CN108455812B - 剩余污泥中有机物的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，它包括：在混合器中，将剩余污泥与浓度为30wt%的双氧水和浓度为85%工业甲酸充分混合得到剩余污泥混合物；然后将剩余污泥混合物送入微波装置中，在微波频率为915MHz的条件下加热4‑6分钟，上述剩余污泥混合物在微波装置中发生了氧化反应，得到污泥溶液，再将污泥溶液送入换热器中，在换热器中污泥溶液被冷却，最后将冷却后的污泥溶液送入沉淀罐内进行固液分离，固体沉到沉淀罐底部，其中40‑60%的上述固体回流到混合器中进行循环反应，40‑60%的上述固体通过脱水后进行卫生填埋，沉淀罐中的上清液由上侧口溢流送入污水处理厂进行达标处理。

Description

剩余污泥中有机物的处理方法
技术领域
本发明涉及一种生物法处理生活污水后产生的剩余污泥中有机物的处理方法，适用于生物法处理污水的污水处理厂，属于污泥和污水处理技术领域。
背景技术
利用活性污泥法处理污水会产生大量的剩余污泥，此部分污泥的处理对于污水处理厂来讲是个巨大的挑战。污泥的处理费用几乎占污水处理厂运行成本的40-60%。污泥最常用的处理处置方法为浓缩、厌氧消化、机械脱水、干化、堆肥、焚烧和填埋等。如果处理不当，这些污泥会产生对环境有害的物质，例如污泥中含有丰富的氮和磷，如果处理不妥当会导致水体富营养化。所以污泥的处理有重大的社会意义和经济意义。
污泥中有机物的主要成分是微生物。阻碍污泥中有机物释放的最大障碍是微生物的胞外聚合物，所以若要再利用污泥中的有机物需先进行污泥破解，打破胞外聚合物的手段有化学法、微波加热法和超声法。CN201110217857.5公开了一种污泥的处理方法，该方法先用超声波预处理污泥来破解微生物细胞壁，处理后的污泥与餐厨垃圾按一定比例混合进行厌氧消化处理。CN200410034142.6公开一种污泥的处理方法，该方法以高压釜作为反应器，在110-190℃范围内进行热解处理，在序批式厌氧反应器中厌氧消化和脱水，得到的泥饼可以作为肥料农用，也可直接作为锅炉的燃料来回收热能。CN201010130077.2公开了一种生物污泥的减量化方法，向污泥中加入吐温类表面活性剂对污泥进行细胞破壁，再将溶胞后的生物污泥返送到厌氧或缺氧池进行厌氧消化。CN201710667615 .3公开一种基于碳源回用的剩余污泥处理工艺，先将剩余污泥热碱处理，污泥细胞分解，营养物质释放到上清液，然后污泥水解酸化,经历酸性启动和碱性发酵，使溶液中累积VFAs，为低C/N比的城市污水提供碳源。利用超声法处理污泥可以得到和微波加热相当的溶解性化学需氧量（SCOD），但是超声处理污泥时间长，所需能量高，不经济。微波可与其他化学试剂联合处理污泥，如微波-双氧水、微波-过氧乙酸、微波-硫酸、微波-碱，加碱处理的投药费用大，增加了运行成本，还会增加污泥中的离子浓度，过氧乙酸属强氧化剂，极不稳定，使用过程危险性较大，污泥中含有高浓度的硫酸根会对后续厌氧消化产生不利影响，活性污泥汇总的微生物的细胞结构易遭到破坏以及菌体内的酶变质，活性受到抑制和毒害。
剩余污泥的零排放工艺并非是***中没有污泥产生，而是通过一些工艺的结合使污泥得到处理或者是自消化，以实现污泥零排放。微生物生长的内源呼吸期阶段，增长的污泥大多被微生物自身氧化消耗掉，产生污泥很少，有较少量的污泥随出水带出，形成污水处理***无剩余污泥排放的表象。但是这种污泥自消化只适用于低浓度的小型污水处理厂。CN201510912322.8公开了一种废水零排放***，***包括用于处理高污染物浓度废水的高浓度废水处理***即蒸发器，和处理低污染物浓度废水的低浓度废水处理***。高浓度废水经蒸发器处理后形成低浓度废水输出至低浓度废水处理***，方法中只对高浓度废水进行蒸发，低浓度废水经过过滤和离子交换最终得到纯水。