CN112174454B

CN112174454B - 一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法

Info

Publication number: CN112174454B
Application number: CN202010946840.2A
Authority: CN
Inventors: 戴晓虎; 刘芮; 华煜; 杨东海
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2020-09-10
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-09-10
Also published as: CN112174454A

Abstract

本发明涉及一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，调节污泥含固率至2～10％；用碱调节污泥pH后，进行热水解处理；然后经固液分离得到上部溶液1和固体污泥1；上部溶液1调质后作液态肥；固体污泥1溶解稀释，调节含固率至2～10％，用稀酸液调节pH，固液分离，得上部溶液2和固体污泥2；将上部溶液2置于含阳离子交换膜的双槽电解池中，分别收集阳极溶液和阴极沉淀，并回用；固体污泥2稀释、中和后，通过旋流分流除砂，将砂和有机质分离。与现有技术相比，本发明通过“pH调控+热水解+电解池+固液分离”，实现了污泥中有机质与无机质分离、金属和营养盐回收、液态复合肥制备，实现污泥处理处置过程的零废弃和产物高值利用。

Description

一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法

技术领域

本发明涉及污泥处理技术领域，尤其是涉及一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法。

背景技术

随着城镇化水平的提高，中国污水处理量已经跃居世界首位，城镇污水处理率已经超过90％。污泥作为污水处理的副产物，年产量已突破6000万吨(以含水率80％计)。由于长期以来“重水轻泥”，导致80％的污泥未得到安全处理处置，造成严重的水、大气和土壤污染，以及污泥中资源和能源的浪费。污泥安全处置与资源回收和污水处理工程效益直接相关，是中国打赢水污染防治攻坚战与建设美丽中国的重要任务。

污泥富集了污水中大量的污染物，若处理不当会带来环境和健康风险，另一方面，污泥蕴含了大量的有机和无机资源，具有污染和资源的双重性质。污泥是由有机质和无机质交联形成的絮体，其中有机质包括微生物细胞、胞外聚合物(EPS)和从水中吸附的有机质等，无机质包括多价态金属(铝、铁、钙、镁等)、营养元素(氮、磷等)和无机颗粒(砂)等。

目前主流的污泥处理处置技术包括焚烧、填埋、厌氧消化和好氧堆肥，本发明申请人发现，污泥中无机质的存在降低了污泥的热值，有机质和无机质的交联限制了有机质的溶出，从而限制了污泥生物处理的效率。

发明内容

单一技术难以将污泥中的污染和资源全量利用，易造成二次污染。因此将污泥中有机质和无机质分离有助于提高现有污泥处理处置技术的效率。进一步实现污泥中的金属、营养元素进行回收、液态复合肥的制备，对污泥中资源的梯级回收，实现污泥处理处置零废弃和产物高值利用。

本发明的目的就是为了提供一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法。通过“pH调控+热水解+电解池+固液分离”，实现污泥中有机质与无机质分离、金属和营养盐回收、液态复合肥的制备，实现污泥处理处置过程的零废弃和产物高值利用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，包括以下步骤：

步骤a：调节污泥含固率(TS％)至2～10％；

步骤b：用碱调节污泥pH后，进行热水解处理，得到热水解污泥；

步骤c：热水解污泥经固液分离，得到上部溶液1和固体污泥1；

步骤d：上部溶液1调质后作为液态肥；

步骤e：将固体污泥1溶解稀释，调节含固率至2～10％；

步骤f：用稀酸液调节稀释固体污泥1的pH，固液分离，得上部溶液2和固体污泥2；

步骤g：将上部溶液2置于含阳离子交换膜的双槽电解池中，分别收集阳极溶液和阴极沉淀，并回用；

步骤h：固体污泥2稀释、中和后，通过旋流分流除砂，将砂和有机质分离，实现污泥资源分质分相梯级回收利用。

优选地，步骤b中，所述的碱为氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钙和氧化钙中的一种或几种。

