CN107162314B - 一种剩余污泥处理与资源回收的方法和一种提高VFAs产率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调控污泥液态发酵产酸效果并在线脱氮除磷的方法，属于有机固体废弃物资源化领域。本发明将一种脱氮除磷装置与上流式污泥厌氧流化床(UASB)耦合同步，以达到脱氮除磷并提高挥发性脂肪酸(VFA)产率的目的。所述脱氮除磷装置为上流式，接收来自UASB污泥液态发酵的发酵液，按鸟粪石生成比例投加溶解性镁盐，经过脱氮除磷的液体回流至UASB，生成的鸟粪石沉淀从反应器底部移除。本发明方法，相较未同步脱氮除磷装置的UASB发酵液，氨氮和总磷分别降低了78.09±0.30％和94.61±0.51％，同时回收鸟粪石1.52±0.04g/gPO4 3‑。同时，乙酸和丙酸占比提高到66.76±0.23％和16.54±0.17％，强化了乙酸和丙酸的定向产酸。

Description

一种剩余污泥处理与资源回收的方法和一种提高VFAs产率的 方法
技术领域
本发明涉及一种剩余污泥处理与资源回收的方法和一种提高VFAs产率的方法，属于有机固体废弃物资源化领域。
背景技术
城市剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸(VFAs)作为一种污泥资源化利用的途径，在污水厂的应用日益引起关注。污泥液态发酵是一种高效的产酸方法，具有发酵强度大、VFAs产量高和运行能耗低等优势。然而，该方法也存在一些问题：一方面，发酵过程中由于蛋白质类物质逐渐被消耗产生大量氨氮，氨氮浓度可达1000mg/L以上，氨氮转化为游离氨不断积累而严重抑制微生物的活性，因此造成厌氧发酵效率偏低；另一方面，发酵液的氮磷含量偏高，远超污水厂排放限值，并且不能作为碳源直接投入污水厂，发酵液往往需要经过脱氮除磷工艺才可以作为外加碳源。鉴于这些问题，污泥液态发酵产VFAs技术的应用目前存在一定阻碍。
目前，有研究将污泥发酵后富含VFAs的混合物进行离心分离，得到的离心发酵液继续进行化学脱氮除磷，PO4 3－-P的质量浓度从104.8mg/L降至6.2mg/L，回收率为94.1％；NH4 +-N的质量浓度由379.6mg/L降至142.9mg/L，回收率为62.3％，发酵液中的氮磷得到了高效回收。这种方式也普遍用于处理猪粪或者禽畜粪便经厌氧消化后的废水。然而，由于需要对污泥发酵后的物质进行固液分离和化学脱氮除磷，增加了发酵液的后续处理步骤，并不利于整个工艺的运行和管理，同时，现有研究都为序批式操作，污泥厌氧发酵和脱氮除磷总周期相对较长、效率较低，能耗偏大。
发明内容
为了解决上述问题，基于之前本实验室关于污泥液态发酵技术的研究成果，本申请在污泥水解液化并且连续投入高负荷厌氧反应器的基础上，将化学脱氮除磷装置与污泥液态发酵同步运行。该耦合工艺通过控制厌氧发酵装置的有机负荷与化学脱氮除磷装置中的回流比等参数，在发酵过程中在线可以去除高浓度的氮磷，大幅度降低发酵中氨氮的抑制效应，缓解游离氨浓度过高而造成的微生物毒害，强化产酸微生物的活性，进而提高VFAs的产率。同时，考虑到不同产酸微生物对游离氨的耐受程度不同，降低游离氨浓度会明显促进某些特定微生物活性，从而实现定向产酸。另一方面，该耦合工艺还可以在发酵过程中形成鸟粪石这种优质化肥，实现氮磷的同步回收，减少了发酵液脱氮除磷的后续处理过程，简化了整个污泥厌氧发酵的工艺流程，发酵液可以直接作为外加碳源应用在污水厂中，有利于污泥厌氧发酵的工业化应用。
本发明的第一个目的是提供一种剩余污泥处理与资源回收的方法，所述方法是将UASB反应器与脱氮除磷装置进行耦合，脱氮除磷装置接收来自UASB污泥液态发酵的发酵液，按鸟粪石生成比例投加溶解性镁盐，经过脱氮除磷的液体回流至UASB，生成的鸟粪石沉淀从脱氮除磷装置底部移除。
