CN109207345B - 一种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化的装置与工艺 - Google Patents

一种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化的装置与工艺 Download PDF

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Abstract

一种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化的装置与工艺,它包括以下步骤:将玉米秸秆机械截断并打磨成断成颗粒状,并用稀HCI溶液在恒温水浴条件下对其进行酸‑热预处理。采用乙醇型发酵的pH调控手段发酵该玉米秸秆混合液,使其发酵产生乙醇,并将该产物与城市污泥混合进行厌氧共消化。本发明可达到如下效果:改善城市污泥厌氧共消化的C/N,降低其缓冲性能,促进厌氧微生物生长和代谢;刺激微生物群落富集地杆菌,建立基于直接种间电子传递的产甲烷互养代谢,提高厌氧共消化效率和产甲烷速率。该技术投资成本少,操作简单,提高效果明显,可应用于现有城市污泥处理厂厌氧共消化工艺的升级改造。

Description

一种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化的装置与 工艺
技术领域 本发明涉及一种城市污泥厌氧生物处理的装置与工艺。
背景技术 厌氧消化作为一种有效的可再生能源回收策略被广泛应用于处置城市污泥及其减量化。城市污泥含有较高浓度的氨氮,使其具有较低的C/N及较高的缓冲性能等特点,不利于厌氧微生物的生长和代谢。因此,常规的厌氧消化手段并不能有效地处置城市污泥。将城市污泥与含可生物降解有机质较高、碱度较低的有机废物混合,如餐厨垃圾、农产品废弃物、动物粪便等,进行厌氧共消化,能够明显改善C/N,降低缓冲性能,提高甲烷产量。然而,这种简单的工艺改进却没能从根本上解决限制厌氧共消化效率的关键问题——相对缓慢的产甲烷互养代谢。随着固体停留时间的缩短,产酸菌与产甲烷菌之间的电子和能量交换被破坏,造成产甲烷互养代谢停滞,进而抑制产甲烷菌的生长和代谢。
产酸菌与产甲烷菌之间的电子和能量交换形式主要分为间接交换和直接交换。氢气(或甲酸)作为电子载体产生于产酸菌代谢有机物,进而被耗氢(或甲酸)产甲烷菌捕获并还原二氧化碳为甲烷的过程属于间接交换。种间氢气(或甲酸)传递需要耗氢(或甲酸)产甲烷菌持续地消耗氢气(或甲酸),以维持厌氧系统较低地氢气分压(或甲酸浓度),才能使氢气(或甲酸)的产生在热力学上可行。然而,耗氢(或甲酸)产甲烷菌并不是常规厌氧消化器中占优势的产甲烷菌种,其丰度通常较低(<20%),不足以驱动种间氢气(或甲酸)传递来维持产甲烷互养代谢的稳定。直接种间电子传递被认为是一种能够取代种间氢气(或甲酸)传递的电子和能量交换新机制。其优势主要表现为,一方面,直接种间电子传递不需要氢气(或甲酸)作为种间电子交换的载体,而利用产酸菌胞外生长的导电菌丝和分泌的细胞色素进行电子和能量交换,电子传递速率因而得到大幅度地提高;另一方面,在直接种间电子传递过程中,电子接收端的产甲烷菌属于耗乙酸型产甲烷菌,其通常在常规厌氧消化器中占优势地位,对于厌氧消化产甲烷负有重要职责。因此,强化厌氧消化中直接种间电子传递被期望能够有效地促进产甲烷互养代谢。
