CN105271625A

CN105271625A - 一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法

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Publication number: CN105271625A
Application number: CN201510489400.8A
Authority: CN
Inventors: 张冬梅; 刘洋; 沈豪祥; 林燕娟; 刘欢欣; 吴伟阳; 袁嘉淳; 李治龙
Original assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Current assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2035-08-12
Also published as: CN105271625B

Abstract

一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法，该方法包括：（1）对污泥进行压榨至污泥的含水率为75-80%；（2）将压榨后的污泥与水按1g/3-5ml比例重新混合浸泡2h；（3）对上述混合液进行搅拌和曝气，12-72h后对搅拌曝气后的混合液进行自然沉降；（4）将步骤（3）中上清液排入MAP沉淀反应器中通过投加镁盐溶液和磷盐溶液，调整P/Mg/N摩尔比1/1.2/1，用5MNaOH调节反应溶液pH值8.9±0.1，将沉淀后上清液排入厌氧调节池，沉淀排放到分离回收装置回收沉淀；（5）将步骤（4）中MAP沉淀后的上清液和步骤（3）中自然沉降后的沉淀底泥分别排入厌氧调节池，进一步发酵产甲烷回收能源。本发明操作方便易行，没有引入新的化学物质，运行成本低。

Description

一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法

技术领域

本发明涉及一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法，实现污水处理厂从剩余活性污泥中高效回收资源、能源目标，属于剩余活性污泥处理和资源化技术领域，是一种清洁生产新技术。

背景技术

全国约86.2%的污水处理厂采用活性污泥法，在处理过程中产生的剩余活性污泥体积比约占污水处理总量的0.3%～0.5%，处理处置费用通常占到污水处理操作成本的40%-60%以上。现阶段普遍采用的处理方式以垃圾场填埋处置或在污水厂厌氧消化处理为主。对污泥脱水进行填埋处置需要的填埋场地大、污泥运输费用高，并且易产生地下水污染和臭气散逸等二次污染问题；而单纯的针对活性污泥的厌氧消化工艺未对其资源回收利用。活性污泥中的有机物含量在60%左右，生物易降解有机组分在40%以上，磷约占污泥干重的5.0％，氮元素的含量更为丰富约8-9.3％，因此活性污泥中蕴藏着极大的资源，处理处置中应首先考虑资源和能源的回收利用。

经济高效的预处理方式对提高污泥资源化能源化利用有非常重要的作用。目前报道的污泥预处理方法有微波法、超声波法、加热法、冻融法、高压均质法、珠磨法、臭氧氧化法、湿式氧化法、酸法和生物破解法即酶法等等，对污泥的破解作用各有特点，但实践应用时对设备要求高，存在操作复杂和安全隐患等问题，很多技术难以实施工程应用。中国发明专利“污泥碳源两级碱性水解酸化回收方法”（CN101708932B），中国发明专利“碱解预处理—磷酸铵镁法回收磷氮—厌氧消化产甲烷的集成工艺处理剩余污泥的方法”（201310708860.6）利用碱解预处理对剩余活性污泥进行资源化利用，碱解方式预处理能促进污泥融胞释放氮磷，对污泥减量化有较好的效果，但碱处理后污泥液色度均很重，例如经过5%NaOH处理污泥后上清液呈现黑褐色，而且碱处理中含有大量的Na⁺、OH^-等造成上清液盐度大、碱性高，会增大后续处理出水色度、盐度，不利于废水达标排放，特别是处理液pH值高，不利于后续的厌氧消化处理，无法实现综合的污泥处理处置和资源化利用。

本发明利用污水厂对污泥进行减量化处理的机械脱水设施，即污水厂常用机械脱水设备：板框压滤机、真空过滤机、带式压滤机和离心机等，对污泥进行过滤压榨，机械力的作用会造成污泥颗粒挤压破解，污泥絮体结构被破坏，微生物细胞裂解，胞内物质流出。发明人发现将机械压榨过的污泥与水重新混合后发生融胞释放氮磷等物质的现象，特别是在微曝气搅拌作用下其融胞释放氮、磷浓度远高于碱解法中氮、磷最大释放浓度，可溶性有机物（SCOD）也提高约70%，为后期厌氧产甲烷效率提高起到重要作用。因此改变污泥处理工艺路线，用“污泥压榨脱水-再混合-曝气搅拌-MAP沉淀-厌氧发酵”的技术路线对剩余活性污泥进行资源化再利用，能克服碱解处理的缺陷，将氮磷资源与甲烷能源回收率提高2-3倍，最终污水厂每年污泥排放体积减少70-90%，是一种清洁高效从污泥中回收资源能源的新技术。与其他处理技术相比，本发明利用污水厂现有设施达到污泥再利用的目标，操作方便易行，与酸、碱处理液相比，没有引入新的化学物质，处理液与原污水颜色相近，且污泥资源与能源的回收使污水厂运行成本降低20-40%，达到污水厂实施清洁生产的目标。

