一种剩余污泥水热液资源化利用的方法

1.本发明属于污泥资源化技术领域，具体涉及一种污泥水热液资源化利用的方法。
2.

背景技术：

3.污水生物处理过程伴随大量剩余污泥产生，由于污泥中含有较高含量的有机质，污泥的资源化利用成为剩余污泥处理处置的重要方向。鉴于污水生物脱氮处理过程碳源缺乏，常需外加有机碳的问题，将污泥中的有机质进行转化，制备成污水脱氮碳源成为污泥资源化的研究热点。
4.目前，将剩余污泥转化为污水生物脱氮碳源的方法主要包括污泥厌氧发酵产短链脂肪酸（vfa）以及污泥热水解方法。污泥在厌氧发酵过程中，污泥微生物通过细胞溶解、水解及酸化过程，将细胞组成成分如蛋白质、多糖等逐渐转化为乙酸、丙酸、丁酸等小分子有机酸，可作为污水生物脱氮的反硝化碳源，但伴随着vfa生成的同时，污泥中的氮磷成分释放至发酵液，在作为反硝化碳源之前需进行氮磷的回收处理，常通过添加镁盐制备鸟粪石回收，成本较高。此外，污泥水热反应过程产生发生裂解生成小分子物质，生产的水热液可作为反硝化碳源，由于污泥水热反应反应速率快、效率高，成为近年来污泥资源化的发展趋势，但研究发现污泥中的主要组成成分蛋白质和多糖在高温水热条件下容易发生美拉德反应，生成高聚物美拉德产物，该产物难以在生物处理过程中被去除，甚至对微生物产生抑制作用，导致水热液中有机物作为反硝化碳源的有效性较低；同时污泥水热液中亦存在高浓度氮磷释放的问题，为减少作为反硝化碳源时额外引入的氮磷负荷，亦需进水氮磷回收预处理，而鸟粪石回收法仍是最常用的处理方法，导致成本较高。因此，美拉德反应产物的生成及水热液中高浓度的氮磷含量成为限制水热液作为反硝化碳源的重要影响因素。
5.

技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种剩余污泥水热液资源化利用的方法，该方法可抑制水热液中难生物降解的美拉德产物生成，并改变水热液中高浓度氮磷的资源化利用方向。
7.为达到上述目的，本发明提供一种剩余污泥水热液资源化利用的方法，包括以下步骤：步骤1）：在盛放污泥的密闭反应器中加入催化剂，经水热反应，得到生物炭及水热液；步骤2）：将水热液经土壤淋滤预处理，水热液中的氮磷及高分子有机物被土壤截留，同时获得淋滤液；步骤3）：将被淋滤的土壤用作土壤改良剂，将淋滤液回用至污水处理，作为生物脱氮反硝化碳源。
8.优选的是，本发明步骤1）中污泥的含水率为85-98%，总有机质浓度为5-150 g/l。
9.优选的是，本发明步骤1）中的催化剂包括硫酸、柠檬酸、fecl2、fecl3中的一种或多种。
10.优选的是，本发明步骤1）的催化剂为硫酸及柠檬酸，选用其中一种或二者混合，硫酸的投加量为0.001-0.01 mol/g vss，柠檬酸的投加量为0.001-0.15 mol/g vss，当二者混合使用时，硫酸及柠檬酸的摩尔比为1:0.1-0.1:10。
11.优选的是，本发明步骤1）的催化剂为催化剂fecl2及fecl3，选用其中一种或二者混合，fecl2的投加量为5-100 mg fe/gvss，fecl3的投加量为10-150 mg fe/gvss，当二者混合使用时，fecl2与fecl3质量比为1:0.2-0.1：1。
12.优选的是，本发明步骤1）中水热反应温度为140-2400c，水热反应时间为0.5-8 h。
13.优选的是，本发明步骤1）中的密闭反应器为耐温、耐压及耐腐蚀的密闭反应器，内部设有防腐衬层。
14.优选的是，本发明步骤1）中的水热反应结束后，待反应器冷却至室温，水热混合液经离心后分别得到液相的水热液及固相的生物炭，水热液的cod为5-200 g/l。
15.优选的是，本发明步骤2）的土壤为贫瘠土壤，淋滤采用滤池形式，将土壤作为滤池滤料，水热液从滤池表面均匀喷洒，容积负荷为1-20 m3/(m2·
d)，水热液与土壤的质量比为0.3:1-2:1，淋滤液为经土壤淋滤后渗滤出的液体。
