CN104529114B - 一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法 - Google Patents

一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法 Download PDF

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Abstract

针对现有技术中亟需开发出高效的有工程推广价值的剩余污泥处理技术，本发明提供了一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，属于剩余污泥的资源化与减量化技术领域。该方法以减量化、无害化、资源化为原则，提出采用厌氧与超声联合的预处理方式，采用低能超声波、光合细菌促进的厌氧反应，采用低能超声波、光合细菌促进的好氧反应，并采用回流工艺等组成一套针对剩余污泥的高效处理工艺。该方法可以使污泥中的水分被分离排放，有机物以CO2、CH4、H2的形式释放，能量被微生物消耗，提高了剩余污泥资源化的效率，一次处理时间缩短至8.5天，消化效率提高至60％，实现了污泥零排放或超低排放的目的。

Description

一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法
技术领域
本发明属于剩余污泥的资源化与减量化技术领域，特别涉及一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法。
背景技术
剩余污泥是在污水处理时，在生化处理过程中，活性污泥中的微生物不断地消耗着废水中的有机物质，被消耗的有机物质中，一部分有机物质被氧化以提供微生物生命活动所需的能量，另一部分有机物质则被微生物利用以合成新的细胞质，从而使微生物繁衍生殖，故产生了大量剩余污泥。
随着我国城镇化进程的加快，城市生活废水处理率的增加，剩余污泥总量也迅速增加；但是剩余污泥中含有大量微生物、悬浮物等有机物，若得不到妥善的处理与处置，会对环境产生二次污染。目前，主要通过改变污水处理的运行过程，或者采用一定的物理、化学等手段，增强微生物利用二次基质进行隐性生长，在保证不影响出水水质的前提下，使剩余污泥的产量最小化，但是剩余污泥脱水填埋仍然是污水处理企业最终的处理方式。因此，剩余污泥有效处理已成为了亟需解决的一大难题，开发出高效的有工程推广价值的污泥处理技术具有重要意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法。该方法以减量化、无害化、资源化为原则，提出采用厌氧与超声联合的预处理方式，采用低能超声波、光合细菌促进的厌氧反应，采用低能超声波、光合细菌促进的好氧反应，并采用回流工艺等组成一套针对剩余污泥的高效处理方法。该方法可以使污泥中的水分被分离排放，有机物以CO2、CH4、H2的形式释放，能量被微生物消耗，即提高了剩余污泥资源化的效率，又实现了污泥零排放或超低排放的目的。
一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，包括如下步骤：
1、厌氧细菌与超声联合预处理
将剩余污泥输入到厌氧反应器内，剩余污泥中的大量好氧微生物在厌氧条件下会死亡溶解，利用污泥中的厌氧微生物和兼性微生物对剩余污泥进行厌氧消化48～72h；在厌氧消化期间或厌氧消化后，将剩余污泥输入超声波处理器中超声处理30～60min；
其中，所述输入的剩余污泥的浓度为8000～10000mg/L；
所述超声波处理器的超声频率为20～28kHz，超声密度为15～20W/cm2；
上述预处理过程还可以进行搅拌，搅拌速度为500-800rpm；
2、超声波、光合细菌促进的厌氧消化
