CN110240375A - 一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法 - Google Patents

一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法其技术方案要点是：一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，包括如下步骤：步骤a：通过Zeta电位法测定剩余污泥的pI值；步骤b：利用酸液调节剩余污泥体系的pH值；步骤c：离心处理污泥，分别收集上清液和固态污泥；步骤d：利用碱液调节上清液pH值，分级沉淀回收金属，离心处理，分别收集金属沉积物和上部溶液；步骤e：上部溶液和软化水重新溶解固态污泥，直至TS为2～10％；步骤f：污泥移入醇化相反应器中，进行污泥醇化反应；步骤g：将反应结束后的污泥整体转移至产甲烷相反应器进行厌氧产甲烷。本发明通过等电点预处理的方法，促进污泥有机质转化为乙醇，提高单位有机质甲烷产量。

Description

一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法
技术领域
本发明涉及污泥处理领域，尤其涉及到一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法。
背景技术
当前，随着活性污泥法在城市污水处理厂的普及应用，大量的剩余污泥产生。据不完全统计，污泥的年产量已经超过4000万吨(以含水率80％计)，且以每年10％的速度增加。厌氧消化技术在减少污泥污染环境的同时回收能源，被认为是一种极具潜力的污泥处理技术。众所周知，污泥厌氧消化所需的周期长(30天以上)，单位有机质(VS)产生的甲烷产量低(180～220mL/g VS低于理论甲烷产量450～600mL/g VS)以及有机质的降解程度低(仅能去除30％～40％的VS)，极大的限制了污泥厌氧消化技术的推广应用。
研究发现，剩余污泥有机质的水解程度和污泥有机质的生物可降解性是限制污泥厌氧消化效率的关键因素，为了提高污泥厌氧消化效率，一方面，通过预处理污泥来提高污泥有机质的水解程度，如水热预处理、超声预处理、碱预处理、高压均相预处理等等。这些处理方法在一定程度上增加了污泥有机质的溶出，但针对不同的污泥却常常出现不同的处理效果甚至会产生更多的不易降解有机质。另一方面，通过改变微生物种群结构或者定向调控功能微生物促使污泥有机质厌氧消化产生更多的甲烷。如地杆菌和产甲烷菌互营共生能够促进直接种间电子传递(DIET)提高甲烷产量。
DIET是最新被发现的一种微生物互营机制，它与传统的“种间氢转移”或“种间甲酸转移”的本质区别在于，互营微生物之间的电子转移不依赖化学物质作为载体，而是通过微生物自身产生的导电性鞭毛、分泌的细胞色素或外源导电物质进行直接电子传递。目前已证实的地杆菌与产甲烷菌之间的直接电子传递都以乙醇为电子供体，在乙醇互营氧化产甲烷过程中，地杆菌氧化乙醇产生的电子通过导电性菌毛直接传递至产甲烷菌还原CO2产生甲烷，这个过程产生的中间产物乙酸由乙酸营养型产甲烷菌利用而产生甲烷。综上所述，利用预处理促进污泥中糖类、蛋白质、脂质等有机质向乙醇转化，定向调控并强化地杆菌与产甲烷菌的互营，对提高厌氧消化产甲烷效率具有极其重要的意义。
因此，我们有设计一种新的技术方案，以期提高剩余污泥厌氧消化效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，通过等电点预处理的方法，促进污泥有机质转化为乙醇，提高单位有机质甲烷产量，从而提高污泥厌氧消化效率。
本发明的上述技术目的是用过以下技术方案实现的：一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，包括如下步骤：
