化学生物复合方法净化来自城市污水的污泥的制作方法

专利名称：化学生物复合方法净化来自城市污水的污泥的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于净化污水污泥的方法，例如来自于市政污水的污泥。该技术可以使污泥中有毒金属的含量显著降低，在这一过程中，保存了其营养性，破坏了含在其中的致病菌并且显著地减少处理期间和之后气味的产生。可以通过本发明方法处理的来自于废水的污泥包括初级和二级污泥、好氧或厌氧消化污泥、来自于池塘或厌氧菌处理槽的污泥。
背景技术：
每年全世界来自于生活水处理的污水污泥的产量以干重计估计接近5000万公吨。这些污泥的处理最常用的去除方法有焚烧、卫生填埋和农业散布。使用这些传统去除方法对污泥进行处理和处置的成本在每公吨250-725加元之间波动。据此推算，每年世界污水污泥处理市场估计在大约150亿美元。
焚烧和填埋是污泥处理的常规方法。然而，需要处置的污泥量的增加和堆放地的缺乏以及社会对这些处理方法日益增长的反对使得人们日益支持采用合理化利用的方法，特别是用作农业或森林肥料。污泥的农业化利用作为一种政府部门优选的选择方案在全世界得到越来越多的实践应用。在美国，1976年使用该方法处置26％的市政污泥。1990年，超过33％的污泥总量采用该方法进行了处置。在欧洲通常大约37％的污泥应用于农业。在英国，超过51％污泥被应用于这一目的，同时在日本则接近40％。在加拿大，估计29％的市政污泥总量应用在农业土壤上。
然而，污泥中的致病微生物和高浓度有毒金属的存在，是严重限制上述应用的一大障碍。众所周知，污泥处理的常规方法例如好氧或厌氧稳定在去除有毒金属方面是无效的，但是在破坏致病微生物方面不是非常有效。在北美洲和欧洲，超过50％按照常规消化方法由市政水处理厂产生的污泥含有的重金属浓度超过农业散播的推荐标准，因此使它们有潜在的毒性。众所周知，铜、镍和锌对植物是毒性的并且土壤中这些金属的高浓度可能大大地影响作物产量。由于污水污泥散播的结果，植物中金属聚集显示为锑、砷、镉、铬、铜、铁、汞、钼、镍、硒和锌。金属也可以通过粘结在植物表面而进入食物链中，上述粘结产生于污水污泥在土壤上的应用。
可以证明，植物可食用部分中重金属的存在对人和动物的健康是一种危险。例如，镉是一种特别可怕的元素，这是因为它出现植物毒性症状时的浓度比出现动物毒性症状的浓度高接近10倍。在人和动物中，镉的过量吸收会导致其在肾脏和肝脏中聚集，因此引起组织和功能性破坏。镉的生物效应也包括干扰基本酶系统，例如通过封闭硫氢基干扰氧化性磷酸化酶，以及干扰核酸的合成。人们也认为镉具有心动毒性。铅是一种动物毒性比植物毒性危险更高的另一种元素。虽然该元素在食物链中聚集危险低，但是对饲养在被铅高度污染的污泥补充的土壤上的牛的毒性效应已有报道。人的各种代谢紊乱和神经心理缺陷与处于低铅含量的环境有关，例如对红细胞新陈代谢的破坏效应；肝细胞、骨细胞和脑细胞中钙内稳态的微扰；以及神经性破坏。各种研究也证明了铅对人类动脉高血压的有害影响。
一般的说，有毒金属例如Al、As、Sb、Be、Bi、Cd、Hg、Cr、Co、Mn、Ni、Pb、Ti、V、Se和Zn通过作为合成DNA或RNA的抑制剂或甚至作为基因突变剂可以破坏人类生殖或成为某种癌症的引发剂或促进剂。在过去的几年里，已经出版了许多与含有重金属污泥应用在农业土壤中有关的危险的研究结果。
现在减少污泥中毒性金属浓度的关心是一个众所周知的事实。为此，有两种类型的方法可以考虑，或者在废水处理过程中去除和/或在工业废水源头控制。过去的几年里，考证了各种提取金属的技术，但是直到现在，没有一种方法能在经济水平上与传统污泥处置技术竞争。至于源头减少方法，虽然理想，但是该方法不但成本高而且产生不确定的结果，这是由于将引起污泥中毒性金属聚集的污染扩散源划分出来是很困难的。事实上，几项研究已经表明污泥中大部分金属来自于居民和城市地表水。
