CN109250884B - 一种消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺，脱水污泥经过浆化和厌氧消化后得到沼气和消化污泥，消化污泥热水解和沼液脱氨结合，在实现不加药高干脱水的同时，利用热水解释压蒸汽实现沼液脱氨，减少***能量消耗，同时利用沼液高碱度特性实现不加碱两段脱氨，并充分利用沼气中CO2进行碳酸氢铵回收，从而实现消化污泥中氨氮高效去除和全量回收。

Description

一种消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺
技术领域
本发明属于污水污泥处理技术领域，具体涉及一种消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺。
背景技术
随着我国居民生活水平的提高，高蛋白饮食结构(我国大豆进口量占全球大量产量的60％)已经成为我国城镇化发展过程主要特征，而高蛋白消耗必然导致城市污水污泥和生活垃圾填埋场渗滤液高氨氮富集。与此同时，农村农业需要使用大量工业氮肥，由此导致了城市与农村发展过程氮循环不协调、不畅通的问题，而污水污泥以及渗滤液中氮资源高效回收是解决我国城市高氨氮问题的重要发展方向。
据统计，我国污泥产量已经达到4300万吨/年(以含水率80％计)，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。污泥聚集了污水中60％COD和40％N，厌氧消化过程中碳被转化为甲烷回收利用，而氮则以氨氮形式存在于沼液中，如果沼液氨氮没有得到有效去除或回收，则污水处理减排目标将大打折扣。另外，沼液主要来源于消化污泥脱水过程，而传统厌氧消化污泥脱水需要添加大量脱水药剂。热水解技术最早被开发用来实现污泥高干脱水，最近也有将热水解用于消化污泥，实现不加药高干脱水，同时提高厌氧消化性能。从污泥厌氧消化全链条的角度考虑，如果能将热水解与沼液脱氨结合起来，将有效减少***能耗和物耗。
目前，沼液氨氮去除方法主要有空气吹脱、化学沉淀、膜脱氨、厌氧氨氧化、汽提脱氨等。其中，空气吹脱存在吹脱效率低、且需要消耗大量碱或石灰调节pH、容易造成空气污染等缺点，而被环保部禁止。化学沉淀通常采用添加碱和镁盐的形式生成鸟粪石沉淀，但是对氨氮去除有限，且添加药剂成本较高。膜脱氨技术也存在需要加碱、且使用硫酸等危险化学品的缺点。厌氧氨氧化虽然能够有效实现沼液氨氮去除，但其对操作要求和水质要求较高，很难实现长期稳定运行，且无法实现氨氮回收。汽提脱氨需要消耗大量蒸汽，如果采用沼气锅炉新鲜蒸汽，运行成本也较高。
针对沼液脱氨的问题，专利文献201310642769.9公开了一种沼液脱氨及氨回收的方法，主要通过加石灰调pH和真空的方法去除沼液中氨氮，但是没有外源加热，存在化学药剂消耗量大、去除效率低的缺点。专利文献201510452491.8公开了一种高浓度氨氮废水氨吹脱及资源化处理***及处理方法，通过调碱高温吹脱的方法去除氨氮，同样存在需要加碱的问题，且工艺***复杂。专利文献201720402927.7公开了一种沼液废水及沼气尾气综合处理装置，该专利利用沼液碱度特性，实现在不添加碱液负压脱氨，同时利用沼气热电机组废气中CO2生成碳酸氢铵，该过程利用脱氨待蒸汽通入解析塔加热沼液，实现蒸汽有效利用，但是可能会影响解析段CO2脱除效果，另外脱除氨和CO2完全混合也可能会影响后续吸氨碳化效果。专利文献201610892778.7公开了一种沼液脱碳联合脱氨***，实现无外源加碱两段脱氨，同时采用负压蒸氨，降低蒸汽能耗，但该***脱碳过程利用空气吹脱脱除CO2，可能会造成部分氨气损失，增加尾气吸收负荷，另外该***只形成氨水，没有考虑形成更高附加值的产品。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺，将消化污泥热水解和沼液脱氨结合起来，在实现不加药高干脱水的同时，利用热水解释压蒸汽实现沼液脱氨，减少***能量消耗，同时利用沼液高碱度特性实现不加碱两段脱氨，并充分利用沼气中CO2实现碳酸氢铵回收。
