CN112707618A - 一种污水污泥水热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境治理技术领域，公开了一种污水污泥水热处理方法，包括如下步骤：步骤I：污泥的机械脱水，污泥机械脱水后含水量为65‑90％(wt)；步骤II：将机械脱水后的污泥与氯化镁、氯化钙混合；步骤III：混合后将污水污泥与氯化镁、氯化钙的混合体系进行水热反应；步骤IV：水热反应结束后进行固液分离，液体产物用于反硝化池碳源补给，固体产物用于土壤改良剂。本发明可用于污水污泥处理与高质化转化，实现从污水污泥中回收氮磷元素，有良好的环境效益、经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及环境治理技术领域，具体涉及一种污水污泥水热处理方法。
背景技术
当前，城市污水处理厂大多采用好氧活性污泥法处理污水，将污水中的污染物转化为二氧化碳、水等物质，过程中会产生大量污泥。污泥中含有水分、有机质、氮、磷、金属元素以及其他微量元素等营养元素，同时还含有难降解的有机物、重金属及细菌病原体等有毒有害物质。从污泥中回收有利用价值的元素或物质，不仅可以解决污泥处理处置问题，还能够回收利用资源，降低污染排放。然而。在我国污水处理发展过程中，一直存在的“注重污水处理、轻视污泥处理”现象，使得非常大的一部分城市污水污泥未进行有效的处理处置，从而导致我国“污泥问题”日益严重。
氮磷元素是污水中一种重要的污染元素，虽有部分氮元素通过硝化-反硝化作用以氮气形式进入大气中，但仍有部分氮元素以氨氮为主的形式固定在污泥中，污泥中的氮元素占污泥干基的1％-5％，因此污水污泥中的氮元素存在一定的回用价值。此外，污水污泥中还含有一定量的磷元素，由于磷矿石是一种不可再生的资源，开发新型磷制备工艺对可持续农业发展至关重要。虽已有相关文献专利报道了污泥制备肥料的相关方法，但这些方法通常氮磷含量较低，因此限制了此类方法的推广使用。如何实现污水污泥中氮磷元素的高效利用，不仅可解决农业肥料生产问题，还可以实现污水污泥合理处置，降低其填埋焚烧等处理造成的环境污染问题。
发明内容
本发明意在提供一种污水污泥水热处理方法，以实现污水污泥中氮磷元素的回收与转化。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种污水污泥水热处理方法，包括如下步骤：
步骤I：污泥的机械脱水，污泥机械脱水后含水量为65-90％(wt)；
步骤II：将机械脱水后的污泥与氯化镁、氯化钙混合；
步骤III：将污水污泥与氯化镁、氯化钙的混合体系进行水热反应；
步骤IV：水热反应结束后进行固液分离，液体产物用于反硝化池碳源补给，固体产物用于土壤改良剂。
本方案的原理及优点是：本技术方案中，通过在水热处理之前将污水污泥与氯化镁、氯化钙混合，能够实现将污水污泥的氨氮资源化；在水热处理过程中，能够将污水污泥中的TOC转移至液体产物内，将氮、磷等营养元素固定在固体产物内，经验证污水污泥中95％以上的氮磷营养元素被固定在固体产物中，35％以上TOC转移至液体产物中；在进行水热处理之后，通过将固体产物与液体产物进行分别的应用，由于氮磷等营养元素大部分转移到了固体产物中，一方面使得固体产物中的营养成分得以大量的富集，有利于后期作用土壤改良剂对土壤提供营养；另一方面，也使得液体产物中氨氮含量降低，而碳元素的占比增高，在应用于反硝化池时，能够降低对液体产物进行氨氮处理工作量。
本技术方案的有益效果在于：
1、本技术方案污水污泥水热碳化过程清洁，全过程无废水废气产生，实现了环境友好。
2、本技术方案污水污泥水热处理过程中，95％以上的氮磷营养元素被固定在固体产物中，35％以上TOC转移至液体产物中，液体产物用于反硝化碳源补给不会增加体系的氮磷负荷。
3、本技术方案实现污水污泥的高质化利用：利用污水污泥制备土壤改良剂，或者回收碳化后产生类似于煤质的高附加值产品，不仅解决了市政污泥处理处置问题，而且还能变废为宝。
优选的，作为一种改进，步骤I中，污泥为初沉污泥和/或活性污泥经厌氧硝化后的污泥。
本技术方案中，所处理的污水污泥为初沉污泥和/或活性污泥经厌氧硝化后的污泥，这一类的污泥中氨氮含量丰富，在进行水热处理之后能够在固体产物中获得更高比例的营养物质。
