CN106242215B - 一种快速启动污泥超高温厌氧消化系统的方法 - Google Patents

一种快速启动污泥超高温厌氧消化系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种快速启动污泥超高温厌氧消化系统的方法，属于污水处理和固废资源化领域。基本过程为：(1)以VS:VS=1：1的高温厌氧消化污泥和脱水污泥混合物在65℃厌氧反应器中进行嗜热甲烷菌初次富集；(2)将与步骤(1)等量的混合物与完成初次富集的物料进行混合，进行嗜热甲烷菌二次富集；(3)用VS:VS=1：1的高温污泥和脱水污泥混合物启动反应器，每天的投加量占反应器中总量的5~8%，此过程只进料不出料；(4)在3个SRT的时间内，将混合进料逐渐替换为纯污泥进料，完成污泥超高温厌氧消化反应器的启动。每天记录产气量，测试甲烷含量。当以纯污泥进料时，甲烷含量达到50%以上，认为反应器顺利启动。实验证明本方法可实现污泥超高温厌氧反应系统的快速启动。

Description

一种快速启动污泥超高温厌氧消化系统的方法
技术领域
本发明涉及一种利用高温厌氧消化污泥快速启动污泥超高温厌氧消化系统的方法，属于污水处理和固废资源化领域。
背景技术
近年来，由于能够回收污泥中的资源及能源，厌氧消化技术日益受到关注。大部分的污泥厌氧消化系统是在中温（35℃）或高温（55℃）条件下运行的。然而，中温厌氧消化系统的有机物降解率较低，所需的SRT也比较长；而高温厌氧消化过程中，微生物的降解潜能也并没有得到充分的释放。
有机物颗粒的水解是厌氧消化的主要限速步骤。因此，提高厌氧消化的效率在很大程度上依赖于提高有机颗粒的水解效率。由于水解酸化菌生长的最适温度为55℃到70℃，当厌氧消化系统的温度从55℃上升到65℃时，水解酸化菌活性增强，同时，有机颗粒的溶解性在超高温条件下也会显著提高，从而加快传质速率，使得厌氧消化系统中有机物的降解速率及产气效率提高，SRT缩短。
普通的中温和高温厌氧消化过程中，乙酸利用型产甲烷菌利用挥发性脂肪酸（VFAs，包括乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸等），醇类等通过乙酸利用型产甲烷途径最终生成甲烷和CO2。当温度上升至65℃时，多数乙酸利用型产甲烷菌的生长速率会明显降低甚至完全停止，以有机酸为底物的产甲烷途径几乎不再进行。而嗜高温的氢利用型产甲烷菌的最佳生存温度是55℃到70℃，当温度达到65℃时，氢利用型产甲烷途径的效率达到最大。因此，利用氢利用型产甲烷途径在超高温条件下进行厌氧消化是可行的。
进行污泥的超高温厌氧消化能够提高其中难生物降解物质的溶解性，提高厌氧消化系统中有机物的降解速率；同时，也有可能实现充分利用氢利用型产甲烷途径的同时，节省以乙酸等短链脂肪酸形式存在的碳源进行后续综合利用；此外，当温度上升至60℃以上时，污泥中的致病菌也能够被杀灭，初步满足污泥处理处置无害化的要求。
目前，超高温厌氧消化的研究较少，还未发现纯污泥体系超高温厌氧消化系统的相关研究。同时，由于嗜热甲烷菌的种类少、世代时间长，因此较难培养繁殖。另外，污泥中有机质含量较高，体系复杂，容易出现酸化速率过快，产生大量的VFAs不能被产甲烷菌有效利用，从而导致启动失败的情况。
发明内容
本发明的目的在于提出一种快速启动污泥超高温厌氧消化系统的方法，主要为一种利用高温厌氧消化污泥作为接种进行快速启动的方法。
本发明提出的一种快速启动污泥超高温厌氧消化系统的方法，具体步骤如下：
（１）投加基质和接种泥预处理
从污水处理厂取脱水污泥作为基质，测试脱水污泥的TS和VS；置于4℃保存待用。使用前将其用去离子水稀释至含固率不超过10%；
以含固率不超过10%的高温厌氧消化污泥为接种泥，从稳定运行的高温厌氧消化反应器中现取现用；
（２）嗜热甲烷菌初次富集
按VS（高温厌氧消化污泥）：VS（脱水污泥）=1：1的比例，将步骤（１）所得的高温厌氧消化污泥和脱水污泥投加到反应器中，投加量占反应器有效容积的15~20%；用氮气将反应器上空的空气吹出，密封反应器，保证完全厌氧环境。反应器运行条件为：采用水浴控温，保持在65℃，反应器内设置搅拌电机间歇运行，调节搅拌电机转速为10~20 r/min；反应器运行时间为25~30天，此期间不进出料；每天记录产气量，并收集气体，所述气体为甲烷、二氧化碳等，测试甲烷含量；
（３）嗜热甲烷菌二次富集
向步骤（２）所得产物中投加与步骤(2)所得产物等量的脱水污泥和高温厌氧消化污泥；保持步骤(2)所述反应器运行条件，反应器运行时间为15~20天，每天记录产气量，并收集气体，所述气体为甲烷、二氧化碳等，测试甲烷含量；
（４）超高温厌氧消化反应器的启动
启动过程中，按VS（高温厌氧消化污泥）：VS（脱水污泥）=2：1的比例每天向步骤（３）所述的反应器中继续投加高温厌氧消化污泥和脱水污泥，直至达到反应器有效容积，停止加料；每天高温厌氧消化污泥和脱水污泥的投加量为投加VS总量占反应器中VS总量的5~8%；在此期间，只进料，不出料；每天记录产气量，并收集气体，所述气体为甲烷、二氧化碳等，测试甲烷含量，有条件的情况下，检测pH、VFAs、氨氮等常规指标。
（５）超高温厌氧消化反应器的连续运行
