CN104609691B - 一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，该方法包括：水解酸化液的制备和预处理、产气性能对比、沼气化工艺优化等步骤。造纸剩余污泥在水解酸化罐中接种培养生产出水解酸化液后，再以粉煤灰作为吸附剂对水解酸化液进行预处理，然后控制反应温度为25℃、反应pH，以接种污泥进行产沼气，最后启动厌氧复合床反应装置，以水解酸化液为外加碳源，确定沼气化工艺条件，产生沼气，本发明中的工艺方法对总氮、总磷和氨氮都有一定的去除效果。本发明技术不仅容积产气率高，对废水处理效果也很理想，而且处理成本也较低，对外界环境不会带来二次污染。

Description

一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法

技术领域

本发明属于固体废弃物处理技术领域，涉及一种造纸剩余污泥资源化处理技术，尤其涉及一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法。

背景技术

随着我国城市化和工业化建设的快速发展，城镇污水和工业污水处理率逐年提高，污水处理厂剩余污泥产量也急剧增加。造纸污泥主要来源于造纸企业的厂外废水处理厂,通常包括一级沉淀污泥、二级生化处理污泥,还有一些处理厂采用了三级处理,因此还包括三级絮凝沉淀污泥。由于各级废水处理设施进水水质不同,污泥成分也各不相同。根据目前我国的技术状况，造纸行业能达到污水排放标准，但现在的问题是造纸污泥无论采取填埋、焚烧、投海等何种处置方式，都存在二次污染、耗费能源、处置空间的问题。据统计，制浆造纸工业废水处理厂的污泥处置费用约占水处理装置运行费用的50％以上。如果改变造纸污泥的废弃物性质，使其作为资源加以利用，便可妥善解决上述问题。因此，资源化利用是今后造纸污泥处置的研究方向。

国际上污泥处理以厌氧消化和堆肥为主，污泥处置以土地利用、焚烧、灰渣利用为主。美国地区主要通过厌氧消化、堆肥、投碱稳定污泥，稳定化处理后的浓缩污泥可土地利用。加拿大则采用三等级质量系统，将污泥分门别类地应用于绿化、农业、林业。而欧洲法国、德国和荷兰等地，焚烧比例较高，英国、挪威、丹麦等则侧重土地利用，但对重金属的含量有严格的要求，并规定不能施用污泥的作物类型。日本和韩国由污泥焚烧、热干化、填海转向堆肥、灰渣利用，并将堆肥产品用于园林、绿地，或利用污泥发电、供热。

在我国，常见的污泥处理技术主要有卫生填埋、焚烧、直接烘干等。据统计，污泥填埋占20％，堆肥土地利用的比例为10％，焚烧占6％，仍有60％多的污泥未得到稳定化、无害化处理处置，大部分都是外运弃置或简易堆放，严重影响周边卫生。另外，我国污泥处理的投资比例仅占污水处理厂的20％～45％，而发达国家最高可达70％。因此，为促进我国污水行业健康快速发展，妥善解决污泥的安全处置问题势在必行。

在众多的污泥处理方法中，厌氧消化由于其高效的能量回收和较低的环境影响是目前国际上应用最为广泛的污泥稳定化和资源化的处理方法。它可以使污泥中挥发性悬浮固体(VS)含量减少30％～50％，从而使污泥达到稳定，并有利于后续的脱水处理。经厌氧消化后的污泥中依然含有丰富的有机肥效成分，适用于土地利用，脱水后的消化污泥还可以作为发电厂或水泥厂的辅助燃料。在厌氧消化过程中产生的沼气可以用来发电以补充厌氧消化或污水厂内其他工艺用电需要。由此可见厌氧消化技术可以大大提高污泥综合利用的水平，在能源日益紧张匮乏，尤其是我国倡导节能减排的今天具有很强的现实意义和利用价值。传统的厌氧消化工艺中，产酸菌和产甲烷菌在单相反应器内完成厌氧消化的全过程，由于二菌种的特性有较大差异，对环境条件的要求不同，无法使二者都处于最佳的生理状态，影响了反应器的效率。

