本发明涉及一种污泥处理方法，特别涉及一种污泥破壁技术以及从污泥中提取有机质组分和碳化颗粒实现污泥资源化处理的方法，属于污水资源综合利用技术领域。
背景技术：
自从2007年国家发改委提出节能减排的法案以后，越来越多的人们提出了节能减排的金点子。加上近年来频频发生的自然灾害和气候变化大的现象，国家又于2008年提出了“低碳”的概念，到了今年也越来越多的人宣扬低碳生活了。随着经济的快速发展，我国的城市污水和工业废水的处理率也在逐年地提高，同时也伴随着处理污废水中也产生了大量的污泥，据了解，2009年，我国城镇污水处理厂统计有1992座，全年污水处理量达280亿m3，相比“十五”初期增加一倍，产生含水率80％的污泥约2005万吨。我国各城市污水处理厂产生的湿污泥将达3000多万吨，占我国年总固体废弃物排放量的5％以上。如果污泥处置不当，不但占用大量的有限耕地，还会对地表环境和地下水造成严重的污染。据统计，现阶段我国的城市生活污泥和工业污泥的处理利用率不足10％，距发达国家如美国的处理利用率60％～70％相差甚远。在污水处理总投资中，污泥处理设施的成本占到50％～75％。而且国家每年用于污泥填埋的费用大约为50～100元/吨左右，由上面知，2009年我国产生2500万吨的污泥，那么总费用大约为125000～250000万元，计12亿～25亿元。所以开发新的、先进的技术，对污泥有效地处理处置，使之变废为宝，又不损害环境，危害人体健康，开辟环境友好道路，走上良性发展的轨道是我们持之以恒的目标。
活性污泥法是目前世界上应用最广泛的污水生物处理技术，但其弊端是会产生大量的剰余活性污泥。这些剩余活性污泥通常含有一定量的有毒有害物质(如寄生虫卵、病原微生物、重金属)及未稳定化的有机物，如果不进行妥善的处理与处置，将会对环境造成直接或潜在的污染。活性污泥是微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质的总称。微生物群体主要包括細菌，原生动物和藻类等。其中，細菌和原生动物是主要的两大类。活性污泥从外观上看，似絮绒颗粒，统称生物絮凝体，其粒径一般介于0.02-0.2MM之间。城市污水生物处理厂剩余污泥的处理与处置是一个较为棘手的问题。其处理费用占到污水处理厂总运行费用的25％40％，甚至高达60％；通常采用的污泥中温厌氧消化工艺，存在着反应速度慢，污泥在池内的停留时间过长，池体体积庞大，操作管理复杂，产气中甲烷含量低等缺点。污泥厌氧消化过程中，污泥水解是限速步骤。采用一定的预处理方式，可以使細胞壁破裂，細胞内含物溶出，加速污泥的水解过程。从而达到缩短消化时间，减少消化池容积，提高甲烷产量的目的。目前，国内外关于污泥細胞破壁技术的方法有物理法和化学法，物理法有热处理法、高压喷射法、超声波处理法、冷冻处理法、辐照法；化学法有碱处理法、臭氧氧化法等。采用不同的破壁技木，可以促进污泥中細胞的分解和胞内有机质的释放，提高污泥的消化性能，加快消化速率，提高产气量。在工程应用中，根据实际需要，开发新型的剩余污泥細胞破壁技术仍是今后重点研究的方向。
污泥碳化技术是在上世纪90年代出现的，其理论基础研究阶段是在1980—1990。到了九十年代中期，已经陆陆续续有小规模的生产阶段。97年日本三菱在宇部的污泥碳化厂规模为20吨/天；同年Thermo Energy在加利福尼亚州Colton市建立了一个污泥碳化实验厂规模为每天处理5吨干泥。因污泥碳化有其明显的优越性，于是从2000年开始，污泥碳化技术在国外已经进入大规模的商业推广阶段。目前，日本已经有多家公司生产和销售碳化装置。