CN102424507A - 利用强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法 - Google Patents

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李克勋
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Abstract

本发明涉及一种利用强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法，属于固体废弃物处理技术领域。所述方法是将城市污水处理厂剩余污泥经重力浓缩，之后加入一定量次氯酸钠，快速搅拌后送入超声波反应器中进行超声处理。经过超声波和次氯酸钠的共同作用，污泥中细菌细胞壁结构被破坏，细胞内含物外泄，水中溶解性有机物含量增加，经过一定时间的处理，将污泥送入厌氧消化反应器中进行后续的中温厌氧消化；厌氧消化产生的生物气体经过气体收集装置后综合利用。经处理后污泥液相中SCOD浓度提高了约27倍，生物气产量提高了54.4％，生物气中甲烷含量提高了约10％，在很大程度上降低了超声波处理的能耗。本发明对于不同规模的污水处理厂，只需在现有的处理设施上做相应的改造即可取得良好的效果。

Description

利用强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种利用强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法。
背景技术
目前，我国城市污水处理厂大多采用生物处理工艺，但生物处理存在一个弊端，就是产生大量的剩余污泥。剩余污泥极易腐败，因此需要经过稳定化处理才能加以利用或处置。厌氧消化是目前国内外最为常用的污泥稳定化技术。
污泥的厌氧消化过程可分为水解阶段，产氢产乙酸阶段以及产甲烷阶段。在水解阶段难溶有机物以及高分子化合物例如类脂，多糖，蛋白质以及核酸等被转化成溶解性有机物。这些小分子物质在酸化阶段进一步被降解，酸化阶段的最终产物是乙酸、氢气以及二氧化碳，之后产甲烷菌将酸化阶段的产物转化为甲烷[1]。通常研究认为蛋白质和多糖的水解酸化是其限速步骤[2]。剩余污泥中大部分有机物质存在于微生物细胞内，微生物的细胞壁具有稳定的半刚性结构，起着保护细胞的作用。微生物细胞壁属于难生物降解物质[3]，因此，污泥厌氧消化时间较长(20-30d)，而有机物的降解率仅为25％-60％[4]。
为了提高厌氧消化速率，缩短污泥停留时间，国内外对污泥预处理技术展开多项研究，通过预处理[5]污泥中难生物降解的大分子有机物可转化为小分子易于生物降解的物质，使细胞内含物溶出，进入水相，与胞外酶相接触，水解为小分子化合物，从而提高厌氧消化速率。
超声波技术是一种有效的污泥破解方法，并且操作简便，受到广泛关注。超声波辐射液体时会产生超声空化现象，可使局部温度达到5000K，压力达到100MPa，从而引发许多物理化学反应[6，7]。用超声波技术处理污泥，就是利用超声波在液体中产生的空穴作用，形成极端的物理和力学条件，将污泥内微生物细胞壁击破，分解污泥絮体，使絮体尺寸变小，同时释放出酶，酶使未被击破的微生物细胞失去对污泥罐中发酵环境的适应能力，从而促进水解和消化的进行[8，9]。大量研究表明，超声波处理可提高污泥厌氧消化的生物产气量和有机物去除率，缩短厌氧消化时间。但是传统的超声波处理不仅能耗高、时间长而且剩余污泥的破壁效果较差。
发明内容
本发明的目的是提出一种利用强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法，针对传统污泥厌氧消化中存在的不足，通过向污泥中投加次氯酸钠并同时进行超声处理，提高污泥可生化性，促进厌氧消化反应的进行，实现城市污水处理厂污泥的减量化、资源化。
本发明提出的利用强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法，具体步骤如下：
将从污水处理厂污泥浓缩池中污泥进行浓缩使污泥含水率达到90-99％，加入一定量的次氯酸钠，反应30s-10min后送入超声波反应器中进行超声处理；经过超声波和次氯酸钠的共同作用，剩余污泥中细菌细胞壁结构被破坏，细胞内含物外泄，水中溶解性有机物含量增加。
将经过强化预处理的剩余污泥送入厌氧消化反应器中进行后续的中温厌氧消化；消化产生的生物气体经过气体收集装置加以综合利用。
本发明中，所述次氯酸钠的加入量与污泥总固体之比控制在1-10mg/g TSS。
本发明中，所述超声波频率为低频20KHz-25KHz，声能密度为0.1-3W/mL，超声波处理时间为5-60min。
本发明中，所述中温厌氧反应器温度为33-37℃，反应器中初始有机物负荷为100mgSCOD/gVSS-200mgSCOD/gVSS，剩余污泥投料比为20％-50％，采用搅拌器使污泥混合，固体停留时间为1-13天。
有益效果
超声处理协同次氯酸纳强化预处理剩余污泥，有助于微生物细胞壁的破碎，提高胞内物质的外泄从而增加水中可溶性有机物含量，促进后续厌氧消化性能。根据试验结果可知超声波与次氯酸钠联合预处理可有效提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化效果。经处理后污泥液相中SCOD浓度提高了约27倍，生物气产量提高了54.4％，生物气中甲烷含量提高了约10％，在很大程度上降低了超声波处理的能耗。
具体实施方式
本发明提出的利用强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法包括以下步骤：
