一种利用厌氧消化从污泥中协同回收氮和磷的资源化工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种利用厌氧消化从污泥中协同回收氮和磷的资源化工艺，该耦合工艺可分别强化污泥中重金属溶出、病原菌灭活及改善消化污泥脱水性，实现污泥的无害化、产甲烷及氮/磷回收。所述工艺主要包括以下步骤：膜电解池单元、FNA预处理单元、一级沉淀分离池、厌氧消化单元、消化污泥、二级沉淀分离池、氨回收池。

A resource-based process for synergistic recovery of nitrogen and phosphorus from sludge by anaerobic digestion

【技术实现步骤摘要】
一种利用厌氧消化从污泥中协同回收氮和磷的资源化工艺
本专利技术涉及城市污水污泥资源化利用技术，尤其是一种利用厌氧消化从污泥中协同回收氮和磷的资源化工艺。
技术介绍
近年来，随着我国城市污水的处理率逐年提高，污水处理厂的污泥产量也急剧增加，污泥已经成为我国城镇环境污染重要威胁源之一。污水污泥含有大量的有机质及氮、磷等植物养分，同时也富集了污水中的重金属及病原微生物。污泥无害化与资源化利用技术已成为污泥处理领域内的研究热点。厌氧消化因为能够产生甲烷可以回收能源，且降低污泥中重金属、病原菌及寄生虫卵的含量而受到广泛关注。厌氧消化工艺常用于不溶性有机物或高浓度有机废水的处理，然而，剩余污泥的有机质大部分为微生物细胞物质，这些物质被细胞壁所包裹，污泥水解成为整个厌氧消化过程的限速步骤。污泥水解速率慢导致厌氧消化的停留时间较长(约20-30天)，因此，近年来大量研究致力于找到改善厌氧消化性能的新方法和新技术。目前，改善污泥厌氧消化性能的预处理技术主要有：碱处理、超声处理、热水解、臭氧氧化、游离亚硝酸(FNA)处理等。碱处理会产生部分抑制厌氧消化反应及难溶性物质，而Na+和OH-离子自身也是厌氧消化抑制剂，因此，最佳碱投加量及碱处理的负面效应还需要进一步深入研究。热水解最初是用于改善污泥的脱水性研究，在改善脱水性时通常采用的处理温度为150℃或180℃，热水解还可以使污泥部分融解从而提高其厌氧消化性能。热水解预处理污泥经常会导致出水带有颜色及氨氮浓度过高。超声预处理剩余污泥分解机理和动力学研究结果表明水力剪切作用是污泥分解的主要原因，羟基自由基的氧化作用随着超声密度和强度的升高而增强。低强度超声预处理对剩余污泥厌氧消化产甲烷性能的影响研究发现聚合电解质的加入强化了第一阶段的产甲烷率，此后确出现了抑制。然而，经过超声波处理(0.33W/mL，20min)后，原始污泥和絮凝后的污泥产甲烷性能都得到了较大提升。在进一步比较了活性污泥经过超声、臭氧和热处理后的消化性能。但传统的污泥厌氧消化技术污泥水解速率低，即使采用了强化预处理措施后，厌氧消化后产生的消化液氨氮浓度还是比较高，同时在污泥消化过程中会导致污泥中氮、磷等植物营养的损失，因此，不利于后续的资源化再利用。而且传统的热水解技术、超声波、碱处理等均存在能耗高、药剂用量大、植物营养无法回收等诸多问题。一般污泥消化液往往需要重新回流到污水处理系统进行再次处理，这样就增加了污水处理系统的氮、磷循环负荷。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种利用厌氧消化从污泥中协同回收氮和磷的资源化工艺，该耦合工艺可分别强化污泥中重金属溶出、病原菌灭活及改善消化污泥脱水性，实现污泥的无害化、产甲烷及氮/磷回收。