最近研究表明,采用乙醇作为底物启动并驯化常规厌氧消化器,能够在其微生物群落中富集地杆菌——目前唯一被证实能够推动直接种间电子传递的产酸菌,建立基于直接种间电子传递的产甲烷互养代谢,维持厌氧系统的稳定,提高甲烷产率。然而,这种采用外源投加乙醇方式将不可避免地增加工艺的运行成本。有报道表明,在处理高负荷含糖有机废物的水解酸化反应器内,通过控制发酵pH为4.0-4.5,能够实现水解酸化阶段乙醇型发酵——乙醇在酸化产物中占主导,同时伴随大量氢气的释放,这主要归因于酸性的pH氛围使产酸菌胞内NAD和NADH+的平衡被有效地保持。然而,简单的调节城市污泥的发酵pH以实现乙醇型发酵却并不可行,这主要是因为城市污泥较高的缓冲性能。需要说明的是,在城市污泥厌氧共消化过程中,乙醇的产生可以通过发酵含糖有机废物来实现,如玉米秸秆等。
发明内容 为解决城市污泥厌氧共消化过程中产甲烷互养代谢缓慢,限制厌氧共消化效率,降低甲烷产率等问题,本发明提出以下技术方案:一种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化的装置,其特征在于:设有乙醇发酵罐保温层的乙醇发酵罐罐体内为乙醇发酵罐悬浮污泥区,乙醇发酵罐悬浮污泥区底部设有乙醇发酵罐布水器,乙醇发酵罐搅拌机主轴穿过乙醇发酵罐罐体的上盖伸入乙醇发酵罐悬浮污泥区,乙醇发酵罐罐体的上盖设有带阀门i的乙醇发酵罐排气管i。乙醇发酵罐进料泵的一端经由管ii插入进料池而另一端经由管iii、阀门ii与乙醇发酵罐布水器连接。设有下部为乙醇发酵沉降污泥区的调节池,带有阀门iii的管iv一端连接乙醇发酵罐罐体一侧的上方而另一侧连接调节池的顶部。调节池回流泵的一端经由管v与调节池下部的乙醇发酵沉降污泥区连接而另一端经由阀门iv、管vi与乙醇发酵罐布水器连接。设有污泥发酵罐保温层的污泥发酵罐罐体内为污泥发酵罐悬浮污泥区,该污泥发酵罐悬浮污泥区底部设有污泥发酵罐布水器,污泥发酵罐搅拌机主轴穿过污泥发酵罐罐体上盖伸入污泥发酵罐悬浮污泥区,污泥发酵罐罐体的上盖设有带阀门v的污泥发酵罐排气管vii。污泥发酵罐罐体的一侧设有城市污泥进料口,城市污泥由该城市污泥进料口经阀门vii、管x与发酵罐罐体内的污泥发酵罐悬浮污泥区连接。污泥发酵罐进料泵的一端经由管viii与污泥发酵罐布水器连接而另一端经由管ix、阀门vi与调节池下部的乙醇发酵沉降污泥区连接。设有下部为污泥沉降区的污泥池,带有阀门viii的管xi一端连接污泥发酵罐罐体一侧的上方而另一侧连接污泥池的顶部。污泥池回流泵的一端经由管xii与污泥池下部的污泥沉降区连接而另一端经由阀门ix、管xiii与污泥发酵罐布水器连接。污泥池的一侧设有带阀门x的管xiv。
一种使用上述装置的玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化工艺包括以下工序:
1)采用粉碎机将玉米秸秆机械截断成长度为20-50mm的片状秸秆,再用球磨机将该片状秸秆打磨成直径为2-5mm的颗粒状秸秆。
2)将工序1)中打磨好的颗粒状秸秆与水按1g秸秆与50-100mL水的比例混合,得到秸秆混合液。
3)采用纯度≥95%的工业级浓HCI溶液与水按比例为1:3-1:5混合,配制成2-4mol/L稀HCI溶液,并将配制好的稀HCl溶液加入至工序2)中秸秆混合液,使其pH值为4.0-5.0。
4)采用恒温水浴对工序3)中酸性秸秆混合液进行加热预处理,恒温水浴温度为80-90℃,预处理时间为1-4h。
5)热预处理后,将该酸性秸秆混合液转移至进料池。
6)采用完全混合式厌氧消化器作为本工艺的乙醇发酵罐和污泥发酵罐。