比较著名的有荏原公司的碳化炉，三菱公司横滨制作所的污泥碳化装置，巴工业公司每天处理30吨的污泥碳化装置。2005年日本东京下水道技术展览会上，日本日环特殊株式会社甚至推出了标准的污泥碳化减量车。该车可以随时到任何有污泥的场所对污泥进行碳化。近期日本巴工业公司还研发了污泥连续碳化技术。在此期间，美国也在不断地完善污泥碳化技术。目前在南加州大洛杉矶地区，经过近2年的考察、比较，已经决建立了一个每天处理675吨污泥的碳化厂，由能源技术公司(Enertech Environmental Co.)建设、运行。除了日本和美国，澳大利亚ESI公司也建设了一座100吨/日的碳化处理厂。近几年来，我国也在不断的向国际接轨，碳化技术进入国内市场。2009年1月11日，中国通用技术咨询顾问有限公司，日本巴工业株式会社，湖北搏实城乡环境能源工程有限公司协办的“关于中日污泥碳化技术研讨会”在湖北省武汉市洪广大酒店成功举办。会上，中国准备引进日本先进的碳化技术并经消化吸收优化，用于武汉污泥处置项目上。同时，哈尔滨凝智科技有限公司也推出了污泥干燥碳化设备。
然而，污泥含水量大、干燥碳化成本高，污泥资源化依然面临巨大问题。因此，如何实现污泥生物组分的高效破壁降低污泥含水量，并实现污泥资源的高效综合利用，对于解决我国乃至世界水处理问题具有重大意义。
技术实现要素：
针对现有技术中各种处理污泥破壁及资源化方法存在成本高、效率低等缺陷，本发明的目的是在于提供一种能快速、高效，低成本实现污泥生物体细胞破壁，并从污泥中提取有机质和碳化颗粒物实现污泥资源化的方法，该方法过程简单、操作方便，满足工业化生产要求。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种污泥资源化处理的方法，该方法是将污泥采用生物酶处理后，与磁性介质混合，转入污泥细胞破壁装置内进行破壁处理；破壁处理所得污泥通过磁选回收磁性介质后，进行固液分离；固液分离所得溶液组分经过浓缩、醇沉、干燥，得到有机质组分；固液分离所得固体组分经过炭化，得到碳化颗粒。
优选的方案，采用生物酶处理污泥的过程为：在污泥中按加入100～500g/t比例加入生物酶，在搅拌速率为300～500r/min、温度为15～30℃、pH为5～8的条件下反应1～3h。
较优选的方案，所述生物酶由α-葡聚糖酶、β-葡聚糖酶、果胶酶、蛋白酶、甘露糖酶、蜗牛酶按质量比例10:8～12:1～3:0.5～1.5:0.5～1.5:0.5～1.5组成。生物酶可以促进细胞壁组分分解，例如纤维素等。
优选的方案，所述磁性介质在污泥中的加入量为1～5kg/t。
优选的方案，所述磁性介质的粒度小于37μm。
较优选的方案，所述磁性介质包括磁铁矿、磁赤铁矿、磁黄铁矿、稀土磁性材料中至少一种。
优选的方案，所述污泥细胞破壁装置包括射流给料系统、矿浆高压循环空化系统、高强度磁性介质粉磨系统和冷却系统；所述高强度磁性介质粉磨系统包括磁性搅拌筒和搅拌器，搅拌器设置在磁性搅拌筒内中心部位，磁性搅拌筒内填充有研磨介质；所述磁性搅拌筒上部设有出料口，下部设有进料口和循环浆料入口；所述射流给料系统包括入料管道，入料管道上设有文丘里管和给浆泵，入料管道一端与所述进料口连接；所述矿浆高压循环空化系统包括循环管道，循环管道上设有文丘里管和循环泵，循环管道一端与循环浆料入口连接，另一端从磁性搅拌筒顶部伸入磁性搅拌筒内的上部；所述磁性搅拌筒外部设有冷却系统。
较优选的方案，所述磁性搅拌筒内壁设有磁性衬板。磁性衬板的设置主要作用是在于保护磁性搅拌筒，磁性衬板的表面可以吸附一部分强磁性颗粒，形成一层保护层，减少粉磨过程中对磁性搅拌筒的冲击和磨损。
较优选的方案，所述磁性衬板的磁场强度为500～800GS。