本发明的第二个目的是提供一种提高UASB污泥液态发酵的VFAs产率的方法，所述方法是将UASB反应器与脱氮除磷装置进行耦合，脱氮除磷装置接收来自UASB污泥液态发酵的发酵液，经过脱氮除磷的液体回流至UASB。
本发明的第三个目的是提供一种提高UASB污泥液态发酵的发酵液中乙酸和/或丙酸占比的方法，所述方法是将UASB反应器与脱氮除磷装置进行耦合，脱氮除磷装置接收来自UASB污泥液态发酵的发酵液，经过脱氮除磷的液体回流至UASB。
本发明的第四个目的是提供一种降低污泥液态发酵的发酵液中氮磷浓度并回收鸟粪石的方法，所述方法是将UASB反应器与脱氮除磷装置进行耦合，脱氮除磷装置接收来自UASB污泥液态发酵的发酵液，经过脱氮除磷的液体回流至UASB。
在本发明的一种实施方式中，所述污泥为取自城市污水厂的二沉池、浓缩池的剩余污泥，或者为脱水污泥，经过UASB液态发酵后的发酵液含固率低于1％，并且其溶解性化学需氧量(SCOD)、总磷和氨氮浓度分别高于10g/L，500mg/L和300mg/L。
在本发明的一种实施方式中，所述发酵液是有机负荷为4.0-10.0kgCOD/m3/d的UASB在35-37℃、pH 9-11条件下液态发酵的发酵液。
在本发明的一种实施方式中，所述发酵液以回流比为0.6-0.8进入脱氮除磷装置，脱氮除磷装置的温度和pH保持在与UASB相同的水平。
在本发明的一种实施方式中，所述脱氮除磷装置的水力停留时间(HRT)为2-12h。
在本发明的一种实施方式中，所述的脱氮除磷装置为上流式，中部设置隔板；UASB反应器的上部与脱氮除磷装置的下部通过管路联通，脱氮除磷装置的上部与UASB反应器的下部通过管路联通；污泥发酵液从脱氮除磷装置底部进入，经过脱氮除磷的液体从上部回流至UASB的底部。
本发明的有益效果
本发明将上流式脱氮除磷装置与UASB耦合同步，以达到脱氮除磷并提高VFAs产率和定向产酸的目的，并最终回收鸟粪石沉淀。本发明方法在环境领域中的应用所带来的有益效果如下：
1、从剩余污泥中回收高附加值产品(VFAs和鸟粪石)，实现污泥的资源化利用；
2、采用与UASB液态发酵相耦合的脱氮除磷装置，可以有效降低发酵液中的氨氮浓度，缓解由于UASB中游离氨抑制导致的微生物活性降低，进而提高VFAs产率；同时，实现污泥液态发酵的定向产乙酸和丙酸，生成更优质的碳源。
3、本发明将脱氮除磷装置耦合到UASB液态发酵的工艺中，发酵液中氨氮和总磷浓度得到有效降低，相较未同步脱氮除磷装置的UASB工艺，减少了发酵液脱氮除磷的后续处理过程，简化了整个污泥厌氧发酵的工艺流程。
附图说明
图1：在UASB中耦合脱氮除磷装置的工艺流程图；
图2：未添加和添加脱氮除磷装置的UASB液态发酵的发酵液中氨氮和总磷浓度变化(UASB的有机负荷为8kg COD/m3/d)；
图3：未添加和添加脱氮除磷装置的UASB液态发酵的总挥发性脂肪酸(TVFA)产率及组成变化；
图4：脱氮除磷装置耦合UASB液态发酵工艺与传统污泥发酵工艺的发酵液中氮磷浓度以及TVFA产率比较。
具体实施方式
下面是对本发明的具体描述。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
种泥的驯化：原始种泥取自无锡柠檬酸厂UASB反应器的颗粒污泥，静置12h后去除上清液，将颗粒污泥在105℃加热2h，杀灭产甲烷菌；取经加热后的颗粒污泥加入到实验室UASB反应器中进行驯化，以葡萄糖为底物(COD约为20000mg/L)的模拟废水进行驯化，驯化时间15d。
氨氮和总磷的测定：氨氮的测定采用纳氏试剂比色法(GB7479-87)，总磷的测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)。
