一种剩余污泥全流程资源化利用的方法

本发明涉及固体废弃物资源化利用，特别是涉及一种剩余污泥全流程资源化利用的方法。

背景技术：

1、随着城市化进程的不断推进以及污水处理规模的持续扩大，城市污水处理厂产生的剩余污泥量逐年增加。剩余污泥中含有大量有机质、微生物菌体及营养元素，具有较高的资源化利用潜力。然而，剩余污泥含水率高、稳定性差，且易腐败发臭，若处置不当，不仅占用大量土地资源，还可能造成二次环境污染。目前，剩余污泥的处理处置方式主要包括填埋、焚烧、土地利用及厌氧消化等，但均存在运行成本较高、资源回收效率有限或环境风险较大的问题。因此，如何实现剩余污泥减量化、稳定化及资源化利用，已成为污水处理领域亟待解决的重要技术问题之一。

2、与此同时，随着污水排放标准不断提高，污水处理过程中对脱氮除磷效率提出了更高要求。反硝化脱氮过程需要充足的可利用有机碳源作为电子供体，但我国大部分城市污水处理厂进水碳氮比（c/n）普遍偏低，难以满足反硝化菌对碳源的需求。已有研究表明，当进水c/n低于3.4时，为保证良好的脱氮效果，通常需要额外投加甲醇、乙酸钠或葡萄糖等外源碳源。虽然外加碳源能够在一定程度上提高脱氮效率，但会显著增加污水处理厂运行成本，并可能导致污泥产量进一步增加，不利于污水处理系统的低碳化和可持续运行。因此，开发来源稳定、成本低廉的内源碳源替代传统外加碳源，具有重要的工程应用价值。

3、剩余污泥中含有丰富的有机物，在厌氧条件下可通过水解、酸化等过程转化为挥发性脂肪酸（vfas），进而作为反硝化脱氮的优质碳源。然而，传统剩余污泥厌氧发酵过程中，由于污泥絮体结构稳定、细胞壁难以破裂及有机物释放效率较低，导致污泥水解和酸化过程受限，vfas产量较低，难以满足污水处理系统对碳源的需求。现有研究多采用热预处理、酸碱预处理、超声预处理及氧化预处理等方式强化污泥发酵产酸，但普遍存在能耗较高、运行成本较大或工艺复杂等问题，限制了其工程化应用。此外，现有研究主要集中于提高污泥发酵产酸效率，而对发酵残渣的后续资源化利用关注较少，导致大量残余固体仍需进一步处理处置，难以实现污泥全过程资源化利用。

4、此外，赤泥是氧化铝工业生产过程中排放的大宗工业固体废弃物，通常每生产1吨氧化铝可产生约1.0~2.0吨赤泥。随着氧化铝工业的快速发展，我国赤泥年排放量持续增长，累计堆存量巨大。赤泥中含有大量铁、铝、钙、硅等金属元素，同时具有较强碱性，其ph通常可达10~12.5。由于赤泥颗粒细小、碱度高，长期堆存不仅占用大量土地资源，还易造成地下水及土壤污染，已成为制约氧化铝行业绿色发展的重要问题。已有研究表明，赤泥中含有丰富的铁元素及碱性组分，可在一定程度上改善污泥厌氧发酵环境，促进污泥浆体结构破坏及有机物释放，从而提高污泥水解和酸化效率。同时，赤泥中的金属氧化物还可能参与电子传递过程，促进有机物降解及挥发性脂肪酸生成。因此，将赤泥与剩余污泥协同处理，不仅有利于提高污泥厌氧发酵产酸效率，还能够实现工业固体废弃物与市政污泥的协同资源化利用，降低环境风险与处理成本。然而，现有技术中关于赤泥强化剩余污泥厌氧发酵及发酵残渣高值化利用的研究仍相对有限，尤其缺乏一种能够兼顾污泥高效产酸与发酵残渣资源化利用的系统性工艺方法。

5、因此，开发一种利用赤泥强化剩余污泥厌氧发酵产酸并实现发酵残渣资源化利用的方法，对于提高污泥内源碳源产量、降低污水处理运行成本以及实现多种固体废弃物协同资源化利用具有重要意义。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种剩余污泥全流程资源化利用的方法，通过赤泥强化剩余污泥厌氧发酵以提升挥发性脂肪酸产量，并将发酵残渣制备为生物炭，经普鲁士蓝改性后用于吸附发酵液中的氮磷，净化后的发酵液回用作反硝化碳源，形成了赤泥强化产酸、残渣制炭改性及发酵液回用脱氮的技术路线，进而实现赤泥与剩余污泥的资源化利用，同时降低外加碳源投入与污泥处置成本。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种剩余污泥全流程资源化利用的方法，包括以下步骤：

3、s1、采用碱性试剂将剩余污泥的ph值调节至碱性，将赤泥投加至所述剩余污泥中并混合，在厌氧条件下进行水解酸化发酵；发酵结束后，对所得发酵产物进行固液分离，得到含挥发性脂肪酸的发酵液和发酵残渣；

