基于污泥破解的剩余污泥资源化利用

【摘要】：城市污水厂剩余污泥中不仅含有挥发性脂肪酸、腐殖酸和蛋白质等有机物，还含有丰富的磷、钾、钙和镁等营养元素，具有潜在的利用价值。通过从剩余污泥中回收有价值的物质和能源，既可使剩余污泥得到妥善的处理处置，又可补偿污水厂的运行费用，还能够实现资源的循环利用而利于环境保护和可持续发展。本论文通过比较四种预处理方法对污泥的破解效果，掌握了剩余污泥破解过程中的有机物和营养物释放特性。在此基础上，尝试了通过高压均质法破解污泥选择性释放碳源，将剩余污泥开发为碳源的可行性；探讨了碱解剩余污泥释磷和磷酸铵镁沉淀回收磷的可能性；评价了通过“碱解—厌氧消化”新工艺处理剩余污泥，快速产甲烷的效果。最后，探索了将上述资源化技术（回收磷和产甲烷）集成，实现剩余污泥综合处理处置的效果，并开展了物质流衡算和经济性评价。主要研究内容和结果如下： （1）采用不同预处理方法（碱法、ClO2氧化法、超声波法和高压均质法）破解污泥时，有机物和营养物释放存在明显差异。通过分析有机物释放量随作用时间变化情况，及观察作用时间结束时的剩余污泥形态，证明了不同预处理方法破解污泥时存在不同的作用机制。研究认为，不同预处理方法破解的剩余污泥有各自适宜的用途。 （2）经理论释放值和实际释放值的差异度评价，证明了高压均质法可选择性地释放剩余污泥中的碳源，生产碳源的费用低于碱法、ClO2氧化法和超声波法。高压均质破解的剩余污泥作碳源回流SBR系统后，营养性污染物（氮和磷）的去除能力提高了20%以上。监测了系统中惰性物质（灰分、重金属和多环芳烃）的积累情况，发现伴随破解剩余污泥回流带入系统的惰性物质的积累效应可忽略。结合数理统计分析，确定了积累规律符合Patterm Ⅰ。系统惰性物质的质量平衡计算发现，系统中的惰性物质维持了一种动态平衡。因此，高压均质破解剩余污泥回流SBR系统作碳源是稳定可靠的。 （3）单级碱解可释放剩余污泥中62.86%的TP和35.43%的Ortho-P，但上清液pH高达12.4，超出了磷酸铵镁沉淀回收磷的pH范围。为此，开发了二级碱解技术，它能够维持碱解上清液pH不超过10。经响应面法优化的二级碱解可释放剩余污泥中56.60%的TP和40.70%的Ortho-P，并维持上清液pH在10。按照Mg/P摩尔比1.8:1向二级碱解的上清液中投加镁盐，反应15min，即可回收35.71%和46.88%的TP和Ortho-P，同时回收16.54%的氨氮。采用X-射线能谱仪和化学成分分析，确认了沉淀物中含有鸟粪石。可见，二级碱解释磷效果好，磷易于回收。 （4）二级碱解可释放剩余污泥中近20%的有机物，上清液可生化性好（BOD5/COD=0.47）。以上清液（pH9.9）直接厌氧消化产甲烷，在颗粒污泥接种量60%下，甲烷产量达到392±2mLCH4/gCOD，而HRT仅为12h，远低于一般污泥厌氧消化所需的20d。碱解系统依靠剩余污泥自身的碱中和能力而实现pH调节；厌氧消化系统规避了挥发性脂肪酸积累、保持了系统相对恒定的pH，有利于产甲烷。 （5）根据破解剩余污泥的资源化技术集成思路，构建了“二级碱解—磷酸铵镁回收磷氮—厌氧产甲烷集成工艺”和“二级碱解—厌氧产甲烷—磷酸铵镁回收磷氮集成工艺‖，两工艺的运行效果良好。两工艺是经济可行的，年产生净收益20万元以上。两工艺的限制性步骤是二级碱解，其工艺参数有进一步优化的空间。 【关键词】：剩余污泥 碱解 磷酸铵镁 甲烷 集成工艺
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 选题背景12-13
• 1.1.1 我国城市污水厂剩余污泥产生量及处理处置概况12
• 1.1.2 传统污泥处理处置面临的困境及污泥资源化的迫切需求12-13
• 1.2 基于污泥破解技术的剩余污泥资源化研究进展13-18
• 1.2.1 污泥破解的目的与意义13
• 1.2.2 污泥破解技术13-14
• 1.2.3 污泥破解技术与碳源利用14-15
