一种利用污泥中蛋白质生产碳酸铵的方法

摘要

本发明公开了一种利用污泥中的蛋白质生产碳酸铵的方法及应用工艺，涉及化工技术领域，尤其是涉及污泥无害化及资源化处置的技术领域。其具体的技术方案为：一种利用污泥中蛋白质生产碳酸铵的方法，其特征在于通过改性剂作用将污泥中的蛋白质进行水解、氨基酸脱氨基及氨的固定，利用固定后生成的氯化铵与碳酸钙粉反应合成碳酸铵。本发明公开了一种污泥无害化及资源化处理的方法，充分利用污泥中所含有的资源，通过技术整合合理控制反应条件从污泥中提取出碳酸铵，为污泥的处置提供了一种切实可行的新方法。

说明书

技术领域

本发明为一种利用污泥中的蛋白质生产碳酸铵的方法，涉及化工技术领域，尤其是涉及城镇生活污水压滤污泥无害化及资源化处理技术领域。

背景技术

随着我国城镇化水平及污水处理能力的快速提高，污水处理的副产物—剩余污泥量也在不断增长。目前城镇污水处理厂的污泥总产量已达到2433万t/a，同时以年均12%的速度增长；根据预测，2015 年全国城镇污水处理厂污泥产生量将达到6000万t。这些数量巨大的污泥若得不到有效处理与处置，会经过多种途径使污染物再次进入水体，致使污水处理会因为污泥处理环节造成巨大的经济和环境代价。我国目前主要应用的污泥处理与处置方法有土地填埋、污泥焚烧、污泥堆肥等，其中土地填埋占63.0%、污泥堆肥约占13.5%、污泥自然干化综合利用占5.4%、污泥焚烧占1.8%、污泥露天堆放和外运各占1.8%和14.4%。事实上，土地填埋、露天堆放和外运的污泥绝大部分属于随意处置，真正实现安全处置的比例不超过20%；污泥因含水率高需与其它高热值物质混合燃烧，因此污泥焚烧成本较高；污泥在堆肥过程中会导致氮元素的损失肥效较低，且存在重金属污染的风险。常用污泥处置方式效果的不乐观使得整个污泥处理形势十分严峻。

目前我国污泥处理和处置处于严重滞后状态，用于污泥处置的投资仅占污水处理厂总投资的20%~30%，远远低于发达国家的投资比例（50%~70%）。“十二五”期间，国家开始重视污泥的处理处置问题，鼓励发展污泥无害化后进行土地综合利用，中央财政投入大量资金用于污泥处理与处置。“十二五”期间，污泥处理处置市场将得到进一步发展，将成为继污水处理之后的下一个投资热点。

由此可见，我国在污泥处理处置上潜力巨大，污泥处理处置市场已步入快速发展阶段。因此，寻求一种新的、有效的、安全环保的污泥处理处置方法对于本领域技术人员来说是一个迫切而又亟待解决的技术课题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种简单有效的利用污泥中蛋白质生产碳酸铵的方法，为污水处理厂污泥无害化及资源化处置提供了一条可行性道路。具体的技术方案为：一种利用污泥中的蛋白质生产碳酸铵的方法，其特殊之处在于是通过如下的步骤实现的：将污水处理厂产出的污泥中的蛋白质水解成游离的氨基酸；氨基酸在氨基酸氧化酶作用下脱氨基生成氨气；再经过氨的转换与固定，即氨气与水生成氢氧化铵，氢氧化铵与污泥中存在的氯化铁、氯化铝反应生成氯化铵；氯化铵与大于300目的碳酸钙粉在加热条件下合成碳酸铵。

为了能够更好的实施本发明，其方案还可以进一步的具体细化为：

进一步在于所述的利用改性剂将蛋白质降解成游离的氨基酸过程为：将含水率80%的污泥与改性剂于改性沟内充分混合均匀后起堆发酵，堆放高度保持在80cm左右，改性剂添加比例为待改性污泥总重的千分之一；在改性的前48-96小时内，平均每隔8小时进行翻垛，以利于污泥水分挥发；在外界气温T≥20℃时，发酵24小时后污泥温度可达40℃以上，在改性剂中的蛋白酶的催化作用下，大分子的蛋白质变为较小分子的多肽，继续发酵，污泥中的蛋白质在酶的作用下变成短链的肽和部分游离氨基酸，污泥经过48小时的发酵，在羧肽酶和蛋白酶的协同作用下最终全部转变成游离氨基酸。

进一步在于所述的氨基酸在氨基酸氧化酶作用下脱氨基生成氨气的过程为：污泥和改性剂混合经发酵在蛋白酶的作用下，污泥中的蛋白质发生水解生成氨基酸，在机械翻垛提供氧气条件下，氨基酸在氨基酸氧化酶的作用下发生氧化脱氨基反应脱掉氨基；在缺氧条件下，两个氨基酸互相发生氧化-还原反应，生成有机酸、酮酸和氨气。

