CN101767873B

CN101767873B - 一种快速培养厌氧产氢颗粒污泥的方法

Info

Publication number: CN101767873B
Application number: CN2010100280841A
Authority: CN
Inventors: 刘敏; 陈滢
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: CN101767873A

Abstract

一种快速培养厌氧产氢颗粒污泥的方法。其特点是向反应器中加入经过培养并用阳离子型聚丙烯酰胺60～100mg/L预处理的剩余活性污泥，使反应器内初始污泥浓度为12-25g/L，在中温(34～35℃)条件下，以含糖废水为底物，进水生化需氧量(COD)4000mg/L，pH值7.5～8.5，反应器总水力停留时间从最初15h逐渐降低到3.5h，有机容积负荷从6～10kgCOD/m³.d逐渐增加到30kgCOD/m³.d以上，可以在7d～15d内形成以梭状芽孢杆菌为主体、少量丝状菌和球菌共存的污泥总体积占反应器总容积25％～40％的厌氧产氢颗粒污泥。装填该种颗粒污泥的反应器可以连续生产氢气含量为44％～56％的发酵气体，气体产率为10～16m³/m³ _反应器.d，产氢效率可以达到3.1molH₂/mol蔗糖。

Description

一种快速培养厌氧产氢颗粒污泥的方法

技术领域：

本发明涉及一种快速培养厌氧产氢颗粒污泥的方法，属于生物制氢技术领域。

背景技术：

厌氧发酵法生物制氢技术是通过控制较短的水力停留时间和较低的pH值条件，使有机废水厌氧水解酸化过程中在改善其可生化性的同时，获得可再生清洁能源-氢气，国内外投入了大量的人力物力进行研究。但是，该技术目前还存在一些问题，如反应器效率低、底物转化效率低、产生的发酵气体中氢气的含量和产量不高，因此难以实现工业化生产。但该技术具有开发新能源、节省能源消耗及净化污水等优点，可以从高浓度有机废水中通过生物代谢作用生产氢气，同时还可为减少温室气体排放做贡献，能为社会带来显著的社会效益、经济效益和环境生态效益。

要解决反应器和底物转化效率低的问题，首先是反应器中要持有足够的产酸-产氢微生物，其次是这些微生物形成的絮体应易于泥水分离并能及时返回到生化反应区域。但是，传统的厌氧生物制氢方法一般都是生成絮状活性污泥，微生物絮体结构松散，沉降性相对较差。研究表明，生成颗粒污泥是提高污泥停留时间、增加反应器的生物持有量、提高反应器效率、避免在运行中传统絮状污泥固有缺陷的最具有发展前景的方向。目前培养产氢颗粒污泥的方法是直接采用厌氧污泥作为种泥，但由于厌氧污泥中存在大量的产甲烷细菌，水解酸化过程中产生的氢气大都被其利用，因此很多时候会导致氢气的产率很低；另外，强化产氢过程一般都要降低pH值，在这过程中大量的厌氧细菌会受到抑制甚至会死亡造成大量的污泥上浮，使反应器难以持续稳定运行。针对上述存在的问题，开发了一种利用城市污水处理厂剩余污泥经缺氧培养后作为种泥快速培养厌氧产氢颗粒污泥的方法。本发明将污水处理和能源再生利用有效的结合在一起。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种快速培养厌氧产氢颗粒污泥的方法，其特点是以城市污水厂剩余活性污泥为种泥，预培养后采用阳离子型聚丙烯酰胺混凝处理，以蔗糖废水为主要底物在厌氧产氢反应器中培养厌氧产氢颗粒污泥的方法。

本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述COD浓度、反应器负荷及水力停留时间除特殊说明外均为重要参数。

快速培养产氢颗粒污泥的方法包括以下步骤：

(1)选取城市污水厂剩余活性污泥，加废蔗糖使混合液中COD浓度为1000mg/L，在缺氧状态下培养7天，添加阳离子型聚丙烯酰胺使混合液中混凝剂浓度为60～100mg/L，搅拌1～3min备用；

(2)将步骤(1)中处理好的污泥加入配有三相分离器和循环系统的厌氧产氢反应器，通过控制污泥加入量使反应器中挥发性污泥浓度为12～25g/L；

(3)在步骤(2)所述的反应器中，以COD浓度为4000mg/L，温度控制在34～35℃连续进出水。运行过程中每3～5天投加一次氮、磷、铁、钴、镍营养元素和微量元素，其中浓度比例为COD∶N∶P＝300∶5∶1，微量元素Fe∶Co∶Ni＝10∶1∶1，配制好的溶液中微量元素浓度0.005～0.2g/L；