综上国内外的研究，有关两相厌氧的研究一方面集中在为了获得最优的污染物去除效果角度去获得相关的工艺参数，另一方面研究了水解酸化过程和后续产甲烷过程之间的关系。但很少有报道研究水解酸化液的性质组成具体和产沼气之间的关系以及水解酸化液的预处理对后续产甲烷的影响，还有利用碱性条件下得到水解酸化液进行沼气化的工艺，而这些对揭示整个两相厌氧消化产沼气过程以及后续的如何高效产出沼气有着十分重要的意义。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，能够对造纸剩余污泥的资源化利用，并且提高厌氧发酵产沼气的效率。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

包括以下步骤：

1)水解酸化液的制备：

将获取的污泥加入到水解酸化反应罐中，控制反应温度后，进行搅拌并调节发酵体系pH为8.0～10.0，其中，污泥投配率为5％～20％，获取水解酸化罐中产出的水解酸化液；

2)水解酸化液预处理：

将粉煤灰加入到水解酸化液中，控制反应温度后，调节反应pH为6.0～10.0，进行反应10min～50min，得到水解酸化预处理液，其中，每升水解酸化液中粉煤灰投加量为5.0g～25g；

3)沼气化工艺：

在厌氧复合床反应器中投加1.5L～2.0L接种污泥，并注入稀释后的水解酸化预处理液，控制反应器内温度为25±0.5℃，开始进行内循环，循环两天后，采用顶部回流，当检测顶部水化学需氧量COD为350mg/L时停止回流，开始连续注入稀释后的水解酸化预处理液，控制稀释后的水解酸化预处理液力停留时间HRT为1.0d～3d，装置进稀释后的水解酸化预处理液COD浓度为2000～5000mg/L，得到沼气，检测分析反应体系容积产气率、反应后气体中甲烷含量、及进出水水质变化，得到厌氧复合床在常温条件下高效产沼气的运行工艺参数。

所述步骤1)中控制反应温度为25±0.5℃，进行搅拌时电机转速为250r/min。

所述步骤2)中控制反应温度为25±0.5℃。

所述接种污泥为厌氧消化污泥或与水解酸化污泥。

所述步骤3)中的稀释后的水解酸化预处理液的浓度为未稀释前水解酸化预处理液的1/8～1/10倍。。

所述水解酸化反应罐包括壳体，壳体的顶端设置有进料口和出气口，壳体的侧壁上开设有出料口，壳体内设置锥形沉降层，锥形沉降层的底部设置有排泥口。

所述壳体的顶部设置有插入壳体内部的搅拌装置。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

1.本发明提供了一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，以造纸剩余污泥为原料，在水解酸化罐中接种培养生产出水解酸化液后，再以粉煤灰作为吸附剂对水解酸化液进行预处理，最后启动厌氧复合床反应装置，以水解酸化液为外加碳源，产生沼气，不仅很好地解决了剩余污泥的处理和处置问题，而且提高厌氧发酵产沼气的效率，产生了可观的经济效益。

2.本发明以粉煤灰对碱性水解酸化液进行吸附预处理，不仅可以保证COD损失率很低的情况下提高水解酸化液的比例，而且处理成本低廉。

3.本发明基于两相厌氧消化理论，不仅可以创造出水解酸化阶段和沼气化阶段各自的优势条件，提出利用碱性发酵水解酸化液沼气化的工艺方法，而且从水解酸化液的组成去考察进水水质与产沼气的关系，以获得理想的产沼气率。