1975年以来，已经试验了几种用于污泥中重金属的去除技术，但是，迄今为止，没有一种经济有效的方法实现了工业应用。有关金属化学溶解的研究进行了许多尝试，例如氯化、离子交换、螯合剂的使用例如乙二胺四乙酸(EDTA)和氨三乙酸(NTA)、和伴随盐酸酸化的嗜热自热好氧消化(TSAD)。操作成本高、某些操作较为困难和有时金属沥滤产率不令人满意等都阻碍了这些技术的使用。
向污泥中加入不同的有机酸(CH3COOH)和无机酸(H2SO4，HCl，HNO3)是各种研究者最常考虑的一种技术。然而，利用有机酸只能少量溶解金属，同时其成本也高得难以接受。
尽管污泥已得到相当程度的酸化(即pH值达到1.5)，但是单独使用无机酸不能够对铜和铅产生有效的溶解。污泥中金属的溶解性主要受pH值的影响，但是也受其它因素的影响，这些因素也都是重要的并且必须予以考虑，例如媒介的氧化还原电势、金属和配体的浓度(例如阴离子和无电荷分子的浓度)，和组分之间的化学平衡。污泥中铜和铅的溶解要求氧化还原电位有显著的增大，这一点在污泥曝气过程中不能快速地通过化学氧化获得。溶解这些金属需要大量的酸，使得这些技术在经济上并没有特别的吸引力。
有人也对酸和强氧化剂的结合使用进行了考证。几个研究者建议在pH值在1.0-1.5下使用盐酸和过氧化氢，这样会获得比只加入一种酸更高的金属溶解产率。然而，由于需要将pH降低到这样一个值导致酸用量非常大，因此该技术运行成本高，这甚至还没有考虑污泥中的肥料和营养组分被降解或溶解。
US 5,051,191描述的方法包括将污泥非常显著的酸化(pH1.0-2.0)，这一酸化过程通过加入硫酸或盐酸并伴随加入一种浓度在0.5-3.0gFe3+/L铁盐(硫酸盐或氯化物)形式的氧化剂和下述一种将氧化剂再生的试剂完成，例如过氧化氢、次氯酸钠或钙、压缩空气、氧气、臭氧、二氧化硫、氯或氯化的化合物。用该技术处理10-30分钟将足以溶解重金属。净化线也包括使用阳离子或阴离子聚合物絮凝调制污泥，然后真空下使用鼓式过滤机对污泥进行脱水，并且冲洗净化后的污泥。
即使该技术使污泥的净化率很好，但是需要加入大量的酸和氧化剂以及再生剂，导致运行成本高，这很大程度上限制了该技术的市场推广。例如，将污泥酸化到pH1.5要求比酸化到pH2.5大约要多消耗90％的硫酸。酸消耗的增加使得酸的成本几乎成倍增加，因此降低了该方法的吸引力。此外，还额外需要在真空下于鼓式过滤机上进行的脱水过程中污泥的冲洗，这也会增加污泥处理的成本。
也应该考虑到污泥的酸化还会导致污泥中营养元素(氮和磷)的过多溶解，在沥滤污泥脱水后的最终流体中，这一点是不可避免的。这种现象也显著降低了按这种方法净化的污泥的农用价值。例如，对污水污泥的物理化学处理对比测试显示，污泥酸化到pH值1.5会导致总磷的44％损失，然而在同样的试验条件下，但是pH为2.5并且使用相同的污泥时，磷的损失却只有6％。
US5,051,191方法的另一个缺点是，充分絮凝低于2.0的pH下沥滤的污泥非常困难。在这样的酸化条件下，使用有机聚合物调制得到的絮凝体小且易碎。按照这种方法絮凝的污泥的脱水时，使用污泥脱水的标准设备(压力带式过滤机、旋转盘式过滤机、离心过滤机)非常困难。事实上，该专利建议使用真空鼓式过滤机进行污泥脱水。目前，市政污水的污泥脱水已不再使用这种类型的设备。真空鼓式过滤机上进行的污泥脱水过程中，污泥的冲洗技术看起来难以适应污泥的脱水，这也导致污泥处理成本的额外增加。