步骤a：通过Zeta电位法测定剩余污泥的等电点(pI值)；
步骤b：根据步骤a中测定的pI值，利用酸液(3～12mol/L)调节剩余污泥体系的pH值，使剩余污泥体系中的pH值调至与pI值一致，按600～1000r/min转速搅拌污泥3～5h；
步骤c：按8000～12000rpm转速离心处理污泥，分别收集上清液和固态污泥；
步骤d：利用碱液(1～6mol/L)调节步骤c中产生的上清液pH值，使上清液的pH值为4.0～11.0，根据金属氢氧化物溶度积分级沉淀回收金属，并按8000～12000rpm转速离心处理，分别收集金属沉积物和上部溶液；
步骤e：采用步骤d中产生的上部溶液和软化水重新溶解步骤c中的固态污泥，直至TS为2～10％，搅拌4～6h；
步骤f：将步骤e中TS为2～10％的污泥移入醇化相反应器中，并按1:2(VS计)加入酵母菌，进行污泥醇化反应；
步骤g：将步骤f中反应结束后的污泥整体转移至产甲烷相反应器，在30～40℃中温条件或50～60℃高温条件下通过搅拌的方式进行厌氧产甲烷。
本发明的进一步设置为：在步骤f中，通过醇化相反应器进行污泥醇化反应时，温度设定为5～35℃，反应时间为0.5～12h，pH为3.0～6.0。
本发明的进一步设置为：在步骤g中，通过甲烷相反应器进行厌氧产甲烷的反应时间为5～15d，pH为6.0～8.0。
本发明的进一步设置为：在步骤g中，甲烷相反应器内的温度条件为37℃，采用生物化学甲烷潜力测试仪自动记录数据，并计算单位有机质的甲烷产量。
本发明的进一步设置为：在步骤2中，所述的酸液为盐酸、硫酸或磷酸。
本发明的进一步设置为：在步骤d中，所述的碱液为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠或氢氧化钾。
本发明的进一步设置为：所述盐酸、硫酸或磷酸的浓度为6.0mol/L。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1)通过等电点预处理的方法，促进污泥有机质转化为乙醇，提高单位有机质甲烷产量，从而提高污泥厌氧消化效率；
2)确定了新的污泥厌氧消化预处理思路，利用等电点预处理的污泥环境，有利于污泥有机质产乙醇，以此富集地杆菌，从而强化污泥厌氧消化效率，提高单位有机质的甲烷产量；
3)在步骤b中加入6.0mol/L的盐酸，其主要作用为调节污泥体系到等电点，利用氢质子破坏多价态金属离子与污泥有机质间的相互作用，瓦解污泥半刚性结构，并促使多价态金属离子从污泥固相向液相转移；在步骤c中对等电点处的污泥进行离心处理，其主要作用是分离多价态金属离子和污泥有机质，促使更多污泥有机质保留在固态污泥中；在步骤d中利用碱液调节pH值并离心处理，其主要作用是去除上清液中大量多价态金属离子，同时，回收部分重金属；步骤(5)中利用软化水溶解固态污泥，其主要作用是更新污泥中固-液界面，同时，使污泥体系的pH值大于pI，污泥有机分子带有大量的去质子官能团，造成污泥有机分子暴露酶促反应结合位点；步骤f中设定的温度、反应时间、pH值，其主要目的是为酵母菌提供良好的生存环境，强化其利用污泥有机质转化产乙醇；步骤g中设定的温度、反应时间、pH值，其主要目的是为地杆菌和产甲烷菌提供良好的生存环境，强化地杆菌和产甲烷菌的互营代谢，促使污泥有机质的高效厌氧消化。
附图说明
图1是本发明方法的实施流程图；
图2是本发明中涉及到的主要金属氢氧化物溶解度对数图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一：一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，(如图1所示)具体包括如下步骤：
步骤a：通过Zeta电位法测定剩余污泥的等电点(pI值)；
