CN114477663B - 基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统及方法 - Google Patents

基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统及方法 Download PDF

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Abstract

基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统及方法，属于污水处理技术领域，所述系统以两段式流化床作为核心设备，使用三价铁作为铁源，厌氧污泥将三价铁还原成二价铁，二价铁再与厨余垃圾水热炭化液中的磷酸盐结合，在流化床的上升流速冲刷下形成大尺寸蓝铁石。本发明能有效去除厨余垃圾水热炭化液中的磷酸盐，避免由于亚铁氧化导致蓝铁石不纯的问题，同时还可以生成易分离和收集的大尺寸蓝铁石晶体。

Description

基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统及方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，涉及一种基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统及方法。
背景技术
厨余垃圾的水热炭化处理可以获得高热值的燃料。公开号为CN111908753A的中国发明申请，公开了一种超声辅助水热碳化制备厨余垃圾厌氧沼渣生物炭的方法，包括如下步骤：s1：将厨余垃圾厌氧沼渣与水混合，并将混合物在超声辅助条件下进行水热碳化反应，得到水热碳化液；s2：将水热碳化液进行冷却、过滤、干燥、破碎以及分选，获得沼渣生物炭。公开号为CN113996643A的中国发明申请，公开了一种厨余垃圾水热快速腐殖化方法，该方法将厨余垃圾收集，破碎后，将厨余垃圾和黑云母添加剂送入水热反应釜内，反应釜内温度控制在185～220℃，搅拌，反应釜内通入高温高压蒸汽使物料进行水热反应，充分腐殖化，排出的高温蒸汽预热进料，闪蒸泄压，收集反应釜内产物，并进行固液分离，并对固相产物进行干燥，得到固态有机肥。公开号为CN113617792A的中国发明申请，公开了一种水热炭化技术处理厨余垃圾的方法，其包括以下步骤：首先将厨余垃圾进行固液分离，分离得到厨余垃圾固体、油和污水，将分离出的污水通入反渗透装置去除污水中的钠离子；将分离出的厨余垃圾固体按固液比1:1.5~1:2加入水作为原料，原料粉碎后进入反应釜，原料在反应釜内发生水热炭化反应，反应釜工作温度为180℃，原料停留时间60min，反应釜卸压冷却后，反应后的物料进入压滤机，对反应后的物料进行固液分离，得到固态产品水炭和液态产品炭液，固态产品水炭用作土壤改良剂，液态产品炭液用作液体肥料。
然而，由于厨余垃圾含水量高，厨余垃圾水热炭化处理后还会产生大量的厨余垃圾水热炭化液，仍需进一步处理以减少可能的污染物排放。特别是，厨余垃圾水热炭化液中含有高浓度的磷酸盐，不加控制的磷排放将导致水体富营养化。同时，磷是一种不可再生的营养资源，对人类的生存和发展至关重要。近几十年来，随着世界人口的增长，作物产量的增加导致磷资源日益短缺，预计全球对磷的需求将在2030年达到峰值。此外，磷矿的开采过程通常伴随着镉和铀等重金属的排放，这对生态系统和人类健康构成进一步的风险。因此，从厨余垃圾水热炭化液中回收磷会是一种更可持续的污水处理方式，它不仅可以获得新的磷资源，而且可以降低因磷的无控制排放而导致的富营养化风险。
目前已知的磷回收技术有直接利用法、吸附法、化学沉淀法、鸟粪石结晶法等，但这些已有技术对于悬浮物SS过高（1.1 g/L~6.5 g/L）、pH较低（约3.9）的厨余垃圾水热炭化液，存在反应条件苛刻、超值成本、回收的效率和安全性低等缺点。
近年来，蓝铁石结晶法被认为是一种很有前途的磷去除和回收技术。该方法的产品蓝铁石不仅可以用作缓释磷肥，还可以用作工业原料。例如，它可以用作铁锂电池的原材料、可以作为Pt的载体，形成双功能催化剂、可以作为EDTA-Pb水污染和Cd污染土壤的净化材料或作为敏感比色法检测纳米级过氧化氢和葡萄糖的原料等。同时，蓝铁石结晶法的所需的pH条件比较宽泛，pH在6～9的范围均可生成，对于酸性废水和碱性废水都具有很好的适用性。
然而，由于亚铁极易被氧化的不稳定性，导致蓝铁石的纯度通常较差。同时，目前的研究中还存在蓝铁石的尺寸过小不易收集和分离的问题，这些问题都阻碍了蓝铁石结晶法的推广和运用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统及方法，所述系统以两段式流化床作为核心设备，使用三价铁作为铁源，厌氧污泥将三价铁还原成二价铁，二价铁再与厨余垃圾水热炭化液中的磷酸盐结合，在流化床的上升流速冲刷下形成大尺寸蓝铁石。本发明能有效去除厨余垃圾水热炭化液中的磷酸盐，避免由于亚铁氧化导致蓝铁石不纯的问题，同时还可以生成易分离和收集的大尺寸蓝铁石晶体。本发明的目的通过以下技术方案实现。
本发明首先提供一种基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统，其特征在于，包括调节池、三价铁源池、两段式流化床、回流池和排空管；调节池和三价铁源池分别通过泵和阀门与两段式流化床底部连接；两段式流化床下部流化床水平面上的尺寸小于上部流化床水平面上的尺寸，两段式流化床顶部设有溢流口、溢流口与回流池通过管道连接，两段式流化床底部通过阀门与排空管连接，两段式流化床设有厌氧污泥投加口；回流池底部通过泵和阀门与两段式流化床底部连接，回流池顶部设有溢流排放口。
