专利名称：使用污水污泥生产有机肥料的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用污水污泥来生产有机肥料的方法和装置，更具体地涉及使用污水污泥生产有机肥料的安全且成本合算的方法和装置，其包括用酸有效地萃取并除去污水污泥中所含的重金属，进行2-步杀菌以除去致病微生物，和补充农作物所需的必需营养素。
背景技术：
通常，在污水处理场中，通过物理化学方法和生物方法处理日常生活中产生的废水和食物垃圾。这不可避免地产生作为副产物的污水污泥。污水污泥是在污水处理过程中产生的液体漂浮物质的总称，并且包括，当被导入污水处理场的污水滞留在第一沉淀池时因重力而沉淀的原污泥，以及过量的污泥、回收的污泥、浓缩的污泥，及生物处理后从第二沉淀池分离的消化污泥。同时，污水处理场产生的污水污泥包含各种有机物质和痕量的有价值的资源，因此当充分利用时能够回收能源。此类污水污泥可以作为轻集料(light aggregate)、蚯蚓饲料、水泥原材料、土壤覆盖材料、土壤改良剂等再利用。此外，污水污泥富含肥料组分如氮、磷、有机物质等，并且为植物的生长提供有用的成分。因此，污水污泥可以是有用的资源。含有肥料的污水污泥向农作物供给营养素，提高土壤肥力，并且改进土壤的物理化学性质。在这些情况下，在本领域中已作出许多尝试开发用于处理和加工污水污泥成为含有大量此类有用的有机物质的良好有机资源的改进的方法。此外，在一些发达国家，污水污泥被更名为“生物固体(bio-solid)”，因为它被视为资源而不是废物。在美国，制定现行的监管法案将生物固体导入土壤并且生物固体广泛地用于农业。此外，在日本和欧洲，污水污泥以30% -50%或更高的水平被回收入农业用地中。在韩国，回收污水污泥的重要性最近也已引起广泛关注。因此，在该领域已进行许多研究。但是，尚未充分地建立用于控制污水污泥的生成量或相关过程的方法。此外，即使使用依据相关领域的用污水污泥生产肥料的此类方法，会产生另一个问题，即污水污泥中存在高浓度的有害重金属导致对农作物、或接受此类农作物的人类、动物和土壤的污染。其结果是，此类肥料产品不能提供足够的可靠性，因此许多用户避免使用它们。此外，关于使用污水污泥种植农作物有严格的法律规定，致使污水污泥的回收受限。
发明内容
本发明涉及提供使用污水污泥生产有机肥料的安全且合算的方法和装置，其包括用酸有效地萃取和除去污水污泥中所含的重金属，进行2-步杀菌以除去致病微生物，和补充农作物所需的必需营养素。在一个方面，提供使用污水污泥生产有机肥料的方法，其包括将污水污泥与酸混合，从而将污水污泥中的重金属萃取到液相；
对污水污泥与酸的混合物进行固-液分离，从而将污水污泥的固体组分和含有溶于其中的重金属的液体分离；将所述污水污泥的固体组分与生石灰混合，从而中和所述污水污泥；和将被中和的污水污泥和黄土混合，从而得到有机肥料。根据一个实施方案，当将污水污泥与酸混合从而将污水污泥中的重金属萃取到液相时，可以将与所述酸混合的所述污水污泥调至PH 0.1-2。所述酸的具体实例可以包括 选自HC1、H2SO4, HN03、H3PO4和HClO4的任何一种无机酸，或者选自乙酸、草酸和柠檬酸的一种有机酸。此外，基于100重量％的污水污泥，所述酸的加入量可以为30重量％ -40重量％。此外，可以将0.9-2. OM硫酸与基于100重量％的污水污泥为30重量％ -40重量％ 的量的污水污泥混合，从而将污水污泥的PH调至0. 1-2。在对污水污泥与酸的混合物进行固-液分离从而将污水污泥的固体组分和含有溶于其中的重金属的液体分离之后，所述方法还可以包括使含有溶于其中的重金属的液体聚集和沉淀从而从液体中分离含有重金属和其它杂质的沉淀固体。当将污水污泥的固体组分与生石灰混合来中和污水污泥时，可以将污水污泥调至 PH 6-9，并且基于100重量％的污水污泥，生石灰的加入量可以为2重量％-5重量％。此夕卜，基于100重量％的污水污泥，黄土的加入量可以为10重量％ -15重量％。