CN103172242B - 热碱联合预处理提高剩余污泥产甲烷的方法 - Google Patents

热碱联合预处理提高剩余污泥产甲烷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于环境保护技术领域，涉及一种热碱联合预处理提高剩余污泥产甲烷的方法。本发明把剩余污泥经过热预处理后可以显著提高污泥中的蛋白质、多糖等有机物溶解于水中，从而为污泥发酵产酸提供丰富的可溶于水的有机基质。同时，剩余污泥经过初始碱性pH条件预处理后，可以进一步促进污泥溶解、水解并持续产生短链脂肪酸。因此，可以利用热预处理和初始碱性pH值条件联合作用较多地提高剩余污泥水解、产酸效率以及获得甲烷产量的最大化。

Description

热碱联合预处理提高剩余污泥产甲烷的方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种热碱联合预处理提高剩余污泥产甲烷的方法。
背景技术
污水处理过程中，污水中约有45-50%的有机物会转化为初沉污泥和剩余污泥。这些污泥中含有大量的有机物质和微生物等污染物质，如果不加以处理就容易造成二次污染。此外，由于污泥处理处置费用通常占到污水处理总操作成本的60%以上，快速增长的城市剩余污泥必然会导致污水处理成本提高，因此，发展对城市污泥经济有效的处理和处置技术势在必行。剩余污泥中含有大量的有机物质（如蛋白质、碳水化合物等）和一些重金属微量元素（如铁、钙、镁等），若将包含上述物质的剩余污泥直接进行焚烧、远洋抛弃、土地填埋，就必然会对环境造成污染。由于可持续发展的社会需求和政府的政策扶持，当今固体废物处理的重点已从污染控制转向资源化利用。如果能够将污泥中含有的大量有机物质降解转化为甲烷等生物质能源，这样就既实现了污泥资源化、稳定的目标，又同时获得了经济效益。
由于剩余污泥中含有大量的有机物质，使污泥厌氧发酵产沼气，不但能够回收利用其中的有机物质，还可以有效解决污水处理厂产生过量剩余污泥的难题。有机固体的厌氧发酵产甲烷过程可分为四个阶段，即溶解阶段、水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。污泥的溶解和水解速率较慢，是有机物生物降解过程的限速步骤（例如，文献Waste Manage. 2012, 32, 542-549；Bioresour. Technol. 2012, 103, 415-424）。因此，在厌氧发酵产酸过程中，如果能够提高污泥的溶解和水解速率，不但可以缩短系统的水力停留时间，提高有机物的去除率，而且能够为后续的产酸过程提供更多的溶解性发酵底物，进而提高甲烷产量。研究者们提出了诸多提高污泥溶解和水解速率的方法，这些方法的基本原理是促使污泥中颗粒态有机物分解为小分子溶解态有机物，从而提高这些有机物的生物降解性能，但是通过这些预处理方法后污泥的甲烷产量仍然不高。
发明内容
本发明要解决剩余污泥产甲烷效率不高的技术问题，提供一种热碱联合预处理提高剩余污泥产甲烷的方法。
本发明的研究表明，剩余污泥经过热预处理后可以显著提高污泥中的蛋白质、多糖等有机物溶解于水中，从而为污泥发酵产酸提供丰富的可溶于水的有机基质。同时，剩余污泥经过初始碱性pH条件预处理后，可以进一步促进污泥溶解、水解并持续产生短链脂肪酸。因此，可以利用热预处理和初始碱性pH值条件联合作用提高剩余污泥水解、产酸效率以及获得最大化的甲烷产量。
本发明提出的热碱联合预处理提高剩余污泥产甲烷的方法，利用热预处理和初始碱性pH值条件联合作用提高污泥生产甲烷的方法，以污水处理厂产生的剩余污泥为原料，通过热预处理、控制初始碱性pH值条件以及所述污泥中微生物的作用将污泥中的非溶解状态的污泥有机物，如蛋白质和多糖等较多地转化为短链脂肪酸，并最终充分转化为甲烷。具体步骤如下：
(1)以污水处理厂产生的剩余污泥为原料，将剩余污泥在60-120℃温度下热预处理15-60min，调节其初始pH值为8-12，剩余污泥在反应器中的停留时间为1-12天，温度为30-40℃，厌氧发酵水解、酸化；
(2)将发酵混合物的pH值调为中性，并加入体积百分比为8-15%(占剩余污泥体积比)的厌氧颗粒污泥，在30-40℃条件下继续厌氧发酵6-14天产甲烷。
本发明较佳的实施条件是：
虽然所述热预处理的温度条件在60-120 ℃与时间条件在15-60min的范围内，都可以与碱性pH值条件联合作用进一步提高污泥生产短链脂肪酸的产量，并且在一定的时间范围内，随着热预处理温度的上升短链脂肪酸的产量也逐渐升高。综合考虑运行成本和短链脂肪酸的产量，故本发明采用的较佳的热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5。
本发明中污泥在反应器中的温度为33-37℃，停留时间范围优选为3-12天，更优的应该停留时间为5-7天。
所述厌氧颗粒污泥加入的体积百分比为12.5%；所述的继续厌氧发酵的温度为33-37℃；所述厌氧发酵的时间为11-13天。
通过实验发现，本发明在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，获得的短链脂肪酸的浓度较大。
进一步研究发现，本发明方法在产甲烷段，发酵混合物的pH值调为中性，并加入体积百分比为12.5%的厌氧颗粒污泥，在33-37℃条件下继续厌氧发酵11-13天产甲烷，其甲烷产量较大。
本发明的有益效果是：
(1)   在热预处理和初始碱性pH值条件联合作用下，污泥产生甲烷的产量显著高于以上两者中任何一方单独作用于污泥所产生甲烷的量。
(2)   热预处理和初始碱性pH值条件联合作用可以较好地提高污泥的水解速率，同时提高污泥的产酸速率，从而缩短污泥厌氧发酵的时间并获得甲烷产量最大化，这对改进和优化现有污泥处理系统，节能降耗、减少运行成本具有一定意义。
