CN112876012A - 一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境保护与资源回收领域，具体涉及一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法。本发明利用高电化学电位完成对污泥中病原微生物的短时杀灭，同时优化厌氧系统的电子传递过程；然后调节到满足厌氧消化的适宜pH范围，有利于产甲烷菌的生长与代谢过程；最后通过低电化学电位来富集功能电活性微生物，强化有机物分解与甲烷生成，提升了污泥厌氧消化的性能，同时实现了对污泥中病原微生物的持续有效杀灭。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护与资源回收领域，特别是涉及一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法。
背景技术
经济社会的快速发展带来资源的快速消耗，绿色可持续发展以及资源回收是全世界的研究热点。据研究报道，部分病原微生物能通过粪便传播，并可能在污水处理后进入污泥中富集，而同时污泥作为污水中生物质以及氮、磷等资源的“储存仓库”，兼具“污染”与“资源”双重属性。因此，如何实现污泥的无害化、卫生化处理以及资源化利用，是推进我国生态文明建设与社会可持续发展的重要议题。
目前，杀灭污泥中病原微生物的方法有物理法、化学法和生物法等，而考虑到污泥资源回收与土地利用的潜力，较为温和和经济性的处理方法更具有应用的价值。中国专利“一种污水处理厂污泥中病原微生物的削减方法”(CN201210038805.6)公开了一种利用微波预处理+厌氧消化+高压二氧化碳处理+蚯蚓堆肥削减污泥中病原微生物的方法，但流程复杂且经济性差；中国专利“一种电化学灭活污泥中病原微生物的方法”(CN201911384756.X)公开了一种利用电化学高级氧化技术处理污泥的方法，但无法保证污泥中病原微生物的持续有效杀灭，且未能实现污泥中资源物质的回收与利用。
因此，急需一种能杀灭污泥中病原微生物的同时回收资源和能源，实现污泥无害化处理与资源化处置的有效技术。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法，所述方法不仅可以持续有效杀灭污泥中病原微生物，而且提升了污泥厌氧消化的性能，实现了污泥无害化处理与资源化处置。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法，包括以下步骤：
(1)将污泥进行排氧处理；
(2)将所述步骤(1)中排氧处理后的污泥在高电化学电位下暴露；所述的高电化学电位为10～30V；
(3)将所述步骤(2)中在高电化学电位下暴露后的污泥调节pH值至6.5～7.5；
(4)将所述步骤(3)中调节pH值后的污泥在低电化学电位下暴露，同时进行厌氧消化；所述的低电化学电位为0.3～1.5V。
优选的，所述步骤(2)中在高电化学电位下暴露的时间为1～4h。
优选的，所述步骤(4)中厌氧消化的周期为15～35d；
所述厌氧消化的搅拌频率为每搅拌0.5～2min停1～8min，搅拌速率为80～150r/min。
优选的，所述步骤(4)中厌氧消化的温度为30～60℃。
优选的，所述步骤(1)中污泥包括污水处理过程得到的初沉泥、二沉泥和剩余污泥中的一种或多种。
优选的，所述步骤(1)中污泥的挥发性固体含量为总固体含量的40wt％以上。
优选的，所述步骤(2)中提供高电化学电位的设备、所述(4)中提供低电化学电位的设备包括阳极和阴极；
所述阳极包括铁电极或铂碳电极；
所述阴极包括石墨电极或铂电极。
优选的，所述步骤(1)中排氧处理的标准为：当排氧处理装置内的氧气含量≤1％时，停止处理；
所述排氧处理的方式包括充氮排氧。
优选的，所述步骤(3)中，调节pH值所用试剂包括盐酸、氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种。
优选的，所述病原微生物包括致病细菌、人体和动物病毒、原生动物和寄生虫中的一种或多种。
有益效果：