以高温厌氧消化污泥和脱水污泥组成的混合物为进料，按VS（脱水污泥按VS（高温厌氧消化污泥）：VS（脱水污泥）=1：1投加比例向反应器进料，稳定进料和出料，以15天为一个SRT周期；当第一个SRT周期结束后，仍以高温厌氧消化污泥和脱水污泥组成的混合物为进料，按VS（高温厌氧消化污泥）：VS（脱水污泥）=1：2投加比例向反应器中进料，当第二个SRT周期结束后，以脱水污泥为进料，每天记录产气量，并收集气体，测试甲烷含量；有条件的情况下，检测pH、VFAs、氨氮等常规指标；当第三个SRT周期结束后，以脱水污泥进料时，反应器内甲烷含量达到50%以上，认为反应器启动顺利完成。
本发明具有如下优点：
1.针对嗜热甲烷菌种类少的情况，本发明利用含有嗜热甲烷菌的高温厌氧消化污泥作为接种物，加快嗜热甲烷菌的富集，能缩短启动周期。
2.嗜热甲烷菌对环境要求高、世代时间较长、难富集，本发明采用污泥逐步替换、提高有机负荷的方式启动超高温厌氧消化系统，这样能够保证嗜热产甲烷菌能够快速适应环境，并维持体系中产酸菌和甲烷菌的比例协调，有效保证系统稳定。
3.本发明所启动的污泥超高温厌氧消化系统，有机物的降解速率及产气效率高，能够明显缩短SRT；并能够在充分利用氢利用型产甲烷途径的同时，节省以乙酸等短链脂肪酸形式存在的碳源进行后续综合利用；此外，当温度上升至60度以上时，污泥中的致病菌也能够被杀灭，初步满足污泥处理处置无害化的要求。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明。
以下实施例中所用高温厌氧消化污泥和污泥为同一批，高温厌氧消化污泥取自稳定运行的高温厌氧消化反应器，反应器进料TS为12%，SRT为20天，脱水污泥取自上海某污水处理厂。高温厌氧消化污泥和脱水污泥的相关参数如表1所示。
表1 接种泥、脱水污泥相关参数
物料 TS（%） VS（%）
脱水污泥 20.80 10.44
高温厌氧消化污泥 8.15 3.39
实施例1
厌氧反应器有效容积为6 L，外部夹层通入自来水，加热方式为电加热，温度控制方式为物料控温，搅拌轴为横向双螺旋搅拌轴。
(1)嗜热甲烷菌初次富集：用去离子水将脱水污泥稀释至含固率（TS）稀释为8%，取500 g高温厌氧消化污泥投加到反应器中，按VS:VS（高温厌氧消化污泥:脱水污泥）=1：1投加脱水污泥，脱水污泥投加质量422 g，充用氮气排除反应器上空空气后，保持反应器密闭，物料温度稳定在65 ℃，运行25天。搅拌方式为间歇搅拌，转速为10 r/min，设置搅拌5min，停止5 min。
(2)嗜热甲烷菌二次富集：25天后，再次加入500 g高温厌氧消化污泥和422g脱水污泥，运行20天。
(3)反应器启动：每天按反应器中物料总量的5%投加VS:VS（高温厌氧消化污泥:脱水污泥）=1：1的高温厌氧消化污泥和脱水污泥，约25天达到反应器的有效容积。
(4)反应器连续运行：以VS:VS（高温厌氧消化污泥:脱水污泥）=1：1的高温厌氧消化污泥和脱水污泥混合物作为进料，每天进料400 g，出料为进料量减去估算的气体消耗的有机质量（以产生1L气体消耗1g有机质计算），SRT为15天。一个SRT后，将进料更换为VS:VS（高温厌氧消化污泥:脱水污泥）=1：2的脱水污泥和高温厌氧消化污泥混合物，进料为400g，出料为进料量减去估算的气体消耗的有机质量（以产生1L气体消耗1g有机质计算）。一个SRT后，更换为脱水污泥进行进出料。每天记录产气量，并收集气体，测试甲烷含量。并检测pH、VFAs、氨氮等常规指标。
启动时间约110天，反应器总产气量达到5.9 L/d，气体中甲烷含量达到54.2%，启动完成。
实施例2
厌氧反应器有效容积为9 L，外部夹层通入自来水，加热方式为电加热，温度控制方式为物料控温，搅拌轴为横向双螺旋搅拌轴。
(1)嗜热甲烷菌初次富集：用去离子水将脱水污泥稀释至含固率（TS）稀释为8%，取750g高温厌氧消化污泥投加到反应器中，按VS:VS（高温厌氧消化污泥:脱水污泥）=1：1投加脱水污泥，脱水污泥投加质量633 g，充用氮气排除反应器上部空气后，保持反应器密闭，物料温度稳定在65 ℃，运行25天。搅拌方式为间歇搅拌，转速为15 r/min，设置搅拌5 min，停止5 min。
(2)嗜热甲烷菌二次富集：25天后，再次加入750 g高温厌氧消化污泥和633 g脱水污泥，运行15天。
(3)反应器启动：每天按反应器中物料总量的8%投加VS:VS（高温厌氧消化污泥:脱水污泥）=1：1的高温厌氧消化污泥和脱水污泥，约25天达到反应器的有效容积。
(4)反应器连续运行：以VS（高温厌氧消化污泥）：VS（脱水污泥）=1：1的高温厌氧消化污泥和脱水污泥混合物作为进料，每天进料600 g，出料为进料量减去估算的气体消耗的有机质量（以产生1L气体消耗1g有机质计算），SRT为15天。一个SRT后，将进料更换为VS（高温厌氧消化污泥）：VS（污泥）=1：2的脱水污泥和高温厌氧消化污泥混合物，进料为600 g，出料为进料量减去估算的气体消耗的有机质量（以产生1L气体消耗1g有机质计算）。一个SRT后，更换为脱水污泥进行进出料。每天记录产气量，并收集气体，测试甲烷含量。并检测pH、VFAs、氨氮等常规指标。
启动时间约100天，到污泥替换结束时，反应器总产气量达到11.45 L/d，气体中甲烷含量达到53.6%，启动完成。

