CN102583917A - 一种强化污泥厌氧发酵产酸的城市污泥预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强化污泥厌氧发酵产酸的城市污泥预处理方法。该方法通过联合投加中性蛋白酶和乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA-2Na)，并调节pH和反应温度，使污泥细胞破裂，有机物得到最大程度的释放和优质转化，显著提高了后续厌氧发酵所产有机酸量。试验结果表明，采用本发明的城市污泥预处理方法，污泥中的SCOD浓度提高了18.0-20.0倍，多糖浓度提高了11.0-13.0倍，蛋白质浓度提高了1.5-2.5倍；且此污泥预处理方法具有反应条件温和、效率高和污泥减量化程度深等特点。为最终实现剩余污泥的资源化、减量化和无害化，提供了一种新的方法和思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高污泥厌氧发酵有机酸产量的城市污泥预处理方法，属于污泥处理领域。
背景技术
我国每年产干污泥大约为900万吨，约占总垃圾量的0.3％，并以每年10％以上的速度递增，而污泥处理与处置费用占污水处理的50-60％左右，因此城市污泥的妥善处置迫在眉睫。污泥厌氧发酵产酸是一种很好的解决方式，但由于污泥中的有机物大部分是微生物细胞，为细胞壁所包裹，污泥细胞内有机质的溶出及其优质转化成为限制污泥厌氧发酵产酸的关键步骤。对于污泥的预处理方法国内外已有报道，但是大多是物理和化学方法(Carrere et al，2010)，其能耗大，费用高，且易产生恶臭气体等二次污染物(如硫化氢等)，不利于工业化生产和环境保护。
目前，国内外对污泥的酶法预处理研究主要集中在嗜热菌酶、纤维素酶和碱性蛋白酶等，且效果都不太理想，这主要是因为嗜热菌酶和碱性纤维素酶需要在碱性条件及较高温度才能发挥其最大酶活。同时污泥内的有机物组成也会影响上述酶的处理效果，污泥中的有机物主要是蛋白质和多糖等碳水化合物，而蛋白质的含量通常可以达到70％左右(Wen-rong Hu et al，2010)，所以纤维素酶等酶制剂的作用效果非常有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提高污泥厌氧发酵有机酸产量的城市污泥预处理方法，利用中性蛋白酶和EDTA-2Na的联合作用，破坏污泥细胞结构，最大程度地促进污泥中有机物的融出，为提高剩余污泥厌氧发酵产酸效率提供一种高效、条件温和、环保的污泥预处理方法及运行参数。
本发明提出采用中性蛋白酶催化水解预处理方法，使污泥细胞发生裂解，细胞内有机质能最大化地释放，并实现优质转化，以提高污泥有机物的可利用性，增加污泥厌氧发酵产酸产量；蛋白酶反应条件温和、效果显著、耗能较小；同时，作为一种生物处理方法，蛋白酶法预处理对环境的影响很小或者没有。中性蛋白酶是由枯草芽孢杆菌发酵并提取所得，属于一种内切酶，所需反应条件温和，可用于各种蛋白质水解处理，具有较高的活性，有利于污泥的水解，对污泥发酵产酸资源化利用具有重要意义。
蛋白酶的价格比较昂贵，为了减少处理费用，发挥酶的最大活性，本发明推出了联合投加中温蛋白酶和EDTA-2Na盐的污泥预处理的方法。EDTA-2Na盐是一种强效螯合剂，具有很高的稳定常数。它能够改变微生物的细胞结构，促进细胞胞外物质与污泥细胞的分离，并溶解在水相中；进而减轻了蛋白酶与污泥细胞的结合强度，提高了蛋白酶再次与其他底物结合并发生水解反应的效率。因此联合投加中性蛋白酶和EDTA-2Na盐能够显著促进蛋白酶对污泥的催化水解作用，对污泥中有机物的水解有重要意义。
综上所述，利用中性蛋白酶和EDTA-2Na联合预处理剩余污泥，能够最大程度地促进污泥厌氧发酵产酸，为解决目前污泥处理处置难、成本高以及资源化利用效率低等问题，提供了一种新的方法。
本发明所提供的城市污泥预处理方法，其步骤为：首先将城市污泥调节到70.0-80.0gTS/L，然后加入EDTA-2Na溶液，混匀，接着加入中性蛋白酶，混匀，并调节反应温度为45.0-55.0℃，pH为6.5-7.5，低速搅拌反应。