本发明提供了一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法，包括以下步骤：(1)将污泥进行排氧处理；(2)将所述步骤(1)中排氧处理后的污泥在高电化学电位下暴露；所述的高电化学电位为10～30V；(3)将所述步骤(2)中在高电化学电位下暴露后的污泥调节pH值至6.5～7.5；(4)将所述步骤(3)中调节pH值后的污泥在低电化学电位下暴露，同时进行厌氧消化；所述的低电化学电位为0.3～1.5V。本发明利用高电化学电位完成对污泥中病原微生物的短时杀灭，同时优化厌氧系统的电子传递过程；然后调节到满足厌氧消化的适宜pH值范围，有利于产甲烷菌的生长与代谢过程；同时通过低电化学电位来富集功能电活性微生物，强化有机物分解与甲烷生成，提升了污泥厌氧消化的性能，同时实现了对污泥中病原微生物的持续有效杀灭。
本发明施加高电化学电位消耗的电能可由厌氧消化产生的生物能来补充，且低电化学电位的施加带来的厌氧消化性能的提高远大于电能的消耗，具有明显的经济性优势与持续运行的稳定性。
本发明结合了电化学方法与生物方法双重杀灭病原微生物，在持续有效灭活的同时提升了污泥厌氧消化性能，实现了污泥的无害化处理与资源化处置。
本发明所述方法适用于多个不同温度的厌氧消化系统，适用范围广泛，技术效果明确，有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法，包括以下步骤：
(1)将污泥进行排氧处理；
(2)将所述步骤(1)中排氧处理后的污泥在高电化学电位下暴露；所述的高电化学电位为10～30V；
(3)将所述步骤(2)中在高电化学电位下暴露后的污泥调节pH值至6.5～7.5；
(4)将所述步骤(3)中调节pH值后的污泥在低电化学电位下暴露，同时进行厌氧消化；所述的低电化学电位为0.3～1.5V。
在本发明中，所述病原微生物优选包括致病细菌、人体和动物病毒、原生动物和寄生虫中的一种或多种。
本发明先将污泥进行排氧处理。在本发明中，所述污泥优选包括在污水处理过程中产生的初沉泥、二沉泥和剩余污泥中的一种或多种；所述污泥的挥发性固体含量优选为总固体含量的40％以上。本发明通过控制污泥的挥发性固体含量，从而提高了后续资源化利用的水平。
本发明所述排氧处理优选在设置有阳极和阴极的厌氧消化反应器内进行；所述阳极优选包括铁电极或铂碳电极，更优选为铁电极；所述阴极优选包括石墨电极或铂电极，更优选为铂电极；所述排氧处理的标准优选为：当排氧处理装置内的氧气含量≤1％时，停止处理；所述排氧处理的方式优选包括充氮排氧。本发明通过对反应器中氧气的去除，避免氧气在电化学过程中作为电子受体争夺电子，同时也为后续厌氧消化过程制造了厌氧环境，从而有利于厌氧微生物的生存代谢，进而提升了污泥厌氧消化的性能。
得到排氧处理的污泥后，本发明将所述污泥在高电化学电位下暴露；所述的高电化学电位为10～30V，优选为25～30V。在本发明中，所述高电化学电位下暴露的时间优选为1～4h，更优选为1～1.5h。本发明通过将污泥在适宜的高电化学电位下暴露适宜的时间，不仅可以使阳极发生污泥絮体的解离和对病原微生物的破坏，而且，高电化学电位在污泥体系中产生的羟基自由基对病原微生物有一定的杀灭作用；另外，高电化学电位还可以优化污泥体系的电子传递效果，从而优化了后续施加低电化学电位和厌氧消化的效果。
得到高电化学电位下暴露的污泥后，本发明将所述污泥的pH值调节至6.5～7.5，优选为7～7.4，更优选为7.2。本发明对调节所述pH值的方法并没有特殊限定，优选利用盐酸、氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种调节到适宜pH值即可。本发明通过调节系统的pH值，消除高电化学电位的施加带来体系pH值的波动的影响，为后续厌氧消化过程，尤其是产甲烷过程，创造适宜的pH条件。
得到调节pH值的污泥后，本发明将所述污泥在低电化学电位下暴露，同时进行厌氧消化；所述的低电化学电位为0.3～1.5V，优选为0.5～1V，更优选为0.6V。本发明将污泥在低化学电位下进行厌氧消化，可以刺激微生物的电活性，在阳极和阴极可分别富集出阳极微生物和阴极微生物，阳极促进有机物水解酸化，阴极促进二氧化碳还原，有效提高了污泥厌氧消化的效率。
