CN109095751B - 一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其在低温下向活性污泥中分步加入强碱进行水解反应，而后加入氧化钙或氢氧化钙进行反应，最后固液分离得到滤液和滤渣。本发明可将活性污泥做到无害化，减量化和资源化利用，通过热碱作用对病原菌全部灭活，通过水解后的固液分离，可将污泥从80％以上的含水量降低至40％以下，污泥减量三分之二。此外残渣含有丰富的有机质和钙元素可用于制备有机肥、生物有机肥、微生物菌剂、园林绿化土和土壤调理剂。滤液可用于制备有机水溶肥。

Description

一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法

技术领域

本发明属于污泥处理技术领域，尤其涉及一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法。

背景技术

随着城市化进程的不断推进，城市污泥产量逐年递增，预计到2020年年产量会达到5000万吨，而目前我国“重水轻污”现象非常严重，大量污泥均未得到稳定化处理，对水源、大气、土地及人类健康带来很大安全隐患。污泥是在污水处理过程中产生的固体沉淀物质，由于污水种类繁多，导致污泥成分复杂，包含如泥沙、纤维、微生物残体、有机物、氮磷等营养源、重金属、病原菌等成分。污泥的任意排放和堆放对周围环境造成的新的污染已经触目惊心。

在将污泥减量化、无害化处理的基础上，如何利用污泥中的资源，将是全球各国追求的方向和目标，也必将成为污泥唯一的最终出路。目前污泥热水解处理工艺是一种污泥处理减量化资源化处理手段之一，常规污泥热水解主要用于对污泥进行减量化预处理，水解后产物无法直接进行固液分离，还需经过厌氧消化等手段才可达到减量法及资源化利用的目的，还有另一类工艺方式在污泥热水解过程中通过在污泥中一次性加入碱性固体物质，如氢氧化钠、生石灰等，来加快污泥热水解速率，而该种碱性物质添加方式易导致污泥中的有机物分解过度，资源得不到二次利用，此外，上述工艺过程的水解温度均在100-180℃下进行，而污泥在此高温下不可避免的会产生水蒸汽，从而使水解过程需要大量的高压设备，无形中增加污泥处理成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其通过对污泥进行无害化、减量化、资源化处理后，将污泥中的有机质和氮资源进行回收利用。此外，提取污泥中的有机氮液体资源可用于制备高效液体肥料，固体残渣可制备土壤调理剂或园林绿化土，从整体上高效安全的实现了污泥全资源化零排放处理。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，在70-90℃下向活性污泥中分步加入强碱进行水解反应，而后加入氧化钙或氢氧化钙进行反应，最后固液分离得到滤液和滤渣。

进一步的，所述强碱分两次加入活性污泥中，且第一次强碱添加量与第二次强碱添加量的质量比为0.625-3.75：1。

进一步的，第一次加入的强碱中OH^-的添加量为污泥干基质量的0.425-1.275％，第二次加入的强碱中OH^-的添加量为污泥干基质量的0.34-0.68％。

进一步的，第一次水解反应在70-80℃下反应1-2h，第二次水解反应在80-90℃下反应1-2h。

进一步的，所述强碱可采用氢氧化钠或氢氧化钾。

进一步的，所述强碱采用氢氧化钠，且所述第一次氢氧化钠添加量为污泥干基质量的1-3％，第二次氢氧化钠添加量为污泥干基质量的0.8-1.6％。

进一步的，第一次氢氧化钠和第二次氢氧化钠的总添加量为污泥干基质量的2.2-3.4％，且第一次氢氧化钠与第二次氢氧化钠添加量的比例为0.8-2:1。

进一步的，所述氧化钙的添加量为污泥干基质量的15％-30％，且氧化钙与水解产物在80-90℃下反应0.5-1h。

进一步的，所述滤液可用于水溶肥的制备。

进一步的，所述滤渣可用于有机肥、微生物菌剂、园林绿化土或土壤调理剂的制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中污泥处理的最终目的是在污泥减量化的同时将污泥中的有机质和氮资源进行回收利用。本发明通过分两步加入氢氧化钠碱性饱和溶液，并严格控制第一步氢氧化钠饱和溶液添加量和第二步氢氧化钠饱和溶液添加量，以使污泥中的资源得到最大化利用。其中，首次加入氢氧化钠饱和溶液主要是破坏污泥细胞的胶质体结构，加速活性污泥中微生物细胞壁的破壁过程，加快污泥细胞壁中水份的释放，同时消耗并稀释氢氧化钠，致使其中的有机物不能被氢氧化钠过度水解，二次加入氢氧化钠饱和溶液的目的是水解有机物，补偿第一次加入氢氧化钠的消耗，维持有机物降解所需的氢氧化钠的有效浓度。

