CN107555591A - 一种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理装置与工艺 - Google Patents
一种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理装置与工艺 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理装置与工艺，它包括以下步骤：分别采用完全混合式厌氧消化器和上流式厌氧污泥床反应器作为酸化相和产甲烷相。分别控制酸化相和产甲烷相的水力停留时间，装置内pH和温度。采用2‑4mol/L的HCI溶液调节酸化相的发酵pH为4.0‑4.5，运行该工艺。本发明可达到如下效果：提高酸化产物中乙醇的含量。提高产甲烷相颗粒污泥中地杆菌的丰度，推动其与产甲烷菌构建直接种间电子传递。加快产甲烷相内有机酸和醇类物质的分解速率，缓解由于高有机负荷造成产甲烷相酸性积累和互养代谢停滞，提高产甲烷效率。该技术投资成本少，操作简单，提高效果明显，可应用于现有两相厌氧工艺为抵抗高负荷废水冲击的升级改造。
Description
技术领域
本发明涉及环保产业，具体涉及有机废水的处理工艺。
背景技术
厌氧甲烷化技术是目前实现污染物资源化及能源化最现实、最有效的方法之一。普遍认为，高效的产甲烷互养代谢机制是维持厌氧甲烷化稳定的关键。在过去的半个多世纪，产甲烷互养代谢的主要工作模式一直被认为是种间氢气传递(IHT)——产酸菌分解有机酸和醇类物质为乙酸并释放氢气，耗氢产甲烷菌利用氢气还原二氧化碳产甲烷。然而，产酸菌和耗氢产甲烷菌之间的种间氢气链接受产氢底物、氢气扩散速度、耗氢甲烷菌丰度和活性等影响，一些环境条件(如pH、温度、有机负荷等)的波动极易造成种间氢气传递受阻，使系统中氢气分压升高，有机酸积累，最终导致厌氧甲烷化停滞。
最近，直接种间电子传递(DIET)被认为是一种可以取代IHT的产甲烷互养代谢新模式，即产酸菌和产甲烷菌不再依靠氢气作为种间电子交换的载体，而通过微生物胞外生长的导电菌丝(pili)和细胞色素实现物种间长距离电子的直接交换。由于导电菌丝具有较高的电导率和类似于金属的电导性，使得通过直接种间电子传递形成的颗粒污泥也表现出较高的电导率和类似于金属的电导性。直接种间电子传递的发现克服了传统的种间氢气传递因受环境条件的改变而造成有机酸生成和产甲烷代谢不平衡的屏障。更重要的是，在直接种间电子传递过程中，负责接受电子并还原二氧化碳产甲烷的微生物是耗乙酸产甲烷菌，其在常规厌氧消化器中通常占据优势地位。因此，直接种间电子传递作为一种高效的种间电子传递机制，被期望能够充分地维持厌氧消化器内酸性平衡和产甲烷互养代谢的稳定。
截至目前，地杆菌(Geobacter)是唯一被证实能够驱动直接种间电子传递产甲烷的微生物。然而，常规厌氧消化器的污泥中却显著缺乏地杆菌，进而限制直接种间电子传递对于维持厌氧甲烷化稳定的作用。最近，有报道表明，采用乙醇作为底物，驯化上流式厌氧污泥床(UASB)反应器，能够在其颗粒污泥中富集地杆菌，进而推动直接种间电子传递运转。其主要原因被归结为，相比于其它有机酸或醇类物质，乙醇氧化所释放的热能能够充分支持地杆菌的生长和代谢。然而，投加外源乙醇用于富集地杆菌将不可避免地增加整个厌氧工艺的运行成本。值得注意地，有研究表明，在高负荷厌氧水解酸化消化器内，通过控制其发酵pH为4.0-4.5，能够实现乙醇型发酵——乙醇在酸化产物中占主导，同时伴随大量氢气的释放。这样，采用乙醇型发酵的pH调节手段以实现内源自产乙醇，将不仅能够降低投加外源乙醇带来的不经济问题，还能够为厌氧消化器提供充足的乙醇，持续地推动直接种间电子传递运转。