在本发明中，所述厌氧消化的周期优选为15～35d，更优选为30～35d；所述厌氧消化的搅拌频率优选为每搅拌0.5～2min停1～8min，更优选为每搅拌1.5～2min停6～8min；所述厌氧消化的搅拌速率优选为80～150r/min，更优选为140～150r/min。本发明通过控制厌氧消化的周期、频率和搅拌速率，可以实现对病原微生物持续有效的杀灭，从而可以有效避免病原微生物的复活。
在本发明中，所述厌氧消化的温度优选为30～60℃，适用于低温30～40℃、中温42～47℃和高温50～60℃的厌氧消化系统，适用范围广泛，技术效果明确，有很好的应用前景。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法，由以下步骤组成：
(1)将上海某污水处理厂的剩余污泥(总固体含量为2.37％，挥发性固体含量为1.25％)进料至装有阳极和阴极的厌氧消化反应器中，阳极为铂碳电极，阴极为石墨电极，进行充氮排氧处理，反应器工作容积为10L，氮气流量为0.2Nm3/h，充氮时间为5min(反应器氧气含量为0.8％)；
(2)将步骤(1)中的污泥在高电化学电位下暴露，外加电压值为20V，施加时间为2h，进行病原微生物灭活和污泥电化学性能调理；
(3)利用1mol/L的盐酸将步骤(2)的污泥pH值调节至7.0；
(4)将步骤(3)的污泥在低电化学电位下暴露，外加电压值为1.0V，同时进行厌氧消化，厌氧消化周期为25d，每搅拌1min，停4min，搅拌速率为120r/min，厌氧消化温度为37℃。
经处理，污泥中粪大肠菌含量由8.0×105MPN/g TS下降至6.7×102MPN/g TS，沙门氏菌含量由6.1×104MPN/g TS下降至1.2×102MPN/g TS，蠕虫卵由1.1×103MPN/g TS下降至未检出，病原微生物得到了有效灭活。与此同时，污泥厌氧消化产气为380mL/g VS，有机物降解率达到61％，厌氧消化效果优秀。
实施例2
一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法，由以下步骤组成：
(1)将上海某污水处理厂的二沉池污泥(总固体含量为2.59％，挥发性固体含量为1.66％)进料至装有阳极和阴极的厌氧消化反应器中，阳极为铁电极，阴极为铂电极，进行充氮排氧处理，反应器工作容积为6L，氮气流量为0.4Nm3/h，充氮时间为2min(反应器氧气含量为0.6％)；
(2)将步骤(1)中的污泥在高电化学电位下暴露，外加电压值为30V，施加时间为1h，进行病原微生物灭活和污泥电化学性能调理；
(3)利用1mol/L的碳酸氢钠将步骤(2)的污泥pH值调节至7.2；
(4)将步骤(3)的污泥在低电化学电位下暴露，外加电压值为0.6V，同时进行厌氧消化，厌氧消化周期为35d，每搅拌2min，停8min，搅拌速率为150r/min，厌氧消化温度为55℃。
经处理，污泥中粪大肠菌含量由7.3×105MPN/g TS下降至1.1×102MPN/g TS，沙门氏菌含量由5.7×104MPN/g TS下降至0.7×102MPN/g TS，蠕虫卵由1.7×103MPN/g TS下降至未检出，病原微生物得到了有效灭活。与此同时，污泥厌氧消化产气为415mL/g VS，有机物降解率达到63％，厌氧消化效果优秀。
实施例3
一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法，由以下步骤组成：
(1)将上海某污水处理厂的剩余污泥(总固体含量为4.05％，挥发性固体含量为2.61％)进料至装有阳极和阴极的厌氧消化反应器中，阳极为铁电极，阴极为铂电极，进行充氮排氧处理，反应器工作容积为6L，氮气流量为0.3Nm3/h，充氮时间为2min(反应器氧气含量为1％)；
(2)将步骤(1)中的污泥在高电化学电位下暴露，外加电压值为10V，施加时间为4h，进行病原微生物灭活和污泥电化学性能调理；
(3)利用1mol/L的碳酸氢钠将步骤(2)的污泥pH值调节至6.5；
(4)将步骤(3)的污泥在低电化学电位下暴露，外加电压值为0.3V，同时进行厌氧消化，厌氧消化周期为35d，每搅拌0.5min，停1min，搅拌速率为80r/min，厌氧消化温度为30℃。
