CN108624629A - 一种促进剩余污泥中污染物降解同时生产脂肪酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种促进剩余污泥中污染物降解同时生产脂肪酸的方法。具体方法包括：(1)以城市污水处理厂二沉池产生的剩余活性污泥为发酵原料，经自然沉降去除上清液进行浓缩处理后得到污泥样品；(2)将所述污泥样品与过硫酸钾混合后在温度为80℃的水浴下预处理一个小时，在厌氧环境下发酵，产生脂肪酸。剩余污泥经过预处理后，不仅加快污泥中有机物的溶出，还充分抑制了产甲烷菌等耗酸微生物活性，从而极大提高了产酸量，缩短污泥厌氧发酵的时间，同时，污泥中污染物种类和数量也有所减少。本发明提供的方法操作简单，对实现污泥的减量化、资源化和稳定化具有重要的环保生态意义。
Description
技术领域
本发明涉及到环境保护及污泥处理与处置领域，具体指一种促进剩余污泥中污染物降解同时生产短链脂肪酸的方法。
技术背景
在过去的几十年里，随着工业化和城市化的快速发展，城市污水和工业废水的数量在世界范围内急剧增加。活性污泥法作为一种经济有效的方法，已被广泛应用于各种类型的废水处理中。然而，随着污水处理量的增加，剩余污泥产量越来越大，污泥中含有大量恶臭物质、重金属、病原体等有毒物质，若不妥善处理将对环境造成重大污染。大量剩余污泥的产生已成为全世界污水处理厂的棘手问题，而在我国这一问题更为严重。因此，对污泥进行妥善处理处置是人们亟需面对和解决的问题。
污泥厌氧发酵产生脂肪酸是一种常用的污泥资源化方法。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。在此过程中，挥发性短链脂肪酸是重要的代谢产物，主要为C2-C6短链有机物(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸和异戊酸等)，不仅可以作为原料用于化妆品、农药和油漆的制备，还可以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。若将污水处理过程中产生的大量剩余污泥进行厌氧发酵生产短链脂肪酸，再将其补给到生物脱氮除磷的过程中，不仅解决了生物脱氮除磷的过程中碳源不足的问题，而且也实现了剩余污泥的资源化、无害化和减量化。
剩余活性污泥厌氧发酵一般包括溶解、水解、产酸、产甲烷四个阶段。增强溶解、水解和产酸的效果并抑制产甲烷过程,可以达到累积挥发性短链脂肪酸的目的。研究发现，通过物理方法(加热、超声、紫外光等)、化学方法(酸、碱等)或生物处理(酶)等方法能够有效地促进污泥水解，提高细胞内蛋白质、多糖等有机物的释放，提高短链脂肪酸产量。虽然这些预处理方法取得了一定的效果,但是它们或需要较高的能量投入或需要大量的投入化学药剂,还可能产生二次污染等问题,使污泥厌氧发酵受到抑制，因此环保、安全、简单、有效的剩余污泥厌氧发酵方法是污泥处理的研究热点。
近年来，基于硫酸根自由基的高级氧化技术被越来越多地应用到污泥处理中。过硫酸盐在水中电离产生过硫酸根离子，其分子中含有双氧键O-O，是一类氧化性较强的氧化剂。但由于过硫酸盐比较稳定，在常温下反应速率较慢，对有机物的降解效果不明显。但在光、热、超声、过渡金属离子等条件下，可活化分解产生硫酸根自由基，且.SO4 -的氧化还原电位(2.5-3.1eV)比.OH(2.8eV)更高，因此，它具有很强的氧化性，理论上能降解大多数有机污染物。
硫酸根自由基具有很强的氧化性，可以促使细胞溶解，破坏微生物的细胞壁，使微生物体内有机质释放，达到杀灭水中微生物的作用。因此，本发明将热活化过硫酸钾方法引入厌氧污泥消化系统，促进剩余污泥中污染物降解和厌氧消化产酸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既能促进剩余污泥厌氧消化产生短链脂肪酸同时又能去除污泥中污染物种类和数量的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种利用热激活过硫酸钾作为预处理手段强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪酸产量且去除污染物的方法，包括如下步骤：
(1)以城市污水处理厂二沉池产生的剩余活性污泥为发酵原料，经自然沉降去除上清液进行浓缩处理后得到污泥样品；
(2)将所述污泥样品与过硫酸钾混合后在温度为80℃的水浴下预处理一个小时，在厌氧环境下发酵，产生脂肪酸。
所述的步骤(1)中，污泥为城市污水厂二沉池剩余污泥，静沉温度为4℃，沉淀时间为24h。
所述的步骤(2)中，过硫酸钾的投加剂量为0.03～0.2g/g VSS，优选为0.06～0.09g/gVSS。
所述的步骤(2)中，所述的污泥加入过硫酸钾后，在80℃水浴下预处理一个小时。
所述的步骤(2)中，所述的污泥加入过硫酸钾后，在80℃水浴下振荡强度为150rpm。
所述的步骤(2)中，厌氧环境为氮气环境，向经过预处理后的污泥中以0.5L/min的速率通入氮气1.5min至反应器中无氧气存在，将反应器密封放入温度为35±1℃，搅拌速度为120rpm/min的摇床中进行厌氧发酵。
所述的步骤(2)中，整个过程中不用调节反应器中污泥pH。
