CN109650689A - 一种高含固污泥的预处理及厌氧消化处理方法 - Google Patents

一种高含固污泥的预处理及厌氧消化处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高含固污泥的处理及厌氧消化处理方法，其特征在于，所述的高含固污泥处理方法为，对高含固污泥以餐厨油脂为添加剂进行热水解处理；所述的餐厨油脂具有如下指标：按体积比，所述的餐厨油脂含棕榈酸为26.5％～32.1％，油酸为24.1％～32.6％，亚油酸为5.3％～8.0％，硬脂酸为9.8％～10.5％，以及23.1％～28％的其他成分；导热系数在0.1953～0.2263W/(m·K)；厌氧消化甲烷产率为0.99L甲烷/g脂质；含固率为98.21％～98.71％；挥发性物质含量为97.89％～98.41％。本发明利用餐厨油脂良好的导热性能，促进高含固污泥细胞裂解，使得细胞内的大分子有机物释放并溶解，并且能使污泥絮体解体、内部及表面的EPS溶解，从而强化微生物对有机物的利用，提高消化效率。

Description

一种高含固污泥的预处理及厌氧消化处理方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种高含固污泥的预处理方法及厌氧消化处理方法。
背景技术
由于直接进行厌氧消化的效率都比较低，为了提高污泥的厌氧消化效率，通常在厌氧消化前需要对污泥进行预处理。
污泥热水解是污泥预处理的一种重要方法，即在一定的温度和压力下，将污泥在密闭的容器中进行加热，使污泥絮体的结构与性质发生一系列物理化学变化的过程。其中包括：1.微生物细胞结构破坏，其胞内结合水的释放使得污泥的脱水性能得到提高；2.污泥中的固态有机质经溶解和水解，其消化性能得到明显改善。使得厌氧消化效率提高，沼气产量增加。
研究表明，热水解技术主要用于改善污泥的脱水性能，进而提高污泥的厌氧消化性能。热水解预处理能使污泥细胞裂解，从而强化微生物对有机物的利用，提高消化效率，除此之外，热水解还可以去除病原体，改善脱水性能，减少消化罐体积。
在污泥的热水解预处理过程中，随着污泥含固率的增加，其导热系数会随之降低，传热效率降低，从而影响热水解效率；研究表明，当污泥含固率达到15％及以上时，污泥颗粒孔隙中可能存在空气，使得污泥导热能力减弱，进而影响高含固污泥热水解效率，使得厌氧消化过程的甲烷产量变低，最终影响污泥的厌氧消化效果。
发明内容
针对上述现有技术的不足与缺陷，本发明目的在于公开一种高含固污泥的预处理及厌氧消化处理方法，解决现有技术中随污泥含固率的增加导致的热水解效率降低和厌氧消化过程甲烷产量低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：
一种高含固污泥的预处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：制备混合污泥：
将餐厨油脂与高含固污泥均匀混合，得到混合污泥；
所述的餐厨油脂具有如下指标：
按体积比，所述的餐厨油脂含棕榈酸为26.5％～32.1％，油酸为24.1％～32.6％，亚油酸为5.3％～8.0％，硬脂酸为9.8％～10.5％，以及23.1％～28％的其他成分；
导热系数在0.1953～0.2263W/(m·K)；
厌氧消化甲烷产率为0.99L甲烷/g脂质；
含固率为98.21％～98.71％；
挥发性物质含量为97.89％～98.41％。
步骤二：热水解：
将混合污泥加热一段时间，然后冷却至室温，得到高含固热水解污泥。
所述的高含固污泥为取自城市污水处理厂的剩余污泥，所述的高含固污泥具有如下指标：
含固率为14.78％～15.32％；
挥发性物质含量为10.36％～10.78％；
总化学需氧量为159.49g/L～168.05g/L；
溶解性化学需氧量为0.89g/L～1.23g/L；
总碳水化合物为48.85g/L～49.59g/L；
溶解性碳水化合物为0.24g/L～0.32g/L；
总蛋白质63.02g/L～80.92g/L；
溶解性蛋白质0.21g/L～0.29g/L；
氨氮0.1g/L～0.14g/L。
步骤一中，所述的餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.2g油脂/g高含固污泥、0.4g油脂/g高含固污泥与0.6g油脂/g高含固污泥。