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是这样的：一种膜电解耦合污泥厌氧消化协同回收氮和磷的资源化工艺，包括以下步骤：1)膜电解池单元：采用阳离子交换膜和阴离子交换膜将电解池分为3个格室，向中间格室加入亚硝酸钠溶液作为电解质并分别提供钠离子和亚硝酸根离子，亚硝酸根透过阴离子交换膜与阳极室电解产生的氢离子形成游离亚硝酸，钠离子透过阳离子交换膜产生氢氧化钠。2)FNA预处理单元：将阳极室产生的30％游离亚硝酸投加到FNA预处理单元，在FNA预处理单元对投配的浓缩池剩余污泥进行预处理。其中这里所述的30％游离亚硝酸用于FNA预处理是因为据实验和测算，得出30％的投加量可以达到预处理单元的要求。当从电解池阳极室排出30％用于预处理单元，需要用由亚硝酸钠溶液来补充到电解池。另外，因为电解池阴极室的碱液也需要排出使用，其排出总量也是30％，所以这些都是由亚硝酸钠溶液来补充。3)一级沉淀分离池：将预处理后的污泥离心分离，离心分离液进入一级沉淀池，并将阴极室部分碱液回流到沉淀池反应，沉淀去除污泥中释放的重金属；再将沉淀后的上清液与离心分离污泥混合后进入厌氧消化罐。4)厌氧消化单元：厌氧消化单元污泥停留时间为8-10d；经预处理后的污泥强化消化过程中甲烷产率，产生的甲烷可用于燃烧发电，发电部分用于提供电解池所需电量。5)消化污泥：厌氧消化单元处理后的消化污泥经离心分离；脱水污泥可以实现重金属去除、病原菌灭活、污泥脱水性改善；而污泥消化液中则含有污泥中释放出的植物营养元素氮、磷(主要以氨氮、磷酸根形式存在)。6)二级沉淀分离池：将离心分离后的污泥消化液投加到二级沉淀池，根据实测消化液中磷酸根摩尔数投加相应比例的氯化镁，并将阴极室碱液回流的pH值范围控制在9.5-10.5，反应沉淀生成磷酸铵镁，回收磷酸铵镁后将上清液投加到氨回收池。其中，磷酸铵镁的分子式中，三种物质是1:1:1的摩尔比，而磷酸根的量是要根据实际消化液浓度实测的，而氨氮摩尔数远高于磷酸根，所以投加氯化镁的摩尔数按照磷酸根摩尔数来确定。7)氨回收池：回收磷酸铵镁后的上清液进入氨回收池，并加入部分阴极室碱液调节氨回收池pH值为9.5-10.5以促进氨气释放，释放的氨气用无机酸进行回收。所述步骤2)中预处理时间为24h，处理过程中pH值为4.0-5.0，处理温度为室温。所述步骤3)中所述反应时间为30-60min。所述步骤7)中无机酸能够与氨反应，如稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸等。所述步骤1)中电解池电压为10-25V。所述步骤1)中亚硝酸钠溶液的浓度为25mgNO2_N/L。所述步骤1)中阳极室的pH＝3.0，阴极室的pH＝11.0。所述步骤7)中氨回收池pH值为10.0。与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术提出了一种新的膜电解耦合污泥厌氧消化协同回收氮和磷的资源化工艺，采用污泥浓缩池剩余活性污泥为处理对象，引入膜电解池分别在阳极室产酸、阴极室产碱，通过外源加入亚硝酸钠溶液在三格室膜电解池的阳极室合成游离亚硝酸，将部分阴极室碱液投加到氨回收池促进氨气释放，并以稀硫酸等无机酸回收氨气；同时以阳极室合成的游离亚硝酸回流对污泥进行预处理，改善其厌氧消化性能。在污泥处理主流程中，预处理单元和厌氧消化单元处理后的污泥均离心分离，向一级分离液中回流阴极室碱液去除重金属，向二级分离液中回流阴极室碱液并外加氯化镁回收鸟粪石。另外，膜电解池所需电量可由厌氧消化池产生的甲烷燃烧发电提供。该耦合工艺可分别强化污泥中重金属溶出、病原菌灭活及改善消化污泥脱水性，实现污泥的无害化、产甲烷及氮/磷回收。本专利技术提出的膜电解耦合污泥厌氧消化新工艺如图1所示。附图说明图1为本专利技术所述膜电解耦合污泥厌氧消化新工艺示意图；图中：AEM：阴离子交换膜，CEM:阳离子交换膜。