CN105948448B - 一种促进脱水污泥中pam水解同时生产短链脂肪酸的方法 - Google Patents

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Abstract

目前PAM脱水污泥在厌氧消化过程中由于絮体过大，导致较差的消化效率，不仅抑制了污泥中大分子有机基质的溶出，更是使污泥的停留时间增大，同时，也存在PAM降解为单体丙烯酰胺的可能性。本发明提供了一种促进脱水污泥中残留PAM水解同时生产短链脂肪酸的资源化无害化系统及方法，属于污泥处理与处置领域。本发明首先对PAM脱水污泥进行热水解处理，促进脱水污泥中PAM絮体的解离，然后进行碱性调质，使得热水解污泥菌胶团絮体结构得到充分破坏，再送至厌氧发酵罐生产短链脂肪酸同时提高PAM水解率，降低PAM潜在毒性，实现了PAM脱水污泥资源化无害化利用。

Description

一种促进脱水污泥中PAM水解同时生产短链脂肪酸的方法
技术领域
本发明涉及到污泥处理与处置领域，具体指一种促进脱水污泥中残留PAM水解同时生产短链脂肪酸的资源化无害化方法。
背景技术
目前城镇污水处理厂多采用活性污泥法处理污水，在处理过程中将会产生大量的剩余污泥，其处理处置费用较高，而剩余污泥中含有大量的有机物如蛋白质、多糖等，可通过厌氧发酵技术将其转化为挥发性短链脂肪酸。水解酸化产生的挥发性短链脂肪酸主要为C2-C6短链有机物(乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸等)，可作为内源碳被脱氮除磷菌利用以去除富营养化污水中的氮和磷，还可用作其他发酵的外加碳源作为能源物质进行再利用。
然而，在中国，超过80％的污水处理厂没有配置污泥处理设施，仅仅通过高强度脱水后集中填埋处置，这种方式不仅占地多，而且还可造成二次污染。因此，具有能量需求低、所需反应器体积小、沼渣产量少等优点的高含固厌氧消化技术得以高速应用与发展。在高含固厌氧消化技术中，污泥需要经过机械脱水达到一定含固率后才能进入厌氧消化反应器。污泥在脱水之前通常会加入剂量为5～10g PAM/kg TS化学调理药剂聚丙烯酰胺(PAM)来提高其脱水性能。但是，在脱水污泥中会残留大量的PAM，PAM降解产生的单体丙烯酰胺具有生物毒性，累积在消化反应器中会影响沼渣后续的处理处置。另外，其长链结构会增加污泥的粘性，增大污泥絮体大小，抑制有机物的传质效率，对厌氧消化性能产生较大影响。
针对PAM脱水存在的问题，仍然没有出现较为系统的处理处置方法。而本发明中热水解结合碱调质技术可以解决此问题。热水解可以促进脱水污泥中PAM絮体的解离，降低絮体大小，提高脱水污泥后续处理的接触面积。碱性调质不仅可以降低污泥絮体大小，而且可以使细胞壁溶解，释放出胞内物质，极大的提高产酸量。
因此，如何在保证提高PAM脱水污泥厌氧消化性能的前提下，协调工艺组成，优化工艺参数，降低运营能耗及占地面积，消除PAM降解为单体丙烯酰胺的可能性的同时提高挥发性短链脂肪酸产量是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，克服上述现有技术的不足，提供一种既能促进脱水污泥(含固率低于15％)中残留PAM水解同时又生产短链脂肪酸的资源化无害化方法。该方法联合热水解技术和碱性发酵技术，一方面通过热水解促进脱水污泥中PAM絮体的解离，降低絮体大小，提高脱水污泥后续处理的接触面积，另一方面在碱性调质时进一步降低污泥絮体大小，甚至破解污泥絮体，促进脱水污泥中大分子有机物的溶出和水解，提高其发酵产酸量，以解决现有脱水污泥厌氧消化处理过程中PAM对剩余污泥水解的严重抑制和PAM二次污染等问题。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种促进脱水污泥中PAM水解同时生产短链脂肪酸的方法，包括以下步骤：
(1)对PAM脱水污泥进行热水解：首先进行预热处理，预热过程控制温度在40-60℃，搅拌速率在50-150rpm，停留时间在15-35min；热水解过程控制温度在100-120℃，搅拌速率在150-300rpm，停留时间在30-50min；
(2)热水解后进行碱性调质：石灰石投加量为0.1-0.3g/g TS，利用热交换器换热15-25min，之后引入冷水降低脱水污泥温度至40-60℃、含固率为10％左右，搅拌速率控制在100-200rpm，总停留时间为30-50min；
(3)碱性调质后进行碱性发酵：温度控制在35-55℃，搅拌强度设为100-200rpm，停留时间为8-14天。
其中，
步骤(1)所述的PAM脱水污泥先倾倒入储泥池后，输送至预热罐，由热交换器和锅炉房供热进行加热，首选由热交换器供热，采用泵搅拌方式；所述的热水解过程在热水解反应池进行，由锅炉房提供饱和蒸汽进行加热。