将预处理后的污泥输入到含有光合细菌的厌氧反应器或封闭的膜生物反应器中，在光照强度为1000～1200lux，24h持续光照条件下，利用光合细菌以及污泥中的厌氧微生物和兼性微生物共同消化5-8d，同时，每天将污泥输入到密闭的超声波装置中进行超声波处理1～3次，每次30～60min；消化过程中产生的二氧化碳、甲烷和氢气等气体通过气体收集装置收集；
消化结束后，将污泥通过孔隙为9～10μm的滤膜过滤，或者在消化过程中，将污泥通过孔隙为9～10μm的滤膜不间断的过滤，未滤过部分继续在含有光合细菌的厌氧反应器或封闭的膜生物反应器内消化；滤过部分为厌氧发酵液，输入下一步骤；
其中，光合细菌菌液浓度为2～3×109个/L，较好的光合细菌为净水用EM菌；所述光合细菌菌液与污泥的体积比1.5～2:1；
所述超声波处理器的超声频率为20～28kHz，超声密度为0.3～0.5W/cm2；
上述厌氧消化时还可以进行搅拌，搅拌速度为50-100rpm；
3、超声波、光合细菌促进的好氧消化
将厌氧发酵液输入至含有光合细菌的反应池或敞口的膜生物反应器中，在自然光条件下，保持反应池或敞口的膜生物反应器中溶解氧为8～10mg/L，利用光合细菌以及厌氧发酵液中的兼性微生物对厌氧发酵液共同消化36～48h，并且在消化期间，将发酵液输入到超声波装置中进行超声波处理2～8次，每次30～60min；
消化结束后，将发酵液通过孔隙为0.4～0.5μm的滤膜过滤，或者在消化过程中，将发酵液通过孔隙为0.4～0.5μm的滤膜不间断的过滤；滤过部分为水，可直接外排，未滤过部分返回步骤1重新开始消化过程；
其中，光合细菌菌液浓度为2～3×109个/L，较好的光合细菌为净水用EM菌；光合细菌菌液与厌氧发酵液体积比1.5～2:1；
所述超声波处理器的超声频率为20～28kHz，超声密度为0.3～0.5W/cm2；
所述步骤2中的厌氧反应器为透光性能良好，包含气体收集系统，污泥循环系统的密闭反应容器，还可以加装磁力搅拌系统和膜组件；所述的封闭膜生物反应器可以加装气体收集系统；
所述步骤3中的反应池为包含暴气系统，污泥循环系统的开放反应容器，还可以加装膜组件。
所述整个消化过程进入循环阶段后，剩余污泥的输入和水的排出可以是持续不断的；剩余污泥的输入速度和在消化过程中的流动速度为，使其在步骤1所述的厌氧反应器内停留时间为48～72h，在步骤2所述的厌氧反应器或封闭的膜生物反应器内停留时间为5～8d，在步骤3所述的反应池或敞口的膜生物反应器内停留时间为36～48h。
上述剩余污泥消化的每个循环，剩余污泥的消化率为45-60％。
本发明工艺原理如下：首先，对剩余污泥进行预处理，即对污泥进行短时间厌氧消化，在一定程度上杀死活性污泥中的大量好氧微生物，改变污泥的性质，降低污泥的破解难度，再利用超声波的微尺度高温、高压、强氧化剂效应，分散污泥菌胶团，打破细菌细胞，分解大分子物质；其次，对预处理后的剩余污泥进行厌氧处理，即采用光合细菌与污泥中的厌氧细菌共同消化，使污泥固体不断水解，液相中的溶解性有机物转变为CO2、CH4、H2等气体释放，并采用低能超声波破碎易于分解的小颗粒有机物，促进酶的催化反应，提高微生物的活性；再次，对厌氧消化到一定程度的剩余污泥进行好氧处理，即从厌氧反应器中分离出一部分含有光合细菌、厌氧污泥等有机物的发酵液，利用好氧条件使发酵液中的严格厌氧细菌死亡、溶解，并利用发酵液中的兼性细菌和如光合细菌，在好氧条件下降解高浓度的溶解性有机物，同时利用低能超声波提高微生物的活性；最后，对好氧消化到一定程度的污泥进行泥水分离，即采用滤膜或膜生物反应器将微生物絮体截留在反应装置中，再收集回流，继续重新进行污泥预处理，分离出来的水可以直接外排。
本发明的优点在于：
(1)相对于传统污泥预处理方法，本发明中厌氧预处理可以有效杀死污泥中的部分细菌，改变污泥的性质，降低污泥的破解难度，促进超声空化的效能，提高污泥的破解效率；不使用化学药剂，耗能相对较少，污泥破解程度高。
(2)本发明可以使污泥中的水分被分离排放，有机物以CO2、CH4、H2的形式释放，能量被微生物消耗，实现了污泥零排放或超低排放的目的。
