CN109022499A - 一种在实际污泥中以短链脂肪酸为中介提升资源循环利用率的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，污水处理过程中普遍使用各类絮凝剂来提升出水水质，聚合氯化铝(PAC)是最常见的絮凝剂之一。本专利涉及一种使用含PAC的化学污泥制备短链挥发性脂肪酸时，减弱PAC对产酸的抑制的方法。该减弱抑制的方法为：化学污泥作为基质，预处理后，加入氢氧化钠在碱性条件下进行厌氧发酵，得到挥发性脂肪酸。本发明以化学污泥为原料，采用氢氧化钠调理污泥，改变发酵环境，最大程度的减弱PAC絮凝剂对于污泥发酵的抑制，将污泥中非水溶性态的有机物最大程度的转化为挥发性有机酸。其优势在于考虑到国内污水处理厂的实际情况，针对PAC化学污泥进行处理处置和资源回收利用，对我国污水污泥处理现状，具有重要意义。

Description

一种在实际污泥中以短链脂肪酸为中介提升资源循环利用率 的系统及方法

技术领域：

本发明为环保技术领域，涉及一种在实际污泥中以短链脂肪酸为中介提升资源循环利用率的系统及方法，具体为一种在实际生产过程中通过减轻污泥本身存在的絮凝剂对厌氧发酵过程的抑制，从而提升脂肪酸产量的系统及方法。

背景技术：

目前城镇污水处理厂多采用活性污泥法处理污水，与其他处理方法如化学法相比，活性污泥法处理污水具有能耗低，处理量大以及二次污染小的优点，在全世界范围内得到广泛应用。然而，由于人们生活水平的提高，且水体富营养化等问题频频发生，各国均先后修订相关标准，提升了污水排放水质，从而更好的对自然生态环境进行保护。随着相关立法标准的提升，传统的单一活性污泥法已经不能满足要求，磷排放超标成了频发发生的问题，针对此问题，外部投加化学物质进行磷元素的沉淀去除便成了辅助方法。在外加化学物质中，各类絮凝剂由于除磷效果好，价格低廉，因此最为常用，在其中，无机絮凝剂聚合氯化铝(PAC)应用频繁，这就造成了絮凝剂会在污泥中的积累问题。

污水处理过程中大量的剩余污泥若没有经过适当的处理处置，极易造成二次污染，再次破坏环境，是我们当今在污水处理领域面临的一个重要问题。而且絮凝剂的投加，会造成污泥产量的进一步增加。与此同时，污泥中包含有大量的有机物质，如蛋白质和糖类等，这也使它有成为潜在的资源的可能性。

通常来说，我们用它来产生甲。近期，由于污水脱氮除磷过程中对碳源的需求，剩余污泥产短链挥发性脂肪酸成了热点方向。众所周知，氮磷超标是作为藻类生长的重要营养物质和引起水体富营养化的主要原因，而废水生物同步脱氮除磷是防治水体富营养化的重要手段。活性污泥在去除氮磷等营养物质过程中，需要同化大量溶解性有机化合物，短链脂肪酸由于其易吸收性，成为常见的外加碳源物质。而我国南方由于水量充沛，易导致废水含碳量过低，不能满足生物脱氮除磷的需求，成为制约污水处理的重要因素。所以，为了避免外加化学药剂的额外投入，由污泥直接产生挥发性脂肪酸成为了热点研究方向，一方面能回收污泥，避免造成二次污染，另一方面可以补充生物脱氮除磷所需的碳源，提高生物脱氮除磷效率。

