CN104909529B - 一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法，包括以下步骤：(1)将剩余污泥的pH调节到4.0～5.0；(2)向经pH调节过的剩余污泥中，直接投放胞外聚合物裂解酶粉末，混合均匀，进行反应；(3)经酶预处理后的污泥直接进入脱水工序，或直接进行厌氧消化处理。与现有技术相比，本发明仅添加的少量胞外聚合物裂解酶就可以大幅提高污泥多糖的释放率，形成糖类小分子，便于微生物利用；同时被糖类和类糖蛋白包裹的分子被释放出来，也能提高污泥利用率，提高整体消化效率和脱水性能。酶处理前的酸化调理液还可以采用废物发酵液，从而进一步降低处理成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种对剩余污泥预处理方法，尤其是涉及一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法。
背景技术
污水厂剩余污泥是城市污水处理产生的主要二次污染物。目前中国的湿污泥(含水率80％)产量已达3400万吨/年。数量如此巨大的污泥如得不到妥善处置，将对环境造成严重的二次污染。
剩余污泥的处理目标，是减少污泥处置量、提高污泥脱水率和降低污泥调理剂用量。脱水性能和厌氧消化性能，是评价城市污水厂剩余污泥可处理性能的重要指标。脱水是污泥处理的主要技术瓶颈，其费用可达污水厂年运行成本的30％～50％，是污水厂运行管理的主要经济指标。而厌氧消化是污泥稳定化、减量化的常用技术，在削减挥发性固体和臭气的同时，还可消灭污泥中的致病菌和寄生虫；厌氧消化产生的沼气还能被作为可再生能源，生产热能和电能，或替代汽油作为运输燃料；但目前污泥厌氧消化存在所需消化时间长、消化效率低、沼气产量低无法补偿运行能耗等问题。
为了改善污泥的厌氧消化性能和脱水性能，可以采用各类预处理方法来缩短污泥厌氧消化时间、提高厌氧消化效率、提高脱水效率，包括物理法、化学法和生物法等三大类预处理方法。比如，申请号为200910227265.4的中国发明专利采用的是“超声—磁场”耦合的物理法破解污泥使污泥减量；申请号为201010562436.1的中国发明专利利用“超声波”物理法预处理改善污泥消化性能；申请号为201210086018.9的中国发明专利利用“臭氧和磁场”强化污泥的好氧消化降解；申请号为201110064020.1的中国发明专利采用“高温和高压”物理化学法对污泥进行改性预处理然后再进行厌氧消化。碱解法、臭氧氧化法、氯氧化法是较常见的化学预处理法。添加化学调理剂(如氯化铁，石灰，聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合硅酸铝等无机高分子絮凝剂、聚丙烯酰胺等有机高分子絮凝剂)是目前用于改善污泥脱水性能的主要方法，但这些化合物会残留在脱水污泥中，给脱水污泥的后续土地利用带来不确定的生态风险。而生物预处理法就是加入酶或者是接种生物菌，加快污泥中有机物的降解。物理法和化学法存在产生三氯甲烷副产物、梅拉德反应抑制后续生物降解、基建和运行费用大、能耗高、存在安全隐患等问题。相比而言。生物预处理法的能耗、污染和成本都较低，安全性也更高，而越来越受到人们的重视。
申请号为201110445557.2的中国发明专利采用“中性蛋白酶和α-淀粉酶”强化剩余污泥的减量；申请号为201110262277.8的中国发明专利采用“蛋白酶、淀粉酶、漆酶、纤维素酶等”多种生物酶制成复合生物酶制剂用于污泥的处理；申请号为201210262361.4的中国发明专利也是采用“蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶”等生物酶法加速污泥的好氧降解。Kopplow等(Enzymatic,mechanical and thermal pre-treatment of surplussludge.Advances in Environmental Research,2003,7,715–720)采用“碳水化合物水解酶”用于剩余污泥消化处理；陈伟等(胞外多聚物对酶催化污泥厌氧水解的影响研究.