CN112093846A - 一种回收有机物并循环利用的城市污水处理方法 - Google Patents

一种回收有机物并循环利用的城市污水处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可回收有机物并循环利用的城市污水处理工艺，工艺系统由转移聚集、沉淀分离，以及水热处理、改性制备等主要工艺单元组成。城市污水经简单预处理后，通过转移聚集和沉淀分离，将有机物浓缩富集至有机污泥中，从而大幅度从水中去除；将有机污泥(含聚集介质)进行水热处理，控制条件得到水溶性高分子聚合物，通过改性将其制备成聚集介质，回用于污水的转移聚集工艺。本发明提供的方法，既可以有效利用转移聚集‑沉淀分离这一碳损失小、能耗低的有机物富集途径，又是一种新的污水中有机物回收利用方式。

Description

一种回收有机物并循环利用的城市污水处理方法
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种回收有机物并循环利用的城市污水处理方法。
背景技术
城市污水处理是防止水体污染，保护水生态环境，保障人类生命健康的重要措施。目前的城市污水处理技术以去除污水中的“污染物”为目标，通过投入大量的能源和物料，将污水中的有机物、氮磷营养物分解转化为无害终产物或可以从水中分离去除的形态，达到净化水质、防止污染的目的。然而，城市污水中的有机物富含大量的化学能，若采用可行的技术方法将其加以回收再利用，可大大降低污水处理的能耗物耗，是资源循环利用型污水处理技术的新目标。
国内外现有的对城市污水有机物资源化利用的方式主要是对污水处理工艺产生的副产物剩余污泥进行回收和资源化利用。生物处理产生的剩余污泥中富含生物质等有机物，将其通过生物发酵生产甲烷作为燃料回收利用早已得到工程应用。近年来国内外的大量研究表明，还可以用生物发酵技术将组成复杂、存在形态多样的污水有机物转化为多样化的可利用产品，例如生产氢、乙醇、生物柴油等能源物质，或将污水中的多元有机物首先转化为挥发性脂肪酸(VFA)，进而再发酵生产PHA、微生物蛋白、藻酸盐等产品。然而，城市污水中过低的有机物浓度使得直接对污水进行资源回收并不具备经济可行性。因而，通过富集获得足够高有机物的浓度就成为污水资源化的首要前提。
污水有机物的富集可通过多种途径实现。目前广泛应用的是生物絮凝吸附，即利用活性污泥生物絮体的吸附絮凝特性，吸附捕集污水中的非溶解和大分子有机物质，通过沉淀分离获得高含固率有机污泥。这是一种有机物生物转化和转移聚集相结合的富集方式。这一方式的弊端是必须以部分有机物被转化分解为代价，保证活性污泥的生物活性及其吸附絮凝特性，因而不可避免地造成碳损失和能量消耗。近年来已有采用膜介质将污水中有机物与水分离，从而获得高浓度有机物的研究。现行的膜分离技术中，超滤、纳滤或反渗透膜在压力条件下工作，面临能耗较高、对膜材料的性能、强度和寿命要求以及膜污染防控等的制约。正渗透法利用提取液产生的渗透压作用进行浓缩，在常压下工作，膜污染可逆，物质截留率高；这一技术的应用还需解决提取液的再浓缩及工艺系统放大等问题。采用膜技术浓缩污水有机物的另一个共性问题是选择性不高，因而富集浓缩后还须将有机物与营养物分离方可分别回收。
利用具有吸附、聚集特性的介质，实现污水中有机物由水相向固相的转移聚集，通过固液分离获得高浓度有机物，是从污水中富集有机物的又一个重要技术途径。它具有富集过程能耗低、有机物转化损失少的独特优势。现有的技术方法是以混凝剂作为有机物聚集的介质。然而，采用无机混凝剂将使增加了固相的无机组分含量，尤其是将污水中的磷固化，不利于有机物回收；有机絮凝剂对溶解性氮磷化合物的截留率不高，具有选择性富集的优势。但无论投加无机或有机混凝剂，均增加了富集过程的物料消耗。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种利用污水有机物制备聚集介质、通过转移聚集实现污水中有机物富集的技术方法，达到去除污水中有机物并将其循环回收利用的目的。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种回收有机物并循环利用的城市污水处理方法，包括以下步骤：
(1)向城市污水中投加聚集介质进行转移聚集处理，控制水力停留时间并持续搅拌，使聚集介质逐步形成絮体且污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体上，然后进行沉淀分离，使絮体在重力作用下沉淀至沉淀池的底部，得到富含有机物的污泥；
