一种污水厂污泥处理方法及其应用

1.本发明属于污泥处理方法技术领域，具体涉及一种污水厂污泥处理方法及其应用。


背景技术：

2.污泥作为城镇污水厂的主要副产物，是一种难以处置的固体废弃物，处理不当会给环境带来二次污染；然而，污泥同时也是一种丰富的隐形资源，处理妥当能够节省大量能耗。随着我国污水处理标准的日益提高，污泥的处置也从原来的污染物控制转向资源化利用。污水厂污泥富含有机物和腐殖质，可以用作绿化树和景观花卉的肥料，但是污泥脱水干化难度大且能耗高，大大限制了污泥作为肥料利用；且污泥有机物含量高，热值大，直接用作肥料可能会造成营养过剩问题，多余的营养被雨水径流冲刷回到水体中，增加水环境负担。
3.污泥厌氧消化是常用的一种污泥处理方法，但由于我国污泥成份中无机物含量较高，厌氧消化产甲烷在实际工程中常无法正常运行，给污泥处置带来了一定压力。近年来，学术界提出了将污泥厌氧消化控制在水解酸化阶段的新思路，以获得含乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，简称vfas)为主的消化产物，相比甲烷可以产生更大的经济效益。而实验室研究已经表明，vfas作为一种优质碳源，其反硝化效果明显优于以甲醇或乙醇作为碳源，并且在反硝化除磷菌的作用下能大幅提高除磷效果。因此，将污泥厌氧水解酸化，生产vfas用作脱氮除磷碳源，有望从根本上解决污水厂进水碳源不足和污泥处置这两大难题，体现了循环经济和碳中和的先进理念，具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种污水厂污泥处理方法及其应用，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，提供至少一种有益的选择或创造条件。
5.本发明第一方面提供了一种污水厂污泥处理方法，包括步骤：
6.(1)将砖红壤粉碎，与污水厂剩余的污泥混合，得到混合物；
7.(2)将混合物置于密封容器中进行厌氧发酵4～15天；
8.(3)完成厌氧发酵的混合物进行固液分离，得到含有挥发性脂肪酸的上清液和富含氮、磷、铁的沉淀物。
9.本发明的实施原理如下：
10.第一，污水厂污泥微生物中含有大量的蛋白质和多糖等有机质，但在微生物细胞完整的情况下，污水厂污泥很难将有机质释放并分解为优质碳源。砖红壤能完全混合到污水厂污泥发酵体系中，有效破坏污泥微生物细胞，促进有机质的释放，增加污泥沉降性能，利于污泥脱水干化。
11.第二，污泥厌氧发酵释放有机质的同时，也伴随着无机物的释放，如磷酸盐，硝酸盐，亚硝酸盐等，这也限制了污泥厌氧发酵作为碳源利用。而砖红壤的加入，二价铁和三价
铁氧化物颗粒的吸附作用能有效去除水中的磷；亚铁氧化反硝化过程利用部分碳源进行硝酸盐氮的高效去除。
12.第三，铁氧化物能够促进污水厂污泥中厌氧发酵产生乙酸，这可能与种间氢转移的发生以及发酵底物的高效增溶水解有关；此外，高价铁氧化物容易通过异化铁还原反应生成二价铁，参与乙酸的形成。同时铁氧化物能够促进产乙酸细菌的生长。
13.第四，通过厌氧发酵的方法，将污泥中过剩的有机质发酵分解，降低污泥相有机质含量，砖红壤释放的铁离子与磷酸根离子生成沉淀留于污泥相中，污泥脱水干化后得到富含氮磷铁的生态肥料。
14.在优选的实施方式中，步骤(1)所述砖红壤来源于华南地区山林田间，便于就地取材，铁含量为(89.88
±
3.01)g/kg，铝含量为(70.15
±
2.05)g/kg。
15.在优选的实施方式中，步骤(1)所述砖红壤风干后经研磨粉碎，过筛，筛网目数为20～100目。适当程度的粉碎有助于砖红壤均匀分散于污水厂污泥之中，提高后续厌氧发酵的效率。