还有人尝试了通过离心分离金属。两个连续的离心步骤使金属以沉淀的形式进行浓缩。沉淀中金属的浓度对镉、镍、铬、铜和锌为60-73％，但是该方法不能提取铅。从固体回收和利用的角度讲，该技术也存在问题，因为金属含量降低的那部分污泥只占总污泥量的23％。
还有人尝试了使用磁方法和离子交换方法提取金属。污泥中的金属被离子交换树脂捕获，然后在酸性介质下再生。使用这种方法，对于人工污染污泥中的金属的去除率对铜是57％，对锌是66％，对镉是86％。然而，该方法的经济可行性没有显示工业规模的应用。
已经开发了一种用于净化土壤的包括金属溶解然后在固体载体上螯合的新化学方法(见Mourato D.和D.D.Lang(1994)The Torontoharbour commissioners soil recycling demons tra tion project，summary of operations and test results.Final report.TheToronto harbour commissioners and Zenon Environmental inc.，第46页)。该报道的作者宣称能够净化已消化的污泥。这篇报道的细节部分并没有评估该方法用于净化污泥时的技术和经济可行性。另一方面，由于只能用于处理经消化的污泥，从而降低了其可应用性并且某种程度上也增加了污泥处理的总成本，使得该方法的经济性吸引力更低。
污泥处理方法中，为降低pH值所必需的有机酸或大量无机酸的使用导致与化学品有关的运行成本显著增加。因此，成本高，缺乏用于污泥处理站的设备，有毒金属的去除不充分和肥料价值的损失是直到目前为止这些方法所提供的污泥净化技术的市场化的主要障碍。
考虑到利用化学方法去除市政污泥中的金属遇到的各种技术和经济限制，人们就有了开发生物去除方法的兴趣。在最近几年里，已经进行了一些生物沥滤(bioleaching)研究。
由Institut National de la Recherche Scientifique开发的技术包括使用硫酸亚铁进行重金属生物沥滤的方法。该方法被用于净化事先经过好氧或厌氧消化的微生物稳定过程的污泥。取决于运行模式和要处理的特定污泥，生物反应器中的反应时间为1-2天。必须加入作为一种能源基质的硫酸亚铁。这样产生的酸化条件和亚铁离子氧化为铁离子过程中，介质中氧化条件的增加使污泥中的有毒金属进行了显著溶解。
上述生物方法保留了化学方法中固有的有利部分，因此降低了化学品带来的相当可观的成本。然而，与化学方法(0.02-0.25天)相比，处理时间仍然长(1.5-2天)，这导致了最初投资的增加，例如生物反应器的采购和运行成本，特别是电耗方面。
因此，需要开发一种结合了化学和生物沥滤方法的优点的方法，该方法成本低，处理时间相当短并且无需采购进行该方法的昂贵设备。
发明概述本发明涉及一种用于净化含有重金属和致病微生物的污泥的化学和生物复合方法，包括如下步骤-将污泥与一种酸性沥滤液混合以酸化污泥到足够低的pH值以溶解大部分的重金属并破坏大部分的致病微生物，但pH值又要足够高以使肥料元素的溶解最小化；-保持高于+400mV的氧化还原电位；-进行固-液分离以产生含有净化酸污泥的固体部分和含有在沥滤液中溶解的重金属的液体部分；-中和污泥；并-回收中和的净化污泥，其中肥料元素例如碳、氮和磷的含量与最初的污染污泥相比基本不变。
优选污泥酸化到pH值2-3并且保持氧化还原电位高于+400mV。该方法可以使用批量、半连续和连续方法进行。
在一个特别优选的实施方式中，沥滤液含有无机酸例如硫酸、盐酸和它们的混合物以及一种氧化剂。该沥滤液也可以含有一种该氧化剂的前体以便就地生成氧化剂。例如，存在于污泥的菌落中的硫酸亚铁转化为作为氧化剂的硫酸铁。生物氧化通过培养存在于污泥的本地生物群(biomass)中的产硫酸杆菌铁氧化剂(Thiobacillusferroxidans)的培养物或向混合物中添加收集菌株(collectionstrain)来进行。