步骤b：根据步骤a中测定的pI值，利用酸液调节剩余污泥体系的pH值到pI值，在20℃条件下按600～1000r/min转速搅拌3～5h，其中酸液可以为盐酸、硫酸、磷酸，浓度为6.0mol/L；
步骤c：按8000～12000r/min转速对步骤b中预处理的污泥进行离心处理，分别收集上清液和固态污泥；
步骤d：利用碱液调节步骤c中产生的上清液到某一特定pH值，同时按200～400r/min转速搅拌，其中碱液可以为6.0mol/L氢氧化钠溶液或1.0mol/L碳酸钠溶液，根据金属氢氧化物溶度积(如图2所示)分级沉淀回收金属，并按8000～12000r/min转速离心，分别收集金属沉积物和上部溶液；
步骤e：采用步骤d中的上部溶液和软化水，并按1:2比例重新溶解步骤c中的固态污泥至TS为2～10％，搅拌4～6h，其中软化水为为蒸馏水、去离子水或去除钙、镁、铝及铁等多价态金属离子的水；
步骤f：将步骤e中TS为2～10％的污泥移入醇化相反应器(温度设定为5～35℃，反应时间为0.5～12h，pH为3.0～6.0)并按1:2(VS计)加入酵母菌，进行污泥醇化反应；
步骤g：将步骤f中反应结束的污泥整体转移至产甲烷相反应器(反应时间为5～15d，pH为6.0～8.0)在30～40℃中温条件或50～60℃高温条件下进行厌氧消化产甲烷；并采用生物化学甲烷潜力测试仪(BMP，AMPTSⅡ)自动记录数据，并计算单位有机质的甲烷产量。
在步骤b中加入6.0mol/L的盐酸，其主要作用为调节污泥体系到等电点，利用氢质子破坏多价态金属离子与污泥有机质间的相互作用，瓦解污泥半刚性结构，并促使多价态金属离子从污泥固相向液相转移；在步骤c中对等电点处的污泥进行离心处理，其主要作用是分离多价态金属离子和污泥有机质，促使更多污泥有机质保留在固态污泥中；在步骤d中利用碱液调节pH值并离心处理，其主要作用是去除上清液中大量多价态金属离子，同时，回收部分重金属；步骤(5)中利用软化水溶解固态污泥，其主要作用是更新污泥中固-液界面，同时，使污泥体系的pH值大于pI，污泥有机分子带有大量的去质子官能团，造成污泥有机分子暴露酶促反应结合位点；步骤f中设定的温度、反应时间、pH值，其主要目的是为酵母菌提供良好的生存环境，强化其利用污泥有机质转化产乙醇；步骤g中设定的温度、反应时间、pH值，其主要目的是为地杆菌和产甲烷菌提供良好的生存环境，强化地杆菌和产甲烷菌的互营代谢，促使污泥有机质的高效厌氧消化。
应用例1，所使用的污泥(VS＝58.3％～71.4％，TS＝2.1～5.3％)，厌氧消化中的接种泥为半连续厌氧反应器排出污泥(VS＝37.5％～48.7％，TS＝2.6％～5.1％)：
1、取500mL剩余污泥，利用6mol/L盐酸调节pH值到等电点(pI＝3.2)，在20℃条件下按600r/min转速搅拌5h，之后按10000r/min转速对预处理后的污泥进行离心处理，分别收集上清液和固态污泥；
2、利用6mol/L氢氧化钠溶液分别调节上清液到pH＝4.0，6.0，8.0，10.0，12.0，同时，按200r/min转速搅拌，根据金属氢氧化物溶度积分级回收金属，并按8000r/min转速离心，分别收集金属沉积物和上部溶液；
3、采用上部溶液和软化水按1:2比例重新溶解1中的固态污泥至TS为5％，搅拌6h；
4、将TS为5％的污泥移入醇化相反应器(温度设定为20℃，反应时间为10h，pH为4.0)并按1:2(VS计)加入酵母菌，进行污泥醇化反应；
5、将反应结束的污泥整体转移至产甲烷相反应器(反应时间设定为15d，pH为7.0)在37℃中温条件下进行厌氧消化产甲烷，并采用生物化学甲烷潜力测试仪(BMP，AMPTSⅡ)自动记录数据，并计算单位有机质的甲烷产量。
结果显示，经该方法处理的污泥，污泥中重金属去除率约45％，单位有机质甲烷产量相对于活性污泥法增加25％～30％。