为实现上述目的，本发明提出的消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺，脱水污泥经过浆化和厌氧消化后得到沼气和消化污泥，所述沼气经沼气提纯得到天燃气，并释放出加压CO2；其中，所述消化污泥经过包括以下步骤的沼液高效脱氨：
(ⅰ)消化污泥预脱水，得到预脱水沼渣和沼液；
(ⅱ)所述预脱水沼渣热水解，产生热水解污泥和含有CO2和氨氮的释压蒸汽；所述热水解污泥经高干脱水和太阳能干化处理作为生物碳土；
(ⅲ)所述沼液依次经脱CO2、脱氨、氨吸收和碳化处理。
步骤(ⅰ)中，所述沼液的氨氮浓度为2000～3500mg/L，总碱度为8000～15000mgCaCO3/L，且所述预脱水过程中添加不含三氯化铁的脱水药剂。
步骤(ⅰ)中，所述脱水药剂为有机高分子絮凝剂。
步骤(ⅰ)中，所述有机高分子絮凝剂为聚丙烯酰胺。
步骤(ⅱ)中，所述预脱水沼渣热水解的温度为160～170℃，时间为20～40min，且所述沼渣内碳酸氢盐碱度分解释放大量CO2和氨氮随释压蒸汽释放，pH上升至9以上。
步骤(ⅱ)中，所述热水解污泥不加药直接进行高干脱水处理，产生含固率不低于40％的泥饼和高温高COD热水解液；所述泥饼经太阳能干化处理作为生物碳土，所述高温高COD热水解液回流用于生产甲烷。
步骤(ⅲ)中，具体过程为：
先将温度为40～50℃的所述沼液泵入卧式转碟脱CO2槽后，通入少量步骤(ⅱ)热水解后的释压蒸汽，在负压和转碟搅拌条件下脱除所述沼液中CO2和部分HCO3 -，pH自然上升；
再将脱碳后的沼液泵入脱氨塔内，通入步骤(ⅱ)热水解后的释压蒸汽，在所述沼液温度为70～80℃、真空压力为-(0.07～0.08)MPa的条件下进行高温负压汽提蒸氮的脱氨处理，得脱氨沼液和含氨蒸汽；
然后将所述含氨蒸汽经所述氨吸收冷却为浓氨水，所述浓氨水和所述沼气提纯过程释放的加压CO2在碳化塔内进行碳化反应，得到碳酸氢铵产品。
步骤(ⅲ)中，所述脱氨沼液经沼气吸收，并调节沼气吸收后沼液的pH，进入后续水处理过程。
步骤(ⅲ)中，所述脱氨塔内沼液氨氮去除率不低于80％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.充分利用沼液自身高碱度特性以及热水解蒸汽中含有大量CO2和NH3，蒸汽加热过程同时提高沼液碱度，创新采用卧式转碟方式实现沼液中溶解CO2快速脱除，使沼液pH在不加碱条件下自然上升至9以上，为后续氨氮脱除创造有利条件。
2.消化污泥热水解可实现不加药高干脱水，同时产生的高COD低氨氮热水解液可显著提高***甲烷产量，而消化污泥预脱水大大降低热水解体积和能耗，采用热水解释压蒸汽进行脱氮，一方面实现热水解蒸汽有效利用，另一方面而热水解蒸汽中氨氮也能同时得到回收，进而实现消化污泥中氨氮高效去除和全量回收。
3.碳化过程充分利用现有沼气中CO2资源，无需外购CO2，实现污泥中碳、氮资源高效回收，同时减少温室气体排放，另外该过程产生的碳酸氢铵产品不含任何工业原料，是利用自然产物合成的生态铵肥。
4.沼液脱氨后pH呈碱性，可用于吸收沼气中CO2，一方面净化沼气，提高沼气中甲烷百分含量，同时调节沼液pH，补充沼液碱度，有利于后续生化处理。
5.沼液脱碳脱氨过程采用负压全密封装置，不引入外界空气，并设有尾气吸收装置，最大程度减小对周围环境造成的污染问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