附图的简要说明


图1描述了本发明一个实施方式的净化路线，其中沥滤液被直接加入到污泥中。
图2描述了本发明第二个实施方式的净化路线，其中沥滤硫酸铁溶液在外部产生，然后添加硫酸和氧化剂；和图3描述了本发明第三个实施方式的净化路线，其中硫酸铁的产生直接发生在加入氧化剂之后的污泥内。
本发明的详细描述与现用方法相比，本发明的方法是一个重要突破，因为它结合了生物方法和化学方法的优点，生物方法的优点是，例如，化学品成本低；化学品方法的优点是，例如，由于处理时间短带来的低投资，反应稳定，加入者的更好控制，耐操作条件例如温度、腐蚀性化学品的存在、离子强度等的变化。而且，该方法完全可以有利地与现在的污泥处理路线竞争，现在的污泥处理路线只能产生污泥的相对微生物稳定，不能去除有毒金属。如下的事实甚至是更有利的，包括该方法可以保存由于碳、氮和磷存在带来的肥效，并且可以使它们几乎保持完整，同时破坏致病有机体，并且显著减少污泥处理和处置期间的讨厌气味的产生。最后，考虑到固/液分离过程中产生絮体的方法，可以使用常规脱水设备以及反应器中停留时间短，将水处理厂中实际运行的任何污泥处理线便宜地稍做改造即可应用，因此使它的实施和运行简单、便宜并且快速。该方法也可以应用到任何类型的城市或工业污泥中。
污泥的净化和稳定金属的沥滤可以通过三种各不相同的变化形式来完成。
在
图1中描述的第一个变化形式中，沥滤是直接将沥滤液加入到污泥中完成的，该沥滤液含有一种无机酸，优选硫酸或盐酸，和至少一种氧化剂，优选氯化铁、硫酸铁、过氧化氢、臭氧、高锰酸钾等。污泥必需通过加入酸使pH值优选保持在2.0-3.0，但是不能低于2，因为这会导致污泥中肥料元素不受欢迎地溶解或降解。加入氧化剂是为了使污泥的氧化还原电位(ORP)保持高于400V。氧化剂一方面通过增加氧化条件加速金属的溶解，另一方面显著地减少营养物或肥料元素例如磷和氮的溶解。酸和氧化剂的同时加入也显著减少从污泥中散发的气味，同时导致致病有机体(细菌指示物)的破坏。优选0.5-6小时的流体停留时间来溶解金属和稳定生物群。
图2描述的第二个变化形式中，氧化剂是硫酸铁，污泥中金属的溶解是通过加入含有该氧化剂和酸的沥滤液进行的，沥滤液在生物反应器中通过亚铁生物氧化为铁产生。该沥滤液也在适合溶解有毒金属的条件下降低污泥的pH值并增加氧化还原电位。硫酸和另一种氧化剂例如过氧化氢可以与生物反应器中产生的沥滤液一起直接加入到污泥中以调整金属的溶解条件并且帮助减少气味的产生。此外，污泥的pH值优选保持在2.0-3.0，但是任何时候不低于2.0，同时氧化还原电位优选保持高于400mV。该过程中流体停留时间优选0.5-6小时。
最后，图3描述的第三个变化形式中，溶解金属的步骤也可以通过直接在污泥中产生氧化剂(此时为硫酸铁)来完成。在这种情况下，铁(FeSO4，7H2O)的氧化通过土著菌落进行，菌落例如产硫酸杆菌铁氧化剂能够将亚铁离子氧化为铁离子。优选与上述两个其它变化形式中相同的pH条件。根据操作模式和要处理的特定污泥，在生物反应器中反应时间为1-2天。为了减少污泥在生物反应器中的停留时间和促进系统的稳定，可以通过向污泥中直接加入产硫酸杆菌铁氧化剂的培养物或其它可以氧化亚铁离子的微生物加速铁的氧化。调整污泥的流体停留时间以使污泥的ORP保持高于400mV。对应半连续或连续操作，可以在后续步骤中加入氧化剂例如过氧化氢或甚至一种硝酸盐，其浓度应足够减少毗邻反应器的残余气味。在批量方法中，可以在处理阶段的末期向生物反应器中加入过氧化物。