应用例2，所使用的污泥(VS＝58.3％～71.4％，TS＝2.1～5.3％)，厌氧消化中的接种泥为半连续厌氧反应器排出污泥(VS＝37.5％～48.7％，TS＝2.6％～5.1％)：
1、取500mL剩余污泥，利用6mol/L盐酸调节pH值到等电点(pI＝2.8)，在20℃条件下按700r/min转速搅拌4h，之后按10000r/min转速对预处理后的污泥进行离心处理，分别收集上清液和固态污泥；
2、利用6mol/L氢氧化钠溶液分别调节上清液到pH＝4.0，6.0，8.0，10.0，12.0，同时，按300r/min转速搅拌，根据金属氢氧化物溶度积(如附图2)分级回收金属，并按10000r/min转速离心，分别收集金属沉积物和上部溶液；
3、采用上部溶液和软化水按1:2比例重新溶解1中的固态污泥至TS为4％，搅拌6h；
4、将TS为4％的污泥移入醇化相反应器(温度设定为20℃，反应时间为8h，pH为4.0)并按1:2(VS计)加入酵母菌，进行污泥醇化反应；
5、将反应结束的污泥整体转移至产甲烷相反应器(反应时间设定为15d，pH为7.0)在37℃中温条件下进行厌氧消化产甲烷，并采用生物化学甲烷潜力测试仪(BMP，AMPTSⅡ)自动记录数据，并计算单位有机质的甲烷产量。
结果显示，经该方法处理的污泥，污泥中重金属去除率约52％，单位有机质甲烷产量相对于活性污泥法增加20％～30％。
应用例3，所使用的污泥(VS＝58.3％～71.4％，TS＝2.1～5.3％)，厌氧消化中的接种泥为半连续厌氧反应器排出污泥(VS＝37.5％～48.7％，TS＝2.6％～5.1％)：
1、取500mL剩余污泥，利用6mol/L盐酸调节pH值到等电点(pI＝3.4)，在20℃条件下按700r/min转速搅拌5h，之后按10000r/min转速对预处理后的污泥进行离心处理，分别收集上清液和固态污泥；
2、利用6mol/L氢氧化钠溶液分别调节上清液到pH＝4.0，6.0，8.0，10.0，12.0，同时，按300r/min转速搅拌，根据金属氢氧化物溶度积(如附图2)分级回收金属，并按10000r/min转速离心，分别收集金属沉积物和上部溶液；
3、采用上部溶液和软化水按1:2比例重新溶解1中的固态污泥至TS为3％，搅拌6h；
4、将TS为3％的污泥移入醇化相反应器(温度设定为20℃，反应时间为6h，pH为4.0)并按1:2(VS计)加入酵母菌，进行污泥醇化反应；
5、将反应结束的污泥整体转移至产甲烷相反应器(反应时间设定为15d，pH为7.0)在37℃中温条件下进行厌氧消化产甲烷，并采用生物化学甲烷潜力测试仪(BMP，AMPTSⅡ)自动记录数据，并计算单位有机质的甲烷产量。
结果显示，经该方法处理的污泥，污泥中重金属去除率约50％，单位有机质甲烷产量相对于活性污泥法增加30％～35％。
应用例4，所使用的污泥(VS＝58.3％～71.4％，TS＝2.1～5.3％)，厌氧消化中的接种泥为半连续厌氧反应器排出污泥(VS＝37.5％～48.7％，TS＝2.6％～5.1％)：
1、取500mL剩余污泥，利用6mol/L盐酸调节pH值到等电点(pI＝2.5)，在20℃条件下按800r/min转速搅拌4h，之后按10000r/min转速对预处理后的污泥进行离心处理，分别收集上清液和固态污泥；
2、利用6mol/L氢氧化钠溶液分别调节上清液到pH＝4.0，6.0，8.0，10.0，12.0，同时，按300r/min转速搅拌，根据金属氢氧化物溶度积(如附图2)分级回收金属，并按10000r/min转速离心，分别收集金属沉积物和上部溶液；
3、采用上部溶液和软化水按1:2比例重新溶解1中的固态污泥至TS为6％，搅拌6h；