Claims (1)

1.一种快速启动污泥超高温厌氧消化系统的方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）投加基质和接种泥预处理
从污水处理厂取脱水污泥作为基质，测试脱水污泥的TS和VS；置于4℃保存待用；使用前将其用去离子水稀释至含固率不超过10%；
以含固率不超过10%的高温厌氧消化污泥为接种泥，从稳定运行的高温厌氧消化反应器中现取现用；
（２）嗜热甲烷菌初次富集
按VS（高温厌氧消化污泥）：VS（脱水污泥）=1：1的比例，将步骤（1）所得的高温厌氧消化污泥和脱水污泥投加到反应器中，投加量占反应器有效容积的15~20%；用氮气将反应器上空的空气吹出，密封反应器，保证完全厌氧环境；反应器运行条件为：采用水浴控温，保持在65℃，反应器内设置搅拌电机间歇运行，调节搅拌电机转速为10~20 r/min；反应器运行时间为25~30天，此期间不进出料；每天记录产气量，并收集气体，所述气体为甲烷、二氧化碳，测试甲烷含量；
（３）嗜热甲烷菌二次富集
向步骤（２）所得产物中投加与步骤(2)所得产物等量的脱水污泥和高温厌氧消化污泥；保持步骤(2)所述反应器运行条件，反应器运行时间为15~20天，每天记录产气量，并收集气体，所述气体为甲烷、二氧化碳，测试甲烷含量；
（４）超高温厌氧消化反应器的启动
启动过程中，按VS（高温厌氧消化污泥）：VS（脱水污泥）=2：1的比例每天向步骤（３）所述的反应器中继续投加高温厌氧消化污泥和脱水污泥，直至达到反应器有效容积，停止加料；每天高温厌氧消化污泥和脱水污泥的投加量为投加VS总量占反应器中VS总量的5~8%；在此期间，只进料，不出料；每天记录产气量，并收集气体，测试甲烷含量；
（５）超高温厌氧消化反应器的连续运行
以高温厌氧消化污泥和脱水污泥组成的混合物为进料，按VS（高温厌氧消化污泥）：VS（脱水污泥）=1：1投加比例向反应器进料，稳定进料和出料，以15天为一个SRT周期；当第一个SRT周期结束后，仍以高温厌氧消化污泥和脱水污泥组成的混合物为进料，按VS（高温厌氧消化污泥）：VS（脱水污泥）=1：2投加比例向反应器中进料，当第二个SRT周期结束后，以脱水污泥为进料，每天记录产气量，并收集气体，测试甲烷含量；当第三个SRT周期结束后，以脱水污泥进料时，反应器内甲烷含量达到50%以上，认为反应器启动顺利完成。
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