一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺

本发明涉及污泥资源化，尤其是涉及一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺。

背景技术：

1、随着我国经济的发展以及城市化建设越来越完善，污水处理率已经超过了90％，污泥作为污水处理的副产物产量也迅速增加。污泥具有“资源”和“污染”的双重属性。一方面，污泥中有机质、磷、铝铁盐可以分离后进行资源化利用，缓解资源与能源的短缺。另一方面，污泥中的重金属等污染物会对环境造成严重的污染。因此在实现污泥安全处置的同时实现资源的回收是推动水污染防治和绿色低碳发展的重要措施。

2、污泥是一种非均相的复杂混合体系，有机组分主要由胞外聚合物(eps)及其包裹的微生物絮体组成，无机组分包括进水携带的泥砂、化学除磷过程产生的磷酸盐沉淀，以及难溶性的盐以及氧化物等。现有的污泥资源化方向主要包括：有机组分厌氧消化产沼气，磷组分回收作为肥料进行土地利用，铁铝盐回收作为混凝剂在污水处理厂中回用等。然而，污泥不同组分分离率低成为制约上述污泥资源化技术的关键。例如，对于有机组分而言，污泥中磷酸铁、磷酸铝等无机组分的存在导致污泥有机质含量降低，导致厌氧消化效率降低；对于磷回收而言，现阶段通常采用酸化学法溶出后以鸟粪石、羟基磷灰石形式回收制磷肥，铁铝盐、重金属在酸性环境中共溶导致磷回收产品杂质多、品质差；此外，污泥中铝铁盐的回收可以降低污水处理厂的药剂成本，同时减少化学污泥的体积，但重金属难以得到有效去除，因此混凝剂在污水厂回用时可能导致重金属富集。

3、因此，开发能够强化污泥组分分离、实现不同组分资源化的污泥资源化工艺及系统具有广阔的市场应用前景与环境效益。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服现有技术中存在污泥不同组分分离率低造成回收效果不理想等缺陷而提供一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案为提供一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，包括如下步骤：

4、s1、向污泥中加入酸性阳离子交换树脂，搅拌混合，得到污泥-树脂混合物，过筛后，得到第一污泥相和树脂相；

5、s2、在s1步骤得到的树脂相中加入强酸性的再生溶液，得到酸性阳离子交换树脂和酸洗混合液，得到的酸性阳离子交换树脂循环用于s1步骤，在酸洗混合液中加入碱性溶液分步调节ph，通过沉淀、固液分离回收铁盐、铝盐(铁盐、铝盐可用作混凝剂)；

6、s3、在s1步骤得到的第一污泥相中加入改性生物炭，搅拌混合，得到污泥-生物炭混合物，过筛后，得到第二污泥相和生物炭相，其中，生物炭相中的生物炭已吸附回收磷(即磷可作为生物炭缓释磷肥进行回收)；

7、s4、将s3步骤得到的第二污泥相进行厌氧发酵产酸，得到沼渣，所述沼渣作为制备改性生物炭的原料，所得改性生物炭循环用于s3步骤。

8、进一步地，在一些具体实施方式中，于s1步骤，酸性阳离子交换树脂的投加量为1～1.5g/g ts。

9、进一步地，在一些具体实施方式中，于s1步骤，所述酸性阳离子交换树脂选自强酸性阳离子交换树脂、弱酸性阳离子交换树脂或螯合树脂中的任意一种或多种。

10、进一步地，在一些具体实施方式中，于s1步骤，所述的污泥为污水处理厂产生的剩余污泥，包括生物除磷的活性污泥、化学法强化一级或三级处理产生的化学污泥中的一种或多种混合污泥。

11、进一步地，在一些具体实施方式中，于s2步骤，所述强酸性的再生溶液选自盐酸、硫酸或硝酸中的任意一种或多种。

12、进一步地，在一些具体实施方式中，于s2步骤，所述碱性溶液选自氢氧化钙溶液、氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液中的任意一种或多种。

13、进一步地，在一些具体实施方式中，于s2步骤，沉淀、固液分离回收铁盐、铝盐的工艺为：先将酸洗混合液调节ph至2.5～4后沉淀、固液分离，得到一次沉淀物和一次上清液，铁盐在一次沉淀物中以氢氧化铁沉淀形式回收，调节一次上清液ph至9～11.5后沉淀、固液分离，得到二次沉淀物和二次上清液，重金属在二次沉淀物中以氢氧化物沉淀形式存在，铝盐在二次上清液中以偏铝酸盐溶液形式回收。

14、进一步地，在一些具体实施方式中，于s1步骤，过筛的筛网目数为55目，于s3步骤中，过筛的筛网目数为200目。

15、进一步地，在一些具体实施方式中，于s3步骤，改性生物碳在第一污泥相中的投加量为4g/l～8g/l。

16、进一步地，在一些具体实施方式中，于s3步骤，所述改性生物炭为钙改性生物炭。

17、进一步地，在一些具体实施方式中，于s4步骤，厌氧发酵的工艺为：将第二污泥相与厌氧消化污泥按(1～2)：1的总固体(ts)质量比混合，并调节ph至6.8～7.3，在温度为30～40℃下静置反应10～30d。