4、将TS为6％的污泥移入醇化相反应器(温度设定为25℃，反应时间为11h，pH为3.5)并按1:2(VS计)加入酵母菌，进行污泥醇化反应；
5、将反应结束的污泥整体转移至产甲烷相反应器(反应时间设定为15d，pH为7.0)在37℃中温条件下进行厌氧消化产甲烷，并采用生物化学甲烷潜力测试仪(BMP，AMPTSⅡ)自动记录数据，并计算单位有机质的甲烷产量。
结果显示，经该方法处理的污泥，污泥中重金属去除率约54％，单位有机质甲烷产量相对于活性污泥法增加35％～40％。
应用例5，所使用的污泥(VS＝58.3％～71.4％，TS＝2.1～5.3％)，厌氧消化中的接种泥为半连续厌氧反应器排出污泥(VS＝37.5％～48.7％，TS＝2.6％～5.1％)：
1、取500mL剩余污泥，利用6mol/L盐酸调节pH值到等电点(pI＝4.1)，在20℃条件下按1000r/min转速搅拌4h，之后按10000r/min转速对预处理后的污泥进行离心处理，分别收集上清液和固态污泥；
2、利用6mol/L氢氧化钠溶液分别调节上清液到pH＝4.0，6.0，8.0，10.0，12.0，同时，按400r/min转速搅拌，根据金属氢氧化物溶度积(如附图2)分级回收金属，并按8000r/min转速离心，分别收集金属沉积物和上部溶液；
3、采用上部溶液和软化水按1:2比例重新溶解1中的固态污泥至TS为4％，搅拌5h；
4、将TS为4％的污泥移入醇化相反应器(温度设定为20℃，反应时间为6h，pH为5.0)并按1:2(VS计)加入酵母菌，进行污泥醇化反应；
5、将反应结束的污泥整体转移至产甲烷相反应器(反应时间设定为15d，pH为7.0)在37℃中温条件下进行厌氧消化产甲烷，并采用生物化学甲烷潜力测试仪(BMP，AMPTSⅡ)自动记录数据，并计算单位有机质的甲烷产量。
结果显示，经该方法处理的污泥，污泥中重金属去除率约47％，单位有机质甲烷产量相对于活性污泥法增加20％～25％。
应用例6，所使用的污泥(VS＝58.3％～71.4％，TS＝2.1～5.3％)，厌氧消化中的接种泥为半连续厌氧反应器排出污泥(VS＝37.5％～48.7％，TS＝2.6％～5.1％)：
1、取500mL剩余污泥，利用6mol/L盐酸调节pH值到等电点(pI＝3.0)，在20℃条件下按600r/min转速搅拌4h，之后按10000r/min转速对预处理后的污泥进行离心处理，分别收集上清液和固态污泥；
2、利用6mol/L氢氧化钠溶液分别调节上清液到pH＝4.0，6.0，8.0，10.0，12.0，同时，按300r/min转速搅拌，根据金属氢氧化物溶度积(如附图2)分级回收金属，并按10000r/min转速离心，分别收集金属沉积物和上部溶液；
3、采用上部溶液和软化水按1:2比例重新溶解1中的固态污泥至TS为8％，搅拌6h；
4、将TS为8％的污泥移入醇化相反应器(温度设定为20℃，反应时间为3h，pH为4.0)并按1:2(VS计)加入酵母菌，进行污泥醇化反应；
5、将反应结束的污泥整体转移至产甲烷相反应器(反应时间设定为15d，pH为7.0)在37℃中温条件下进行厌氧消化产甲烷，并采用生物化学甲烷潜力测试仪(BMP，AMPTSⅡ)自动记录数据，并计算单位有机质的甲烷产量。
结果显示，经该方法处理的污泥，污泥中重金属去除率约50％，单位有机质甲烷产量相对于活性污泥法增加30％～35％。
应用例7，所使用的污泥(VS＝58.3％～71.4％，TS＝2.1～5.3％)，厌氧消化中的接种泥为半连续厌氧反应器排出污泥(VS＝37.5％～48.7％，TS＝2.6％～5.1％)：
1、取500mL剩余污泥，利用6mol/L盐酸调节pH值到等电点(pI＝2.4)，在20℃条件下按800r/min转速搅拌5h，之后按10000r/min转速对预处理后的污泥进行离心处理，分别收集上清液和固态污泥；