优选的，作为一种改进，步骤II中，氯化镁、氯化钙的质量比为1：3～5，氯化镁、氯化钙的总重量为污泥干基质量的0.5％-3.5％。
本技术方案中，通过实验验证，上述的添加比例为最适的添加比例，添加量过高会增加成本，同时会增加水热反应后产物中金属离子的含量，还有可能会降低反应的选择性；添加量过低会使反应物分子与催化剂活性位的结合很少，不能更多的提供利于反应的条件，使反应速率缓慢，达不到反应效果。
优选的，作为一种改进，步骤III中，水热反应的条件为：温度250～400℃，时间10～60min，搅拌转速50～300rpm。
本技术方案中，通过对水热反应的条件进行优化，能够提高水热反应的效果，反应温度过高或反应时间过长会促进重金属向稳态转变，随着温度升高和增加反应时间会增加重金属在固体产物中的富集，并且水热碳中重金属浸出毒性会随着温度与时间的升高和延长而降低；提高反应温度和延长反应时间对炭化过程和产物的特性有很大的好处，如提高反应速率、提高转化率、提高氢焦中的碳和能量含量、改善脱水性能等。此外，本技术方案不需要对污水污泥进行生化反应，能够使反应产物更加的定向化，单纯可控。
优选的，作为一种改进，步骤III中，水热反应的压力为0.2～1.0MPa，且水热反应过程中热源为高温蒸汽。
本技术方案中，在向反应体系内加入热源的时候，是通过添加高温蒸汽的形式添加的，一方面蒸汽的比热容较大，换热效果好，能够实现体系的快速升温，另一方面高温蒸汽相较于热水而言，对反应体系内的水分含量影响较小，使得水热反应过程更加的平稳。
优选的，作为一种改进，步骤III中，污水污泥水热反应结束后进行换热处理，回收体系热量。
本技术方案中，在水热反应过程中，是通过通入高温蒸汽实现体系的升温过程的，在水热反应结束后，体系内仍有大量的余热，通过加工这一部分热量进行回收处理一方面能够实现能量的回收再利用，避免浪费；另一方面还能够同步实现体系的降温，便于后期进行固液分离操作。
优选的，作为一种改进，步骤IV中，在固液分离后固体产物进行低温干化处理。
本技术方案中，在固液分离之后会得到液体产物和固体产物，此时的固体产物为增稠污泥，通过对固体产物(增稠污泥)进行低温干化处理，能够得到干化污泥和冷凝液，进而形成不同状态的土壤改良剂，增加了其适用范围，也提供了更多的使用选择。
优选的，作为一种改进，低温干化处理的温度为45～80℃，经低温干化后的污泥中的含固率为60～97％。
本技术方案中，通过对低温干化的处理条件进行选择和优化，能够提高干化处理效果，保证干化后的污泥中的含固率。
优选的，作为一种改进，步骤IV中，在固液分离后液体产物进行反硝化处理。
本技术方案中，通过对液体产物进行反硝化处理，能够降低液体产物中掺杂的部分含氮物质。
优选的，作为一种改进，液体产物在进行反硝化处理前进行絮凝和过滤处理。
本技术方案中，通过在反硝化前对液体产物进行絮凝和过滤处理，能够去除液体产物中的悬浮物。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例一：
一种污水污泥水热处理方法，包括如下步骤：
步骤I：污泥的机械脱水，本实施例中的污泥为初沉污泥和/或活性污泥经厌氧硝化后的污泥，脱水时采用离心式脱水机完成，污泥机械脱水后含水量为65-90％(wt)；
步骤II：将机械脱水后的污泥与氯化镁、氯化钙混合，氯化镁、氯化钙的质量比为1：3～5，氯化镁、氯化钙的总重量为污泥干基质量的0.5％-3.5％；
步骤III：将污水污泥与氯化镁、氯化钙的混合体系进行水热反应，水热反应过程中热源为高温蒸汽，水热反应的条件为：温度250～400℃，时间10～60min，搅拌转速50～300rpm，压力0.2～1.0MPa；污水污泥水热反应结束后进行换热处理，回收体系热量；
步骤IV：水热反应结束后进行固液分离，其中液体产物先进行絮凝和过滤处理，而后进行反硝化处理，处理后的液体产物用于反硝化池碳源补给，或与甲醇、醋酸盐等其他碳源混合后用于反硝化池碳源补给；在固液分离后固体产物进行低温干化处理，低温干化处理的温度为45～80℃，经低温干化后的污泥中的含固率为60～97％，处理后的固体产物直接用于土壤改良剂或与微生物菌剂、无机化肥等其他物质复配后用作土壤改良剂。
实验例一：污泥生物炭P回收
1、污泥生物炭的制备：称取50.00g干燥污泥于坩埚，然后放置在真空马弗炉，在0.1Mpa的真空环境下400℃热解1h。