VFAs的测定：采用气相色谱法测定。测量仪器为岛津公司生产的2010型气相色谱，主要配置为：AOC-20i自动进样器；FID检测器；PEG-20M色谱柱(30m×0.32mm×0.5μm，大连中北分析仪器)。采用阶段升温程序，初温80℃，保持3min，然后以15℃/min的速率上升至200℃，保持2min。载气为N2，吹尾流量30mL/min。进样室(SPL)和检测器(FID)的温度都设为250℃。
实施例1
(1)第一阶段(未添加脱氮除磷装置的UASB液态发酵)：用去离子水调节剩余污泥(无锡硕放污水厂，江苏)的总固体浓度(TS)至75g/L，并用NaOH溶液调节其pH为12，密封后置于90-105℃条件下缓慢搅拌12h进行预处理。将预处理水解液离心分离，分离液(有机负荷为8kg COD/m3/d)连续通入5L的UASB反应器(接种种泥所占体积为20％)进行发酵。发酵期间，反应器内温度控制在35±2℃，pH控制在9-10，其氨氮、总磷、TVFA产率如图2、3中的第一阶段所示。平稳运行时氨氮和总磷浓度分别为991.60±3.23mg/L，532.16±1.59mg/L，VFAs产率达到292.91±0.32mg/g VS，其中，乙酸和丙酸占总VFAs的百分比分别为58.06±0.15％和13.43±0.17％。
(2)第二阶段(添加脱氮除磷装置的UASB液态发酵)：当第一阶段运行平稳后耦合脱氮除磷装置(图1所示)，UASB的发酵液以0.8的回流比进入脱氮除磷装置，并保持HRT为4.0h。第二阶段发酵期的有机负荷、pH以及温度与第一阶段相同。脱氮除磷装置中保持Mg2+投加浓度为1000±5.0mg/L，温度和pH同UASB。在化学脱氮除磷装置中添加隔板，可以增强反应器内流体的紊流程度，使混合更均匀。平稳运行时氨氮浓度为219.16±1.35mg/L，比第一阶段减少了78.09±0.30％，总磷浓度为31.86±0.40mg/L，比第一阶段减少了94.61±0.51％，并且回收鸟粪石晶体1.52±0.04g/gPO4 3-。同时，TVFA产率达到348.77±2.43mg/gVS，比第一阶段提高了18.96±0.32％，同时，乙酸和丙酸占比分别提高到66.76±0.23％和16.54±0.17％。
实施例2：
添加脱氮除磷装置的UASB液态发酵：
用去离子水调节剩余污泥(无锡硕放污水厂，江苏)的总固体浓度(TS)至75g/L，并用NaOH溶液调节其pH为12，密封后置于95℃条件下缓慢搅拌12h进行预处理。将预处理水解液离心分离，分离液(有机负荷为8kg COD/m3/d)连续通入5L的UASB反应器(接种种泥所占体积为20％)进行发酵。发酵期间，反应器内温度控制在35±2℃，pH控制在9-10。其中UASB的发酵液以0.8的回流比，HRT为2.0h进入脱氮除磷装置，脱氮除磷装置中保持Mg2+投加浓度为1000±5.0mg/L，温度和pH同UASB。平稳运行时氨氮浓度为218.25±1.20mg/L，总磷浓度为34.22±0.35mg/L，并且回收鸟粪石晶体1.50±0.03g/gPO4 3-。同时，TVFA产率达到343.50±1.89mg/gVS。
对照例1
用去离子水调节剩余污泥(无锡硕放污水厂，江苏)的TS至75g/L，并用NaOH溶液调节其pH为12，密封后置于90-105℃条件下缓慢搅拌2h进行预处理，以模拟现有普遍污泥厌氧发酵生产VFAs工艺的预处理过程。将预处理后的污泥直接加入到有效容积为5L的全混式机械搅拌厌氧反应器，并加入反应器体积20％的种泥，发酵期间不进泥和不排泥并且保持不间断搅拌，以模拟普遍现有的污泥厌氧发酵工艺生产VFAs的发酵过程。反应器内温度控制在35±2℃，pH控制在9-10。平稳运行时发酵液中总磷浓度、氨氮浓度和VFA产率如图4所示，分别为522.74±14.27mg/L、1043.45±27.47mg/L、297.00±17.5mg/g VS。该传统污泥发酵工艺相较于本发明工艺，发酵液中的总磷和氨氮浓度以及VFAs产率约为实施例1中的添加脱氮除磷装置的UASB液态发酵工艺的发酵液的16倍、5倍和0.85倍。