所述的步骤(2)中，污泥厌氧发酵的时间为4-8d。
在一个优选的实施例中，过硫酸钾投加剂量为0.06～0.09g/g VSS。虽然所述过硫酸钾用量在一定的范围内都能促进污泥中的有机物转化为目标脂肪酸(0.03～0.2g/gVSS)，并且在一定范围内，随着过硫酸钾的增加，对污泥厌氧发酵产酸的促进作用越明显。但是综合考虑原料成本与短链脂肪酸的产量的关系，本发明采用的较理想的过硫酸钾用量范围为0.06～0.09g/g VSS。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用热激活过硫酸钾预处理剩余污泥，一方面水解温度在60-90℃范围内，可以促进污泥微生物细胞的溶解；另一方面，热激活过硫酸钾产生的硫酸根自由基具有很强的氧化能力，对污泥中的污染物无选择性地进行氧化降解，对污泥中微生物的胞外聚合物及细胞自身有极强的破坏作用，使微生物体内有机质释放，可以显著提高污泥中的蛋白质、多糖等有机物溶解于水中的程度。这样两者皆为污泥发酵产酸提供丰富的可溶于水的有机基质，提高了污泥的产酸速率，缩短污泥厌氧发酵的时间，使污泥中污染物种类和数量减少，对实现剩余污泥的资源化、无害化和减量化具有重要意义。
2、本发明处理后的污泥富含短链脂肪酸且污染物数量种类相比原污泥有所减少，因此可作为碳源用于补充污泥厌氧发酵末期碳源的不足，或用于生产氢气等清洁能源，从而最大限度的降解了剩余污泥中的有机物质，实现了减少污泥有机物污染环境的目的。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1
(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物；
(2)向有机玻璃反应器中投加0.06g/g VSS K2SO4，在振荡强度为150rpm的80℃水浴里预处理60min。将有机玻璃反应器以0.5L/min的速率通入氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过温度以及污泥样品中微生物与过硫酸钾的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸，且产生的硫酸根自由基氧化了部分难降解污染物。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为2946.34mg/L(以化学需氧量计)，污染物检出种类为19种。
实施例2
(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物；
(2)向有机玻璃反应器中投加0.06g/g VSS K2SO4，在振荡强度为150rpm的80℃水浴里预处理60min。将有机玻璃反应器以0.5L/min的速率通入氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过温度以及污泥样品中微生物与过硫酸钾的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸，且产生的硫酸根自由基氧化了部分难降解污染物。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为6d，生产的短链脂肪酸的含量为3569.18mg/L(以化学需氧量计)，污染物检出种类为17种。
实施例3
(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物；
(2)向有机玻璃反应器中投加0.09g/g VSS K2SO4，在振荡强度为150rpm的80℃水浴里预处理60min。将有机玻璃反应器以0.5L/min的速率通入氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过温度以及污泥样品中微生物与过硫酸钾的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸，且产生的硫酸根自由基氧化了部分难降解污染物。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为2735.21mg/L(以化学需氧量计)，污染物检出种类为17种。
实施例4
(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物；
(2)向有机玻璃反应器中投加0.09g/g VSS K2SO4，在振荡强度为150rpm的80℃水浴里预处理60min。将有机玻璃反应器以0.5L/min的速率通入氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过温度以及污泥样品中微生物与过硫酸钾的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸，且产生的硫酸根自由基氧化了部分难降解污染物。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为6d，生产的短链脂肪酸的含量为3000.66mg/L(以化学需氧量计)，污染物检出种类为15种。
对比例1
