CN108423957A - 一种实现污泥分质分相资源回收的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现污泥分质分相资源回收的方法，创造性地提出“两级高含固热水解+同步固液分离+液体高效产甲烷/固体干式厌氧发酵+土地利用”的方法。与现有技术相比，本发明能够有效地实现污泥中可降解有机物与难降解有机物和无机物分质以及固液分相高效处理，富含高有机质热水解液采用两级UASB高效厌氧反应器进行厌氧消化，大大缩短停留时间，消化罐体积明显减小，显著提高有机质厌氧消化的转化效率；同时利用高温条件在不加药情况下实现热水解污泥高干脱水，泥饼脱水性能和品质均得到明显改善，显著降低污泥处理处置过程能耗物耗水平，最终脱水泥饼利用自身余热进行干式厌氧发酵以回收沼气能源并实现泥饼稳定化，出料进行土地利用。

Description

一种实现污泥分质分相资源回收的方法
技术领域
本发明属于污水污泥处理技术领域，尤其是涉及一种实现污泥分质分相资源回收的方法。
背景技术
随着我国城镇化和污水处理的发展，污泥产量已经达到4300万吨/年(以含水率80％计)。而污泥聚集了污水中60％COD、40％N和90％P，含有丰富的能源和资源，但同时也是污染物，如果污泥没有得到安全有效处理处置，则污水处理减排目标将大大折扣。而且随着全球P资源的耗尽，人们也日益关注污泥中P资源的回收。
厌氧消化由于能够实现污泥的稳定化与减量化，同时实现生物质能(沼气)回收，是世界上污泥处理处置的主流技术。然而，传统厌氧消化由于其产气性能差、处理效率低、建设运行费用高等问题导致在国内应用受限，全国建成厌氧消化工程约60座，但是能够长期正常运行的不到15座，而污泥厌氧消化在欧洲和美国等发达国家占到60％以上，并且向自给自足型污水厂的方向发展。
针对传统厌氧消化效率低等瓶颈问题，近几年，以热水解预处理技术为代表的高级厌氧消化技术逐渐受到认同和推广，其中以Cambi和Veolia公司为主的商业规模热水解厌氧消化工程在国内外已经有75座在建或运行。热水解技术主要针对水解步骤是污泥厌氧消化限速步骤的瓶颈问题，通过高温高压预处理，降低污泥粘度，提高污泥含固率和有机负荷，缩短停留时间以达到提升厌氧消化性能的目的，同时改善脱水性能，并达到沼渣A级卫生化标准。
但是，现有的热水解预处理+高含固污泥厌氧消化工艺也存在以下几个两方面的缺点：一方面，污泥经过热水解预处理已经实现了大部分可降解有机质的溶出，尽管可以提高厌氧消化含固率，停留时间从20d缩短至15d，但不可降解有机物和无机物同时进入厌氧消化罐，特别是对于我国低有机质污泥，不仅会造成反应器体积的浪费，还会导致消化效率的大大降低；另一方面，热水解技术最早用于提高污泥脱水性能，水热预处理后污泥脱水性能是大大改善的，污泥进行热水解后可以不用添加化学药剂直接实现高干脱水，且高温条件下脱水效果和热水解液有机质含量明显优于低温条件。而目前的研究和工程应用也表明，热水解污泥进行消化后沼渣脱水性能会相对变差，需要消耗大量的脱水药剂才能达到较好的脱水效果。
针对传统厌氧消化效率低的问题，目前开展的热水解预处理后直接进行高含固厌氧消化技术的研究较多，专利文献201210212065.3公开了一种基于热水解的污泥处理及综合利用方法，主要利用高温高压热水解技术对脱水污泥进行预处理，然后直接进行厌氧消化，并没有解决热水解污泥厌氧消化过程反应器体积大，停留时间长，消化效率受传质影响等问题。专利文献201110319442.9公开了一种高含固生物污泥连续热水解装置与方法，通过管式进料器、高温高压闪蒸反应釜和闪蒸蒸汽储汽罐组合进行污泥浆化-水热-高效厌氧消化，同时实现了闪蒸热能的高效回收利用。