发明内容
为解决常规厌氧消化器内缺乏地杆菌，进而限制直接种间电子传递对于维持厌氧甲烷化稳定的作用，本发明提出以下技术方案：一种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理装置，其特征在于：设有保温层i的酸化相筒体内为酸化相悬浮污泥区，该酸化相悬浮污泥区底部设有酸化相布水器，下方固定有搅棒的搅拌机主轴穿过酸化相筒体的上盖伸入酸化相悬浮污泥区。酸化相进水泵的一端经由管i插入进水池而另一端经由管vii、阀门i与酸化相筒体的底部连接。酸调节泵的一端经由管iv插入酸调节池而另一端经由阀门iv、管viii与酸化相筒体的底部连接。设有下部为污泥沉降区的中间水池，带有阀门ii的管ii一端连接所述酸化相筒体一侧的上方而另一侧连接中间水池的顶部。污泥回流泵的一端经由管iii与中间水池下部的污泥沉降区连接而另一端经由阀门iii、管ix与酸化相筒体的底部连接。设有保温层ii的产甲烷相筒体内自下向上依次设有产甲烷相布水器、产甲烷相颗粒污泥区、产甲烷相悬浮污泥区、三相分离器及三相分离区。上端设有产甲烷相排气管道的三相分离器固定于产甲烷相筒体的上盖。产甲烷相筒体的一侧上方设有带阀门vi的管vi。产甲烷相进水泵的一端经由管v、阀门v与中间水池一侧的上方相连接而另一端通过管x与产甲烷相筒体的底部相连接。
一种使用上述的装置处理高负荷有机废水的两相厌氧工艺包括以下工序：
1)采用完全混合式厌氧消化器作为本工艺的酸化相筒体；采用上流式厌氧污泥床(UASB)反应器作为本工艺的产甲烷相筒体。
2)采用取自厌氧污泥发酵罐的消化污泥来启动酸化相筒体和产甲烷相筒体，控制酸化相筒体和产甲烷相筒体内的污泥浓度(MLSS)分别达到8-10g/L和15-20g/L。
3)打开酸化相进水泵和阀门i，有机废水从进水池经由管i、管vii、酸化相布水器流入酸化相筒体内酸化相悬浮污泥区。
4)采用浓HCI溶液(工业级，纯度≥95％)与水按一定比例1:3-1:5混合，配制成2-4mol/L的稀HCI溶液，贮存在酸调节池。
5)打开酸调节泵和阀门iv，稀HCI溶液从酸调节池经由管iv、管viii、酸化相布水器泵入酸化相筒体内酸化相悬浮污泥区。
6)打开搅拌机，控制搅拌转速为30-60rpm，混匀流入酸化相筒体内的有机废水、稀HCI溶液以及酸化相悬浮污泥。
7)酸化相筒体的水力停留时间控制在4-6小时，最佳水力停留时间为6小时；酸化相筒体内pH控制在4.0-4.5之间，最佳pH为4.3；酸化相筒体内温度控制在25-27℃，最佳温度为27℃。
8)打开阀门ii，含有酸化相悬浮污泥的出水经由管ii从酸化相筒体流入中间水池。
9)打开污泥回流泵和阀门iii，中间水池底部污泥沉降区的沉降污泥经由管iii、管ix流入酸化相筒体内酸化相悬浮污泥区。
10)打开阀门v和产甲烷相进水泵，中间水池的出水经由管v、管x流入设有产甲烷相保温层的产甲烷相筒体，由下至上，依次经过产甲烷相布水器、产甲烷相颗粒污泥污泥区、产甲烷相悬浮污泥区、三相分离器、三相分离区。
11)产甲烷相筒体的水力停留时间控制在24-40小时，最佳水力停留时间为40小时；产甲烷相筒体内pH控制在6.8-7.2之间，最佳pH为7.2；产甲烷相筒体内温度控制在32-37℃，最佳温度为37℃。
12)打开阀门vi，产甲烷相筒体内出水经由管vi从三相分离区流出产甲烷相筒体。
13)产甲烷相筒体内部产生的沼气经由产甲烷相排气管道排出产甲烷相筒体。
