从污泥中选择性去除微致污物的制作方法

本发明涉及废水的处理，并且更具体地涉及来自废水处理厂的污泥的处理。

背景技术：

1、废水处理厂(wwtp)是微污染物质(micro-pollutants)进入环境的主要转移途径。这些微污染物质因它们相关的健康风险和对水生和陆地生态系统的潜在不利影响而备受关注。

2、即使wwtp不是专门为处理微污染物质而设计的，大范围的所述微污染物质基本上都是通过二级处理期间的生物降解和吸附到污泥上而从废水中去除的，后一种机制是去除这些化合物的主要途径。然而，在废水处理厂中产生的准备处置的污泥然后被最初存在于水中的至少一部分微污染物质污染，因为常规方法不能将它们去除到可接受的水平。

3、随后的污泥处置包括土地应用、焚烧和填埋。在欧洲，并且尤其是在法国，通过土地散播进行的农业评估代表污泥处置的主要出路，并且微量浓度的微污染物质特别是有机微污染物质的存在可能限制这种类型的污泥增值(valorization)。尽管存在管理污泥的土地应用以改进对污泥质量的监测的法国标准(nf u 44-041)，但与微污染物质(诸如污泥中用作土壤改良剂的药物活性成分)存在相关的风险仍然存在一些不确定性。在美利坚合众国(us)，通过土地应用对生物固体的有益再利用由环境保护署(epa)管理，更具体地，通过epa的cfr 40part 503关于生物固体的规则进行管理。这种管理被广泛认为是对生物固体质量和应用最严格要求之一，并且照此，美国以外的其他几个司法管辖区要么采用它，要么采用它的变体。在part 503规则中，生物固体质量的定义分为两类：a类生物固体；和b类生物固体。虽然所述管理定义了化学致污物诸如重金属的批准含量，但厌氧消化(ad)过程和消化的增强关注于满足关于生物污染物诸如病原体和载体吸引降低的要求。结果，尚未评估与准备处置的所产生污泥中微污染物质存在相关的风险。

4、事实上，研究了污水和/或污泥化学(石灰处理)或生物(厌氧消化)处理期间一些药物活性成分的归宿和分布，并证实污泥的石灰处理和厌氧消化都不能完全去除所述微污染物质。事实上，在所述化学或生物处理之后，颗粒和可溶污泥部分之间的化合物的相分布表明，一些药物活性成分保持吸附到污泥的特定部分中，而其他溶解到水部分中。因此，在污泥土地散播后，它们可以潜在地更可用于土壤，或者如果污泥处理线的液体部分被再循环到渠首(headwork)，它们可能增加进入主流处理线的微污染物质负荷。

5、目前的先进污泥处理的现有技术提出了两种主要解决方案，其代表了98％的当今采用的市场解决方案。

6、第一种解决方案包括通过厌氧消化解决方案来处理污泥：将初沉污泥和二沉生物污泥混合在一起，其中将“混合污泥”通过单独的嗜中温厌氧消化(mad)或嗜热厌氧消化(tad)或mad+热水解过程(thp)或2阶段厌氧消化(2pad)进行处理。该第一种解决方案的问题是，通过挥发性固体的去除和污泥体积的减少，这些方法在消化污泥内产生微污染物质的浓缩现象。如果没有实施焚烧或htg(热解/气化)，这确实防止了微污染物质的破坏。更糟的是，它产生了浓缩有微污染物质的在农业或土地散播中通常使用的a类生物固体。

7、第二种解决方案包括通过污泥焚烧解决方案处理污泥：将初沉污泥和二沉生物污泥混合在一起，其中将“混合污泥”通过单独的污泥焚化炉或mad+污泥焚烧进行处理。所有现存的最先进解决方案执行初沉污泥和生物污泥的共混，从而产生混合污泥，该混合污泥通过如上文所述的先进污泥处理方法进行后续下游处理。已经针对a类生物固体应用实施了一些特定的处理线(treatment lines)，其中将初沉污泥和生物污泥在厌氧消化之前的再次混合之前进行分离。那些应用使用初沉污泥到巴氏灭菌系统的转移以及生物污泥到thp的转移，以降低和优化thp单元的尺寸，同时通过将初沉污泥巴氏灭菌来保持无病原体认证(a类)。然后，在通过厌氧消化进行处理之前，将水解的和巴氏消毒的污泥再次混合。在这些特定情况下，将“良好污泥(生物)”再次与“不良污泥(初级)”混合以将混合污泥注入消化过程。