环境科学,2011,32,8,2334-2339)采用“溶菌酶、纤维素酶、蛋白酶”用于污泥的厌氧消化；CheeWee Teo等(Enzyme augmentation of an anaerobic membrane bioreactor treatingsewage containing organic particulates,Water Research,2014,48,335-344)采用“蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶”复合生物酶制剂用于污泥的膜处理厌氧消化；Hui Huang等(Agingbiofilm from a full-scale moving bed biofilm reactor:Characterization andenzymatic treatment study.Bioresource Technology,2014,154,122-130)采用“蛋白酶、淀粉酶”用于消化处理老化生物膜。但已有的这些文献表明应用于污泥消化的酶添加剂量大且酶处理针对性不高，应用效果一般。另外，鲜见利用酶法提高污泥脱水性能的报道。
有机物，特别是污泥絮体胞外的生物大分子聚合有机物，是影响剩余污泥厌氧降解和脱水的主要因素(Degradation of Extracellular Polymeric Substances(EPS)inanaerobic digestion of dewatered sludge.Procedia Environmental Sciences,2013,18,515-521)。胞外聚合物对微生物细胞起保护作用，从而阻碍了厌氧微生物对有机基质的利用；而且，胞外聚合物的高粘度会阻碍污泥的脱水，水分子通过静电作用和氢键与污泥胞外聚合物结合，胞外聚合物蛋白质和多糖中数量众多的羧基和羟基基团增强了胞外聚合物对水分的束缚力，这种结合作用受水分含量影响，并随聚合物含量的增加而增强。因此，胞外聚合物的去除会释放结合的水分子，从而提高脱水性能；会解除对污泥微生物细胞的束缚，从而提高厌氧消化性能。
胞外聚合物主要是由蛋白质和多糖构成的，因此，上述专利和文献中利用到的蛋白酶可以作用于蛋白质，淀粉酶和纤维素酶可以作用于多糖。但由于剩余污泥的胞外聚合物总量一般在200～500mg/g-VS之间，即污泥有机质的20％～50％分布在胞外，这意味着需要添加大量的蛋白酶、淀粉酶和纤维素酶才能水解去除聚合物，从而大幅提高了处理成本。
因此，有必要寻找出一种生物酶，其少剂量投加就能使得污泥胞外聚合物产生裂解(而不是整体有机物发生水解)，从污泥微生物细胞体上剥离下来，从而改善污泥脱水性能和厌氧消化性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法，以显著改善剩余污泥得脱水性能和消化效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法，包括以下步骤：
(1)剩余污泥的酸化预调理：将剩余污泥的pH调节到4.0～5.0，然后静置1～2hr；
(2)酶预处理：向步骤(1)中经pH调节过的剩余污泥中，直接投放胞外聚合物裂解酶粉末，混合均匀，进行反应；
(3)酶预处理后污泥的处理：经步骤(2)酶预处理后的污泥直接进入脱水工序，或直接进行厌氧消化处理。
优选地，步骤(1)中采用污泥、餐饮垃圾或生活垃圾废物水解酸化后生成的发酵液调节剩余污泥的pH，这些发酵液主要含乙酸、丙酸和丁酸。
优选地，步骤(2)中，胞外聚合物裂解酶粉末添加量为31.5～38.5U/kg干污泥。
优选地，步骤(2)中，酶预处理的范围温度为20～60℃，更优选为30～55℃，反应时间2～5hr。
步骤(2)中酶预处理的反应温度范围与污泥处理目的相对应。如果酶预处理的目的主要是改善脱水性能，则最优反应温度控制在30～40℃；如果酶预处理的目的主要是改善厌氧消化性能，则最优反应温度控制在50～55℃。
本发明利用一种胞外聚合物裂解酶来去除污泥胞外聚合物中存在的微量聚半乳糖醛酸(一种维持胞外聚合物结构的有机物)，促进污泥胞外聚合物裂解成小分子，从污泥微生物细胞体上迅速剥离下来，从而大大改善污泥的消化性能和脱水性能，弥补现有酶预处理法的不足。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明针对剩余污泥添加的胞外聚合物裂解酶可以大大提高污泥多糖的释放率，形成糖类小分子，便于微生物利用；同时被糖类和类糖蛋白包裹的分子被释放出来，也能提高污泥利用率，提高整体消化效率。
