一种利用厨余垃圾协同强化剩余污泥厌氧生物酸化与低温水热耦合进行污泥脱水的方法
技术领域
本发明涉及一种污泥脱水的方法，具体涉及一种利用厨余垃圾协同强化剩余污泥厌氧生物酸化与低温水热耦合进行污泥脱水的方法，属于污泥脱水技术领域。
背景技术
无论是污泥运输，还是填埋、好氧发酵、焚烧等处理工艺，都对污泥的含水率有严格的要求。污泥运输时一般需要将含水率控制在80％左右；《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质(GB/T23485-2009)》规定卫生填埋污泥含水率必须低于60％；污泥好氧发酵适宜的含水量上限为50～60％；污泥在焚烧炉中维持稳定燃烧的含水率上限为60％。而原污水厂污泥的较高含水率(95％以上)，使泥水混合物体积庞大，提高了污泥的处理难度与成本，严重制约了污泥的处理效率。因此，对污泥进行脱水以将泥水分离是污泥减容的必要前提，是污泥后续安全处理处置与资源化的首要步骤。
污泥组成成分复杂，呈现胶状絮体特征，具有高度的亲水性和持水性，自身脱水性能极差，必须借助必要的预处理措施才能实现有效的泥水分离。目前污泥脱水方法主要包括化学法以及物理法等。化学法是采用反应性调理剂，如混凝剂 (铝盐、铁盐等)、絮凝剂(阳离子型聚丙烯酰胺)、酸/碱试剂(NaOH、Ca(OH)2、 CaO等)和高级氧化剂(Fenton试剂等)，来改变污泥物化性质从而改善污泥脱水性能，化学法操作简单，效果稳定，但普遍存在药剂投加量大、引入二次污染物的问题。物理法是采用超声、电场、冻融、热水解等形式向污泥输入能量以提高污泥脱水性能，物理法虽然无二次污染，但普遍存在能耗高的问题，如中国专利文献CN201611104585.7公开了一种基于水热碳化的城市污泥处理方法，该方法对污泥经预热、水热碳化后可强化污泥的脱水性能，但是该方法中水热温度高达190～320℃，能耗高，且污泥经高温反应后会产生大量难降解COD存在于滤液和滤饼中，为液和滤饼的后续处理处置带来较大的困难。一般而言，单一调理的作用效果有限，将不同调理方法进行联合也是提高污泥脱水性能的一种选择。中国专利文献CN105366909A公开了一种污泥深度脱水的工艺，该方法采用热水解联合化学调理，通过水热反应(120-160℃、相对压力为0.5-1.2MPa)、絮凝剂调理和机械脱水后可达到污泥的深度脱水，此外，该工艺采用的热水解温度低于160℃，可以有效避免难降解COD的产生，但是该工艺中絮凝剂等化学药剂的使用会引入较大的污染风险，同时还会给泥饼的处理带来困难。
因此，如何在不添加化学药剂、有效避免难降解COD产生的同时实现污泥高效脱水与脱水滤液和泥饼无害化资源化利用是目前亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种利用厨余垃圾协同强化剩余污泥厌氧生物酸化与低温水热耦合进行污泥脱水的方法，该方法可以在不外加化学药剂、有效避免难降解COD产生的同时实现污泥高效脱水与脱水滤液和泥饼无害化资源化利用。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种利用厨余垃圾协同强化剩余污泥厌氧生物酸化与低温水热耦合进行污泥脱水的方法，包括以下步骤：首先将污水厂剩余污泥与厨余垃圾均匀混合后在 36.5～37.5℃下厌氧生物酸化反应2～4d；然后将酸化后的混合物于3000～ 5000rpm的转速下离心浓缩5～10min，浓缩后除去上清液的残渣在100～140℃下低温水热处理15～30min，水热处理结束后降温，脱水，得脱水泥饼和脱水滤液。
优选地，所述剩余污泥与厨余垃圾的挥发性固体质量比为1:1～5:1。
优选地，所述剩余污泥的初始含水率为90～98％，所述厨余垃圾为集中收运的餐厨垃圾，初始含水率为85～90％，使用前将厨余垃圾粒径磨碎至0.1～5mm。