利用蒸发器作为蒸发设备对高浓度的废水进行蒸发处理，得到低浓度的废水进行统一处理，但是蒸发器需要辅助的加热能源，能耗大，成本高。CN201210251611.4公开了一种高效粪便污水处理方法，该方法包括螯合处理、兼氧处理、一级二级好氧处理。其中，一级和二级好氧处理产生的剩余污泥一部分回流到兼氧池进行有机物再处理，另一部分排放到回流调节池内进行处理，此种方法减少剩余污泥的排放量，但是没有实现剩余污泥的零排放。CN201210497662.5公开了一种零污泥排放的印染废水处理工艺，此发明结合了水处理和污泥减量以及焚烧工艺，将好氧产生的剩余污泥排入CSTR池消化减量，最终的剩余污泥经过压滤机处理后泵入沸腾炉完成焚烧，工艺整体上实现了剩余污泥的零排放。但是污泥的减量和焚烧工艺造价较高，不如剩余污泥外运集中处理经济，故不适用于中小型的污水处理厂。
发明内容
本发明的目的是提供一种将剩余污泥中的有机物最大化释放出来的方法，释放后的污泥溶液中含有较高的碳水化合物、脂肪酸和蛋白质，可以后续再利用，如为厌氧消化产甲烷提供碳源。本发明提供的一种剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：利用微波辅助双氧水-甲酸方法来氧化污泥，氧化后的污泥释放出水分，成为污泥溶液，污泥溶液含有较高的SCOD、氮和磷，污泥溶液经沉淀后，上清液进入污水处理***中的厌氧消化设备产生能源甲烷。
为了完成本申请的发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，其中：它包括以下步骤：
（a）、剩余污泥和氧化剂的混合
在混合器中，将剩余污泥与浓度为30wt%的双氧水和浓度为85%工业甲酸充分混合得到剩余污泥混合物，30wt%的双氧水和85%工业甲酸分别占污泥总重量的4-8%和2-4%；
（b）微波氧化
将步骤（a）的剩余污泥混合物送入微波装置中，在微波频率为915MHz的条件下加热4-6分钟，上述剩余污泥混合物在微波装置中发生了氧化反应，得到污泥溶液，污泥溶液在微波装置的出口温度达到115℃-125℃；
（c）冷却
将步骤（b）中污泥溶液送入换热器中，在换热器中污泥溶液被冷却，污泥溶液冷却后的温度为45℃至55℃；
（d）沉淀分离
将步骤（c）中冷却后的污泥溶液送入沉淀罐内进行固液分离，固体沉到沉淀罐底部，其中40-60%的上述固体回流到步骤（a）中的混合器中进行循环反应，40-60%的上述固体通过脱水后进行卫生填埋，沉淀罐中的上清液由上侧口溢流进入圆柱型储罐中，然后送入污水处理厂进行达标处理；
本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，其中：在步骤（a）中；所述30wt%的双氧水和85%工业甲酸分别占污泥总重量的5%和2.5%；
本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，其中：在步骤（a）中的混合器分别通过进料计量泵与双氧水储罐和工业甲酸储罐相连，混合器中配有搅拌装置，搅拌装置的搅拌速率为60r/min，剩余污泥、双氧水和工业甲酸在混合器中被搅拌4-6min；
本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，其中：所述的搅拌装置为锚式搅拌器，剩余污泥、双氧水和工业甲酸在混合器中被搅拌5min；
本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，其中：在步骤（b）的微波装置包括：蛇形玻璃钢管、炉腔、炉门、电气电路、磁控管、定时器、功率分配器、连锁微动开关和热断路器，步骤（a）的剩余污泥混合物被送入蛇形玻璃钢管中，上述混合物在蛇形玻璃钢管中的停留时间为5min，出口温度为120℃；