7)采用取自城市污泥处理厂的消化污泥回流液启动乙醇发酵罐,使乙醇发酵罐罐体内的污泥浓度5-7g/L;并采用取自城市污泥处理厂的消化污泥回流液启动污泥发酵罐,使污泥发酵罐罐体内污泥浓度达到20-40g/L。
8)打开乙醇发酵罐进料泵和阀门ii,酸性秸秆混合液从进料池经由管ii、管iii、乙醇发酵罐布水器流入设有乙醇发酵罐保温层的乙醇发酵罐罐体内乙醇发酵罐悬浮污泥区。
9)打开乙醇发酵罐搅拌机主轴,控制其转速为40-60rpm,使流入乙醇发酵罐罐体内的酸性秸秆混合液与乙醇发酵罐罐体内悬浮污泥充分混合。
10)乙醇发酵罐罐体内固体停留时间为1-4d,最佳固体停留时间为2d;乙醇发酵罐罐体内pH值为4.0-5.0,最佳pH值为4.5;乙醇发酵罐罐体内温度为27-32℃,最佳温度为30℃。
11)打开阀门i,乙醇发酵罐罐体内产生的气体经乙醇发酵罐排气管i排出乙醇发酵罐。
12)打开阀门iii,含有乙醇发酵罐罐体内悬浮污泥的酸性秸秆混合液经由管iv从乙醇发酵罐罐体流入调节池。
13)打开调节池回流泵和阀门iv,调节池底部乙醇发酵沉降污泥区的沉降污泥经由管v、管vi流入乙醇发酵罐罐体内乙醇发酵罐悬浮污泥区。调节池污泥回流比为1:2-1:5。
14)关闭调节池回流泵和阀门iv,打开污泥罐进料泵和阀门vi,调节池底部的沉降污泥经由管viii、管ix、污泥发酵罐布水器流入设有污泥发酵罐保温层的污泥发酵罐罐体内污泥发酵罐悬浮污泥区。
15)打开阀门vii,取自城市污水处理厂压滤后含固率为20%左右的城市污泥经由管x流入污泥发酵罐罐体内污泥发酵罐悬浮污泥区。
16)打开污泥发酵罐搅拌机主轴,控制其转速为20-40rpm,使流入污泥发酵罐罐体内的调节池底部的沉降污泥与城市污泥充分混合。
17)污泥发酵罐罐体内的固体停留时间为20-26d,最佳固体停留时间为24d;污泥发酵罐罐体内pH值为6.5-7.5,最佳pH值为7.0;污泥发酵罐罐体内温度为35-40℃,最佳温度为37℃。
18)打开阀门v,污泥发酵罐罐体内产生的气体经由污泥发酵罐排气管vii排出污泥发酵罐。
19)打开阀门viii,污泥发酵罐罐体内的悬浮污泥经管xi流入污泥池。
20)打开污泥池回流泵和阀门ix,污泥池下部的污泥沉降区的沉降污泥经由管xii、管xiii流入污泥发酵罐罐体内污泥发酵罐悬浮污泥区。污泥池内污泥回流比为1:3-1:5。
21)关闭污泥池回流泵和阀门ix,打开阀门x,污泥池下部污泥沉降区的沉降污泥经由管xiv排出污泥池。
这种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化工艺具有的优点是:玉米秸秆经机械粉碎和酸-热预处理后能够促进其水解,提高可溶性还原糖的含量,有助于提高乙醇的产量。采用乙醇型发酵的pH调控手段发酵含糖秸秆混合液,能够得到乙醇占主导的酸化产物。该产物在污泥发酵阶段能够刺激产甲烷微生物群落,显著地富集地杆菌,并建立基于直接种间电子传递的产甲烷互养代谢,维持高效的厌氧共消化。此外,在污泥发酵罐中,将酸性的乙醇发酵罐内悬浮污泥、秸秆混合液与城市污泥混合,能够有助于摧毁城市污泥中活性污泥细胞壁,破坏磷脂层和多肽链结构,释放胞内聚合物,为污泥产甲烷提供更多能够利用的底物。因此,该工艺不仅改善城市污泥厌氧消化过程中的C/N比,降低缓冲性能,促进厌氧微生物生长和代谢,而且建立产酸菌与产甲烷之间直接种间电子传递,加快产甲烷互养代谢速率,提高城市污泥减量化和产甲烷效率。该技术投资成本少,操作简单,提高效果明显,可应用于现有城市污泥处理厂厌氧共消化工艺的升级改造。
附图说明 图1为一种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化的装置示意图。