(2)本发明所采用氧化钙药剂，提供了充分的钙离子，钙离子对污泥过滤过程中滤饼的形成具备重要作用，钙离子的用量至关重要。此外，钙离子是植物所需的重要中量元素，钙离子的加入使污泥残渣具备优良的土壤调理功能，并能补充植物缺乏的元素。

(3)本发明可将活性污泥做到无害化、减量化和资源化利用，通过强碱对病原菌进行灭活，通过水解后的固液分离，可将污泥从80％以上的含水量降低至40％以下，污泥减量三分之二。此外残渣含有丰富的有机质和钙元素，可用于制备有机肥、生物有机肥、微生物菌剂、园林绿化土和土壤调理剂，滤液可用于制备有机水溶肥。

(4)本发明与其他污泥水解工艺相比，具有温度低、能耗小等优点，另外，整个工艺过程中不需要配备压力容器设备，成本减少30％-50％，也提高了操作安全性。

具体实施方式

为能进一步说明本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例进一步描述本发明。本领域的技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的前提下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围。

以下结合实施例及对照组对本发明做进一步详细的说明：

活性污泥理化性质如下表：

实验指标	平均值	标准差
			含水率(％)	78	±7
pH	7	±0.5
			有机质含量(干基％)	50	±20
蛋白质含量(干基％)	28	±12

试验1：验证第一次与第二次氢氧化钠的添加量的关系对试验结果的影响

一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其包括以下步骤：

(1)将城市污水处理厂含水率70-85％的活性污泥加水调节污泥含水率为85％-92％；

(2)将固体型药剂氢氧化钠调配成氢氧化钠饱和溶液加入污泥中，搅拌混匀，其中氢氧化钠的添加量为所加入污泥干基质量的X％，升温至70℃进行水解反应1h；

(3)第一次水解反应之后再次加入一定量氢氧化钠药剂饱和溶液进入水解反应器，其中氢氧化钠的添加量为所加入污泥干基质量的Y％，升温至80℃进行水解反应1h；

(4)第2步水解反应完成后，将氧化钙配置成水悬浊液送入水解反应器，在90℃下搅拌0.5h，其中氧化钙的添加量为所加入污泥干基质量的20％。

(5)混匀后的物料进入固液分离装置，固液分离后得到滤液和滤渣。固液分离出的污泥残渣可收集输送至加工车间经粉碎掺混其他有机物料制备有机肥、生物有机肥、微生物菌剂、园林绿化土和土壤调理剂。固液分离得到的滤液一部分作为配料水直接回用至污泥水解反应装置，同时另外一部分滤液经过MVR蒸发装置后，得到含有机质20-50％的浓缩滤液，以上滤液自行复配氮磷钾及其他微量元素制备液体有机水溶肥产品。蒸发所得冷凝水可回用污泥水解反应装置，循环利用。

实施例及对照组的工艺步骤如上，其中第一次氢氧化钠添加量(即X)，以及第二次氢氧化钠添加量(即Y)如下表，此外，低温热碱处理活性污泥试验的表征采用残渣含水量、有机物降解率以及滤液蛋白质含量：

上表为实验1-实验26中第一次氢氧化钠添加量(X)、第二次氢氧化钠添加量(Y)、氢氧化钠添加总量(X+Y)、第一次氢氧化钠与第二次氢氧化钠添加量的比例(X/Y)、以及处理后的污泥表征数据。本发明中污泥处理的最终目的是在污泥减量化的基础上将污泥中的有机质和氮资源进行回收利用，本发明通过加入氢氧化钠碱液，可加速活性污泥中微生物细胞壁的破壁过程，加快污泥细胞壁中水份的释放，同时促进有机类物质的分解，使蛋白类物质分解为多肽和氨基酸，但是氢氧化钠碱液的加入量过多时，有机物分解为二氧化碳，蛋白类物质分解为氨气，资源不能得到有效利用，故氢氧化钠的添加量非常重要。此外，如果一次性加入过多也容易造成水解过度，所以控制分两批加入，但两批加入量也需控制在一定范围内，否则也会因水解过度导致污泥残渣无法干化成型，资源无法得到有效利用。本发明以处理后的污泥残渣含水量、有机物降解率及滤液蛋白质含量的来表征碱处理活性污泥的效果，其中污泥残渣含水量小于40％，优选小于35％；有机物降解率在40-60％范围内即可，优选50％；滤液蛋白质含量在2-3％范围内即可，优选3％。