本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，其中：所述的氧化反应是利用微波的热辐射和过氧甲酸的强氧化作用，来氧化剩余污泥中微生物的胞外聚合物，使胞外聚合物破裂并释放出胞内的有机营养物质和水分，成为污泥溶液；
本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，其中：所述过氧甲酸是由步骤（a）中的双氧水和工业甲酸反应生成的，过氧甲酸与微波的热辐射协同作用将剩余污泥中的大分子有机物分解为小分子有机物和二氧化碳，使得剩余污泥氧化后的SCOD低于单独使用双氧水氧化后的SCOD；
本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，其中：所述换热器为管壳换热器中，污泥溶液在管壳换热器的管道中流动，冷却水在管壳换热器的管道外的壳内流动，管壳换热器与沉淀罐下部的侧口连接，污泥溶液进入沉淀罐后进行固液分离，其中50%上述固体经计量泵和管道回流到步骤（a）中的混合器中，50%的上述固体通过脱水后进行卫生填埋；
本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，其中：所述沉淀罐由圆锥形的底部和圆柱形的上部组成，在沉淀罐的侧壁上还安装有取样口，用于取样检测氧化后污泥溶液的SCOD、NH3-N和溶解性P；
本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法，其中：在步骤（a）、（b）、（c）和（d）中的管道、换热器、沉淀罐、圆柱型储罐、双氧水储罐和工业甲酸储罐由不锈钢材料制成，混合器由涂有陶瓷涂层的不锈钢材料制成。
本发明的有益效果为：
1）通过本发明所述方法，剩余污泥中90%以上的碳源、N、P随污泥中的微生物细胞中的水份溶出。
2）污泥氧化后的污泥溶液可以进入产生剩余污泥的污水处理厂进行达标处理，也可以用于厌氧反应回收能源沼气，污水处理或者厌氧产生的污泥可以再次通过本发明方法进行处理，基本可以实现污泥的零排放，实现了污泥减量，一定程度上降低了污泥焚烧或填埋带来的污染。
3）通过本发明所述方法，可以处理掉90%的污泥，只有5%的难以处理的污泥，其中包括杂质和部分微生物细胞壁，此部分污泥通过脱水后进行填埋，5%的污泥可以返回混合器中进行循环处理，剩余污泥量大大减少。
附图说明
图1为本发明的一种在污水处理中剩余污泥的处理方法的工艺流程图；
图2为剩余污泥在微波氧化前和微波氧化后，取样检测出物性的对比。
具体实施方式
如图1所示，本发明的在污水处理中剩余污泥的处理方法包括以下步骤：
（a）、剩余污泥和氧化剂的混合
在混合器中，将剩余污泥与浓度为30wt%的双氧水和浓度为85%工业甲酸充分混合得到剩余污泥混合物，30wt%的双氧水和85%工业甲酸分别占污泥总重量的4-8%和2-4%，30wt%的双氧水和85%工业甲酸最佳用量为分别占污泥总重量的5%和2.5%，其中混合器分别通过进料计量泵与双氧水储罐和工业甲酸储罐相连，混合过程是连续性的，混合器有效体积为55L，混合器中配有搅拌装置，搅拌装置为锚式搅拌器，搅拌装置的搅拌速率为60r/min，剩余污泥、双氧水和工业甲酸在混合器中被搅拌4-6min，最佳搅拌时间为5min；
（b）微波氧化
将步骤（a）的剩余污泥混合物送入微波装置中，在微波频率为915MHz的条件下加热4-6分钟，最优加热时间为5分钟，上述剩余污泥混合物在微波装置中发生了氧化反应，得到污泥溶液，污泥溶液在微波装置的出口温度达到115℃-125℃，最适温度为达到120℃，微波装置包括：蛇形玻璃钢管、炉腔、炉门、电气电路、磁控管、定时器、功率分配器、连锁微动开关和热断路器，步骤（a）的剩余污泥混合物被送入蛇形玻璃钢管中，管道内径50mm，长30m，混合液流速为10kg/min，剩余污泥混合物所产生的氧化反应是利用微波的热辐射和由步骤（a）中的双氧水和工业甲酸反应生成的过氧甲酸的强氧化协同作用，来氧化剩余污泥中微生物的胞外聚合物，使胞外聚合物破裂并释放出胞内的有机营养物质和水分，将大分子有机物分解为小分子有机物和二氧化碳，成为污泥溶液，使得剩余污泥氧化后的SCOD低于单独使用双氧水氧化后的SCOD；