(4)控制上述反应器的总水力停留时间，从最初15h逐渐降低到3.5h，有机容积负荷从6～10kgCOD/m³·d以步幅5kgCOD/m³·d的速度逐渐增加到30kgCOD/m³·d以上，每次提高负荷以COD去除率在15％稳定5～20个水力停留时间为标准；

(5)在7～15天之内，反应器中可生成外观直径为0.5～2.5mm、沉降速度30～80m/h的以梭状芽孢杆菌为主的少量丝状菌和球菌共存的规则椭球型颗粒污泥，即厌氧产氢颗粒污泥。

性能测试：

采用配置有热导检测器的岛津GC-9A气相色谱仪分析氢气、二氧化碳和甲烷含量，LMF-1湿式防腐气体流量计计量气体产量，配置有标尺的OLMPUS-DP70显微镜测试颗粒直径，1L量筒测试颗粒沉降速度。

测试结果为在7～15天之内，反应器中可生成外观直径为0.5～2.5mm、沉降速度30～80m/h的以梭状芽孢杆菌为主的少量丝状菌和球菌共存的规则椭球型颗粒污泥，颗粒污泥出现后可连续产生发酵气体，产量在10～16L/L_反应器.d，其中氢气含量为44％～56％。

本发明具有以下优点：

1、采用城市污水处理厂剩余污泥经缺氧培养后作为种泥快速形成厌氧产氢颗粒污泥，解决了传统生物制氢启动时间较长、污泥容易流失、效率不高等问题；

2、提高了反应器的氢气产率、底物转化效率和系统的运行稳定性，是一种适用于处理高浓度有机含糖废水的生物制氢方法，为剩余污泥有效利用提供了一条新思路。

具体实施方式：

以下通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明的保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

1、污泥预处理：取城市污水厂剩余活性污泥投加废蔗糖1000mg/L进行培养，每小时定期搅拌5～10分钟，每天经沉淀后换水50％，连续培养一周左右，投加阳离子型聚丙烯酰胺使混合液中混凝剂浓度为80mg/L，搅拌2分钟使其混合均匀，生成棕褐色、沉降性能良好的絮体；

2、向反应器中投加步骤1的污泥作为种泥，反应器中挥发性污泥浓度为14.7g/L；使用的厌氧产氢反应器直径10cm，总容积8L，其中反应区容积3L，回流区2L，反应区和回流区都计为反应器有效反应区域，沉淀区3L；

3、合成有机废水的配制：向自来水中投加4g/L的废蔗糖，同时每3～5天按COD∶N∶P为300∶5∶1投加尿素和KH₂PO₄，配制好的废水COD浓度在4000mg/L左右；投加小苏打控制pH值在7.5～8.5，每3～5天定期投加铁、钴、镍微量元素，铁∶钴∶镍比例为10∶1∶1，配制好的溶液中微量元素浓度0.2g/L；

4、将步骤3配制的合成有机废水用计量泵连续泵入反应器中。反应器初始水力停留时间控制在15h，初始有机容积负荷约8.5kgCOD/m³·d，在进水的同时启动反应器温控系统使系统温度以3～5℃/h的速度逐步上升至35℃，系统内pH值稳定在4～5之间；从加入污泥第二天开始反应器就开始生产氢气，氢气含量在50％左右；每次负荷增加以COD去除率在15％稳定5～20个水力停留时间为标准，以步幅5kgCOD/m³·d的速度将有机容积负荷逐渐增加到30kgCOD/m³·d以上；

5、经过12天的培养，就可以生成规则的颗粒污泥，颗粒污泥内梭状芽孢杆菌为主的少量丝状菌和球菌共存、外观直径为0.5～2mm、沉降速度40～60m/h、呈规则椭球型。污泥体积占反应区的80％左右，发酵气体中氢气含量在45％～56％之间，发酵气体产量13.4L/L.d左右，产氢效率达到2.9molH₂/mol蔗糖。

实施例2：

1、污泥预处理：取城市污水厂剩余活性污泥投加废蔗糖1000mg/L进行培养，每小时定期搅拌5～10分钟，每天经沉淀后换水50％，连续培养一周左右，将培养的活性污泥加热煮沸预处理40min，加阳离子型聚丙烯酰胺使混合液中混凝剂浓度为60mg/L，搅拌3分钟使其混合均匀，生成棕褐色、沉降性能良好的絮体。

2、向反应器中投加经步骤1预处理好的种泥，控制反应器中挥发性污泥浓度为24.6g/L；使用的厌氧产氢反应器直径10cm，总容积8L，其中反应区容积3L，回流区2L，反应区和回流区都计为反应器有效反应区域，沉淀区3L；