图1中:1、进料池,2、管ii,3、乙醇发酵罐进料泵,4、管iii,5、阀门ii,6、乙醇发酵罐布水器,7、乙醇发酵罐,8、乙醇发酵罐保温层,9、乙醇发酵罐悬浮污泥区,10、乙醇发酵罐搅拌机主轴,11、乙醇发酵罐排气管i,12、阀门i,13、阀门iii,14、管iv,15、调节池,16、乙醇发酵沉降污泥区,17、管v,18、调节池回流泵,19、阀门iv,20、管vi,21、管ix,22、阀门vi,23、污泥罐进料泵,24、管viii,25、污泥发酵罐布水器,26、污泥发酵罐,27、污泥发酵罐保温层,28、管x,29、阀门vii,30、城市污泥进料口,31、污泥发酵罐悬浮污泥区,32、污泥发酵罐搅拌机主轴,33、发酵罐排气管vii,34、阀门v,35、管xi,36、阀门viii,37、污泥池,38、污泥池沉降污泥区,39、污泥回流泵,40、管xii,41、阀门ix,42、管xiii,43、管xiv,44、阀门x。
具体实施方式 这种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化的装置与工艺的应用机理是:
1、城市污泥由于含有较高浓度的氨氮,导致其表现出较低的C/N和较高的缓冲性能等特点,不利于厌氧微生物生长和代谢;将含糖量较高的玉米秸秆混合城市污泥进行厌氧共发酵,能够明显提高C/N,且含糖量较高的玉米秸秆易酸化,能够降低城市污泥较高的缓冲性能和碱度,有利于厌氧微生物的生长和代谢,提高厌氧消化效率和甲烷产率。
2、含糖有机物水解酸化阶段的发酵pH是决定水解酸化阶段发酵类型和酸化产物的重要因素之一。当发酵pH被控制在4.0-4.5时,乙醇在酸化产物中占主导地位,即水解酸化阶段进入乙醇型发酵,同时伴随着大量氢气释放,这主要是因为酸性的pH氛围使产酸菌胞内的NAD和NADH+的平衡反应被维持。
3、将上述两种技术方案同时应用到玉米秸秆混合城市污泥厌氧共消化过程。先采用乙醇型发酵的pH调控手段发酵玉米秸秆得到乙醇占主导的酸性秸秆混合液;再将该混合液与城市污泥混合进行厌氧共消化,这样不仅能够提高城市污泥厌氧消化的C/N,还能降低其缓冲性能,有利于厌氧微生物的生长和代谢,而且刺激产甲烷微生物群落,富集地杆菌,推动直接种间电子传递,建立基于直接种间电子传递的产甲烷互养代谢,提高厌氧共消化效率和产甲烷效率;此外,将酸性的秸秆混合液与城市污泥混合,还能摧毁城市污泥中活性污泥细胞壁,破坏磷脂层和多肽链结构,释放胞内聚合物,为污泥产甲烷提供更多能够利用的底物。
现结合附图和实施例对本发明做进一步说明,如图1所示,这种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化的装置具有以下技术特征:设有乙醇发酵罐保温层8的乙醇发酵罐7罐体内为乙醇发酵罐悬浮污泥区9,乙醇发酵罐悬浮污泥区9底部设有乙醇发酵罐布水器6,乙醇发酵罐搅拌机主轴10穿过乙醇发酵罐7罐体的上盖伸入乙醇发酵罐悬浮污泥区9,乙醇发酵罐7罐体的上盖设有带阀门i-12的乙醇发酵罐排气管i-11。乙醇发酵罐进料泵3的一端经由管ii-2插入进料池1而另一端经由管iii-4、阀门ii-5与乙醇发酵罐布水器6连接。设有下部为乙醇发酵沉降污泥区16的调节池15,带有阀门iii-13的管iv-14一端连接乙醇发酵罐7罐体一侧的上方而另一侧连接调节池15的顶部。调节池回流泵18的一端经由管v-17与调节池15下部的乙醇发酵沉降污泥区16连接而另一端经由阀门iv-19、管vi-20与乙醇发酵罐布水器6连接。