较优选的方案，所述搅拌器包括搅拌柱，搅拌柱上设有若干组交叉排布的搅拌棒；所述搅拌柱一端延伸至磁性搅拌筒顶部外与传动系统连接。通过设置多组搅拌棒能使研磨介质和超细磁性助磨介质充分发挥其对污泥的研磨作用，促进微生物体快速、高效破壁。
较优选的方案，所述研磨介质在磁性搅拌筒内的填充率为30～60％；所述研磨介质包括球径为Φ120mm、Φ100mm、Φ80mm、Φ60mm和Φ40mm的钢球和/或陶瓷球，其中，球径为Φ120mm和Φ100mm的钢球和/或陶瓷球数量比例为30％～40％、球径为Φ80mm的钢球和/或陶瓷球数量比例为30％～40％、球径为Φ60mm和Φ40mm的钢球和/或陶瓷球数量比例为20～40％。
较优选的方案，所述冷却系统包括夹层式循环水冷却套，夹层式循环水冷却套包裹在磁性搅拌筒外部。
较优选的方案，所述夹层式循环水冷却套下部设有冷却水入口，上部设有冷却水出口。
较优选的方案，所述文丘里管最细处最大压强不低于30MPa，且最细处与最粗处比例不大于1:50；所述文丘里管最细处设有空气入口。通过在循环管道及入料管道上设置文丘里管，一方面产生超强压强，在瞬间增压、释压过程中会造成细胞的膨胀破裂，另一方面吸气作用会在释压过程中形成气泡空化作用，对细胞壁起到炸裂作用，同时形成的微细粒气泡在析出、变大过程中会通过拉伸作用促进团聚颗粒分散。
优选的方案，破壁处理过程中，搅拌器的搅拌速率大于5000r/min，破壁时间为5～15min。
本发明的技术方案中，在污泥中添加了磁性介质，磁性介质作用体现在两方面，一方面，磁性介质吸附在颗粒物上形成磁性颗粒，磁性颗粒物吸附在磁性衬板表面，起到对磁性搅拌筒内起到保护作用，另一方面，超细磁性助磨介质对颗粒物起到挤压、摩擦或剪切作用，促进污泥生物体细胞壁破壁，同时磁性介质可以通过磁分离技术循环利用，使用方便。
本发明利用污泥细胞破壁装置用于污泥细胞破壁的具体过程为，将污泥原料通过射流给料系统输入污泥生物体细胞破壁装置的磁性搅拌筒内，开启传动系统使搅拌器搅拌，污泥在研磨介质和磁性介质作用下进行粉磨，使污泥生物体细胞破壁，同时开启矿浆高压循环空化系统使污泥浆料在磁性搅拌筒内外循环，以及开启冷却系统维持磁性搅拌筒内温度恒定，直至污泥生物体细胞破壁完成。
本发明的技术方案中的污泥原料为活性污泥。如市政污水及工业污水等经过生化处理得到的污泥。这些污泥包含大量的微生物体。其含水率一般在65～85％。
本发明的技术方案中污泥中的磁性介质可以通过磁选机进行回收，磁选机采用的磁场强度为800～1500GS。
本发明从污泥原料中得到的有机质组分包括多糖和蛋白质等。
本发明通过过滤系统或离心系统进行固液分离。
本发明的有机质组分作为含铁矿物和/或含钙矿物的抑制剂，改变其表面润湿性，实现有用组分与脉石矿物的高效分离。
本发明的固体组分含水量低于40％，为毫米级颗粒。将其加入到炭化炉中，隔绝空气，加温到700～800℃，碳化30～60分钟，进而得到具有特定性能的碳化颗粒，可以作为吸附材料或者燃料。
本发明的碳化颗粒粒径为1～10mm，固定碳质量百分比含量占25％～40％，灰分质量百分比含量占50％～70％。
本发明还提供了所述方法制备的有机质组分在矿物浮选中的应用，将其作为含铁矿物和/或含钙矿物的表面活性剂应用于矿物浮选。
优选的方案，所述有机组分相对矿物的添加量为200～500g/t。
优选的方案，所述含铁矿包括磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、黑钨矿、石榴石中至少一种。
优选的方案，含钙矿物包括方解石、萤石、白云石、磷灰石、白钨矿中至少一种。