优选地，所述酸化后的混合物的pH为4～5。
优选地，离心浓缩后的上清液中挥发性脂肪酸含量为800～1500mg/L，COD 降解率不低于95％，离心浓缩后的上清液回流至污水厂的污水处理系统作为碳源。
优选地，所述水热处理过程的余热供生物厌氧酸化维持所需温度，水热处理过程的能量回收率为80～85％。
优选地，所述脱水泥饼含固率为35～40％。
优选地，所述脱水泥饼进行免干化焚烧或经好氧发酵后作为有机肥利用。
优选地，所述脱水滤液中COD含量为8000～10000mg/L，COD降解率不低于 90％，脱水滤液回流至污水厂的污水处理系统作为碳源。
本发明的工作原理为：
本发明首先采用厌氧生物酸化对剩余污泥进行第一步改性，然后采用水热处理对剩余污泥进行第二步改性，耦合强化污泥脱水性能；采用生物厌氧酸化能水解剩余污泥中的亲水性大分子有机物，产生挥发性脂肪酸，降低剩余污泥的pH 值；餐厨垃圾由于含有大量易降解有机物，储存与运输过程中产酸菌生长繁殖速度快，将其与剩余污泥混合后，其中富含的产酸菌可促使污泥水解与产酸过程的发生，同时餐厨垃圾的易降解性能又有利于产酸菌的生长，从而强化污泥的水解与产酸过程；经生物厌氧酸化、浓缩离心去除上清液后，剩余污泥中部分亲水性大分子有机物已得到去除，剩余污泥的脱水性能得到初步强化，离心后的残渣处于酸性环境，这将显著强化水热处理对其污泥细胞和胞外EPS的破坏能力，因此，在较低温度的条件下即可有效强化其脱水性能，避免了难降解COD的生成。
本发明中，添加厨余垃圾的主要目的为提供部分产酸菌群落、强化酸化过程，促进污泥产酸，其添加量关系到整个工艺的成本与效率，添加量太高，会降低设备对污泥的处理率，添加量太少，对污泥酸化的强化作用不足；且厨余垃圾的粒径也关系到整个工艺的成本与效益，粒径过低所需磨碎的能耗高，粒径过高会影响其生物水解速率，从而影响其对污泥生物厌氧酸化的促进作用。本发明控制剩余污泥与厨余垃圾的挥发性固体质量比为1:1～5:1，厨余垃圾粒径磨碎至0.1～5 mm，可以在确保水解速率的前提下降低能耗与成本。
本发明中，厌氧生物酸化时间和厌氧生物酸化后的pH值至关重要，pH值过低需要较长酸化时间，增加能耗与成本、对设备腐蚀严重，酸化时间过短，pH 值未得到有效下降则不能对后续热水解形成有效促进作用。本发明控制厌氧酸化时间在2～4天和厌氧生物酸化后的pH值在4～5，不仅可以使剩余污泥中的水解亲水性大分子有机物得到最大限度的水解，而且可以使酸化后的混合物处于适宜的酸性环境以强化后续水热处理，提高污泥脱水性能，同时避免能源的浪费与设备的腐蚀。
本发明中，需对厌氧生物酸化后的混合物进行离心浓缩，离心条件的设置将关系到整个工艺的成本与效率，转速过高、时间过长将时离心后的污泥残渣含水率过低，不利于后续水热处理时的泵入与搅拌，同时还会提升整个工艺的成本；转速过低、时间过短则不能有效去除溶解性亲水性有机物以改善脱水性能，同时也无法有效去除混合物中的水分从而提升后续水热处理时的耗能与成本。本发明控制离心转速为3000～5000rpm，时间为5～10min，可以确保从酸化后的混合物中有效分离溶解性亲水性有机物，从而使上清液富含易降解有机物如挥发性脂肪酸等，且COD降解率达95％及以上。
本发明中，水热处理的温度与时间至关重要，水热处理温度过高、时间过长，将提高处理能耗与成本、产生大量难降解COD，水热处理温度过低、时间过短，污泥的脱水性能得不到有效改善。当酸化后的混合物pH值处于4～5时，本发明控制水热处理温度为100～140℃，处理时间为15～30min，可使脱水泥饼的含固率高达35％～40％，污泥脱水性能大大提高，脱水泥饼可免干化焚烧。
本发明的创新点主要在于：
(1)厨余垃圾脱水性能相较于剩余污泥脱水性能好，将两种物质协同可以显著加速污泥的厌氧生物酸化速率，生物酸化过程会水解大分子亲水性有机物，通过离心浓缩可以有效去除溶解性亲水性有机物，减少剩余污泥中的亲水性物质，促进污泥脱水性能的提升；