（c）冷却
将步骤（b）中污泥溶液送入换热器中，在换热器中污泥溶液被冷却，污泥溶液冷却后的温度为45℃至55℃，换热器为管壳换热器中，污泥溶液在管壳换热器的管道中流动，流速为10kg/min，冷却水在管壳换热器的管道外的壳内流动，冷却水初始温度为0℃，流量为20L/min，管壳换热器与沉淀罐下部的侧口连接；
（d）沉淀分离
将步骤（c）中冷却后的污泥溶液送入沉淀罐内进行固液分离，沉淀罐由圆锥形的底部和圆柱形的上部组成，固体沉到沉淀罐底部，沉降后的固体成分约占进料剩余污泥量的10%，即进料剩余污泥量的90%经过微波氧化反应后被溶解，其中40-60%（最优为50%）的上述固体通过泵和管道回流到步骤（a）中的混合器中进行循环反应，40-60%（最优为50%）的上述固体通过脱水后进行卫生填埋，沉淀罐中的上清液由上侧口溢流进入圆柱型储罐中，然后送入污水处理厂进行达标处理，在沉淀罐的侧壁上还安装有取样口，用于取样检测氧化后污泥溶液的SCOD、NH3-N和溶解性P，沉淀罐和圆柱型储罐为体积分别为1m³。
在步骤（a）、（b）、（c）和（d）中的管道、换热器、沉淀罐、圆柱型储罐、双氧水储罐和工业甲酸储罐由不锈钢材料制成，混合器由涂有陶瓷涂层的不锈钢材料制成。
污水处理是将（d）中储罐中的上清液泵入厌氧反应器中进行消化处理，此厌氧反应器为本公司自主研发产品（ZL2012 1 0031323.8）。厌氧反应器内装有占厌氧反应器四分之一至三分之一体积的厌氧污泥，混合物在厌氧反应器中经过15—25天、55±2℃的高温发酵，将混合物中75%—85%的有机物进行降解，转化成沼气，沼气通过脱水和脱硫后进入储气柜储存，每天对厌氧反应器中的混合物进行检测，当TS去除率大于60%以上时，将污水送入储存池中，污水在储存池中的停留时间为2—4小时，储存池中安装有搅拌器。将厌氧反应器处理后的污水通过0.5mm的网孔格栅送入反硝化池中进行反硝化处理，反硝化池中装有兼氧污泥和自养反硝化装置，兼氧污泥在污水中的含量为8—12g/L，污水中的溶解氧小于0.5mg/L，污水在反硝化池中停留3－8小时，将污水中的97%以上的亚硝酸盐和硝酸盐脱除。经反硝化处理后的污水送入好氧池中，好氧池中污水的温度控制在20—30℃，好氧池中装有含量为8—12g/L的好氧污泥，好氧池中污水的pH为7—8.5，好氧池污水中的氧含量控制在 2—6mg/L，污水在好氧池中停留8－15个小时，使得污水中98%以上的有机物得到降解，排出水符合DB11/ 307—2005《水污染物排放标准》中的排入市政污水统一处理的污水标准。
从图2的微波氧化前剩余污泥物性和微波氧化后污水物性的对比中，可以清楚地看出：污泥溶液的SCOD、NH3-N和溶解性P比剩余污泥的SCOD、NH3-N和溶解性P显著地提高，利用本发明所述方法几乎可以溶解污泥中全部的有机物，溶解后的溶液可作为碳源和氮源进行再利用，基本实现了污泥的零排放，大大降低了由于污泥的焚烧或填埋所带来的污染。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(a)、剩余污泥和氧化剂的混合
在混合器中，将剩余污泥与浓度为30wt％的双氧水和浓度为85％工业甲酸充分混合得到剩余污泥混合物，30wt％的双氧水和85％工业甲酸分别占污泥总重量的4-8％和2-4％；
(b)微波氧化
将步骤(a)的剩余污泥混合物送入微波装置中，在微波频率为915MHz的条件下加热4-6分钟，上述剩余污泥混合物在微波装置中发生了氧化反应，得到污泥溶液，污泥溶液在微波装置的出口温度达到115℃-125℃；
(c)冷却
将步骤(b)中污泥溶液送入换热器中，在换热器中污泥溶液被冷却，污泥溶液冷却后的温度为45℃至55℃；