在将被中和的污水污泥与黄土与混合得到有机肥料之后，所述方法还可以包括对有机肥料进行自然干燥来将其水含量调至30% -40%。在另一个方面，提供使用污水污泥生产有机肥料的装置，其包括重金属萃取单元，其中污水污泥与酸混合从而将污水污泥中包含的重金属萃取到液相；固-液分离单元，向其供给来自所述重金属萃取单元的污水污泥与酸的混合物以将污水污泥的固体组分和含有溶于其中的重金属的液体分离；污泥中和单元，其中所述污水污泥的固体组分与生石灰混合以将所述污水污泥中和至pH 6-9 ；和黄土掺混单元，其中将在所述污泥中和单元中被中和的污水污泥与黄土混合得到有机肥料。所述使用污水污泥生产有机肥料的方法和装置提供以下效果。本发明公开的方法和装置允许将污水污泥回收作为富含有机物质的良好有机资源，由此能够回收污水中的有用资源并解决与填埋和焚烧污水污泥所需的高成本和二次污染相关的问题。在当污水污泥被转化成肥料时可能引起一些问题的重金属的情况中，通过本发明公开的方法和装置完全除去此类重金属，由此防止在农作物和接受所述农作物的人类或动物中发生的二次污染，并消除需要此类肥料的用户的怀疑。此外，本发明公开的方法和装置能够使污水污泥作为高附加值的产品如肥料再生而不是作为废物。因此，可以提高污水污泥的适用性并且最大化收益率和成本-效益。此外，本发明公开的方法和装置提供含有农作物必需的营养素和矿物质的高质量肥料，由此中和酸化的土壤并基本上解决环境问题。此外，所述方法和装置改善土壤的物理化学性质，加速植物根的生长，并且改进农作物的质量和产量。
从以下详述结合附图更加清晰可见公开的示例性实施方案的上述方面及其它方面、特征和优点图1是如实施方案所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法的流程图；和图2是说明如实施方案所述的使用污水污泥生产有机肥料的装置的示意图。[主要部件详述]110:重金属萃取单元 111:酸供给单元120:固-液分离单元 130:污泥中和单元131 生石灰供给单元 140 黄土掺混单元141 黄土供给单元
具体实施例方式下面参考附图更详尽地描述使用污水污泥生产有机肥料的方法和装置的示例性实施方案，其中给出示例性实施方案。但是，可以以许多不同的形式表现本发明，而不应解释为限于其中列举的示例性实施方案。相反，提供这些示例性实施方案，从而本发明是全面且完整的，并且向本领域技术人员充分地表达本发明的范围。在本说明书中，可能省略公知的特征和技术的细节以避免不必要地模糊本发明的实施方案。除非另外定义，本发明使用的所有术语(包括科学和技术术语)具有与本领域技术人员通常理解的相同含义。还应理解术语例如常用字典中定义的那些术语，应解释为具有与它们在相关领域和本发明的背景中的含义相同的含义，而不应以理想化的或过度形式上的意义解释，除非本发明特意地如此定义。在所述附图中，同样的附图标记表示同样的部件。为了清晰起见，可能放大附图的形状、大小和区域。首先，说明如一个实施方案所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法。参照图1，将污水污泥与酸混合并使它们反应以萃取污水污泥中所含的重金属 (SlOl)。本发明可使用的酸的具体实例包括选自此1、!12304、願03、!^04和!1(104的任一种无机酸，或者选自乙酸、草酸和柠檬酸的一种有机酸。以下说明使用硫酸的示例性实施方案。 当使用硫酸时，基于100重量％的污水污泥，可以以30重量％ -40重量％比例的0. 9-2. OM 硫酸将污水污泥和硫酸互相混合。使用30重量％ -40重量％的0. 9-2. OM硫酸意在使污水污泥的PH保持在0. 1-2。本发明中，污水污泥的水含量是70% -80%。通过将所述酸如硫酸与污水污泥混合，将污水污泥的pH调至0. 1-2，污水污泥中的有机物质被分解，并且此类有机物质的细胞壁破裂。随着有机物质的细胞壁破裂，由于与硫酸负离子的电吸引力，有机物质中所含的重金属以它们的阳离子态被溶解和萃取到液相。