然而，一直以来，由于水解受限、甲烷消耗大以及污泥里含抑制性的化学物质等原因，VFA的产量都不尽如人意，并不能满足低碳废水中脱氮除磷的需求，所以我们做了大量努力来提升VFA的产量，比如各类预处理，酶，酸，碱，热，高温，臭氧，表面活性剂等，但是我们一直致力于增加水解速率和减轻甲烷菌的消耗，忽视了污泥中某些固存的化学物质的影响。比如水中常见的聚合氯化铁和聚合氯化铝等，在废水中常用来提升悬浮固体的去除率或者磷酸盐的沉淀率，一般在初沉或者二沉池进行添加，用来提升出水水质，絮凝剂提升出水水质的同时，会大量被污泥吸附，因此，剩余污泥中会含有大量的聚合氯化铝。根据国内外报道，在污泥中聚合氯化铝的铝含量可达3-112mg/g干污泥。然而，PAC对于污泥产酸的作用目前并无报导，研究表明，PAC对于污泥发酵产生短链脂肪酸具有较强的抑制作用，抑制效果达到10％-50％。前期实验研究表明，碱性环境能加快水解速率，抑制产甲烷菌的活性，从而提升脂肪酸的产量，但是对于含有絮凝剂的污泥作用并无报道，因此寻求经济可行的方法来减轻此种抑制以此来促进资源循环利用很有必要。所以，我们分析了PAC对于污泥产酸的影响，以及如何充分利用这种影响，发现碱性条件对于此种化学污泥促进产酸仍然效果显著。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是弥补现有技术中常常被忽视的实际污泥中含有的PAC絮凝剂会对短链脂肪酸的生产造成抑制的问题。经研究表明，使用污泥作为基质，制备短链脂肪酸的过程中，PAC絮凝剂对制备过程会产生严重抑制，产量减少10％-50％。且由于PAC的絮凝和包裹作用，会延长发酵时间(一般20～ 30d)，所以会产生短链挥发性脂肪酸效率产量低下且发酵时间长等缺陷。因此，针对PAC污泥的处理处置现状，找寻到减轻PAC絮凝性的最佳状态，来促进脂肪酸的产生，减少反应时间，节约各项成本。一种提升实际污泥产挥发性脂肪酸的系统及方法，其特征在于：(1)基质为实际水处理过程中产生的污泥；(2) 首先在所述基质中采用热预处理，然后调节至合适pH，使PAC絮凝性最低，增强其水解性能，从而减轻抑制。

为解决上述技术问题，提供了一种短链挥发性脂肪酸的制备方法，减弱制备短链脂肪酸过程中PAC引起的抑制效果，包括以下步骤，整个系统组成有：1 初沉池，2活性污泥反应池，3二沉池，4污泥发酵池，5进水管，6进水阀，7 生化池进水阀，8二沉池泥水阀，9出水管，10初沉池排泥阀，11初沉池排泥管，12二沉池排泥阀，13二沉池排泥管，14曝气头，15空气流量计，16空气压缩机，17上清液回流管，18泵，19搅拌装置，20pH测量仪，21排泥阀，22排泥管，23配药罐，24加药管。整套反应体系如下方式运行：

(1)打开初沉池排泥阀10和二沉池排泥阀12，PAC污泥由初沉池排泥管 11和二沉池排泥管13进入污泥发酵池4后，由锅炉房饱和热蒸汽进行加热水解，同时打开搅拌装置19搅拌混匀；

(2)热水解完毕后，污泥降至常温，同时投加氢氧化钠进行pH调节，使用pH测量仪20进行pH控制。

(3)酸碱调质后污泥在发酵池4中进行发酵，打开搅拌装置19进行搅拌均匀，并通过pH测量20仪维持一定的酸碱值。

(4)上述步骤(1)中所用污泥为初沉池1和二沉池3排出的污泥，且采用PAC来促进絮凝，提升出水水质。

(5)上述步骤(1)中污泥为自然沉淀24h后的沉淀物；所述化学污泥包括含有PAC的初沉污泥和二沉污泥，优选的，初沉污泥和二沉污泥的重量例为 0-45:55-100。

(6)步骤(1)加热温度为85-95℃，由锅炉房提供饱和热蒸汽进行加热，所述搅拌装置19转速为60-100rpm，热水解时间为25-35min。

(7)步骤(2)加入氢氧化钠进行酸碱性调节，并使用pH测量仪进行酸碱控制，优选的调节后污泥酸碱条件为pH9.5-10.5。实验证明，当pH弱酸性条件也就是6左右的时候，其絮凝性最强，对产脂肪酸的抑制作用也最强，当pH调节至碱性时既有改善效果，但在pH10的时候絮凝性最小，对TOC的去除最少，也能最大程度减轻对产酸的抑制。