(2)厌氧生物酸化后混合物的pH值明显下降，在酸性条件下，水热处理破坏残渣中的污泥细胞、释放胞内水，以及分解胞外亲水性大分子有机物的效果显著加强，达到同等的强化脱水效果时相比于pH为中性的环境所需水热温度可明显降低，能耗大幅下降；
(3)相比于高温水热处理(160℃及以上)，水热温度降低后(100～140℃)，剩余污泥在水热过程中不会明显生成难降解物质，从而可使脱水滤液中的COD 降解率大幅提升，解决了目前高温水热强化脱水滤液中COD难降解的问题。
相比于现有技术，本发明具备以下优点：
(1)现有厌氧生物酸化一般是利用新鲜污泥加上接种泥或者特定菌种进行厌氧生物发酵，本发明借助本身自带多重水解酸化细菌的餐厨垃圾与剩余污泥混合后进行厌氧生物发酵(厌氧生物酸化)，无需额外添加接种物或特定菌种。
(2)不同于污泥酸化强化脱水(添加酸)、污泥传统热水解(160℃及以上)强化脱水、污泥药剂(添加PAM、铁盐、铝盐等)调理脱水等强化脱水方法，本发明利用厨余垃圾协同强化污泥厌氧生物酸化与低温水热耦合对污泥进行脱水，不仅可使脱水后泥饼的含固率(判定脱水性能的指标)达35～40％，脱水效率高，而且处理过程中无需添加化学药剂，水热温度低(100～140℃)，可有效避免二次污染及难降解COD的生成。
(3)本发明可以实现脱水滤液和泥饼无害化资源化利用，其中，厌氧生物酸化过程会生成大量易降解的可做碳源的挥发性脂肪酸，经浓缩离心后的上清液 (COD降解率95％以上)可回流至污水处理厂作为碳源进行利用；浓缩离心后的污泥残渣在水热处理作用下，污泥细胞破裂、胞内有机质释放，胞外大分子有机物分解为小分子物质，从而使脱水滤液中含有大量的可做碳源的有机物，同时由于水热温度低(100～140℃)，脱水滤液中COD降解率高(90％以上)，因此脱水滤液也可回流至污水处理厂作为碳源进行利用；污泥脱水后的泥饼含固率达 35～40％，可免干化焚烧(免干化将为污泥后续处置节省大量能耗)或好氧发酵后作为有机肥进行利用。此外，本发明水热过程中的余热可用于维持生物厌氧酸化所需温度，能量回收率80～85％。
附图说明
图1是本发明的过程示意图；
具体实施方式
下面通过实施例子，进一步阐述本发明的特点，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1：
一种利用厨余垃圾协同强化剩余污泥厌氧生物酸化与低温水热耦合进行污泥脱水的方法，包括以下步骤：
(1)剩余污泥采用初始含水率为90％的污水厂剩余污泥，厨余垃圾采用集中收运的餐厨垃圾，厨余垃圾的初始含水率为85％，厨余垃圾在使用前粒径被研磨至5mm(平均粒径)；
(2)将剩余污泥与厨余垃圾均匀混合，其中，剩余污泥与厨余垃圾的挥发性固体质量比为1:1，剩余污泥与厨余垃圾的混合物在37℃下厌氧生物酸化反应2d，酸化后的混合物的pH为5；
(3)将酸化后的混合物于3000rpm的转速下离心浓缩10min，其中，离心浓缩后的上清液中挥发性脂肪酸含量为1050mg/L，COD降解率为96％，上清液可回流至污水厂的污水处理系统作为碳源，离心浓缩后除去上清液的残渣在 100℃下低温水热处理30min，水热处理结束后降温，脱水，得脱水泥饼和脱水滤液，其中，水热处理过程的能量回收率达82％，其余热可供生物厌氧酸化维持所需温度，脱水泥饼含固率为37.2％，脱水泥饼可进行免干化焚烧或经好氧发酵后作为有机肥利用，脱水滤液中COD含量为10000mg/L，COD降解率为95％，脱水滤液可回流至污水厂的污水处理系统作为碳源。
实施例2
一种利用厨余垃圾协同强化剩余污泥厌氧生物酸化与低温水热耦合进行污泥脱水的方法，包括以下步骤：
(1)剩余污泥采用初始含水率为98％的污水厂剩余污泥，厨余垃圾采用集中收运的餐厨垃圾，厨余垃圾的初始含水率为90％，厨余垃圾在使用前粒径被研磨至1mm(平均粒径)；
