一种剩余污泥资源化制备反硝化碳源的方法与流程

本技术涉及污水处理领域，尤其是涉及一种剩余污泥资源化制备反硝化碳源的方法。

背景技术：

1、在城镇污水处理过程中，会产生大量的剩余污泥。此类污泥成分复杂，含有大量有机物、病原体及重金属等，若处置不当易造成严重的二次污染。目前，剩余污泥的常规处置方式（如卫生填埋、焚烧、堆肥等）普遍面临占地面积大、处理成本高昂、存在环境风险（如填埋场渗滤液、焚烧尾气、堆肥产物重金属累积）以及资源未能有效回收等问题。因此，如何实现剩余污泥的低成本、无害化与资源化处理，已成为污水处理领域持续面临的严峻挑战。

2、另一方面，为实现水体中总氮的高效去除，许多污水处理厂在生物脱氮工艺（尤其是反硝化阶段）中需要投加额外的有机碳源，以提供电子供体。为此，污水处理厂通常需要外购甲醇、乙酸钠、葡萄糖等商业碳源。这不仅显著增加了污水处理的运行成本，也使得处理厂的运行效能受制于外部化学品供应链。因此，开发一种经济、稳定、高效的替代碳源，以降低污水处理厂的运行费用，具有迫切的实际需求。

3、综上所述，剩余污泥的处理处置难题与外购反硝化碳源的经济负担，是当前污水处理行业两个并存且亟待解决的核心问题。然而，现有技术通常将这两个问题割裂处理。若能开发一种技术，将难以处理的剩余污泥直接转化为污水处理厂自身所需的反硝化碳源，则能同时破解上述两大难题，实现“变废为宝”和资源循环，具有重要的环境与经济效益。本发明正是基于这一思路而提出的。

技术实现思路

1、由于剩余污泥处理处置难度大、成本高，以及污水处理厂外购反硝化碳源费用昂贵的问题，本技术提供了一种剩余污泥资源化制备反硝化碳源的方法，通过碱与超声波的协同作用，常温下高效破坏污泥细胞壁，释放有机质，并将其定向转化为以乙酸和丙酸为主的优质反硝化碳源，同时可选地利用污泥焚烧灰制备的催化剂颗粒进一步强化破壁效果，实现了剩余污泥与污泥焚烧灰的协同资源化。

2、本发明的上述第一个发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种剩余污泥资源化制备反硝化碳源的方法，包括以下步骤：

4、步骤1：剩余污泥预处理；

5、步骤2：加碱联合超声波协同破壁；

6、步骤3：定向水解酸化制备vfa；

7、步骤4：vfa预处理与储存；

8、所述步骤2包括：将含水污泥与氢氧化钠溶液混合得到混合污泥料，将混合污泥料泵入推流式破壁装置，推流式破壁装置内有超声波发生器进行协同破壁，氢氧化钠混合量为0.02-0.05mol/l含水污泥；超声波发生器声能密度为0.16-0.20kw/l、频率为20-22khz，含水污泥与氢氧化钠溶液的混合物在推流式破壁装置停留时间为30-60s。

9、通过采用上述技术方案，氢氧化钠提供的强碱性环境（ph 11.5-12.5）首先对微生物细胞壁的肽聚糖、脂多糖等结构组分进行化学水解和溶蚀，破坏其完整性并增加渗透性，在此基础上特定频率与声能密度的超声波在污泥体系中引发剧烈的空化效应，产生的高强度剪切力、微射流和冲击波对已被碱弱化的细胞壁施加精准的机械破碎力，形成效能倍增的协同关系，实现在常温下对剩余污泥微生物细胞的高效、低能耗破壁，从而充分释放胞内蛋白质、多糖等有机质，为后续定向转化为反硝化碳源提供优质底物。

10、可选的，所述步骤2还向污水中投入污泥灰基催化剂颗粒，污泥灰基催化剂颗粒由污泥焚烧灰经研磨、造粒、在1000-1100℃下烧结而成，其粒径为0.8-1.2mm，真密度大于2.2g/cm³，比表面积不低于20 m²/g，颗粒抗压强度大于15 mpa，污泥灰基催化剂颗粒投加量为1-3 g/l混合污泥料。