设有污泥发酵罐保温层27的污泥发酵罐26罐体内为污泥发酵罐悬浮污泥区31,该污泥发酵罐悬浮污泥区31底部设有污泥发酵罐布水器25,污泥发酵罐搅拌机主轴32穿过污泥发酵罐26罐体上盖伸入污泥发酵罐悬浮污泥区31,污泥发酵罐26罐体的上盖设有带阀门v-34的污泥发酵罐排气管vii-33。污泥发酵罐26罐体的一侧设有城市污泥进料口30,城市污泥由该城市污泥进料口30经阀门vii-29、管x-28与发酵罐26罐体内的污泥发酵罐悬浮污泥区31连接。污泥发酵罐进料泵23的一端经由管viii-24与污泥发酵罐布水器25连接而另一端经由管ix-21、阀门vi-22与调节池15下部的乙醇发酵沉降污泥区16连接。设有下部为污泥沉降区38的污泥池37,带有阀门viii-36的管xi-35一端连接污泥发酵罐26罐体一侧的上方而另一侧连接污泥池37的顶部。污泥池回流泵39的一端经由管xii-40与污泥池37下部的污泥沉降区38连接而另一端经由阀门ix-41、管xiii-42与污泥发酵罐布水器25连接。污泥池37的一侧设有带阀门x-44的管xiv-43。
一种使用上述装置的玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化工艺包括以下工序:
采用粉碎机将玉米秸秆机械截断成长度为20-50mm的片状玉米秸秆,最佳长度为30mm;再用球磨机将该片状玉米秸秆打磨成直径为2-5mm的颗粒状玉米秸秆,最佳直径为3mm。
将上述打磨好的颗粒状玉米秸秆与水按1g玉米秸秆秸秆与50-100mL水的比例混合,最佳比例为1g秸秆混合80mL水,得到玉米秸秆混合液。
采用纯度≥95%的工业级浓HCI溶液与水按比例为1:3-1:5混合,最佳比例为1:4,配制成2-4mol/L稀HCI溶液,最佳浓度为4mol/L,并将配制好的稀HCl溶液加入上述玉米秸秆混合液,使其pH值为4.0-5.0,最佳pH值为4.5。
采用恒温水浴对上述酸性玉米秸秆混合液进行热预处理,恒温水浴温度为80-90℃,最佳温度为85℃,预处理时间为1-4h,最佳时间为2h。预处理后,将该酸性玉米秸秆混合液转移至进料池。
采用完全混合式厌氧消化器作为本工艺的乙醇发酵罐7和污泥发酵罐26。
采用取自城市污泥处理厂的消化污泥回流液启动乙醇发酵罐7,使乙醇发酵罐7罐体内的污泥浓度达到5-7g/L,最佳污泥浓度为6g/L;并采用取自城市污泥处理厂的消化污泥回流液启动污泥发酵罐,使污泥发酵罐26罐体内污泥浓度为20-40g/L,最佳污泥浓度为30g/L。
打开乙醇发酵罐进料泵3和阀门ii-5,酸性玉米秸秆混合液从进料池1经由管ii-2、管iii-4、乙醇发酵罐布水器6流入设有乙醇发酵罐保温层8的乙醇发酵罐7罐体内乙醇发酵罐悬浮污泥区9。
打开乙醇发酵罐搅拌机主轴10,控制其转速为40-60rpm,最佳转速为50rpm,使流入乙醇发酵罐7罐体内的酸性玉米秸秆混合液与乙醇发酵罐7罐体内悬浮污泥充分混合。
乙醇发酵罐7罐体内固体停留时间为1-4d,最佳固体停留时间为2d;乙醇发酵罐7罐体内pH值为4.0-5.0,最佳pH值为4.5;乙醇发酵罐7罐体内温度为27-32℃,最佳温度为30℃。
打开阀门i-12,乙醇发酵罐7罐体内产生的气体经乙醇发酵罐排气管i-11排出乙醇发酵罐7。
打开阀门iii-13,含有乙醇发酵罐罐体内悬浮污泥的酸性秸秆混合液经由管iv-14从乙醇发酵罐7流入调节池15。
打开调节池回流泵18和阀门iv-19,调节池15底部乙醇发酵沉降污泥区16的沉降污泥经由管v-17、管vi-20流入乙醇发酵罐7罐体内乙醇发酵罐悬浮污泥区9。调节池15污泥回流比为1:2-1:5,最佳污泥回流比为1:3。