进一步在于所述的氨的转换与固定的过程为：在污泥发酵72-96小时、发酵温度T≈40-50℃、pH≈6.0-6.5条件下，污泥中经蛋白质水解、氨基酸脱氨基反应生成的氨和污泥中的水反应生成氢氧化铵，其中大部分氢氧化铵和污泥中的三氯化铁和三氯化铝反应生成氯化铵, 实现氨的固定。

进一步在于所述的氯化铵与大于300目的碳酸钙粉在加热条件下合成碳酸铵为：在污泥中的氮经过系列反应固定为氯化铵后，污泥继续发酵产热，经机械翻垛干化，污泥中的含水率降到25-30%时，向污泥中添加占污泥总重1-3%的大于300目的碳酸钙粉，经机械加温至污泥温度达到100℃以上，污泥中的氯化铵和碳酸钙粉反应生成碳酸铵和水的混合蒸汽，经冷却得到碳酸铵晶体。

本发明的技术方案充分的利用了污泥中的各种资源，通过技术整合提供合理的反应条件和反应时间，将污泥所含蛋白质中的氮经过系列化学反应最终转化成氨，并加以利用生成碳酸铵，实现了污泥的资源化处置。污泥中的氮进行了转化、固定，即避免了污泥因发酵过程中氮氧化物的排放对大气环境造成的环境污染，又可生产碳酸铵商品，实现污泥资源化处置。

具体实施方式

一种利用污泥中的蛋白质生产碳酸铵的方法，是通过如下的步骤实现的：将污水处理厂产出的污泥中的蛋白质水解成游离的氨基酸；氨基酸在氨基酸氧化酶作用下脱氨基生成氨气；再经过氨的转换与固定，即氨气与水生成氢氧化铵，氢氧化铵与污泥中存在的氯化铁、氯化铝反应生成氯化铵；氯化铵与大于300目的碳酸钙粉在加热条件下合成碳酸铵。

其工艺步骤可以具体如下：

A、建污泥改性沟：构建污泥改性沟，主要用于污泥的翻垛、改性，改性沟规格根据待改性污泥量及生产规模确定。

B、污泥改性：将污水处理厂产出的含水率80%的污泥与改性剂药品于改性沟内充分混合后起堆发酵，污泥堆放高度保持在80cm左右。在外界气温T≥20℃时，发酵24小时后温度可达40℃以上，在适宜温度下污泥中的蛋白质开始水解，持续24小时后蛋白质可全部水解为氨基酸；发酵48小时后水解生成的氨基酸开始脱氨基反应，此过程需用自动翻垛设备对污泥进行多次翻垛，以保证反应所需的好氧环境；氨基酸在氨基酸氧化酶作用下脱氨基生成氨气的过程为：污泥和改性剂混合经发酵在蛋白酶的作用下，污泥中的蛋白质发生水解生成氨基酸，在机械翻垛提供氧气条件下，氨基酸在氨基酸氧化酶的作用下发生氧化脱氨基反应脱掉氨基，每消耗1分子氧产生 2分子α-酮酸和2分子氨。其化学反应式为：

在缺氧条件下，两个氨基酸互相发生氧化-还原反应，生成有机酸、酮酸和氨气，反应式如下:

氨的转换与固定的过程是在在污泥发酵72-96小时、发酵温度T≈40-50℃、pH≈6.0-6.5条件下，污泥中经蛋白质水解、氨基酸脱氨基反应生成的氨和污泥中的水反应生成氢氧化铵，其中氢氧化铵和污泥中的三氯化铁和三氯化铝反应生成氯化铵, 实现氨的固定，反应式如下:

发酵、改性完成后的污泥含水率可降低至25%左右。

C、碳酸铵的合成与提取：将B步骤中经过改性的污泥与大于300目的碳酸钙粉充分混合，在污泥中的氮经过反应固定为氯化铵后，污泥继续发酵产热，经机械翻垛干化，污泥中的含水率降到25-30%时，向污泥中添加占污泥总重1-3%的大于300目的碳酸钙粉，经机械加温至污泥温度达到100℃以上，污泥中的氯化铵和碳酸钙粉反应生成碳酸铵和水的混合蒸汽，混合蒸汽在引风机的作用下进入冷却系统冷却，经冷却分离后得到碳酸铵晶体，其化学反应式如下：

本发明中所使用的改性剂主要成分有：含脂高的植物种子经破碎提出的有效成分与碳酸镁、有机营养源、酵母菌群以及羧肽酶、蛋白酶和氨基酸氧化酶。