该系统的工作流程为：厨余垃圾水热炭化液进入调节池调节pH值以后，由泵输送到两段式流化床，同时三价铁源池内的三价铁源由泵输送到两段式流化床，投加厌氧污泥。在两段式流化床内三价铁源在厌氧污泥的作用下还原成二价铁，二价铁与厨余垃圾水热炭化液中的磷酸盐结合，在流化床的上升流速冲刷下形成大尺寸蓝铁石。反应后的厨余垃圾水热炭化液从第二段流化床溢流出水，出水通过重力自流至回流池，部分出水从回流池由泵输送回流到反应器底部进入反应器，部分出水从回流池顶部溢流排放。反应一段时间后，关闭调节池、三价铁源池和回流池与两段式流化床连接的泵和阀门，打开排空管与两段式流化床连接的阀门，从排空管排出污泥和蓝铁石晶体混合物，分离获得大尺寸蓝铁石晶体。
进一步地，调节池设有pH计，监测调节池内的pH值。
进一步地，两段式流化床下部流化床和上部流化床均为圆柱体，两者之间为圆台过渡段。
本发明还提供一种通过上述系统制备大尺寸蓝铁石的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在调节池将厨余垃圾水热炭化液的pH调至6.0~7.5；
（2）调节pH值后的厨余垃圾水热炭化液从底部进入两段式流化床，控制下部流化床内的上升流速为60~120 m/h，上部流化床内的上升流速为4~10 m/h；
（3）在流化床中接种厌氧污泥；
（4）三价铁源池内的铁盐溶液从底部进入两段式流化床；
（5）反应后的厨余垃圾水热炭化液从第二段流化床溢流出水，出水通过重力自流至回流池，部分出水从回流池由泵输送回流到反应器底部进入反应器，部分出水从回流池顶部溢流排放；
（6）反应一段时间后，关闭调节池、三价铁源池和回流池与两段式流化床连接的泵和阀门，打开排空管与两段式流化床连接的阀门，从排空管排出污泥和蓝铁石晶体混合物，分离获得大尺寸蓝铁石晶体。
进一步地，步骤（2）中下部流化床水力停留时间为2~24 h，上部流化床水力停留时间为12~36 h。
进一步地，步骤（3）所述的厌氧污泥为厌氧消化污泥或者厌氧氨氧化污泥，加入厌氧污泥后反应器中污泥浓度为1000~5000 mg MLSS/L。
进一步地，步骤（4）中所述铁盐为氯化铁或硫酸铁，铁盐的投加量以铁的摩尔浓度计，为厨余垃圾水热炭化液中磷酸盐摩尔浓度的2~4倍。
进一步地，步骤（5）回流流量为进水流量的10~25倍，进水流量指调节池水热炭化液和三价铁源池铁盐溶液进入两段式流化床的流量之和。通过调节回流流量和进水流量，实现调节两段式流化床内的流速和水力停留时间。
进一步地，步骤（5）所述回流池的水力停留时间为5~15 min。
本发明提供的基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统及方法，与现有技术相比具有以下有益技术效果。一方面，由于厌氧污泥中存在大量的异化铁还原菌，可以避免亚铁的氧化问题；另一方面，水力流化作用可以促进大尺寸蓝铁石的生成，有利于后续蓝铁石晶体的分离和收集。该方法可靠且高效，具有良好的环境效益、经济效益、社会效益，为厨余垃圾水热炭化液除磷工艺带了一种新思路，具有很好的应用潜力。
附图说明
图1是本发明的基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统结构示意图。
图中：1-调节池，2-泵，3-阀门，4-三价铁源池，5-下部流化床，6-上部流化床，7-回流池，8-排空管。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或数量或位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统，包括调节池1、三价铁源池4、两段式流化床、回流池7和排空管8，两段式流化床由下部流化床5、上部流化床6和二者之间的过渡段构成。调节池1和三价铁源池4分别通过泵2和阀门3与两段式流化床底部连接，两段式流化床顶部设有溢流口、溢流口与回流池7通过管道连接，两段式流化床底部通过阀门3与排空管8连接，两段式流化床设有厌氧污泥投加口；回流池7底部通过泵2和阀门3与两段式流化床底部连接，回流池顶部设有溢流排放口。
实施例1
采用如下步骤从厨余垃圾水热炭化液中制备大尺寸蓝铁石回收磷酸盐：
（1）在调节池将厨余垃圾水热炭化液的pH调至6.0~7.5；
（2）调节pH值后的厨余垃圾水热炭化液从底部进入两段式流化床，控制下部流化床内的上升流速为60 m/h，上部流化床内的上升流速为5 m/h；
（3）在流化床中接种厌氧污泥；
（4）三价铁源池内的铁盐溶液从底部进入两段式流化床；
（5）反应后的厨余垃圾水热炭化液从第二段流化床溢流出水，出水通过重力自流至回流池，部分出水从回流池由泵输送回流到反应器底部进入反应器，部分出水从回流池顶部溢流排放，回流流量为进水流量的10~25倍；
（6）反应器底部设置排空管，从排空管排出污泥和晶体混合物，分离获得大尺寸蓝铁石晶体。
测量蓝铁石产品的尺寸并测量流化床进水厨余垃圾水热炭化液中的磷酸盐浓度C1和流化床出水的磷酸盐浓度C2，每组实验测量3次，并按照如下公式计算磷酸盐的去除效率R：
R＝(C1-C2)/C1×100％
实施例2-8
按照表1中的参数改变两段式流化床的上升流速，其他工艺参数与实施例1相同。
各实施例的上升流速与磷酸盐去除效率、晶体尺寸如表1所示。
表1 各实施例的上升流速与磷酸盐去除效率、晶体尺寸
Figure DEST_PATH_IMAGE001
从表1可以看出，流化床中磷酸盐的去除效率和蓝铁石尺寸主要受下部流化床上升流速的影响，磷酸盐的去除效率和蓝铁石尺寸都随第一段上升流速的升高先增加后减少。上部流化床上升流速对磷酸盐的去除效率和蓝铁石尺寸不大。各个实例都表明，本发明提供的方法，使用两段式流化床作为处理设备，都能实现90%以上的磷酸盐去除效率和生成500 μm以上的大尺寸蓝铁石。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本发明的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。