2、本发明添加的酶的目标底物是污泥胞外聚合物中存在的微量聚半乳糖醛酸，而不是污泥的大宗有机物蛋白质和多糖，从而能大幅减少酶的使用量，而得到较好的预处理效果。
3、胞外聚合物裂解酶的添加可以在污泥消化反应器中进行，不需要另外设置处理单元，从而降低了处理成本，节约了运行时间。
4、胞外聚合物裂解酶的目标物也是细胞壁的组成成分，细胞壁的被破坏同时可以增加消化过程中细胞的裂解，促进胞内物质的释放，供其他微生物代谢利用，加快污泥菌群代谢周期，持续提高污泥消化效率。
5、用于调节pH的酸性溶剂源于生物可降解废物，而胞外聚合物裂解酶本身都是生物可降解的，在厌氧消化阶段会被去除、转化成沼气，因而降低了化学添加剂残留的风险，还能增加沼气产量。
6、胞外聚合物裂解酶添加后促进污泥胞外聚合物结构的裂解，能大大提高污泥的脱水性能，减少污泥减量化处理的经济成本，具有明显的经济价值。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
采用如图1所示的工艺进行剩余污泥预处理，包括以下步骤：
(1)取生活污水处理厂的活性剩余污泥100mL(含水率90％)，置于500mL烧杯中，用餐饮垃圾发酵液(含乙酸8000mg/L、丁酸1500mg/L)调节剩余污泥pH为4.0，然后静置1hr。接着在磁力搅拌作用下加入活性为1U/mg的多聚半乳糖醛酸酶粉剂0.416g，并在35℃的恒温培养箱中进行连续培养5h。
(2)取步骤(1)中培养后的污泥进行离心脱水处理，离心条件为2000g，10min。
采用如上所述方法，在酶水解处理5h后，污泥的毛细吸水时间(CST)降低了57％，比阻(SRF)降低了48％，脱水性能显著提高。
实施例2
采用如图1所示的工艺进行剩余污泥预处理，包括以下步骤：
(1)取生活垃圾污水处理厂的剩余污泥100mL(含水率为88％，有机质占干基的68％，多糖含量占干基的6.6％，蛋白质含量占干基的37％)，置于500mL烧杯中，用剩余污泥发酵液(含乙酸3000mg/L、丙酸500mg/L、丁酸400mg/L)调节pH为5.0，静置2h。然后在磁力搅拌作用下加入活性为2.5U/mg的多聚半乳糖醛酸酶粉剂0.416g，并在55℃的恒温培养箱中进行连续培养4.5h。
(2)取步骤(1)中培养后的污泥，在55℃条件下进行厌氧消化30天。
采用如上所述的处理方法，污泥在酶处理前，污泥2000g离心10min中获得的溶出层中的多糖含量为1.54e-4g/g-干污泥，蛋白质含量为5.51e-4g/g干污泥，TOC含量为2.87e- 4g/g干污泥；酶处理4.5h后，溶出层中的多糖含量为2.85e-3g/g干污泥，蛋白质含量为8.24e-3g/g；干污泥TOC含量为1.34e-2g/g干污泥，分别是酶处理前的18.5倍，15倍，46.7倍，可消化性能显著提高。
实施例3
采用图1所示工艺，利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理，包括以下步骤：
(1)剩余污泥的酸化预调理：采用污泥水解酸化后生成的发酵液将剩余污泥的pH调节到4.0，然后静置1hr；
(2)酶预处理：向步骤(1)中经pH调节过的剩余污泥中，直接投放胞外聚合物裂解酶粉末，胞外聚合物裂解酶粉末添加量为31.5U/kg干污泥，混合均匀，20℃下，反应5hr。
(3)酶预处理后污泥的处理：经步骤(2)酶预处理后的污泥直接进入脱水工序。
实施例4
采用图1所示工艺，利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理，包括以下步骤：
(1)剩余污泥的酸化预调理：采用餐饮垃圾废物水解酸化后生成的发酵液将剩余污泥的pH调节到5.0，然后静置2hr；
(2)酶预处理：向步骤(1)中经pH调节过的剩余污泥中，直接投放胞外聚合物裂解酶粉末，胞外聚合物裂解酶粉末添加量为38.5U/kg干污泥，混合均匀，60℃下，反应2hr。
(3)酶预处理后污泥的处理：经步骤(2)酶预处理后的污泥直接进行厌氧消化处理。
实施例5
