申请日2013.11.26
公开(公告)日2014.03.19
IPC分类号C02F11/00
摘要
本发明涉及一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其步骤为：(1)剩余污泥预处理(2)剩余污泥碱解：通过单级碱解方法或二级碱解方法进行碱解，测定上清液中正磷酸盐和氨氮的浓度;(3)投加Mg/P摩尔比在0.8-2的镁盐水溶液，搅拌反应10-120min，重力或离心分离沉淀物，沉淀物经自然干燥，得到磷酸铵镁粗品。上清液中残留的有机物可用于厌氧发酵产甲烷或回流污水处理系统补充碳源，也可补充厌氧单元需要的碱度，有利于剩余污泥的综合利用。本发明的优点：综合利用污泥中的营养元素，工艺简单，仅需要投加镁盐，就可回收磷，同时回收部分氨氮，而不需要调节pH，且得到的磷酸铵镁粗品可以用于生产肥料。
权利要求书
1.一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其特征在于，其方法如下：
(1) 剩余污泥预处理：将剩余污泥经过重力浓缩或稀释至浓度为10-40 g/L，相当于含水率96%-99%，得到经预处理的剩余污泥;
(2) 剩余污泥碱解：通过单级碱解方法或二级碱解方法促进剩余污泥中磷氮元素的释放，测定上清液中正磷酸盐和氨氮的浓度;
(3) 向步骤(2)得到的含有氨氮和正磷酸盐的上清液中，投加Mg/P摩尔比在0.8-2的镁盐水溶液，搅拌反应10-120min，使上清液中含有的正磷酸盐和氨氮与镁离子形成磷酸铵镁沉淀，重力或离心分离沉淀物，回收磷的同时回收部分氨氮，沉淀物经自然干燥，得到磷酸铵镁粗品。
2.如权利要求1所述的一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其特征在于，步骤(2)所述单级碱解方法具体为：取X体积的经预处理的剩余污泥，加碱调节pH为10.0-13.0，搅拌反应0.5-8h，使污泥的磷氮元素释到胞外，再注入0.5-3.5X体积的经预处理的剩余污泥，继续搅拌反应0.5-1h，使pH降至8.5-10.0，然后在2000-6000 rpm进行离心固液分离，收集上清液，即为含有氨氮和正磷酸盐的上清液。
3.如权利要求1所述的一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其特征在于，步骤(2)所述二级碱解方法具体为：在第一级碱解反应器中，注入X体积的经预处理的剩余污泥，于50-350rpm搅拌，碱解反应0.5-8h，使pH调节至8.5-10.0后离心排出上清液，即第一级碱解出水，排出系统;离心后的残固，即第一级碱解残固，注入第二级碱解反应器中，在第二级碱解反应器中，注入2/7-5/7X体积的水，于50-350rpm搅拌的同时以1-20M的氢氧化钠溶液调节pH 10.0-13.0，继续碱解反应0.5-8h，后离心得到上清液，即二级碱解上清液，注入第一级碱解的反应器中，离心后的残固，即二级碱解残固，排除系统;重复循环，连续运行，其中第一级碱解出水即为含有氨氮和正磷酸盐的上清液，且pH为8.5-10.0。
4.如权利要求1所述的一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其特征在于，所述剩余污泥为城市污水处理厂的剩余活性污泥、浓缩池污泥、脱水污泥和厌氧消化污泥，包括经过处理的剩余污泥;所述处理包括酸、超声、热和臭氧中的一种以上。
5.如权利要求1所述的一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其特征在于，所述碱解中碱的投加形式包括固体和溶液，其中溶液浓度在1-20M，碱的种类包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙。
6.如权利要求1所述的一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其特征在于，所述含有氨氮和正磷酸盐的上清液中的正磷酸盐浓度达到30-180 mg/L，氨氮浓度达到20 -150 mg/L。
7.如权利要求1所述的一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其特征在于，所述镁盐水溶液包括氯化镁水溶液、硫酸镁水溶液或碳酸镁水溶液，或用海水代替所述镁盐水溶液。