步骤二中，加热温度165℃，加热时间为30～150分钟。
一种厌氧消化处理方法，具体包括以下步骤：
步骤A：将高含固热水解污泥，置于4℃冰箱保存待用；
步骤B：接种泥与基质的比例按VS比为2：1，其中接种泥指连续运行200天以上的消化罐排泥，基质指上述高含固热水解污泥，加入去离子水待用；
步骤C：用氢氧化钠调初使pH为7.2；
步骤D：向步骤C中的混合污泥加入碳酸氢钠缓冲溶液，用100％氮气吹脱后密封；
步骤E：温度为35℃±1℃，持续时间30天，定期测量甲烷含量。
所述的高含固热水解污泥制备方法包括如下步骤：将餐厨油脂与高含固污泥均匀混合，得到混合污泥，将混合后的混合污泥加热，之后冷却至室温，得到高含固热水解污泥，加热温度165℃，加热时间为30～150分钟。
所述的餐厨油脂具有如下指标：
按体积比，所述的餐厨油脂含棕榈酸为26.5％～32.1％，油酸为24.1％～32.6％，亚油酸为5.3％～8.0％，硬脂酸为9.8％～10.5％，以及23.1％～28％的其他成分；
导热系数在0.1953～0.2263W/(m·K)；
厌氧消化甲烷产率为0.99L甲烷/g脂质；
含固率为98.21％～98.71％；
挥发性物质含量为97.89％～98.41％。
所述的高含固污泥为取自城市污水处理厂的剩余污泥，所述的高含固污泥具有如下指标：
含固率为14.78％～15.32％；
挥发性物质含量为10.36％～10.78％；
总化学需氧量为159.49g/L～168.05g/L；
溶解性化学需氧量为0.89g/L～1.23g/L；
总碳水化合物为48.85g/L～49.59g/L；
溶解性碳水化合物为0.24g/L～0.32g/L；
总蛋白质63.02g/L～80.92g/L；
溶解性蛋白质0.21g/L～0.29g/L；
氨氮0.1g/L～0.14g/L。
发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明利用餐厨油脂良好的导热性能，促进高含固污泥细胞裂解，使得细胞内的大分子有机物释放并溶解，并且能使污泥絮体解体、内部及表面的EPS溶解，从而强化微生物对有机物的利用，提高了污泥处理效果。
(Ⅱ)本发明的厌氧消化处理方法使用了经过热水解的高含固污泥，甲烷产量显著增加，提高了厌氧消化处理效果。
(Ⅲ)本发明可以平衡营养、改善碳氮比、稀释抑制性物质，克服高含固污泥单独厌氧消化过程中的氨抑制问题。
(Ⅳ)本发明所提供的添加剂，其主要成分是餐厨油脂，是一种有机废弃物，废物利用，有效降低处理成本。
(Ⅴ)本发明所提供的高含固污泥与餐厨油脂的最佳均匀混合比例，克服油脂浓度过高时，产生抑制，甲烷产量降低，停滞期时间延长等问题。
附图说明
图1是餐厨油脂与高含固污泥以不同比例混合进行热水解后SCOD浓度的变化。
图2是餐厨油脂与高含固污泥以不同比例混合进行热水解后溶解性碳水化合物浓度的变化。
图3是餐厨油脂与高含固污泥以不同比例混合进行热水解后溶解性蛋白质浓度的变化。
图4是餐厨油脂与高含固污泥以不同比例混合进行热水解后氨氮浓度的变化。
图5是餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.2g油脂/g高含固污泥下厌氧消化的累计甲烷产量。
图6是餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.4g油脂/g高含固污泥下厌氧消化的累计甲烷产量。
图7是餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.6g油脂/g高含固污泥下厌氧消化的累计甲烷产量。
图8是未添加餐厨油脂时高含固污泥厌氧消化的累计甲烷产量。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
遵从上述技术方案，本实施例中热水解装置由压力反应容器和加热设备组成。压力反应容器为圆柱形消解罐，反应罐的罐体采用不锈钢制成，内衬为聚四氟乙烯消解罐，其有效容积为200mL，工作温度<250℃、工作压力<3.0MPa。加热设备为数显恒温油浴锅，配置两套温度检测系统，加热介质为二甲基硅油。
将某牌火锅底料，加水至500ml后煮沸、冷却，分离上层油脂，该油脂在常温下为固态。
步骤一：制备混合污泥：