(2)对所述步骤(1)得到的富含有机物的污泥进行水热处理，控制水热反应条件，将污泥中的固体有机物质转化为水溶性大分子聚合物；
(3)以所述步骤(2)得到的水溶性大分子聚合物为原料，投加改性药剂并控制反应条件，进行聚合反应，得到含有具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的溶液；
(4)将所述步骤(3)得到的聚集介质溶液根据城市污水水质特性确定投加量，回用于步骤(1)中的转移聚集处理。
优选地，所述步骤(2)中水热处理的操作步骤包括：将所述富含有机物的污泥进行浓缩脱水，然后送至水热反应釜，投加碱性物质，在密闭的条件下加热，控制终点温度和反应时间，使水热反应积累水溶性大分子聚合物。
优选地，所述步骤(3)中聚合反应的操作步骤包括：步骤(2)中的水热反应完成后，将水热反应釜冷却至常压，然后将水热反应釜中物料的上层液体引入另一反应器，加入单体、引发剂改性药剂，采用水溶液聚合法，控制温度、pH条件，混合搅拌，使水热过程产生的水溶性聚合物发生自由基聚合反应，得到含有具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的溶液。
本发明提供了一种回收有机物并循环利用的城市污水处理方法，以从城市污水中沉淀分离得到的固体有机污泥为原料，通过水热处理，将其转化为水溶性的大分子聚合物，再将这些大分子聚合物改性制备成具有吸附聚集特性的聚集介质，用于强化污水中有机物的分离去除。本发明以水热处理技术为基础，其原理是以亚临界水为媒介，将含碳的干/湿有机物质转化为不同的含碳化合物，其中含碳的固体有机质在热化学作用下，历经水解、脱水、脱羧等分解过程和聚合芳香化反应、美拉德反应等重聚与再缩合过程，生成不同种类与性质、不同表面官能团类型和数量的最终产物；通过调控水热条件，可以使水热反应朝着大量积累水溶性有机物并发生聚合缩合反应的方向进行，同时避免发生脱氧和异构化等生成烷烃类物质(生物油)的反应，使原料中的有机污泥大量转化为水溶性的大分子聚合物。由于这些水溶性的大分子聚合物表面往往带有大量的羟基、羧基等活性基团，所以适宜于作为改性制备有机转移聚集介质的前体物。
本发明利用污泥水热处理所得到的水溶性大分子聚合物，通过溶液聚合反应获取具有吸附聚集与分离特性的聚集介质。所述水溶性大分子聚合物存在于水热反应完成后反应釜中物料上层的水热液中。将水热液转移至聚集介质制备反应器，投加单体、引发剂等改性药剂，其中单体作为有机高分子聚合物分子链的扩增单元，在引发剂的作用下，控制反应的条件使其发生自由基聚合反应，通过接枝共聚为这些水溶性的大分子聚合物赋予聚集分离性能，使之改性成为更高分子量的具有吸附聚集性能和沉降性能的转移聚集介质，尤其是适用于富集以悬浮、胶体和大分子形态存在的有机物，然后将本发明制备的聚集介质作为转移聚集污水中有机物的功能材料，回用于城市污水处理的转移聚集处理过程，由此便实现了污水中有机物的部分资源化回收与利用。
附图说明
图1为本发明中回收和利用有机物的污水处理的工艺流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种回收有机物并循环利用的城市污水处理方法，包括以下实施过程：
本发明优选在向城市污水中投加聚集介质前，对所述城市污水进行格栅、沉砂预处理，将污水中大尺度漂浮物和无机颗粒去除，然后向城市污水中投加聚集介质进行转移聚集处理，控制水力停留时间并持续搅拌，使聚集介质逐步形成絮体且污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体上，然后进行沉淀分离，使絮体在重力作用下沉淀至沉淀池的底部，得到富含有机物的污泥。
本发明对所述持续搅拌的方式没有特殊规定，采用本领域技术人员熟知的搅拌方式以及由强至弱的搅拌强度，目的是使加入的聚集介质逐渐形成絮体且污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体上。在本发明中，所述持续搅拌的时间优选为0.5～1.0h。
转移聚集处理完成后，本发明优选将所述转移聚集处理后的污水送至沉淀池，进行沉淀分离，使絮体在重力作用下沉淀至沉淀池的底部，得到富含有机物的污泥。在本发明中，所述沉淀分离的时间优选为1.5～3.0h。
得到富含有机物的污泥后，本发明将所述富含有机物的污泥进行水热处理，控制水热反应条件，将污泥中的固体有机物质大量转化为水溶性大分子聚合物。
