专利名称：城市污水处理厂污泥磷回收的方法
技术领域：
本发明属于污泥处理与资源化技术领域，特别涉及一种城市污水处理厂 污泥磷回收的方法。
背景技术：
磷是所有生命体赖以生存的必需元素之一，在细胞结构及细胞功能方面
起着重要作用；磷又是一种不可再生资源，自然界中的磷矿石储量有限。众 所周知，过量的磷排放是造成水体富营养化的重要原因，通常水体中的总磷 浓度达到0.02mg/L时，水环境的生态平衡就会遭到破坏。为了有效遏制水体 富营养化，城市污水处理厂在去除污水中有机污染物的同时，也需要去除污 水中的氮、磷。城市污水中的磷可通过化学和生物方法得以去除。与化学除 磷相比，强化生物除磷工艺(Enhanced biological phosphorus removal, EBPR) 由于其经济性的优势在世界范围内得到了广泛的应用。经过EBPR净化，城 市污水中的磷转移到了污泥中，EBPR工艺产生的污泥含磷量约为4%，甚至 高达9%以上。据报道，2000年我国磷矿平均品位为18.713% P205，折合成 %仅为8.17%。因此，采用EBPR工艺的城市污水处理厂产生的污泥适合作 为磷回收的原料。此外，城市污水处理厂处置污泥的一个重要手段是污泥土 地利用。然而，由于污泥中含有有机污染物、重金属和病原菌等，随着世界 各国逐渐严格的法律法规的出台以及民众环境安全意识的提高，污泥土地利 用也越来越受到限制。例如，在瑞典，农民联合组织及食品工业颁布了禁令， 禁止污泥施用于农田。所以，以适当的方式进行污泥磷回收，既可为城市污 水处理厂的污泥处理与处置提供一条新途径，又可缓解磷资源匮乏的压力。
污泥磷回收过程分为两个阶段释放和回收，其中首要关键因素是磷释 放，也就是将磷从污泥(固相)释放到液相，从而可为后续的磷回收奠定基 础。为了将污泥中的磷迅速释放出来，以满足磷回收的需要，各国学者引入了多种物理、化学手段，如Akio Kuroda， et al.， A simple method to release polyphosphate from activated sludge for phosphorus reuse and recycling. 5z'otec/wo/ogy awd5/oe"g/ween'"g, 2002. 78(3): p. 333 338; 及薛涛、黄霞、
郝王娟，剩余污泥热处理过程中磷、氮和有机碳的释放特性。中y^/^^^^:，
2006(23): p. 22 25所报导的加热法；Saktaywin, W.， et al., Advanced sewage treatment process with excess sludge reduction and phosphorus recovery. 及&searc/z， 2005. 39(5): p. 902 910所报导的臭氧氧化法；Liao, P.H.， D.S. Mavinic, RA. Koch, Release of phosphorus from biological nutrient removal sludges: A study of sludge pretreatment methods to optimize phosphorus release for subsequent recovery purposes. Jowrwa/ o/五"Wra膝ewta/ 5We"ce， 2003. 2(5): p. 369 381所报导的投加酸碱法等。20世纪40年代以来， 微波辐射加热技术取得了很大发展，它能快速有效地加热物体，目前已广范 应用于食品加工、木材干燥、塑料、橡胶处理及陶瓷的固化等。近年来微波 辐射加热技术在环境污染治理方面正逐步得到应用，主要包括污染土壤的修 复、废物处理、污水处理、活性炭再生和废气处理等领域，如D. A. Jones et al., 2002. Microwave heating applications in environmental engineering—a review, i esowce， Coraerra打'o" a"d及ec少c/z'"g， 34: 75 90所报导的。与传统的力口热技术 相比，微波辐射加热技术具有如下优点(l)高效快速；(2)节能省电；(3)热源 与加热材料不直接接触；(4)能进行选择性加热；(5)便于控制；(6)设备体积小 且无废物生成。近来的研究表明，利用密闭加压微波辐射、微波辐射与过氧 化氢联合作用作为磷释放手段，可取得很好的效果。如报导的文献有Liao, P.H.， W.T. Wong, K.V. Lo, Release of phosphorus from sewage sludge using microwave technology. Jowr"a/ o/五wv/rawmewto/5Wewce, 2005. 4(1): p. 77 81; Liao, P.H.， W.T. Wong, K.V. Lo, Advanced oxidation process using hydrogen peroxide/microwave system for solubilization of phosphate.
