一种提取含磷化学-生物混合污泥中磷元素的方法

摘要

本发明涉及一种提取含磷化学-生物混合污泥中磷元素的方法，包括以下步骤：将含磷化学-生物混合污泥放在反应器内，在室温下静沉24h，排出上清液，得到剩余污泥；调节并维持剩余污泥的pH值为2～8，密闭反应器，在30～50℃条件下厌氧消化7天，则既释放出含磷化学-生物混合污泥中的生物磷又释放出化学磷。与现有技术相比，对于含磷酸铝或磷酸铁的混合污泥，维持pH值为2～8能释出混合污泥中60～80％的磷，比不调pH时高出10～30％；同时此条件下能使有机物(以溶解性有机碳计)的溶出比不调pH高25～60％；本发明能提高化学-生物混合污泥厌氧消化的释磷率，同时又利于有机物的释放和污泥减量，对污泥资源化和减量化意义重大。

说明书

技术领域

本发明涉及一种从剩余污泥中回收磷元素的技术，尤其是涉及一种提取含磷 化学-生物混合污泥中磷元素的方法。

背景技术

磷是动植物生长不可缺少的无机营养元素，在生物体原生质的组成和新陈代谢 中起到了重要作用，磷矿石作为一种不可再生的自然资源正变得越来越稀缺，开采 的代价也越来越高。磷在人类生产、使用之后大部分进入污水中，不妥善处理会导 致水体富营养化，破坏水环境。目前，污水中磷的去除主要通过生物强化除磷工艺 (EBPR)将水体中的磷元素转移到污泥中，通过剩余污泥的排出达到从污水中除 磷的目的，但是受进水碳源、溶解氧、硝酸盐、污泥龄等多种因素影响，EBPR工 艺运行并不稳定。为了达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002) 一级A排放标准(TP≤0.5mg/L)，化学辅助除磷工艺在污水处理厂得到广泛应用， 化学除磷过程产生了大量化学污泥且含磷量较高。无论是生物除磷工艺还是化学除 磷工艺，最终污水中的大部分磷元素都富集在剩余污泥中，国内外的调查表明污水 经过处理后，约85％的磷进入污泥中，没有强化除磷工艺的污水厂剩余污泥中磷 元素所占比例约为2～4％，采用强化除磷工艺的污水厂剩余污泥含磷率能达到 5～13％。

厌氧消化处理是实现剩余污泥稳定化、减量化和资源化最广泛采用的手段。通 过厌氧消化不仅可以产生大量的短链脂肪酸(SCFAs)或者甲烷，而且还能减少剩 余污泥产量，起到污泥减量化作用，在碱性条件下污泥厌氧消化的减量百分比能达 到40～60％。同时剩余污泥厌氧消化过程中还会释放大量的氮、磷元素，对消化液 中氨氮、正磷酸盐的回收利用既可以减少人类对自然界磷矿的开采，又可以减少消 化液回流时高浓度氨氮和正磷酸盐对脱氮除磷工艺带来的影响。

目前国内外已有采用厌氧消化回收剩余污泥中碳源和氮磷元素的专利，大部分 研究主要集中在生物污泥上，而对于回收含磷化学-生物混合污泥中的磷元素，提 高磷回收效率的研究鲜有报道，也没有相关的专利。由于化学辅助除磷工艺在城市 污水处理厂的广泛应用，研究厌氧消化过程中化学磷和生物磷的释放，提高消化液 中的磷含量，对后期氮磷的资源化具有非常重要的现实意义和经济价值。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种既能释放生 物磷又能释放化学磷的提取含磷化学-生物混合污泥中磷元素的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种提取含磷化学-生物混合污泥中磷元素的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将含磷化学-生物混合污泥放在反应器内，在室温下静沉24h，排出上清 液，得到剩余污泥；