11、通过采用上述技术方案，以污泥焚烧灰为原料，通过物理化学重构转化为具有特定微结构与表面特性的功能材料——经研磨增加反应活性、混合造粒并经受烧结，此过程使灰分中的无机组分发生熔融与重结晶，形成具有高强度、发达孔隙及高密度的球形刚性骨架，该结构使其在超声波场中能作为稳定、高效的“空化核”，显著增加空化泡的成核数量与溃灭强度；其坚硬的表面与粗糙的孔隙还可能对碱性介质中的细胞壁有机组分产生吸附与表面催化作用，加速化学破解过程，实现剩余污泥与污泥焚烧灰的“以废治废”式协同资源化，进一步提升溶胞率。

12、可选的，污泥灰基催化剂颗粒制备方法如下：

13、s1. 对污泥焚烧灰进行研磨与筛选；

14、s2. 将研磨后的污泥灰与粘结剂、造孔剂混合并造粒，形成粒径为1.0-2.0mm的生料颗粒；

15、s3. 将所述生料颗粒烧结，得到具有多孔结构、真密度大于2.2 g/cm³的球形催化剂颗粒。

16、s4. 对烧结后的催化剂颗粒进行筛分，控制粒径分布在0.8-1.2mm范围内。

17、通过采用上述技术方案，对污泥焚烧灰进行研磨与筛选，以降低原料粒度、增加其比表面积与反应活性，并为后续均匀造粒提供基础，将研磨后的污泥灰与粘结剂、造孔剂按比例混合，粘结剂在造粒过程中通过物理粘结与化学交联作用使细粉团聚成型，形成具有初步强度的生料颗粒；对生料颗粒进行高温烧结，颗粒内无机矿物组分发生熔融、重结晶与致密化，形成高强度骨架，同时造孔剂分解或燃烧逸出，在基体中遗留下相互连通的多孔网络结构，从而在赋予颗粒高机械强度与高真密度的同时，得到高比表面积；

18、由此以污泥灰为唯一核心原料，通过一套可控、可重复的工艺，生产出满足强度、密度、粒径、比表面积需求的多孔球形颗粒，实现了从废物到功能性工程材料的转化。

19、可选的，s2中的粘结剂为水玻璃，造孔剂为碳酸钙，粘结剂为污泥灰干重的5-10%，造孔剂的添加量为污泥灰干重的3-8%。

20、通过采用上述技术方案，添加占污泥灰干重5%-10%的粘土或水玻璃作为粘结剂，其在湿法造粒过程中通过物理吸附、胶凝或离子交换作用包裹灰分颗粒，提供生坯的初始结合强度与可塑性，确保颗粒在干燥与烧结初期保持形状完整；在高温烧结阶段，粘结剂熔融或反应形成玻璃相或硅铝酸盐结晶相，构成颗粒的连续刚性骨架。同时，添加占干重3%-8%的碳酸钙或淀粉作为造孔剂，其在烧结过程中受热分解（碳酸钙分解为co2，淀粉碳化燃烧）产生气体，在致密化的陶瓷基体中留下相互连通的微米级孔隙，从而获得具有理想微观结构与宏观性能的催化剂颗粒，确保制备的污泥灰基催化剂颗粒同时具备高机械强度（抗压强度>15 mpa）以耐受长期超声与水力剪切磨损，以及发达的多孔结构（比表面积≥20 m²/g）以提供充足的反应界面与空化成核位点，从而实现其在苛刻的碱-超声反应环境中结构稳定与功能持久的统一、催化剂颗粒强度与活性表面积的优化平衡。

21、可选的，所述步骤s3中的烧结制度为：从室温以2-5℃/min的速率升温至300-600℃，并在该温度区间保温15-60min；随后继续升温至1000-1100℃，并在该最终温度下保温3-5h。

22、通过采用上述技术方案，分阶段进行升温烧结，第一阶段缓慢升温使生料颗粒中的粘结剂（如水玻璃的结晶水脱除）、造孔剂（如淀粉的碳化与燃烧，碳酸钙的起始分解）以及污泥灰中残存的少量有机物得以平缓、彻底地分解与逸出，有效避免因挥发分集中、快速释放导致颗粒内部产生过高蒸汽压而造成裂纹或爆裂，从而保证了颗粒坯体的结构完整性；