(8)步骤(3)采用厌氧条件，优选的，搅拌装置19转速为90-110rpm/min，温度为30±1℃，酸碱度为pH 10±0.5。

(9)根据上述步骤，优选的，厌氧发酵所需时间为3-10d，发酵结束后通过上清液回流管17回流短链脂肪酸至生化池3，实现资源循环利用。

本发明的优点在于：

(1)本发明首次研究利用城市污水处理厂出来的PAC污泥生产短链脂肪酸，并采用碱性条件减弱了其抑制从而提升产量，实现了污泥减量化、稳定化、资源化以及减少污泥有机物污染环境的目的，同时生产了有价值的产物(短链挥发性脂肪酸)，是城市污水处理厂的一种循环经济模式，具有重要的现实意义。

(2)本发明采用添加氢氧化钠控制碱性条件来缓减PAC对于污泥产酸的抑制，具有产量高，能耗低，方法简单，运行成本少等优势。

(3)按照本发明制备的挥发性短链脂肪酸可用于补充脱氮除磷时污水处理厂的碳源不足，促进污水处理系统的资源自生循环；也可以用于生产生物塑料，甲烷等清洁能源。

本发明的创新点在于：

众所周知，生物污泥随意丢弃的话极易产生二次污染，在公众的眼光都聚焦于废弃物资源循环利用的今天，都致力于使用剩余污泥资源化，并在这方面做了诸多努力，比如使用污泥产甲烷，产氢，产电能，产脂肪酸，且卓有成效。其中，污泥发酵产脂肪酸前景是巨大的，不仅可以成为低碳废水的碳源，而且可以产生物塑料，为微生物电池提供喂养基质，同时，也是产生甲烷和氢气等清洁能源的中间环节，所以，提升脂肪酸的产量就成为了我们至关重要的工作。在我们提供各类方式来提升短链脂肪酸的产量时，被大家所忽略的一点是：实验室所用污泥和实际工程试验中所用的污泥会有出入。实际工程中，污泥可能会吸附各类有毒有害物质，如重金属，各类金属盐等，这些物质都有可能对厌氧及产酸过程有抑制作用。也有为了出水达到国家相关标准人为添加的物质，如在水处理工艺中添加的絮凝剂，可以使污水中浊度，COD指标改善。随之而来的结果是，大量絮凝剂会残留在污泥中，造成了污泥量增多，增加后续处理困难等后果，本发明选取了一种比较典型有代表性的絮凝剂，分析其对厌氧产脂肪酸的影响，并从原理上提出了切实可行的解决办法。

附图说明：

附图是在整个污水处理过程中本发明对于减弱PAC对制备短链脂肪酸的实施例结构示意图。

1初沉池，2活性污泥反应池，3二沉池，4污泥发酵池，5进水管，6进水阀，7生化池进水阀，8二沉池泥水阀，9出水管，10初沉池排泥阀，11初沉池排泥管，12二沉池排泥阀，13二沉池排泥管，14曝气头，15空气流量计，16 空气压缩机，17上清液回流管，18泵，19搅拌装置，20pH测量仪，21排泥阀， 22排泥管，23配药罐，24加药管

具体实施方式：

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

上述反应系统，污泥进入发酵池中后，通入锅炉产生的热蒸汽进行加热，同时打开搅拌装置19，使污泥混合均匀受热。加热结束后加入氢氧化钠进入酸碱调质，调质完毕后进行厌氧发酵产酸。