优选地，步骤b中，所述的碱采用固体或溶液的形式。

优选地，步骤b中，pH调节至9～13。

优选地，步骤b中，热水解的温度为60～180℃，搅拌转速为60～100rpm，处理时间为20～180min。

优选地，步骤c中，热水解污泥冷却至室温后进行固液分离。

优选地，步骤c中，固液分离采用8000～12000rpm转速离心处理。

优选地，步骤d中，调质包括稀释或浓缩。

优选地，步骤f中，用稀酸液调节稀释固体污泥1的pH，使pH≤2。

优选地，步骤f中，稀酸液的浓度为1～8mol/L。

优选地，步骤f中，调节pH时，温度控制为5～50℃，反应时间为0.5～12h，搅拌转速设定为600～1000rpm。

优选地，步骤f中，固液分离包括重力浓缩、和/或离心、和/或旋流、和/或板框压滤。

优选地，步骤g中，含阳离子交换膜的双槽电解池在室温下运行。

优选地，步骤g中，含阳离子交换膜的双槽电解池的阳极为不锈钢电极，阴极为石墨电极，参比电极为(Ag/Agcl)。

优选地，步骤g中，含阳离子交换膜的双槽电解池阳极电位相对于参比电极设置为-0.2～-0.5V。

优选地，步骤g中，含阳离子交换膜的双槽电解池内置磁力搅拌，搅拌速度设置为50-150rpm。

优选地，步骤g中，阴极沉淀主要包括铝、和/或铁、和/或锌、和/或钙、和/或镁的氢氧化物沉淀；阳极溶液为富集磷酸根的电解液。

优选地，步骤g中，所述的回用包括：

将阴极沉淀的铝、和/或铁的氢氧化物回用，作为污水厂絮凝剂制备原料；

将阴极沉淀的钙、和/或镁的氢氧化物和阳极富集磷酸根的电解液回用，作为液态肥添加剂原料。

优选地，步骤h中，所述的稀释，为将固体污泥稀释至含固率<3％。

优选地，步骤h中，将有机质进行后续处理处置，有机质的后续处理处置方法包括厌氧消化产甲烷、和/或好氧堆肥制有机肥、和/或干化焚烧发电、和/或热解制生物炭。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)使用碱调节污泥pH后进行热水解，可将污泥中金属钝化，促进污泥胞外聚合物的溶解，水解液金属浓度降低，氮、磷溶出比例提高；

2)使用酸处理热水解后的固体污泥后，可将污泥中的金属、磷溶出，使用电解池分别回收污泥中金属和磷，金属回收过程中无需添加沉淀剂。铝、铁沉淀物可回用作为污水厂絮凝剂制备原料，实现污水厂铝和铁的循环；钙、镁、磷沉淀可回用作为液态肥添加剂原料，增加液态肥肥效。

3)建立了污泥处理的新方法，将污泥中有机质与无机质分离，去除并回收金属，降低后续污泥处置的环境和健康风险。

附图说明

图1为本发明方法的实施流程示意图。

具体实施方式

一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，包括以下步骤：

步骤a：调节污泥含固率(TS％)至2～10％，例如污泥含固率可以是2％、5％、7％、10％等；

步骤d：上部溶液1调质后作为液态肥；

步骤e：将固体污泥1溶解稀释，调节含固率至2～10％，例如可以是2％、5％、7％、10％等；

步骤b中：碱可以为氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钙和氧化钙等中的一种或几种，也可以是其他化学上可以接受的碱。碱可以采用固体形式，也可以采用液体的形式，还可以根据需要选择合适的形式。pH调节至9～13，例如可以是pH＝9、pH＝10、pH＝12、pH＝13等等。热水解的温度可以为60～180℃，搅拌转速可以为60～100rpm，处理时间可以为20～180min。例如可以选择热水解的温度为60℃，搅拌转速为100rpm，处理时间为180min；可以选择热水解的温度为180℃，搅拌转速为60rpm，处理时间为20min；还可以选择热水解的温度为100℃，搅拌转速为80rpm，处理时间为100min，等等。

步骤c中，热水解污泥优选冷却至室温后进行固液分离。固液分离可以采用8000～12000rpm转速离心处理，转速可以在上述范围内合理选择。

步骤d中，调质包括稀释或浓缩，根据实际情况进行选择。

步骤f中，用稀酸液调节稀释固体污泥1的pH，使pH≤2。稀酸液的浓度为1～8mol/L，例如1mol/L的稀盐酸，8mol/L的稀硫酸，4mol/L的稀盐酸。调节pH时，温度可以控制为5～50℃，反应时间可以为0.5～12h，搅拌转速可以设定为600～1000rpm。例如可以在调节pH时，温度控制为50℃，反应时间为0.5h，搅拌转速设定为1000rpm；可以在调节pH时，温度控制为5℃，反应时间为12h，搅拌转速设定为600rpm；可以在调节pH时，温度控制为25℃，反应时间为6h，搅拌转速设定为800rpm，等等。固液分离包括重力浓缩、和/或离心、和/或旋流、和/或板框压滤，可以根据需要选择一种固液分离方式或多种固液分离方式结合使用。

步骤g中，含阳离子交换膜的双槽电解池优选在室温下运行。含阳离子交换膜的双槽电解池的阳极可以为不锈钢电极，阴极可以为石墨电极，参比电极可以为(Ag/Agcl)。含阳离子交换膜的双槽电解池阳极电位相对于参比电极可以设置为-0.2～-0.5V，可以根据需要设置合适的值。含阳离子交换膜的双槽电解池内置磁力搅拌，搅拌速度可以设置为50-150rpm，搅拌转速可以在上述范围内合理选择。阴极沉淀主要包括铝、和/或铁、和/或锌、和/或钙、和/或镁的氢氧化物沉淀；阳极溶液为富集磷酸根的电解液。回用可以包括：将阴极沉淀的铝、和/或铁的氢氧化物回用，作为污水厂絮凝剂制备原料；将阴极沉淀的钙、和/或镁的氢氧化物和阳极富集磷酸根的电解液回用，作为液态肥添加剂原料。

