本发明涉及污泥处理技术领域，具体的，涉及一种通过污泥液化分层实现其安全处置及资源回收的方法。
背景技术：
剩余污泥的主要组成为有机物质、氮磷等营养物质及致病菌、寄生虫卵的致病微生物，具有较高的环境风险，如不加稳定任意排放，会破坏生态环境，危害人体健康。
在污水处理过程中，剩余污泥的处理及处置一直是一个较大的难题，给污水处理单位造成了很大的麻烦，据预测，2020年我国剩余污泥产量将达8382万吨，因此剩余污泥必须加以处理处置，达到减量化、稳定化、无害化、资源化的目的。
目前对于剩余污泥的处理方法主要有厌氧消化、污泥焚烧、卫生填埋、污泥脱水。其中焚烧法处理量小，卫生填埋法及污泥脱水法未进行充分的稳定，均不适合大范围推广。而传统的厌氧消化法，其容积负荷多在0.5kgcodm-3d-1以下，污泥停留时间往往长达30d，且污泥中有机物的去除率也仅为50％左右(shanquanwang,etal.developmentofanalkaline/acidpre-treatmentandanaerobicdigestion
(apad)processformethanegenerationfromwasteactivatedsludge[j].scienceofthetotalenvironment,2020(708))，因此常规的污泥处理设施极为庞大。除此之外，剩余污泥处理所回收的资源主要是沼气，而对其中含有的高附加值的氮及磷元素鲜有回收。
因此，对于剩余污泥的处理迫切需要一套能大大提高处理效率，缩短处理时间和处理设备体积，同时能够尽可能多地回收其中地资源化和能源的方法。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是克服现有污泥处理技术中耗时长，设备庞大，运行管理复杂且资源回收率低的问题，提供一种通过将污泥完全液化并分层，再分别对各层物质进行资源回收及安全处置的方法，通过热碱协同处理将污泥中有机物完全液化为可溶性有机物，处理后污泥进行分层，并分别对上层高浓度溶解性液体进行厌氧消化产沼气、中层污泥蛋白进行粗蛋白回收、底层污泥无机固体脱水填埋。本发明方法极大地提高了污泥处理效率，减少了污泥处理设施体积，实现了污泥的安全处置，同时解决了污泥厌氧消化氨抑制问题，并极大程度回收了污泥中碳、氮、磷资源，适于大面积推广。
因此，本发明的第一个目的是提供一种通过污泥液化分层实现其安全处置及资源回收的方法。
本发明的再一目的是提供上述方法在对剩余污泥快速处理及资源回收中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种剩余污泥处理系统。
为实现上述目的，本发明是通过以下方案实现的：
本发明提供一种通过污泥液化分层实现其安全处置及资源回收的方法，具体地，包括以下步骤：
s1.将剩余污泥进行浓缩，得到浓缩污泥；
s2.对步骤s1得到的浓缩污泥进行热碱协同液化处理；
s3.调节步骤s2液化处理完成的污泥ph为中性，再自然沉降得到上中下三层物质；
s4.对步骤s3得到的上层物质进行厌氧消化，收集产生的沼气，再向厌氧消化处理得到的液体中加入mgcl2，反应得到鸟粪石沉淀；
s5.对步骤s3得到的中层物质进行分离、沉淀，得到粗蛋白；
s6.对步骤s3得到的下层物质进行脱水、填埋处置。
本发明对剩余污泥进行安全处置及资源回收的方法是先通过热碱协同处理将污泥中有机物完全液化为可溶性有机物，处理后污泥进行分层，并分别对上层高浓度溶解性液体进行厌氧消化产沼气、中层污泥蛋白进行粗蛋白回收、底层污泥无机固体脱水填埋。本发明在对剩余污泥处理研究中创造性发现，本发明的热碱联合液化处理步骤，主要是把固相中的微生物细胞及其胞外多聚物复杂结构打开，使得细胞质及胞外蛋白中的有机物、蛋白、有机磷等释放到液相中，可在70min内将污泥中95％以上的有机物以溶解性有机物释放到液相中；并且处理后污泥进行自然沉降分为“上层高浓度有机物液体、中层乳黄色污泥蛋白及下层污泥无机固体”三层；对上层含高浓度有机物液体进行厌氧消化可将其中有机碳氮磷分别转化为沼气、氨氮及磷酸盐，可在30h内将88％以上的有机物转化为沼气，极大地提高剩余污泥处理效率。