上述金属溶解步骤的不同变化形式可以以批量、半连续或连续的操作模式进行。虽然也可以采用其它反应器类型，但用于该过程的反应器优选是带有机械或曝气搅拌的罐。污泥固含量30-40g/L代表了该技术的最佳操作范围。然而，任何本领域技术人员都能根据处理站设备的处理能力适应所说的含量。
沥滤液的生产上面提及的沥滤液优选由一种在强酸介质下即pH值在1.0-2.5的硫酸铁浓溶液组成。该溶液通过硫酸亚铁的生物氧化产生并且可以在搅拌和曝气罐式反应器中以批量方法，半连续和连续的模式进行。为了增加硫酸亚铁氧化的动力学可以使用其它类型的反应器，即带有固定槽的生物反应器，例如具有PVC载体的旋转生物盘，或具有聚氨酯泡沫载体的渗滤柱，离子交换树脂，玻璃珠或活性炭颗粒。
调整反应的pH值以使亚铁的氧化具有足够的动力学并且避免生成的三价铁沉淀。虽然pH在1.0-2.5之间可以产生三价铁，但为了减少反应器中铁的显著沉淀或甚至消除它优选将pH值保持在1.8以下。在反应器中保持的pH值也可以调整以便得到的沥滤液本身足够降低污泥的pH值到所需的水平，即高于2.0并且优选在2.0-3.0之间，而不需额外的硫酸或任何其它上面提及的酸。
为了降低污泥中添加的沥滤液到最低值并由此使将铁氧化所需要的生物反应器大小降低到最小值，基质浓度即硫酸亚铁浓度应当尽可能地高。对于生产该沥滤液的步骤基质含量优选为10-30gFe2+/L。
也建议这样运行铁氧化生物反应器，即将流体停留时间优选为12-36小时。在使用具有固定槽反应器的情况下，更短的停留时间即6-18小时通常足够了。流体停留时间(HRT)和使用的基质浓度是确定生物反应器大小的两个重要的参数。例如，考虑一个容积为25m3用于从污泥中沥滤金属的容器，该容器每天可以处理10吨干重的污泥(固含量30kg/m3，HRT为1.5小时，安全系数20％)，这样铁氧化生物反应器的容积为24m3，流体停留时间24小时(铁氧化率90％，基质浓度15gFe2+/L，最终污泥处理容器中铁的浓度0.8g/L，安全系数20％)。
将铁氧化生物反应器保持室温。优选调整生物反应器的曝气率至保持溶解氧浓度高于1mg/L。氧化亚铁离子的细菌的培养基可以从污泥的土著生物质或先前加到混合物中的收集菌株制备。
对应产硫酸杆菌铁氧化剂的繁殖，不需要提供营养组分，因为污泥含有所有用于该目的的营养成分。用于操作铁氧化生物反应器的最终脱水过滤物的比例应为5-10％。
污泥的调制和脱水在反应器中的污泥处理以后，污泥通过加入工业絮凝剂例如阳离子或阴离子聚合物进行调制。这些絮凝剂已为本领域技术人员熟知。然而，絮凝助剂的添加在某些情况下会相当大地改善污泥絮凝的品质。在这些条件下经成功测试的优选的絮凝剂的实例是粘土、膨润土或氰亚铁酸盐例如氰亚铁酸钠或钾。
然后污泥在旋转盘式过滤机上脱水。其它机械脱水方法例如压力带式过滤机、离心或旋转压滤机也可以使用。
最后，脱水后的污泥通过加入碱例如生石灰(CaO)、熟石灰(Ca(OH)2)、农业石灰(CaCO3)或白云石石灰(CaO-MgO的混合物)中和到接近中性(pH接近7)或者为了某些具体应用而中和到更高的pH值，然后使用卡车运输到散播地区。在被利用前，也可以将净化的污泥补充干燥和颗粒化，堆肥化处理或涉及将化学品或有机肥料通过聚结添加到污泥中来调制和聚集，作为特定肥料化应用，或是在农业、林业、园艺业，在温室内或无温室的地方，用于蔬菜或水果，土壤的恢复，或草地的平整和维护。净化的污泥使用前也可以与其它有机物例如泥煤、堆肥、粪便等混合。