4、s2、对所述发酵残渣依次进行洗涤、干燥、研磨和筛分，并在氮气气氛下进行热解，得到发酵残渣基生物炭；

5、s3、将所述发酵残渣基生物炭加入氯化铁柠檬酸水溶液中，滴加亚铁氰化钾柠檬酸水溶液并进行反应，对反应产物依次进行固液分离、洗涤和干燥，得到普鲁士蓝改性的发酵残渣基生物炭；

6、s4、将所述普鲁士蓝改性的发酵残渣基生物炭投加至步骤s1所得含氮、磷的发酵液中进行吸附处理，吸附结束后分离所述普鲁士蓝改性的发酵残渣基生物炭，得到净化后的发酵液；

7、s5、将步骤s4所得净化后的发酵液作为补充碳源投加至反硝化脱氮系统中进行反硝化脱氮；所述发酵残渣经步骤s2和步骤s3转化为改性生物炭，并通过步骤s4对所述发酵液进行吸附净化后，回用于反硝化脱氮，实现所述发酵残渣的资源化利用。

8、优选地，在步骤s1中，所述碱性试剂为氢氧化钠溶液，采用所述氢氧化钠溶液将所述剩余污泥的初始ph值调节至10.0；所述赤泥的投加量与剩余污泥悬浮固体的质量比为0.1~3:1。

9、优选地，在步骤s1中，所述水解酸化发酵的温度为35℃，发酵时间为2~7d；在进行所述水解酸化发酵前，向反应器内通入氮气以置换空气，并将所述反应器密闭，发酵过程中采用振荡或搅拌的方式进行培养。

10、优选地，在步骤s1中，所述固液分离包括以5000r/min的转速对所述发酵产物进行离心处理，并对离心所得液相进行过滤。

11、优选地，在步骤s2中，采用去离子水对所述发酵残渣进行洗涤，将洗涤后的发酵残渣置于80℃的真空干燥箱中干燥12h，随后进行研磨，并采用孔径为0.18mm的筛网进行筛分。

12、优选地，在步骤s2中，将筛分所得粉末置于热解反应器中，在通入氮气的条件下，以5℃/min的升温速率升温至600℃，并在600℃下保温2h，得到所述发酵残渣基生物炭。

13、优选地，步骤s3包括：将六水合氯化铁溶解于柠檬酸的水溶液中，得到所述氯化铁柠檬酸水溶液；将三水合亚铁氰化钾溶解于柠檬酸的水溶液中，得到所述亚铁氰化钾柠檬酸水溶液；将所述氯化铁柠檬酸水溶液加热后加入所述发酵残渣基生物炭，搅拌分散均匀后，滴加所述亚铁氰化钾柠檬酸水溶液，并继续加热反应；反应结束后进行抽滤，收集滤渣并洗涤，再将洗涤后的滤渣进行干燥，得到所述普鲁士蓝改性的发酵残渣基生物炭。

14、优选地，在步骤s4中，将所述含氮、磷的发酵液的ph值调节至6.0~7.0，所述普鲁士蓝改性的发酵残渣基生物炭的投加量为19g/l，并在20~30℃下以200r/min的转速振荡吸附180min。

15、优选地，在步骤s5中，在满足所述反硝化脱氮系统的碳氮比需求的条件下投加所述净化后的发酵液，使所述净化后的发酵液中的有机物作为反硝化微生物的电子供体，替代部分或全部外加碳源，实现发酵残渣的资源化回用。

16、与现有技术相比，本发明至少公开了以下技术效果：

17、（1）本发明显著提高了污泥厌氧发酵的产酸效率，改善了发酵液作为反硝化碳源的适用性，利用赤泥自身的高碱性及丰富铁组分，配合碱性预处理条件，可有效破坏剩余污泥的絮体结构和细胞壁，促进胞内有机物溶出释放，加快污泥水解和酸化进程，提升挥发性脂肪酸产量。同时，赤泥的加入可提高发酵体系的缓冲能力与scod/tn比值，使发酵液碳氮比更合理，更适配反硝化脱氮过程对碳源的品质要求，便于反硝化菌利用，能够减少甚至替代传统外加碳源的投加。

18、（2）本发明可高效去除发酵液中的氮磷元素，进一步提升发酵液的回用品质。将厌氧发酵产生的固体残渣经洗涤、干燥、热解后制备为生物炭，再通过普鲁士蓝进行改性，所得改性生物炭同时具备多孔结构和丰富的金属活性位点，对发酵液中的氨氮和磷酸盐均有良好的吸附效果，能够有效降低发酵液中的氮磷残留，提升发酵液的回用稳定性。

19、（3）本发明实现了赤泥与剩余污泥的联合资源化利用。将赤泥用于强化污泥发酵产酸，同时将发酵残渣转化为功能性生物炭并用于发酵液净化，净化后的发酵液再回用于污水处理脱氮，物料在工艺内部循环利用，既减少了外加碳源的投入成本，也降低了污泥末端处置的成本，具有良好的经济效益与环境效益。