• 1.2.4 污泥破解技术与磷氮回收15-16
• 1.2.5 污泥破解技术与厌氧产甲烷16-17
• 1.2.6 污泥破解技术与污泥综合利用17-18
• 1.3 基于污泥破解技术的剩余污泥资源化研究存在的问题与发展方向18
• 1.4 研究的目的与主要研究内容18-20
• 1.4.1 研究目的与意义18
• 1.4.2 主要研究内容18-20
• 第二章 不同破解技术处理剩余污泥的物质释放特性20-29
• 2.1 材料与方法20-21
• 2.1.1 剩余污泥20
• 2.1.2 剩余污泥破解方法20-21
• 2.1.3 指标及测定方法21
• 2.2 结果与讨论21-27
• 2.2.1 不同破解技术处理剩余污泥的营养物释放特性21-23
• 2.2.2 不同破解技术处理剩余污泥的物质释放比较23-25
• 2.2.3 不同破解技术处理剩余污泥的物质释放机制25-27
• 2.3 本章小结27-29
• 第三章 破解剩余污泥作为 SBR 系统碳源—以高压均质为例29-45
• 3.1 材料与方法29-30
• 3.1.1 剩余污泥29
• 3.1.2 高压均质破解剩余污泥29
• 3.1.3 破解剩余污泥回流 SBR 系统29-30
• 3.1.4 指标及测定方法30
• 3.2 结果与讨论30-43
• 3.2.1 高压均质破解剩余污泥选择性释放碳源30-35
• 3.2.2 高压均质破解剩余污泥回流 SBR 系统对营养物性污染物去除的影响35-37
• 3.2.3 高压均质破解剩余污泥回流 SBR 系统对污泥活性的影响37
• 3.2.4 高压均质破解剩余污泥回流 SBR 系统的污泥减量效果37-38
• 3.2.5 高压均质破解剩余污泥回流 SBR 系统的惰性物质积累效应38-43
• 3.3 本章小结43-45
• 第四章 破解剩余污泥上清液回收磷—以碱解为例45-60
• 4.1 材料与方法45-47
• 4.1.1 剩余污泥45
• 4.1.2 碱解剩余污泥45-47
• 4.1.3 磷酸铵镁沉淀47
• 4.1.4 指标及测定方法47
• 4.2 结果与讨论47-58
• 4.2.1 碱解释放剩余污泥中的磷47-56
• 4.2.2 碱解上清液中磷的回收56-58
• 4.3 本章小结58-60
• 第五章 破解剩余污泥上清液产甲烷—以碱解为例60-74
• 5.1 材料与方法60-62
• 5.1.1 剩余污泥60
• 5.1.2 厌氧颗粒污泥60
• 5.1.3 碱解剩余污泥60-61
• 5.1.4 厌氧消化61-62
• 5.1.5 指标及测定方法62
• 5.2 结果与讨论62-72
• 5.2.1 碱解释放剩余污泥中的有机物62-68
• 5.2.2 碱解上清液厌氧消化产甲烷68-71
• 5.2.3 碱解—厌氧消化剩余污泥产甲烷新工艺机理71-72
• 5.3 本章小结72-74
• 第六章 破解剩余污泥上清液同步回收磷和产甲烷集成工艺—以碱解为例74-92
• 6.1 材料与方法74-75
• 6.1.1 剩余污泥74
• 6.1.2 厌氧颗粒污泥74
• 6.1.3 二级碱解74
• 6.1.4 磷酸铵镁沉淀74
• 6.1.5 厌氧消化74
• 6.1.6 指标及测定方法74-75
• 6.2 结果与讨论75-90
• 6.2.1 二级碱解—磷酸铵镁回收磷氮—厌氧产甲烷集成工艺75-80
• 6.2.2 二级碱解—厌氧产甲烷—磷酸铵镁回收磷氮集成工艺80-90
• 6.2.3 两套集成工艺的对比分析90
• 6.3 本章小结90-92
• 研究结论、创新点及研究展望92-95
• 1 研究结论92-93
• 2 研究特色与创新点93
• 3 研究展望93-95
• 参考文献95-107
• 攻读博士学位期间取得的研究成果107-110
• 致谢110-112
• 附件112

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