16.优选的是，本发明步骤3）的土壤改良剂，即步骤2）中作为滤料的土壤达到饱和后，从滤池中取出，再返回至土壤，与原生土壤掺拌，用于改善原生土壤的肥力；淋滤液中难降解高分子有机物，氮磷负荷显著下降，将淋滤液回流至污水处理厂进水前端，或回流至生物脱氮反硝化阶段，作为生物脱氮的补充碳源提高脱氮效率。
17.本发明的剩余污泥水热液资源化利用的方法，通过在污泥水热过程中引入抑制美拉德反应生成的催化剂，提高水热液碳源的有效性；此外，将水热液经土壤淋滤预处理，土壤截留水热液中的高分子有机物，以及氮磷物质，被淋滤的土壤有机质及氮磷含量提高，可作为土壤改良剂，淋滤液中美拉德产物类物质以及氮磷浓度显著下降，可作为污水生物脱氮的有效碳源。
18.本发明提供了一种剩余污泥水热液资源化利用的方法，将剩余污泥经水热处理，水热液中的氮磷及腐殖化的美拉德产物经土壤淋滤截留，成为土壤中的营养物质，残留在淋滤液中低分子有机物可作为污水生物脱氮的补充碳源。
19.本发明具有如下有益效果：（1）剩余污泥在水热过程使用催化剂，可抑制水热过程的美拉德反应，减少大分子腐殖类物质的形成，为水热液作为反硝化碳源提供有利条件。
20.（2）剩余污泥中可能含有的重金属在水热过程中主要向生物炭中进行转移与稳定，有效规避了水热液资源化应用过程中可能的重金属污染问题。
21.（3）对水热液中的氮磷及高分子有机物，采用土壤淋滤方式进行预处理，无需额外投加药剂，可资源化用于土壤改良，规避了剩余污泥直接用于土壤改良时的重金属污染问题，同时降低水热液作为反硝化碳源时的氮磷负荷。
22.附图说明
23.图1为一种污泥水热液资源化利用的方法的工艺示意图。
具体实施方式
24.为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
25.一种剩余污泥水热液资源化利用的方法，包括如下步骤：步骤1）：在剩余污泥中加入催化剂，在密闭反应器中经水热反应，得到生物炭及水热液；步骤2）：将水热液经土壤淋滤预处理，水热液中的氮磷及高分子有机物被土壤截留，同时获得淋滤液；步骤3）：将被淋滤的土壤用作土壤改良剂，将淋滤液回用至污水处理，作为生物脱氮反硝化碳源。
26.本发明步骤1）中的污泥含水率为85-98%，总有机质浓度为5-150 g/l，所述的催化剂包括硫酸、柠檬酸、fecl2、fecl3，水热反应温度为140-2400c，水热反应时间为0.5-8 h，所述的密闭反应器为耐温、耐压及耐腐蚀的密闭反应器，内部设有防腐衬层。
27.本发明步骤1）中的水热反应结束后，待反应器冷却至室温，水热混合液经离心后分别得到液相的水热液及固相的生物炭，水热液的cod为5-200 g/l。
28.本发明步骤1）中的催化剂硫酸及柠檬酸，选用其中一种或二者混合，硫酸的投加量为0.001-0.01 mol/g vss，柠檬酸的投加量为0.001-0.15 mol/g vss，当二者混合使用时，硫酸及柠檬酸的摩尔比为1:0.1-0.1:10；同时使用催化剂fecl2及fecl3，选用其中一种或二者混合，fecl2的投加量为5-100 mg fe/gvss，fecl3的投加量为10-150 mg fe/gvss，当二者混合使用时，fecl2与fecl3质量比为1:0.2-0.1：1。水热反应前，将剩余污泥与催化剂进行充分搅拌混合。水热反应得到的生物炭可作为吸附剂、催化剂、固体燃料使用。
29.本发明步骤2）中的土壤为盐碱土等贫瘠土壤、经轮作后土壤肥力下降的土壤等，淋滤采用滤池形式，将土壤作为滤池滤料，水热液从滤池表面均匀喷洒，容积负荷为1-20 m3/(m2·
d)，为保证高分子有机物及氮磷物质在土壤中被充分截留，水热液与土壤的质量比为0.3:1-2:1，淋滤液为经土壤淋滤后渗滤出的液体，当淋滤液中的总氮、总磷及有机物浓度显著提高时，视为土壤淋滤达到饱和，停止淋滤，更换土壤滤料。
30.本发明步骤2）中的土壤改良剂，即步骤2）中作为滤料的土壤达到饱和后，从滤池中取出，再返回至土壤，与原生土壤掺拌，改善原生土壤的肥力。淋滤液中难降解高分子有机物，氮磷负荷显著下降，将淋滤液回流至污水处理厂进水前端，或回流至生物脱氮反硝化阶段，作为生物脱氮的补充碳源提高脱氮效率。