4.采用剩余污泥制备的水解酸化液，以外加碳源形式加入到厌氧复合床反应器中，对厌氧微生物无毒无害，而且还不会残留在水中对水体产生危害。

5.采用本发明工艺技术，不仅容积产气率和COD去除率高，而且对于总氮、氨氮和总磷都有一定的效果。

附图说明

图1是本发明中厌氧水解酸化罐结构示意图。

图2是本发明中厌氧复合床沼气化反应装置。

图3是本发明中工艺方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

实施例1

如图3所示，本发明提供了一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，包括以下步骤：

1)水解酸化液的制备：

将获取的污泥加入到水解酸化反应罐中，控制反应温度为25℃后，进行搅拌并调节发酵体系pH为9.5，其中，污泥投配率为10％，获取水解酸化罐中产出的水解酸化液；

结论：水解酸化罐产出的水解酸化液COD平均为13326.17mg/L，ThODHAc/ThODVFAs平均为63.51％。，其中ThODHAc/ThODVFAs为醋酸理论需氧量与挥发性脂肪酸理论需氧量的比值。

如图1所示，所述水解酸化反应罐包括壳体1，壳体1的顶端设置有进料口2和出气口3，壳体1的侧壁上开设有出料口4，壳体1内设置锥形沉降层，锥形沉降层的底部设置有排泥口5，所述壳体1的顶部设置有插入壳体1内部的搅拌装置6，并且水解酸化反应罐上设置有进行温度观测的温度计。

2)水解酸化液预处理：

将粉煤灰加入到水解酸化液中，控制反应温度25℃后，调节反应pH为9.0，进行反应40min，得到水解酸化预处理液，其中，每升水解酸化液中粉煤灰投加量为15g；此时，SCOD/COD为90.12％，产气后COD去除率高达82.5％，10天累计产气量为96mL，平均比产沼气速率为15.4L/(Kg VSS·d)。其中，SCOD/COD为溶解性化学需氧量和化学需氧量的比值。

本实施例中，粉煤的成分如表1所示：

表1粉煤灰的主要化学成分(％)

3)沼气化工艺：

在厌氧复合床反应器中投加1.5L厌氧消化污泥，控制反应器内温度为25±0.5℃，开始进行内循环，循环两天后，采用顶部回流，当检测顶部水化学需氧量COD为350mg/L时停止回流，开始连续注入稀释后的水解酸化预处理液，控制稀释后的水解酸化预处理液力停留时间HRT为2d，装置进稀释后的水解酸化预处理液COD质量浓度为5000mg/L，得到沼气，检测分析反应体系容积产气率、反应后气体中甲烷含量、及进出水水质变化，得到厌氧复合床在常温条件下高效产沼气的运行工艺参数。实验结果表明：当水力停留时间HRT为2d，进水COD浓度为5000mg/L左右时，容积产气率高达205.3L/(m3·d)，而且纯度很高，甲烷比例为85.2％，同时，COD去除率为77.6％，对总氮、总磷和氨氮都有一定的去除效果，去除率分别为13.9％，20.4％和19.8％。其中，稀释后的水解酸化预处理液的浓度为未稀释前水解酸化预处理液的1/8倍，所述稀释后的水解酸化预处理液水质见表2：

表2水解酸化液的性质

厌氧复合床沼气化实验装置其主体为厌氧污泥复合床，该部分采用有机玻璃制作而成，有效容积4L，分为上中下三个部分，上部分为三相分离器，中部装有填料，防止污泥上浮，下部装有厌氧污泥，其反应装置示意图如图2所示。

实施例2

本发明提供了一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，包括以下步骤：

1)水解酸化液的制备：

将获取的污泥加入到水解酸化反应罐中，控制反应温度为25℃后，进行搅拌并调节发酵体系pH为8，其中，污泥投配率为5％，获取水解酸化罐中产出的水解酸化液。

2)水解酸化液预处理：

将粉煤灰加入到水解酸化液中，控制反应温度25℃后，调节反应pH为6.0，进行反应10min，得到水解酸化预处理液，其中，每升水解酸化液中粉煤灰投加量为5.0g。

3)沼气化工艺：

在厌氧复合床反应器中投加2.0L水解酸化污泥，并注入稀释后的水解酸化预处理液，控制反应器内温度为25±0.5℃，开始进行内循环，循环两天后，采用顶部回流，当检测顶部水化学需氧量COD为350mg/L时停止回流，开始连续注入稀释后的水解酸化预处理液，控制稀释后的水解酸化预处理液力停留时间HRT为2d，装置进稀释后的水解酸化预处理液COD质量浓度为2000mg/L，得到沼气，检测分析反应体系容积产气率、反应后气体中甲烷含量、及进出水水质变化，得到厌氧复合床在常温条件下高效产沼气的运行工艺参数。