23、第二阶段继续升温至1000-1100℃的最终温度并长时间保温3-5h，作为核心烧结阶段，颗粒基体中的主要无机成分（如sio2、al2o3及多种金属氧化物）发生显著的固相扩散、液相烧结及重结晶过程，颗粒间颈部生长、孔隙球化与收缩，从而形成高强度、高真密度的陶瓷化骨架，同时使第一阶段形成的预先形成的孔隙结构在此高温下得以稳定和固化；

24、所得催化剂颗粒具备高强度、高密度与发达孔隙结构的优点。

25、可选的，所述步骤1包括：将污水处理厂二沉池排出的剩余污泥，经格栅拦截去除粒径大于2mm的杂质后，进入调节池进行水质、水量调节，控制调节池内污泥浓度为10-20g/l，温度为25-35℃，ph值为6.5-7.5，调节池停留时间为1-2h。

26、通过采用上述技术方案，对原料剩余污泥进行系统化的前处理与均质化调控，一方面防止纤维、砂砾等惰性物质进入后续系统，避免其对泵、管道及反应器内构件造成磨损、堵塞或干扰微生物活性，另一方面对污泥的水质与水量进行缓冲与标准化，将污泥浓度调节至10-20g/l，为后续单元提供适宜且稳定的有机负荷，浓度过低则处理效率低下，过高则可能抑制传质与微生物活性；将温度控制在25-35℃、ph值在6.5-7.5，是为后续水解酸化菌群创造接近其最适代谢范围的生存环境，提前避免温度或ph的剧烈波动对微生物系统造成冲击；设定1-2h的水力停留时间，则保证了污泥在池内得到充分混合与均质，同时完成初步的物理、化学平衡，使污泥性质趋于稳定，提升了整个资源化工艺的鲁棒性与产物（vfa）的可预测性。

27、由此该过程通过抑制产甲烷菌活性和优化发酵条件，使代谢流定向富集于短链挥发性脂肪酸，特别是乙酸和丙酸，将成分复杂的污泥溶出液高效、稳定地转化为以乙酸和丙酸为主导（占比>70%）的高品质液态碳源，产量稳定、目标产物比例高。

28、可选的，所述步骤4中，vfa预处理与储存包括：水解酸化池产生的vfa混合液经沉淀池沉淀20-30min，去除悬浮污泥颗粒后得到上清液vfa碳源液；将vfa碳源液泵送至储存池，控制储存池温度为20-25℃，定期搅拌，储存时间不超过72h。

29、通过采用上述技术方案，水解酸化混合液首先进入沉淀池，在20-30min的特定水力停留时间内，利用重力沉降原理实现固液两相分离，有效去除因水力剪切与气体夹带而悬浮的污泥细微颗粒及残留菌体；随后，获得的上清液（vfa碳源液）被转移至具备温控与搅拌功能的储存池，减缓vfa的进一步生物转化或损失；由此通过梯度分离与稳定化储存实现碳源产物的纯化与品质维持，保障了自产碳源在进入主工艺前具有可与外购商业碳源相媲美的品质稳定性。

30、综上所述，本技术至少具备以下有益效果：

31、1.通过氢氧化钠与特定参数超声波的协同，并与多孔、高强度的污泥灰基催化剂颗粒联用，能显著提高细胞破壁（溶胞）率，释放大量有机质。后续通过定向水解酸化调控，可稳定生产以乙酸和丙酸为主的挥发性脂肪酸，碳源成分理想，反硝化效率高，大幅降低了剩余污泥的处理费用和外部碳源的采购成本，为污水处理厂的节能降耗与资源循环提供了有效技术途径；

32、2.不仅将剩余污泥转化为高附加值的反硝化碳源，还可利用污泥焚烧灰制备催化剂颗粒用于强化本工艺，实现了两种废弃物的协同处置与资源化利用，降低了环境负荷与碳源成本；

33、3.从污泥预处理、协同破壁、定向发酵到产物储存，全流程参数明确、可控，形成了一套完整、稳定、可重复的工艺体系，有利于实际工程应用与推广。