沥滤液的中和和金属的回收含金属的酸性沥滤液通过加入下述碱性化合物的溶液中和到碱性优选pH值7-10，所述碱性化合物为，例如，饱和石灰水、氢氧化钠、碳酸钙、碳酸氢钠、氢氧化铵和氢氧化镁。也可以使用碱的混合物以及某种沉淀剂，例如三氢硫基-s-三嗪(trimercapto-s-triazine)。接着沥滤液进行沉淀直到得到金属性的污泥。在某种情况下任意加入一种聚电解质可以增加金属沉淀的产率。后者的残渣先在板筐过滤机上脱水，然后在运到危险物放置地之前在空气中或在干燥器中干化处理。也可以使用其它机械脱水方法，包括压力带式过滤机、离心过滤机和旋转压滤机。
以几个步骤来进行金属沉淀也是可能的以便产生归为非危险物的一种或几种残余物和归为危险物的一种或几种残余物。按照为本领域技术人员熟知的程序通过中和沥滤液以几个步骤选择性地进行沉淀，这些沉淀步骤的每一步都跟随固-液分离。
而且，在某些情况下，更大的兴趣不是通过中和和沉淀回收金属，而是将酸性或部分中和的沥滤液循环到处理厂的生产或处理线中。
另一个可能性为通过离子交换树脂吸附来回收溶解性金属。已为本领域技术人员熟知的各种技术用于这一目的。
本发明的方法可以有效地去除重金属。结果，对铜和锌的去除率为70-90％之间，而对锰75-95％的去除率可容易地达到。其它的重金属例如镉和镍，当它们存在于污泥中时也被溶解。该方法在北美洲或欧洲的各种气候条件也可以充分地运行。
使用本方法对细菌和病毒指示物的破坏性能明显地优于常规的好氧和厌氧消化方法。而且，与粗污泥相比，本方法显著减少了所得污泥的令人不快气味的产生。
由本净化方法处理的污泥的化学表征显示，净化后的污泥的肥料性质可以与常规好氧方法消化的污泥相媲美。而且，本发明方法的净化产生铁和硫在污泥中的可观富集。使用本发明方法(使用硫酸铁做氧化剂)净化的污泥对大麦的温室研究表明，污泥保持好的肥效并且不产生任何环境或农艺学问题。事实上，这些研究表明这样净化的污泥的利用潜力将比大多数常规污泥更大。类似地，考虑到蔬菜中对硫的营养需要，净化后污泥的农业推广是特别令人感兴趣的。对于这一课题也应该注意到，全世界相当比例的农业土壤缺硫。
本发明的方法可以通过永久地与污水或污泥处理线整合在一起进行或者安装在移动平台上对污泥做偶尔处理。其它利用的方法可以在完整净化线中增加到污泥脱水段的下游，这些方法例如进一步的脱水，冷条件下或暴露于空气中热干化，通过加入钾、白云石或其它有机或无机肥料增肥，与其它生物群混合等。
提供如下的实施例来描述本发明的某种优选实施方式，并且不应视作限定本发明的范围。
实施例1使用氯化铁协助处理市政污水过程产生的物理-化学污泥来测试本发明的方法。以批量的形式进行了47次试验。通过沥滤步骤直接向污泥中加入硫酸作为氧化剂的和过氧化氢来处理143m3总平均固含量为29.3g/L的污泥。在这些测试期间pH值在2.0-2.6之间变化，同时氧化还原电位调整到400-500mV，沥滤时间在1-4小时之间变化。
结果表明，降低有毒金属在污泥中的含量以便达到将这些生物群利用的标准是可能的。对于所有测试中产生的污泥，每公斤脱水并净化的污泥中下述元素的平均含量如下Cd 5.83±2.93mg/kgCr 127±36mg/kgCu 273±56mg/kgNi 29.5±9.7mg/kgPb 98.6±20.4mg/kgZn 285±115mg/kg需要强调的是，因为金属的去除或溶解率通常比市政处理站的生化污泥更低，因此这样的物理化学污泥通常难以净化。以下给出了在净化污泥的脱水过滤物中测得的基于溶液中金属浓度的金属溶解率Al 45.9±7.8％ Cd 57.1±12.8％Cr 35.7±23.9％Cu 50.0±10.9％Fe 19.1±12.1％Ni 58.7±32.0％Zn 70.4±16.1％对铵(NH4)的测定显示，本发明的应用条件对处理中溶液的氨态氮的浓度几乎没有影响。事实上，在经过沥滤的污泥中可溶解的NH4的平均浓度比最初污泥中的NH4浓度更低，(147±74mg/L)对(268±125mg/L)。另一方面，污泥中总氮含量测试表明，经过沥滤和脱水的污泥含有的总氮(2.97±0.54％w/w)与未处理污泥(2.26±0.78w/w)相同。
