CN102604996B - 一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法及其在改善中温两相厌氧消化中的应用，将污泥与秸秆混合后进行水解酸化，其中污泥经过低强度超声波预处理，污泥与秸秆混合后水解酸化的发酵液回流处理秸秆，经过发酵液处理的秸秆再与污泥混合后进行水解酸化。本发明改善污泥的中温两相厌氧消化性能，提高污泥的产气量和稳定性，缩短厌氧消化时间。
Description
技术领域
本发明属于污泥处理处置与生物质能源利用领域，更加具体地说，涉及一种污泥处理与处置方法与农作物秸秆能源利用技术，特别涉及一种低强度超声波破解后污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法。
背景技术
活性污泥法处理污水作为一种生物处理过程，广泛应用于城市污水厂和工业污水厂。近年来，城市污水厂数量不断增加，活性污泥法处理污水过程中产生的剩余污泥产量随之迅速的增长，仅2010年一年就产生了超过6百万吨的干污泥。污泥得不到有效地处理与处置会导致一系列的环境问题，我国污泥处置还处于严重滞后的状态。另外，我国每年农作物秸秆产量巨大，农作物秸秆可以作为一种资源加以利用，但是在我国的广大农村地区，农作物秸秆大部分都被直接焚烧或者废弃堆置。这不仅造成了秸秆资源的浪费，因而合理高效利用农作物秸秆资源已经成为整个社会关注的问题。
厌氧消化技术是目前我国大部分污水处理厂处理污泥所最常用的一种工艺，污泥经厌氧消化，产生生物能(沼气)，这样不仅会产生一定的经济效益(沼气可用于发电，转化为高品质燃气)，而且可提高污泥的生物稳定性，削减污泥对环境的污染负荷，对污泥后处置和资源化利用相对有利。总之，从污泥生物能利用和保护环境的角度分析，厌氧消化既是一种可持续发展的技术，也是一种较为经济合理的污泥处理途径。但是反应基质中的C/N比对消化过程有较大影响。一般认为消化原料的C/N值为20∶1～30∶1较为合适。但污泥的C/N值较低，一般都在5∶1以下，反应体系含氮量过高，导致厌氧消化产气量低。将污泥与农作物秸秆(C/N值为50∶1)混合进行厌氧发酵，可调节厌氧消化原料C/N。但是，由于秸秆所含的纤维素为难降解有机物，同时污泥中细胞壁保护细胞免受渗透裂解，造成了秸秆与污泥混合厌氧消化需要较长的水力停留时间，一般为20-30天(d，一天为24h)，这造成了污泥消化构筑物体积巨大，增加了建设和运营成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法及其在改善中温两相厌氧消化中的应用，改善污泥的中温两相厌氧消化性能，提高污泥的产气量和稳定性，缩短厌氧消化时间。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法，将污泥与秸秆混合后进行水解酸化，其中：
所述污泥经过低强度超声波预处理
所述污泥与秸秆混合后水解酸化的发酵液回流处理秸秆，经过发酵液处理的秸秆再与污泥混合后进行水解酸化。
所述污泥选用污水处理厂生物处理系统中排出的剩余污泥，由探头式超声处理器进行破解，经超声破解后，污泥絮体被打碎，液相中总化学需氧量(TCOD)进一步增加2000-5000mg/L。
低强度超声破解剩余污泥最佳条件为：污泥含固率(质量百分数)2-4％，，破解时间为1-10min，优选3-8min；破解所用超声处理器形式为多探头式(例如4-8个探头)，超声频率为20-40kHz，探头直径为20-30mm，超声声能密度为0.2-0.8kW/m3，优选0.5-0.8kW/m3。
所述秸秆可以选用农作物秸秆(例如农作物玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆)，利用机械粉碎机将其粉碎，粉碎后过筛子，筛分后的秸秆存放在通风干燥处保存备用，秸秆粉末尺寸优选20～50目。预处理酸解液来自水解酸化阶段所产生的发酵液，固液比(秸秆质量与发酵液体积比)为1∶10～1∶20，预处理时间为8～36h，优选15-25小时，预处理后农作物秸秆液相中总化学需氧量(TCOD)增加3000-10000mg/L，且液相中纤维素等物质显著增加。
预处理后农作物秸秆与污泥混合，混合质量比为1∶1-1∶2.5，优选为1∶1.4～1∶2.5，进入水解酸化池进行水解酸化，经过发酵液处理秸秆和低强度超声破解剩余污泥后，进入水解酸化池。经上述两步预处理后，两者混合物的水解酸化速度与效率大大加快，经水解酸化后，产生大量挥发性脂肪酸，使发酵液pH值降至2-5，此阶段水力停留时间为20-50h，优选24-48小时，更加优选30-40小时。
上述方法在改善中温两相厌氧消化中的应用，将水解酸化后污泥与秸秆的混合物进入产甲烷池，进入产甲烷阶段，此阶段水力停留时间为120-200小时，优选140-180小时，更加优选150-170小时，甲烷产量可提高80％-150％。
