本發明涉及一種污泥處理方法，特別涉及一種污泥破壁技術以及從污泥中提取有機質組分和碳化顆粒實現污泥資源化處理的方法，屬于污水資源綜合利用技術領域。
背景技術：
自從2007年國家發改委提出節能減排的法案以后，越來越多的人們提出了節能減排的金點子。加上近年來頻頻發生的自然災害和氣候變化大的現象，國家又于2008年提出了“低碳”的概念，到了今年也越來越多的人宣揚低碳生活了。隨著經濟的快速發展，我國的城市污水和工業廢水的處理率也在逐年地提高，同時也伴隨著處理污廢水中也產生了大量的污泥，據了解，2009年，我國城鎮污水處理廠統計有1992座，全年污水處理量達280億m3，相比“十五”初期增加一倍，產生含水率80％的污泥約2005萬噸。我國各城市污水處理廠產生的濕污泥將達3000多萬噸，占我國年總固體廢棄物排放量的5％以上。如果污泥處置不當，不但占用大量的有限耕地，還會對地表環境和地下水造成嚴重的污染。據統計，現階段我國的城市生活污泥和工業污泥的處理利用率不足10％，距發達國家如美國的處理利用率60％～70％相差甚遠。在污水處理總投資中，污泥處理設施的成本占到50％～75％。而且國家每年用于污泥填埋的費用大約為50～100元/噸左右，由上面知，2009年我國產生2500萬噸的污泥，那么總費用大約為125000～250000萬元，計12億～25億元。所以開發新的、先進的技術，對污泥有效地處理處置，使之變廢為寶，又不損害環境，危害人體健康，開辟環境友好道路，走上良性發展的軌道是我們持之以恒的目標。
活性污泥法是目前世界上應用最廣泛的污水生物處理技術，但其弊端是會產生大量的剰余活性污泥。這些剩余活性污泥通常含有一定量的有毒有害物質(如寄生蟲卵、病原微生物、重金屬)及未穩定化的有機物，如果不進行妥善的處理與處置，將會對環境造成直接或潛在的污染。活性污泥是微生物群體及它們所依附的有機物質和無機物質的總稱。微生物群體主要包括細菌，原生動物和藻類等。其中，細菌和原生動物是主要的兩大類。活性污泥從外觀上看，似絮絨顆粒，統稱生物絮凝體，其粒徑一般介于0.02-0.2MM之間。城市污水生物處理廠剩余污泥的處理與處置是一個較為棘手的問題。其處理費用占到污水處理廠總運行費用的25％40％，甚至高達60％；通常采用的污泥中溫厭氧消化工藝，存在著反應速度慢，污泥在池內的停留時間過長，池體體積龐大，操作管理復雜，產氣中甲烷含量低等缺點。污泥厭氧消化過程中，污泥水解是限速步驟。采用一定的預處理方式，可以使細胞壁破裂，細胞內含物溶出，加速污泥的水解過程。從而達到縮短消化時間，減少消化池容積，提高甲烷產量的目的。目前，國內外關于污泥細胞破壁技術的方法有物理法和化學法，物理法有熱處理法、高壓噴射法、超聲波處理法、冷凍處理法、輻照法；化學法有堿處理法、臭氧氧化法等。采用不同的破壁技木，可以促進污泥中細胞的分解和胞內有機質的釋放，提高污泥的消化性能，加快消化速率，提高產氣量。在工程應用中，根據實際需要，開發新型的剩余污泥細胞破壁技術仍是今后重點研究的方向。
污泥碳化技術是在上世紀90年代出現的，其理論基礎研究階段是在1980—1990。到了九十年代中期，已經陸陸續續有小規模的生產階段。97年日本三菱在宇部的污泥碳化廠規模為20噸/天；同年Thermo Energy在加利福尼亞州Colton市建立了一個污泥碳化實驗廠規模為每天處理5噸干泥。因污泥碳化有其明顯的優越性，于是從2000年開始，污泥碳化技術在國外已經進入大規模的商業推廣階段。目前，日本已經有多家公司生產和銷售碳化裝置。比較著名的有荏原公司的碳化爐，三菱公司橫濱制作所的污泥碳化裝置，巴工業公司每天處理30噸的污泥碳化裝置。