本发明净化并脱水的污泥中对总磷的测试表明，该元素几乎完全保留在污泥中。因此对于所有的中试试验，最初污泥和净化污泥的平均值分别是1.63±0.27％(w/w)和1.72±0.27(w/w)。可溶性磷的测试也表明，根据本发明方法的污泥处理不会引起可溶性磷的损失。结果，在沥滤后污泥中测得的可溶性磷的平均浓度是15.1±7.2mg/L，而最初污泥中它仅为1.44±2.63mg/L。
溶解性有机碳(DOC)的测试进一步表明，处理过程中只有非常少的有机物质进入到溶液中。沥滤污泥中测得的DOC的平均浓度为981±336mg/L，而对未处理污泥它为1310±399mg/L。类似地，该方法的应用不引起污泥中总碳量的显著改变。因此，对未处理污泥的平均总碳含量为27.5±8.5％(w/w)，而对净化并脱水的污泥的平均含量为33.3±4.3％(w/w)。
用于定量该方法应用后气味减少的技术包括测量由污泥散发的气味的流量。气味的流量定义为每单位表面气味的流速。气味流样品的采集是借助流量室OdofluxTM完成的。气味室可以定量污泥表面产生的气味流量。因此，在同样的基础下精确并重复性地比较不同类型污泥的表面散发变得可能。将大约70升的污泥用作样品。污泥在一个直径为76厘米的塑料池中沉淀，污泥厚度10厘米。然后将流量室放置在污泥上并插入5厘米深。气味样品储存在TedlarTM袋中并送到实验室。为了获得气味测定，根据ASTM E679-91标准通过动态稀释到通过嗅觉可以察觉的阈值，将采集的样品进行分析。气味可以察觉的阈值定义为当嗅它时，测试小组中有50％的人可以嗅到气味或不可以嗅到气味时的纯空气稀释率。按照定义，气味察觉的阈值等于1o.u./m3。为了获得1o.u./m3，必要的气味混合物稀释值表示为每立方米空气的气味单元中“气味”的浓度(o.u./m3)。结果表明，与没有净化的污泥(＞97％)相比，脱水和净化污泥的气味被明显抑制。相似地，与从混合池中取出液态未处理污泥相比，对于液态经沥滤的污泥获得了高的气味去除率(＞93％)。
对沥滤后污泥的机械脱水的三种方法进行了测试，使用旋转盘式过滤机、旋转压滤机或离心过滤机。根据这些试验，污泥的调整是通过加入阳离子聚合物或阴离子聚合物(1-5kg/吨污泥，以干重计)进行的。在使用板筐压滤机进行脱水的试验中，获得的饼状污泥的总固体含量为18-31％，而悬浮物的平均捕获率为97±2％。使用旋转压滤机时，干固体为15-53％之间，而悬浮物的平均捕获率为93±2％。最后，使用离心脱水机可以获得干固体为20-31％，而悬浮物的平均捕获率为92±2％。
实施例2对来自于市政污水处理的生物污泥的处理测试本发明的净化和稳定方法。在这些研究中，总共4次测试按批量式操作完成。通过沥滤步骤直接向污泥中加入硫酸和作为氧化剂的氯化铁来处理16m3总平均固含量为20.5g/L的污泥中。在这些测试期间pH值在2.0-2.5之间变化，同时氧化还原电位调整到400-490mV，沥滤时间在1-4小时之间变化。
对于这些测试，以下给出了在净化污泥的脱水过滤物中，以基于溶液中金属浓度计测试的金属溶解率Cd 90.8±11.4％ Cr63.0±2.4％Ni 84.0±11.7％ Pb30.5±7.6％Zn 91.8±4.5％在上述沥滤条件下处理1小时后，测试在污泥中总大肠杆菌、粪便大肠杆菌和粪便链球菌浓度的降低。结果表明总大肠杆菌的平均减少4.90±0.93对数单位或99.9987％。至于粪便大肠杆菌则为4.80±0.88对数单位或99.9984％的减少。对于粪便链球菌为2.14±0.24对数单位的减少，等于99.28％。在大多数情况下，细菌指示剂的浓度低于监测阈值的10CFU/mL。