(3)相对于超声波破解剩余污泥方法和降解有机物的方法，本发明为超声波与细菌降解相结合，从而极大的降低了超声波破解能耗，提高了剩余污泥破解效率和破解程度，也使有机物降解更加完全。
(4)相对于好氧方法剩余污泥减量工艺，本发明耗能较少，且生产了H2和CH4等可燃性气体，回收了大量的资源。
(5)本方法联合的多种方法具有较高的协同作用，该工艺使剩余污泥资源化、减量化效率更高，一次处理时间缩短至8.5天，消化效率提高至60％，是一种针对剩余污泥的高效处理工艺。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
净水用EM菌浓缩液购自江西稻草人农业园。
厌氧反应器为透光性能良好，带有磁力搅拌系统，气体收集系统，膜组件，污泥循环系统的密闭反应容器；反应池为带有暴气系统，膜组件，污泥循环系统的开放反应容器；膜组件为日本明电舍再生水大口径多孔陶瓷膜。
实施例1
1)厌氧细菌与超声联合预处理
将4L浓度为8000mg/L的剩余污泥输入到5L的厌氧反应器内，剩余污泥中的大量好氧微生物在厌氧条件下会死亡溶解，利用污泥中的厌氧微生物和兼性微生物在常温下对剩余污泥进行厌氧消化，经厌氧消化48h后，再将经厌氧消化的剩余污泥输入超声波处理器中超声处理30～60min，超声波处理器的超声频率20kHz，超声密度15W/cm2；
2)超声波、光合细菌促进的厌氧消化
将步骤1)中经超声处理后的污泥输入含有净水用EM菌的28L厌氧反应器中，EM菌的菌液中光合细菌浓度为2.5×109个/L，菌液与污泥的体积比1.5:1；在常温，光照强度为1000lux，24h持续光照的条件下，利用光合细菌以及污泥中的厌氧微生物和兼性微生物共同消化5d，同时，每天将污泥输入到密闭的超声波装置中超声波处理30～60min，超声波处理器的超声频率20kHz，超声密度0.3W/cm2；消化过程中产生的二氧化碳、甲烷和氢气等气体通过气体收集装置收集；
消化结束后，将污泥通过孔隙9～10μm的滤膜过滤，未滤过部分继续在本步骤中含有光合细菌的厌氧反应器内消化；滤过部分为厌氧发酵液，输入下一步骤；
3)超声波、光合细菌促进的好氧消化
将厌氧发酵液输入至25L的含有净水用EM菌的反应池中，EM菌的菌液中光合细菌浓度为2.5×109个/L，菌液与厌氧发酵液体积比1.5:1，在常温，自然光条件下保持反应池中溶解氧为8mg/L，利用光合细菌以及厌氧发酵液中的兼性微生物对厌氧发酵液共同消化36h，在此期间，将发酵液输入到超声频率20kHz、超声密度0.3W/cm2的超声波装置中进行2次超声波处理，每次30～60min；
消化结束后，将发酵液通过孔隙0.4～0.5μm的滤膜过滤，滤过部分为水，可直接外排；未滤过的液浆部分返回步骤1)重新开始消化。
该过程对剩余污泥的消化率为45％。
实施例2
实施例1的剩余污泥完成整个消化过程后，按照同实施例1相同的步骤和参数，将新的剩余污泥和经步骤3)处理未滤过的液浆输入至实施例1的步骤1)的厌氧反应器的输入速度控制在2L/d，输出速度也为2L/d，使其在步骤1)的厌氧反应器内停留时间为48h；经步骤1)处理后的污泥输入至步骤2)的厌氧反应器的输入速度控制在2L/d，厌氧发酵液输出速度为5L/d，使其在步骤2)的厌氧反应器内停留时间为5d；厌氧发酵液输入步骤3)的反应池的输入速度控制在5L/d，输出速度约为12.5L/d，使其在步骤3所述的反应池内停留时间为36h。
该过程对剩余污泥的消化率为52.8％。
实施例3
1)厌氧细菌与超声联合预处理
将9L浓度为10000mg/L的剩余污泥输入到10L厌氧反应器内，剩余污泥中的大量好氧微生物在厌氧条件下会死亡溶解，并在搅拌速度为500～800rpm条件下，利用污泥中的厌氧微生物和兼性微生物在常温下对剩余污泥进行厌氧消化72h，消化期间，将经厌氧消化的剩余污泥输入超声波处理器中超声处理30～60min，超声波处理器的超声频率28kHz，超声密度20W/cm2；