2005年日本東京下水道技術展覽會上，日本日環特殊株式會社甚至推出了標準的污泥碳化減量車。該車可以隨時到任何有污泥的場所對污泥進行碳化。近期日本巴工業公司還研發了污泥連續碳化技術。在此期間，美國也在不斷地完善污泥碳化技術。目前在南加州大洛杉磯地區，經過近2年的考察、比較，已經決建立了一個每天處理675噸污泥的碳化廠，由能源技術公司(Enertech Environmental Co.)建設、運行。除了日本和美國，澳大利亞ESI公司也建設了一座100噸/日的碳化處理廠。近幾年來，我國也在不斷的向國際接軌，碳化技術進入國內市場。2009年1月11日，中國通用技術咨詢顧問有限公司，日本巴工業株式會社，湖北搏實城鄉環境能源工程有限公司協辦的“關于中日污泥碳化技術研討會”在湖北省武漢市洪廣大酒店成功舉辦。會上，中國準備引進日本先進的碳化技術并經消化吸收優化，用于武漢污泥處置項目上。同時，哈爾濱凝智科技有限公司也推出了污泥干燥碳化設備。
然而，污泥含水量大、干燥碳化成本高，污泥資源化依然面臨巨大問題。因此，如何實現污泥生物組分的高效破壁降低污泥含水量，并實現污泥資源的高效綜合利用，對于解決我國乃至世界水處理問題具有重大意義。
技術實現要素：
針對現有技術中各種處理污泥破壁及資源化方法存在成本高、效率低等缺陷，本發明的目的是在于提供一種能快速、高效，低成本實現污泥生物體細胞破壁，并從污泥中提取有機質和碳化顆粒物實現污泥資源化的方法，該方法過程簡單、操作方便，滿足工業化生產要求。
為了實現上述技術目的，本發明提供了一種污泥資源化處理的方法，該方法是將污泥采用生物酶處理后，與磁性介質混合，轉入污泥細胞破壁裝置內進行破壁處理；破壁處理所得污泥通過磁選回收磁性介質后，進行固液分離；固液分離所得溶液組分經過濃縮、醇沉、干燥，得到有機質組分；固液分離所得固體組分經過炭化，得到碳化顆粒。
優選的方案，采用生物酶處理污泥的過程為：在污泥中按加入100～500g/t比例加入生物酶，在攪拌速率為300～500r/min、溫度為15～30℃、pH為5～8的條件下反應1～3h。
較優選的方案，所述生物酶由α-葡聚糖酶、β-葡聚糖酶、果膠酶、蛋白酶、甘露糖酶、蝸牛酶按質量比例10:8～12:1～3:0.5～1.5:0.5～1.5:0.5～1.5組成。生物酶可以促進細胞壁組分分解，例如纖維素等。
優選的方案，所述磁性介質在污泥中的加入量為1～5kg/t。
優選的方案，所述磁性介質的粒度小于37μm。
較優選的方案，所述磁性介質包括磁鐵礦、磁赤鐵礦、磁黃鐵礦、稀土磁性材料中至少一種。
優選的方案，所述污泥細胞破壁裝置包括射流給料系統、礦漿高壓循環空化系統、高強度磁性介質粉磨系統和冷卻系統；所述高強度磁性介質粉磨系統包括磁性攪拌筒和攪拌器，攪拌器設置在磁性攪拌筒內中心部位，磁性攪拌筒內填充有研磨介質；所述磁性攪拌筒上部設有出料口，下部設有進料口和循環漿料入口；所述射流給料系統包括入料管道，入料管道上設有文丘里管和給漿泵，入料管道一端與所述進料口連接；所述礦漿高壓循環空化系統包括循環管道，循環管道上設有文丘里管和循環泵，循環管道一端與循環漿料入口連接，另一端從磁性攪拌筒頂部伸入磁性攪拌筒內的上部；所述磁性攪拌筒外部設有冷卻系統。
較優選的方案，所述磁性攪拌筒內壁設有磁性襯板。磁性襯板的設置主要作用是在于保護磁性攪拌筒，磁性襯板的表面可以吸附一部分強磁性顆粒，形成一層保護層，減少粉磨過程中對磁性攪拌筒的沖擊和磨損。
較優選的方案，所述磁性襯板的磁場強度為500～800GS。