中性蛋白酶的活力在85000-95000PU/g，投加量为15-25mg/gTS，其中中性蛋白酶投加量优选为1800PU/gTS。
将EDTA-2Na配制成2.0-3.0g/ml的溶液，投加量为0.1-0.3g/gTS，其中优选投加量为0.25g/gTS。
污泥预处理的运行方式：间歇进、出泥，反应时间为1h。
本发明提供的方法可大大提高污泥中可生物利用性有机酸的含量，污泥中的SCOD(溶解性COD)浓度提高了18.0-20.0倍，多糖浓度提高了11.0-13.0倍，蛋白质浓度提高了1.5-2.5倍；且此污泥预处理方法具有反应条件温和、效率高等特点。此外，通过液化污泥固体物质，使得污泥总量下降，可以实现约40％的污泥总固体(TS)减量化，为最终实现剩余污泥的资源化、减量化和无害化，提供了一种新的方法和思路。
附图说明
图1不同浓度中性蛋白酶对污泥释放SCOD的影响
图2不同浓度的EDTA-Na盐和温度对中性蛋白酶污泥预处理的作用效果影响，2-a：污泥液相中SCOD的变化，2-b：污泥液相中多糖浓度的变化，2-c：污泥液相中蛋白质浓度的变化
图3不同的pH对中性蛋白酶预处理污泥液相中SCOD浓度的影响
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1、蛋白酶浓度和酶解时间对污泥预处理效果的影响
污泥取自无锡芦村污水处理厂二沉池脱水后的污泥，浓度为75gTS/L，分别置于5个相同的用锥形瓶中，然后依次加入中性蛋白酶0、5、10、15和20mg/gTS，在转速为120r/min的搅拌条件下反应2.0h，且各自分别在0.5、1.0、1.5和2.0h的反应时间点取样，测量水样的SCOD。结果表明，当中性蛋白酶浓度为20mg/gTS，搅拌时间为1.0h时，污泥上清液中SCOD可以达到1118.8mg/L，较预处理的污泥溶液提高了1.8倍。
实施例2、温度和EDTA-2Na盐浓度对污泥预处理的影响
污泥来源和其它实验条件同例1，且酶浓度和搅拌时间分别固定在20mg/gTS和1.0h，EDTA-2Na浓度设置为五个水平：0、0.05、0.1、02和0.4g/gTS，各个水平分别都在温度35、45、55和65℃下搅拌反应1.0h。结果表明，当EDTA-2Na的浓度为0.2g/gTS，温度为55℃时，污泥中SCOD浓度可以达到8470.0mg/L，多糖达到2695.1mg/L，蛋白质浓度达到156.7mg/L，较未预处理污泥溶液分别提高了20.0、12.5和2.1倍。
实施例3、pH对污泥预处理效果的影响
污泥来源和其它实验条件均同例1，设置温度为55℃，EDTA-2Na盐浓度为0.2g/gTS，酶浓度为20mg/gTS，搅拌时间为1h，在不同的初始pH(4.0，5.0，6.0，7.0，8.0)条件下预处理污泥。结果表明，当初始pH为7.0时，污泥中SCOD浓度达到8621.32mg/L，较未预处理污泥溶液提高了20.4倍。
虽然本发明已以较佳实例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (6)
1.一种强化污泥厌氧发酵产酸的城市污泥预处理方法，其步骤包括：首先将城市污泥调节到70.0-80.0g TS/L，然后加入EDTA-2Na溶液，混匀，接着加入中性蛋白酶，混匀，并调节反应温度为45.0-55.0℃，pH为6.5-7.5，低速搅拌反应。
2.根据权利要求1所述的城市污泥预处理方法，其特征是中性蛋白酶的活力在85000-95000PU/g，投加量为1350-2250PU/gTS。
3.根据权利要求1或2所述的城市污泥预处理方法，其特征是中性蛋白酶投加量为90000PU/gTS。
4.根据权利要求1所述的城市污泥预处理方法，其特征是将EDTA-2Na配制成2.0-3.0g/ml的溶液，投加量为0.1-0.3g/gTS。
5.根据权利要求1或4所述的城市污泥预处理方法，其特征是将EDTA-2Na投加量为0.2g/gTS。
6.根据权利要求1所述的城市污泥预处理方法，其特征是pH为7，温度为55℃。
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