8.如权利要求1所述的一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其特征在于，该方法回收15%-50%的氨氮和50%-95%的正磷酸盐，使TSS和VSS减量20%-60%和30%-80%，且使上清液SCOD达到2000-10000 mg/L。
9.如权利要求1所述的一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其特征在于，分离磷酸铵镁沉淀物之后，上清液中残留的有机物用于厌氧发酵产甲烷或回流系统补充碳源，同时补充厌氧单元需要的碱度，有利于剩余污泥的综合利用。
说明书
一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法
技术领域
本发明涉及一种污泥处理处置与资源化利用方法，属于水处理领域。具体涉及一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法。
背景技术
随着我国城镇化进程的加快，城市污水排放量不断增加，污水处理厂产生的污泥特别是剩余污泥的量越来越大。预计至2015年，城市污泥量将达到759.4万吨，这个数值在一段时间内还会持续增加。一般污泥处理处置费用占到污水处理厂总运行费用的50%以上，需要巨额的资金投入。同时，污泥也是一种可利用的资源，含有植物生长所需要的氮、磷、钾等营养元素以及维持植物正常生长发育的多种微量元素和能改良土壤结构的有机物及腐殖质。因此，若能够实现污泥的资源化利用，则可以在一定程度上减轻污水处理厂的运行经营费用，也有利于环境保护。
磷是万物生长营养之源，但又是一种十分有限且不可再生的自然矿产资源。城市污水中含有大量磷，在污水处理过程中进入剩余污泥而被去除，因此，从剩余污泥中回收磷的潜力很大。从污泥中回收磷，不仅有益且可持续发展，还能创造可观的经济效益。实践证明，通过化学法进行磷回收是可行的。现在使用较多的化学法回收磷通常有磷酸铵镁(MgNH4PO4·6H2O，即MAP，俗称鸟粪石)沉淀法和磷酸钙盐(即HAP)沉淀法。由于磷酸铵镁法在回收磷的同时可回收部分氨氮，且磷酸铵镁是很好的缓释肥料，所以被认为是最有发展前景的磷回收途径。理论上，只要溶液中含有镁离子、氨氮和正磷酸，它们的离子浓度积大于磷酸铵镁的溶度积常数，且pH在8.5-10.0碱性范围，就会有磷酸铵镁生成。
由于污泥中的磷既存在于胞外聚合物中，又存在于胞内，因此首先必须通过预处理手段使之释放到上清液中，再沉淀分离和回收利用。已经报道了酸法、臭氧法、超声波法、微波法和加热法等预处理污泥释放磷的研究。但它们除了自身的设备投资和电耗药耗费用外，还存在一笔额外的费用：由于这些处理方式得到的上清液都偏酸性或近中性，达不到磷酸铵镁法所要求的碱性范围，所以需要加碱调节pH，而增加了药剂成本，更加限制了这些技术的大规模应用。采用碱解污泥释放磷的方式，不仅对设备和能耗的要求低，而且可以节省加碱调节pH的额外费用，既经济又有效。
发明内容
本发明要解决从剩余污泥中回收磷的高成本问题，提供一种经济有效和有利于剩余污泥综合利用的从剩余污泥中回收磷的方法。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
本发明提出的一种经济的从剩余污泥中回收磷的方法，其具体步骤为：
(1) 剩余污泥预处理：将剩余污泥经过重力浓缩或稀释至浓度为10-40 g/L，相当于含水率96%-99%，得到经预处理的剩余污泥;
(2) 剩余污泥碱解：通过单级碱解方法或二级碱解方法促进剩余污泥中磷氮元素的释放，测定上清液中正磷酸盐和氨氮的浓度，测试方法为钼酸铵分光光度法和纳氏试剂分光光度法。
(3) 向步骤(2)得到的含有氨氮和正磷酸盐的上清液中，投加Mg/P摩尔比在0.8-2的镁盐水溶液，搅拌反应10-120min，使上清液中含有的正磷酸盐和氨氮与镁离子形成磷酸铵镁沉淀，重力或离心分离沉淀物，回收磷的同时回收部分氨氮，沉淀物经自然干燥，得到磷酸铵镁粗品。