该方法虽然解决了传统厌氧消化含固率低、效率低的问题，但并没有真正实现污泥中可降解有机质的高效厌氧消化，特别对于我国低有机质污泥。另外，专利201410191714.5公开了一基于水热处理的连续式污泥脱水方法，该方法利用高温或超高温水热反应提升污泥脱水性能的优势，采用连续式挤压脱水同步实现热水解污泥固液分离，液体进行高效消化，同时利用高温滤液加热脱水污泥，但是该方法只考虑了脱水性能的提升，没有考虑到污泥热水解超过180度会产生类黑精等难降解物质，热水解液厌氧消化效率将大大降低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现污泥分质分相资源回收的方法，解决了传统污泥厌氧消化效率低、特别是低有机质污泥厌氧效率转化率低、现有热水解污泥固液混合消化反应器体积大、污泥中碳源和资源回收不足等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种实现污泥分质分相资源回收的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将脱水污泥依次进行预热浆化处理、一级热水解预处理和热交换处理后，进行分相处理，形成一级脱水泥饼和一级热水解液；
S2、一级脱水泥饼加水稀释后，依次进行浆化破碎处理、二级强化热水解预处理和热交换处理后，进行分相处理，形成二级脱水泥饼和二级热水解液；
S3、一级热水解液直接进行一级UASB厌氧消化，产生一级消化液，一级消化液和二级热水解液混合后进行UASB二级厌氧消化，产生二级消化液，二级消化液调节pH，并添加Mg盐进行氮磷回收，一级厌氧消化和二级厌氧消化过程中产生甲烷实现碳回收；二级脱水泥饼利用自身余热进行干式厌氧发酵，进一步回收甲烷，并将发酵产物进行土地利用。
优选地，预热浆化处理和浆化破碎处理利用热水解释放的蒸汽和热交换回收的能量进行，一级热水解预处理和二级强化热水解预处理所需蒸汽利用步骤S3的甲烷生产。
实际中，可以将一级热水解预处理释放的蒸汽和热交换回收的能量用于预热浆化处理，将二级加强热水解预处理释放的蒸汽和热交换回收的能量用于浆化破碎处理；由于一级脱水泥饼自身温度约为70-80℃，且稀释加水量较少，所以只需要部分二级热水解余热进行浆化破碎，也可以将多余的二级强化热水解预处理释放的蒸汽和热交换回收的能量用于预热浆化处理。
优选地，步骤S1中，脱水污泥在预热浆化处理和一级热水解预处理过程中的含固率为15～20％，预热浆化处理得到浆化污泥，浆化污泥的温度为80～90℃，经过浆化处理污泥粘度显著降低，一级热水解预处理得到一级热水解污泥，一级热水解预处理温度为160～165℃，停留时间10～30min，通过热交换处理使一级热水解污泥温度降至80～90℃后，在不加药的情况下直接以机械离心的方式进行分相处理，一级脱水泥饼含固率可达30～40％。
优选地，步骤S2中，一级脱水泥饼加水稀释后、浆化破碎处理以及二级强化热水解预处理过程中含固率为20～30％，浆化破碎处理得到浆化破碎污泥，浆化破碎污泥的温度为80～90℃，二级加强热水解预处理得到二级热水解污泥，二级加强热水解预处理温度为175～180℃，停留时间10～30min，通过热交换处理使二级热水解污泥温度降至50-60℃后，在不加药的情况下直接以板框压滤的方式进行分相处理，二级脱水泥饼含固率达50～60％。
优选地，步骤S3中，一级UASB厌氧消化温度为35～37℃，有机负荷为15～25g COD/L·d，水力停留时间为1.2～1.8d，一级消化液和二级热水解液按照二者产生的比例混合后进行UASB二级厌氧消化。二级UASB厌氧消化温度为35～37℃，有机负荷为8～15g COD/L·d，水力停留时间为2.2～2.8d。