(2)调节并维持剩余污泥的pH值为2～8，密闭反应器，在30～50℃条件下厌 氧消化7天，则既释放出含磷化学-生物混合污泥中的生物磷又释放出化学磷。

步骤(2)所述的调节并维持剩余污泥的pH值所采用的原料为6～15mol/L的 氢氧化钠溶液和4～6mol/L的盐酸溶液。

步骤(1)所述的含磷化学-生物混合污泥为投加铝盐或铁盐进行化学辅助除磷 处理后的污泥。

当步骤(1)所述的含磷化学-生物混合污泥为投加铝盐进行化学辅助除磷处理 后的污泥时，步骤(2)中要调节并维持剩余污泥的pH值为2～5；

当步骤(1)所述的含磷化学-生物混合污泥为投加铁盐进行化学辅助除磷处理 后的污泥时，步骤(2)中要调节并维持剩余污泥的pH值为6～8。

本发明既能释放生物磷又能释放其化学磷的厌氧消化技术是同时考虑pH值 对剩余污泥厌氧消化过程中生物磷的影响与pH值对化学磷沉淀释磷的影响。

在进行厌氧消化的过程中，使用pH计监测反应器中pH的变化，并调节并维 持pH在特定范围内。

本发明的技术原理为：酸碱条件下污泥厌氧消化过程中，微生物细胞不能维 持平衡渗透压而被破坏，促进胞内物质溶出，使厌氧消化上清液中有机物、氮磷浓 度增加。而化学磷在厌氧消化过程中由于维持的pH不同或者化学物质与污泥中有 机物的反应，会有不同程度的释磷。由此可知，维持pH在一定的范围内对含化学 磷的剩余污泥进行厌氧消化，能同时利于微生物细胞的释磷和化学污泥的释磷，从 而提高厌氧消化上清液中的磷浓度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本方法能同时使生物污泥中的磷与化学污泥中的磷释放，提高上清液中 的磷浓度，有利于提高后期氮磷资源的回收率，实现对剩余污泥的资源化利用。

(2)该方法条件下，厌氧消化7天内，总悬浮固体(TSS)的减量百分比能 达到15～30％，包括挥发性悬浮固体(VSS)的减量和部分无机物的溶解，从而减 少了剩余污泥的处置量。

(3)本方法条件下，将含磷化学-生物混合污泥厌氧消化，与纯生物污泥厌氧 消化相比，上清液中有机物的溶出、挥发酸的产生规律基本一致，厌氧消化过程中， 均能使污泥中的有机物释出，不影响后续有机物产酸和产甲烷。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

(1)分别取400mL浓缩后的纯生物污泥(总悬浮固体浓度为11.5g/L，挥发 性悬浮固体浓度为8.5g/L)加入不同的反应器中，用6mol/L的盐酸溶液和6mol/L 的氢氧化钠溶液维持厌氧消化过程中pH＝3，同时做不控制pH值的生物污泥厌氧 消化试验，充氮气0.5min，密闭反应器在35℃条件下厌氧消化7天。

分别取400mL浓缩后含铝盐的混合污泥加入不同的反应器中，进行厌氧消化 试验，试验方法同上。

(2)每24h取1次样，测两种污泥厌氧消化上清液中正磷酸盐、溶解性有机 碳(STOC)、挥发性脂肪酸(VFA)的浓度。

(3)厌氧消化7天后测TSS浓度和VSS浓度。

(4)对比纯生物污泥与含铝盐的混合污泥厌氧消化上清液中的正磷酸盐浓度， 可以看出维持pH＝3能使混合污泥中的生物磷和化学磷均有释放，而不调pH时磷 酸铝中的磷不能释出。通过公式(1)、(2)、(3)可以计算出不同pH条件下混合 污泥总的释磷率，其中包括生物污泥的释磷率和化学磷的释磷率。

其中：P_T—混合污泥中泥水总磷的浓度，以PO₄^3-P计，mg/L；

P_ML——合污泥厌氧消化上清液中的PO₄^3--P浓度，mg/L；

P_BL——生物污泥厌氧消化上清液中的PO₄^3--P浓度，mg/L；

维持pH＝3，纯生物污泥厌氧消化上清液中正磷酸盐浓度比不控制pH高出 20％；对于磷酸铝，维持pH＝3比不控制pH值释磷率高5％；综合纯生物污泥与化 学污泥，维持pH＝3混合污泥的释磷率比不控制pH值高出25％，能释出混合污泥 总磷中70～80％的磷，其中生物污泥释磷70％，磷酸铝的释磷率为5％。

(5)厌氧消化7天后测得TSS浓度表明，不控制pH值厌氧消化7天能使含 磷酸铝的混合污泥中TSS减量5％，维持pH＝3能使混合污泥中TSS减量13％。

(6)对比纯生物污泥与含磷酸铝的混合污泥厌氧消化上清液中的STOC、VFA 的浓度，相同pH条件下，两种污泥在厌氧消化过程中释出的有机物浓度基本相同。 与不控制pH值相比，维持pH＝3混合污泥厌氧消化上清液中STOC浓度比不控制 pH高50％。

实施例2

(1)分别取400mL浓缩后的纯生物污泥(总悬浮固体浓度为10.8g/L，挥发 性悬浮固体浓度为8.1g/L)加入不同的反应器中，用6mol/L的盐酸溶液和6mol/L 的氢氧化钠溶液维持厌氧消化过程中pH＝7，充氮气0.5min，密闭反应器在35℃条 件下厌氧消化7天。