16.在优选的实施方式中，步骤(1)所述污泥来源于城镇污水处理厂的好氧生物处理工艺段，沉淀后去除部分上清液，所述污泥的混合液悬浮固体浓度在8000～12000mg/l，防止污泥浓度过低影响发酵效果，同时保留足够水相能置换污泥相溶出物且便于固液分离。
17.在优选的实施方式中，步骤(1)砖红壤的添加量为0.25～0.75g/gtss。过低的砖红壤投放量会无法满足控制污水厂污泥中无机盐析出的需求，导致厌氧反应被抑制。过高的砖红壤投放量则会导致铁、铝含量饱和，反而对污泥造成二次污染。
18.在优选的实施方式中，步骤(2)密封容器前先注入氮气以置换容器中的氧气。
19.在优选的实施方式中，步骤(2)所述厌氧发酵的发酵温度为55
±
2℃。
20.在优选的实施方式中，步骤(3)所述固液分离是方法为带式压滤机或板框压滤机等普通机械脱水设备，并将固体物常温风干本发明第二方面提供了一种由上述处理方法制得的所述沉淀物。
21.本发明第三方面提供了上述沉淀物在制备肥料或肥料添加剂中的应用。例如制备栀子花等喜酸需铁植物生态肥料，为栀子花提供氮、磷、铁元素，厌氧产酸后的污泥混合酸性砖红壤能有效降低土壤碱度，减少栀子花黄叶病问题，增加栀子花开花率，实现了污水厂污泥资源化利用。
22.本发明的有益效果：
23.铁氧化物能够促进污水厂污泥厌氧发酵产生乙酸，这可能与种间氢转移的发生以及发酵底物的高效增溶水解有关。此外，高价铁氧化物容易通过异化铁还原反应生成二价铁，参与乙酸的形成。同时铁氧化物能够促进产乙酸细菌的生长。亚铁离子及三价铁氧化物颗粒的吸附作用能有效去除水中的磷，实现长效控磷，有利于污泥厌氧发酵液后续作为碳源利用。砖红壤作为典型的酸性富铁铝土，常用于喜酸植物种植，分散性能好，是强化污水厂污泥厌氧发酵产酸的有效强化剂。污泥经过厌氧消化，沉降性能提高，含水率下降，能更好地进行脱水干化作为肥料。结合以上几点，本发明将华南地区广泛易得的砖红壤引入污水厂污泥厌氧发酵系统，强化污水厂污泥厌氧发酵产酸，将污泥部分有机物转移到上清液中作污水厂反硝化碳源利用；将磷沉淀于污泥相中，最终将富含氮磷铁的脱水污泥用作生态肥料用于栀子花养护。
附图说明
24.图1是污水厂污泥厌氧发酵产cod浓度变化图；
25.图2是污水厂污泥厌氧发酵液总磷浓度变化图。
具体实施方式
26.下面将结合具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，同时实施例也仅仅是为了说明的目的，而并非限制本发明的范围。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他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所有试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
27.实施例1、砖红壤细度的优化
28.将砖红壤研磨粉碎分别过20目、50目、100目筛，计算筛分所得砖红壤粉末质量及所用砖红壤质量比例，得到筛分比例。将污水厂污泥在常温下(22
±
3℃)静置沉淀8小时，去除部分上清液，保留污泥混合液悬浮固体浓度8000mg/l，分别通入四个厌氧发酵罐中。每个发酵罐体积为1l，各自分别投加未过筛、过20目、50目、100目筛的砖红壤粉末，投加量0.50g/g tss；保持厌氧发酵罐温度为55
±
2℃并进行长期培养，厌氧发酵罐中保持低速搅拌保证体系均匀。发酵启动，监测第12天上清液中cod和总磷(tp)浓度，观察砖红壤分散情况及污泥沉降性能。