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种剩余污泥处理与资源回收的方法，其特征在于，所述方法是将上流式厌氧污泥流化床(UASB)与脱氮除磷装置进行耦合，脱氮除磷装置接收来自UASB污泥液态发酵的发酵液，按鸟粪石生成比例投加溶解性镁盐，经过脱氮除磷的液体回流至UASB，生成的鸟粪石沉淀从脱氮除磷装置底部移除；所述发酵液是有机负荷为4.0-10.0kg COD/m3/d的UASB在35-37℃、pH 9-11条件下液态发酵的发酵液；所述发酵液以回流比为0.6-0.8进入脱氮除磷装置，脱氮除磷装置的温度和pH保持在与UASB相同的水平；所述剩余污泥取自城市污水厂的二沉池、浓缩池或者为脱水污泥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：经过UASB液态发酵后的发酵液含固率低于1％，并且其溶解性化学需氧量(SCOD)、总磷和氨氮浓度分别高于10g/L，500mg/L和300mg/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述脱氮除磷装置的水力停留时间(HRT)为2-12h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述脱氮除磷装置为上流式，中部设置隔板；UASB反应器的上部与脱氮除磷装置的下部通过管路联通，脱氮除磷装置的上部与UASB反应器的下部通过管路联通；污泥发酵液从脱氮除磷装置底部进入，经过脱氮除磷的液体从上部回流至UASB的底部。
5.一种提高UASB污泥液态发酵的挥发性脂肪酸(VFAs)产率的方法，其特征在于，所述方法是将上流式厌氧污泥流化床(UASB)与脱氮除磷装置进行耦合，脱氮除磷装置接收来自UASB污泥液态发酵的发酵液，按鸟粪石生成比例投加溶解性镁盐，经过脱氮除磷的液体回流至UASB，生成的鸟粪石沉淀从脱氮除磷装置底部移除；所述发酵液是有机负荷为4.0-10.0kg COD/m3/d的UASB在35-37℃、pH 9-11条件下液态发酵的发酵液；所述发酵液以回流比为0.6-0.8进入脱氮除磷装置，脱氮除磷装置的温度和pH保持在与UASB相同的水平；所述剩余污泥取自城市污水厂的二沉池、浓缩池或者为脱水污泥。
6.一种提高UASB污泥液态发酵的发酵液中乙酸和/或丙酸占比的方法，其特征在于，所述方法是将上流式厌氧污泥流化床(UASB)与脱氮除磷装置进行耦合，脱氮除磷装置接收来自UASB污泥液态发酵的发酵液，按鸟粪石生成比例投加溶解性镁盐，经过脱氮除磷的液体回流至UASB，生成的鸟粪石沉淀从脱氮除磷装置底部移除；所述发酵液是有机负荷为4.0-10.0kg COD/m3/d的UASB在35-37℃、pH 9-11条件下液态发酵的发酵液；所述发酵液以回流比为0.6-0.8进入脱氮除磷装置，脱氮除磷装置的温度和pH保持在与UASB相同的水平；所述剩余污泥取自城市污水厂的二沉池、浓缩池或者为脱水污泥。
7.一种降低污泥液态发酵的发酵液中氮磷浓度并回收鸟粪石的方法，所述方法是将所述方法是将上流式厌氧污泥流化床(UASB)与脱氮除磷装置进行耦合，脱氮除磷装置接收来自UASB污泥液态发酵的发酵液，按鸟粪石生成比例投加溶解性镁盐，经过脱氮除磷的液体回流至UASB，生成的鸟粪石沉淀从脱氮除磷装置底部移除；所述发酵液是有机负荷为4.0-10.0kg COD/m3/d的UASB在35-37℃、pH 9-11条件下液态发酵的发酵液；所述发酵液以回流比为0.6-0.8进入脱氮除磷装置，脱氮除磷装置的温度和pH保持在与UASB相同的水平；所述剩余污泥取自城市污水厂的二沉池、浓缩池或者为脱水污泥。
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