本发明的工作原理为：沼液中氨氮去除主要取决于液体中氨氮解离平衡(电离平衡)以及游离氨气液平衡(亨利定律)，而沼液中氨氮主要以铵离子形式存在，因此需要提高沼液pH和温度，以提高游离氨比例。本发明利用沼液高碱度的特性以及CO2和NH3亨利常数显著差异，利用热水解蒸汽加热沼液使碳酸氢盐分解释放CO2，热水解蒸汽还可以补充沼液碱度，从而显著提高沼液pH，实现不加碱高效脱氨，同时回收热水解中氨氮，最后利用沼气提纯剩余加压CO2进行碳化生成碳酸氢铵产品，碱性脱氨沼液用于进一步吸收沼气中CO2，具有提高沼气甲烷百分含量和补充沼液碱度的双重作用。
参见附图1，消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺，脱水污泥经过浆化和厌氧消化后得到沼气和消化污泥，沼气经沼气提纯得到天燃气，并释放出加压CO2；消化污泥经过包括以下步骤的沼液高效脱氨：
(ⅰ)消化污泥添加不含三氯化铁的脱水药剂进行预脱水，得预脱水沼渣和氨氮浓度为2000～3500mg/L、总碱度为8000～15000mgCaCO3/L的沼液。
(ⅱ)预脱水沼渣在温度为160～170℃时热水解20～40min，得热水解污泥和含有CO2和氨氮的释压蒸汽，pH上升至9以上；热水解污泥不加药直接进行高干脱水得含固率不低于40％的泥饼和高温高COD热水解液，泥饼经太阳能干化处理得生物碳土，高温高COD热水解液回流用于生产甲烷。
(ⅲ)沼液依次经脱CO2、脱氨、氨吸收和碳化处理，具体过程为：
先将温度为40～50℃的沼液泵入卧式转碟脱CO2槽后，通入少量步骤(ⅱ)热水解后的释压蒸汽，在负压和转碟搅拌条件下脱除沼液中CO2和部分HCO3 -，pH自然上升。
再将脱碳后的沼液泵入脱氨塔内，通入步骤(ⅱ)热水解后的释压蒸汽，在沼液温度为70～80℃、真空压力为-(0.07～0.08)MPa的条件下进行高温负压汽提蒸氮的脱氨处理，得脱氨沼液和含氨蒸汽，脱氨塔内沼液氨氮去除率不低于80％。
然后将含氨蒸汽经氨吸收冷却为浓氨水，浓氨水和沼气提纯过程释放的加压CO2在碳化塔内进行碳化反应，得到碳酸氢铵产品。脱氨沼液经沼气吸收，并调节沼气吸收后沼液的pH，进入后续水处理过程。
实施例1
消化污泥先进行预脱水至含固率为16％，脱水药剂PAM添加量约为3‰(干基)，沼液氨氮浓度为2000mg/L，总碱度为8000mg/L，pH 7.8。泥饼的热水解温度为160℃，时间为30min，释压蒸汽中CO2占80％，含有少量氨气，热水解污泥脱水泥饼含固率达45％。沼液进入卧式转碟脱碳反应器，通入少量蒸汽使沼液温度提高至45℃，沼液总碱度可提升至15000mg/L，然后同时开启转碟搅拌和抽真空***，转速为50rpm，真空压力为-0.08MPa，时间为30min，转碟增大气液界面，使沼液溶解CO2释放，同时促进碳酸氢盐碱度分解，沼液pH提高至9.5。脱除CO2沼液从脱氨塔顶部泵入，与底部注入热水解蒸汽对流，脱氨塔沼液温度为80℃，压力-0.07MPa，沼液中游离氨在高温和负压条件下被蒸汽带出，沼液氨氮去除率可到90％以上，脱氨沼液氨氮浓度低于200mg/L。含氨蒸汽经过冷却后形成17％浓氨水，与沼气加压CO2反应生成碳酸氢铵结晶，经低速离心可形成碳酸氢铵产品。脱氨沼液pH为8.5，用于沼气过滤，使沼气甲烷百分含量从60％提高到70％以上，同时沼液pH降低至7.5，然后进行后续生物处理。
经过本过程可实现热水解蒸汽超过70％氨氮回收，处理每吨沼液最多可回收超过15kgNH4HCO3产品。
实施例2