在上述实验1-实验26的实验结果中，第一次氢氧化钠和第二次氢氧化钠的总添加量在2.2-3.4％范围内，且第一次氢氧化钠与第二次氢氧化钠添加量的比例关系在0.8-2:1范围内时，其污泥残渣含水量、有机物降解率及滤液蛋白质含量均在上述范围内。另外，第一次氢氧化钠的添加量大于第二次氢氧化钠的添加量的试验效果优于第二次氢氧化钠的添加量大于第一次氢氧化钠的添加量时的试验效果，如实验8和实验9、实验10和实验11。此外，在试验过程中意外的发现，当第一次氢氧化钠的添加量为1.5，第二次氢氧化钠的添加量为1.2时，即实验11的工艺条件，试验结果达到最佳值，即污泥残渣含水量35％、有机物降解率50％及滤液蛋白质含量3.0％。

此外，本发明中的氢氧化钠可用氢氧化钾替代，如果采用氢氧化钾替代，需保证氢氧化钾的加入量可提供同氢氧化钠相同量的氢氧根离子，加入氢氧化钾会提高碱性药剂的成本，但是另一方面水解后滤液中直接含钾减少了后端液体肥料制备过程中钾盐的加入量；本发明中的氧化钙也可被氢氧化钙替代，如果用氢氧化钙替代，需保证氢氧化钙的加入量可提供同氧化钙相同量的钙离子。

试验2：验证氢氧化钠添加方式及氢氧化钠与氧化钙的添加顺序对试验结果的影响

对照组1：一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其包括以下步骤：

(1)将城市污水处理厂含水率70-85％的活性污泥加水调节污泥含水率为85％-92％；

(2)将固体型药剂氢氧化钠调配成氢氧化钠饱和溶液加入污泥中，搅拌混匀，其中氢氧化钠的添加量为所加入污泥干基质量的2.7％，升温至70℃进行水解反应1h，之后升温至80℃进行水解反应1h；

(3)水解反应完成后，将氧化钙配置成水悬浊液送入水解反应器，在90℃下搅拌0.5h，其中氧化钙的添加量为所加入污泥干基质量的20％。

(4)混匀后的物料进入固液分离装置，固液分离后得到滤液和滤渣。

对照组2：一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其包括以下步骤：

(1)将城市污水处理厂含水率70-85％的活性污泥加水调节污泥含水率为85％-92％；

(2)将固体型药剂氧化钙调配成水悬浊液加入污泥中，搅拌混匀，其中氧化钙的添加量为所加入污泥干基质量的20％，升温至70℃进行水解反应1h，之后升温至80℃进行水解反应1h；

(3)水解反应完成后，将氢氧化钠配置成饱和溶液送入水解反应器，在90℃下搅拌0.5h，其中氢氧化钠的添加量为所加入污泥干基质量的2.7％。

(4)混匀后的物料进入固液分离装置，固液分离后得到滤液和滤渣。

对照组3：一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其包括以下步骤：

(1)将城市污水处理厂含水率70-85％的活性污泥加水调节污泥含水率为85％-92％；

(2)将固体型药剂氧化钙调配成水悬浊液加入污泥中，同时将氢氧化钠配置成饱和溶液送入水解反应器，搅拌混匀，其中氧化钙的添加量为所加入污泥干基质量的20％，其中氢氧化钠的添加量为所加入污泥干基质量的2.7％。升温至70℃进行水解反应1h，之后升温至80℃进行水解反应1h，再升温至90摄氏度反应0.5h。

(3)混匀后的物料进入固液分离装置，固液分离后得到滤液和滤渣。

即：对照组1-3的氢氧化钠及氧化钙添加量等参数见下表：其中添加量为污泥干基质量％、反应温度/℃、反应时间/h。

对照组1-3处理活性污泥的结果如下：

对照组1与实验11相比，是将同实验11的两次氢氧化钠总添加量一次加入活性污泥中进行处理，其残渣含水量达到57％，有机物降解率达到58％，明显高于实验11的结果，而滤液中蛋白质含量仅1.2％，明显低于实验11的实验结果，故氢氧化钠分两批加入活性污泥可避免活性污泥中有机物水解过度，氢氧化钠分两批加入活性污泥中的污泥处理效果优于氢氧化钠一次加入的效果。此外，对照组2是先将氧化钙加入到活性污泥中，之后加入氢氧化钠，对照组3是将氧化钙和氢氧化钠同时加入到活性污泥中，其实验结果中残渣含水量及有机物降解率均高于实验11，而滤液中蛋白质含量明显低于实验11的试验结果，说明在本发明活性污泥处理中，氢氧化钠与氧化钙的顺序不可颠倒，且氢氧化钠与氢氧化钙不能同时加入。