步骤(2)所述的碱性调质在碱调质室进行。
步骤(3)所述的碱性发酵在厌氧发酵罐中进行，生产短链脂肪酸。
本发明中预热阶段主要为了回收热水解的废热气，同时增强污泥流动性，降低热水解过程中的能耗。热水解阶段主要是促进脱水污泥中PAM絮体的解离，降低絮体大小，增大脱水污泥后续处理的接触面积，同时破坏部分污泥的菌胶团。碱性调质阶段一方面为了降低污泥温度回收余热，另一方面使得热水解后污泥中的菌胶团及絮体结构得到充分的破坏，大分子有机物得到溶解和破坏，进而水解为低分子有机物。厌氧发酵阶段，碱性环境(pH9～10)一方面抑制了产甲烷菌活性，促进了产酸菌活性，大大提高了短链脂肪酸的产量，另一方面碱性环境(pH 9～10)可提高PAM水解率，降低PAM在厌氧消化过程中降解为丙烯酰胺等潜在有毒物质的可能性。
本发明的有益效果：
(1)本发明实现了PAM脱水污泥无害化处理。以碱调质方法处理PAM脱水污泥，极大的促进了脱水污泥中PAM的水解率，降低了PAM在厌氧消化过程中降解产生有毒物质如丙烯酰胺的可能性。
(2)本发明实现了PAM脱水污泥资源化处理。热水解处理促进了脱水污泥中PAM絮体的解离，降低絮体大小，增大脱水污泥后续处理的接触面积，碱性调质处理使得热水解后污泥中的菌胶团及絮体结构得到充分的破坏，提高了污泥中大分子有机物的溶出率，大大提升了短链脂肪酸的产量，解决了PAM脱水污泥中因絮体较大导致的厌氧消化性较差的问题。
(3)本发明以使用热交换器以利用热水解的废热来对生污泥进行预热，降低热水解能耗，在提高污泥资源化利用效率的同时，节约能源。
附图说明
图1为PAM脱水污泥无害化资源化处理方法的工艺流程图；
其中：1-储泥池，2-预热罐，3-热水解反应器，4-碱性调质室，5-厌氧发酵罐，6-热交换器，7-锅炉房，8-石灰石投加装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制。任何熟悉该领域的技术人员根据上述本发明内容对本发明所做的一些非本质的改进和调整，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明一种促进脱水污泥中PAM水解同时生产短链脂肪酸的方法，如图1所示，由储泥池1、预热罐2、热水解反应池3、碱性调质室4、厌氧发酵罐5组成；储泥池1与预热罐2连接，预热罐2与热水解反应器3连接，热水解反应器3与碱性调质室4连接，碱性调质室4与厌氧发酵罐5连接，热交换器6与预热罐2和碱性调质室4连接，锅炉房7与预热罐2和热水解反应器3连接；所述储泥池1、预热罐2、热水解反应器3、碱性调质室4、厌氧发酵罐5均设有搅拌装置；所述碱性调制室4设有石灰石投加装置和pH在线检测计等。
上述促进脱水污泥中PAM水解同时生产短链脂肪酸的方法，其步骤为：PAM脱水污泥倾倒入储泥池1后，输送输送至预热罐2，由热交换器6和锅炉房7供热进行加热，同时进行搅拌；预热后污泥输送至热水解反应器3，由锅炉房7供热进行加热，同时快速搅拌；热水解后污泥输送至碱调质室4，由热交换器6进行换热降温，同时投加石灰石，并引入冷水对污泥进行稀释降温；碱调质污泥直接送至厌氧发酵罐5，进行碱性厌氧发酵生产短链脂肪酸。
实施例1
一种促进脱水污泥中PAM水解同时生产短链脂肪酸的方法，按以下步骤进行：PAM脱水污泥倾倒入储泥池1后，经螺杆泵传送装置输送至预热罐2，由热交换器6和锅炉房7供热对脱水污泥进行加热，保持温度为50℃；同时进行100rpm的搅拌强度进行搅拌，停留时间控制在30min。其后污泥由防腐蚀泵输送装置输送至热水解反应器3，由锅炉房7提供饱和蒸汽进行加热，维持温度为100℃，同时以200rpm进行快速搅拌；停留时间为40min。热水解后污泥输送碱调质室4，由热交换器6进行换热降温，由热交换器6进行换热15～25min，同时加入冷水控制污泥含固率为10％，投加石灰石与污泥固体含量的质量比为0.2，即1t脱水污泥(含水率90％)中加入20.0kg石灰石，泵搅拌强度为150rpm，最后降温至55℃(通过控制热交换时间)。总停留时间约为40min。碱调质污泥直接送至厌氧发酵罐5进行挥发性短链脂肪酸的生产，温度控制在50℃，搅拌强度设为200rpm，消化时间为10天。
上述处理过程中，PAM脱水污泥初始含水量为83.2％，热水解后污泥絮体大小平均降低了32.2％，溶出性蛋白质和糖相对于未处理的分别提高了2.4倍和2.1倍左右；碱调质后污泥絮体大小平均降低了46.7％，溶出性蛋白质和糖相对于未碱调质处理的分别提高了3.9倍和3.1倍左右。厌氧发酵生产短链脂肪酸在第6天达到最大量，最大累积产酸量可达到190mg COD/g VSS，其中，乙酸和丙酸含量最大，分别占44.6％和20.1％。同时，发酵后的污泥残渣中，PAM水解率达到了56％，丙烯酰胺浓度远低于环境限定值。