通过投加mgcl2以鸟粪石形态回收氮磷资源，并且厌氧消化反应器容积负荷可以达到12kgm-3d-1；中层主要物质为细胞裂解释放的蛋白，可直接沉淀回收，并解决了污泥厌氧消化产生的氨氮抑制问题；底层污泥完全由无机固体组成，直接进行脱水填埋处置。本发明方法极大地提高了污泥处理效率，减少了污泥处理设施体积，实现了污泥的安全处置，同时解决了污泥厌氧消化氨抑制问题，并极大程度回收了污泥中碳、氮、磷资源，适于大面积推广。
优选地，步骤s1所述浓缩污泥的总悬浮固体含量为20～60g/l。
最优选地，步骤s1所述浓缩污泥的总悬浮固体含量为30g/l。
优选地，步骤s2所述热碱协同液化处理的方法是将naoh加入到浓缩污泥中并在加热条件下进行反应。
更优选地，所述热碱协同液化处理的反应时间为60～90min；反应温度为140～170℃。
最优选地，所述热碱协同液化处理的反应时间为70min；反应温度为170℃。
优选地，所述naoh与浓缩污泥用量比为50～200mmol：1kg。
最优选地，所述naoh与浓缩污泥用量比为100mmol：1kg。
优选地，步骤s4所述厌氧消化处理为将上层物质加入到厌氧消化反应器进行反应。
更优选地，步骤s4所述厌氧消化处理为将上层物质加入到上流式厌氧污泥床反应器进行反应。
优选地，所述上流式厌氧污泥床反应器进行反应的温度为35℃，水力停留时间为24～48h，容积负荷为10～15kgcod/(m3·d)。
最优选地，所述上流式厌氧污泥床反应器进行反应的温度为35℃，水力停留时间为30h，容积负荷为12kgcod/(m3·d)。
优选地，步骤s4所述mgcl2与液相所含磷酸盐的摩尔比1～1.1：1。
最优选地，步骤s4所述加入mgcl2与液相所含磷酸盐的摩尔比1.02：1。
优选地，步骤s5所述分离、沉淀是通过调节步骤s3得到的中层物质的ph为6.5～8进行分离、沉淀。
此外，上述方法在对剩余污泥快速处理及资源回收中的应用也在本发明的保护范围中。利用本发明的方法可以对剩余污泥中的剩余污泥快速处理及资源回收中碳氮磷资源进行高效回收。
本发明还请求保护一种剩余污泥处理系统，该处理系统包括污泥液化装置，盐产酸碱装置，沉淀装置，厌氧消化反应器，加镁搅拌罐，鸟粪石沉淀池和粗蛋白净化沉淀池；所述污泥液化装置包含加热组件，搅拌组件，用于对剩余污泥进行热碱协同液化；所述盐产酸碱装置用于分别产酸和碱，其产碱区域与污泥液化装置相连，用于向污泥液化装置中投加碱，其产酸区域与污泥液化装置的出口相连，用于调节液化处理后污泥的ph；所述沉淀装置与污泥液化装置出口相连，用于静置沉淀经ph中和后的污泥；沉淀装置上部区域与厌氧消化反应器相连，用于对静置沉淀后的上层物质进行厌氧消化；中部区域与粗蛋白净化沉淀池相连，用于对静置沉淀后的中层物质进行分离、沉淀，得粗蛋白；底部区域连接外运装置，用于将静置沉淀后的下层物质进行脱水、填埋处置；所述厌氧消化反应器还连接加镁搅拌罐，用于对厌氧消化处理得到的液体进行加镁处理；所述加镁搅拌罐连接鸟粪石沉淀池，用于对加镁处理后的液体进行沉淀，得鸟粪石沉淀。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过污泥液化、分层，实现分别处理，可极大地避免氨氮抑制并极大地提高剩余污泥中碳氮磷资源回收及安全处置效率。本发明所设计的预处理步骤，可在70min内将污泥中95％以上的有机物释放到液相中，后续液相厌氧消化反应，可在30h内将超过88％的有机物转化为沼气，容积负荷超过10kgcod/(m3·d)，相较于传统的厌氧消化法污泥处理技术，单位体积污泥的处理时间大大缩短，仅为传统方法的10％以下，并且容积负荷提升20倍以上。
2、本发明可大大缩小污泥处理设备的体积。相较于传统厌氧消化污泥处理工艺，设施设备体积缩小至原来设备的1/20左右。
