本发明涉及一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法。该方法为，将碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液，与0.5-3.5倍体积的浓度为10-40g/L的剩余污泥混合，搅拌反应0.5-1h后，碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液的pH降低至7.5-10.0。本发明利用剩余污泥的碱中和能力，通过在碱预处理污泥中投加剩余污泥来调节pH，以节省加酸的药剂消耗，降低了处理成本。本发明的技术所处理后的碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液的pH降低至7.5-10.0范围，可以满足后续磷酸铵镁法回收磷氮和厌氧消化产甲烷的要求。
1. 一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，其特征在于，将碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液，与0.5-3.5倍体积的浓度为10-40 g/L的剩余污泥混合，搅拌反应0.5-1h后，碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液的pH降低至7.5-10.0；所述混合的方式是将剩余污泥与碱预处理污泥的上清液混合，混合方式为二级梯度混合或三级梯度混合；其中，二级梯度混合的具体步骤为：在第一级碱解反应器中，注入X体积的预处理剩余污泥，于150rpm搅拌的同时加氢氧化钠溶液调节pH至10.0，碱解反应1h，离心排出上清液，即第一级碱解出水，排出系统；离心后的残固，即第一级碱解残固，注入第二级碱解反应器中，在第二级碱解反应器中，注入3/7X体积的水，于150rpm搅拌的同时加碱调节pH至13.0，继续碱解反应1h，离心得到上清液，即二级碱解上清液，注入第一级碱解的反应器中，离心后的残固，即二级碱解残固，排出系统；重复循环，连续运行；所述三级梯度混合是在所述二级梯度混合的基础上再增加一个碱解反应器，污泥流向和上清液流向不变。
2.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，其特征在于，所述碱预处理污泥的pH值为10.0-13.0；所述碱预处理污泥的上清液的pH值为10.0-13.0。
3.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，其特征在于，所述碱预处理污泥是将剩余污泥通过碱预处理的方式得到的，其中碱预处理的方式为单独碱处理或与碱联合/组合/耦合处理的方式，包括热-碱处理、超声波-碱处理和微波-碱处理任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，其特征在于，所述碱预处理污泥由以下具体方法制备：将剩余污泥经过重力浓缩或稀释后，控制浓度在10-40 g/L，相当于含水率96%-99%，后于50-350 rpm搅拌的同时投加碱调节pH至10.0-13.0，反应0.5-8h，得到碱预处理污泥。
5.根据权利要求1或4所述的一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，其特征在于，所述碱预处理污泥的上清液由以下具体方法制备：将权利要求5所得的碱预处理污泥，采用离心、带式压滤或板框压滤的方式分离出上清液即碱预处理污泥的上清液，所述离心转速为2000-6000 rpm。
6.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，其特征在于，所述碱预处理污泥或碱预处理污泥上清液与剩余污泥混合反应后的pH为
7.5-10.0，当用于厌氧消化产甲烷时pH控制在7.5-8.0；当用于磷酸铵镁法回收磷氮时pH控制在9.0-10.0；当用于生产挥发性脂肪酸时pH控制在8.0-9.0；当用于生产氢气时pH控制在9.5-10.0；当用作碳源时pH控制在7.5-9.0。
