CN117125866A - 从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺。该工艺包括以下步骤：(1)污泥组分分离预处理；(2)有机质与泥砂的分离；(3)有机组分厌氧消化；(4)金属混凝剂与磷的分离；(5)金属混凝剂回收；(6)鸟粪石回收。本发明采用酸化联合多级水洗对污泥进行预处理，使污泥中有机质、氮磷、金属混凝剂、泥砂等组分高效分离，后续针对污泥中的不同组分进行单独或联合回收策略，与现有技术相比，本发明克服了现有技术无法同时实现污泥中有机质、氮、磷、金属混凝剂、泥砂组分回收的要求，通过强化污泥组分分离，实现污泥中不同组分的高效资源化。
Description
技术领域
本发明涉及污泥资源化技术领域，尤其是涉及一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺。
背景技术
随着中国经济的高速发展以及城市化建设日趋完善，市政污水产生量也逐年增加。污泥作为污水处理厂的副产物，产量也随之迅速增加，我国现阶段已经面临巨大的污泥处理处置压力。污泥具有资源性与有害性的双重属性。因此，污泥的安全处理与资源化作为污水处理的最后一程是加速我国污水处理行业双碳目标实现的重要抓手，也是我国经济模式从传统的资源消耗型向可持续发展转变的重要环节。
厌氧消化技术已经被证实是实现污泥处理过程碳减排和能量回收的最有效手段，在实现污泥处理达到减量化、稳定化和无害化的目标的同时，产生的大量高热值的沼气，有效实现了污泥中生物质能源的回收，因此具有广阔的应用前景。污泥中除了含有大量有机物外，还含有丰富的氮、磷、金属混凝剂等资源。其中氮磷的回收可以显著降低工业制氮、磷肥的需求，在缓解资源短缺问题的同时降低工业生产的能量和物质消耗。另外，污泥中金属混凝剂的回收则可以减少污泥体积，同时可在污水处理中循环利用，有利于减少污水处理厂的药剂投加成本。因此，从污泥中回收氮磷、金属混凝剂已经成为环保行业关注的热门话题。
污泥中多种组分的资源化回收与利用已经成为可持续发展的方向。然而，污泥是一种有机-无机组分互相交联、非均相的复杂混合体系。另外我国污水厂产生的污泥中有机质含量低的特点，进而导致污泥厌氧消化效率受限，生物质能源的回收效率降低。因此，对污泥进行组分分离预处理，然后根据不同组分的理化特性进行分级分相回收是实现污泥全面资源化的有效途径。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术无法同时实现污泥中有机质、氮、磷、金属混凝剂、泥砂组分高效回收的要求而提供一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，本发明采用酸化联合多级水洗对污泥进行预处理，使污泥中有机质、氮磷、金属混凝剂、泥砂等组分高效分离，后续针对污泥中的不同组分进行单独或联合回收策略，通过强化污泥组分分离，实现污泥中不同组分的高效资源化。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，该工艺包括以下步骤：
(1)污泥组分分离预处理：对污泥进行组分分离预处理，分别收集污泥相与上清液相；
(2)污泥组分分离处理：将步骤(1)中产生的污泥相进行旋流除砂，分别收集无机泥砂和有机污泥；
(3)有机组分厌氧消化：将步骤(2)中产生的有机污泥进行厌氧消化处理，将有机污泥转化为清洁燃气，并且收集厌氧消化处理过程中产生的沼渣和沼液；
(4)金属混凝剂与磷的分离：向步骤(1)中投加阳离子交换树脂，搅拌后进行固液分离，分别收集含磷的液相组分和吸附交换了铝、铁盐混凝剂的树脂相；
(5)金属混凝剂回收：向步骤(4)中收集的树脂相中投加再生溶液使树脂再生，得到了富含铝、铁盐的酸性溶液与再生阳离子交换树脂，再生阳离子交换树脂回收利用于步骤(4)；
(6)鸟粪石回收：将步骤(4)中产生的含磷上清液与步骤(3)中产生的沼液混合，向其中投加镁盐，分别收集鸟粪石结晶沉淀和上清液，过滤后得到的鸟粪石结晶沉淀用于氮磷回收。