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目前，鸟粪石(MgNH4P(V6H20， MAP)与磷酸钙被认为是最具有前景
5的磷回收途径，也是研究与应用最多的内容。鸟粪石是一种难溶于水的白色
晶体，(TC时，1L水中仅能溶解0.023g，常温下，在水中的溶度积仅为2.5x10—13。 对于磷酸钙，尚未有一个简单明确的定义，它包括多种不同的形式，如磷酸 氢钙(DCPA)、磷酸八钙(OCP)、无定形磷酸钙(ACP)、多羟基磷灰石(HAP)、 磷酸钙(TCP)等。其中HAP的分子式为Ca5(P04)3OH，是热力学最稳定的磷酸 钙盐，25"C时其溶度积仅为IO一559。
因此，污泥磷回收的关键是如何经济高效地将污泥中的磷素释放出来， 从而为后续的磷回收奠定坚实的基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济高效的回收城市污水处理厂污泥中磷元 素的方法，可作为城市污水处理厂污泥处理及资源化的技术。
本发明的城市污水处理厂污泥磷回收的工艺流程如图1所示包括对污 泥混合液进行重力浓縮步骤、对重力浓縮后的污泥进行污泥磷释放步骤、对 污泥磷释放后的污泥进行固液分离步骤、对固液分离后的富磷上清液进行污 泥磷回收步骤等；其特征是所述的对重力浓縮后的污泥进行污泥磷释放是 采用酸化与常压微波辐射组合方法对污泥进行处理，所述的对固液分离后的 富磷上清液进行污泥磷回收是采用磷酸l^结晶法对富磷上清液进行处理，得 到含磷酸钙结晶的沉淀物，然后将含磷酸钙结晶的沉淀物过滤后进行污泥磷 回收。
所述的对污泥进行酸化与常压微波辐射组合方法对污泥进行处理，是对 重力浓縮后的污泥首先采用浓度为0.5 5mol/L的硫酸或盐酸等作为酸化药 剂的酸对污泥进行酸化处理，控制酸化后的污泥的pH为1 5;然后在常压 下采用微波反应器，微波源功率为400 1000W，对酸化后的污泥进行微波辐 射，微波辐射后的污泥的温度在70 95。C之间，释放污泥中的磷。
所述的重力浓縮是将浓度小于6000mg/L的污泥混合液浓縮到浓度为 6000 8000mg/L。浓縮时间一般经过1 3小时后即可达到该浓度。
所述的采用磷酸钙结晶法对富磷上清液进行处理，可采用以下两种方法 之中的任意一种。 一种是首先采用浓度为0.5 2mol/L的氢氧化钠溶液或氢氧 化钾溶液等调节固液分离后的富磷上清液的pH值为7.8 11，然后按照钙磷摩尔比为L5 2: l投加氯化钙溶液，反应时间一般为10 30分钟，形成含 有磷酸钙结晶的沉淀物，然后将含磷酸钙结晶的沉淀物过滤后进行污泥磷回 收；或
另一种是直接向固液分离后的富磷上清液中按照钙磷摩尔比为1.5 2: 1 投加氢氧化钙溶液，控制富磷上清液的pH为7.8 ll之间进行反应， 一般反 应时间为10 30分钟；形成含有磷酸钙结晶的沉淀物，然后将含磷酸钙结晶 的沉淀物过滤后进行污泥磷回收。
所述的固液分离是采用重力沉降方式进行固液分离。
所述的污泥混合液是城市污水处理厂采用活性污泥法产生的污泥混合液。
本发明中的经过污泥磷回收后的上清液回流到城市污水处理厂的污水处 理系统中。
本发明的方法不仅可经济高效地回收城市污水处理厂污泥中的磷，并可 达到污泥减量、改善污泥沉降性能的目的。
图1.本发明的回收城市污水处理厂污泥中磷元素的工艺流程示意图。 附图标记
i.重力浓縮 n.污泥磷释放 in.固液分离 iv.污泥磷回收
具体实施方式
实施例i.
请参见图i。在北京市方庄污水处理厂采集由活性污泥法产生的回流污泥
混合液，经重力浓縮后的污泥浓度为6800 8000mg/L，浓縮污泥上清液的 P043—-P和总磷(TP)浓度分别为26.2 mg/L和28.6mg/L。在污泥磷释放步骤， 室温下，首先将200ml浓縮后的污泥倒入500ml烧杯中，置于磁力搅拌器上， 在搅拌强度一定的情况下，向其中投加硫酸或盐酸(浓度为2.5 5.0mol/L)， 控制酸化后的污泥的pH=1.0 5.0;然后将酸化后的污泥放入微波反应器中， 微波频率2.45GHz，磁控管最大输出功率lkw，可无级调节，腔体容积25L，具有可升降搅拌装置及测温探头，磁控管开启时间由定时装置控制。在常压 下对酸化后的污泥进行微波辐射，释放污泥中的磷，微波辐射后的污泥终点
温度约95'C。辐射后的污泥采用自然沉降方式进行固液分离，收集固液分离 后的富磷上清液，富磷上清液中的PO^-P和总磷(TP)浓度分别为53mg/L 和249mg/L。采用浓度为0.5 2mol/L的氢氧化钠溶液调节富磷上清液的pH 值为9.8，然后按照钙磷摩尔比1.5 2: l投加氯化钙溶液，叙淀反应迅速发 生，形成了大量的含有磷酸钙等沉淀物，反应30分钟后，上清液中的PO,-P 和总磷(TP)浓度分别下降到0.8mg/L和10.3mg/L，最后将含磷沉淀物过滤 后回收。
实施例2.