关闭调节池回流泵18和阀门iv-19,打开污泥罐进料泵23和阀门vi-22,调节池15底部的沉降污泥经由管viii-21、管ix-24、污泥发酵罐布水器25流入设有污泥发酵罐保温层27的污泥发酵罐26罐体内污泥发酵罐悬浮污泥区31。
打开阀门vii-29,取自城市污水处理厂压滤后含固率为20%左右的城市污泥经由管x-28流入污泥发酵罐26罐体内污泥发酵罐悬浮污泥区31。
打开污泥发酵罐搅拌机主轴32,控制其转速为20-40rpm,最佳转速为30rpm,使流入污泥发酵罐26罐体内的调节池15底部的沉降污泥与城市污泥充分混合。
污泥发酵罐26罐体内的固体停留时间为20-26d,最佳水力停留时间为24d;污泥发酵罐26罐体内pH值为6.5-7.5,最佳pH值为7.0;污泥发酵罐26罐体内温度为35-40℃,最佳温度为37℃。
打开阀门v-34,污泥发酵罐26罐体内产生的气体经由污泥发酵罐排气管vii-33排出污泥发酵罐26。
打开阀门viii-36,污泥发酵罐26罐体内的悬浮污泥经管xi-35流入污泥池37。
打开污泥池回流泵39和阀门ix-41,污泥池37下部的污泥沉降区38的沉降污泥经由管xii-40、管xiii-42流入污泥发酵罐26罐体内污泥发酵罐悬浮污泥区31。污泥池37内污泥回流比为1:3-1:5,最佳污泥回流比为1:4。
关闭污泥池回流泵39和阀门ix-41,打开阀门x-44,污泥池37下部污泥沉降区38的沉降污泥经由管xiv-43排出污泥池37。
实施例1:
采用粉碎机将玉米秸秆机械截断成长度为30mm的片状玉米秸秆,再用球磨机将该片状玉米秸秆打磨成直径为3mm的颗粒状玉米秸秆。将该颗粒状玉米秸秆与水按照1g秸秆混合80mL水的比例混合,得到玉米秸秆混合液。采用纯度≥95%的工业级浓HCI溶液与水按比例为1:4混合,配制成4mol/L稀HCI溶液,并将配制好的稀HCl溶液加入上述玉米秸秆混合液,使其pH值为4.5。采用85℃恒温水浴对上述酸性玉米秸秆混合液进行为时2h的热预处理。热预处理后,将该酸性玉米秸秆混合液转移至进料池。采用有效容积为1L的完全混合式厌氧消化器作为乙醇型发酵罐,接种厌氧污泥800mL,污泥浓度为8g/L。采用有效容积为2L的完全混合式厌氧消化器作为污泥发酵罐,接种厌氧污泥1600mL,污泥浓度为30g/L。乙醇发酵罐的固体停留时间为2d,罐体内pH值为4.5,温度为30℃,搅拌速度为50rpm。调节池内污泥回流比为1:3。污泥发酵罐的固体停留时间为22d,罐体内pH值为7.0,温度为37℃,搅拌速度为30rpm。污泥池内污泥回流比为1:4。乙醇发酵罐乙醇产量占进料浓度的22%,污泥发酵罐内产甲烷速率达到223mL/VSS-d,相比常规厌氧共消化装置提高30%,污泥发酵罐内有机固体减量化达到43%,相比常规厌氧共消化装置提高9%。
实施例2:
采用粉碎机将玉米秸秆机械截断成长度为30mm的片状玉米秸秆,再用球磨机将该片状玉米秸秆打磨成直径为3mm的颗粒状玉米秸秆。将该颗粒状玉米秸秆与水按照1g秸秆混合80mL水的比例混合,得到玉米秸秆混合液。采用纯度≥95%的工业级浓HCI溶液与水按比例为1:4混合,配制成4mol/L稀HCI溶液,并将配制好的稀HCl溶液加入上述玉米秸秆混合液,使其pH值为4.5。采用85℃恒温水浴对上述酸性玉米秸秆混合液进行为时2h热预处理。热预处理后,将该酸性玉米秸秆混合液转移至进料池。采用有效容积为1L的完全混合式厌氧消化器作为乙醇型发酵罐,接种厌氧污泥800mL,污泥浓度为8g/L。