试验3：验证反应温度和反应时间对试验结果的影响

试验结果如下：

对照组4-7同实验11的工艺步骤除反应温度不同外，其余均相同。对照组8-对照组10与实验11相比，仅改变反应时间。由上述试验结果可以看出，对照组4-10的残渣含水率、有机物降解率及滤液蛋白质含量均与实验11相差不大，说明反应温度及反应时间对活性污泥处理工艺的影响不是很大，即第一次氢氧化钠碱分解温度在70-80℃下反应1-2h，第二次氢氧化钠碱分解温度在80-90℃下反应1-2h，氧化钙固液反应温度80-90℃下下反应0.5-1h，均可达到较好效果。

试验4：验证氧化钙加入量对试验结果的影响

一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其包括以下步骤：

(1)将城市污水处理厂含水率70-85％的活性污泥加水调节污泥含水率为85％-92％；

(2)将固体型药剂氢氧化钠调配成氢氧化钠饱和溶液加入污泥中，搅拌混匀，其中氢氧化钠的添加量为所加入污泥干基质量的1.5％，升温至70℃进行水解反应1h；

(3)第一次水解反应之后再次加入一定量氢氧化钠药剂饱和溶液进入水解反应器，其中氢氧化钠的添加量为所加入污泥有机物干基质量的1.2％，升温至80℃进行水解反应1h；

(4)第2步水解反应完成后，将氧化钙配置成水悬浊液送入水解反应器，在90℃下搅拌0.5h，其中氧化钙的添加量为所加入污泥干基质量的C％。

(5)混匀后的物料进入固液分离装置，固液分离后得到滤液和滤渣。其中，氧化钙的添加量及实验结果如下表：

实验序号	氧化钙(C)/％	残渣含水量/％	有机物降解率/％	滤液蛋白质含量/％
					实验11	20	35	50	3.0
对照组11	2	72	35	1.5
					对照组12	5	63	41	1.8
对照组13	8	57	43	2.0
					对照组14	10	50	45	2.2
对照组15	15	40	48	2.6
					对照组16	25	34	51	2.8
对照组17	30	33	53	2.5
					对照组18	35	32	55	1.2

本发明所采用氧化钙药剂，提供了充分的钙离子，钙离子对污泥过滤过程中滤饼的形成具备重要的架桥作用，钙离子的用量过少会造成污泥过滤后含水量无法降低至40％以下，如对照组11,12,13,14；用量多则造成后端污泥残渣量增加，且滤液蛋白质含量下降，如对照组18；而氧化钙添加量在15-30％之间时，残渣含水量可保持在40％以下，有机物降解率可保持在40-60％之间。此外，在实验11的工艺条件下，氧化钙添加量为20％时，效果最佳。另外，钙离子是植物所需的重要中量元素，钙离子的加入使污泥残渣具备优良的土壤调理功能，并能补充植物缺乏的元素。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其特征在于：在70-90℃下向活性污泥中分步加入强碱进行水解反应，而后加入氧化钙或氢氧化钙进行反应，最后固液分离得到滤液和滤渣；所述强碱分两次加入活性污泥中，且第一次强碱添加量与第二次强碱添加量的质量比为1.071-3.75：1；第一次加入的强碱中OH^-的添加量为污泥干基质量的0.425-1.275％，第二次加入的强碱中OH^-的添加量为污泥干基质量的0.34-0.68％；且第二次强碱直接投加在第一次反应溶液中。

2.根据权利要求1所述的一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其特征在于：第一次水解反应在70-80℃下反应1-2h，第二次水解反应在80-90℃下反应1-2h。

3.根据权利要求1所述的一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其特征在于：所述强碱可采用氢氧化钠或氢氧化钾。

4.根据权利要求3所述的一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其特征在于：所述强碱采用氢氧化钠，且所述第一次氢氧化钠添加量为污泥干基质量的1-3％，第二次氢氧化钠添加量为污泥干基质量的0.8-1.6％。

5.根据权利要求4所述的一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其特征在于：第一次氢氧化钠和第二次氢氧化钠的总添加量为污泥干基质量的2.2-3.4％，且第一次氢氧化钠与第二次氢氧化钠添加量的比例为0.8-2:1。

6.根据权利要求1至5其中一项所述的一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其特征在于：所述氧化钙的添加量为污泥干基质量的15％-30％，且氧化钙与水解产物在80-90℃下反应0.5-1h。

7.根据权利要求1所述的一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其特征在于：所述滤液可用于水溶肥的制备。

8.根据权利要求1所述的一种较低温度热碱分解处理活性污泥的方法，其特征在于：所述滤渣可用于有机肥、微生物菌剂、园林绿化土或土壤调理剂的制备。