发明内容

目前污水处理厂缺乏剩余活性污泥资源化、能源化回收再利用的技术工艺，与实施清洁生产还有很大的差距，本发明提供一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法。

改变目前污泥处理工艺路线，利用污水厂机械脱水设施作为污泥破解方法，将机械脱水后的压榨污泥与水再以一定的质量体积比混合浸泡，通过对曝气搅拌方式特殊设计将污泥氮磷物质释放到混合液中，可使混合液氮磷浓度分别高达420-490mg/L和120-210mg/L以上，超过碱解工艺中30-180mg/L 和 20-150 mg/L氨氮和正磷酸盐浓度。对混合液氮磷进一步利用MAP沉淀法和中国专利201420458242.0“一种对废水磷氮进行鸟粪石资源化回收的装置”对此氮磷沉淀进行分离回收作为缓释肥利用，氨氮的回收率为86-95%，溶解性磷的回收率是90-99%，对污泥总氮磷的回收率40-60%，均高于碱解处理工艺氮磷回收率。回收氮磷后将污泥进一步通过厌氧发酵产甲烷回收能量，甲烷最大比产气率高达1.03-1.38 L/（g·VS），高于常用厌氧工艺甲烷产率。将甲烷气体燃烧产热或发电能以及氮磷的高效回收可有效降低污水厂20-40%运行成本。剩余活性污泥经过本发明循环利用后，最终每年污泥排放体积减少70-90%，是一种清洁高效从污泥中回收资源能源的新技术，实现了污水处理厂清洁生产的理念。

基于上述，本发明提供一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法，该方法包括：

（1）对污泥进行压榨至污泥的含水率为75-80%；

（2）将压榨后的污泥与水按1g/3-5ml比例重新混合浸泡2h；

（3）对上述混合液进行搅拌和曝气，12-72h后对搅拌曝气后的混合液进行自然沉降；

（4）将步骤（3）中上清液排入MAP沉淀反应器中通过投加镁盐溶液和磷盐溶液，调整P/Mg/N摩尔比1/1.2/1，在搅拌的条件下，用5MNaOH调节反应溶液pH值8.9±0.1，使上清液中氮磷发生MAP沉淀反应，将沉淀后上清液排入厌氧调节池，沉淀排放到分离回收装置回收沉淀；

（5）将步骤（4）中MAP沉淀后的上清液和步骤（3）中自然沉降后的沉淀底泥分别排入厌氧调节池，通过混合利用沉淀底泥中的碱将混合液pH值调节至7.9-8.5后排入厌氧反应器，进一步发酵产甲烷回收能源。

在步骤（3）中，搅拌速率150-400rpm，搅拌方式为每转10秒停5秒，曝气量为3L/L∙min。

在步骤（3）中，测定自然沉降后的上清液中氨氮和溶解性磷的浓度分别达到420-490mg/L和120-210mg/L，SCOD在3500-6400mg/L，再将上清液排入MAP沉淀反应器。

在步骤（4）中，搅拌方式为800rpm搅拌5分钟后，降为200rpm搅拌15分钟，停止搅拌后沉淀2-3h。

所述镁盐溶液的质量百分比浓度为17%，所述镁盐溶液为MgCl₂溶液、MgSO₄溶液和MgO溶液中的一种；所述磷盐溶液的质量百分比浓度为5%，所述磷盐溶液为NaH₂PO₄溶液、Na₂HPO₄溶液、Na₃PO₄溶液、KH₂PO₄溶液和K₂HPO₄溶液中的一种。

对污泥进行压榨的机械设备为污水处理厂对污泥进行机械脱水的各类装置，如真空过滤机、板框压滤机、带式压滤机或离心机。对污泥进行过滤压榨，机械力的作用会造成污泥颗粒挤压破解，污泥絮体结构被破坏，微生物细胞裂解，胞内物质流出。

上述中，与污泥混合用水可以是污水厂二沉池排水，这样可节约污水厂新鲜水用量，同时减少污水排放总量。

上述中，所述剩余污泥为城市污水处理厂的二沉池或贮泥池中剩余活性污泥、浓缩池污泥、脱水污泥和厌氧消化污泥，包括经过处理的剩余污泥；所述处理包括酸、碱、热、臭氧、超声中的一种以上。