在本发明中，所述水热处理的操作步骤优选包括：将所述富含有机物的污泥进行浓缩脱水，然后送至水热反应釜，投加碱性物质，在密闭的条件下加热，控制终点温度和反应时间，使水热反应大量积累水溶性大分子聚合物。在本发明中，所述水溶性大分子聚合物的含量及特性与水热反应进料有机物质量、含水率，以及水热反应的控制条件有关。
本发明对所述浓缩脱水的方式没有特殊规定，采用本领域技术人员熟知浓缩脱水方式，如重力浓缩、离心脱水或压滤脱水均可。所述浓缩脱水的脱水率优选为80～85％。在本发明中，所述浓缩脱水后产生的上清液或脱水液，返回至格栅后的主流污水处理流程中。
在本发明中，所述水热反应的原料优选还包括苛性钠和/或碳酸钠。在本发明中，所述苛性钠和/或碳酸钠作为水热反应的催化剂，所述催化剂的用量依据富含有机物的污泥中有机物的含量添加，促进固体有机物质大量转化为水溶性大分子聚合物。在本发明中，所述催化剂的质量和富含有机物的污泥的体积比优选为1.0～5.0g/L。
在本发明中，所述水热反应的条件优选为在密闭的条件下，加热2～4小时，使物料发生水热反应。在本发明中，所述加热所达到的终点温度为160～220℃。上述操作条件，可以使水热反应朝着大量积累水溶性有机物并发生聚合缩合反应的方向进行。
得到水溶性大分子聚合物后，本发明以所述水溶性大分子聚合物为原料，投加改性药剂并控制反应条件，进行聚合反应，得到含有具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的溶液。
在本发明中，所述聚合反应的操作步骤优选包括：水热反应完成后，将水热反应釜冷却至常压，然后将釜内物料上层的水热液排出，并一步分离其中的固形物，去除上层漂浮的生物油类物质，得到含有大分子聚合物的液体，然后将其引入另一反应器，加入单体、引发剂改性药剂，采用水溶液聚合法，控制温度、pH条件，混合搅拌，使水热过程产生的水溶性聚合物发生自由基聚合反应，得到含有具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的溶液。
所述单体优选包括季铵盐和丙烯酰胺；所述引发剂优选为过硫酸盐体系引发剂。所述聚合反应的控制条件，温度优选为40～70℃，溶液pH值优选为中性，反应时间优选为2～4h。
本发明在完成聚集介质制备，得到聚集介质溶液后，根据城市污水有机物浓度和特性，确定适宜的投加量，据此将聚集介质溶液投加至城市污水的转移聚集处理反应器中，增强对有机物的转移和去除效果。
本发明中回收和利用有机物的污水处理的工艺流程图如图1所示：城市污水依次流经格栅、转移絮凝池、沉淀池，出水至后续处理；在沉淀池中的有机污泥分为两部分，一部分可供回收利用，一部分浓缩脱水；浓缩脱水后的上清液进入格栅，浓缩脱水后的有机污泥和催化剂一同进入水热反应釜进行水热处理；对水热处理后的物料进行固液分离，固相产物为低品质水热炭，可供回收利用；液相产物进入聚集介质反应釜加入改性药剂得到聚集介质，得到的聚集介质回用于转移聚集池。
在本发明中，所述沉淀分离后得到的澄清出水中有机物浓度大幅度降低，还需经后续处理单元处理，进一步去除/回收剩余有机物和氮磷营养物，方可达到排放要求。
本发明技术方案中，有机污泥水热处理过程，在大量生成水溶性大分子聚合物的同时，难以避免生成固相产物，其主要成分是水热炭。这些水热炭品质不高，经干化后可用作土壤改良剂或作为辅助燃料。这也是一种有机物回收利用的途径。
在本发明中，聚集介质的制备过程与污水处理过程平行进行，因而无需对其进行精制，更无需通过干燥工艺获得固体产品，其品质和有效成分含量只需满足通过转移聚集过程获得满意的污水中有机物转移聚集与沉淀分离去除效果即可。相比成品絮凝剂的制备，可大大简化其制备过程和品质控制的技术要求。这种聚集介质通过转移聚集与沉淀分离，与污水有机物混合在一起成为有机污泥，可以在工艺系统中循环再生利用。由于本工艺方案中有机物转移聚集的富集方式、水热过程的回收利用方式均具有碳损失小的特性，加之聚集介质可循环再生利用的特性，事实上，用于经水热过程制备聚集介质的有机污泥量将基本维持在一稳定的水平。因而，从污水中转移聚集富集得到的大部分有机污泥，可以通过现有的技术方法，如污泥消化产甲烷或生物发酵获取特定产品，进行资源化回收利用。由于聚集介质本身也是有机物质，本工艺方案得到的浓缩富集有机物—有机污泥，不会对有机物的回收利用产生不利影响。
下面结合实施例对本发明提供的一种回收和利用有机物的污水处理方法，进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