29.表1所示为不同砖红壤细度效果对比，发现未过筛的砖红壤粉末不易分散，部分大颗粒沉淀于发酵罐底部，不能有效分散并增强污泥沉降性能。过20目筛的砖红壤筛分比例达到0.8，远高于50目及100目，在分散效果均为良好的情况下，发酵第12天上清液cod及tp浓度均没有显著差别(p＞0.05)，选择筛分比例较高的细度更具有经济性。
30.表1不同砖红壤细度效果对比
[0031][0032]
实施例2、砖红壤添加量的优化
[0033]
将砖红壤研磨过20目筛，得到易于分散的砖红壤粉末；将污水厂污泥在常温下(22
±
3℃)静置沉淀8小时，去除部分上清液，保留污泥混合液悬浮固体浓度8000mg/l，分别通入四个厌氧发酵罐中。每个发酵罐体积为1l，各自分别投加砖红壤，投加量为0g/gtss(不投加)、0.25g/gtss、0.50g/gtss，0.75g/g tss；保持厌氧发酵罐温度为55
±
2℃并进行长期培养，厌氧发酵罐中保持低速搅拌保证体系均匀。发酵启动，监测发酵第12天上清液中cod和总磷(tp)浓度及污泥沉降比。
[0034]
表2所示为不同砖红投加量效果对比。投加不同比例的砖红壤均能有效提高污泥厌氧发酵产cod性能，但是投加0.25g/gtss砖红壤在第12天上清液浓度仍有8.15mg/l，若将发酵液作为碳源用于污水厂生化反应，高浓度的磷将影响污水厂生化池除磷效果，甚至可能出现磷去除率为负的情况。而投加0.75g/gtss和0.50g/gtss实验组对比，上清液cod浓度无明显提升，tp浓度均低于1.0mg/l，两个投加量的上清液均能直接作为碳源用于污水厂生化反应，从经济角度出发，选择0.50g/gtss投加量更具有经济性。
[0035]
表2不同砖红壤投加量效果对比
[0036][0037]
实施例3
[0038]
将砖红壤研磨过20目筛，得到易于分散的砖红壤粉末；将污水厂污泥在常温下(22
±
3℃)静置沉淀8小时，去除部分上清液，保留污泥混合液悬浮固体浓度8000mg/l，分别通入三个厌氧发酵罐中。每个发酵罐体积为1l，各自分别投加砖红壤，投加量为0g/gtss(空白对照组)、0.05g/gtss(低量组)、0.50g/gtss(高量组)；保持厌氧发酵罐温度为55
±
2℃并进行长期培养，厌氧发酵罐中保持低速搅拌保证体系均匀。发酵启动，监测上清液中cod和总磷(tp)浓度。于发酵第12天进行泥水分离，将0.50g/gtss实验组污泥干化后作为生态肥料投加至含有相近花苞的栀子花盆栽中，与未投加的盆栽作对比，观察10天后栀子花盆栽的黄叶率和10天内花苞开花率。
[0039]
如图1所示，实验开始后，三组实验cod浓度逐渐上升，投加砖红壤实验组在第10天cod均达到1000.00mg/l以上，空白对照组cod在第10天也达到978.80mg/l，第12天三组实验cod浓度分别达到1061.45mg/l、1124.50mg/l和1213.24mg/l。高量组能显著提高污泥厌氧发酵产cod(p＜0.05)，在第12天cod产量与空白对照组相比提高了14.30％。
[0040]
如图2所示，实验开始后，空白对照实验和低量组的tp浓度均呈先上升后下降趋势。空白对照组的tp浓度在第4天达到51.15mg/l；低量组的tp浓度在第2天达到48.38mg/l；高量组的tp浓度在第一天达到13.06mg/l后逐渐降低，且在第6天开始降到1.94mg/l并保持低浓度。可见，投加0.1g/gvss砖红壤能少量降低污泥厌氧发酵液中的磷浓度，投加0.50g/gtss砖红壤能显著降低污泥厌氧发酵液tp浓度(p＜0.05)，且使得发酵液tp浓度长时间处于2.00mg/l以下。砖红壤能在污泥厌氧发酵系统中持续浸出fe
2+
离子，实现污泥厌氧发酵长
效控磷，有利于污泥厌氧发酵液后续用作碳源投加到生化池中。
