；

步骤S4.将步骤S1中获得的化学沉淀污泥和步骤S3中获得的厌氧污泥混合后形成二次剩余污泥，向二次剩余污泥中加入第二药剂并进行脱水处理，脱水处理后获得泥饼和脱出水并将脱出水导入缺氧池中。

2.根据权利要求1所述的一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法，其特征在于：所述步骤S3中的厌氧水解酸化池包括反应池、设于反应池上端的搅拌电机、连接在搅拌电机输出轴上的叶轮，反应池从上到下依次是上沉淀区、生物膜区、悬浮污泥区、下沉淀区和污泥斗区，所述反应池上设有出水管、进泥管以及排泥管，所述出水管上连接有出水堰。

3.根据权利要求2所述的一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法，其特征在于：所述出水管和出水堰位于上沉淀区，所述进泥管位于悬浮污泥区和下沉淀区之间，所述排泥管连接在反应池的底部。

4.根据权利要求1所述的一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法，其特征在于：所述步骤S2中的机械破碎池包括一级破碎池和二级破碎池，一级破碎池采用连续流反应器，二级破碎池采用间歇式反应器，所述一级破碎池和二级破碎池内均设有若干球磨珠，若干所述球磨珠的直径为0.6～2.0mm，密度大于2g/cm³，所述步骤S2中破碎处理的时间为0.5～1h，所述步骤S2中对浓缩污泥进行破碎时，破碎池中采用机械搅拌带动水力旋流并带动球磨珠对浓缩污泥进行剪切研磨。

5.根据权利要求1所述的一种基于碳源回收的市政污泥物化生化联合处理减量化方法，其特征在于：所述步骤S1中重力浓缩的时间为16～32h，所述步骤S3中水解酸化处理的时间为16～24h。