采用图1所示工艺，利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理，包括以下步骤：
(1)剩余污泥的酸化预调理：采用生活垃圾废物水解酸化后生成的发酵液将剩余污泥的pH调节到4.5，然后静置1.5hr；
(2)酶预处理：向步骤(1)中经pH调节过的剩余污泥中，直接投放胞外聚合物裂解酶粉末，胞外聚合物裂解酶粉末添加量为35U/kg干污泥，混合均匀，30℃下，反应4hr。
(3)酶预处理后污泥的处理：经步骤(2)酶预处理后的污泥直接进入脱水工序。
实施例6
采用图1所示工艺，利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理，包括以下步骤：
(1)剩余污泥的酸化预调理：采用污泥、餐饮垃圾或生活垃圾废物水解酸化后生成的发酵液将剩余污泥的pH调节到4.8，然后静置1.3hr；
(2)酶预处理：向步骤(1)中经pH调节过的剩余污泥中，直接投放胞外聚合物裂解酶粉末，胞外聚合物裂解酶粉末添加量为33U/kg干污泥，混合均匀，50℃下，反应3hr。
(3)酶预处理后污泥的处理：经步骤(2)酶预处理后的污泥直接进行厌氧消化处理。
实施例7
采用图1所示工艺，利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理，包括以下步骤：
(1)剩余污泥的酸化预调理：采用污泥、餐饮垃圾或生活垃圾废物水解酸化后生成的发酵液将剩余污泥的pH调节到4.2，然后静置1.8hr；
(2)酶预处理：向步骤(1)中经pH调节过的剩余污泥中，直接投放胞外聚合物裂解酶粉末，胞外聚合物裂解酶粉末添加量为33U/kg干污泥，混合均匀，40℃下，反应4hr。
(3)酶预处理后污泥的处理：经步骤(2)酶预处理后的污泥直接进行厌氧消化处理。
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使用发明。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，本发明不限于上述实施例，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 (7)
1.一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)剩余污泥的酸化预调理：将剩余污泥的pH调节到4.0～5.0；
(2)酶预处理：向步骤(1)中经pH调节过的剩余污泥中，直接投放胞外聚合物裂解酶粉末，混合均匀，进行反应；
(3)酶预处理后污泥的处理：经步骤(2)酶预处理后的污泥直接进入脱水工序，或直接进行厌氧消化处理。
2.根据权利要求1所述的一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法，其特征在于，步骤(1)中采用污泥、餐饮垃圾或生活垃圾废物水解酸化后生成的发酵液调节剩余污泥的pH。
3.根据权利要求1所述的一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法，其特征在于，步骤(2)中，胞外聚合物裂解酶粉末添加量为31.5～38.5U/kg干污泥。
4.根据权利要求1所述的一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法，其特征在于，步骤(2)中，酶预处理的范围温度为20～60℃。
5.根据权利要求4所述的一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法，其特征在于，步骤(2)中，酶预处理的范围温度为30～55℃。
6.根据权利要求5所述的一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法，其特征在于，步骤(2)中，酶预处理的范围温度为30～40℃，此时酶预处理的目的主要是改善脱水性能。
7.根据权利要求5所述的一种利用胞外聚合物裂解酶进行剩余污泥预处理的方法，其特征在于，步骤(2)中，酶预处理的范围温度为50～55℃，此时酶预处理的目的主要是改善厌氧消化性能。
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