进一步地，步骤(1)中，所述污泥为污水处理厂浓缩池产生的浓缩污泥，污泥含水率大于97％。
进一步地，步骤(1)中，所述预处理包括酸化、多级水洗和固液分离。
上述更进一步地，向污泥中投入一定量的酸溶液，调节污泥pH，然后进行多级水洗后进行固液分离，分别收集污泥相与上清液相。
上述更进一步地，所述酸溶液为硫酸、盐酸或有机酸中的任意一种或几种。
上述更进一步地，所述pH为1.5～2.5。
上述更进一步地，所述多级水洗过程中，投加的是自来水或污水厂产生的二沉池出水，加水量为污泥体积的2～5倍。
进一步地，步骤(2)中，所述无机泥砂组分采用板框脱水处理，后续用于建材制备。
进一步地，步骤(3)中，所述沼渣添加至步骤(1)中重新进行污泥组分分离处理。
进一步地，步骤(3)中所述厌氧消化处理的发酵条件为：步骤(2)中产生的有机污泥与实验室培养的厌氧消化污泥按TS质量比为1：(0.5-1)混合，发酵pH为6.8～7.3，发酵温度为30-40℃，发酵时间为10-30天。
进一步地，步骤(4)中所述阳离子交换树脂选自氢型阳离子交换树脂、钠型阳离子交换树脂或螯合树脂中的一种或几种，投加量为10～20g/L。
进一步地，步骤(5)中所述再生溶液为2M的氯化钠和盐酸溶液，再生条件为200rmp搅拌12小时。
进一步地，步骤(5)中所述富含铝、铁盐的酸性溶液可回用至污水处理系统中用作金属混凝剂。
进一步地，步骤(6)中，所述镁盐种类为MgCl2·H2O。
进一步地，步骤(6)中，将步骤(4)中产生的含磷上清液与步骤(3)中产生的沼液按比例混合，向其中投加镁盐，并采用氢氧化钠溶液调节pH值为8～10，混合后体系中Mg:P与NH4:P的摩尔比为(1.2-1.4):1；
沉淀完全后进行固液分离，分别收集鸟粪石结晶沉淀和上清液，过滤后得到的鸟粪石结晶沉淀用于氮磷回收，剩余上清液作为碳源回流至污水处理厂中。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)厌氧消化效率高：污泥经过酸化联合多级水洗预处理后，及旋流除砂处理后，污泥中有机质含量提高了15％以上，且污泥细胞发生破解，释放胞内物质，进而有效提高了厌氧消化过程中底物的利用效率，提高甲烷产量；
(2)氮磷同步回收：污泥组分分离、金属混凝剂与磷的分离两个过程中，实现了污泥中磷的高效释放，同时避免了与金属混凝剂共沉淀的影响，此外，污泥消化产生的沼液中氨含量高，因此污泥中磷组分与沼液联合回收鸟粪石可以减少化学药剂的投加，实现氮磷的同步回收；
(3)金属混凝剂回收率高：污泥组分分离实现了铁、铝盐的溶出与转移，后续在金属混凝剂与磷的分离过程中，阳离子交换树脂可以再生利用，且回收得到的富含铝、铁盐的酸性溶液可以作为混凝剂在后续污水处理厂中循环利用，有利于降低了污水处理的药剂消耗。
(4)消化副产物共处理：污泥厌氧消化产生的沼液、沼渣等在此工艺系统内可以实现资源利用与性质改善，其中沼渣返回至污泥组分分离处理后，沼渣有机质含量提高的同时脱水性能改善，沼液中的氨在与污泥中磷组分联合回收鸟粪石晶体的过程中实现了氮的回收；
(5)泥砂组分分离效率高：经过污泥组分分离处理后，污泥中的泥砂从胞外聚合物中释放，在后续的旋流除砂过程中，无机组分得到了有效的分离，后续可作为建材原料回收利用；
(6)低品质污泥的高效处理：本工艺及系统有利于解决低有机质含量污泥后续资源化与处理处置困难的问题，通过污泥组分分离实现了污泥的精准资源化。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，该工艺包括以下步骤：
(1)污泥组分分离预处理：向污泥中投入一定量的5M的硫酸溶液，搅拌使其充分混合至污泥pH为1.5～2.5，然后向其中加入二沉池出水进行多级水洗，加水量为污泥体积的2～5倍，反复水洗1～4次，搅拌使其充分混合后静置沉降，使其固液分离，分别收集污泥相与上清液相；
(2)污泥组分分离处理：将步骤(1)中产生的污泥相转移至旋流除砂机，实现污泥中有机质与泥砂的高效分离，分别收集无机泥砂和有机污泥，分离出的无机泥砂组分采用板框脱水处理，后续用于建材利用；