将城市污水处理厂剩余污泥进行重力浓缩，之后加入次氯酸钠，快速混匀后送入超声波反应器中进行超声处理，经过超声和次氯酸钠的共同作用，污泥中细菌细胞壁结构被破坏，细胞内含物外泄，水中溶解性有机物含量增加，经过一定时间的处理，将污泥送入厌氧消化反应器中进行后续的中温厌氧消化；消化产生的生物气体经过气体收集装置进行收集，测定甲烷含量加以综合利用。
本发明中需要的几个技术参数分别为超声波处理时间、超声波频率、超声波声能密度、厌氧消化温度以及超声波与次氯酸钠联合预处理污泥的比例。其中超声波声能密度、超声波处理时间以及次氯酸钠投加量是本技术的关键参数，过弱的超声波不能有效地破坏污泥微生物细胞壁，过强的超声波能耗过大，难以实现处理技术的经济化，投加一定量的次氯酸钠有助于降低能耗。本发明中超声波为低频率20kHz-25kHz，声能密度控制在0.1-3W/mL，超声波处理时间为5-60min，次氯酸钠的投加量控制在1-10mg/gTSS，厌氧消化为中温厌氧消化。本发明使污泥厌氧消化产气量提高了30.9％-54.4％，生物其中甲烷含量提高了约10％，污泥的资源化利用效果显著增加。由于各地污水水质及所采用的处理工艺有所差别，这几个参数也会产生相应变化，因此在不违背本发明的实质和所附权利要求范围的前提下，可对本发明中关键参数做适当调整。
实施例1：
某城市污水处理厂剩余污泥经重力沉降后，污泥含水率为97.51％，向污泥中加入有效氯含量为3.58％的次氯酸钠溶液，使污泥中有效氯含量为2.01mg/gTSS，快速搅拌30s，之后采用20kHz，1W/mL的超声波处理1h，取500mL联合预处理后的污泥样与厌氧接种污泥以1∶1比例送入厌氧消化反应器，厌氧反应器中初始有机物负荷为159.36mgSCOD/gVSS，置于35±2℃恒温室中进行中温厌氧消化，厌氧消化过程中使用磁力搅拌器对污泥进行搅拌。经过预处理，污泥液相中溶解性化学需氧量可达到4358.71mg/L，比未处理污泥增加了约27.32倍。超声波与次氯酸钠联合预处理后的污泥厌氧消化13天，生物气产量达到1021mL，比未经处理的污泥增加了34.87％，预处理后污泥厌氧消化生物气中甲烷含量约为75％-80％，而未经处理污泥厌氧消化生物气中甲烷含量约为65％-68％。
实施例2：
某地污水处理厂剩余污泥，经过重力沉降后性质如下表所示。
Figure BSA00000597987200031
向污泥中加入有效氯含量为3.58％的次氯酸钠溶液，使污泥中有效氯含量为4.02mg/gTSS，搅拌混合30s，之后采用20kHz，1W/mL的超声波处理1h，取500mL联合预处理后的污泥样与厌氧接种污泥以1∶1比例送入厌氧消化反应器，厌氧反应器中初始有机物负荷为177.88mg/gVSS，置于35±2℃恒温室中进行中温厌氧消化，厌氧消化过程中使用磁力搅拌器对污泥进行搅拌。经过预处理，污泥液相中溶解性化学需氧量可达到4408.67mg/L，比未处理污泥增加了约27.65倍。超声波与次氯酸钠联合预处理后的污泥厌氧消化13天，生物气产量达到1169mL，比未经处理的污泥增加了54.43％，预处理后污泥厌氧消化生物气中甲烷含量约为70％-75％，而未经处理污泥厌氧消化生物气中甲烷含量约为62-69％。
实施例3：
某城市污水处理厂剩余污泥经重力沉降污泥含水率达到97.53％，向污泥中加入有效率含量为3.58％的次氯酸钠溶液，使污泥中有效氯含量为8.04mg/gTSS，快速搅拌10min，之后采用20kHz，1W/mL的超声波处理1h，取500mL联合预处理后的污泥样与厌氧接种污泥以1∶1比例送入厌氧消化反应器，反应器中初始有机物负荷为152.94mgSCOD/gVSS，置于35±2℃恒温室中进行中温厌氧消化，厌氧消化过程中使用磁力搅拌器对污泥进行搅拌。经过预处理，污泥液相中溶解性化学需氧量可达到4738.41mg/L，比未处理污泥增加了约29.79倍。超声波与次氯酸钠联合预处理后的污泥厌氧消化13天，生物气产量达到991mL，比未经处理的污泥增加了30.91％，预处理后污泥厌氧消化生物气中甲烷含量约为73％-81％，而未经处理污泥厌氧消化生物气中甲烷含量约为62％-69％。

Claims (4)

1.利用强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法，具体步骤如下：
将城市生活污水处理厂剩余污泥经重力浓缩，之后加入一定量次氯酸钠，快速搅拌后送入超声波反应器中进行超声处理，并同时加入次氯酸钠；经过超声和次氯酸钠的共同作用，污泥中细菌细胞壁结构被破坏，细胞内含物外泄，水中溶解性有机物含量增加，经过一定时间的处理，将污泥送入厌氧消化反应器中进行后续的中温厌氧消化；消化产生的生物气体经过气体收集装置后综合利用。
2.根据权利要求1所述强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法，其特征在于：所述超声频率为低频20KHz-25KHz，超声波处理时间为5-60min。
3.根据权利要求1所述强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法，其特征在于：次氯酸钠的加入量与污泥总固体之比为1-10mg/gTSS。
4.根据权利要求1所述强化预处理促进剩余污泥厌氧消化的方法，其特征在于：所述中温厌氧反应器温度为33-37℃，处理后污泥投料比为20％-50％，反应器中初始有机物负荷为100mgSCOD/gVSS-200mgSCOD/gVSS，采用搅拌器使污泥混合，固体停留时间1-13天。
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