3、本发明可回收氮、磷及粗蛋白等高价值资源物质及清洁能源沼气，本发明整个运行体系可回收污泥中93.1％的磷，80％的氮，沼气产率较传统厌氧消化工艺提高20倍以上。
4、本发明与传统厌氧消化污泥处理工艺相比，通过回收污泥分层后的中层污泥蛋白，回收蛋白资源，同时彻底解决了普通污泥厌氧消化过程中高氨氮抑制问题。
5、本发明与传统厌氧消化污泥处理工艺相比，可大大促进污泥的脱水性能。
6、本发明方法简单，易于掌握，并无增加污泥处理操作的难度，而且处理效率提升明显，适合于大面积推广。
附图说明
图1为本发明对剩余污泥的处理流程图。
图2为本发明对剩余污泥进行液化处理后污泥分层图片。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1剩余污泥快速处理及资源回收
1、实验方法
如图1所示，为本发明中对剩余污泥快速处理及资源回收的方法流程图，具体步骤为：
(1)将剩余污泥进行浓缩，得到总悬浮固体含量为30g/l的浓缩污泥；
(2)将naoh按100mmol：1kg浓缩污泥的比例加入浓缩污泥中进行热碱协同液化处理，在170℃条件下反应70min；加盐酸调节液化处理完成的污泥ph为中性；
(3)将步骤(2)中的混合物静置自然沉降得到如图2所示的上层高浓度有机物液体、中层乳黄色污泥蛋白及下层污泥无机固体三层物质；
(4)将步骤(3)中上层高浓度有机物液体加入到厌氧消化反应器进行厌氧消化处理，设置厌氧消化反应器运行温度设置为35℃，停留时间设置为30h，容积负荷为12kgcod/(m3·d)，得到固液气三相；
(5)收集步骤(4)得到的沼气，步骤(4)得到的液相的磷酸盐含量为22.58mmol/l，向其中按23mmol/l的浓度加入mgcl2，反应后沉淀得到鸟粪石；
(6)调节步骤(3)得到的中层液体ph为6.5，分离、沉淀收集得到粗蛋白；
(7)对步骤(3)得到的下层物质用板框压滤机进行脱水至含水率为60％，再填埋处置。
2、实验结果
(1)液化处理中，可在70min内将污泥中80％的有机物释放到液相中。
(2)上层液相厌氧消化反应，可在30h内将88％的有机物降解。
(3)中层液相可回收80％的粗蛋白。
(4)本实施例鸟粪石回收量为5421mg/l污泥，因此可回收污泥中93.1％的磷，80％的氮。
(5)沼气产量为6m3沼气/(m3-reactor·day)。
(6)本实施例中污泥处理设备的体积相较于传统厌氧消化污泥处理工艺，设施设备体积缩小为传统厌氧消化污泥处理设备的1/20。
对比例1传统的厌氧消化法污泥处理技术
2、实验方法
具体操作包括以下步骤：
(1)将naoh按100mmol：1kg浓缩污泥的比例加入浓缩污泥中进行预处理，在170℃条件下反应70min；
(2)将步骤(2)得到的预处理污泥加入固液混合厌氧反应器反应，设置厌氧消化反应器运行温度设置为35℃，停留时间设置为30d，容积负荷为0.5kgcod/(m3·d)，收集产生的沼气。
2、实验结果
(1)液相厌氧消化反应，可在30天内将70％的有机物降解。
(2)沼气产量为0.3m3沼气/(m3-reactor·day)。
实施例2剩余污泥快速处理及资源回收
1、实验方法
(1)将剩余污泥进行浓缩，得到tss含量为60g/l的浓缩污泥；
(2)将naoh按50mmol：1kg浓缩污泥的比例加入浓缩污泥中进行液化处理，在170℃条件下反应70min；加盐酸调节液化处理完成的污泥ph为中性；
(3)将步骤(2)中的混合物静置自然沉降得到上、中、下三层物质；
(4)将步骤(3)得到的上层物质加入到上流式厌氧污泥床反应器进行厌氧消化处理，设置厌氧消化反应器运行温度设置为30℃，停留时间设置为48h，容积负荷为12kgcod/(m3·d)，得到固液气三相；
(5)收集步骤(4)得到的沼气，步骤(4)得到的液相的磷酸盐含量为22.58mmol/l，向其中按23mmol/l的浓度加入mgcl2，反应后沉淀得到鸟粪石；