采用有效容积为2L的完全混合式厌氧消化器作为污泥发酵罐,接种厌氧污泥1600mL,污泥浓度为25g/L。乙醇发酵罐的固体停留时间为3d,罐体内pH值为4.5,温度为30℃,搅拌速度为50rpm。调节池内污泥回流比为1:2。污泥发酵罐的固体停留时间为24d,罐体内pH值为7.0,温度为37℃,搅拌速度为30rpm。污泥池内污泥回流比为1:3。乙醇发酵罐乙醇产量占进料浓度的26%,污泥发酵罐内产甲烷速率达到219mL/VSS-d,相比常规厌氧共消化装置提高23%,污泥发酵罐内有机固体减量化达到41%,相比常规厌氧共消化装置提高7%。

Claims (1)

1.一种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化的工艺,该工艺中使用的装置设有乙醇发酵罐保温层(8)的乙醇发酵罐(7)罐体内为乙醇发酵罐悬浮污泥区(9),所述乙醇发酵罐悬浮污泥区(9)底部设有乙醇发酵罐布水器(6),乙醇发酵罐搅拌机主轴(10)穿过所述乙醇发酵罐(7)罐体的上盖伸入所述乙醇发酵罐悬浮污泥区(9),所述乙醇发酵罐(7)罐体的上盖设有带阀门i(12)的乙醇发酵罐排气管i(11);乙醇发酵罐进料泵(3)的一端经由管ii(2)插入进料池(1)而另一端经由管iii(4)、阀门ii(5)与所述乙醇发酵罐布水器(6)连接;设有下部为乙醇发酵沉降污泥区(16)的调节池(15),带有阀门iii(13)的管iv(14)一端连接乙醇发酵罐(7)罐体一侧的上方而另一侧连接所述调节池(15)的顶部;调节池回流泵(18)的一端经由管v(17)与调节池(15)下部的乙醇发酵沉降污泥区(16)连接而另一端经由阀门iv(19)、管vi(20)与所述乙醇发酵罐布水器(6)连接;设有污泥发酵罐保温层(27)的污泥发酵罐(26)罐体内为污泥发酵罐悬浮污泥区(31),该污泥发酵罐悬浮污泥区(31)底部设有污泥发酵罐布水器(25),污泥发酵罐搅拌机主轴(32)穿过污泥发酵罐(26)罐体上盖伸入所述污泥发酵罐悬浮污泥区(31),污泥发酵罐(26)罐体的上盖设有带阀门v(34)的污泥发酵罐排气管vii(33);污泥发酵罐(26)罐体的一侧设有城市污泥进料口(30),城市污泥由该城市污泥进料口(30)经阀门vii(29)、管x(28)与所述污泥发酵罐(26)罐体内的污泥发酵罐悬浮污泥区(31)连接;污泥发酵罐进料泵(23)的一端经由管viii(24)与所述污泥发酵罐布水器(25)连接而另一端经由管ix(21)、阀门vi(22)与所述调节池(15)下部的乙醇发酵沉降污泥区(16)连接;设有下部为污泥沉降区(38)的污泥池(37),带有阀门viii(36)的管xi(35)一端连接所述污泥发酵罐(26)罐体一侧的上方而另一侧连接污泥池(37)的顶部;污泥池回流泵(39)的一端经由管xii(40)与所述污泥池(37)下部的污泥沉降区(38)连接而另一端经由阀门ix(41)、管xiii(42)与污泥发酵罐布水器(25)连接;所述污泥池(37)的一侧设有带阀门x(44)的管xiv(43);
其特征在于:所述工艺,包括以下工序:
1)采用粉碎机将玉米秸秆机械截断成长度为20-50 mm的片状玉米秸秆;采用球磨机将该片状玉米秸秆打磨成直径为2-5 mm的颗粒状玉米秸秆;
2)将1)中打磨好的颗粒状玉米秸秆与水按1 g玉米秸秆与50-100 mL水的比例混合,得到玉米秸秆混合液;
3)采用纯度≥95%的工业级浓HCl溶液与水按比例为1:3-1:5混合,配制成2-4 mol/L稀HCl溶液,并将配制好的稀HCl溶液加入2)中玉米秸秆混合液,使其pH值为4.0-5.0;