本发明的污泥生物体细胞破壁装置关键部分为：高速搅拌粉磨系统和高压射流循环系统，二者互补、相辅相成。高速搅拌粉磨系统原理：采用搅拌式碎磨，输入功率直接高速推动研磨介质来达到磨细物料的目的。磁性搅拌筒内置搅拌器，搅拌器上设置特殊结构的搅拌棒，搅拌棒在高速回转过程中使研磨介质和物料在整个筒体内不规则的翻滚，产生不规则运动，使研磨介质之间产生相互撞击和研磨的双重作用，致使物料磨得很细并得到均匀分散的良好效果。磁性衬板的主要作用在于保护设备内壁衬板，磁性衬板在表面可以吸附一部分强磁性颗粒，形成一层保护层，减少粉磨过程中对衬板的冲击和磨损。磁性介质作用体现在两方面，一反面部分磁性颗粒吸附在磁性衬板表面保护衬板，另一方面作为超细介质挤压、摩擦或剪切细胞壁，同时磁性介质可以通过磁分离技术循环利用。高压射流循环系统：采用文丘里管原理，一方面使得碎磨体系中的浆液通过循环方式提高碎磨均匀性和效率；一方面产生超强压强，在瞬间增压、释压过程中会造成细胞的膨胀破裂，另一方面吸气作用会在释压过程中形成气泡空化作用，对细胞壁起到炸裂作用，同时形成的微细粒气泡在析出、变大过程中会通过拉伸作用促进团聚颗粒分散。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：
本发明的技术方案利用生物酶对污泥生物细胞壁进行预处理，破坏或削弱大部分细胞壁结构，在此基础上采用污泥细胞破壁装置进行深度破壁，释放细胞有机质，再通过固液分离技术进行有机质和固体颗粒回收，有机组分作为矿物浮选表面改性剂，固体组分经干化造粒作为燃料使用，实现了污泥的资源化利用。
本发明的技术方案能快速、高效，低成本实现污泥生物体细胞破壁，从污泥中提取有机质作为矿物浮选表面活性剂并实现污泥组分的碳化，过程简单、操作方便，满足工业化生产。
本发明的技术方案中采用了污泥细胞破壁装置，其根据Maurice模型、高压均质原理、水力空化原理、气泡拉伸分散原理及静态旋流原理等设计而成，充分利用射流给料系统及矿浆高压循环空化系统在射流过程中产生的高压空化力，利用高强度磁性介质粉磨系统粉磨过程中的冲击及剪切力对细胞壁进行深度破坏，同时通过气泡拉伸作用防止颗粒团聚以及超细磁性介质强化破壁效率，实现污泥为微生物组分的快速、高效破壁，释放细胞液和细胞壁组分，细胞破壁率大于95％。
附图说明
【图1】为本发明的污泥生物体细胞破壁装置简图；
其中，1为传动系统，2为搅拌柱，3为搅拌棒，4为研磨介质，5为磁性介质，6为磁性衬板，7为夹层式循环水冷却套，8为给浆泵，9为空气入口，10为出料口，11为循环泵，12为空气入口，13为进料口，14为冷却水入口，15为循环浆料入口，16为循环管道，17为入料管道，18为文丘里管，19为冷却水出口。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明的保护范围。
以下实施例中采用的污泥生物体细胞破壁装置简图如图1所示。污泥生物体细胞破壁装置主体包括射流给料系统、矿浆高压循环空化系统、高强度磁性介质粉磨系统和冷却系统。高强度磁性介质粉磨系统主要包括磁性搅拌筒和搅拌器，磁性搅拌筒的内壁设有磁性衬板6，磁性衬板的磁场强度为500～800GS。搅拌器设置在磁性搅拌筒内中心部位，搅拌器包括搅拌柱2和三组搅拌棒3，每组搅拌棒由两根搅拌棒按一定角度(最好是相互垂直)交叉排布，搅拌柱的一端延伸至磁性搅拌筒外部与外部的传动系统1连接。磁性搅拌筒内填充有研磨介质4和磁性介质5(磁性介质可以与污泥一起加入)，研磨介质一般为钢球，其在磁性搅拌筒内的填充量为30～60％，球径为Φ120mm和Φ100mm的钢球数量比例为35％、球径为Φ80mm的钢球数量比例为35％、球径为Φ60mm和Φ40mm的钢球数量比例为30％。