(3)有机组分厌氧消化：将步骤(2)中产生的有机污泥进行厌氧消化处理，将有机组分转化为清洁燃气，将步骤(2)中产生的有机污泥和实验室培养的厌氧消化污泥按TS质量比为1：(0.5-1)混合，之后调节pH至6.8～7.3，温度为37℃，厌氧发酵时间为10-30天；反应结束后收集厌氧消化处理过程中产生的沼渣和沼液，所述沼渣添加至步骤(1)中重新进行污泥组分分离处理；
(4)金属混凝剂与磷的分离：向步骤(1)中产生的上清液相中投加钠型阳离子交换树脂，投加量为10～20g/L，常温下在摇床上以200rpm震荡4h。反应结束后进行固液分离，分别收集含磷的液相组分和吸附交换了铝、铁盐混凝剂的树脂相。
(5)金属混凝剂回收：向步骤(4)中收集的树脂相中投加浓度为2M的氯化钠溶液和盐酸溶液，在200rmp转速下浸泡12h，反应结束后进行固液分离；固相为再生阳离子交换树脂，回收利用于步骤(4)；液相为富含铝、铁盐的酸性溶液，可作为金属混凝剂回用至污水处理中。
(6)鸟粪石回收：将步骤(4)中产生的含磷上清液与步骤(3)中产生的沼液按比例混合，向其中投加氯化镁溶液，并采用氢氧化钠溶液调节pH值至8～10，混合后体系中Mg:P与NH4:P的摩尔比约为(1.2-1.4):1。沉淀完全后进行固液分离，过滤得到鸟粪石结晶沉淀用于氮磷回收。
实施例2
本实施例所用的污泥为取自上海城投虹桥净水厂中二沉池产生的生化污泥，向其中投加一定量的聚合硫酸铝铁进行搅拌、静置后取下层浓缩污泥，其总固体(TS)和挥发性固体(VS)分别为30.67g/L和57.4％。下面结合图1对本发明的结合方式和具体实施方式作详细说明：
一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺包括三个主要处理单元，分别为污泥组分分离单元、厌氧消化单元、鸟粪石结晶回收单元。
在污泥组分分离单元中，污水厂产生的浓缩污泥进入污泥组分分离单元中进行预处理，向含水率大于97％的浓缩中加入5M的硫酸溶液，搅拌装置缓慢搅动，并检测其pH值控制在1.5～2.5，酸处理稳定30min后向其中加入污泥3～4倍体积的二沉池出水，水洗2～4次后静置沉淀、固液分离，分别收集污泥相与上清液相。其中，向上清液中加入钠型阳离子交换树脂，在200rmp转速下反应4h，反应结束后进行固液分离，液相进入鸟粪石回收单元，固相加2M氯化钠和盐酸进行树脂再生，反应条件为200rmp反应12h。反应结束后进行再次固液分离，液相组分作为混凝剂回用至污水处理系统中，固相组分为再生树脂循环利用。污泥组分分离产生的泥相进行旋流除砂处理，分别收集有机组分与无机泥砂，无机泥砂脱水处理后用作建材原料。
在污泥厌氧消化单元中，将污泥组分分离后产生的有机污泥和接种污泥(所述接种污泥为实验室培养的厌氧消化污泥)按TS质量比为1：(0.5-1)混合，之后调节pH至6.8～7.3，温度为37℃，厌氧发酵时间为10-30天。反应结束后分别收集沼液和沼渣。其中沼渣返回至前端污泥组分分离单元中进行处理，经过处理后的污泥板框脱水后进行焚烧、堆肥等最终处置。沼液则进入鸟粪石晶体回收单元。
在鸟粪石结晶回收单元中，污泥组分分离单元产生的含磷上清液与污泥厌氧消化单元产生的沼液在鸟粪石结晶回收单元中混合，并向其中投加氯化镁溶液与氢氧化钠溶液，调节其混合体系的pH值为8～10，混合后体系中Mg:P与NH4:P的摩尔比均为(1.2-1.4):1。经过充分反应静置沉降4h，固液分离后收集底部的鸟粪石晶体，剩余尾水作为碳源回流至污水处理厂中。
对比例1
与实施例2的不同之处在于，污泥未进行组分分离预处理直接进行厌氧消化，其中污泥和接种污泥按TS质量比为1：(0.5-1)混合，之后调节pH至6.8～7.3，温度为37℃，厌氧发酵时间为10-30天。厌氧消化产生的沼渣经过板框脱水后进行最终处置。
与对比例1相比，实施例2中污泥有机质含量从57.4％可提高至72％，厌氧过程中单位有机质甲烷产量提高1.7倍，沼渣脱水性能改善，泥饼含水率从82％降低至70％。此外，实施例2中磷回收率为51％，金属混凝剂回收率为80％，泥砂的去除率为63％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