(3)   利用城镇污水处理厂的剩余污泥生产甲烷，不仅实现了污泥减量化、稳定化、资源化以及减少污泥有机物污染环境的目的，同时产生了清洁能源沼气。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1
将10升剩余污泥平均加入到10个相同的2 升反应器中（反应器材质为有机玻璃，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），热预处理的温度分别为60-120℃，时间为15-60min，调节初始pH值为8-12，污泥在反应器中的停留时间为1-12天，温度为30-40℃。测得污泥热水解的较佳条件为98-102℃，时间为28-32min，产酸阶段的较佳条件是初始pH值10.5-11.5，在反应器中的停留时间5-7天，温度33-37℃，获得的短链脂肪酸为4361.4 毫克每升（以化学需氧量计）。
实施例2
将1升剩余污泥加入到2升的反应器中，在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，将混合物pH调至中性，加入体积百分比为8%的厌氧颗粒污泥，控制温度为28-32℃，发酵5-7天，甲烷产量为0.8升。
实施例3
将1升剩余污泥加入到2升的反应器中，在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，将混合物pH调至中性，加入体积百分比为10%的厌氧颗粒污泥，控制温度为28-32℃，发酵5-7天，甲烷产量为1.2升。
实施例4
将1升剩余污泥加入到2升的反应器中，在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，将混合物pH调至中性，加入体积百分比为12.5%的厌氧颗粒污泥，控制温度为28-32℃，发酵5-7天，甲烷产量为1.8升。
实施例5
将1升剩余污泥加入到2升的反应器中，在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，将混合物pH调至中性，加入体积百分比为15%的厌氧颗粒污泥，控制温度为28-32℃，发酵5-7天，甲烷产量为1.5升。
实施例7
将1升剩余污泥加入到2升的反应器中，在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，将混合物pH调至中性，加入体积百分比为12.5%的厌氧颗粒污泥，控制温度为33-37℃，发酵5-7天，甲烷产量为2.5升。
实施例8
将1升剩余污泥加入到2升的反应器中，在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，将混合物pH调至中性，加入体积百分比为12.5%的厌氧颗粒污泥，控制温度为38-42℃，发酵5-7天，甲烷产量为2.1升。
实施例7
将1升剩余污泥加入到2升的反应器中，在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，将混合物pH调至中性，加入体积百分比为12.5%的厌氧颗粒污泥，控制温度为33-37℃，发酵7-9天，甲烷产量为2.8升。
实施例8
将1升剩余污泥加入到2升的反应器中，在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，将混合物pH调至中性，加入体积百分比为12.5%的厌氧颗粒污泥，控制温度为33-37℃，发酵9-11天，甲烷产量为3.6升。
实施例9
将1升剩余污泥加入到2升的反应器中，在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，将混合物pH调至中性，加入体积百分比为12.5%的厌氧颗粒污泥，控制温度为33-37℃，发酵11-13天，甲烷产量为5.8升。
实施例10
将1升剩余污泥加入到2升的反应器中，在热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min，微生物作用的初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵5-7天，将混合物pH调至中性，加入体积百分比为12.5%的厌氧颗粒污泥，控制温度为33-37℃，发酵13-15天，甲烷产量为5.6升。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.热碱联合预处理提高剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)以污水处理厂产生的剩余污泥为原料，将剩余污泥在60-120℃温度下热预处理15-60min，调节其初始pH值为8-12，剩余污泥在反应器中的停留时间为1-12天，温度为30-40℃，厌氧发酵水解、酸化；
(2)将发酵混合物的pH值调为中性，并加入占剩余污泥体积百分比为8-15%的厌氧颗粒污泥，在30-40℃条件下继续厌氧发酵6-14天产甲烷。
2.根据权利要求1所述的热碱联合预处理提高剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于，所述污泥热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min，初始pH值为10.5-11.5，剩余污泥在反应器中的停留时间为5-7天，温度为33-37℃。
3.根据权利要求1所述的热碱联合预处理提高剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于，所述污泥厌氧发酵产甲烷段加入厌氧颗粒污泥的体积为12.5%，温度为33-37℃，厌氧发酵时间为11-13天。
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