采用超声波预处理污泥，也可以有效提高污泥的水解产酸速率，提高产氢产甲烷量，但是其能耗大的缺点十分突出，有研究指出，单独以超声预处理污泥进行厌氧消化，每提高1m3产气量，平均耗电量提高3.2kWh。酸解处理可以有效的降低农作物秸秆纤维素的平均聚合度，内部表面积增加，结晶度下降，木质素保护层被破坏，从而促进纤维素的降解；而且厌氧消化过程中的水解酸化阶段产生发酵液含有大量的挥发性脂肪酸(VFAs)，可以回流用来预处理秸秆，不仅缩短了消化时间，还节约了成本，充分利用了资源。
在本发明的技术方案中，对污泥和农作物秸秆分别采用低强度超声预处理和酸解预处理后混合进行消化，可以降低超声预处理能耗，改善中温厌氧消化性能，提高产气量和稳定性，缩短消化时间。与传统单纯污泥中温厌氧消化相比，本发明的优点在于：中温厌氧消化原料C/N合适，充分利用水解酸化过程中产生的挥发性脂肪酸，对秸秆进行酸解预处理，并利用低强度超声波处理污泥，有效降低超声预处理能耗，提高污泥液相中有机物含量，最终提高消化产气效率，使得产气量增加，产气中甲烷气体含量增加，并有效的缩短厌氧消化时间。本发明可以应用于污水处理厂中温厌氧消化工艺升级改造、新建中温厌氧消化工艺等，经推广后可以提高污泥处理处置水平，减少污泥产量，充分利用秸秆资源，改善环境质量，产生显著的社会效益和经济效益。
附图说明
图1本发明的技术方案工艺的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例来说明本发明的技术方案。
实施例1
称取玉米秸秆粉末，过20目筛，将玉米秸秆粉末与发酵液按照固液比为1∶10(质量比)充分混合，保证秸秆浸泡于酸性发酵液中。在秸秆预处理池中处理8h。预处理后液相中TCOD提高3000mg/L
含固率2wt％污泥经污泥泵输送至多探头式超声波处理器(6个)进行破解，超声反应器频率为20kHz，探头直径为20mm，声能密度为0.5kW/m3，破解时间为3min。破解后污泥液相中TCOD提高2000mg/L。
预处理后湿玉米秸秆与污泥进入混合池充分混合(混合质量比为1∶1.4)，将混合物饲入水解酸化，水力停留时间24h，发酵液pH值降至5。水解酸化后的污泥通过污泥泵进入产甲烷池，水力停留时间150h，甲烷产气量为661.7ml/g VS，产气量提高87.4％。
实施例2
称取小麦秸秆粉末，过30目筛，将小麦秸秆粉末与发酵液按照固液比为1∶15(质量比)充分混合，保证秸秆浸泡于酸性发酵液中。在秸秆预处理池中处理36h。预处理后液相中TCOD提高10000mg/L
污泥经污泥泵输送至多探头式超声波处理器(6个)进行破解，超声反应器频率为28kHz，探头直径为25mm，声能密度为0.8kW/m3，污泥含固率为2.5％，破解时间为10min。破解后污泥液相中TCOD提高5000mg/L。
预处理后湿小麦秸秆与污泥进入混合池充分混合(混合质量比为1∶1.8)，将混合物饲入水解酸化，水力停留时间48h，发酵液pH值降至3.64。水解酸化后的污泥通过污泥泵进入产甲烷池，水力停留时间180h，甲烷产气量为691.4ml/g VS，产气量提高95.8％。
实施例3
称取水稻秸秆粉末，过30目筛，将水稻秸秆粉末与发酵液按照固液比为1∶20(质量比)充分混合，保证秸秆浸泡于酸性发酵液中。在秸秆预处理池中处理15h。预处理后液相中TCOD提高5483mg/L
污泥经污泥泵输送至多探头式超声波处理器进行破解，超声反应器频率为40kHz，探头直径为30mm，声能密度为0.78kW/m3，污泥含固率为4％，破解时间为8min。破解后污泥液相中TCOD提高3780mg/L。
预处理后湿水稻秸秆与污泥进入混合池充分混合(混合质量比为1∶2.1)，将混合物饲入水解酸化，水力停留时间50h，发酵液pH值降至2。水解酸化后的污泥通过污泥泵进入产甲烷池，水力停留时间170h，甲烷产气量为746.4ml/g VS，产气量提高114.2％。
实施例4
称取高粱秸秆粉末，过30目筛，将高粱秸秆粉末与发酵液按照固液比为1∶16(质量比)充分混合，保证秸秆浸泡于酸性发酵液中。在秸秆预处理池中处理25h。预处理后液相中TCOD提高8321mg/L
污泥经污泥泵输送至多探头式超声波处理器(6个)进行破解，超声反应器频率为28kHz，探头直径为25mm，声能密度为0.50kW/m3，污泥含固率为3.2％，破解时间为1min。破解后污泥液相中TCOD提高4130mg/L。
预处理后湿高粱秸秆与污泥进入混合池充分混合(混合质量比为1∶1)，将混合物饲入水解酸化，水力停留时间20h，发酵液pH值降至2.42。水解酸化后的污泥通过污泥泵进入产甲烷池，水力停留时间140h，甲烷产气量为785.2ml/g VS，产气量提高124.6％。
