CN108793656B - 提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，其包括如下步骤：将有机污泥经浓缩至固含率为20～40g/L之后，投加添加剂，并控制pH值为4.0～6.0，在35～39℃下进行水解酸化反应；将水解酸化后的污泥的pH值调节至6.0～6.5后，进行厌氧消化反应，收集沼气。本发明将亚硝酸钙作为添加剂，促进了污泥溶胞和水解产酸，大幅提升了污泥厌氧产酸速率，进而，提升了污泥厌氧消化效率；亚硝酸钙的加入，也起到了封存碳的作用，降低了沼气中二氧化碳的浓度，提高了甲烷纯度；而两次调节pH，既提高了污泥在亚硝酸钙作用下的酸性水解，又有利于厌氧产甲烷阶段氢型产甲烷菌生长，提高了二氧化碳与氢反应形成甲烷的潜力，进一步提高了沼气中甲烷的纯度。

Description

提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法
技术领域
本发明涉及一种提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，属于环境工程技术领域。
背景技术
城市污水厂污泥是由细菌菌体、有机残片、无机颗粒、胶体等组成的一种极其复杂的非均质体。污泥中含有大量的有机成分，也含有大量的病原菌、寄生虫等有毒有害物质。因此，污泥进行处置前，通常需先进行稳定化处理，以避免其对环境、人类健康造成较大危害。厌氧消化是一种常见的污泥稳定化处理技术。污泥厌氧消化不仅可以实现污泥的稳定化和减量化，还可以以沼气形式回收污泥中有机碳蕴藏的能源。然而，污泥厌氧消化在我国污水处理厂中的技术普及率不到2％，与技术普及率高于50％的欧美发达国家和地区相比，尚存在很大的差距。
我国污泥厌氧消化的工程效率较低，造成此现象的主要原因有二：一是，我国污水处理厂污泥中有机质含量较低，污泥厌氧消化速率受无机物包裹的影响，厌氧消化速率较低[Xue Y,Liu H,Chen S,et al.Effects of thermal hydrolysis on organic mattersolubilization and anaerobic digestion of high solid sludge[J].ChemicalEngineering Journal,2015,264:174-180.]；二是沼气中体积比占30～50％的二氧化碳影响能量密度的气体含量较高影响了沼气品质，沼气不能直接补充到天然气管道或作为汽车气体燃料等高值利用，影响了我国污水处理厂使用厌氧消化技术的积极性。因此，人们一方面开始利用高温高压、电化学预处理、化学氧化等预处理等方式以提高厌氧消化效率[YuB,Xu J,Yuan H,et al.Enhancement of anaerobic digestion of waste activatedsludge by electrochemical pretreatment[J].Fuel,2014,130(16):279-285.]；另一方面，提出了通过投加添加剂强化污泥产甲烷以及原位提纯沼气的技术[叶彩虹,袁文祥,袁海平,等.添加剂对污泥厌氧消化性能的影响[J].环境化学,2012,31(4):516-521.]。然而，污泥预处理能耗高，难以进行大规模推广，而采用生物炭、活性炭、橄榄石、生石灰等方法，尽管能使沼气中甲烷含量大幅提升，但污泥中细菌胞内有机质释放较为缓慢，而且不能同时解决厌氧消化效率低的难题。因此，若能开发出一种既可提高污泥厌氧消化效率，又能原位提高沼气纯度的方法，对推进厌氧消化技术的发展，将具有重要的实用价值。
发明内容
针对目前污泥厌氧消化回收沼气效率低、沼气附加值低的技术问题，本发明提供了一种既能提高污泥厌氧消化效率、又能提升污泥厌氧消化产沼纯度的方法。本发明主要是结合两相厌氧消化工艺特点，通过控制体系酸碱性、投加添加剂，实现以高热值沼气的方式回收污泥中资源，从而达到环境效益和经济效益双赢的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，其包括如下步骤：
将有机污泥经浓缩至固含率为20～40g/L之后，投加添加剂，并控制pH值为4.0～6.0，在35～39℃下进行水解酸化反应；
将水解酸化后的污泥的pH值调节至6.0～6.5后，进行厌氧消化反应，收集沼气。
作为优选方案，所述有机污泥的来源为生化法处理的城市污水处理厂。
作为优选方案，所述水解酸化反应的氧化还原电位为-300～-100mV。
作为优选方案，所述添加剂为亚硝酸钙，投加量为500～2000mg N/L，即，每升污泥中亚硝酸钙投加量为2.36～9.43g。
作为优选方案，所述厌氧消化反应的氧化还原电位为-500～-300mV。
作为优选方案，所述水解酸化反应中的污泥停留时间为1～3天。
作为优选方案，所述厌氧消化反应的污泥停留时间为20～40天。
本发明技术原理如下：
利用亚硝酸盐在低pH情况下产生自由NO2 -，利用其强氧化性破坏污泥中衰亡微生物的细胞膜结构，促进其内溶物释放，而水解产酸过程中产生的酸度，可增强亚硝酸根对衰亡微生物细胞膜的破坏作用，却通过正常微生物的应激反应，刺激了正常微生物的代谢活性，因而，提高了污泥水解速率，间接提高了污泥的产甲烷效率；在调节罐中回调pH，提升了厌氧反应器中产氢菌的代谢活性，使氢营养型产甲烷菌Methanobacterium得到增殖(其丰度达到30～50％)，提升了由二氧化碳与氢合成甲烷的比率，进而，提升甲烷产量及沼气中甲烷的纯度；厌氧反应器中，由于添加剂中钙离子会与液相中二氧化碳及碳酸根形成碳酸盐沉淀，减少了二氧化碳的排放，进一步原位纯化沼气。此外，由于钙离子与小分子有机酸中间反应的存在，因此，钙离子的引入还可以有效缓解有机酸对甲烷菌活性的影响。