8、其他常规污泥处理方法不具有初级处理阶段，并且因此仅产生生物污泥。在这种情况下，混合污泥仅由生物污泥替代。在这种情况下，在其他情况下吸附到初沉污泥上的微污染物质被吸附到生物污泥上，该生物污泥然后含有主要的微污染物质含量。

9、因此，现有技术中提出的解决方案具有将源自原水、初沉污泥、生物污泥或混合污泥的微污染物质浓缩到准备处置的最终污泥中的缺点。取决于所考虑的处理，wwtp的能量消耗也可能增加。另外，关于微污染物质的当前现有技术仅应对水线中的微污染(micropollution)去除。

10、为了减少来自废水的这种“微污染(micro-pollution)”，一些三级技术现已得到验证，并被添加到主流处理中。目前最先进的微污染物质处理通常包括通过吸附接触器(cap、pac……)、高级氧化方法(臭氧、h2o2/uv……)、膜(mf、nf、uf、ro)、附加能量将水处理解决方案应用于主流水线的三级阶段。更具体地，对于亲水性微污染物质，最相关的技术是化学氧化(如臭氧化或aop法)或使用例如颗粒状或粉末状活性炭的吸附。所有这些特定的处理都显著增加了处理厂的全球能量消耗。

11、对于微塑料去除，处理通常包括物理去除步骤，诸如过滤，或吸附到污泥上的吸附步骤。

12、所述三级处理可用于最大化在二级处理中观察到的现象，但导致产生过量待处理的三级污泥，所述过量污泥被所述微污染物质和/或微塑料污染。

13、同样的问题出现在有机废物的处理中，其也会产生被微污染物质并且特别是微塑料污染的污泥。

14、而且，饮用水厂产生的污泥可能被微污染物质污染，尤其是被微塑料污染。

15、而科学专业人员和项目开发商开始实施处理水流(三级和二级处理阶段)或水线中的微污染物质(也称为新兴的关注化合物或cec)的解决方案；设计和实施以下解决方案仍有差距：

16、-应对污泥流(或污泥管线)中微污染物质的去除；

17、-将水和污泥流两者中的微污染物质的去除组合；

18、-由于微污染物质的额外处理而降低能量消耗；

19、-通过在促进能量产生(热、沼气、生物甲烷)的同时处理微污染物质来改进整个wwtp的能量平衡。

20、因此，需要提供一种用于处理废水的方法，该方法将限制或者甚至避免被微污染物质和/或微塑料污染的污泥的产生，以允许将污泥安全用作用于循环经济的材料。特别地，需要一种方法，该方法用于从污染的废水中去除微污染物质和/或微塑料，同时允许产生沼气和/或生物甲烷产生(一种“绿色”能源)和/或有利地适用于土地应用(“回归土地”政策)的安全污泥的产生。

技术实现思路

1、本发明允许通过保持比现有技术中提出的处理更环保的生物固体返回土壤来应对污泥中的进一步微污染去除。

2、本发明因此提供了一种用于从污泥中选择性地去除微污染物质的方法，该方法组合了两种单独处理的效果(即，热处理与厌氧消化的组合以及焚烧)，同时产生沼气和/或甲烷和有利地适合于土地应用的不含微污染物质和微塑料的固体产物。

3、在下文中，仅术语“微致污物(micro-contaminant)”用于指代由微污染物质(micro-pollutant)和/或微塑料构成的微污染(micro-pollution)。因此，术语“微致污物”被理解为微污染物质和/或微塑料。

4、如本文所用，“微污染物质(micro-pollutant)”被理解为可在环境中以非常低的浓度(微克/升或甚至纳克/升)检测到的不希望的物质。该物质是有毒的、持久的并且对环境具有生物累积效应。它的存在至少部分是由于人类活动(工业过程、农业实践或日常活动)，并且由于其毒性、持久性和生物累积性，在这些非常低的浓度下可能会对生物体(或生态系统)造成不利影响。许多具有不同化学性质的分子都受到关注(欧洲法规，即欧洲水指令2000/60/ce认定了超过110000种分子)，无论是否是有机的或无机的、可生物降解的。这种微污染物质的实例是增塑剂、洗涤剂、金属、碳氢化合物、杀虫剂、化妆品、激素、药物、药物残余物或药品残余物。微污染物质是微粒或不是微粒，通常具有低分子量。