2)超声波、光合细菌促进的厌氧消化
将超声处理后的污泥输入含有净水用EM菌的75L厌氧反应器中，EM菌的菌液中光合细菌浓度为3×109个/L，菌液与污泥的体积比2:1；在常温，光照强度为1200lux，24h持续光照并保持搅拌速度为50～100rpm的条件下，利用光合细菌以及污泥中的厌氧微生物和兼性微生物共同消化8d，同时，每天将污泥输入到密闭的超声频率28kHz，超声密度0.5W/cm2的超声波装置中进行3次超声波处理，每次30～60min；消化过程中，不间断的将污泥通过膜组件上孔隙9～10μm的滤膜过滤，未滤过部分为污泥，继续在含有光合细菌的厌氧反应器内消化，滤过部分为厌氧发酵液，输入下一步骤；期间产生的二氧化碳、甲烷和氢气等气体通过气体收集装置收集；
3)超声波、光合细菌促进的好氧消化
将厌氧发酵液输入至含有净水用EM菌的55L敞口反应池中，EM菌的菌液中光合细菌浓度为3×109个/L，菌液与厌氧发酵液体积比2:1；在常温下，自然光条件下，保持反应池中溶解氧为10mg/L，利用光合细菌以及厌氧发酵液中的兼性微生物对厌氧发酵液共同消化48h，同时，每12h将发酵液输入到超声频率20kHz，超声密度0.5W/cm2的超声波装置中进行2次超声波处理，每次30～60min；
消化过程中，不间断的将发酵液通过膜组件上孔隙0.4～0.5μm的滤膜过滤，滤过部分为水，可直接外排；未滤过部分返回步骤1)重新开始消化。
该过程对剩余污泥的消化率为54.6％。
实施例4
1)厌氧细菌与超声联合预处理
将10L浓度为9000mg/L的剩余污泥输入到12L厌氧反应器内，剩余污泥中的大量好氧微生物在厌氧条件下会死亡溶解，并在搅拌速度为500-800rpm条件下，利用污泥中的厌氧微生物和兼性微生物在常温下对剩余污泥进行厌氧消化，经厌氧消化60h后，再将经厌氧消化的剩余污泥输入超声波处理器中超声处理30～60min，超声频率25kHz，超声密度18W/cm2；
2)超声波、光合细菌促进的厌氧消化
将超声处理后的污泥输入含有净水用EM菌的70L厌氧反应器中，EM菌的菌液中光合细菌浓度为2×109个/L，菌液与污泥的体积比1.8:1；在常温下，光照强度为1100lux，24h持续光照并保持搅拌速度为50-100rpm的条件下，利用光合细菌以及污泥中的厌氧微生物和兼性微生物共同消化6d，同时，每天将污泥输入到密闭的超声频率25kHz、超声密度0.4W/cm2的超声波装置中进行2次超声波处理，每次30～60min；消化过程中，不间断的将污泥通过膜组件上孔隙9～10μm的滤膜过滤，未滤过部分为污泥，继续在含有光合细菌的厌氧反应器内消化，滤过部分为厌氧发酵液，输入下一步骤；期间产生的二氧化碳、甲烷和氢气等气体通过气体收集装置收集；
3)超声波、光合细菌促进的好氧消化
将厌氧发酵液输入至含有净水用EM菌的25L敞口反应池中，EM菌的菌液中光合细菌浓度为2×109个/L，菌液与污泥的体积比1.8:1；在常温自然光条件下，保持反应池中溶解氧为9mg/L，利用光合细菌以及厌氧发酵液中的兼性微生物对厌氧发酵液共同消化48h，在此期间，将发酵液输入到超声频率28kHz，超声密度0.4W/cm2的超声波装置中进行6次超声波处理，每次30～60min；
消化过程中，不间断的将发酵液通过膜组件上孔隙0.4～0.5μm的滤膜过滤，滤过部分为水，可直接外排；未滤过部分返回步骤1)重新开始消化。
该过程剩余污泥的消化率为58.7％。

Claims (10)

1.一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)厌氧细菌与超声联合预处理
将剩余污泥输入到厌氧反应器内，利用污泥中的厌氧微生物和兼性微生物对剩余污泥进行厌氧消化48～72h；在厌氧消化期间或厌氧消化结束后，将剩余污泥输入超声波处理器中超声处理30～60min；
(2)低能超声波、光合细菌促进的厌氧消化
