CN109592659A - 一种市政污泥水热碳化回收磷的方法 - Google Patents

一种市政污泥水热碳化回收磷的方法 Download PDF

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许劲
吕秋颖
唐琦
范准
李杨
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Abstract

本发明公开了一种市政污泥水热碳化回收磷的方法，包括以下步骤：(1)取市政污泥进行水热碳化，得到碳化产物；(2)将步骤(1)得到的碳化产物进行固液分离，分别得到生物炭和液相产物；(3)将步骤(2)得到的生物炭用酸浸法提取磷，过滤得到滤液；(4)往步骤(3)得到的滤液中加入镁盐和铵盐，并调节pH，形成鸟粪石结晶并予回收。本发明通过水热碳化技术将污泥中的有机磷转化为无机磷并浓缩到生物炭中，然后将富集磷的生物炭进行酸浸提、鸟粪石结晶，从而实现了简单高效、低成本的市政污泥处理与磷回收。

Description

一种市政污泥水热碳化回收磷的方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，具体涉及一种市政污泥水热碳化回收磷的方法。
背景技术
截至2015年9月底，全国城镇累计建成污水处理厂3830座，污水处理能力已达到1.62亿m3/d，伴生的污泥已突破3000万t/年(以含水率80％计)。“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划(2016年12月)指明：到2020年底，地级及以上城市污泥无害化处置率达到90％，其他城市达到75％；县城力争达到60％；重点镇提高5个百分点，初步实现建制镇污泥统筹集中处理处置。根据住建部相关数据，近半数污泥未经过无害化处理。污泥问题已成为污水处理领域的瓶颈。
污泥具有含水率高、含有大量病原体和微生物等有害生物、重金属及有机物含量高等特点，若在排放前不经处理，则会对环境造成二次污染。传统的污泥处理方法都有一些缺点，如厌氧消化具有投资大、发酵时间长和产气率低等问题，好氧堆肥占地大且易产生有害气体，焚烧发电需要将污泥深度脱水、成本高。
磷是地球上一种不可再生、不可替代的非金属资源，而且在自然界不存在自然循环途径。全球磷矿经济储量约有160亿吨，按目前需求量计算，全球磷矿储量将在125年左右消耗殆尽。随着陆地磷矿产资源的日益匮乏，从污泥中回收磷受到了国际间的极大关注。传统的污水污泥磷回收方法一般是化学沉淀法、吸附解吸法、结晶法以及焚烧法，这些方法存在成本高、反应条件苛刻以及污泥释放磷效率不高等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种市政污泥水热碳化回收磷的方法，解决目前污泥磷回收技术复杂、成本高与回收率低等缺点，实现简单高效、低成本的市政污泥处理与磷回收。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种市政污泥水热碳化回收磷的方法，包括以下步骤：
(1)取市政污泥进行水热碳化，得到碳化产物；
(2)将步骤(1)得到的碳化产物进行固液分离，分别得到生物炭和液相产物；
(3)将步骤(2)得到的生物炭用酸浸法提取磷，过滤得到滤液；
(4)往步骤(3)得到的滤液中加入镁盐和铵盐，并调节pH，形成鸟粪石结晶并予回收。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，市政污泥为污水处理厂的初沉污泥、剩余污泥、厌氧消化污泥和脱水污泥中的一种或两种以上混合。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，水热碳化的反应条件为：反应温度200～230℃，反应压力20～30个大气压，反应时间2～3小时。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，水热碳化的加热方式为微波加热、电加热或导热油加热。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，先调节市政污泥的含水率至88％～92％，再进行水热碳化。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，市政污泥先进行加热预处理，再进行水热碳化。
作为优选的技术方案，所述步骤(3)中，酸浸法采用无机酸，无机酸的浓度范围为0.6～1.0mol/L；生物炭加酸浸提时，调节pH至pH≤2。
作为优选的技术方案，所述步骤(4)中，镁盐为MgCl2溶液，加入MgCl2溶液后使滤液中的Mg:P摩尔比为(1.2～1.5):1。
作为优选的技术方案，所述步骤(4)中，铵盐为NH4Cl溶液，加入NH4Cl溶液后使滤液中的N:P摩尔比为(1～4):1。
作为优选的技术方案，所述步骤(4)中，调节pH至pH＝7～9。
本发明的有益效果在于：
本发明的解决方案是先将市政污泥进行水热碳化处理，经水热碳化处理后，市政污泥中大部分的磷以磷酸盐形式富集在生物炭中，极少部分在液相产物中。在水热碳化过程中，污泥中的有机磷基本全部转化为无机磷，无定形磷酸盐转化为正磷酸盐；生物炭中可富集污泥中几乎所有的磷，其主要形态为无机磷，包括大量的铁铝结合态磷和少量的钙结合态磷。然后将富集磷的生物炭进行酸浸提、鸟粪石结晶，从而实现了市政污泥的处理与磷回收。