本发明的积极效果在于：将亚硝酸钙作为添加剂，促进了污泥溶胞和水解产酸，大幅提升了污泥厌氧产酸速率，进而，提升了污泥厌氧消化效率；亚硝酸钙的加入，也起到了封存碳的作用，降低了沼气中二氧化碳的浓度，提高了甲烷纯度；而两次调节pH，既提高了污泥在亚硝酸钙作用下的酸性水解，又有利于厌氧产甲烷阶段氢型产甲烷菌生长，提高了二氧化碳与氢反应形成甲烷的潜力，进一步提高了沼气中甲烷的纯度；可大幅降低沼气纯化的运行成本，提高了沼气的附加值，进而推动厌氧技术的普及。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，工艺流程如图1所示，具体包括如下步骤：
上海某污水厂，对象为二沉池剩余污泥，浓缩后污泥含固率为20g/L。水解酸化阶段，亚硝酸钙投加量为500mg N/L(即，2.36g Ca(NO2)2/L)，同时采用6M HCl溶液逐步调节发酵混合物pH为6.0，温度控制在37±2℃。控制污泥泥停留时间为3d，保持水解发酵罐内ORP为-100mV。水解产酸后输送至调节罐，采用5M NaOH溶液调回pH至6.5，之后输送至厌氧反应器，氢营养型产甲烷菌Methanobacterium丰度达到30％。污泥停留时间为为40d，罐内ORP为-300mV，温度为37±2℃。最终沼气产量达到330mL/g·VS，沼气中甲烷纯度可达到90％。
实施例2
本实施例涉及一种提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，具体包括如下步骤：
上海某生活污水厂，对象为二沉池剩余污泥，浓缩后污泥含固率为40g/L。亚硝酸钙投加量为2000mg N/L(即，9.43g Ca(NO2)2/L)，采用6M HCl溶液逐步调节发酵混合物pH为4.0，温度控制在37±2℃，混合均匀。水解发酵罐内污泥停留时间为1d，保持水解发酵罐内ORP为-200mV。水解产酸后输送至调节罐，采用5M NaOH溶液调回pH至6.3，之后输送至厌氧反应器，氢营养型产甲烷菌Methanobacterium其丰度达到40％。污泥停留时间为为20d，罐内ORP为-400mV，温度为37±2℃。最终沼气产量达到355mL/g·VS，沼气中甲烷纯度可达到93％。
实施例3
本实施例涉及一种提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，具体包括如下步骤：
上海某污水厂，对象为浓缩池排泥，污泥含固率为30g/L，亚硝酸钙投加量为1300mg N/L(即，6.13g Ca(NO2)2/L)，采用6M HCl溶液逐步调节发酵混合物pH为5.0，温度控制在37±2℃，连续搅拌，混合均匀。水解发酵罐内污泥停留时间为2d，保持水解发酵罐内ORP为-300mV。水解产酸后输送至调节罐，用5M NaOH溶液调回pH至6.0，之后输送至厌氧反应器，氢营养型产甲烷菌Methanobacterium其丰度达到50％。污泥停留时间为为30d，罐内ORP为-400mV，温度为37±2℃。最终沼气产量达到380mL/g·VS，沼气中甲烷纯度可达到95％。
对比例1
本对比例涉及一种污泥厌氧消化产生沼气的方法，与实施例1的不同之处仅在于，在于，在水解酸化阶段未添加亚硝酸钙。最终沼气产量为270mL/g·VS，沼气中甲烷纯度为75％。
对比例2
本对比例涉及一种污泥厌氧消化产生沼气的方法，与实施例1的不同之处仅在于，在水解酸化阶段未逐步控制pH在6.0。最终沼气产量为280mL/g·VS，沼气中甲烷纯度为85％。
对比例3
本对比例涉及一种污泥厌氧消化产生沼气的方法，与实施例1的不同之处仅在于，在调节罐内未回调pH至6.5。最终沼气产量为300mL/g·VS，沼气中甲烷纯度为87％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将有机污泥经浓缩至固含量为20~40g/L之后，投加添加剂，并控制pH值为4.0~6.0，在35~39℃下进行水解酸化反应；所述添加剂为亚硝酸钙，投加量为500~2000mg N/L；
将水解酸化后的污泥的pH值调节至6.0~6.5后，进行厌氧消化反应，氢营养型产甲烷菌Methanobacterium得到增殖，其丰度为30~50%，收集沼气。
2.如权利要求1所述的提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，其特征在于，所述有机污泥的来源为生化法处理的城市污水处理厂。
3.如权利要求1所述的提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，其特征在于，所述水解酸化反应的氧化还原电位为-300~-100mV。
4.如权利要求1所述的提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，其特征在于，所述厌氧消化反应的氧化还原电位为-500~-300mV。
5.如权利要求1所述的提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，其特征在于，所述水解酸化反应中的污泥停留时间为1~3天。
6.如权利要求1所述的提升污泥厌氧消化产生沼气中甲烷纯度的方法，其特征在于，所述厌氧消化反应的污泥停留时间为20~40天。
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