上述方法中，步骤(2)所述单级碱解方法具体为：取X体积的经预处理的剩余污泥，加碱调节pH为10.0-13.0，搅拌反应0.5-8h，使污泥的磷氮元素释到胞外，再注入0.5-3.5X体积的经预处理的剩余污泥，继续搅拌反应0.5-1h，使pH降至8.5-10.0，然后在2000-6000 rpm进行离心固液分离，收集上清液，即为含有氨氮和正磷酸盐的上清液。
上述方法中，步骤(2)所述二级碱解方法具体为：在第一级碱解反应器中，注入X体积的经预处理的剩余污泥，于50-350rpm搅拌，碱解反应0.5-8h，使pH调节至8.5-10.0后离心排出上清液，即第一级碱解出水，排出系统;离心后的残固，即第一级碱解残固，注入第二级碱解反应器中，在第二级碱解反应器中，注入2/7-5/7X体积的水，于50-350rpm搅拌的同时以1-20M的氢氧化钠溶液调节pH 10.0-13.0，继续碱解反应0.5-8h，后离心得到上清液，即二级碱解上清液，注入第一级碱解的反应器中，离心后的残固，即二级碱解残固，排除系统;重复循环，连续运行，其中第一级碱解出水即为含有氨氮和正磷酸盐的上清液，且pH为8.5-10.0。
上述方法中，必须通过步骤(2)，调节pH至8.5-10.0，才能开始进行步骤(3)。
上述方法中，步骤(1)所述剩余污泥浓度控制在10-40 g/L以获得较大程度磷释放。
上述方法中，所述剩余污泥为城市污水处理厂的剩余活性污泥、浓缩池污泥、脱水污泥和厌氧消化污泥，包括经过处理的剩余污泥;所述处理包括酸、超声、热和臭氧中的一种以上。
上述方法中，所述碱解中碱的投加形式包括固体和溶液，其中溶液浓度在1-20M，碱的种类包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙。
上述方法中，所述含有氨氮和正磷酸盐的上清液中的正磷酸盐浓度达到30-180 mg/L，氨氮浓度达到20 -150 mg/L。
上述方法中，所述镁盐水溶液包括氯化镁水溶液、硫酸镁水溶液或碳酸镁水溶液，或用海水代替所述镁盐水溶液。
上述方法中，该方法可回收15%-50%的氨氮和50%-95%的正磷酸盐，可使TSS和VSS减量20%-60%和30%-80%，且SCOD达到2000-10000 mg/L。
上述方法中，分离磷酸铵镁沉淀物之后，上清液中残留的有机物用于厌氧发酵产甲烷或回流系统补充碳源，同时可补充厌氧单元需要的碱度，有利于剩余污泥的综合利用。
本发明的技术原理为：碱性条件下，氢氧根离子与维持微生物胞外聚合物结构的酸性基团反应，促进剩余污泥胞外聚合物中蛋白质、多糖、氨氮和正磷酸盐溶出;同时，氢氧根离子能够破坏细胞膜上磷脂双分子层，导致微生物细胞裂解和胞内物(蛋白质、多糖、氨氮和正磷酸盐)的释放。上清液含有氨氮和正磷酸盐，且pH满足磷酸铵镁沉淀条件，仅需要投加镁盐提供适量的镁离子，使它们的离子浓度积大于磷酸铵镁的溶度积常数，就会自发生成磷酸铵镁沉淀物。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)本发明采用碱解预处理剩余污泥，可使污泥中约40%-90%的总磷释放至上清液中。其中60%-90%为正磷酸盐，相应的浓度为30-180 mg/L，有利于化学法回收磷;此过程中也释放出一定量的氨氮，其在上清液中的浓度为20-150 mg/L。同时，上清液pH都在8.5-10.0范围。这些条件完全可以满足磷酸铵镁沉淀的要求，仅需要投加镁盐水溶液，即可自发大量生成磷酸铵镁沉淀。
(2)本发明采用碱解预处理剩余污泥，与酸法(38%盐酸)和加热法(90℃，2h)预处理污泥促进磷释放的试验结果比较，发现三种方法所获得的上清液中的正磷酸盐的释放比值都约为2:3.5:1。酸法和碱法促进磷释放的效果明显优于加热法;尽管碱法的效果不及酸法，但药剂消耗远低于后者，综合考虑时有一定的优越性。
(3)本发明在磷酸铵镁法的最优运行条件下，可回收碱解污泥的出水中25%-50%的总磷和50%-95%的正磷酸盐。同时出水中的部分氨氮也得到回收利用。
(4)本发明采用碱解预处理剩余污泥，释放出大量的有机物，使上清液的SCOD达2000-10000 mg/L。分离磷酸铵镁沉淀物之后，上清液中残留的有机物既可回流至原生物处理系统补充碳源，又可以厌氧发酵产甲烷，同时可补充厌氧单元需要的碱度，有利于剩余污泥的综合利用。
(5)本发明采用碱解预处理剩余污泥，有一定的减量效果，剩余污泥TSS、VSS减少20%-60%和30%-80%，实现了污泥的稳定化和减量化，有利于后续的污泥处置。