优选地，步骤S3中，所述的二级消化液调节pH至8～9，添加Mg盐调节Mg:N:P比例1.2:1:1。
本发明创造性地提出“污泥两级高含固热水解+同步固液分离+液体高效产甲烷/高干固体生物干化土地利用”的方法，同时利用热水解在脱水性能提升以及有机质溶出两方面的优势，使热水解效应最大化。热水解液利用二级UASB反应器高效产甲烷，停留时间明显缩短，显著减小反应器体积，显著提高有机质厌氧消化的转化效率，同时利用热水解对PO4 3-和厌氧消化对氨氮的释放作用，对消化液中N、P资源进行鸟粪石回收，并且有效利用热水解污泥中能量回收，高含固热水解和传统热水解相比节约能耗，同时热交换能量用于预热浆化污泥，高温热水解液可节省厌氧消化过程加热能量消耗；同时利用高温条件在不加药的情况下实现热水解污泥高干脱水，泥饼脱水性能和品质均得到明显改善，显著降低污泥处理处置过程能耗物耗水平；脱水泥饼可利用自身余热实现干式厌氧发酵，最终实现土地利用。
具体地，本发明首先利用热水解释放蒸汽和热交换回收能量对脱水污泥进行预热浆化，浆化污泥再经过一级热水解预处理，促进污泥中胞外聚合物和细胞的分解和溶解作用，使污泥中蛋白和多糖等有机质大量溶出，然后采用热交换的方式对一级热水解污泥进行降温以实现能量回收，当温度降低至80～90℃时，采用不加药直接离心的方式对一级热水解污泥进行固液分离(分相处理)，以达到较好的脱水效果，一级热水解液直接采用UASB反应器进行一级高效厌氧消化，可以维持反应器加热保温所需能耗。一级脱水泥饼经加水稀释后，先采用高速搅拌机浆化破碎，然后进行二级强化热水解预处理，进一步溶出剩余固体污泥中有机质，二级热水解污泥在50～60℃条件下不加药直接进行板框压滤脱水，可实现污泥高干脱水。一级消化液与二级热水解液按一定比例混合进行二级UASB高效厌氧消化，消化液调节pH，并添加Mg盐进行鸟粪石氮磷回收，一级厌氧消化和二级厌氧消化过程中产生甲烷实现碳回收，从而实现污泥中C、N、P三种资源的高效回收。最终产生的二级脱水泥饼利用自身余热进行干式厌氧发酵以进一步回收沼气能源并实现泥饼稳定化，同时热水解过程保证了污泥中病原菌灭活，生物干化污泥满足卫生化要求，发酵产物经堆肥生物干化后进行土地利用。
本发明提供一种实现污泥分质分相资源回收的方法，通过两级高含固热水解预处理+固液分质分相高效回收利用，能够有效地实现污泥中可降解有机物与难降解有机物和无机物分质以及固液分相处理：
通过分质处理(两级高含固水热预处理+中间破碎处理)，经过两级热水解可实现污泥中40～60％有机质溶出，而惰性有机物和大部分无机物残留在固体泥饼中。通过分相处理，经过两级热水解后泥饼含固率可达到50～60％，大大节省后续处理处置规模和费用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用两级高含固热水解分质分相预处理方法，打破传统热水解工艺10～15％含固率的限制，实现超高含固率(TS＝15～30％)两级热水解，同时利用热水解在脱水性能提升以及有机质溶出两方面的优势，充分发挥热水解效应最大化。
(2)富含高有机质热水解液采用两级UASB高效厌氧反应器进行厌氧消化，显著提高污泥中有机质厌氧消化的转化效率，大大缩短停留时间，明显减小反应器体积，节省占地空间和投资费用。
(3)有效实现热水解***能量回收利用，热交换能量用于预热浆化污泥，高温热水解液可节省厌氧消化过程加热能量消耗，热水解污泥利用高温条件可实现不加药高干脱水，泥饼脱水性能和品质均得到明显改善。