(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。
(2)不投加过硫酸钾，在振荡强度为150rpm的80℃水浴里预处理60min。将有机玻璃反应器以0.5L/min的速率通入氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。只通过温度以及污泥本身所含有的微生物作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为6d，生产的短链脂肪酸的含量为1378.93mg/L(以化学需氧量计)，污染物检出种类为24种。
对比例2
(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。
(2)不投加过硫酸钾，在振荡强度为150rpm的常温25℃水浴里预处理60min。将有机玻璃反应器以0.5L/min的速率通入氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。只通过污泥本身所含有的微生物作用，将污泥中的有机物(主要为多糖和蛋白质)转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为6d，生产的短链脂肪酸的含量为673.56mg/L(以化学需氧量计)，污染物检出种类为25种。
对比例3
(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。
(2)向有机玻璃反应器中投加0.06g/g VSS K2SO4，在振荡强度为150rpm的常温25℃水浴里预处理60min。将有机玻璃反应器以0.5L/min的速率通入氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。只通过污泥样品中微生物与过硫酸钾的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸，且部分难降解污染物。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为6d，生产的短链脂肪酸的含量为1731.96mg/L(以化学需氧量计)，污染物检出种类为21种。
实施例和对比例的短链脂肪酸的含量及污染物种类如表1所示：
表1实施例与对比例的发酵比较表
从表中可以看出，实施例1至实施例4的短链脂肪酸的产量比对比例1至对比例3的短链脂肪酸的产量有了很大的提高，实施例的污染物种类比对比例也有了较大降低。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。虽然本发明已以较佳的实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，熟悉本领域技术的人员可以对本发明技术方案做出许多可能的修改，或者修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是不脱离本发明范畴所做任何简单的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种促进剩余污泥中污染物降解同时生产脂肪酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
取城市污水处理厂二沉池产生的剩余活性污泥，经自然沉降去除上清液进行浓缩处理后得到污泥样品，将所述污泥样品与过硫酸钾混合后在80℃水浴下预处理一个小时，在厌氧环境下发酵，产生脂肪酸。
2.根据权利要求1所述的一种促进剩余污泥中污染物降解同时生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述污泥为城市污水厂二沉池剩余污泥，静沉温度为4℃，沉淀时间为24h。
3.根据权利要求1所述的一种促进剩余污泥中污染物降解同时生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述的过硫酸钾的投加剂量为0.03～0.2g/gVSS，优选为0.06～0.09g/gVSS。
4.根据权利要求1所述的一种促进剩余污泥中污染物降解同时生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述的污泥加入过硫酸钾后，在温度为80℃的水浴下预处理一个小时，水浴振荡强度为150rpm。
5.根据权利要求1所述的一种促进剩余污泥中污染物降解同时生产脂肪酸的方法，其特征在于：向经过预处理后的污泥中以0.5L/min的速率通入氮气1.5min至反应器中无氧气存在，将反应器密封放入温度为35±1℃，搅拌速度为120rpm/min的摇床中进行厌氧发酵。
6.根据权利要求1所述的一种促进剩余污泥中污染物降解同时生产脂肪酸的方法，其特征在于：整个过程中不用调节反应器中污泥pH。
7.根据权利要求1所述的一种促进剩余污泥中污染物降解同时生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述污泥发酵的时间为4-8d。
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