具体实施方式下面结合具体实施方式，对本专利技术的权利要求做进一步的详细说明，但不构成对本专利技术的任何限制，任何在本专利技术权利要求保护范围内所做的修改，仍在本专利技术的权利要求保护范围内。实施例1膜电解池单元：采用市售的离子交换膜将电解池分为3个格室，电解池电压范围可采用10-25V，向中间格室加入浓度为25mgNO2_N/L的亚硝酸钠溶液，阳极室电解产生的pH＝3.0，阴极室电解产生的pH＝11.0。游离亚硝酸(FNA)预处理单元：将阳极室产生溶液体积的30％投加到FNA预处理单元，并对投配的浓缩池剩余污泥进行预处理24h，处理过程中控制pH值在4.0-5.0的范围内，处理温度为室温；一级沉淀分离池：将预处理后的污泥离心分离，离心分离液进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用厌氧消化从污泥中协同回收氮和磷的资源化工艺，其特征在于，包括以下步骤：1)膜电解池单元：采用阳离子交换膜和阴离子交换膜将电解池分为3个格室，向中间格室加入亚硝酸钠溶液作为电解质并分别提供钠离子和亚硝酸根离子，亚硝酸根透过阴离子交换膜与阳极室电解产生的氢离子形成游离亚硝酸，钠离子透过阳离子交换膜产生氢氧化钠；2)FNA预处理单元：将阳极室产生的30％游离亚硝酸投加到FNA预处理单元，在FNA预处理单元对投配的浓缩池剩余污泥进行预处理；3)一级沉淀分离池：将预处理后的污泥离心分离，离心分离液进入一级沉淀池，并将阴极室部分碱液回流到沉淀池反应，沉淀去除污泥中释放的重金属；再将沉淀后的上清液与离心分离污泥混合后进入厌氧消化罐；4)厌氧消化单元：厌氧消化单元污泥停留时间为8‑10d；5)消化污泥：厌氧消化单元处理后的消化污泥经离心分离；6)二级沉淀分离池：将离心分离后的污泥消化液投加到二级沉淀池，根据实测消化液中磷酸根摩尔数投加相应比例的氯化镁，并将阴极室碱液回流的pH值范围控制在9.5‑10.5，反应沉淀生成磷酸铵镁，回收磷酸铵镁后将上清液投加到氨回收池；7)氨回收池：回收磷酸铵镁后的上清液进入氨回收池，并加入部分阴极室碱液调节氨回收池pH值为9.5‑10.5以促进氨气释放，释放的氨气用无机酸进行回收。...

【技术特征摘要】
1.一种利用厌氧消化从污泥中协同回收氮和磷的资源化工艺，其特征在于，包括以下步骤：1)膜电解池单元：采用阳离子交换膜和阴离子交换膜将电解池分为3个格室，向中间格室加入亚硝酸钠溶液作为电解质并分别提供钠离子和亚硝酸根离子，亚硝酸根透过阴离子交换膜与阳极室电解产生的氢离子形成游离亚硝酸，钠离子透过阳离子交换膜产生氢氧化钠；2)FNA预处理单元：将阳极室产生的30％游离亚硝酸投加到FNA预处理单元，在FNA预处理单元对投配的浓缩池剩余污泥进行预处理；3)一级沉淀分离池：将预处理后的污泥离心分离，离心分离液进入一级沉淀池，并将阴极室部分碱液回流到沉淀池反应，沉淀去除污泥中释放的重金属；再将沉淀后的上清液与离心分离污泥混合后进入厌氧消化罐；4)厌氧消化单元：厌氧消化单元污泥停留时间为8-10d；5)消化污泥：厌氧消化单元处理后的消化污泥经离心分离；6)二级沉淀分离池：将离心分离后的污泥消化液投加到二级沉淀池，根据实测消化液中磷酸根摩尔数投加相应比例的氯化镁，并将阴极室碱液回流的pH值范围控制在9.5-10.5，反应沉淀生成磷酸铵镁，回收磷酸铵镁后将上清液投加到氨回收池；7)氨回收池：回收磷酸铵镁后的上清液进入氨回收池，并加入部分阴...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立国，刘蕾，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44