虽然本发明使用具体的实施方式帮助说明，但应理解在所述的实施方式中可以包括几种变化和改进，并且在总体上遵从本发明原则的基础上，本发明意欲覆盖这些改进、应用或适用，并且包括本发明描述的任何变种形式，这将在本发明领域内为人所知或变得通用并且在与下述权利要求范围一致的情况下可以应用上述基本要素。
权利要求
1.用于净化含有重金属和致病微生物的污泥的复合化学和生物方法，包括如下步骤a)将污泥与酸性沥滤液混合来酸化污泥到足够低的pH值以溶解大部分的重金属并破坏大部分的致病微生物，而不会溶解显著量的肥料元素；b)保持高于+400mV的氧化还原电位；c)进行固-液分离以产生含有净化的酸污泥的固体部分和含有溶解在沥滤液中的重金属的液体部分；d)中和污泥；并e)回收中和的净化污泥，其中肥料元素的含量与最初的污染污泥相比基本不变。
2.根据权利要求1的方法，其中污泥被酸化到pH值为2-3之间。
3.根据权利要求2的方法，其中沥滤液选自硫酸、盐酸和它们的混合物。
4.根据权利要求1的方法，其中沥滤液含有氧化剂或氧化剂的前体。
5.根据权利要求4的方法，其中氧化剂选自氯化铁、硫酸铁、过氧化氢、高锰酸钾和它们的混合物，氧化剂的前体选自氯化亚铁和硫酸亚铁。
6.根据权利要求4的方法，其中氧化还原电位通过向反应介质中加入或不加入与沥滤液中氧化剂相同或不同的第二氧化剂保持在+400mV。
7.根据权利要求6的方法，其中第二氧化剂选自氯化铁、硫酸铁、过氧化氢、臭氧、高锰酸钾和它们的混合物。
8.根据权利要求1的方法，其中在固-液分离前加入絮凝剂和任选加入的絮凝助剂。
9.根据权利要求1的方法，其中这些步骤可以以批量法、半连续法或连续法进行。
10.根据权利要求1的方法，其中中和是使用含有选自饱和石灰、氢氧化钠、碳酸钙、氢氧化铵、氢氧化镁溶液和它们的混合物进行的，然后进行倾析。
11.根据权利要求2的方法，其中沥滤液含有与硫酸结合使用的铁盐、亚铁盐或它们的混合物。
12.根据权利要求11的方法，其中铁盐是通过硫酸亚铁或氯化亚铁的生物氧化得到的硫酸盐或氯化物。
13.根据权利要求12的方法，其中生物氧化是借助从污泥的土著生物群或收集菌株得到的产硫酸杆菌铁氧化剂培养基进行的。
14.根据权利要求1的方法，其中沥滤液被直接加入到污泥中的酸和硫酸亚铁溶液取代，硫酸亚铁被土著细菌群落氧化产生作为现场氧化剂的硫酸铁。
15.根据权利要求14的方法，其中酸是硫酸、盐酸或它们的混合物。
16.根据权利要求15的方法，其中污泥被酸化到pH值为2-3。
全文摘要
本发明涉及一种用于净化含有重金属和致病微生物的生物和化学复合方法,由如下步骤组成:将污泥与酸性沥滤液混合,以酸化污泥使其pH值足够低以溶解大部分重金属并破坏大部分致病微生物,但同时pH值也要足够高以使肥料元素的溶解最少;为了得到含有净化后的酸化污泥的固体部分和含有溶解在沥滤液中的重金属的液体部分,将氧化还原电位保持在+400mv以上,这样就发生液—固分离;将污泥中和:并且回收中和后的净化污泥,含在其中的肥料元素与最初未净化污泥相对应的肥料元素即碳、氮和磷基本保持不变。
文档编号C12N1/20GK1367759SQ00811211
公开日2002年9月4日 申请日期2000年7月27日 优先权日1999年8月3日
发明者琼－弗朗索瓦·布莱, 纳塔莉·默尼耶, 琼－路易斯·萨斯塞维尔, 拉杰什瓦尔·D·佳盖, 居伊·默西埃, 法蒂玛·哈姆 申请人:加拿大国家科学研究院