W1(预处理)：将城市污水通过格栅沉砂预处理，去除其中大尺度漂浮物和无机颗粒；其中城市污水COD浓度为200～350mg/L。
W2(有机物聚集转移)：将预处理后的污水输入转移聚集池，加入200～500mg/L的聚集介质，控制水力停留时间为0.5～1.0小时并持续搅拌，使污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体中。工艺初次启动时，可采用市售的有机混凝剂作为聚集介质。
W3(有机物分离去除)：转移聚集池的出水进入沉淀池，控制水力停留时间为1.5～3.0小时，使其中絮体在重力作用下沉淀分离至沉淀池的底部；上部得到澄清出水，其中50～70％的COD已被去除，氮、磷亦有少量去除。
S1(有机污泥浓缩脱水)：对W3步骤中从沉淀池底部排出的有机污泥采用离心分离方法进行浓缩脱水，使其脱水率达到80～85％；浓缩脱水后的液体返回至格栅后的主流污水处理流程中。
S2(脱水污泥水热反应生成水溶性聚合物)：将S1步骤中经浓缩脱水得到的有机污泥进料至水热反应釜中，同时投加1.0～5.0g/L的苛性钠，在密闭的条件下加热2～4小时，进行水热反应，加热终点温度控制在180～220℃。
反应完成后，降低温度至反应釜常压状态。釜内下层固体物质(多为低品质的水热炭)，从反应釜中排出并经进一步干化后，用于土壤改良或作为辅助燃料。
S3(利用水溶性聚合物制备聚集介质)：将完成S2步骤的水热反应釜内物料上层的液体排出，进一步分离去除其中的固形物和上层漂浮的生物油类物质后，引入聚集介质制备反应器，采用水溶液聚合法，调节pH至中性，静置沉淀20min，在氮气氛中向排除上层清液后得到的聚合物中加入丙烯酰胺单体AM、季铵盐DMC(二甲氨基甲基丙烯酸乙酯季铵盐)和过硫酸钾体系引发剂，所述聚合物、丙烯酰胺单体AM、季铵盐DMC和过硫酸钾的质量配比为1:0.5:0.2：0.1，控制温度为40～70℃、混合搅拌2～4小时，使水热过程产生的水溶性聚合物发生自由基聚合反应，通过接枝共聚使之改性成为更高分子量的具有吸附聚集性能和沉降性能的聚集介质。
S4(聚集介质回用)S3步骤完成后所得到的聚集介质为水溶液。将其稀释至所需投加浓度后，回用于步骤W2所述的有机物聚集转移过程。
通过实施例1可以看出，本发明提供的回收有机物并循环利用的城市污水处理方法，既可以有效利用转移聚集-沉淀分离这一碳损失小、能耗低的有机物富集途径，又是一种新的污水中有机物回收利用方式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种回收有机物并循环利用的城市污水处理方法，包括以下步骤：
(1)向城市污水中投加聚集介质进行转移聚集处理，控制水力停留时间并持续搅拌，使聚集介质逐步形成絮体且污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体上，然后进行沉淀分离，使絮体在重力作用下沉淀至沉淀池的底部，得到富含有机物的污泥；
(2)对所述步骤(1)得到的富含有机物的污泥进行水热处理，控制水热反应条件，将污泥中的固体有机物质转化为水溶性大分子聚合物；
(3)以所述步骤(2)得到的水溶性大分子聚合物为原料，投加改性药剂并控制反应条件，进行聚合反应，得到含有具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的溶液；
(4)将所述步骤(3)得到的聚集介质溶液根据城市污水水质特性确定投加量，回用于步骤(1)中的转移聚集处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中水热处理的操作步骤包括：将所述富含有机物的污泥进行浓缩脱水，然后送至水热反应釜，投加碱性物质，在密闭的条件下加热，控制终点温度和反应时间，使水热反应积累水溶性大分子聚合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中聚合反应的操作步骤包括：步骤(2)中的水热反应完成后，将水热反应釜冷却至常压，然后将水热反应釜中物料的上层液体引入另一反应器，加入单体、引发剂改性药剂，采用水溶液聚合法，控制温度、pH条件，混合搅拌时间，使水热过程产生的水溶性聚合物发生自由基聚合反应，得到含有具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的溶液。
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