消化污泥先进行预脱水至含固率为15％，脱水药剂PAM添加量约为2.5‰(干基)，沼液氨氮浓度为3000mg/L，总碱度为12000mg/L，pH 8.0。泥饼的热水解温度为170℃，时间为30min，释压蒸汽中CO2占85％左右，含有少量氨气，热水解污泥脱水泥饼含固率达40％。沼液进入卧式转碟脱碳反应器，通入少量蒸汽使沼液温度提高至50℃，沼液总碱度可提升至18000mg/L，然后同时开启转碟搅拌和抽真空***，转速为60rpm，真空压力为-0.08MPa，时间为30min，转碟增大气液界面，使沼液溶解CO2释放，同时促进碳酸氢盐碱度分解，沼液pH提高至10。脱除CO2沼液从脱氨塔顶部泵入，与底部注入热水解蒸汽对流，脱氨塔沼液温度为70℃，压力为-0.08MPa，沼液中游离氨在高温和负压条件下被蒸汽带出，沼液氨氮去除率可到90％以上，脱氨沼液氨氮浓度低于300mg/L。含氨蒸汽经过冷却后形成17％浓氨水，与沼气加压CO2反应生成碳酸氢铵结晶，经低速离心可形成碳酸氢铵产品。脱氨沼液pH约为8.7，用于沼气过滤，使沼气甲烷百分含量从65％提高到75％以上，同时沼液pH降低至7.6左右，碱度也恢复正常水平，然后进行后续生物处理。
该过程热水解释压蒸汽完全能够满足脱氨所需能耗，沼气提纯剩余加压CO2也完全能够满足碳化需求，同时热水解蒸汽中超过70％氨氮也得到回收，处理每吨沼液最多可回收超过22.5kgNH4HCO3产品。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺，其特征在于，脱水污泥经过浆化和厌氧消化后得到沼气和消化污泥，所述沼气经沼气提纯得到天然 气，并释放出加压CO2；所述消化污泥经过包括以下步骤的沼液高效脱氨：
(ⅰ)消化污泥预脱水，且预脱水过程中添加不含三氯化铁的脱水药剂，得到预脱水沼渣和沼液；所述沼液的氨氮浓度为2000～3500mg/L，总碱度为8000～15000mgCaCO3/L；
(ⅱ)所述预脱水沼渣160～170℃热水解20～40min，产生热水解污泥和含有CO2和氨氮的释压蒸汽，所述热水解污泥经高干脱水和太阳能干化处理作为生物碳土；所述沼渣内碳酸氢盐碱度分解释放大量CO2和氨氮随释压蒸汽释放，pH上升至9以上；
(ⅲ)所述沼液依次经脱CO2、脱氨、氨吸收和碳化处理，过程为：先将温度为40～50℃的所述沼液泵入卧式转碟脱CO2槽，通入少量步骤(ⅱ)热水解后的释压蒸汽，在负压和转碟搅拌条件下脱除所述沼液中CO2和部分HCO3 -，pH自然上升；
脱碳后的沼液泵入脱氨塔内，通入步骤(ⅱ)热水解后的释压蒸汽，在所述沼液温度为70～80℃、真空压力为-(0.07～0.08)MPa的条件下进行高温负压汽提蒸氮的脱氨处理，得脱氨沼液和含氨蒸汽；
所述含氨蒸汽经所述氨吸收冷却为浓氨水，所述浓氨水和所述沼气提纯过程释放的加压CO2在碳化塔内进行碳化反应，得到碳酸氢铵产品。
2.根据权利要求1所述的消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺，其特征在于，步骤(ⅰ)中，所述脱水药剂为有机高分子絮凝剂。
3.根据权利要求2所述的消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺，其特征在于，步骤(ⅰ)中，所述有机高分子絮凝剂为聚丙烯酰胺。
4.根据权利要求1所述的消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺，其特征在于，步骤(ⅱ)中，所述热水解污泥不加药直接进行高干脱水处理，产生含固率不低于40％的泥饼和高温高COD热水解液；所述泥饼经太阳能干化处理作为生物碳土，所述高温高COD热水解液回流用于生产甲烷。
5.根据权利要求1所述的消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺，其特征在于，步骤(ⅲ)中，所述脱氨沼液通过吸收沼气中CO2提高甲烷百分含量，并调节沼气吸收后沼液pH值至弱碱性，进入后续水处理。
6.根据权利要求1所述的消化污泥联合热水解的沼液高效脱氨工艺，其特征在于，步骤(ⅲ)中，所述脱氨塔内沼液氨氮去除率不低于80％。
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