实施例1：

本实施例污泥为实验室污泥添加PAC絮凝剂所得，充分搅拌混匀后流入厌氧发酵池，污泥固体物质浓度为1.89％，PAC的量为1.4％。

分别用传统的厌氧消化工艺与上述系统在上述运行装置中处理实验室PAC 污泥。

污泥含固率为1.89％，悬浮性固体颗粒含量TSS为18.9g/L，其中有机质含量VSS占TSS比例为65％，总COD为12.45g/L。均为4℃沉淀24小时后的沉淀物，传统厌氧消化工艺和上述厌氧消化系统的基质中均含有PAC，发酵温度 30±1℃，发酵期间搅拌转速100rpm/min。在采用上述工艺发酵的系统中，采用锅炉蒸汽90℃加热30min，且发酵池内环境调节至pH10加速水解。系统运行4d 后，传统厌氧消化系统结果如下，过滤取上清液，短链脂肪酸含量为349mg COD/L。本发明采用运行方法结果如下：过滤取上清液，检测得短链脂肪酸含量为3053mgCOD/L，与传统的厌氧消化工艺相比，脂肪酸产量提升8.75倍。

实施例2：

本实例采用的是实际污水厂污泥，此污水厂工艺如附图所示，污泥为初沉池1或二沉池3中添加PAC絮凝剂所得，二者混合后流入厌氧发酵池，沉淀24 小时后，沉淀物固体物质浓度为1.67％，PAC的量为1.9％。

分别用传统的厌氧消化工艺与上述系统在上述运行装置中处理实验室PAC 污泥。

悬浮性固体颗粒含量TSS为16.7g/L，其中有机质含量VSS占TSS比例为 58％，总COD为9.24g/L，PAC含量为1.9％。按实施例1所述装置与所述方法分别设置对照组和实验组。系统运行4d后，传统厌氧消化系统结果如下，过滤取上清液，短链脂肪酸含量为279mgCOD/L。本发明采用运行方法结果如下：过滤取上清液，检测得短链脂肪酸含量:2543mgCOD/L，与传统的厌氧消化工艺相比，上述发酵系统脂肪酸产量提升9.11倍。

Claims (10)

1.一种提升实际污泥产挥发性脂肪酸的系统及方法，其特征在于：基质为实际市政污水处理过程中产生的污泥，在所述基质中采用合适方法，减弱聚合氯化铝(PAC)的絮凝抑制，从而挥发性短链脂肪酸的产量。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，污泥为实际污水处理工艺中排出的含PAC的化学污泥。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述污水处理工艺中包含有PAC絮凝环节，如添加PAC絮凝剂用来提升初沉池、二沉池的絮凝沉淀效果，改善出水水质，使其达到相关国家标准。

4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，污泥为4℃下自然沉淀24h后取沉淀物；所述化学污泥为污水处理厂剩余污泥，包括初沉池污泥和二沉池污泥。

5.根据权利要求3所述工艺，其特征在于，所述污水处理工艺系统如下：1初沉池，2活性污泥反应池，3二沉池，4污泥发酵池，5进水管，6进水阀，7生化池进水阀，8二沉池泥水阀，9出水管，10初沉池排泥阀，11初沉池排泥管，12二沉池排泥阀，13二沉池排泥管，14曝气头，15空气流量计，16空气压缩机，17上清液回流管，18泵，19搅拌装置，20pH测量仪，21排泥阀，22排泥管，23配药罐，24加药管。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)PAC污泥进入厌氧发酵池后，由锅炉房饱和热蒸汽进行加热水解，同时搅拌混匀；

(2)热水解完毕后，由热交换器进行换热降温，同时投加氢氧化钠进行pH调节；

(3)酸碱调质后污泥在发酵池中进行发酵，并维持一定的酸碱值。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤(1)加热温度为85～95℃，由锅炉房提供饱和热蒸汽进行加热，所述机械搅拌转速为60～100rpm，停留时间为25～35min。

8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤(2)加入氢氧化钠进行酸碱性调节，调节后污泥酸碱条件为pH 9.5～10.5。

9.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤(3)采用厌氧条件，所述机械搅拌转速为90～110rpm/min，温度为30±1℃，酸碱度为pH 10±0.5。

10.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤(3)厌氧发酵所需时间为3-10d。