请参见图1。在北京市方庄污水处理厂采集回流污泥混合液，经重力浓縮 后的污泥浓度为6800 8000mg/L，浓縮污泥上清液的P043:P和总磷(TP) 浓度分别为26.2 mg/L和28.6mg/L。在污泥磷释放单元，室温下，首先将200ml 浓縮后的污泥倒入500ml烧杯中，置于磁力搅拌器上，在搅拌强度一定的情 况下，向其中投加硫酸或盐酸(浓度为2.5 5.0mol/L)，控制酸化后的污泥的 pH=1.0 5.0;然后将酸化后的污泥放入微波反应器中，微波频率2.45GHz， 磁控管最大输出功率lkw，可无级调节，腔体容积25L，具有可升降搅拌装置 及测温探头，磁控管开启时间由定时装置控制。在常压下对酸化后的污泥进 行微波辐射，释放污泥中的磷，微波辐射后的污泥终点温度约95°C。辐射后 的污泥采用自然沉降方式进行固液分离，收集固液分离后的富磷上清液，富 磷上清液中的PO,-P和总磷(TP)浓度分别为53mg/L和249mg/L。为了同 时达到调节富磷上清液pH值和形成含磷酸钙结晶沉淀物的目的，直接向固液 分离后的富磷上清液中按照钙磷摩尔比为L5 2: l投加氢氧化钙溶液，控制 富磷上清液的pH为10.56，沉淀反应迅速发生，形成了大量的含有磷酸钙等 沉淀物，反应30分钟后，上清液中的PO,-P和总磷(TP)浓度分别下降到 0.65 mg/L和9.15 mg/L，最后将含磷沉淀物过滤后回收。
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权利要求
1.一种城市污水处理厂污泥磷回收的方法，包括对污泥混合液进行重力浓缩步骤、对重力浓缩后的污泥进行污泥磷释放步骤、对污泥磷释放后的污泥进行固液分离步骤、对固液分离后的富磷上清液进行污泥磷回收步骤；其特征是所述的对重力浓缩后的污泥进行污泥磷释放是采用酸化与常压微波辐射组合方法对污泥进行处理；所述的对固液分离后的富磷上清液进行污泥磷回收是采用磷酸钙结晶法对富磷上清液进行处理，得到含磷酸钙结晶的沉淀物，然后将含磷酸钙结晶的沉淀物过滤后进行污泥磷回收。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的对污泥进行酸化与常压 微波辐射组合方法对污泥进行处理，是对重力浓縮后的污泥首先采用硫酸或 盐酸对污泥进行酸化处理，控制酸化后的污泥的pH为1 5;然后在常压下 采用微波反应器，微波源功率为400 1000W，对酸化后的污泥进行微波辐射， 微波辐射后的污泥的温度在70 95'C之间，释放污泥中的磷。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的硫酸或盐酸的浓度为 0.5 5mol/L。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的重力浓縮是将浓度 小于6000mg/L的污泥混合液浓縮到浓度为6000 8000mg/L。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的采用磷酸钙结晶法对富磷上清液进行处理是采用氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液调节固液分离后的富磷上清液的pH 值为7.8 n，然后按照钙磷摩尔比为L5 2: 1投加氯化钙溶液进行反应， 形成含有磷酸钙结晶的沉淀物，然后将含磷酸钙结晶的沉淀物过滤后进行污 泥磷回收；或直接向固液分离后的富磷上清液中按照钙磷摩尔比为1.5 2: 1投加氢氧 化钙溶液，控制富磷上清液的pH为7.8 ll之间进行反应；形成含有磷酸钙 结晶的沉淀物，然后将含磷酸钙结晶的沉淀物过滤后进行污泥磷回收。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征是所述的氢氧化钠溶液或氢氧化 钾溶液的浓度为0.5 2mol/L。
7. 根据权利要求1或5所述的方法，其特征是所述的固液分离是采用重 力沉降方式进行固液分离。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的污泥混合液是城市污水 处理厂采用活性污泥法产生的污泥混合液。
9. 根据权利要求1或5所述的方法，其特征是经过污泥磷回收后的上清 液回流到城市污水处理厂的污水处理系统中。
全文摘要
本发明属于污泥处理与资源化技术领域，特别涉及一种城市污水处理厂污泥磷回收的方法。包括对污泥混合液进行重力浓缩步骤、对重力浓缩后的污泥进行污泥磷释放步骤、对污泥磷释放后的污泥进行固液分离步骤、对固液分离后的富磷上清液进行污泥磷回收步骤等；所述的对重力浓缩后的污泥进行污泥磷释放是采用酸化与常压微波辐射组合方法对污泥进行处理，所述的对固液分离后的富磷上清液进行污泥磷回收是采用磷酸钙结晶法对富磷上清液进行处理，得到含磷酸钙结晶的沉淀物，然后将含磷酸钙结晶的沉淀物过滤后进行污泥磷回收。本发明的方法不仅可经济高效地回收城市污水处理厂污泥中的磷，并可达到污泥减量、改善污泥沉降性能的目的。
文档编号C01B25/32GK101580334SQ200810106419
公开日2009年11月18日 申请日期2008年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者刘俊新, 程振敏, 魏源送 申请人:中国科学院生态环境研究中心