对上述泥水混合液进行搅拌和曝气，进一步使污泥颗粒融胞破解、促进污泥胞外聚合物剥离或污泥细胞破碎释放溶解性氮磷、可溶性有机碳、多糖、蛋白质等进入混合液中。

所述的厌氧反应器为完全混合式厌氧反应器、上流式厌氧污泥床、厌氧滤池、厌氧挡板反应器、厌氧膨胀颗粒污泥床或厌氧序批式反应器。反应器正常运转后每次进料的料液比1/3-1/5，COD去除率85-90%以上，甲烷最大比产气率达到1.03-1.38 L/（g·VS）。厌氧反应器中污泥最终再经过机械脱水后进行填埋处理，与初始机械脱水后剩余活性污泥相比，VSS减少80-90%，每年最终污泥排放体积减少70-90%。极大地降低污水厂污泥处理处置费用，甲烷气体燃烧产热或发电能以及氮磷的高效回收可有效降低污水厂20-40%运行成本，实现了污水处理厂清洁生产的理念。

本发明具有以下的积极效果：

（1）为污水处理厂提供整套对剩余活性污泥再利用的清洁生产技术路线，弥补目前污水厂对剩余活性污泥利用的技术缺陷。与目前碱解工艺相比，充分实现对污泥中氮磷资源与能源高效回收利用的目标，且不引入新的污染物，具有显著的经济效益、环境效益。

（2）利用污水厂机械脱水设备达到污泥融胞释放氮磷的效果，不加入酸、碱等化学物质，将脱水后的污泥与水按1g/3-5ml比例重新混合后浸泡2h，对氮磷释放浓度分别高达370-550mg/L和170-300mg/L以上，高于碱解预处理中30-180mg/L 和 20-150 mg/L氨氮和正磷酸盐浓度，并且与污泥混合用水为污水厂二沉池排水，极大程度节约污水厂新鲜水用量、同时减少污水排放总量。

（3）本发明将压榨污泥与水重新混合经搅拌曝气后底泥再与MAP沉淀后上清液混合，有效达到调节厌氧发酵进水pH值的目的，利用污泥自身的碱中和能力，节省酸用量，克服了碱解处理后污泥pH值高，需加酸调节的一大缺陷。

（4）本发明技术路线处理后最终排放的污泥与初始剩余活性污泥相比，VSS减少80-90%，最终排放体积减少70-90%，比现有工艺能极大地降低污泥处理费用。

具体实施方式

实施例一：

将城市污水处理厂二沉池的剩余活性污泥经过离心机脱水作用，污泥含水率78.1%，此污泥100g与400mL二沉池出水在搅拌曝气池混合，开启曝气装置调节气量3L/L∙min，开启搅拌装置控制搅拌速率300rpm，搅拌方式为脉冲间歇式即每转10秒停5秒。在处理时间分别为12h、24h、48h、72h、90h、110h时取样分析，测定上清液中溶解性氮磷浓度，在处理时间12h时分别为428.8mg/L和120.9mg/L，SCOD为3806.7mg/L。随着处理时间的延长，72h时氨氮浓度为458.2mg/L，溶解性磷浓度达到199.2mg/L，SCOD为5842.6mg/L。

将此混合液沉淀后，出水排入MAP沉淀反应器中，投加5%Na₃PO₄溶液和17%MgCl₂溶液，使P/Mg/N摩尔比为1/1.2/1，用5MNaOH调节反应溶液pH值9.0，在投加药剂时进行搅拌，搅拌方式为800rpm搅拌5分钟后、降为200rpm搅拌15分钟，停止搅拌后沉淀3h，上清液中氨氮的回收率是89%，溶解性磷的回收率是93.9%。对生成的沉淀用中国专利201420458242.0“一种对废水磷氮进行鸟粪石资源化回收的装置”进行分离回收，测得沉淀中磷酸铵镁含量在93.3%以上。

将上述搅拌曝气后底泥和MAP沉淀后上清液在厌氧调节池中混合，混合液pH值8.37，再排入厌氧序批式反应器，接种厌氧污泥启动反应器，反应器正常运转后每次进料的料液比1/3-1/5，COD去除率85-90%以上，甲烷最大比产气率1.13-1.27 L/（g·VS）。厌氧反应器中排出污泥最终再经过机械脱水后进行填埋处理，与初始剩余活性污泥相比，VSS减少80-90%，排放体积减少70-90%。极大地降低污泥处理处置费用，实现了污水处理厂清洁生产的理念。

同时进行污泥碱解处理对比工艺，取二沉池剩余活性污泥各400ml分装入1000ml广口试剂瓶中，分别加入5%NaOH溶液，在处理时间分别为12h、24h、48h、72h、90h、110h时分取少量碱处理液并对其进行离心分离，然后测定上清液中溶解性氮磷浓度分别为67.5mg/L和70.1mg/L，远低于本发明中氮磷浓度。在处理12h后碱的处理液色度均很重，呈现黑褐色，而本发明曝气搅拌池中上清液与原污水颜色相近。碱处理中含有大量的Na⁺、OH^-离子造成上清液盐度大，会增大后续处理出水色度、盐度，不利于废水达标排放。