(4)已实现卫生化处理的高温泥饼可利用自身余热进行干式厌氧发酵，进一步回收沼气能源并实现泥饼稳定化，发酵产物进行土地利用，显著降低污泥处理处置过程能耗物耗水平。
(5)同时利用热水解对PO4 3-和厌氧消化对氨氮的释放作用，对消化液中N、P资源进行鸟粪石回收，最终实现污泥中能源和资源的高效回收利用。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
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。
本发明针对传统污泥厌氧消化效率低、现有热水解污泥固液混合消化反应器体积大、污泥中碳源和资源回收不足等问题，提供一种实现污泥分质分相资源回收的方法，如图1所示。该方法包括以下步骤：
S1、将脱水污泥依次进行预热浆化处理、一级热水解预处理和热交换处理后，进行分相处理，形成一级脱水泥饼和一级热水解液；
S2、一级脱水泥饼加水稀释后，依次进行浆化破碎处理、二级强化热水解预处理和热交换处理后，进行分相处理，形成二级脱水泥饼和二级热水解液；
S3、一级热水解液直接进行一级UASB厌氧消化，产生一级消化液，一级消化液和二级热水解液混合后进行UASB二级厌氧消化，产生二级消化液，二级消化液调节pH，并添加Mg盐进行氮磷回收，一级厌氧消化和二级厌氧消化过程中产生甲烷实现碳回收；二级脱水泥饼利用自身余热进行干式厌氧发酵，进一步回收甲烷，并将发酵产物进行土地利用。
进一步地，预热浆化处理和浆化破碎处理利用热水解释放的蒸汽和热交换回收的能量进行，一级热水解预处理和二级强化热水解预处理所需蒸汽利用步骤S3的甲烷生产。
具体实施方式为：污水厂含固率为15-30％的脱水污泥，首先利用热水解释放蒸汽和热交换回收能量对脱水污泥进行预热浆化，得到浆化污泥(80～90℃)，经过浆化处理，污泥粘度显著降低。浆化污泥再泵入一级热水解预处理***(160～165℃，10～30min)进行一级热水解预处理形成一级热水解污泥，促使污泥絮体中蛋白和多糖等有机质的大量溶出，然后经过热交换处理，待一级热水解污泥温度降至80-90℃，在不加药的情况下采用直接离心的方式对热水解污泥进行固液分离，形成一级脱水泥饼和一级热水解液：
一级脱水泥饼含固率可达到30～40％，一级热水解泥饼经加水稀释至含固率20～30％后采用高速搅拌机(转速最高可达到40000rpm)破碎处理，然后泵入二级强化热水解预处理***(175～180℃，10～30min)进行二级强化热水解预处理得到二级热水解污泥，进一步溶出剩余固体污泥中有机质，然后经过热交换处理，待一级热水解污泥温度降至50-60℃，不加药直接进行板框压滤脱水，二级脱水泥饼含固率可进一步提高至50-60％。
一级热水解液先进行一级UASB强化产甲烷(一级UASB厌氧消化温度为35～37℃，有机负荷为15～25g COD/L·d，水力停留时间为1.2～1.8d)，产生的一级消化液再与二级热水解液按一定比例混合进行二级UASB高效厌氧消化(二级UASB厌氧消化温度为35～37℃，有机负荷为8-15g COD/L·d，水力停留时间为2.2～2.8d)，二级消化液调节pH，并添加Mg盐进行鸟粪石回收(可以加入NaOH调节pH至8～9，Mg:N:P比为1.2:1:1)，以同时实现污泥中C、N、P三种资源的高效回收。最终产生的热水解脱水泥饼利用自身余热进行干式厌氧发酵以进一步回收沼气能源并实现泥饼稳定化，发酵产物经堆肥或生物干化后进行土地利用。
实施例1