5、如本文所用，“微塑料”被理解为塑料的小颗粒，即通常粒径为5mm或更小、通常为1mm或更小、或甚至为333μm或更小的颗粒。照此，它们不可以使用传统技术从水中去除，并且它们的处理需要特定的昂贵技术。它们可以被视为一种特定类型的微污染物质。

6、在下文中，术语“微致污物”将用于联合地指微塑料和微污染物质。

7、如本文所用，“不含微污染物质和微塑料”的材料被理解为仅包含痕量微污染物质和微塑料的材料，也就是说，根据客户和/或当地法规所规定的监管要求，有利地低于监管要求和/或低于检测极限。需要注意的是，一些分子受到约束，并且另一些则没有。受约束的微污染物质的数量因国家而异。迄今为止，没有详尽的微污染物质和微塑料清单。这使得分析有针对性的努力变得困难。

8、如本文所用，“污泥”被理解为有机废物或污泥，更特别是来自有机废物或饮用水或废水处理厂的污泥。

9、有机物质、有机材料或天然有机物质是指在天然和改造的、陆地和水生环境中发现的碳基化合物的广泛来源。它是由来自生物体诸如植物和生物的剩余部分的有机化合物以及它们在环境中的废弃产物组成的物质。有机分子也可以通过不涉及生命的化学反应制备。基本结构由纤维素、单宁、角质和木质素以及其他各种蛋白质、脂质和碳水化合物产生。

10、如本文所用，“厌氧处理”被理解为厌氧消化或发酵，其可被认为是部分厌氧消化。厌氧处理步骤通常在厌氧池中进行。该处理步骤可以以不同的方式进行：在单个反应器中或在并联或串联的几个反应器中，在各种温度下：嗜中温(32-42℃)、嗜热(50-62℃)或两者的混合。

11、“发酵”是本领域众所周知的过程，并且可定义为在没有氧气的情况下从碳水化合物中提取能量以特别地通过酶的作用产生小分子(有机底物)，特别是rbc的生物厌氧过程。不产生或仅产生微量ch4。存在五种主要的发酵类型：

12、●酒精发酵，主要产生乙醇，

13、●乳酸发酵，产生乳酸盐，

14、●丙酸发酵，产生丙酸盐，

15、●丁酸/丁醇发酵，产生丁酸盐和丁醇，

16、●混合酸发酵，产生vfa(主要是乙酸盐，但也有丙酸盐、乳酸盐、丁酸盐)。

17、发酵过程可以通过污泥进入厌氧池的停留时间、厌氧池中的温度和ph以及通过发酵过程中涉及的特定微生物种群(即选择厌氧池中微生物菌株)来控制。

18、厌氧消化是一个涉及在没有氧气的情况下分解可生物降解材料的微生物的过程。该过程产生消化物和气态部分，该气态部分包含甲烷并且通常基本上由甲烷和co2组成(也称为沼气)。

19、有利地，厌氧消化是对仅含有可溶性组分，特别是可溶性碳(即不再含有悬浮固体)的流出物的消化。可以进一步进行任选的专用厌氧消化，诸如uasb类型(上流式厌氧污泥床消化)，即处理可溶性碳。

20、厌氧处理通常在7.0和7.5之间，优选7.0和7.2之间的ph条件下进行。

21、通常，“消化物(digestate)”是厌氧消化的非气态产物，而“发酵物(fermentate)”是发酵产物。然而，在本发明中，除非另有说明，否则词语“消化物”将包括厌氧处理的非气态产物，即分别为针对消化的“常规”消化物和针对发酵的“发酵物”。

22、根据所选的发酵途径，消化物，更具体地发酵物，包含rbc，更具体地vfa或其他发酵产物，诸如低级醇—特别是式r-oh的低级醇，其中r代表饱和的、直链或分支的c1-c4烃链，尤其是乙醇或丁醇。

23、"rbc"或“易生物降解碳”是本领域技术人员众所周知的。例如，在由iwa任务组编辑的关于用于生物废水处理的设计和操作的数学模型“activated sludge models asm1、asm2 and asm3”中对它们进行了定义，henze等(2000),isbn 1 900222 24 8。易生物降解碳的实例是挥发性脂肪酸。rbc可以通过发酵产生，特别是us 6,387,264中公开的，例如在联合发酵和增稠(ufat)过程中。