实施例3

本发明提供了一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，包括以下步骤：

1)水解酸化液的制备：

将获取的污泥加入到水解酸化反应罐中，控制反应温度为25℃后，进行搅拌并调节发酵体系pH为8.5，其中，污泥投配率为15％，获取水解酸化罐中产出的水解酸化液，搅拌电机转速控制在250r/min。

2)水解酸化液预处理：

将粉煤灰加入到水解酸化液中，控制反应温度25℃后，调节反应pH为7.0，进行反应20min，得到水解酸化预处理液，其中，每升水解酸化液中粉煤灰投加量为10.0g。

3)沼气化工艺：

在厌氧复合床反应器中投加1.5L水解酸化污泥，并注入稀释后的水解酸化预处理液，控制反应器内温度为25±0.5℃，开始进行内循环，循环两天后，采用顶部回流，当检测顶部水化学需氧量COD为350mg/L时停止回流，开始连续注入稀释后的水解酸化预处理液，控制稀释后的水解酸化预处理液力停留时间HRT为2d，装置进稀释后的水解酸化预处理液COD质量浓度为3000mg/L，得到沼气，检测分析反应体系容积产气率、反应后气体中甲烷含量、及进出水水质变化，得到厌氧复合床在常温条件下高效产沼气的运行工艺参数。

实施例4

本发明提供了一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，包括以下步骤：

1)水解酸化液的制备：

将获取的污泥加入到水解酸化反应罐中，控制反应温度为25℃后，进行搅拌并调节发酵体系pH为9.0，其中，污泥投配率为20％，获取水解酸化罐中产出的水解酸化液，搅拌电机转速控制在250r/min。

2)水解酸化液预处理：

将粉煤灰加入到水解酸化液中，控制反应温度25℃后，调节反应pH为8.0，进行反应30min，得到水解酸化预处理液，其中，每升水解酸化液中粉煤灰投加量为15.0g。

3)沼气化工艺：

在厌氧复合床反应器中投加1.7L厌氧消化污泥，并注入稀释后的水解酸化预处理液，控制反应器内温度为25±0.5℃，开始进行内循环，循环两天后，采用顶部回流，当检测顶部水化学需氧量COD为350mg/L时停止回流，开始连续注入稀释后的水解酸化预处理液，控制稀释后的水解酸化预处理液力停留时间HRT为2d，装置进稀释后的水解酸化预处理液COD质量浓度为4000mg/L，得到沼气，检测分析反应体系容积产气率、反应后气体中甲烷含量、及进出水水质变化，得到厌氧复合床在常温条件下高效产沼气的运行工艺参数。

实施例5

本发明提供了一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，包括以下步骤：

1)水解酸化液的制备：

将获取的污泥加入到水解酸化反应罐中，控制反应温度为25℃后，进行搅拌并调节发酵体系pH为9.5，其中，污泥投配率为10％，获取水解酸化罐中产出的水解酸化液，搅拌电机转速控制在250r/min。

2)水解酸化液预处理：

将粉煤灰加入到水解酸化液中，控制反应温度25℃后，调节反应pH为9.0，进行反应40min，得到水解酸化预处理液，其中，每升水解酸化液中粉煤灰投加量为20.0g。

3)沼气化工艺：

在厌氧复合床反应器中投加接种厌氧消化污泥，并注入稀释后的水解酸化预处理液，控制反应器内温度为25±0.5℃，开始进行内循环，循环两天后，采用顶部回流，当检测顶部水化学需氧量COD为350mg/L时停止回流，开始连续注入稀释后的水解酸化预处理液，控制稀释后的水解酸化预处理液力停留时间HRT为2d，装置进稀释后的水解酸化预处理液COD质量浓度为5000mg/L，得到沼气，检测分析反应体系容积产气率、反应后气体中甲烷含量、及进出水水质变化，得到厌氧复合床在常温条件下高效产沼气的运行工艺参数。