步骤h中，稀释可以为将固体污泥稀释至含固率<3％。可以将有机质进行后续处理处置，有机质的后续处理处置方法包括厌氧消化产甲烷、和/或好氧堆肥制有机肥、和/或干化焚烧发电、和/或热解制生物炭。可以根据实际情况进行合理选择。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法(参见图1)，具体包括如下步骤：

a)污水厂剩余污泥通过静置24h，去除上清液提高含固率，取用500ml静置后污泥，该污泥TS％为4.1％，VS％为72.3％(基于干重)，铝、铁、钙、镁、硅的质量分数(基于湿重)分别为3.3％、2.8％、4.1％、3.2％、18.3％；

b)用质量分数为5％氢氧化钙溶液调节污泥pH为11，随后进行热水解处理，热水解温度设定为160℃，搅拌转速为60rpm，处理时间为30min；

c)热水解污泥冷却至室温后，经8000rpm转速离心处理，得上部溶液1和固体污泥1；

d)上部溶液1调质后作为液态肥；

e)将固体污泥1溶解稀释，并用纯水将TS％调至2％；

f)用4mol/L的稀盐酸溶液，将稀释固体污泥体系的pH调节为1.0，温度控制为5℃，反应时间为12h，搅拌转速设定为600rpm，处理结束后，固液分离，得上部溶液2和固体污泥2；

g)将上部溶液2置于含阳离子交换膜的双槽电解池中，该电解池在室温下运行，阳极为不锈钢电极，阴极为石墨电极，参比电极为(Ag/AgCl)，阳极电位为-0.4V(相对于参比电极)，内置磁力搅拌的搅拌速度设置为120rpm，监测阴极室的pH，分别在pH为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0时收集阴极沉淀，在pH为12.0收集阳极溶液，并回用；

h)将固体污泥2稀释至TS％为2％，pH调至7后，通过水力旋流器分离除砂，将砂和有机质分离。

结果显示，经该方法处理污泥，热水解液中富含氮(912mg/L)、磷(267mg/L)、氨基酸(总氨基酸浓度约为8.48g/100gTS)等促进植物生长的液态肥，污泥中金属回收率分别为：铁(83％)、铝(62％)、磷(84％)、钙(67％)、镁(61％)，砂去除率约为62％，分离的污泥有机质的产甲烷周期较原泥缩短7天、单位有机质甲烷产率提高35％。

实施例2

a)污水厂剩余污泥通过静置24h，去除上清液提高含固率，取用500mL静置后污泥，该污泥TS％为2.9％，VS％为52.7％(基于干重)，铝、铁、钙、镁、硅的质量分数(基于湿重)分别为2.1％、4.3％、3.5％、1.8％、20.3％；

b)用质量分数为2mol/L的氢氧化钠溶液调节污泥pH为13，随后进行热水解处理，热水解温度设定为80℃，搅拌转速为100rpm，处理时间为180min；

c)热水解污泥冷却至室温后，经12000rpm转速离心处理，得上部溶液1和固体污泥1；

d)上部溶液1调质后作为液态肥；

e)将固体污泥1溶解稀释，并用纯水将TS％调至5％；

f)用2mol/L的稀硫酸溶液，将稀释固体污泥体系的pH调节为2.0，温度控制为35℃，反应时间为5h，搅拌转速设定为800rpm，处理结束后，固液分离，得上部溶液2和固体污泥2；

g)将上部溶液2置于含阳离子交换膜的双槽电解池中，该电解池在室温下运行，阳极为不锈钢电极，阴极为石墨电极，参比电极为(Ag/AgCl)，阳极电位为-0.4V(相对于参比电极)，内置磁力搅拌的搅拌速度设置为50rpm，监测阴极室的pH，分别在pH为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0时收集阴极沉淀，在pH为12.0收集阳极溶液，并回用；

h)将固体污泥2稀释至TS％为1.6％，pH调至7后，通过水力旋流器分离除砂，将砂和有机质分离。

结果显示，经该方法处理污泥，热水解液中氮含量为643mg/L、磷含量为141mg/L、氨基酸(总氨基酸浓度约为5.24g/100gTS)等促进植物生长的液态肥，污泥中金属回收率分别为：铁(72％)、铝(56％)、磷(81％)、钙(58％)、镁(47％)，砂去除率约为55％。