較優選的方案，所述攪拌器包括攪拌柱，攪拌柱上設有若干組交叉排布的攪拌棒；所述攪拌柱一端延伸至磁性攪拌筒頂部外與傳動系統連接。通過設置多組攪拌棒能使研磨介質和超細磁性助磨介質充分發揮其對污泥的研磨作用，促進微生物體快速、高效破壁。
較優選的方案，所述研磨介質在磁性攪拌筒內的填充率為30～60％；所述研磨介質包括球徑為Φ120mm、Φ100mm、Φ80mm、Φ60mm和Φ40mm的鋼球和/或陶瓷球，其中，球徑為Φ120mm和Φ100mm的鋼球和/或陶瓷球數量比例為30％～40％、球徑為Φ80mm的鋼球和/或陶瓷球數量比例為30％～40％、球徑為Φ60mm和Φ40mm的鋼球和/或陶瓷球數量比例為20～40％。
較優選的方案，所述冷卻系統包括夾層式循環水冷卻套，夾層式循環水冷卻套包裹在磁性攪拌筒外部。
較優選的方案，所述夾層式循環水冷卻套下部設有冷卻水入口，上部設有冷卻水出口。
較優選的方案，所述文丘里管最細處最大壓強不低于30MPa，且最細處與最粗處比例不大于1:50；所述文丘里管最細處設有空氣入口。通過在循環管道及入料管道上設置文丘里管，一方面產生超強壓強，在瞬間增壓、釋壓過程中會造成細胞的膨脹破裂，另一方面吸氣作用會在釋壓過程中形成氣泡空化作用，對細胞壁起到炸裂作用，同時形成的微細粒氣泡在析出、變大過程中會通過拉伸作用促進團聚顆粒分散。
優選的方案，破壁處理過程中，攪拌器的攪拌速率大于5000r/min，破壁時間為5～15min。
本發明的技術方案中，在污泥中添加了磁性介質，磁性介質作用體現在兩方面，一方面，磁性介質吸附在顆粒物上形成磁性顆粒，磁性顆粒物吸附在磁性襯板表面，起到對磁性攪拌筒內起到保護作用，另一方面，超細磁性助磨介質對顆粒物起到擠壓、摩擦或剪切作用，促進污泥生物體細胞壁破壁，同時磁性介質可以通過磁分離技術循環利用，使用方便。
本發明利用污泥細胞破壁裝置用于污泥細胞破壁的具體過程為，將污泥原料通過射流給料系統輸入污泥生物體細胞破壁裝置的磁性攪拌筒內，開啟傳動系統使攪拌器攪拌，污泥在研磨介質和磁性介質作用下進行粉磨，使污泥生物體細胞破壁，同時開啟礦漿高壓循環空化系統使污泥漿料在磁性攪拌筒內外循環，以及開啟冷卻系統維持磁性攪拌筒內溫度恒定，直至污泥生物體細胞破壁完成。
本發明的技術方案中的污泥原料為活性污泥。如市政污水及工業污水等經過生化處理得到的污泥。這些污泥包含大量的微生物體。其含水率一般在65～85％。
本發明的技術方案中污泥中的磁性介質可以通過磁選機進行回收，磁選機采用的磁場強度為800～1500GS。
本發明從污泥原料中得到的有機質組分包括多糖和蛋白質等。
本發明通過過濾系統或離心系統進行固液分離。
本發明的有機質組分作為含鐵礦物和/或含鈣礦物的抑制劑，改變其表面潤濕性，實現有用組分與脈石礦物的高效分離。
本發明的固體組分含水量低于40％，為毫米級顆粒。將其加入到炭化爐中，隔絕空氣，加溫到700～800℃，碳化30～60分鐘，進而得到具有特定性能的碳化顆粒，可以作為吸附材料或者燃料。
本發明的碳化顆粒粒徑為1～10mm，固定碳質量百分比含量占25％～40％，灰分質量百分比含量占50％～70％。
本發明還提供了所述方法制備的有機質組分在礦物浮選中的應用，將其作為含鐵礦物和/或含鈣礦物的表面活性劑應用于礦物浮選。
優選的方案，所述有機組分相對礦物的添加量為200～500g/t。
優選的方案，所述含鐵礦包括磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、黑鎢礦、石榴石中至少一種。
優選的方案，含鈣礦物包括方解石、螢石、白云石、磷灰石、白鎢礦中至少一種。