实施例6

本发明提供了一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，包括以下步骤：

1)水解酸化液的制备：

将获取的污泥加入到水解酸化反应罐中，控制反应温度为25℃后，进行搅拌并调节发酵体系pH为10.0，其中，污泥投配率为15％，获取水解酸化罐中产出的水解酸化液，搅拌电机转速控制在250r/min。

2)水解酸化液预处理：

将粉煤灰加入到水解酸化液中，控制反应温度25℃后，调节反应pH为10.0，进行反应50min，得到水解酸化预处理液，其中，每升水解酸化液中粉煤灰投加量为25.0g。

3)沼气化工艺：

在厌氧复合床反应器中投加1.6L厌氧消化污泥，并注入稀释后的水解酸化预处理液，控制反应器内温度为25±0.5℃，开始进行内循环，循环两天后，采用顶部回流，当检测顶部水化学需氧量COD为350mg/L时停止回流，开始连续注入稀释后的水解酸化预处理液，控制稀释后的水解酸化预处理液力停留时间HRT为2d，装置进稀释后的水解酸化预处理液COD质量浓度为5000mg/L，得到沼气，检测分析反应体系容积产气率、反应后气体中甲烷含量、及进出水水质变化，得到厌氧复合床在常温条件下高效产沼气的运行工艺参数。

Claims (7)

1.一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)水解酸化液的制备：

将获取的污泥加入到水解酸化反应罐中，控制反应温度后，进行搅拌并调节发酵体系pH为8.0～10.0，其中，污泥投配率为5％～20％，获取水解酸化罐中产出的水解酸化液；

2)水解酸化液预处理：

将粉煤灰加入到水解酸化液中，控制反应温度后，调节反应pH为6.0～10.0，进行反应10min～50min，得到水解酸化预处理液，其中，每升水解酸化液中粉煤灰投加量为5.0g～25g；

3)沼气化工艺：

在厌氧复合床反应器中投加接种污泥1.5L～2.0L，并注入稀释后的水解酸化预处理液，控制反应器内温度为25±0.5℃，开始进行内循环，循环两天后，采用顶部回流，当检测顶部水化学需氧量COD为350mg/L时停止回流，开始连续注入稀释后的水解酸化预处理液，控制稀释后的水解酸化预处理液力停留时间HRT为1.0d～3d，装置进稀释后的水解酸化预处理液COD浓度为2000～5000mg/L，得到沼气，检测分析反应体系容积产气率、反应后气体中甲烷含量、及进出水水质变化，得到厌氧复合床在常温条件下高效产沼气的运行工艺参数。

2.根据权利要求1所述的一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，其特征在于，所述步骤1)中控制反应温度为25±0.5℃，进行搅拌时电机转速为250r/min。

3.根据权利要求1所述的一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，其特征在于，所述步骤2)中控制反应温度为25±0.5℃。

4.根据权利要求1所述的一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，其特征在于，所述接种污泥为厌氧消化污泥或与水解酸化污泥。

5.根据权利要求1所述的一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，其特征在于，所述步骤3)中的稀释后的水解酸化预处理液的浓度为未稀释前水解酸化预处理液的1/8～1/10倍。

6.根据权利要求1所述的一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，其特征在于，所述水解酸化反应罐包括壳体(1)，壳体(1)的顶端设置有进料口(2)和出气口(3)，壳体(1)的侧壁上开设有出料口(4)，壳体(1)内设置锥形沉降层，锥形沉降层的底部设置有排泥口(5)。

7.根据权利要求6所述的一种利用造纸剩余污泥沼气化的工艺方法，其特征在于，所述壳体(1)的顶部设置有插入壳体(1)内部的搅拌装置(6)。