污水污泥与硫酸之间的上述反应可以在混合室中进行至少6小时。此外，用酸如此萃取重金属能够初步地杀灭污水污泥中所含的有害细菌。在萃取污水污泥中所含的重金属结束后，进行固-液分离过程以将含有溶于其中的重金属的液体和污水污泥的固体组分分离(S1(^)。通过聚集和沉淀进一步分离通过固-液分离过程被分离的其中溶有重金属的液体部分。更具体地，加入氢氧化钠作为凝聚剂以从液体中分离含有重金属和其它杂质的固体沉淀。然后，将被分离的液体排放至污水处理场、或者进行PH调节，从而它可以作为萃取重金属的溶液再利用。弃去含有重金属及其它杂质的固体沉淀。同时，进一步中和所述固-液分离过程后被分离的污水污泥的固体组分。通过中和过程中和强酸性状态的污水污泥，同时降低污水污泥的水含量。此外，可以通过在中和 (放热反应)过程中产生的热来除去污水污泥中存在的有害细菌如大肠杆菌。更具体地，将2重量％ -5重量％的生石灰(CaO)加入100重量％的污水污泥来中和污水污泥(Sl(XB)。当生石灰的加入量低于2重量％时，可能没有充分地中和污水污泥。 在另一方面，当生石灰的加入量高于5重量％时，不可能生产良好质量的肥料。此外，生石灰是在825 °C或更高的温度下煅烧天然石灰时分离的氧化钙。当石灰分解成二氧化碳和氧化钙时，在排出二氧化碳处形成微孔。因此生石灰具有大量的微孔。当此类含有许多微孔的生石灰与污水污泥混合时，生石灰易于吸收污水污泥中所含的水(H2O) 和二氧化碳(CO2)形成钙化合物如氢氧化钙或碳酸氢钙(Ca(HCO3)2)(参见以下反应式1)。 以此方式，污水污泥的PH增大，并且污水污泥被中和。此外，因为形成此类钙化合物的反应是放热的，在反应过程中产生的反应热(100-130°C)使水蒸发，致使污水污泥的水含量下降并杀灭污水污泥中的有害细菌。其结果是，如此的中和过程能够将污水污泥的PH调至 6-9。[反应式1]CaCHH2O — Ca (OH) 2+15. 6kcal/molCa (OH) 2+2C02 — Ca (HCO3) 2+35kcal/mol在中和污水污泥结束后，进行生产有机肥料的过程。通过向污水污泥补充所需的矿物质组分来进行此过程，并且将黄土用于此过程。更具体地，加入10重量％ -15重量％ 的黄土并与100重量％的中和后所得的污水污泥混合(S104)。需要加入10重量％或更多的黄土以提供足量的矿物质组分。当黄土的加入量大于15重量％时，如此过量的矿物质组分使肥料的性质下降。作为参考，黄土占韩国土壤的10%，并且是硅酸盐复合粘土矿物，其富含碳酸钙(CaCO3)并且含有植物生长所需的9种必需营养素(包括二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、铁(Fe)、镁(Mg)、钠(Na)等)，和7种痕量营养素。黄土的功能是将酸化的土壤转化成碱性的土壤使土壤肥沃，并且还用作痕量矿物质补充剂和水含量调节剂。将与黄土混合的污水污泥自然干燥4-6天以使水含量符合肥料标准，即，水含量 30%-40%，由此得到成品肥料(Sl(^)。此外，此类自然干燥过程能够预先排出浙出物，由此防止微生物繁殖。最后，干燥的肥料形成例如颗粒形状而完成如一个实施方案所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法。以下说明如一个实施方案所述的使用污水污泥生产有机肥料的装置。参照图2，如一个实施方案所述的使用污水污泥生产有机肥料的装置包括重金属萃取单元110、固-液分离单元120、污泥中和单元130和黄土掺混单元140。所述重金属萃取单元110用来提供污水污泥与酸混合并反应以萃取污水污泥中所含的重金属的空间。可以在所述重金属萃取单元110的一侧配备供给酸装置111。可以通过所述供给酸装置111供给选自HC1、H2S04、HN03、H3PO4和HClO4的任何一种无机酸或者选自乙酸、草酸和柠檬酸的一种有机酸。在将所述酸与污水污泥混合并反应后，污水污泥的pH被调至0. 1-2，由此污水污泥中的有机物质被分解并且有机物质的细胞壁破裂。随着有机物质的细胞壁破裂，由于与硫酸阴离子的电吸引力，有机物质中所含的重金属以它们的阳离子态被溶解和萃取到液相。更具体地，可以将30重量％ -40重量％的0. 9-2. OM硫酸与100重量％的污水污泥混