将预处理后的污泥输入到含有光合细菌的厌氧反应器或封闭的膜生物反应器中，在24h持续光照的条件下，利用光合细菌以及污泥中的厌氧微生物和兼性微生物共同消化5～8d，同时，每天将污泥输入到密闭的超声波装置中进行超声波处理1～3次，每次30～60min；消化过程中产生的二氧化碳、甲烷和氢气气体通过气体收集装置收集；
消化结束后，将污泥通过孔隙为9～10μm的滤膜过滤，或者在消化过程中，将污泥通过孔隙为9～10μm的滤膜不间断的过滤；未滤过部分继续在含有光合细菌的厌氧反应器或封闭的膜生物反应器内消化；滤过部分为厌氧发酵液，输入下一步骤；
(3)低能超声波、光合细菌促进的好氧消化
将厌氧发酵液输入至含有光合细菌的反应池或敞口的膜生物反应器中，在自然光条件下，利用光合细菌以及厌氧发酵液中的兼性微生物对厌氧发酵液共同消化36～48h，并且在消化期间，将发酵液输入到超声波装置中进行超声波处理2～8次，每次30～60min；
消化结束后，将发酵液通过孔隙为0.4～0.5μm的滤膜过滤，或者在消化过程中，将发酵液通过孔隙为0.4～0.5μm的滤膜不间断的过滤；滤过部分为水，可直接外排，未滤过部分返回步骤(1)重新开始消化过程。
2.根据权利要求1所述的一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的输入到厌氧反应器内的剩余污泥的浓度为8000～10000mg/L；所述超声波处理器的超声频率为20～28kHz，超声密度为15～20W/cm2。
3.根据权利要求1所述的一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，其特征在于，在步骤(1)所述的预处理过程和步骤(2)所述的厌氧消化过程中进行搅拌；步骤(1)中的搅拌速度为500～800rpm；步骤(2)中的搅拌速度为50-100rpm。
4.根据权利要求1所述的一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的光照强度为1000～1200lux。
5.根据权利要求1所述的一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的光合细菌菌液与污泥的体积比1.5～2:1。
6.根据权利要求1所述的一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中所述的光合细菌菌液浓度为2～3×109个/L。
7.根据权利要求1所述的一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中所述的超声波处理器的超声频率为20～28kHz，超声密度为0.3～0.5W/cm2。
8.根据权利要求1所述的一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的光合细菌菌液与厌氧发酵液体积比1.5～2:1。
9.根据权利要求1所述的一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，保持反应池或敞口的膜生物反应器中溶解氧为8～10mg/L。
10.根据权利要求1所述的一种超声波和光合细菌联合促进剩余污泥消化的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的厌氧反应器为透光性能良好，包含气体收集系统，污泥循环系统的密闭反应容器；或者为透光性能良好，包含磁力搅拌系统，气体收集系统，膜组件和污泥循环系统的密闭反应容器；所述的封闭的膜生物反应器包括气体收集系统；步骤(3)中所述的反应池为包含曝气系统，污泥循环系统的开放反应容器；或者为包含曝气系统，膜组件和污泥循环系统的开放反应容器。
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