(d)沉淀分离
将步骤(c)中冷却后的污泥溶液送入沉淀罐内进行固液分离，固体沉到沉淀罐底部，其中40-60％的上述固体回流到步骤(a)中的混合器中进行循环反应，40-60％的上述固体通过脱水后进行卫生填埋，沉淀罐中的上清液由上侧口溢流进入圆柱型储罐中，然后送入污水处理厂进行达标处理。
2.如权利要求1所述的剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：在步骤(a)中；所述30wt％的双氧水和85％工业甲酸分别占污泥总重量的5％和2.5％。
3.如权利要求2所述的剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：在步骤(a)中的混合器分别通过进料计量泵与双氧水储罐和工业甲酸储罐相连，混合器中配有搅拌装置，搅拌装置的搅拌速率为60r/min，剩余污泥、双氧水和工业甲酸在混合器中被搅拌4-6min。
4.如权利要求3所述的剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：所述的搅拌装置为锚式搅拌器，剩余污泥、双氧水和工业甲酸在混合器中被搅拌5min。
5.如权利要求1所述的剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：在步骤(b)的微波装置包括：蛇形玻璃钢管、炉腔、炉门、电气电路、磁控管、定时器、功率分配器、连锁微动开关和热断路器，步骤(a)的剩余污泥混合物被送入蛇形玻璃钢管中，上述混合物在蛇形玻璃钢管中的停留时间为5min，出口温度为120℃。
6.如权利要求5所述的剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：所述的氧化反应是利用微波的热辐射和过氧甲酸的强氧化作用，来氧化剩余污泥中微生物的胞外聚合物，使胞外聚合物破裂并释放出胞内的有机营养物质和水分，成为污泥溶液。
7.如权利要求6所述的剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：所述过氧甲酸是由步骤(a)中的双氧水和工业甲酸反应生成的，过氧甲酸与微波的热辐射协同作用将剩余污泥中的大分子有机物分解为小分子有机物和二氧化碳，使得剩余污泥氧化后的SCOD低于单独使用双氧水氧化后的SCOD。
8.如权利要求1所述的剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：所述换热器为管壳换热器，污泥溶液在管壳换热器的管道中流动，冷却水在管壳换热器的管道外的壳内流动，管壳换热器与沉淀罐下部的侧口连接，污泥溶液进入沉淀罐后进行固液分离，其中50％上述固体经计量泵和管道回流到步骤(a)中的混合器中，50％的上述固体通过脱水后进行卫生填埋。
9.如权利要求8所述的剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：所述沉淀罐由圆锥形的底部和圆柱形的上部组成，在沉淀罐的侧壁上还安装有取样口，用于取样检测氧化后污泥溶液的SCOD、NH3-N和溶解性P。
10.如权利要求1-9任一权利要求所述的剩余污泥中有机物的处理方法，其特征在于：在步骤(a)、(b)、(c)和(d)中的管道、换热器、沉淀罐、圆柱型储罐、双氧水储罐和工业甲酸储罐由不锈钢材料制成，混合器由涂有陶瓷涂层的不锈钢材料制成。
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Title
"响应面法优化微波热解剩余污泥产酸";闫凤英 等;《化工进展》;20150731;第34卷(第7期);第2049-2054、2079页 *

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