城市污水处理厂脱水污泥含固率TS为18％，VS/TS约为70％，加水稀释至含固率为15％，热水解释压蒸汽可将进料污泥加热至85℃左右，经过2h浆化处理，污泥粘度可降低至原泥的1/10以下，浆化污泥进入一级热水解反应器，热水解温度160℃，时间30min，热水解污泥温度降低至80℃，不加药直接进行离心脱水，泥饼含固率约为30％，一级热水解液SCOD可达70000mg/L。脱水泥饼加水采用高速搅拌破碎，破碎转速为30000rpm左右，并利用热水解蒸汽浆化处理，浆化污泥含固率为20％左右，进行二级强化热水解预处理，热水解温度为175℃，时间为30min，热水解污泥直接进行板框压滤脱水，泥饼含固率可达50％以上，二级热水解液SCOD为50000mg/L。一级UASB有机负荷为25g COD/Ld，HRT为1.8d，COD降解率可达60％以上，单位添加甲烷产率可达210mL CH4/gCODadd，二级UASB有机负荷为15g COD/Ld，HRT为2.8d，COD降解率可达80％以上，单位添加甲烷产率可达280mL CH4/gCODadd。消化液P浓度约为300mg/L，氨氮浓度约为1500mg/L，调节pH为9左右，添加MgCl2调节Mg:N:P比例为1.2:1:1，可回收消化液中80-90％P资源。脱水泥饼进行干式厌氧发酵，停留时间为6-8d，可进一步回收部分甲烷，同时实现泥饼稳定化，发酵产物经堆肥生物干化后进行土地利用。
实施例2
城市污水处理厂脱水污泥含固率TS为22％，VS/TS约为55％，加水稀释至含固率为16％，热水解释压蒸汽可将进料污泥加热至85℃左右，经过2h浆化处理，污泥粘度可降低至原泥的1/10以下，浆化污泥进入一级热水解反应器，热水解温度160℃，时间30min，热水解污泥温度降低至80℃，不加药直接进行离心脱水，泥饼含固率为35％，一级热水解液SCOD可达45000mg/L。脱水泥饼加水采用高速搅拌破碎，破碎转速为30000rpm左右，并利用热水解蒸汽浆化处理，浆化污泥含固率为25％左右，进行二级强化热水解预处理，热水解温度为175℃，时间为30min，热水解污泥直接进行板框压滤脱水，泥饼含固率可达55％左右，二级热水解液SCOD约为30000mg/L。一级UASB有机负荷为20g COD/Ld，HRT为1.5d，COD降解率可达60％以上，单位添加甲烷产率可达210mL CH4/gCODadd，二级UASB有机负荷为10g COD/Ld，HRT为2.5d，COD降解率可达80％以上，单位添加甲烷产率可达280mL CH4/gCODadd。消化液P浓度约为250mg/L，氨氮浓度约为1200mg/L，调节pH为9左右，添加MgCl2调节Mg:N:P比例为1.2:1:1，可回收消化液中80-90％P资源。脱水泥饼进行干式发酵，停留时间为5-6d，进一步回收甲烷，以实现泥饼稳定化，发酵产物经堆肥生物干化后进行土地利用。
实施例3
城市污水处理厂脱水污泥含固率TS为28％，VS/TS约为35％，加水稀释至含固率为20％，热水解释压蒸汽可将进料污泥加热至85℃左右，经过2h浆化处理，污泥粘度可降低至原泥的1/10以下，浆化污泥进入一级热水解反应器，热水解温度160℃，时间30min，热水解污泥温度降低至80℃，不加药直接进行离心脱水，泥饼含固率为40％，一级热水解液SCOD可达40000mg/L。脱水泥饼加水采用高速搅拌破碎，破碎转速为30000rpm左右，并利用热水解蒸汽浆化处理，浆化污泥含固率为30％左右，进行二级强化热水解预处理，热水解温度为175℃，时间为30min，热水解污泥直接进行板框压滤脱水，泥饼含固率可达60％左右，二级热水解液SCOD约为25000mg/L。一级UASB有机负荷为15g COD/Ld，HRT为1.2d，COD降解率可达60％以上，单位添加甲烷产率可达210mL CH4/gCODadd，二级UASB有机负荷为8gCOD/Ld，HRT为2.2d，COD降解率可达80％以上，单位添加甲烷产率可达280mLCH4/gCODadd。消化液P浓度约为200mg/L，氨氮浓度约为1000mg/L，调节pH为9左右，添加MgCl2调节Mg:N:P比例为1.2:1:1，可回收消化液中80-90％P资源。脱水泥饼进行干式发酵，停留时间为4-5d，进一步回收甲烷，以实现泥饼稳定化，发酵产物经堆肥生物干化后进行土地利用。