(1)污泥组分分离预处理：对污泥进行组分分离预处理，分别收集污泥相与上清液相；
(2)污泥组分分离处理：将步骤(1)中产生的污泥相进行旋流除砂，分别收集无机泥砂和有机污泥；
(3)有机组分厌氧消化：将步骤(2)中产生的有机污泥进行厌氧消化处理，将有机污泥转化为清洁燃气，并且收集厌氧消化处理过程中产生的沼渣和沼液；
(4)金属混凝剂与磷的分离：向步骤(1)中投加阳离子交换树脂，搅拌后进行固液分离，分别收集含磷的液相组分和吸附交换了铝、铁盐混凝剂的树脂相；
(5)金属混凝剂回收：向步骤(4)中收集的树脂相中投加再生溶液使树脂再生，得到了富含铝、铁盐的酸性溶液与再生阳离子交换树脂，再生阳离子交换树脂回收利用于步骤(4)；
(6)鸟粪石回收：将步骤(4)中产生的含磷上清液与步骤(3)中产生的沼液混合，向其中投加镁盐，分别收集鸟粪石结晶沉淀和上清液，过滤后得到的鸟粪石结晶沉淀用于氮磷回收。
2.根据权利要求1所述的一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述污泥为污水处理厂浓缩池产生的浓缩污泥，污泥含水率大于97％。
3.根据权利要求1所述的一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述预处理包括酸化、多级水洗和固液分离。
4.根据权利要求3所述的一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，其特征在于，向污泥中投入一定量的酸溶液，调节污泥pH，然后进行多级水洗后进行固液分离，分别收集污泥相与上清液相；
所述酸溶液为硫酸、盐酸或有机酸中的任意一种或几种；
所述pH为1.5～2.5；
所述多级水洗过程中，投加的是自来水或污水厂排出的处理后的水，加水量为污泥体积的2～5倍。
5.根据权利要求1所述的一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述无机泥砂组分采用板框脱水处理。
6.根据权利要求1所述的一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述沼渣添加至步骤(1)中重新进行污泥组分分离处理。
7.根据权利要求1所述的一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，其特征在于，步骤(3)中所述厌氧消化处理的发酵条件为：步骤(2)中产生的有机污泥与实验室培养的厌氧消化污泥按总固体含量比为1：(0.5-1)的质量比混合，发酵pH为6.8～7.3，发酵温度为30-40℃，发酵时间为10-30天。
8.根据权利要求1所述的一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，其特征在于，步骤(4)中所述阳离子交换树脂选自氢型阳离子交换树脂、钠型阳离子交换树脂或螯合树脂中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，其特征在于，步骤(5)中所述再生溶液为浓度为2M的氯化钠溶液和盐酸溶液，再生条件为200rmp搅拌12小时；
步骤(5)中所述富含铝、铁盐的酸性溶液可回用至污水处理系统中用作金属混凝剂。
10.根据权利要求1所述的一种从污泥组分中分离回收生物质、金属混凝剂以及氮磷的工艺，其特征在于，步骤(6)中，所述镁盐种类为MgCl2·H2O；
将步骤(4)中产生的含磷上清液与步骤(3)中产生的沼液按比例混合，向其中投加镁盐，并采用氢氧化钠溶液调节pH值为8～10，混合后体系中Mg:P与NH4:P的摩尔比为(1.2-1.4):1，沉淀完全后进行固液分离，分别收集鸟粪石结晶沉淀和上清液，过滤后得到的鸟粪石结晶沉淀用于氮磷回收，剩余上清液作为碳源回流至污水处理厂中。
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