[0041]
高量组在发酵第6天上清液cod浓度即达到500.00mg/l以上，tp浓度能达到2.00mg/l以下，能够满足发酵液用于生化池碳源利用要求，建议实际时间定为7天。
[0042]
高量组制得的沉淀物氮含量30.81
±
8.14g/kg，磷含量25.15
±
2.15g/kg，铁含量0.41
±
0.07g/kg。将高量组制得的沉淀物用作生态肥料辅助培育栀子花。使用效果如表3所示：
[0043]
表3投加污泥生态肥料对栀子花生长的影响
[0044][0045]
投加污泥生态肥料能有效避免栀子花黄叶，这是因为栀子花作为喜酸植物，污泥生态肥料能中和盆栽土壤的碱度，为栀子花生长提供有利的酸性条件。投加污泥生态肥料能有效提高栀子花开花率，并且增加栀子花花朵的抗逆性，有效避免花朵开放后易掉落的问题。

技术特征：
1.一种污水厂污泥处理方法，其特征在于，包括步骤：(1)将砖红壤粉碎，与污水厂剩余的污泥混合，得到混合物；(2)将混合物置于密封容器中进行厌氧发酵4～15天；(3)完成厌氧发酵的混合物进行固液分离，得到含有挥发性脂肪酸的上清液和富含氮、磷、铁的沉淀物。2.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于，步骤(1)所述砖红壤来源于华南地区山林田间，铁含量为(89.88
±
3.01)g/kg，铝含量为(70.15
±
2.05)g/kg。3.根据权利要求1或2所述处理方法，其特征在于，步骤(1)所述砖红壤风干后经研磨粉碎，过筛，筛网目数为20～100目。4.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于，步骤(1)所述污泥来源于城镇污水处理厂的好氧生物处理工艺段，沉淀后去除上清液，所述污泥的混合液悬浮固体浓度在8000～12000mg/l。5.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于，步骤(1)砖红壤的添加量为0.25～0.75g/gtss。6.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于，步骤(2)密封容器前先注入氮气以置换容器中的氧气。7.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于，步骤(2)所述厌氧发酵的发酵温度为55
±
2℃。8.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于，步骤(3)所述固液分离方法为带式压滤机或板框压滤机等普通机械脱水设备，并将固体物常温风干。9.一种由权利要求1至8任一项所述处理方法制得的所述沉淀物。10.权利要求9所述沉淀物在制备肥料或肥料添加剂中的应用。

技术总结
本发明提供了一种污水厂污泥处理方法及其应用。所述污水厂污泥处理方法，包括：(1)将砖红壤粉碎，与污水厂剩余的污泥混合，得到混合物；(2)将混合物置于密封容器中进行厌氧发酵4～15天；(3)完成厌氧发酵的混合物进行固液分离，得到含有挥发性脂肪酸的上清液和富含氮、磷、铁的沉淀物。本发明将华南地区广泛易得的砖红壤引入污水厂污泥厌氧发酵系统，强化污水厂污泥厌氧发酵产酸，将污泥部分有机物转移到上清液中作污水厂反硝化碳源利用；将磷沉淀于污泥相中，最终将富含氮磷铁的脱水污泥用作生态肥料用于栀子花养护。生态肥料用于栀子花养护。


技术研发人员：李依微 肖晔远 王佳雯 方冰洁
受保护的技术使用者：汕头大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/21