4)采用恒温水浴对3)中酸性玉米秸秆混合液进行热预处理,恒温水浴温度为80-90℃,预处理时间为1-4 h;
5)热预处理后,将4)中酸性玉米秸秆混合液转移至进料池(1);
6)采用完全混合式厌氧消化器作为本工艺的乙醇发酵罐(7)和污泥发酵罐(26);
7)采用取自城市污泥处理厂的消化污泥回流液启动乙醇发酵罐(7),使乙醇发酵罐(7)罐体内的污泥浓度达到5-7 g/L;并采用取自城市污泥处理厂的消化污泥回流液启动污泥发酵罐(26),使污泥发酵罐(26)罐体内的污泥浓度达到20-40 g/L;
8)打开乙醇发酵罐进料泵(3)和阀门ii(5),酸性玉米秸秆混合液从进料池(1)经由管ii(2)、管iii(4)、乙醇发酵罐布水器(6)流入设有乙醇发酵罐保温层(8)的乙醇发酵罐(7)罐体内乙醇发酵罐悬浮污泥区(9);
9)打开乙醇发酵罐搅拌机主轴(10),控制其转速为40-60rpm,使流入乙醇发酵罐(7)罐体内的酸性玉米秸秆混合液与乙醇发酵罐(7)罐体内悬浮污泥充分混合;
10)乙醇发酵罐(7)罐体内固体停留时间为1-4 h;乙醇发酵罐(7)罐体内pH值为4.0-5.0;乙醇发酵罐(7)罐体内温度为27-32℃;
11)打开阀门i-12,乙醇发酵罐(7)罐体内产生的气体经乙醇发酵罐排气管i-11排出乙醇发酵罐(7);
12)打开阀门iii(13),含有乙醇发酵罐罐体内悬浮污泥的酸性秸秆混合液经由管iv(14)从乙醇发酵罐(7)流入调节池(15);
13)打开调节池回流泵(18)和阀门iv(19),调节池(15)底部乙醇发酵沉降污泥区(16)的沉降污泥经由管v(17)、管vi(20)流入乙醇发酵罐(7)罐体内乙醇发酵罐悬浮污泥区(9);调节池(15)污泥回流比为1:2-1:5;
14)关闭调节池回流泵(18)和阀门iv(19),打开污泥罐进料泵(23)和阀门vi(22),调节池(15)底部的沉降污泥经由管viii(21)、管ix(24)、污泥发酵罐布水器(25)流入设有污泥发酵罐保温层(27)的污泥发酵罐(26)罐体内污泥发酵罐悬浮污泥区(31);
15)打开阀门vii(29),取自城市污水处理厂压滤后含固率为20%左右的城市污泥经由管x(28)流入污泥发酵罐(26)罐体内污泥发酵罐悬浮污泥区(31);
16)打开污泥发酵罐搅拌机主轴(32),控制其转速为20-40 rpm,使流入污泥发酵罐(26)罐体内的调节池(15)底部的沉降污泥与城市污泥充分混合;
17)污泥发酵罐(26)罐体内的固体停留时间为20-26 d;污泥发酵罐(26)罐体内pH值为6.5-7.5;污泥发酵罐(26)罐体内温度为35-40℃;
18)打开阀门v(34),污泥发酵罐(26)罐体内产生的气体经由污泥发酵罐排气管vii(33)排出污泥发酵罐(26);
19)打开阀门viii(36),污泥发酵罐(26)罐体内的悬浮污泥经管xi(35)流入污泥池(37);
20)打开污泥池回流泵(39)和阀门ix(41),污泥池(37)下部的污泥沉降区(38)的沉降污泥经由管xii(40)、管xiii(42)流入污泥发酵罐(26)罐体内污泥发酵罐悬浮污泥区(31);污泥池(37)内污泥回流比为1:3-1:5;
21)关闭污泥池回流泵(39)和阀门ix(41),打开阀门x(44),污泥池(37)下部污泥沉降区(38)的沉降污泥经由管xiv(43)排出污泥池(37)。
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