这种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理工艺具有的特点是：采用酸化相乙醇型发酵的pH调节手段，即控制酸化相的发酵pH为4.0-4.5，能够产生乙醇占主导的酸化产物，为产甲烷相颗粒污泥中地杆菌的富集提供充足的乙醇。由于乙醇的产生主要来自于酸化相发酵复杂有机物，而不是通过外源投加的方式，极大地降低了整个厌氧工艺的运行成本。乙醇占主导的酸化产物流入产甲烷相，能够在其颗粒污泥中富集地杆菌，推动其与产甲烷菌构成DIET，维持产甲烷相酸性的平衡和产甲烷互养代谢的稳定。采用上述一种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理工艺的技术方案，达到如下效果：提高产甲烷相地杆菌的丰度，持续推动其与产甲烷菌构成DIET。加快产甲烷相内有机酸和醇类物质的分解速率，缓解由于高负荷有机废水造成产甲烷相酸性积累以及产甲烷相互养代谢的停滞。维持产甲烷相酸性的平衡和产甲烷互养代谢的稳定，提高产甲烷效率，提高两相厌氧工艺的处理能力和稳定性。该技术的投资成本少，操作简单，提高效果明显，可应用于现有两相厌氧工艺为抵抗高负荷有机废水冲击的升级改造。
附图说明
图1为一种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理装置示意图。
图1中：1、进水池，2、管i，3、酸化相进水泵，4、阀门i，5、酸化相布水器，6、酸化相筒体，7、保温层i，8、酸化相悬浮污泥区，9-1、搅拌机主轴，9-2、搅棒，10、阀门ii，11、管ii，12、中间水池，13、污泥沉降区，14、管iii，15、污泥回流泵，16、阀门iii，17、酸调节池，18、管iv，19、酸调节泵，20、阀门iv，21、阀门v，22、管v，23、产甲烷相进水泵，24、产甲烷相布水器，25、产甲烷相筒体，26、保温层ii，27、产甲烷相颗粒污泥区，28、产甲烷相悬浮污泥区，29、三相分离器，30、三相分离区，31、阀门vi，32、管vi，33、产甲烷相排气管道，34、管vii，35、管viii，36、管ix，37、管x。
具体实施方式
这种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理装置与工艺的应用机理是：
1、采用乙醇驯化上流式厌氧污泥床(UASB)反应器，能够在其颗粒污泥中富集地杆菌，进而推动地杆菌与产甲烷菌构建直接种间电子传递，强化产甲烷互养代谢。其主要原因被归结为，相比于其它有机酸或醇类物质，乙醇氧化在热力学上释放的能量较高，能够充分地支持地杆菌的生长和代谢。此外，上流式厌氧污泥床反应器较长的生物固体停留也为地杆菌与产甲烷菌构建直接种间电子传递提供了保障。
2、酸化相发酵pH是决定酸化相发酵类型和酸化产物的重要因素之一。当酸化相发酵pH被控制为4.0-4.5时，乙醇是占主导的酸化产物，同时伴随着大量氢气释放，即乙醇型发酵。其主要原因被归结为，在环境pH为4.0-4.5时，发酵微生物胞内的NAD和NADH+的平衡反应被停滞。