口 O所述固-液分离单元120用来对污水污泥与酸的混合物进行固-液分离(从混合物中萃取重金属)，从而此混合物被分离成污水污泥的固体组分和含有溶于其中的重金属的液体。所述固-液分离单元120可以包括离心分离系统、旋液分离器等。通过聚集和沉淀可以进一步固-液分离通过所述固-液分离单元120分离的含有溶于其中的重金属的液体。所述污泥中和单元130用来通过使用生石灰中和从所述固-液分离单元120分离出的污水污泥的固体组分。换言之，将生石灰与污水污泥混合并反应以中和污水污泥。为了供给生石灰，还可以在所述污泥中和单元130的一侧配备生石灰供给装置131。生石灰在其表面上具有大量的微孔。当将此类生石灰与污水污泥混合时，生石灰容易地通过微孔吸收污水污泥中所含的水和二氧化碳，由此形成钙化合物如氢氧化钙或碳酸氢钙。以此方式，污水污泥的整体PH增大，并且污水污泥被中和。此外，因为形成此类钙化合物的反应是放热的，在此放热反应过程中产生的反应热使水蒸发，致使污水污泥的水含量下降并且杀灭污水污泥中的有害细菌。同时，基于100重量％的污水污泥，生石灰的加入量可以为2重量％ -5重量％。所述黄土掺混单元140用来将通过所述污泥中和单元130被中和的污水污泥与黄土混合以补充矿物质组分，由此得到成品肥料。在此，黄土可以通过配备于所述黄土掺混单元140 —侧的黄土供给装置141供给。此外，基于100重量％的污水污泥，黄土的加入量可以为10重量％ -15重量％。实施例描述实施例(和实验)以确定本发明公开的有机肥料的特征。以下实施例(和实验)仅是例证性目的而不意在限制本发明的范围。<实施例>首先，从位于Kyong-gi Do, Korea的环境商业中心收集水含量为75% -80%的污水污泥的脱水块。其后，将0. 6L的IM硫酸(30重量％)加入2kg污水污泥并搅拌此混合物 6小时进行重金属萃取同时杀灭微生物。然后使用高速离心分离系统(3000rpm)对与IM硫酸混合的污水污泥进行固-液分离。此后，将分离出的固体污泥与60g生石灰(3重量％ ) 混合并反应以中和污泥。然后，加入200g黄土粉末(10重量％)并与被中和的污泥混合， 自然干燥5天将水含量调至30%。最后，使所得的有机肥料形成颗粒。当以上述方式实施生产有机肥料的方法时，测定污水污泥的脱水块、固-液分离后的固体污泥和有机肥料的水含量、有机物质含量、盐含量、PH值、重金属含量和大肠杆菌数。结果在下表1中示出。[表1]性质和状态的变化
权利要求
1.一种使用污水污泥生产有机肥料的方法，其包括将污水污泥与酸混合，从而将污水污泥中的重金属萃取到液相；对污水污泥与酸的混合物进行固-液分离，将污水污泥的固体组分与含有溶于其中的重金属的液体分离；将所述污水污泥的固体组分与生石灰混合，中和所述污水污泥；和将所述被中和的污水污泥与黄土混合得到有机肥料。
2.如权利要求1所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法，其中在所述将污水污泥与酸混合从而将污水污泥中的重金属萃取到液相的步骤中，将与所述酸混合的所述污水污泥的PH调至0. 1-2。
3.如权利要求1所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法，其中所述酸是选自HC1、 H2SO4, HN03、H3PO4和HClO4的任何一种无机酸或者选自乙酸、草酸和柠檬酸的一种有机酸。
4.如权利要求1所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法，其中基于100重量％的污水污泥，所述酸的加入量为30重量％ -40重量％。