7.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，其特征在于，所述的剩余污泥为城市污水处理厂或工业废水处理站的剩余活性污泥、浓缩池污泥、脱水污泥或厌氧消化污泥中的一种以上；所述剩余污泥包括经过处理的剩余污泥；
所述处理包括酸处理、超声处理、热处理和臭氧处理中的一种以上。
8.根据权利要求4所述的一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，其特征在于，所述的碱包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙；所述投加的形式为固态或溶液，其中溶液浓度在1-20 M。
一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方
法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种污泥的预处理技术，特别涉及一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，属于水处理领域的污泥处理处置与资源化利用方法。
背景技术
[0002] 在污水和废水的处理过程中，产生了大量的污泥。传统的污泥处理技术路线是先对污泥厌氧消化，使污泥稳定化，然后通过调理脱水措施降低污泥的含水率，进而减少污泥容积，以便于后续的运输和填埋处置。将污泥厌氧消化产沼气，不但能够利用其中的有机物质回收能源，而且还可以实现一定程度的污泥减量，有助于解决污水处理厂污泥处理处置的难题。但由于污泥微生物细胞难以被厌氧消化，导致厌氧消化水力停留时间长、构筑物投资巨大。通过对污泥的破胞预处理，能够使胞内物释放至水相，大大提高厌氧消化效率，尽可能地缩短了水力停留时间，大大降低了厌氧构筑物的投资费用。
[0003] 同时，由于可持续发展的社会需求和政府的政策扶持，当今固体废物处理的重点已从污染控制转向资源化利用。越来越多的人认识到污泥也是一种资源，尤其是其中蕴藏的磷。由于磷在生物圈中是一种单向流动的元素，随着磷矿大量被开采，可利用的磷资源日益匮乏。通过预处理破解污泥絮体结构和微生物细胞，能够释放出大量的无机磷、有机磷。通过进一步的转化和沉淀分离，可以实现磷的回收利用。
[0004] 目前报道的污泥预处理方法有高压均质法、超声波法、珠磨法、微波法、加热法、冻融法、盐法、臭氧氧化法、氯气和二氧化氯氧化法、湿式氧化法、碱法、酸法和生物破解法即酶法等。方法众多，各有特点。但复杂的设备要求，操作和安全隐患的存在，及高能耗、药耗等问题，使得很多技术难以大规模的工程应用。其中，碱法被实践证明为最具有经济可行性的一种方法。但碱法处理污泥后的一个重大缺陷是pH高，不利于后续的处理。
发明内容
[0005] 本发明提供一种利用剩余污泥碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，解决碱预处理污泥后的pH值不适于后续处理的问题，提供一种经济、环境友好的降低碱预处理污泥pH的方法。
[0006] 为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
[0007] 本发明提出的利用剩余污泥的pH碱中和能力调节碱预处理污泥pH的方法，以城市污水处理厂（或工业废水处理站）产生的剩余污泥为对象，经过重力浓缩或稀释后达到浓度为10-40 g/L，然后投加碱调节pH至10.0-13.0范围，搅拌反应0.5-8h，使细胞破碎释放出胞内物，包括蛋白质、多糖和磷等，即为碱预处理污泥。再取剩余污泥，经过重力浓缩或稀释后达到浓度为10-40 g/L，与碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液充分混合，混合时两者的体积比为0.5-3.5，混合搅拌反应0.5-1h后，使碱预处理污泥的pH降至7.5-10.0范围。
[0008] 本发明主要通过以下方法实现
[0009] 将碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液，与0.5-3.5倍体积的浓度为10-40 g/L的剩余污泥混合，搅拌反应0.5-1h后，碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液的pH降低至7.5-10.0。