本发明通过水热碳化技术将污泥中的有机磷转化为无机磷并浓缩到生物炭中，易于后续提取，回收生物炭中的磷要比回收污泥中的磷更高效低耗、方便快捷，磷回收率可达85％以上。酸浸后的生物炭可用于吸附剂、催化剂载体、燃料或土壤改良剂，磷回收的产物鸟粪石可作为缓释磷肥，具有很高的经济价值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
步骤(1)：取某污水处理厂市政污泥60g(干重)，含磷量2.25g，加水540g配成含水率90％的原料。在200℃、20个大气压、3小时的反应条件下进行水热碳化。
步骤(2)：过滤步骤(1)的碳化产物进行固液分离，得到生物炭的质量37.81g，含磷量2.08g，即污泥中92％的磷转化到生物炭中。
步骤(3)：将步骤(2)中过滤后的生物炭加入0.8mol/L的硫酸，调节pH值为2.0，并通过过滤、洗涤、干燥，得到提取后的生物炭和滤液。
步骤(4)：将步骤(3)中的滤液，投加MgCl2溶液和NH4Cl溶液，使溶液中Mg:P摩尔比为1.3:1、N:P摩尔比为2:1，调节pH值为9.0，形成鸟粪石结晶并予回收，含磷量1.94g，磷回收率为86％。
本发明所称的市政污泥，可以选择含磷率3％～9％的富磷污泥，例如：污水处理厂的初沉污泥、剩余污泥、厌氧消化污泥和脱水污泥中的一种或两种以上混合。
本发明在实施应用中，一般的水热碳化反应条件均能达到本发明的目的，较为优选的水热碳化反应条件为：反应温度200～230℃，反应压力20～30个大气压，反应时间2～3小时。而在进行水热碳化前，先调节市政污泥的含水率至88％～92％，先进行加热预处理，能达到更好的效果。至于水热碳化的加热方式，可以为常规的微波加热、电加热、导热油加热等。
本发明在实施应用中，酸浸法优选采用无机酸，无机酸的浓度范围优选为0.6～1.0mol/L；生物炭加酸浸提时，最优的条件是调节pH至pH≤2。
本发明在实施应用中，镁盐优选采用MgCl2溶液，镁盐的优选配比是加入MgCl2溶液后使滤液中的Mg:P摩尔比为(1.2～1.5):1；铵盐优选采用NH4Cl溶液，铵盐的优选配比是加入NH4Cl溶液后使滤液中的N:P摩尔比为(1～4):1；最优的条件是调节pH至pH＝7～9，形成鸟粪石结晶。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种市政污泥水热碳化回收磷的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)取市政污泥进行水热碳化，得到碳化产物；
(2)将步骤(1)得到的碳化产物进行固液分离，分别得到生物炭和液相产物；
(3)将步骤(2)得到的生物炭用酸浸法提取磷，过滤得到滤液；
(4)往步骤(3)得到的滤液中加入镁盐和铵盐，并调节pH，形成鸟粪石结晶并予回收。
2.根据权利要求1所述的市政污泥水热碳化回收磷的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，市政污泥为污水处理厂的初沉污泥、剩余污泥、厌氧消化污泥和脱水污泥中的一种或两种以上混合。
3.根据权利要求1所述的市政污泥水热碳化回收磷的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，水热碳化的反应条件为：反应温度200～230℃，反应压力20～30个大气压，反应时间2～3小时。
4.根据权利要求1所述的市政污泥水热碳化回收磷的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，水热碳化的加热方式为微波加热、电加热或导热油加热。
5.根据权利要求1所述的市政污泥水热碳化回收磷的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，先调节市政污泥的含水率至88％～92％，再进行水热碳化。
6.根据权利要求1所述的市政污泥水热碳化回收磷的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，市政污泥先进行加热预处理，再进行水热碳化。
7.根据权利要求1所述的市政污泥水热碳化回收磷的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，酸浸法采用无机酸，无机酸的浓度范围为0.6～1.0mol/L；生物炭加酸浸提时，调节pH至pH≤2。
8.根据权利要求1所述的市政污泥水热碳化回收磷的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，镁盐为MgCl2溶液，加入MgCl2溶液后使滤液中的Mg:P摩尔比为(1.2～1.5):1。
9.根据权利要求1所述的市政污泥水热碳化回收磷的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，铵盐为NH4Cl溶液，加入NH4Cl溶液后使滤液中的N:P摩尔比为(1～4):1。
10.根据权利要求1所述的市政污泥水热碳化回收磷的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，调节pH至pH＝7～9。
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