(6)调节步骤(3)得到的中层液体ph为7，分离、沉淀收集得到粗蛋白；
(7)对步骤(3)得到的下层物质用带式压滤机进行脱水至含水率为60％，再填埋处置。
2、实验结果
(1)液化处理中，可在70min内将污泥中70％的有机物释放到液相中。
(2)液相厌氧消化反应，可在30h内将88％的有机物降解。
(3)本实施例鸟粪石回收量为6777mg/l污泥，因此可回收污泥中68.6％的磷，55％的氮。
(4)沼气产量为6m3沼气(m3-reactor·day)。
对于tss含量为60g/l的浓缩污泥用传统厌氧消化法处理，难以保证反应体系均一，反应器难以持续稳定运行。
实施例3剩余污泥快速处理及资源回收
1、实验方法
(1)将剩余污泥进行浓缩，得到总悬浮固体含量为30g/l的浓缩污泥；
(2)将naoh按100mmol：1kg浓缩污泥的比例加入浓缩污泥中进行液化处理，在140℃条件下反应70min；加盐酸调节液化处理完成的污泥ph为中性；
(3)将步骤(2)中的混合物静置自然沉降得到上中下三层物质；
(4)将步骤(3)中上层液相加入到上流式厌氧污泥床反应器进行厌氧消化处理，设置厌氧消化反应器运行温度设置为40℃，停留时间设置为24h，容积负荷为10.5kgcod/(m3·d)，得到固液气三相；
(5)收集步骤(4)得到的沼气，步骤(4)得到的液相的磷酸盐含量为19.75mmol/l，向其中按19.75mmol/l的浓度加入mgcl2，反应后沉淀得到鸟粪石；
(6)调节步骤(3)得到的中层液体ph为8，分离、沉淀收集得到粗蛋白；
(7)对步骤(3)得到的下层物质用板框压滤机进行脱水至含水率为60％，再填埋处置。
2、实验结果
(1)液化处理中，可在70min内将污泥中83％的有机物释放到液相中。
(2)液相厌氧消化反应，可在30h内将85％的有机物降解。
(3)本实施例鸟粪石回收量为3680mg/l污泥，因此可回收污泥中81.3％的磷，70％的氮。
(4)沼气产量为5m3沼气/(m3-reactor·day)。
对比例3传统的厌氧消化法污泥处理技术
1、实验方法
(1)将naoh按100mmol：1kg浓缩污泥的比例加入浓缩污泥中进行预处理，在140℃条件下反应70min；
(2)将步骤(2)得到的预处理污泥加入固液混合厌氧反应器反应，设置厌氧消化反应器运行温度设置为40℃，停留时间设置为30d，容积负荷为0.4kgcod/(m3·d)，收集产生的沼气。
2、实验结果
(1)液相厌氧消化反应，可在30天内将70％的有机物降解。
(2)沼气产量为0.2m3沼气/(m3-reactor·day)。
实施例4剩余污泥快速处理及资源回收
1、实验方法
(1)将剩余污泥进行浓缩，得到总悬浮固体含量为30g/l的浓缩污泥；
(2)将naoh按200mmol：1kg浓缩污泥的比例加入浓缩污泥中进行液化处理，在170℃条件下反应70min；加盐酸调节液化处理完成的污泥ph为中性；
(3)将步骤(2)中的混合物静置自然沉降得到上中下三层物质；
(4)将步骤(3)中上层液相加入到上流式厌氧污泥床反应器进行厌氧消化处理，设置厌氧消化反应器运行温度设置为35℃，停留时间设置为30h，容积负荷为12.3kgcod/(m3·d)，得到固液气三相；
(5)收集步骤(4)得到的沼气，步骤(4)得到的液相的磷酸盐含量为23.1mmol/l，向其中按25.5mmol/l的浓度加入mgcl2，反应后沉淀得到鸟粪石；
(6)调节步骤(3)得到的中层液体ph为8，分离、沉淀收集得到粗蛋白；
(7)对步骤(3)得到的下层物质用板框压滤机进行脱水至含水率为60％，再填埋处置。
2、实验结果
(1)液化处理中，可在70min内将污泥中97％的有机物释放到液相中。
(2)液相厌氧消化反应，可在30h内将86％的有机物降解。
(3)本实施例鸟粪石回收量为5557mg/l污泥，因此可回收污泥中95％的磷，
70％的氮。
(4)沼气产量为6.1m3沼气/(m3-reactor·day)。