实施例3

a)污水厂脱水污泥经超纯水稀释，取用500mL稀释污泥，该污泥TS％为2.49％，VS％为47.07％(基于干重)，铝、铁、钙、镁、硅的质量分数(基于湿重)分别为1.4％、6.2％、4.1％、3.2％、18.3％；

b)用质量分数为1mol/L氢氧化钾溶液调节污泥pH为9，随后进行热水解处理，热水解温度设定为100℃，搅拌转速为80rpm，处理时间为120min；

c)热水解污泥冷却至室温后，经10000rpm转速离心处理，得上部溶液1和固体污泥1；

d)上部溶液1调质后作为液态肥；

e)将固体污泥1溶解稀释，并用纯水将TS％调至10％；

f)用6mol/L的稀盐酸溶液，将稀释固体污泥体系的pH调节为1.0，温度控制为50℃，反应时间为0.5h，搅拌转速设定为1000rpm，处理结束后，固液分离，得上部溶液2和固体污泥2；

g)将上部溶液2置于含阳离子交换膜的双槽电解池中，该电解池在室温下运行，阳极为不锈钢电极，阴极为石墨电极，参比电极为(Ag/AgCl)，阳极电位为-0.4V(相对于参比电极)，内置磁力搅拌的搅拌速度设置为150rpm，监测阴极室的pH，分别在pH为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0时收集阴极沉淀，在pH为12.0收集阳极溶液，并回用；

h)将固体污泥2稀释至TS％为1％，pH调至7后，通过水力旋流器分离除砂，将砂和有机质分离。

结果显示，经该方法处理污泥，热水解液中富含氮(763mg/L)、磷(298mg/L)、氨基酸(总氨基酸浓度约为6.13g/100gTS)等促进植物生长的液态肥，污泥中金属回收率分别为：铁(87％)、铝(47％)、磷(78％)、钙(55％)、镁(62％)，砂去除率约为57％。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a：调节污泥含固率至2～10％；

步骤b：用碱调节污泥pH后，进行热水解处理，得到热水解污泥，用于将污泥中金属钝化，促进污泥胞外聚合物的溶解，水解液金属浓度降低，氮、磷溶出比例提高；

步骤d：上部溶液1调质后作为液态肥；

步骤e：将固体污泥1溶解稀释，调节含固率至2～10％；

步骤h：固体污泥2稀释、中和后，通过旋流分流除砂，将砂和有机质分离，实现污泥资源分质分相梯级回收利用；

步骤b中，包括以下条件中的任一项或多项：

(i)所述的碱为氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钙和氧化钙中的一种或几种；

(ii)所述的碱采用固体或溶液的形式；

(iii)pH调节至9～13；

(iv)热水解的温度为60～180℃，搅拌转速为60～100rpm，处理时间为20～180min。

2.根据权利要求1所述的一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，其特征在于，步骤c中，包括以下条件中的一项或多项：

(i)热水解污泥冷却至室温后进行固液分离；

(ii)固液分离采用8000～12000rpm转速离心处理。

3.根据权利要求1所述的一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，其特征在于，步骤d中，调质包括稀释或浓缩。

4.根据权利要求1所述的一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，其特征在于，步骤f中，包括以下条件中的一项或多项：

(i)用稀酸液调节稀释固体污泥1的pH，使pH≤2；

(ii)稀酸液的浓度为1～8mol/L；

(iii)调节pH时，温度控制为5～50℃，反应时间为0.5～12h，搅拌转速设定为600～1000rpm；

(iv)固液分离包括重力浓缩、和/或离心、和/或旋流、和/或板框压滤。

5.根据权利要求1所述的一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，其特征在于，步骤g中，包括以下条件中的任一项或多项：

(i)含阳离子交换膜的双槽电解池在室温下运行：

(ii)含阳离子交换膜的双槽电解池的阳极为不锈钢电极，阴极为石墨电极，参比电极为Ag/AgCl；

(iii)含阳离子交换膜的双槽电解池阳极电位相对于参比电极设置为-0.2～-0.5V；

(iv)含阳离子交换膜的双槽电解池内置磁力搅拌，搅拌速度设置为50-150rpm。

6.根据权利要求1所述的一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，其特征在于，步骤g中，阴极沉淀主要包括铝、和/或铁、和/或锌、和/或钙、和/或镁的氢氧化物沉淀；阳极溶液为富集磷酸根的电解液。

7.根据权利要求6所述的一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，其特征在于，步骤g中，所述的回用包括：

8.根据权利要求1所述的一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，其特征在于，步骤h中，所述的稀释，为将固体污泥稀释至含固率<3％。

9.根据权利要求1所述的一种污泥资源分质分相梯级回收利用的方法，其特征在于，步骤h中，将有机质进行后续处理处置，有机质的后续处理处置方法包括厌氧消化产甲烷、和/或好氧堆肥制有机肥、和/或干化焚烧发电、和/或热解制生物炭。