实施例5
称取的玉米秸秆粉末，过20目筛，将玉米秸秆粉末与发酵液按照固液比为1∶18(质量比)充分混合，保证秸秆浸泡于酸性发酵液中。在秸秆预处理池中处理30h。预处理后液相中TCOD提高7483mg/L
污泥经污泥泵输送至多探头式超声波处理器进行破解，超声反应器频率为20kHz，探头直径为25mm，声能密度为0.2kW/m3，污泥含固率为3.5％，破解时间为5min。破解后污泥液相中TCOD提高4053mg/L。
预处理后湿玉米秸秆与污泥进入混合池充分混合(混合质量比为1∶2.5)，将混合物饲入水解酸化，水力停留时间2d，发酵液pH值降至2.93。水解酸化后的污泥通过污泥泵进入产甲烷池，水力停留时间120h，甲烷产气量为717.7ml/g VS，产气量提高105.3％。
实施例6
称取水稻秸秆粉末，过30目筛，将水稻秸秆粉末与发酵液按照固液比为1∶18(质量比)充分混合，保证秸秆浸泡于酸性发酵液中。在秸秆预处理池中处理15h。预处理后液相中TCOD提高5483mg/L
污泥经污泥泵输送至多探头式超声波处理器进行破解，超声反应器频率为40kHz，探头直径为30mm，声能密度为0.6kW/m3，污泥含固率为2.5％，破解时间为8min。破解后污泥液相中TCOD提高3780mg/L。
预处理后湿水稻秸秆与污泥进入混合池充分混合(混合质量比为1∶2.1)，将混合物饲入水解酸化，水力停留时间30h，发酵液pH值降至3.28。水解酸化后的污泥通过污泥泵进入产甲烷池，水力停留时间200h，甲烷产气量为746.4ml/g VS，产气量提高114.2％。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法，将污泥与秸秆混合后进行水解酸化，其特征在于，其中：
所述污泥经过低强度超声波预处理；
所述污泥与秸秆混合后水解酸化的发酵液回流处理秸秆，经过发酵液处理的秸秆再与污泥混合后进行水解酸化；
所述低强度超声破解污泥的条件为：污泥含固率2—4%,，破解时间为1—10min；破解所用超声处理器形式为多探头式，超声频率为20—40kHz，探头直径为20—30mm，超声声能密度为0.2—0.8kW/m3。
2.根据权利要求1所述的一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法，其特征在于，所述污泥选用污水处理厂生物处理系统中排出的剩余污泥，由探头式超声处理器进行破解，经超声破解后，污泥絮体被打碎，液相中总化学需氧量进一步增加2000-5000mg/L。
3.根据权利要求1所述的一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法，其特征在于，所述低强度超声破解污泥的条件中，破解时间为3—8min；所述破解所用超声处理器形式为4—8个探头；所述超声声能密度为0.5—0.8kW/m3。
4.根据权利要求1所述的一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法，其特征在于，所述秸秆选用农作物秸秆，利用机械粉碎机将其粉碎，粉碎后过筛子，筛分后的秸秆存放在通风干燥处保存备用，秸秆粉末尺寸为20～50目。
5.根据权利要求1所述的一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法，其特征在于，预处理后农作物秸秆与污泥混合，混合质量比为1：1—1：2.5，进入水解酸化池进行水解酸化，经过发酵液处理秸秆和低强度超声破解污泥后，两者混合物的水解酸化速度与效率大大加快，经水解酸化后，产生大量挥发性脂肪酸，使发酵液pH值降至2-5，此阶段水力停留时间为20—50h。
6.根据权利要求5所述的一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法，其特征在于，预处理后农作物秸秆与污泥混合，混合质量比为1：1.4～1：2.5，此阶段水力停留时间为24—48小时。
7.根据权利要求5所述的一种低强度超声波破解污泥与发酵液预处理农作物秸秆混合发酵的方法，其特征在于，此阶段水力停留时间为30—40小时。
8.如权利要求1所述的混合发酵方法在改善中温两相厌氧消化中的应用，其特征在于，将水解酸化后污泥与秸秆的混合物进入产甲烷池，进入产甲烷阶段，此阶段水力停留时间为120—200小时。
9.根据权利要求8所述的混合发酵方法在改善中温两相厌氧消化中的应用，其特征在于，产甲烷阶段的水力停留时间为140—180小时。
10.根据权利要求8所述的混合发酵方法在改善中温两相厌氧消化中的应用，其特征在于，产甲烷阶段的水力停留时间为150—170小时。
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