本發明的污泥生物體細胞破壁裝置關鍵部分為：高速攪拌粉磨系統和高壓射流循環系統，二者互補、相輔相成。高速攪拌粉磨系統原理：采用攪拌式碎磨，輸入功率直接高速推動研磨介質來達到磨細物料的目的。磁性攪拌筒內置攪拌器，攪拌器上設置特殊結構的攪拌棒，攪拌棒在高速回轉過程中使研磨介質和物料在整個筒體內不規則的翻滾，產生不規則運動，使研磨介質之間產生相互撞擊和研磨的雙重作用，致使物料磨得很細并得到均勻分散的良好效果。磁性襯板的主要作用在于保護設備內壁襯板，磁性襯板在表面可以吸附一部分強磁性顆粒，形成一層保護層，減少粉磨過程中對襯板的沖擊和磨損。磁性介質作用體現在兩方面，一反面部分磁性顆粒吸附在磁性襯板表面保護襯板，另一方面作為超細介質擠壓、摩擦或剪切細胞壁，同時磁性介質可以通過磁分離技術循環利用。高壓射流循環系統：采用文丘里管原理，一方面使得碎磨體系中的漿液通過循環方式提高碎磨均勻性和效率；一方面產生超強壓強，在瞬間增壓、釋壓過程中會造成細胞的膨脹破裂，另一方面吸氣作用會在釋壓過程中形成氣泡空化作用，對細胞壁起到炸裂作用，同時形成的微細粒氣泡在析出、變大過程中會通過拉伸作用促進團聚顆粒分散。
相對現有技術，本發明的技術方案帶來的有益效果：
本發明的技術方案利用生物酶對污泥生物細胞壁進行預處理，破壞或削弱大部分細胞壁結構，在此基礎上采用污泥細胞破壁裝置進行深度破壁，釋放細胞有機質，再通過固液分離技術進行有機質和固體顆粒回收，有機組分作為礦物浮選表面改性劑，固體組分經干化造粒作為燃料使用，實現了污泥的資源化利用。
本發明的技術方案能快速、高效，低成本實現污泥生物體細胞破壁，從污泥中提取有機質作為礦物浮選表面活性劑并實現污泥組分的碳化，過程簡單、操作方便，滿足工業化生產。
本發明的技術方案中采用了污泥細胞破壁裝置，其根據Maurice模型、高壓均質原理、水力空化原理、氣泡拉伸分散原理及靜態旋流原理等設計而成，充分利用射流給料系統及礦漿高壓循環空化系統在射流過程中產生的高壓空化力，利用高強度磁性介質粉磨系統粉磨過程中的沖擊及剪切力對細胞壁進行深度破壞，同時通過氣泡拉伸作用防止顆粒團聚以及超細磁性介質強化破壁效率，實現污泥為微生物組分的快速、高效破壁，釋放細胞液和細胞壁組分，細胞破壁率大于95％。
附圖說明
【圖1】為本發明的污泥生物體細胞破壁裝置簡圖；
其中，1為傳動系統，2為攪拌柱，3為攪拌棒，4為研磨介質，5為磁性介質，6為磁性襯板，7為夾層式循環水冷卻套，8為給漿泵，9為空氣入口，10為出料口，11為循環泵，12為空氣入口，13為進料口，14為冷卻水入口，15為循環漿料入口，16為循環管道，17為入料管道，18為文丘里管，19為冷卻水出口。
具體實施方式
以下實施例旨在進一步說明本發明內容，而不是限制本發明的保護范圍。
以下實施例中采用的污泥生物體細胞破壁裝置簡圖如圖1所示。污泥生物體細胞破壁裝置主體包括射流給料系統、礦漿高壓循環空化系統、高強度磁性介質粉磨系統和冷卻系統。高強度磁性介質粉磨系統主要包括磁性攪拌筒和攪拌器，磁性攪拌筒的內壁設有磁性襯板6，磁性襯板的磁場強度為500～800GS。攪拌器設置在磁性攪拌筒內中心部位，攪拌器包括攪拌柱2和三組攪拌棒3，每組攪拌棒由兩根攪拌棒按一定角度(最好是相互垂直)交叉排布，攪拌柱的一端延伸至磁性攪拌筒外部與外部的傳動系統1連接。磁性攪拌筒內填充有研磨介質4和磁性介質5(磁性介質可以與污泥一起加入)，研磨介質一般為鋼球，其在磁性攪拌筒內的填充量為30～60％，球徑為Φ120mm和Φ100mm的鋼球數量比例為35％、球徑為Φ80mm的鋼球數量比例為35％、球徑為Φ60mm和Φ40mm的鋼球數量比例為30％。