[0010] 进一步的，所述碱预处理污泥的pH值范围在10.0-13.0；所述碱预处理污泥的上清液的pH值范围在10.0-13.0。
[0011] 进一步的，所述碱预处理污泥是将剩余污泥通过碱预处理的方式得到的，其中碱预处理的方式为与碱联合/组合/耦合处理的方式，包括单独碱处理、热-碱处理、超声波-碱处理和微波-碱处理任意一种。
[0012] 进一步的，所述混合的方式是将剩余污泥与碱预处理污泥直接混合。
[0013] 进一步的，所述混合的方式是将剩余污泥与碱预处理污泥的上清液混合，混合方式为二级的梯度混合、三级梯度混合或连续混合； 二级梯度混合工艺流程图见图1（详细操作步骤见实施例1）；三级梯度混合是在二级梯度混合的基础上再增加一个碱解反应器C，污泥流向和上清液流向不变；连续混合是采用一个高径比的碱解反应器，污泥从此反应器的上端进、下端出，上清液从反应器的下端进、上端出。
[0014] 进一步的，所述碱预处理污泥由以下具体方法制备：将剩余污泥经过重力浓缩或稀释后，控制浓度在10-40 g/L，相当于含水率96%-99%，后于50-350 rpm搅拌的同时投加碱调节pH至10.0-13.0，反应0.5-8h，得到碱预处理污泥。
[0015] 进一步的，所述碱预处理污泥的上清液由以下具体方法制备：将上述所得的碱预处理污泥，采用离心、带式压滤或板框压滤的方式分离出上清液即碱预处理污泥的上清液，所述离心转速为2000-6000 rpm。
[0016] 进一步的，所述碱预处理污泥或碱预处理污泥上清液与剩余污泥混合反应后的pH为7.5-10.0，当用于厌氧消化产甲烷时pH控制在7.5-8.0；当用于磷酸铵镁法回收磷氮时pH控制在9.0-10.0；当用于生产挥发性脂肪酸时pH控制在8.0-9.0；当用于生产氢气时pH控制在9.5-10.0；当用作碳源时pH控制在7.5-9.0。
[0017] 进一步的，所述的剩余污泥为城市污水处理厂或工业废水处理站的剩余活性污泥、浓缩池污泥、脱水污泥或厌氧消化污泥中的一种以上；所述剩余污泥包括经过处理的剩余污泥；所述处理包括酸处理、超声处理、热处理和臭氧处理中的一种以上。
[0018] 进一步的，所述的碱包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙；所述投加的形式为固态或溶液，其中溶液浓度在1-20 M。
[0019] 本发明主要是利用了剩余污泥自身的碱中和能力来调节pH。其基本原理如下：剩余污泥胞外聚合物和胞内物中，含有大量的蛋白质和脂肪酸等有机物，通过水解和中合作用，与氢氧根离子发生一系列化学反应，降低有效氢氧根离子的浓度，从而起到调节pH的作用。
[0020] 由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：
[0021] （1）对碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液的高pH，不需要投加酸，仅利用剩余污泥自身的碱中和能力，即可使pH降低至7.5-10.0从而有利于后续处理，省去了酸消耗。
[0022] （2）调节pH后的碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液，含有较高浓度的氨氮（20-150 mg/L）和正磷酸盐（30-180 mg/L），不需要再加酸调节pH，仅投加适量镁盐，即可自发产生磷酸铵镁沉淀，回收利用磷氮元素。
[0023] （3）调节pH后的碱预处理污泥或碱预处理污泥的上清液，含有高浓度的有机物（SCOD达到2000-10000 mg/L），不需要再加酸调节pH，即可回流至原生物处理系统补充碳源，或厌氧消化产甲烷，同时可补充厌氧单元需要的碱度，具有经济和环境效益。
[0024] （4）二级梯度混合处理可使剩余污泥的TSS和VSS减量20%-60%和30%-80%，达到了稳定化效果，有利于后续处理处置。
[0025] 附图说明：
[0026] 图1为实施例1二级梯度混合工艺流程图。
具体实施方式
[0027] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：
[0028] 实施例1