3、将上述两种技术方案同时应用到两相厌氧工艺。控制酸化相的发酵pH为4.0-4.5，实现乙醇型发酵，能够得到乙醇占主导的酸化产物。该产物被持续用于驯化产甲烷相上流式厌氧污泥床反应器，能够在其颗粒污泥中富集地杆菌，推动地杆菌与产甲烷菌构建直接种间电子传递，维持产甲烷相酸性的平衡和产甲烷互养代谢的稳定。此外，由于乙醇的产生主要通过酸化相发酵复杂有机物，而并不是通过外源投加的方式，极大地降低了整个工艺的运行成本，并为产甲烷相颗粒污泥中地杆菌的富集提供充足的乙醇，持续地推动直接种间电子传递，使直接种间电子传递被永久的建立在产甲烷相颗粒污泥中。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示，这种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理装置，具有以下技术特征：设有保温层i-7的酸化相筒体6内为酸化相悬浮污泥区8，酸化相悬浮污泥区8底部设有酸化相布水器5。下方固定有搅棒9-2的搅拌机的主轴9-1穿过酸化相筒体6的上盖伸入酸化相悬浮污泥区8。酸化相进水泵3的一端经由管i-2插入进水池1而另一端经由管vii-34、阀门i-4与酸化相筒体6的底部连接。酸调节泵19的一端经由管iv-18插入酸调节池17而另一端经由管viii-35、阀门iv-20与酸化相筒体6的底部连接。设有下部为污泥沉降区13的中间水池12，带有阀门ii-10的管ii-11一端连接酸化相筒体6一侧的上方而另一侧连接中间水池12的顶部。污泥回流泵15的一端经由管iii-14与中间水池15下部的污泥沉降区13连接而另一端经由阀门iii-16、管ix-36与酸化相筒体6的底部连接。设有保温层ii-26的产甲烷相筒体25内自下向上依次设有产甲烷相布水器24、产甲烷相颗粒污泥区27、产甲烷相悬浮污泥区28、三相分离器29及三相分离区30。上端设有产甲烷相排气管道33的三相分离器29固定于产甲烷相筒体25的上盖。产甲烷相筒体25的一侧上方设有带阀门vi-31的管vi-32。产甲烷相进水泵23的一端经由管v-22、阀门v-21与中间水池一侧的上方相连接而另一端通过管x-37与产甲烷相筒体25的底部相连接。
一种使用上述的装置处理高负荷有机废水的两相厌氧工艺包括以下工序：
采用完全混合式厌氧消化器作为本工艺的酸化相筒体6；采用上流式厌氧污泥床(UASB)反应器作为本工艺的产甲烷相筒体25。
采用取自厌氧污泥发酵罐的消化污泥启动酸化相筒体6和产甲烷相筒体25，控制酸化相筒体6和产甲烷相筒体25内的污泥浓度(MLSS)分别达到8-10g/L和15-20g/L。作为优选，酸化相筒体6内污泥的最佳浓度为8g/L，产甲烷相筒体25内污泥的最佳浓度为20g/L。
打开酸化相进水泵3和阀门i-4，有机废水从进水池1经由管i-2、管vii-34、酸化相布水器5流入酸化相筒体6内酸化相悬浮污泥区8。
采用浓HCI溶液(工业级，纯度≥95％)与水按一定比例1:3-1:5混合，最佳比例为1:3，配制成2-4mol/L的稀HCI溶液，贮存在酸调节池17。作为优选，所配制的稀HCI溶液的浓度为4mol/L。
打开酸调节泵19和阀门iv-20，稀HCI溶液从酸调节池17经由管iv-18、管viii-35、酸化相布水器5泵入酸化相筒体6内酸化相悬浮污泥区8。
打开搅拌机9，控制搅拌转速为30-60rpm，最佳搅拌转速为30rpm，混匀酸化相筒体6内的有机废水、稀HCI溶液以及酸化相悬浮污泥。
酸化相筒体6的水力停留时间控制为4-6小时，最佳水力停留时间为6小时；酸化相筒体6内pH控制为4.0-4.5，最佳pH为4.3；酸化相筒体6内温度控制为25-27℃，最佳温度为27℃。
打开阀门ii-10，含有酸化相悬浮污泥的出水经由管ii-11从酸化相筒体6流入中间水池12。
打开污泥回流泵15和阀门iii-16，中间水池12底部污泥沉降区13的沉降污泥经由管iii-14、管ix-36流入酸化相筒体6内酸化相悬浮污泥区8。