本发明操作简便易行，没有引入新的化学物质，与碱处理液相比，污泥氮磷回收率被极大地提高，且最终经过厌氧产甲烷回收大量能源，使污泥最终排放体积减少70-90%，极大地降低污泥处理处置费用，实现了污水处理厂清洁生产的理念。

实施例二：

将城市污水处理厂二沉池的剩余活性污泥经过离心机脱水作用，污泥含水率78.1%，此污泥300g与1200mL二沉池出水在搅拌曝气池混合，开启曝气装置调节气量3L/L∙min，开启搅拌装置控制搅拌速率300rpm，搅拌方式为脉冲间歇式即每转10秒停5秒。在处理时间分别为12h、24h、48h、72h、90h、110h时取样分析，测定上清液中溶解性磷氮浓度，在处理时间12h时分别为430.5mg/L和122.4mg/L，SCOD为3901.2mg/L，随着处理时间的延长，72h时氨氮浓度为468.1mg/L，溶解性磷浓度达到219.2mg/L，SCOD为6012.6mg/L。

将此混合液沉淀后，出水排入MAP沉淀反应器中，投加5%Na₃PO₄溶液和17%MgCl₂溶液，使P/Mg/N摩尔比为1/1.2/1，用5MNaOH调节反应溶液pH值8.95，在投加药剂时进行搅拌，搅拌方式为800rpm搅拌5分钟后、降为200rpm搅拌15分钟，停止搅拌后沉淀3h，上清液中氨氮的回收率是87.4%，溶解性磷的回收率是94.1%，。对生成的沉淀用中国专利201420458242.0“一种对废水磷氮进行鸟粪石资源化回收的装置”进行分离回收，测得沉淀中磷酸铵镁含量在94.5%以上。

将上述搅拌曝气后底泥和MAP沉淀后上清液在厌氧调节池中混合，混合液pH值8.29，再排入厌氧序批式反应器，接种厌氧污泥启动反应器，反应器正常运转后每次进料的料液比1/3-1/5，COD去除率85-90%以上，甲烷最大比产气率1.18-1.38 L/（g·VS）。厌氧反应器中污泥最终再经过机械脱水后进行填埋处理，与初始剩余活性污泥相比，VSS减少80-90%，排放体积减少70-90%。极大地降低污泥处理处置费用，实现了污水处理厂清洁生产的理念。

同时进行污泥碱解处理对比工艺，取二沉池剩余活性污泥各800ml分装入2000ml广口试剂瓶中，分别加入5%NaOH溶液，在处理时间分别为12h、24h、48h、72h、90h、110h时分取少量碱处理液并对其进行离心分离，然后测定上清液中溶解性氮磷浓度分别为72.5mg/L和68.2mg/L，远低于本发明中氮磷浓度。在处理12h后碱的处理液色度均很重，呈现黑褐色，而本发明曝气搅拌池中上清液与原污水颜色相近。碱处理中含有大量的Na⁺、OH^-离子造成上清液盐度大，会增大后续处理出水色度、盐度，不利于废水达标排放。

Claims

1. 一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法，其特征在于，该方法包括：

（1）对污泥进行压榨至污泥的含水率为75-80%；

（2）将压榨后的污泥与水按1g/3-5ml比例重新混合浸泡2h；

2.根据权利要求1所述的一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法，其特征在于，步骤（1）中对污泥进行压榨的机械设备为真空过滤机、板框压滤机、带式压滤机或离心机。

3.根据权利要求1所述的一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法，其特征在于，在步骤（3）中，搅拌速率150-400rpm，搅拌方式为每转10秒停5秒，曝气量为3L/L∙min。

4.根据权利要求1所述的一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法，其特征在于，在步骤（3）中，测定自然沉降后的上清液中氨氮和溶解性磷的浓度分别达到420-490mg/L和120-210mg/L，SCOD在3500-6400mg/L，再将上清液排入MAP沉淀反应器。

5.根据权利要求1所述的一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法，其特征在于，在步骤（4）中，搅拌方式为800rpm搅拌5分钟后，降为200rpm搅拌15分钟，停止搅拌后沉淀2-3h。

6.根据权利要求5所述的一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法，其特征在于，所述镁盐溶液的质量百分比浓度为17%，所述镁盐溶液为MgCl₂溶液、MgSO₄溶液和MgO溶液中的一种；所述磷盐溶液的质量百分比浓度为5%，所述磷盐溶液为NaH₂PO₄溶液、Na₂HPO₄溶液、Na₃PO₄溶液、KH₂PO₄溶液和K₂HPO₄溶液中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种提高剩余活性污泥资源能源回收率的清洁生产方法，其特征在于，在步骤（6）中，所述的厌氧反应器为完全混合式厌氧反应器、上流式厌氧污泥床、厌氧滤池、厌氧挡板反应器、厌氧膨胀颗粒污泥床或厌氧序批式反应器。