将餐厨油脂与高含固污泥均匀混合，混合比例为0.2g油脂/g高含固污泥，取17g餐厨油脂与83g高含固污泥均匀混合，得到100g混合样品；
或混合比例为0.4g油脂/g高含固污泥，取29g餐厨油脂与71g高含固污泥均匀混合，得到100g混合样品；
或混合比例为0.6g油脂/g高含固污泥，取38g餐厨油脂与62g高含固污泥均匀混合，得到100g混合样品；
步骤二：热水解：
取100g混合样品置于消解罐内放入恒温油浴锅，温度设置为165℃，分别计时30、60、90、120、150min。加热结束后将消解罐自然冷却至室温。
实施例2：
本实施例中热水解装置由压力反应容器和加热设备组成。压力反应容器与实施例1相同。
厌氧消化试验装置包括恒温振荡器和厌氧消化反应器。厌氧消化反应器包括反应瓶、集气瓶和气体体积测量瓶，采用排水集气法测定产气量。
将某牌火锅底料，加水至500ml后煮沸、冷却，分离上层油脂，该油脂在常温下为固态。
步骤一：制备混合污泥：
将餐厨油脂与高含固污泥均匀混合，混合比例为0.2g油脂/g高含固污泥，取17g餐厨油脂与83g高含固污泥均匀混合，得到100g混合样品；
步骤二：热水解：
取100g混合样品置于消解罐内放入恒温油浴锅，温度设置为165℃，分别计时30、60、90、120、150min。加热结束后将消解罐自然冷却至室温。
步骤三：厌氧消化：
将步骤二中得到的热水解污泥，置于4℃冰箱保存待用；
将接种泥与基质混合置于血清瓶中，加入去离子水稀释至50ml。接种泥与基质的比例按VS比为2：1，其中接种泥指连续运行200天以上的消化罐排泥，基质指上述热水解污泥；
用氢氧化钠调初使pH为7.2；
加入碳酸氢钠缓冲溶液，用100％氮气吹脱后密封血清瓶；
每个样品设置三个平行对照；
温度为35℃±1℃，持续时间30天，定期测量甲烷含量。
结合说明书附图1、2、3、4可得，添加油脂后，当餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.2g油脂/g高含固污泥，经过热水解，热水解时间为90min，其细胞中SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性蛋白质和氨氮的释放量均增加，SCOD增加了23.9±1.9％，溶解性碳水化合物增加了27.6±8.0％，溶解性蛋白质增加了20.0±2.1％，氨氮增加了1.5±0.2％。
结合说明书附图5可得，添加油脂后，当餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.2g油脂/g高含固污泥，甲烷产量增加，水解时间为90min时，最终累积甲烷产量为615～733mL/gVS。添加餐厨油脂后，产气延缓，此实施例中延滞期为2.75～9.46d。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，区别在于，本实施例中餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.4g油脂/g高含固污泥，取29g餐厨油脂与71g高含固污泥均匀混合，取100g混合样品进行试验。
结合说明书附图1、2、3、4可得，当餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.4g油脂/g高含固污泥，经过热水解，热水解时间为90min，其细胞中SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性蛋白质和氨氮的释放量显著增加，表明油脂可以加快传热，促进不溶态有机物的溶解。其中SCOD增加了31.9±5.1％，溶解性碳水化合物增加了35.7±2.1％，溶解性蛋白质增加了41.4±5.4％，氨氮增加了58.6±5.6％。
结合说明书附图6得，添加油脂后，当餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.4g油脂/g高含固污泥时，甲烷产量增加，水解时间为90min时，最终累积甲烷产量为725～886mL/gVS。添加油脂比例增大后，产气延缓，延滞期变长，此实施例中延滞期为7.24～12.80d。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，区别在于，本实施例中餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.6g油脂/g高含固污泥，取38g餐厨油脂与62g高含固污泥均匀混合，取100g混合样品进行试验。