打开阀门v-21和产甲烷相进水泵-23，中间水池12的出水经由管v-22、管x-37流入设有产甲烷相保温层26的产甲烷相筒体25，由下至上，依次经过产甲烷相布水器24、产甲烷相颗粒污泥污泥区27、产甲烷相悬浮污泥区28、三相分离器29、三相分离区30。
产甲烷相筒体25的水力停留时间控制为24-40小时，最佳水力停留时间为40小时；产甲烷相筒体25内pH控制为6.8-7.2，最佳pH为7.2；产甲烷相筒体内温度控制为32-37℃，最佳温度为37℃。
打开阀门vi-31，产甲烷相筒体25内出水经由管vi-32从三相分离区30流出产甲烷相筒体25。
产甲烷相筒体25内部产生的沼气经由产甲烷相排气管道33排出产甲烷相筒体25。
实施例1：
采用有效容积为1L的完全混合式厌氧消化器作为酸化相筒体，接种厌氧污泥400mL，污泥浓度为8g/L。采用有效容积为2L的上流式厌氧污泥床反应器作为产甲烷相筒体，接种厌氧污泥1L，污泥浓度为20g/L。贮存在进水池的有机废水采用模拟奶制品废水，进水负荷为53KgCOD/m3/d，进水pH为7.1。采用浓HCI溶液(工业级，浓度≥95％)与水按照1:3混合，配制4mol/L的稀HCI溶液，贮存在酸调节池。酸化相筒体的水力停留时间控制为6小时。该筒体内pH控制为4.3，温度控制为27℃。产甲烷相筒体的水力停留时间控制为40小时。该筒体内pH控制为7.2，温度控制为37℃。酸化产物中乙醇的含量为25％。产甲烷相颗粒污泥中地杆菌的丰度为9％，颗粒污泥电导率为13.7uS/cm。两相厌氧工艺的总COD去除率为88％，甲烷转化效率为85％。
实施例2：
采用有效容积为1L的完全混合式厌氧消化器作为酸化相筒体，接种厌氧污泥400mL，污泥浓度为9g/L。采用有效容积为2L的上流式厌氧污泥床反应器作为产甲烷相筒体，接种厌氧污泥0.9L，污泥浓度为18g/L。贮存在进水池的有机废水采用实际垃圾渗滤液，进水负荷为79.2KgCOD/m3/d，进水pH为8.0。采用浓HCI溶液(工业级，浓度≥95％)与水按照1:3混合，配制4mol/L的稀HCI溶液，贮存在酸调节池。酸化相筒体的水力停留时间控制为4小时。该筒体内pH控制为4.5，温度控制为27℃。产甲烷相筒体的水力停留时间控制为36小时。该筒体内pH控制为7.2，温度控制为37℃。酸化产物中乙醇的含量为22％。产甲烷相颗粒污泥中地杆菌的丰度为7.4％，颗粒污泥电导率为11.7uS/cm。两相厌氧工艺的总COD去除率为90％，甲烷转化效率为90％。
Claims (2)
1.一种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理装置，具有以下技术特征：设有保温层i(7)的酸化相筒体(6)内为酸化相悬浮污泥区(8)，该酸化相悬浮污泥区(8)底部设有酸化相布水器(5)，下方固定有搅棒(9-2)的搅拌机主轴(9-1)穿过所述酸化相筒体(6)的上盖伸入酸化相悬浮污泥区(8)；酸化相进水泵(3)的一端经由管i(2)插入进水池(1)而另一端经由管vii(34)、阀门i(4)与所述酸化相筒体(6)的底部连接；酸调节泵(19)的一端经由管iv(18)插入酸调节池(17)而另一端经由阀门iv(20)、管viii(35)与所述酸化相筒体(6)的底部连接；设有下部为污泥沉降区(13)的中间水池(12)，带有阀门ii(10)的管ii(11)一端连接所述酸化相筒体(6)一侧的上方而另一侧连接所述中间水池(12)的顶部；污泥回流泵(15)的一端经由管iii(14)与所述中间水池(12)下部的污泥沉降区(13)连接而另一端经由阀门iii(16)、管ix(36