3、合成有机废水的配制：向自来水中投加4g/L的废蔗糖，同时每3～5天按COD∶N∶P为300∶5∶1投加尿素和KH₂PO₄，配制好的废水COD浓度在4000mg/L左右；投加小苏打控制pH值在7.5～8.5，每3～5天定期投加铁、钴、镍微量元素，铁∶钴∶镍比例为10∶1∶1，配制好的溶液中微量元素浓度0.005g/L；同时加入营养液[营养液成分为(g/L)：NiCl₂2.5，MgSO₄20.33，MnSO₄3.69，FeCl₃2.46，CuSO₄2.44，NH₄HCO₃37，CoCl₂1.06，ZnCl₂0.42，KI 6.25，(NH4)₆Mo₇O₂₄0.035]；

4、然后将步骤3配制的合成有机废水用计量泵连续泵入反应器中。反应器初始水力停留时间控制在15h，初始有机容积负荷约8.5kgCOD/m³·d，在进水的同时启动反应器温控系统使系统温度以3～5℃/h的速度逐步上升至35℃，系统内pH值稳定在4～5之间。反应器从加入污泥第二天开始就开始生产氢气，氢气含量在46％～56％之间；

5、经过8天的培养，生成规则的颗粒污泥，颗粒污泥内梭状芽孢杆菌为主的少量丝状菌和球菌共存、外观直径为0.5～2mm、沉降速度40～70m/h、呈规则椭球型。污泥体积占反应区的68％左右。此时发酵气体产量10.2L/L.d左右，氢气含量52％左右，产氢效率达到2.6molH₂/mol蔗糖，未检测到CH₄，后续最高产气量达到15.8L/L.d，产氢效率达到3.1molH₂/mol蔗糖。

实施例3：

1、污泥预处理：取城市污水厂剩余活性污泥投加废蔗糖1000mg/L进行培养，每小时定期搅拌5～10分钟，每天经沉淀后换水50％，连续培养一周左右，将培养的活性污泥在密封条件下存储一个月，取出后加阳离子型聚丙烯酰胺使混合液中混凝剂浓度为100mg/L，搅拌1.0分钟使其混合均匀，生成棕褐色、沉降性能良好的絮体；

2、向反应器中投加经步骤1预处理好的种泥，控制反应器中挥发性污泥浓度为18.7g/L；使用的厌氧产氢反应器直径10cm，总容积8L，其中反应区容积3L，回流区2L，反应区和回流区都计为反应器有效反应区域，沉淀区3L；

3、合成有机废水的配制：向自来水中投加4g/L的废蔗糖，同时每3～5天按COD∶N∶P为300∶5∶1投加尿素和KH₂PO₄，配制好的废水COD浓度在4000mg/L左右；投加小苏打控制pH值在7.5～8.5，每3～5天定期投加铁、钴、镍微量元素，铁∶钴∶镍为10∶1∶1，配制好的溶液中微量元素浓度0.1g/L；

4、将步骤3配制的合成有机废水用计量泵连续泵入反应器中。反应器初始水力停留时间控制在15h，初始有机容积负荷约8.5kgCOD/m³·d，在进水的同时启动反应器温控系统使系统温度以3～5℃/h的速度逐步上升至35℃，系统内pH值稳定在4～5之间。反应器从加入污泥第四天开始就开始生产氢气，氢气含量在44％～53％之间；

5、经过14天的培养，生成规则的颗粒污泥，颗粒污泥内梭状芽孢杆菌为主的少量丝状菌和球菌共存、外观直径为0.5～2.5mm、沉降速度40～80m/h、呈规则椭球型。污泥体积占反应区的78％左右。此时发酵气体产量12.1L/L.d左右，氢气含量48％左右，未检测到CH₄，产氢效率达到2.8molH₂/mol蔗糖。

Claims

1.一种快速培养厌氧产氢颗粒污泥的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(3)在步骤(2)的反应器中，以COD浓度为4000mg/L的蔗糖废水为底物，温度控制在34～35℃连续进出水，运行过程中每3～5天投加一次氮、磷、铁、钴、镍营养元素和微量元素，其中营养元素浓度比例为COD∶N∶P＝300∶5∶1，微量元素Fe∶Co∶Ni＝10∶1∶1，配制好的溶液中微量元素浓度0.005～0.2g/L；

(4)控制上述反应器的总水力停留时间，从最初15h逐渐降低到3.5h，有机容积负荷从6～10kgCOD/m³·d以步幅5kgCOD/m³·d的速度逐渐增加到30kgCOD/m³·d，每次提高负荷以COD去除率在15％稳定5～20个水力停留时间为标准；