2、利用6mol/L氢氧化钠溶液分别调节上清液到pH＝4.0，6.0，8.0，10.0，12.0，同时，按200r/min转速搅拌，根据金属氢氧化物溶度积(如附图2)分级回收金属，并按10000r/min转速离心，分别收集金属沉积物和上部溶液；
3、采用上部溶液和软化水按1:2比例重新溶解1中的固态污泥至TS为3％，搅拌6h；
4、将TS为3％的污泥移入醇化相反应器(温度设定为20℃，反应时间为5h，pH为3.5)并按1:2(VS计)加入酵母菌，进行污泥醇化反应；
5、将反应结束的污泥整体转移至产甲烷相反应器(反应时间设定为15d，pH为7.0)在37℃中温条件下进行厌氧消化产甲烷，并采用生物化学甲烷潜力测试仪(BMP，AMPTSⅡ)自动记录数据，并计算单位有机质的甲烷产量。
结果显示，经该方法处理的污泥，污泥中重金属去除率约56％，单位有机质甲烷产量相对于活性污泥法增加30％～38％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a：通过Zeta电位法测定剩余污泥的等电点(pI值)；
步骤b：根据步骤a中测定的pI值，利用酸液(3～12mol/L)调节剩余污泥体系的pH值，使剩余污泥体系中的pH值调至与pI值一致，按600～1000r/min转速搅拌污泥3～5h；
步骤c：按8000～12000rpm转速离心处理污泥，分别收集上清液和固态污泥；
步骤d：利用碱液(1～6mol/L)调节步骤c中产生的上清液pH值，使上清液的pH值为4.0～11.0，根据金属氢氧化物溶度积分级沉淀回收金属，并按8000～12000rpm转速离心处理，分别收集金属沉积物和上部溶液；
步骤e：采用步骤d中产生的上部溶液和软化水重新溶解步骤c中的固态污泥，直至TS为2～10％，搅拌4～6h；
步骤f：将步骤e中TS为2～10％的污泥移入醇化相反应器中，并按1:2(VS计)加入酵母菌，进行污泥醇化反应；
步骤g：将步骤f中反应结束后的污泥整体转移至产甲烷相反应器，在30～40℃中温条件或50～60℃高温条件下通过搅拌的方式进行厌氧产甲烷。
2.根据权利要求1所述的一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，其特征在于：在步骤f中，通过醇化相反应器进行污泥醇化反应时，温度设定为5～35℃，反应时间为0.5～12h，pH为3.0～6.0。
3.根据权利要求2所述的一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，其特征在于：在步骤g中，通过甲烷相反应器进行厌氧产甲烷的反应时间为5～15d，pH为6.0～8.0。
4.根据权利要求1所述的一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，其特征在于：在步骤g中，甲烷相反应器内的温度条件为37℃，采用生物化学甲烷潜力测试仪自动记录数据，并计算单位有机质的甲烷产量。
5.根据权利要求1至4任意一条权利要求所述的一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，其特征在于：在步骤2中，所述的酸液为盐酸、硫酸或磷酸。
6.根据权利要求5所述的一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，其特征在于：在步骤d中，所述的碱液为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠或氢氧化钾。
7.根据权利要求5所述的一种适用于剩余污泥厌氧消化的处理方法，其特征在于：所述盐酸、硫酸或磷酸的浓度为6.0mol/L。
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