)与所述酸化相筒体(6)的底部连接；设有保温层ii(26)的产甲烷相筒体(25)内自下向上依次设有产甲烷相布水器(24)、产甲烷相颗粒污泥区(27)、产甲烷相悬浮污泥区(28)、三相分离器(29)及三相分离区(30)；上端设有产甲烷相排气管道(33)的所述的三相分离器(29)固定于产甲烷相筒体(25)的上盖；所述产甲烷相筒体(25)的一侧上方设有带阀门vi(31)的管vi(32)；产甲烷相进水泵(23)的一端经由管v(22)、阀门v(21)与所述中间水池(12)一侧的上方相连接而另一端通过管x(37)与所述产甲烷相筒体(25)的底部相连接。
2.一种使用上述的装置处理高负荷有机废水的两相厌氧工艺包括以下工序：
1)采用完全混合式厌氧消化器作为本工艺的酸化相筒体(6)；采用上流式厌氧污泥床(UASB)反应器作为本工艺的产甲烷相筒体(25)；
2)采用取自厌氧污泥发酵罐的消化污泥启动酸化相筒体(6)和产甲烷相筒体(25)，控制酸化相筒体(6)和产甲烷相筒体(25)内的污泥浓度(MLSS)分别达到8-10g/L和15-20g/L；
3)打开酸化相进水泵(3)和阀门i(4)，有机废水从进水池(1)经由管i(2)、管vii(34)、酸化相布水器(5)流入酸化相筒体(6)内酸化相悬浮污泥区(8)；
4)采用浓HCI溶液(工业级，纯度≥95％)与水按一定比例1:3-1:5混合，最佳比例为1:3，配制成2-4mol/L的稀HCI溶液，贮存在酸调节池(17)；
5)打开酸调节泵(19)和阀门iv(20)，稀HCI溶液从酸调节池(17)经由管iv(18)、管viii(35)、酸化相布水器(5)泵入酸化相筒体(6)内酸化相悬浮污泥区(8)；
6)打开搅拌机(9)，控制搅拌转速为30-60rpm，最佳搅拌转速为30rpm，混匀酸化相筒体(6)内的有机废水、稀HCI溶液以及酸化相悬浮污泥；
7)酸化相筒体(6)的水力停留时间控制为4-6小时，最佳水力停留时间为6小时；酸化相筒体(6)内pH控制为4.0-4.5，最佳pH为4.3；酸化相筒体(6)内温度控制为25-27℃，最佳温度为27℃；
8)打开阀门ii(10)，含有酸化相悬浮污泥的出水经由管ii(11)从酸化相筒体(6)流入中间水池(12)；
9)打开污泥回流泵(15)和阀门iii(16)，中间水池(12)底部污泥沉降区(13)的沉降污泥经由管iii(14)、管ix(36)流入酸化相筒体(6)内酸化相悬浮污泥区(8)；
10)打开阀门v(21)和产甲烷相进水泵(23)，中间水池(12)的出水经由管v(22)、管x(37)流入设有产甲烷相保温层(26)的产甲烷相筒体(25)，由下至上，依次经过产甲烷相布水器(24)、产甲烷相颗粒污泥污泥区(27)、产甲烷相悬浮污泥区(28)、三相分离器(29)、三相分离区(30)；
11)产甲烷相筒体(25)的水力停留时间控制为24-40小时，最佳水力停留时间为40小时；产甲烷相筒体(25)内pH控制为6.8-7.2，最佳pH为7.2；产甲烷相筒体(25)内温度控制为32-37℃，最佳温度为37℃；
12)打开阀门vi(31)，产甲烷相筒体(25)内出水经由管vi(32)从三相分离区(30)流出产甲烷相筒体(25)；
13)产甲烷相筒体(25)内部产生的沼气经由产甲烷相排气管道(33)排出产甲烷相筒体(25)。
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2017
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