结合说明书附图1、2、3、4可得，当餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.6g油脂/g高含固污泥，经过热水解，热水解时间为90min，其细胞中SCOD、溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质的释放量增加不明显，氨氮释放量继续增加，氨氮由58.6±5.6％增加到69.3±1.1％。
结合说明书附图7可得，添加油脂后，当餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.6g油脂/g高含固污泥时，甲烷产量增加量与餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.4g油脂/g高含固污泥时基本相同，水解时间为60min时，最终累积甲烷产量为857～886mL/gVS。虽然甲烷产量还有上升的趋势，但随着厌氧消化时间的延长，所需的能耗也会增加。随着添加油脂比例继续增大，产气延缓，延滞期更长，此实施例中延滞期为10.15～21.01d。
对比例1：
本对比例与实施例1基本相同，区别在于，本对比例不加入餐厨油脂。
结合说明书附图1、2、3、4可得，热水解时间对高含固污泥热水解效率的影响，测定了高含固污泥热水解前后的溶解态指标，表示不同热水解时间和餐厨油脂与高含固污泥混合比例对污泥的SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性蛋白质和氨氮均有影响。当热水解时间从0min增至90min时，污泥中的SCOD与溶解性碳水化合物增加较多，热水解时间从90min增至150min，SCOD基本不增加，溶解性碳水化合物反而降低，可能是一些溶解态的有机物进一步分解为挥发性脂肪酸(VFAs)。溶解性蛋白质的变化规律与SCOD和溶解性碳水化合物类似，在90min前增加较多，90min后基本不变。当热水解时间从0min增至90min，氨氮的增加量较多，再延长热水解时间，氨氮的增加不明显。
结合说明书附图8可得，未添加油脂时，当水解时间从0min增加至90min时，甲烷产量随之增加，水解时间为90min时，累积甲烷产量最大，为267mL/gVS。高含固污泥单独消化时，能立即产生甲烷，无延滞期。
结合图1、图2、图3和图4可得，添加餐厨油脂可以改善高含固污泥传热差的问题，促进高含固污泥中不溶态有机物的溶解和水解。污泥中溶解态物质的浓度随水解时间与油脂比例的增加先增加后趋于稳定，当水解时间为90min，油脂与污泥的质量比为0.4g油脂/g高含固污泥时，不溶态物质基本溶解。
结合图1、图2、图3和图4可得，餐厨油脂能促进热量传递，从而提高有机物的水解速率，当餐厨油脂与高含固污泥的质量比为0.2：1、0.4：1、0.6：1时，有机物的水解速率分别提高了23.6％、44.0％和63.0％。
结合图5可得当餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.2g油脂/g高含固污泥，相对于对比例1甲烷产量增加了2.3倍。
结合图6可得当餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.4g油脂/g高含固污泥，相对于对比例1甲烷产量增加了3.3倍。
结合图7可得当餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.6g油脂/g高含固污泥，相对于对比例1的甲烷产量与高含固污泥混合比例为0.4g油脂/g高含固污泥时基本相同。
结合图5、图6、图7和图8可得，以餐厨油脂作为添加剂，提高高含固污泥厌氧消化反应速率，可以显著增加甲烷产量。但需控制油脂的添加比例，避免延滞期过长。当水解时间为90min，餐厨油脂与高含固污泥的质量比为0.2g油脂/g高含固污泥时，甲烷产量较高，延滞期较短。因此，从经济适用的角度来看，建议水解时间为90min、餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.2g油脂/g高含固污泥为最适条件。