31.实施例1一种污泥水热液资源化利用的方法，包括以下步骤：
某污水处理厂每日产生剩余污泥500 m3，含水率为92%，总有机质浓度为7 g/l，则总有机质含量为3500 kg，催化剂选用硫酸、柠檬酸以及fecl3，其中硫酸和柠檬酸的投加量均为0.01 mol/g vss，二者摩尔比为1:1，fecl3的投加量为200 kg,即约为20 mg fe/gvss。将催化剂与剩余污泥机械搅拌2 h，充分混合后于密闭防腐反应釜中进行水热反应，反应温度为2000c，反应时间为3h。反应结束后，自然冷却至室温，将水热混合液经离心分离，分别得到液相的水热液及固相的生物炭，固相的生物炭用于固体燃料焚烧。
32.水热液的资源化利用：经水热反应后，水热液的体积约为380m3, 水热液的cod为6.5 g/l，总氮浓度为355 mg/l，其中氨氮浓度为280 mg/l，总磷浓度为45 mg/l,以uv420代表美拉德类物质的吸光度为1.6。取2500kg盐碱土作为滤池滤料，水热液从滤池表面均匀喷洒，容积负荷为10 m3/(m2·
d)，水热液经淋滤后，淋滤液中的总氮约为170 mg/l，氨氮约为82 mg/l，总磷浓度8 mg/l，cod浓度为5.5 mg/l, uv420的吸光度为0.6。当有机物及总氮浓度显著提高时，视为土壤淋滤达到饱和，停止淋滤，更换土壤滤料，饱和的土壤滤料回填至原生土壤，用于土壤改良。
33.将淋滤液与污水进水混合，二者体积比为1：14，即淋滤液被稀释15倍，可使进水中的cod提高367 mg/l, 脱氮效果与不混合淋滤液的对照组进行对比，对照组出水tn为28mg/l, 实验组出水tn为18 mg/l，可知淋滤液的投加可有效提高生物脱氮效果。
34.实施例2将含水率为96%的剩余污泥，加入催化剂柠檬酸和fecl2，投加量分别为0.005mol/gvss、50 mg/gvss。将催化剂与剩余污泥机械搅拌2.5 h，，充分混合后于密闭防腐反应釜中进行水热反应。反应温度为1800c，反应时间为3 h。反应结束后，自然冷却至室温，将水热混合液经离心分离，分别得到液相的水热液a和固相的生物炭，固相的生物炭用于过硫酸盐活化剂。将同样的污泥在同样的水热反应条件下处理，但不投加任何催化剂，水热后经离心处理后得到水热液b。水热液a和b的性质对比如下表1所示。
35.表1 水热液a和水热液b的性质对比（单位：mg/l）从表1中可知，相较于水热液b，加入催化剂后，水热液a中scod更高，说明有更多的有机物溶出，且分子量较低的vfas含量更高，说明更容易被微生物利用。此外，尽管水热液a和水热液b中tn含量相近，但水热液a中的don含量比水热液b更低，当回用于污水脱氮时，don需发生脱氨反应方可被去除，因此，don含量高时会影响水热液回用于污水生物脱氮的效能。再则，投加催化剂后，水热液中腐殖质类物质的含量下降，腐殖质类物质一般为大分子物质，难以作为生物脱氮碳源。由此可知，投加催化剂后，水热液的性质更有利于作为生物脱氮的碳源使用。
36.将水热液a淋滤至营养贫瘠的酸性红壤，水热液从滤池表面均匀喷洒，水热液从滤池表面均匀喷洒，容积负荷为8 m3/(m2·
d)，连续淋滤1个月。水热液经淋滤后，淋滤液的
scod为3100mg/l,tn为65mg/l，don为16mg/l，vfa为445mg/l，has为120mg/l，可知大分子has及有机氮类物质被大量截留。将水热液a和淋滤液进行反硝化脱氮效能对比，将二者分别稀释至cod为400mg/l，进水硝氮浓度为40 mg/l时，水热液a的硝氮去除率可维持在76%左右，而淋滤液的硝氮去除率高达95%以上。经淋滤1个月的土壤，土壤的toc由6mg/g土壤上升至12mg/g土壤，总氮由42mg/g土壤上升至150mg/g土壤，总磷由30mg/g土壤上升至70mg/g土壤，土壤肥力得到提升，回用至原生土壤可用于土壤改良。