分别取400mL浓缩后含磷酸铁的混合污泥加入不同的反应器中，进行厌氧消 化试验，试验方法同上。

(2)每24h取1次样，测两种污泥厌氧消化上清液中正磷酸盐、STOC、VFA 浓度。

(3)混合污泥厌氧消化7天后测TSS和VSS浓度。

(4)同实施例1，利用公式(1)、(2)、(3)可以计算出混合污泥总的释磷率， 其中包括生物污泥的释磷率和磷酸铁的释磷率。

对比纯生物污泥与含磷酸铁的混合污泥厌氧消化上清液中的正磷酸盐浓度，可 以看出维持pH＝7能释放混合污泥中80％的磷，其中生物污泥释磷率为70％，磷酸 铁释磷率为10％左右。

(5)含磷酸铁的混合污泥厌氧消化7天后测得TSS浓度与VSS浓度表明， 维持pH＝7能使含磷酸铁的混合污泥中TSS减量5％，VSS减量10％左右。

(6)对比纯生物污泥与含磷酸铁的混合污泥厌氧消化上清液中的STOC、VFA 的浓度，维持pH＝7时含磷酸铁的混合污泥在厌氧消化上清液中STOC、VFA浓度 与纯生物污泥厌氧消化上清液中相差不大。

实施例3

一种提取含磷化学-生物混合污泥中磷元素的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将含磷化学-生物混合污泥(为投加铝盐进行化学辅助除磷处理后的污泥) 放在反应器内，在室温下静沉24h，排出上清液，得到剩余污泥；

(2)采用6mol/L的氢氧化钠溶液和4mol/L的盐酸溶液调节并维持剩余污泥 的pH值为2，密闭反应器，在30℃条件下厌氧消化7天，则既释放出含磷化学- 生物混合污泥中的生物磷又释放出化学磷。

实施例4

一种提取含磷化学-生物混合污泥中磷元素的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将含磷化学-生物混合污泥(为投加铝盐进行化学辅助除磷处理后的污泥) 放在反应器内，在室温下静沉24h，排出上清液，得到剩余污泥；

(2)采用15mol/L的氢氧化钠溶液和6mol/L的盐酸溶液调节并维持剩余污泥 的pH值为5，密闭反应器，在50℃条件下厌氧消化7天，则既释放出含磷化学- 生物混合污泥中的生物磷又释放出化学磷。

实施例5

一种提取含磷化学-生物混合污泥中磷元素的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将含磷化学-生物混合污泥(为投加铝盐进行化学辅助除磷处理后的污泥) 放在反应器内，在室温下静沉24h，排出上清液，得到剩余污泥；

(2)采用10mol/L的氢氧化钠溶液和5mol/L的盐酸溶液调节并维持剩余污泥 的pH值为4，密闭反应器，在40℃条件下厌氧消化7天，则既释放出含磷化学- 生物混合污泥中的生物磷又释放出化学磷。

实施例6

一种提取含磷化学-生物混合污泥中磷元素的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将含磷化学-生物混合污泥(为投加铁盐进行化学辅助除磷处理后的污泥) 放在反应器内，在室温下静沉24h，排出上清液，得到剩余污泥；

(2)采用6mol/L的氢氧化钠溶液和4mol/L的盐酸溶液调节并维持剩余污泥 的pH值为6，密闭反应器，在30℃条件下厌氧消化7天，则既释放出含磷化学- 生物混合污泥中的生物磷又释放出化学磷。

实施例7

一种提取含磷化学-生物混合污泥中磷元素的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将含磷化学-生物混合污泥(为投加铁盐进行化学辅助除磷处理后的污泥) 放在反应器内，在室温下静沉24h，排出上清液，得到剩余污泥；

(2)采用15mol/L的氢氧化钠溶液和6mol/L的盐酸溶液调节并维持剩余污泥 的pH值为8，密闭反应器，在50℃条件下厌氧消化7天，则既释放出含磷化学- 生物混合污泥中的生物磷又释放出化学磷。

实施例8

一种提取含磷化学-生物混合污泥中磷元素的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将含磷化学-生物混合污泥(为投加铁盐进行化学辅助除磷处理后的污泥) 放在反应器内，在室温下静沉24h，排出上清液，得到剩余污泥；

(2)采用9mol/L的氢氧化钠溶液和5mol/L的盐酸溶液调节并维持剩余污泥 的pH值为7，密闭反应器，在40℃条件下厌氧消化7天，则既释放出含磷化学- 生物混合污泥中的生物磷又释放出化学磷。