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 (6)

1.一种实现污泥分质分相资源回收的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、将脱水污泥依次进行预热浆化处理、一级热水解预处理和热交换处理后，进行分相处理，形成一级脱水泥饼和一级热水解液；
S2、一级脱水泥饼加水稀释后，依次进行浆化破碎处理、二级强化热水解预处理和热交换处理后，进行分相处理，形成二级脱水泥饼和二级热水解液；
S3、一级热水解液直接进行一级UASB厌氧消化，产生一级消化液，一级消化液和二级热水解液混合后进行UASB二级厌氧消化，产生二级消化液，二级消化液调节pH，并添加Mg盐进行氮磷回收，一级厌氧消化和二级厌氧消化过程中产生甲烷实现碳回收；二级脱水泥饼利用自身余热进行干式厌氧发酵，进一步回收甲烷，并将发酵产物进行土地利用。
2.根据权利要求1所述的一种实现污泥分质分相资源回收的方法，其特征在于，预热浆化处理和浆化破碎处理利用热水解释放的蒸汽和热交换回收的能量进行，一级热水解预处理和二级强化热水解预处理所需蒸汽利用步骤S3的甲烷生产。
3.根据权利要求1或2所述的一种实现污泥分质分相资源回收的方法，其特征在于，步骤S1中，脱水污泥在预热浆化处理和一级热水解预处理过程中的含固率为15～20％，预热浆化处理得到浆化污泥，浆化污泥的温度为80～90℃，一级热水解预处理得到一级热水解污泥，一级热水解预处理温度为160～165℃，停留时间10～30min，通过热交换处理使一级热水解污泥温度降至80～90℃后，在不加药的情况下直接以机械离心的方式进行分相处理，一级脱水泥饼含固率可达30～40％。
4.根据权利要求1或2所述的一种实现污泥分质分相资源回收的方法，其特征在于，步骤S2中，一级脱水泥饼加水稀释后、浆化破碎处理以及二级强化热水解预处理过程中含固率为20～30％，浆化破碎处理得到浆化破碎污泥，浆化破碎污泥的温度为80～90℃，二级强化热水解预处理得到二级热水解污泥，二级强化热水解预处理温度为175～180℃，停留时间10～30min，通过热交换处理使二级热水解污泥温度降至50～60℃后，在不加药的情况下直接以板框压滤的方式进行分相处理，二级脱水泥饼含固率达50～60％。
5.根据权利要求1或2所述的一种实现污泥分质分相资源回收的方法，其特征在于，步骤S3中，一级UASB厌氧消化温度为35～37℃，有机负荷为15～25g COD/L·d，水力停留时间为1.2～1.8d，一级消化液和二级热水解液按照二者产生的比例混合后进行UASB二级厌氧消化。二级UASB厌氧消化温度为35～37℃，有机负荷为8-15g COD/L·d，水力停留时间为2.2～2.8d。
6.根据权利要求1或2所述的一种实现污泥分质分相资源回收的方法，其特征在于，步骤S3中，所述的二级消化液调节pH至8～9，添加Mg盐调节Mg:N:P比例1.2:1:1。
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