对比例4传统的厌氧消化法污泥处理技术
1、实验方法
(1)将naoh按200mmol：1kg浓缩污泥的比例加入浓缩污泥中进行预处理，在170℃条件下反应70min；
(2)将步骤(2)得到的预处理污泥加入固液混合厌氧反应器反应，设置厌氧消化反应器运行温度设置为35℃，停留时间设置为30d，容积负荷为0.52kgcod/(m3·d)，收集产生的沼气。
2、实验结果
(1)液相厌氧消化反应，可在30天内将70％的有机物降解。
(2)沼气产量为0.31m3沼气/(m3-reactor·day)。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
1.一种通过污泥液化分层实现其安全处置及资源回收的方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.将剩余污泥进行浓缩，得到浓缩污泥；
s2.对步骤s1得到的浓缩污泥进行热碱协同液化处理；
s3.调节步骤s2液化处理完成的污泥ph为中性，再自然沉降得到上中下三层物质；
s4.对步骤s3得到的上层物质进行厌氧消化，收集产生的沼气，再向厌氧消化处理得到的液体中加入mgcl2，反应得到鸟粪石沉淀；
s5.对步骤s3得到的中层物质进行分离、沉淀，得到粗蛋白；
s6.对步骤s3得到的下层物质进行脱水、填埋处置。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤s1所述浓缩污泥的总悬浮固体含量为20～60g/l。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤s2所述热碱协同液化处理的方法是将naoh加入到浓缩污泥中进行反应，反应时间为60～90min，反应温度为140～170℃。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述naoh与浓缩污泥用量比为50～200mmol：1kg。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤s4所述厌氧消化处理为将上层物质加入到厌氧消化反应器进行厌氧消化；所述厌氧消化反应器的温度为30～40℃，水力停留时间为24～48h，容积负荷为10～15kgcod/(m3·d)。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤s4所述mgcl2与液相所含磷酸盐的摩尔比为1～1.1：1。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤s5所述分离、沉淀是通过调节步骤s3得到的中层物质的ph为6.5～8进行分离、沉淀。
8.根据权力要求1所述方法，其特征在于，步骤s6所述脱水为将污泥的含水率脱至60％以下。
9.权利要求1～8任一所述方法在对剩余污泥快速处理及资源回收中的应用。
10.一种剩余污泥处理系统，其特征在于，包括污泥液化装置，盐产酸碱装置，沉淀装置，厌氧消化反应器，加镁搅拌罐，鸟粪石沉淀池和粗蛋白净化沉淀池；所述污泥液化装置包含加热组件，搅拌组件，用于对剩余污泥进行热碱协同液化；所述盐产酸碱装置用于分别产酸和碱，其产碱区域与污泥液化装置相连，用于向污泥液化装置中投加碱，其产酸区域与污泥液化装置的出口相连，用于调节液化处理后污泥的ph；所述沉淀装置与污泥液化装置出口相连，用于静置沉淀经ph中和后的污泥；沉淀装置上部区域与厌氧消化反应器相连，用于对静置沉淀后的上层物质进行厌氧消化；中部区域与粗蛋白净化沉淀池相连，用于对静置沉淀后的中层物质进行分离、沉淀，得粗蛋白；底部区域连接外运装置，用于将静置沉淀后的下层物质进行脱水、填埋处置；所述厌氧消化反应器还连接加镁搅拌罐，用于对厌氧消化处理得到的液体进行加镁处理；所述加镁搅拌罐连接鸟粪石沉淀池，用于对加镁处理后的液体进行沉淀，得鸟粪石沉淀。
技术总结