[0029] 将剩余污泥与碱预处理污泥的上清液混合的“二级梯度混合”工艺流程，如图1所示。剩余污泥经过重力浓缩和稀释后，控制浓度在20g/L，相当于含水率98%。主体装置是第一、二级碱解反应器（带搅拌装置），梯度实现碱预处理污泥和调节pH作用。系统启动和运行两个阶段的具体操作为：（1）启动在第一级碱解反应器A中，注入X体积的剩余污泥1，于150rpm搅拌的同时以10 M的氢氧化钠溶液调节pH至10.0，碱解反应1h。然后离心排出上清液，即第一级碱解出水6，排出系统；离心后的残固，即第一级碱解残固2，注入第二级碱解反应器中。在第二级碱解反应器B中，注入3/7X体积的水，于150rpm搅拌的同时以10M的氢氧化钠溶液调节pH13.0，继续碱解反应1h。然后离心得到上清液，即二级碱解上清液5，注入第一级碱解的反应器中；离心后的残固，即二级碱解残固3，排除系统。（2）运行 在第一级碱解反应器A中，注入X体积的剩余污泥1，于150rpm搅拌，碱解反应1h。然后离心排出上清液，即第一级碱解出水6，排出系统；离心后的残固，即第一级碱解残固2，注入第二级碱解反应器中。在第二级碱解反应器B中，注入3/7X体积的水，于150rpm搅拌的同时以10M的氢氧化钠溶液调节pH13.0，继续碱解反应1h。然后离心得到上清液，即二级碱解上清液5，注入第一级碱解的反应器中；离心后的残固，即二级碱解残固3，排除系统。重复循环，连续运行。整个操作过程中，最终排出系统的是残固（污泥流向标识为实线），加入的水和碱最终以出水排出系统（上清液流向标识为虚线）。此时，上清液5中，正磷酸盐和氨氮的浓度在62-64 mg/L和62.5-64.5 mg/L，适用于磷酸铵镁沉淀；有机物浓度高（SCOD
2650-2680 mg/L），适用于作碳源或厌氧发酵产甲烷；残固3的TSS和VSS较之剩余污泥，降低了30%-40%和40%-50%，达到了稳定化效果，有利于后续处理处置。在第一级碱解反应器A中，对已知体积的二级碱解上清液5，调整注入的剩余污泥1的体积，可以调控混合后的第一级碱解出水6的pH值，具体实施条件和效果，见表1。从表1可见，利用剩余污泥自身的碱中和能力可以显著调节碱预处理污泥上清液的pH，混合反应后的碱预处理污泥上清液的pH值在7.5-10.0范围，完全可以满足磷酸铵镁法回收磷氮和厌氧产甲烷等后续处理对pH的要求。本工艺的特点是：不仅省去了酸消耗，还可以相对于实施例2减少单位污泥的碱消耗15%-50%。
[0030] 表1：剩余污泥与碱预处理污泥的上清液混合调节pH的实施条件和效果[0031]pH
的
6
混合后的第一级碱解出水 10.8 10.1 9.7 9.2 8.9 8.5 8.3
（L）
的体积
1
注入剩余污泥 0.5 X X 1.5 X 2 X 2.5 X 3 X 3.5 X
（L）
的体积
5
二级碱解上清液 X X X X X X X
编号 1 2 3 4 5 6 7
[0032] 实施例2
[0033] 将剩余污泥与碱预处理污泥直接混合的工艺流程。剩余污泥经过重力浓缩和稀释后，控制浓度在20 g/L，相当于含水率98%。取X体积的剩余污泥置于反应器中，于150 rpm搅拌的同时以10 M的氢氧化钠溶液调节pH至13.0，碱解反应1h，此为碱预处理污泥。然后注入0.5-3.5X体积的剩余污泥，混合搅拌反应1h，即可调控碱预处理污泥的pH到
7.5-10.0范围，具体实施条件和效果，见表2。从表2可见，利用剩余污泥自身的碱中和能力可以显著调节碱预处理污泥的pH，混合反应后的污泥的pH可以满足磷酸铵镁法回收磷氮和厌氧产甲烷等后续处理对pH的要求。同时，相应的上清液中正磷酸盐和氨氮的浓度都在
30-180 mg/L和20-150 mg/L，适用于磷酸铵镁沉淀；有机物浓度高，SCOD都在2000-10000 mg/L范围，适用于作碳源或厌氧发酵产甲烷；剩余污泥的TSS和VSS减量在20%-60%和
30%-80%范围，都有一定的稳定化效果，有利于后续处理处置。本工艺特点是：操作简单，设备投入和运行成本低，且无酸消耗。
[0034] 表2：剩余污泥与碱预处理污泥直接混合调节pH的实施条件和效果[0035]编号 碱预处理污泥的体积（L） 注入剩余污泥的体积（L） 混合后污泥的pH
1 X 0.5 X 10.3
2 X X 9.6
3 X 1.5 X 9.1
4 X 2 X 8.7
5 X 2.5 X 8.3
6 X 3 X 7.9
7 X 3.5 X 7.6
[0036] 上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