Claims (8)

1.一种高含固污泥的预处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：制备混合污泥：
将餐厨油脂与高含固污泥均匀混合，得到混合污泥；
所述的餐厨油脂具有如下指标：
按体积比，所述的餐厨油脂含棕榈酸为26.5％～32.1％，油酸为24.1％～32.6％，亚油酸为5.3％～8.0％，硬脂酸为9.8％～10.5％，以及23.1％～28％的其他成分；
导热系数在0.1953～0.2263W/(m·K)；
厌氧消化甲烷产率为0.99L甲烷/g脂质；
含固率为98.21％～98.71％；
挥发性物质含量为97.89％～98.41％；
步骤二：热水解：
将混合污泥加热一段时间，然后冷却至室温，得到高含固热水解污泥。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的高含固污泥为取自城市污水处理厂的剩余污泥，所述的高含固污泥具有如下指标：
含固率为14.78％～15.32％；
挥发性物质含量为10.36％～10.78％；
总化学需氧量为159.49g/L～168.05g/L；
溶解性化学需氧量为0.89g/L～1.23g/L；
总碳水化合物为48.85g/L～49.59g/L；
溶解性碳水化合物为0.24g/L～0.32g/L；
总蛋白质63.02g/L～80.92g/L；
溶解性蛋白质0.21g/L～0.29g/L；
氨氮0.1g/L～0.14g/L。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，所述的餐厨油脂与高含固污泥混合比例为0.2g油脂/g高含固污泥、0.4g油脂/g高含固污泥与0.6g油脂/g高含固污泥。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，加热温度165℃，加热时间为30～150分钟。
5.一种厌氧消化处理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤A：将高含固热水解污泥，置于4℃冰箱保存待用；
步骤B：接种泥与基质的比例按VS比为2：1，其中接种泥指连续运行200天以上的消化罐排泥，基质指上述高含固热水解污泥，加入去离子水待用；
步骤C：用氢氧化钠调初使pH为7.2；
步骤D：向步骤C中的混合污泥加入碳酸氢钠缓冲溶液，用100％氮气吹脱后密封；
步骤E：温度为35℃±1℃，持续时间30天，定期测量甲烷含量。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的高含固热水解污泥制备方法包括如下步骤：将餐厨油脂与高含固污泥均匀混合，得到混合污泥，将混合后的混合污泥加热，之后冷却至室温，得到高含固热水解污泥，加热温度165℃，加热时间为30～150分钟。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的餐厨油脂具有如下指标：
按体积比，所述的餐厨油脂含棕榈酸为26.5％～32.1％，油酸为24.1％～32.6％，亚油酸为5.3％～8.0％，硬脂酸为9.8％～10.5％，以及23.1％～28％的其他成分；
导热系数在0.1953～0.2263W/(m·K)；
厌氧消化甲烷产率为0.99L甲烷/g脂质；
含固率为98.21％～98.71％；
挥发性物质含量为97.89％～98.41％。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的高含固污泥为取自城市污水处理厂的剩余污泥，所述的高含固污泥具有如下指标：
含固率为14.78％～15.32％；
挥发性物质含量为10.36％～10.78％；
总化学需氧量为159.49g/L～168.05g/L；
溶解性化学需氧量为0.89g/L～1.23g/L；
总碳水化合物为48.85g/L～49.59g/L；
溶解性碳水化合物为0.24g/L～0.32g/L；
总蛋白质63.02g/L～80.92g/L；
溶解性蛋白质0.21g/L～0.29g/L；
氨氮0.1g/L～0.14g/L。
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