5.如权利要求1所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法，其中在所述将污水污泥与酸混合从而将污水污泥中的重金属萃取到液相的步骤中，将基于100重量％的污水污泥为 30重量％ -40重量％的量的0. 9-2. OM硫酸与污水污泥混合，从而将所述污水污泥的pH调至 0. 1-2。
6.如权利要求1所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法，其还包括，在对污水污泥与酸的混合物进行固-液分离从而将污水污泥的固体组分与含有溶于其中的重金属的液体分离之后，对所述含有溶于其中的重金属的液体进行聚集和沉淀，从而从液体中分离含有重金属及其它杂质的沉淀固体。
7.如权利要求1所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法，其中在所述将所述污水污泥的固体组分与生石灰混合从而中和所述污水污泥的步骤中，将所述污水污泥的PH调至 6-9。
8.如权利要求1所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法，其中基于100重量％的污水污泥，生石灰的加入量为2重量％ -5重量％。
9.如权利要求1所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法，其中基于100重量％的污水污泥，黄土的加入量为10重量％ -15重量％。
10.如权利要求1所述的使用污水污泥生产有机肥料的方法，其还包括在将被中和的污水污泥与黄土混合得到有机肥料之后，对所述有机肥料进行自然干燥以将其水含量调至 30% -40%。
11.使用污水污泥生产有机肥料的装置，其包括重金属萃取单元，在其中污水污泥与酸混合，将污水污泥中所含的重金属萃取到液相；固-液分离单元，向其供给来自所述重金属萃取单元的污水污泥与酸的混合物以将污水污泥的固体组分和含有溶于其中的重金属的液体分离；污泥中和单元，在其中所述污水污泥的固体组分与生石灰混合，将所述污水污泥中和至pH 6-9 ；和黄土掺混单元，其中将在所述污泥中和单元中被中和的污水污泥与黄土混合得到有机肥料。
12.如权利要求11所述的使用污水污泥生产有机肥料的装置，其中将在所述重金属萃取单元中与所述酸混合的污水污泥的PH调至0. 1-2。
13.如权利要求11所述的使用污水污泥生产有机肥料的装置，其中在所述重金属萃取单元中，混合基于100重量％的污水污泥为30重量％ -40重量％的量的0. 9-2. OM硫酸，将所述污水污泥的PH调至0. 1-2。
14.如权利要求11所述的使用污水污泥生产有机肥料的装置，其中在所述污泥中和单元中，基于100重量％的污水污泥，生石灰的加入量为2重量％ -5重 量％。
15.如权利要求11所述的使用污水污泥生产有机肥料的装置，其中在所述黄土掺混单元中，基于100重量％的污水污泥，黄土的加入量为10重量％ -15重量％。
全文摘要
本发明公开了使用污水污泥生产有机肥料的安全且成本合算的方法和装置，其包括用酸有效地萃取并除去污水污泥中所含的重金属，进行2-步杀菌以除去致病微生物，和补充农作物所需的必需营养素。所述使用污水污泥生产有机肥料的方法包括将污水污泥与酸混合，从而将污水污泥中的重金属萃取到液相；对污水污泥与酸的混合物进行固-液分离，从而将污水污泥的固体组分和含有溶于其中的重金属的液体分离；将所述污水污泥的固体组分与生石灰混合从而中和所述污水污泥；和将被中和的污水污泥和黄土混合，从而得到有机肥料。
文档编号C02F11/00GK102476961SQ201110157550
公开日2012年5月30日 申请日期2011年5月31日 优先权日2010年11月29日
发明者崔龙洙, 庾荷娜, 李相协, 李锡宪, 郑在植 申请人:韩国科学技术研究院