超細磁性助磨介質為粒徑小于37μm的磁性顆粒材料，如磁鐵礦、磁赤鐵礦、磁黃鐵礦、稀土磁性材料等，其添加量根據污泥的量來確定。所述磁性攪拌筒上部設有出料口10，下部設有進料口13和循環漿料入口15。所述射流給料系統包括入料管道17，入料管道上設有文丘里管18和給漿泵8，入料管道一端與所述進料口連接，文丘里管相設置在漿泵與進料口之間。所述礦漿高壓循環空化系統包括循環管道16，循環管道上設有文丘里管和循環泵11，循環管道一端與循環漿料入口連接，另一端從磁性攪拌筒頂部伸入磁性攪拌筒內的上部，文丘里管設置在循環泵與循環漿料入口之間，文丘里管最細處最大壓強不低于30MPa，且最細處與最粗處比例不大于1:50；所述文丘里管最細處設有空氣入口9。所述磁性攪拌筒外部設有冷卻系統，冷卻系統包括夾層式循環水冷卻套7，夾層式循環水冷卻套包裹在磁性攪拌筒外部。所述夾層式循環水冷卻套下部設有冷卻水入口14，上部設有冷卻水出口19。
實施例1
利用本工藝方法處理市政污水處理廠市政污泥，其含水量約81％。向污泥中加入復合酶200g/t(復合酶由α-葡聚糖酶、β-葡聚糖酶、果膠酶、蛋白酶、甘露糖酶和蝸牛酶按質量比例10:10:2:1:1:1組成)，用氫氧化鈉調節pH為7.5，維持溫度20-25℃，以500r/min速度攪拌2h，進行污泥生物細胞壁預處理；然后向污泥中加入細度為小于37μm的磁性介質(磁鐵礦)1000g/t，轉入鋼球填充率為50％的攪拌式高速粉磨機中進行高速(轉速約為6000r/min)粉磨10min，進行深度破壁；破壁完成后用磁場強度為800GS的磁選機回收磁性介質并回用，污泥經離心機離心進行固液分離，上層清液經過濃縮、醇沉和干燥處理后得多糖和蛋白質有機物質；固體組分進入溫度為800℃的碳化爐60min，獲得碳化顆粒粒度1-10mm，固定碳含量40％，灰分含量60％，可作為吸附劑和燃料。
有機組分用作柿竹園螢石浮選抑制劑，柿竹園螢石礦原礦CaF2含量21％，方解石含量6.8％，石榴子石含量34％。螢石浮選過程中污泥有機質作為方解石和石榴子石抑制劑，粗選用量為500g/t，精一至精九用量分別為100、100、50、50、50、30、30、20、10g/t,獲得CaF2品位大于93％的螢石精礦，方解石含量小于1％。
表1柿竹園螢石浮選試驗結果
實施例2
利用本工藝方法處理工業園區污水處理廠活性污泥，其含水量約72％。向污泥中加入復合酶300g/t(復合酶由α-葡聚糖酶、β-葡聚糖酶、果膠酶、蛋白酶、甘露糖酶和蝸牛酶按質量比例10:12:1:1.5:0.8:0.8組成)，用氫氧化鈉調節pH為7.8，維持溫度20-25℃，以300r/min速度攪拌1h，進行污泥生物細胞壁預處理；然后向污泥中加入細度為小于37μm的磁性介質(磁黃鐵礦)1000g/t，轉入鋼球填充率為30％的攪拌式高速粉磨機中進行高速(轉速約為6000r/min)粉磨15min，進行深度破壁；破壁完成后用磁場強度為500GS的磁選機回收磁性介質并回用，污泥經板框壓濾機進行固液分離，上層清液經過濃縮、醇沉和干燥處理后得多糖和蛋白質有機物質；固體組分進入溫度為700℃的碳化爐50min，獲得碳化顆粒粒度5-10mm，固定碳含量35％，灰分含量65％，可作為燃料。
有機組分用作為鐵礦反浮選抑制劑，馬鞍山鐵礦原礦TFe含量55％，石英含量11.8％，。采用反浮選脫硅技術，十二胺作為螢石捕收劑，污泥有機質作為含鐵組分抑制劑，粗選用量為300g/t，經一粗一精兩掃流程獲得TFe品位大于65％，回收率91％的高品質鐵精礦。