超细磁性助磨介质为粒径小于37μm的磁性颗粒材料，如磁铁矿、磁赤铁矿、磁黄铁矿、稀土磁性材料等，其添加量根据污泥的量来确定。所述磁性搅拌筒上部设有出料口10，下部设有进料口13和循环浆料入口15。所述射流给料系统包括入料管道17，入料管道上设有文丘里管18和给浆泵8，入料管道一端与所述进料口连接，文丘里管相设置在浆泵与进料口之间。所述矿浆高压循环空化系统包括循环管道16，循环管道上设有文丘里管和循环泵11，循环管道一端与循环浆料入口连接，另一端从磁性搅拌筒顶部伸入磁性搅拌筒内的上部，文丘里管设置在循环泵与循环浆料入口之间，文丘里管最细处最大压强不低于30MPa，且最细处与最粗处比例不大于1:50；所述文丘里管最细处设有空气入口9。所述磁性搅拌筒外部设有冷却系统，冷却系统包括夹层式循环水冷却套7，夹层式循环水冷却套包裹在磁性搅拌筒外部。所述夹层式循环水冷却套下部设有冷却水入口14，上部设有冷却水出口19。
实施例1
利用本工艺方法处理市政污水处理厂市政污泥，其含水量约81％。向污泥中加入复合酶200g/t(复合酶由α-葡聚糖酶、β-葡聚糖酶、果胶酶、蛋白酶、甘露糖酶和蜗牛酶按质量比例10:10:2:1:1:1组成)，用氢氧化钠调节pH为7.5，维持温度20-25℃，以500r/min速度搅拌2h，进行污泥生物细胞壁预处理；然后向污泥中加入细度为小于37μm的磁性介质(磁铁矿)1000g/t，转入钢球填充率为50％的搅拌式高速粉磨机中进行高速(转速约为6000r/min)粉磨10min，进行深度破壁；破壁完成后用磁场强度为800GS的磁选机回收磁性介质并回用，污泥经离心机离心进行固液分离，上层清液经过浓缩、醇沉和干燥处理后得多糖和蛋白质有机物质；固体组分进入温度为800℃的碳化炉60min，获得碳化颗粒粒度1-10mm，固定碳含量40％，灰分含量60％，可作为吸附剂和燃料。
有机组分用作柿竹园萤石浮选抑制剂，柿竹园萤石矿原矿CaF2含量21％，方解石含量6.8％，石榴子石含量34％。萤石浮选过程中污泥有机质作为方解石和石榴子石抑制剂，粗选用量为500g/t，精一至精九用量分别为100、100、50、50、50、30、30、20、10g/t,获得CaF2品位大于93％的萤石精矿，方解石含量小于1％。
表1柿竹园萤石浮选试验结果
实施例2
利用本工艺方法处理工业园区污水处理厂活性污泥，其含水量约72％。向污泥中加入复合酶300g/t(复合酶由α-葡聚糖酶、β-葡聚糖酶、果胶酶、蛋白酶、甘露糖酶和蜗牛酶按质量比例10:12:1:1.5:0.8:0.8组成)，用氢氧化钠调节pH为7.8，维持温度20-25℃，以300r/min速度搅拌1h，进行污泥生物细胞壁预处理；然后向污泥中加入细度为小于37μm的磁性介质(磁黄铁矿)1000g/t，转入钢球填充率为30％的搅拌式高速粉磨机中进行高速(转速约为6000r/min)粉磨15min，进行深度破壁；破壁完成后用磁场强度为500GS的磁选机回收磁性介质并回用，污泥经板框压滤机进行固液分离，上层清液经过浓缩、醇沉和干燥处理后得多糖和蛋白质有机物质；固体组分进入温度为700℃的碳化炉50min，获得碳化颗粒粒度5-10mm，固定碳含量35％，灰分含量65％，可作为燃料。
有机组分用作为铁矿反浮选抑制剂，马鞍山铁矿原矿TFe含量55％，石英含量11.8％，。采用反浮选脱硅技术，十二胺作为萤石捕收剂，污泥有机质作为含铁组分抑制剂，粗选用量为300g/t，经一粗一精两扫流程获得TFe品位大于65％，回收率91％的高品质铁精矿。