24、“vfa”或“挥发性脂肪酸”也是本领域已知的。特别地，它们包括低级羧酸，尤其是被cooh基团取代的c1-c4饱和、直链或分支烃链，诸如乙酸、乳酸，有利地乙酸。

25、热水解过程(htg)是一种将废物或污泥的高压沸腾随后是快速减压组合的两阶段过程。thp通常在120℃和170℃之间操作。这种组合作用使污泥灭菌并且使其更加可生物降解，这改善了消化性能。灭菌破坏污泥中的病原体，导致它超过土地应用(农业)的严格要求。

26、水热碳化(htc)是在180℃和250℃之间的温度下在饱和压力或高于饱和压力下生物质在加压水中的热化学处理。

27、有利地，预脱水步骤发生在thp和htc的上游。

28、通过在初级阶段之后将待处理的污泥分离成两个流，每个流经受单独的处理，即一方面经受焚烧并且另一方面经受热处理和厌氧消化(该热处理被定位在厌氧消化的上游或下游)，并且通过将这两种单独处理的产物结合，本发明提供了以下优点：

29、●破坏含有微致污物(即，微污染物质和/或微塑料致污物)的污泥的一部分，

30、●在进行二级阶段之前捕获微污染物质/微塑料以产生不含任何微污染物质/微塑料的消化污泥，

31、●减少产生的污泥的总量，同时保持污泥(通常是a类污泥)的土地应用的可能性，

32、●产生甲烷和/或沼气，这可例如通过电力生产、电网回注(grid reinjection)、液化天然气(lng)和压缩天然气(cng)生产等进行下游升级，

33、●允许热处理步骤后产生的固体部分中的营养物回收(特别是磷(p))。

34、本发明因此提出一种使用“转移、捕获、回收”的概念的城市污泥处理的现代方法。这个新路径确实包括通过结合可持续生物固体的农业再利用、最大化沼气再利用并且通过生物固体到能量焚烧捕获/破坏微污染来解决固体和微污染管理。废水基础设施的这种概念设计强调并利用来自三种主要生物固体途径的最佳：可再生天然气(rng)、可再生能源(res)以及回归农业中的土壤。

35、r&d围绕微污染物质(也称为新兴的关注化合物：cec)的命运的15年已经导致对其跨废水处理厂(wwtp)的水线和污泥线的分布和去除潜力的关键理解。当原水中所含的100％微污染物质(重金属、微污染物质、痕量有机化合物、病原体)进入wwtp时，60％被吸附在初沉污泥上，并且40％被转移到下游的水线。在那些40％之中，20％被汽提到大气中或通过次级生物处理而转化；其他保持溶解的20％可以通过专用的高级三级处理解决方案在经处理的水中去除。如果微污染物质去除的当前进展应对水线中40％的去除，则仍需要实施用于去除污泥中所残留的60％的解决方案。

36、根据本发明的方法包括将污泥线分离成两个独立的流。

37、第一流将由从生物吸附、高负载或初级沉淀池(常规或化学增强的初级池)产生的初沉污泥组成，其中60％的微污染(通常取决于化合物的类型为20％至80％)被吸附并且碳被重新定向。通过厌氧消化(例如嗜中温厌氧消化mad，但不限于此)从初沉污泥回收碳将允许产生沼气，而消化污泥将通过自热污泥炉与微污染一起被消除。

38、第二流将由二级处理产生的生物污泥组成，其中可以检测到非常有限的痕量微污染。mad与生物污泥的热调节(热水解过程-(thp)或水热碳化-(htc))的联合将允许沼气的产生最大化。由于从炉中净正回收致命热(用于提供热调节所需的热量和蒸汽)，生物甲烷的输出被最大化。由无病原体生物固体处理线实现的消化污泥的最终干燥(30％干燥来自thp；65％干燥来自htc)将允许农业中可持续的生物固体再利用，尤其是对于不再使用有机聚合物(聚丙烯酰胺)的htc。这种污泥流将允许回收磷(鸟粪石)和含有最低微污染浓度水平的生物固体，以用于农业、土壤修复或共焚(水泥厂或城市固体废物)。

39、本发明的“转移、捕获、回收”的概念(适用于200,000pe(人口当量)(以及更多)的工厂)为应对全面的cec去除、可持续的生物固体再利用以及最大化的沼气再利用铺平了道路。

40、因此，本发明的主要目的是从污泥中选择性地去除微致污物。本发明的另一目的是提供微致污物的选择性管理去除连同污泥的能量效率和沼气再利用。

41、附图说明