(2)将剩余污泥与厨余垃圾均匀混合，其中，剩余污泥与厨余垃圾的挥发性固体质量比为5:1，剩余污泥与厨余垃圾的混合物在36.5℃下厌氧生物酸化反应4d，酸化后的混合物的pH为4；
(3)将酸化后的混合物于5000rpm的转速下离心浓缩5min，其中，离心浓缩后的上清液中挥发性脂肪酸含量为850mg/L，COD降解率为95％，上清液可回流至污水厂的污水处理系统作为碳源，离心浓缩后除去上清液的残渣在 140℃下低温水热处理15min，水热处理结束后降温，脱水，得脱水泥饼和脱水滤液，其中，水热处理过程的能量回收率为84％，其余热可供生物厌氧酸化维持所需温度，脱水泥饼含固率为39.1％，脱水泥饼可进行免干化焚烧或经好氧发酵后作为有机肥利用，脱水滤液中COD含量为8000mg/L，COD降解率为90％，脱水滤液可回流至污水厂的污水处理系统作为碳源。
实施例3
一种利用厨余垃圾协同强化剩余污泥厌氧生物酸化与低温水热耦合进行污泥脱水的方法，包括以下步骤：
(1)剩余污泥采用初始含水率为95％的污水厂剩余污泥，厨余垃圾采用集中收运的餐厨垃圾，厨余垃圾的初始含水率为87％，厨余垃圾在使用前粒径被研磨至0.1mm(平均粒径)；
(2)将剩余污泥与厨余垃圾均匀混合，其中，剩余污泥与厨余垃圾的挥发性固体质量比为2:1，剩余污泥与厨余垃圾的混合物在37℃下厌氧生物酸化反应3d，酸化后的混合物的pH为4；
(3)将酸化后的混合物于4000rpm的转速下离心浓缩10min，其中，离心浓缩后的上清液中挥发性脂肪酸含量为1250mg/L，COD降解率96％，上清液可回流至污水厂的污水处理系统作为碳源，离心浓缩后除去上清液的残渣在 120℃下低温水热处理30min，水热处理结束后降温，脱水，得脱水泥饼和脱水滤液，其中，水热处理过程的能量回收率为80％，其余热可供生物厌氧酸化维持所需温度，脱水泥饼含固率为36.9％，脱水泥饼可进行免干化焚烧或经好氧发酵后作为有机肥利用，脱水滤液中COD含量为9000mg/L，COD降解率为92％，脱水滤液可回流至污水厂的污水处理系统作为碳源。
对比例1
(1)剩余污泥采用初始含水率为90％的污水厂剩余污泥，厨余垃圾采用集中收运的餐厨垃圾，厨余垃圾的初始含水率为85％，厨余垃圾在使用前粒径被研磨至5mm(平均粒径)；
(2)将剩余污泥与厨余垃圾均匀混合，其中，剩余污泥与厨余垃圾的挥发性固体质量比为1:1，剩余污泥与厨余垃圾的混合物在37℃下厌氧生物酸化反应2d，酸化后的混合物的pH为5；
(3)将酸化后的混合物于3000rpm的转速下离心浓缩10min，离心浓缩后除去上清液的残渣在80℃下分别低温水热处理15min、30min、45min，水热处理结束后降温，脱水，得脱水泥饼和脱水滤液，脱水泥饼含固率分别对应为 21％、22.5％、23％，脱水滤液中COD降解率分别对应为92％、93％、93％。
对比例2
(1)剩余污泥采用初始含水率为90％的污水厂剩余污泥，厨余垃圾采用集中收运的餐厨垃圾，厨余垃圾的初始含水率为85％，厨余垃圾在使用前粒径被研磨至5mm(平均粒径)；
(2)将剩余污泥与厨余垃圾均匀混合，其中，剩余污泥与厨余垃圾的挥发性固体质量比为1:1，剩余污泥与厨余垃圾的混合物在37℃下厌氧生物酸化反应2d，酸化后的混合物的pH为5；
(3)将酸化后的混合物于3000rpm的转速下离心浓缩10min，离心浓缩后除去上清液的残渣在160℃下分别低温水热处理15min、30min、45min，水热处理结束后降温，脱水，得脱水泥饼和脱水滤液，脱水泥饼含固率分别对应为 45％、45.2％、45.2％，脱水滤液中COD降解率分别对应为77.5％、77.6％、 75％。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