Claims (8)

1.基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的方法，其特征在于，通过基于厨余垃圾水热炭化液制备大尺寸蓝铁石的系统制备，系统包括调节池、三价铁源池、两段式流化床、回流池和排空管；调节池和三价铁源池分别通过泵和阀门与两段式流化床底部连接；两段式流化床下部流化床水平面上的尺寸小于上部流化床水平面上的尺寸，两段式流化床顶部设有溢流口、溢流口与回流池通过管道连接，两段式流化床底部通过阀门与排空管连接，两段式流化床设有厌氧污泥投加口；回流池底部通过泵和阀门与两段式流化床底部连接，回流池顶部设有溢流排放口；
包括以下步骤：
（1）在调节池将厨余垃圾水热炭化液的pH调至6.0~7.5；
（2）调节pH值后的厨余垃圾水热炭化液从底部进入两段式流化床，控制下部流化床内的上升流速为60~120 m/h，上部流化床内的上升流速为4~10 m/h；
（3）在流化床中接种厌氧污泥；
（4）三价铁源池内的铁盐溶液从底部进入两段式流化床；
（5）反应后的厨余垃圾水热炭化液从第二段流化床溢流出水，出水通过重力自流至回流池，部分出水从回流池由泵输送回流到反应器底部进入反应器，部分出水从回流池顶部溢流排放；
（6）反应一段时间后，关闭调节池、三价铁源池和回流池与两段式流化床连接的泵和阀门，打开排空管与两段式流化床连接的阀门，从排空管排出污泥和蓝铁石晶体混合物，分离获得大尺寸蓝铁石晶体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中下部流化床水力停留时间为2~24 h，上部流化床水力停留时间为12~36 h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述的厌氧污泥为厌氧消化污泥或者厌氧氨氧化污泥，加入厌氧污泥后反应器中污泥浓度为1000~5000 mg MLSS/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中所述铁盐为氯化铁或硫酸铁，铁盐的投加量以铁的摩尔浓度计，为厨余垃圾水热炭化液中磷酸盐摩尔浓度的2~4倍。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）回流流量为进水流量的10~25倍，进水流量指调节池水热炭化液和三价铁源池铁盐溶液进入两段式流化床的流量之和。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）所述回流池的水力停留时间为5~15 min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调节池设有pH计。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，两段式流化床下部流化床和上部流化床均为圆柱体，两者之间为圆台过渡段。
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