2、污泥生物炭P提取：用万分之一天平称取约5g污泥生物炭于500mL烧杯，再加入200mL 1M的稀盐酸，在120rpm的磁力搅拌下进行P的浸取，在第1、3、5、10、20、40、60时取样并用GB11893-89方法测定浸取液的TP。结果如表1所示，由表可知，在浸取5h后，浸取率基本可达80％左右。
表1
实验例二：污泥水热处理前后元素分析
采用元素分析仪Vario EL cube(Germany)对污水污泥水热处理前后的样品进行C、H、N、S元素分析。TP采用钼酸氨分光光度法(GB 11893—89)。
表2(进行三次平行实验，结果表示为平均数)
| 样品编号 | 名称 | N％ | C％ | H％ | S％ | P％ |
| 01 | 管道结晶 | 17.25 | 15.13 | 4.066 | 0.113 | 0 |
| AS | 干燥后的污泥 | 5.05 | 28.37 | 4.553 | 1.503 | 2.128 |
| AS00 | 400℃处理0min | 2.24 | 9.62 | 0.854 | 1.123 | 2.571 |
| AS60 | 400℃处理60min | 3.19 | 19.40 | 1.878 | 1.101 | 3.160 |
本实施例中，通过对污水污泥进行水热处理之后，对其前后元素进行分析，结果如表2所示，经分析后可知：50g污泥在400℃处理60min后实测的含碳量为28.37％，最终能够得到32.13g的污泥生物炭(平均值)，C含量占比是19.40％；
污泥：N wt％:5.05％；P wt％:2.128％；C wt％:28.37％；
污泥生物炭：N wt％:3.19％；P wt％:3.16％；C wt％:19.40％；
N固定率：(32.13*3.19％)/(50*5.05％)*100％＝40.59％；
P固定率：(32.13*3.16％)/(50*2.128％)*100％＝95.42％；
C固定率：(32.13*19.40％)/(50*28.37％)*100％＝43.94％。
本发明涉及的一种污水污泥水热处理方法，可用于污水污泥处理与高质化转化，实现从污水污泥中回收氮磷元素，有良好的环境效益、经济效益和社会效益。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种污水污泥水热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤I：污泥的机械脱水，污泥机械脱水后含水量为65-90％(wt)；
步骤II：将机械脱水后的污泥与氯化镁、氯化钙混合；
步骤III：将污水污泥与氯化镁、氯化钙的混合体系进行水热反应；
步骤IV：水热反应结束后进行固液分离，液体产物用于反硝化池碳源补给，固体产物用于土壤改良剂。
2.根据权利要求1所述的一种污水污泥水热处理方法，其特征在于：步骤I中，所述污泥为初沉污泥和/或活性污泥经厌氧硝化后的污泥。
3.根据权利要求2所述的一种污水污泥水热处理方法，其特征在于：步骤II中，氯化镁、氯化钙的质量比为1：3～5，氯化镁、氯化钙的总重量为污泥干基质量的0.5％-3.5％。
4.根据权利要求3所述的一种污水污泥水热处理方法，其特征在于：步骤III中，水热反应的条件为：温度250～400℃，时间10～60min，搅拌转速50～300rpm。
5.根据权利要求4所述的一种污水污泥水热处理方法，其特征在于：步骤III中，水热反应的压力为0.2～1.0MPa，且水热反应过程中热源为高温蒸汽。
6.根据权利要求5所述的一种污水污泥水热处理方法，其特征在于：步骤III中，污水污泥水热反应结束后进行换热处理，回收体系热量。
7.根据权利要求6所述的一种污水污泥水热处理方法，其特征在于：步骤IV中，在固液分离后固体产物进行低温干化处理。
8.根据权利要求7所述的一种污水污泥水热处理方法，其特征在于：所述低温干化处理的温度为45～80℃，经低温干化后的污泥中的含固率为60～97％。
9.根据权利要求8所述的一种污水污泥水热处理方法，其特征在于：步骤IV中，在固液分离后液体产物进行反硝化处理。
10.根据权利要求9所述的一种污水污泥水热处理方法，其特征在于：所述液体产物在进行反硝化处理前进行絮凝和过滤处理。
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