Claims (4)

1.一种促进脱水污泥中PAM水解同时生产短链脂肪酸的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对PAM脱水污泥进行热水解：首先进行预热处理，预热过程控制温度在40-60℃，搅拌速率在50-150rpm，停留时间在15-35min；热水解过程控制温度在100-120℃，搅拌速率在150-300rpm，停留时间在30-50min；
(2)热水解后进行碱性调质：石灰石投加量为0.1-0.3g/g TS，利用热交换器换热15-25min，之后引入冷水降低脱水污泥温度至40-60℃、含固率为10％左右，搅拌速率控制在100-200rpm，总停留时间为30-50min；
(3)碱性调质后进行碱性发酵：温度控制在35-55℃，搅拌强度设为100-200rpm，停留时间为8-14天。
2.根据权利要求1所述的一种促进脱水污泥中PAM水解同时生产短链脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(1)所述的PAM脱水污泥先倾倒入储泥池后，输送至预热罐，由热交换器和锅炉房供热进行加热，首选由热交换器供热，采用泵搅拌方式；所述的热水解过程在热水解反应池进行，由锅炉房提供饱和蒸汽进行加热。
3.根据权利要求1所述的一种促进脱水污泥中PAM水解同时生产短链脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(2)所述的碱性调质在碱调质室进行。
4.根据权利要求1所述的一种促进脱水污泥中PAM水解同时生产短链脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(3)所述的碱性发酵在厌氧发酵罐中进行，生产短链脂肪酸。
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