18、进一步地，在一些具体实施方式中，于s4步骤，制备改性生物炭的工艺为：将沼渣脱水烘干得到干沼渣，采用热解法，将干沼渣在400～800℃的厌氧或无氧条件下与改性剂进行反应，改性剂与干沼渣的质量比为0.02-0.07：1，得到改性生物炭。

19、更进一步地，在一些具体实施方式中，所述改性剂为cacl2。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、(1)磷的回收率高：与污泥酸化处理相比，酸性阳离子交换树脂预处理可以实现污泥中磷的高效释放，同时避免与金属阳离子发生共沉淀，在改性生物炭的吸附下可直接获得以磷为主要组分的缓释磷肥，显著提高磷的回收率；

22、(2)混凝剂的回收率高：与酸溶法相比，酸性离子交换树脂选择性地吸附了铝、铁离子，实现了与污泥相、磷酸盐的分离，后续通过树脂酸洗再生、再生液分步沉淀过程，可实现铝、铁盐的回收，铝、铁盐可作为混凝剂回用至污水处理；

23、(3)重金属去除率高：在酸性离子交换树脂的作用下，污泥中的部分重金属从污泥相转移至离子交换树脂中。在后续混合溶液的分步沉淀过程中，污泥中汞、镉、铜、锌等多种重金属以沉淀形式去除，有利于实现污泥的无害化。

24、(4)厌氧发酵产酸效率高：剩余污泥经过处理后，污泥中的无机组分(包括磷酸铁、磷酸铝、重金属)与有机质分离，因此污泥中有机物的相对占比提高，进而提高后续污泥厌氧消化的效率。

25、(5)沼渣的回收利用：将废弃物沼渣制备为生物炭在解决了沼渣出路困难的同时，所制备的改性生物炭可吸附磷酸盐，进而以生物炭缓释磷肥的形式实现了污泥中有机质与磷的回收。

26、(6)树脂可循环利用：污泥预处理过程中投加的酸性阳离子交换树脂可以再生后循环使用，因此具有良好的环境效益和经济效应。

技术特征：

1.一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，其特征在于，于s1步骤，酸性阳离子交换树脂的投加量为1～1.5g/g ts。

3.根据权利要求1所述的一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，其特征在于，于s1步骤，所述酸性阳离子交换树脂选自强酸性阳离子交换树脂、弱酸性阳离子交换树脂或螯合树脂中的任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，其特征在于，于s2步骤，所述强酸性的再生溶液选自盐酸、硫酸或硝酸中的任意一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，其特征在于，于s2步骤，所述碱性溶液选自氢氧化钙溶液、氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液中的任意一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，其特征在于，于s2步骤，沉淀、固液分离回收铁盐、铝盐的工艺为：先将酸洗混合液调节ph至2.5～4后沉淀、固液分离，得到一次沉淀物和一次上清液，铁盐在一次沉淀物中以氢氧化铁沉淀形式回收，调节一次上清液ph至9～11.5后沉淀、固液分离，得到二次沉淀物和二次上清液，重金属在二次沉淀物中以氢氧化物沉淀形式存在，铝盐在二次上清液中以偏铝酸盐溶液形式回收。

7.根据权利要求1所述的一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，其特征在于，于s1步骤，过筛的筛网目数为55目，于s3步骤中，过筛的筛网目数为200目。

8.根据权利要求1所述的一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，其特征在于，于s3步骤，改性生物碳在第一污泥相中的投加量为4g/l～8g/l。

9.根据权利要求1所述的一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，其特征在于，于s3步骤，所述改性生物炭为钙改性生物炭。

10.根据权利要求1所述的一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，其特征在于，于s4步骤，厌氧发酵的工艺为：将第二污泥相与厌氧消化污泥按(1～2)：1的总固体质量比混合，并调节ph至6.8～7.3，在温度为30～40℃下静置反应10～30d。

技术总结
本发明涉及一种利用酸性阳离子交换树脂强化污泥组分分离的工艺，包括如下步骤：S1、污泥与酸性阳离子交换树脂混合，过筛，得到第一污泥相和树脂相；S2、树脂相与强酸性再生溶液混合，得到酸性阳离子交换树脂和酸洗混合液，酸性阳离子交换树脂循环用于S1步骤，酸洗混合液中加入碱性溶液调pH，固液分离回收铁盐、铝盐；S3、第一污泥相中加入改性生物炭，过筛，得到第二污泥相和生物炭相，磷被改性生物炭吸附回收；S4、将第二污泥相厌氧发酵产酸，得到沼渣，沼渣用于制备改性生物炭，改性生物炭循环用于S3步骤。与现有技术相比，本发明具有磷、铝盐、铁盐回收率高、重金属去除率高、厌氧发酵产酸效率高、沼渣和树脂可循环利用等优点。

技术研发人员：樊瑜,华煜,戴晓虎
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16