经处理，污泥中粪大肠菌含量由6.7×105MPN/g TS下降至1.0×102MPN/g TS，沙门氏菌含量由4.2×104MPN/g TS下降至0.8×102MPN/g TS，蠕虫卵由1.1×103MPN/g TS下降至未检出，病原微生物得到了有效灭活。与此同时，污泥厌氧消化产气为390mL/g VS，有机物降解率达到60％，厌氧消化效果优秀。
实施例4
一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法，由以下步骤组成：
(1)将上海某污水处理厂的二沉池污泥(总固体含量为2.82％，挥发性固体含量为1.49％)进料至装有阳极和阴极的厌氧消化反应器中，阳极为铁电极，阴极为铂电极，进行充氮排氧处理，反应器工作容积为6L，氮气流量为0.3Nm3/h，充氮时间为2min(反应器氧气含量为0.5％)；
(2)将步骤(1)中的污泥在高电化学电位下暴露，外加电压值为30V，施加时间为1h，进行病原微生物灭活和污泥电化学性能调理；
(3)利用1mol/L的碳酸氢钠将步骤(2)的污泥pH值调节至7.5；
(4)将步骤(3)的污泥在低电化学电位下暴露，外加电压值为1.5V，同时进行厌氧消化，厌氧消化周期为15d，每搅拌2min，停8min，搅拌速率为150r/min，厌氧消化温度为60℃。
经处理，污泥中粪大肠菌含量由7.9×105MPN/g TS下降至1.9×102MPN/g TS，沙门氏菌含量由5.1×104MPN/g TS下降至1.1×102MPN/g TS，蠕虫卵由1.5×103MPN/g TS下降至未检出，病原微生物得到了有效灭活。与此同时，污泥厌氧消化产气为375mL/g VS，有机物降解率达到61％，厌氧消化效果优秀。
对比例1
一种与实施例2相似的污泥处理方法，唯一区别在于，污泥未进行步骤(2)中的在高电化学电位下暴露的处理。
经处理，污泥中粪大肠菌含量由7.1×105MPN/g TS下降至7.5×102MPN/g TS，沙门氏菌含量由5.4×104MPN/g TS下降至3.5×102MPN/g TS，蠕虫卵由1.3×103MPN/g TS下降至0.1×102MPN/g TS，病原微生物灭活效果一般。与此同时，污泥厌氧消化产气为330mL/gVS，有机物降解率达到49％，厌氧消化效果一般。
由实施例2和对比例1的结果可以看出，本发明将污泥在适宜的高电化学电位下暴露适宜的时间，不仅可以有效杀灭污泥中的病原微生物，而且可以提高厌氧消化的效果。
对比例2
一种与实施例2相似的污泥处理方法，唯一区别在于，污泥未进行步骤(4)中的在低电化学电位下暴露的处理。
经处理，污泥中粪大肠菌含量由7.2×105MPN/g TS下降至6.1×102MPN/g TS，沙门氏菌含量由5.9×104MPN/g TS下降至3.0×102MPN/g TS，蠕虫卵由1.2×103MPN/g TS下降至0.1×102MPN/g TS，病原微生物灭活效果一般。与此同时，污泥厌氧消化产气为300mL/gVS，有机物降解率达到45％，厌氧消化效果较差。
由实施例2和对比例2的结果可以看出，本发明将污泥在低化学电位下进行厌氧消化，不仅可以使微生物的电活性得到刺激，在阳极和阴极可分别富集出阳极微生物和阴极微生物，阳极促进有机物水解酸化，阴极促进二氧化碳还原，有效提高了污泥厌氧消化的效率，而且配合高电化学电位下暴露处理可以实现对污泥中病原微生物持续有效杀灭。
对比例3
一种与实施例2相似的污泥处理方法，唯一区别在于，步骤(2)中的外加电压为35V。
经处理，污泥中粪大肠菌含量由7.6×105MPN/g TS下降至2.0×102MPN/g TS，沙门氏菌含量由5.0×104MPN/g TS下降至1.5×102MPN/g TS，蠕虫卵由1.1×103MPN/g TS下降至未检出，病原微生物得到了较有效的灭活。与此同时，污泥厌氧消化产气为295mL/gVS，有机物降解率达到43％，厌氧消化效果较差。
由实施例2和对比例3的实验结果可知，电压过高在提高能耗的同时并不能进一步提高杀菌效果，但可能会使污泥中有机物被电离分解成二氧化碳，同时使部分有机物生成更难降解的物质，减少了能用来厌氧消化产甲烷的有机物总量，从而降低污泥厌氧消化的效率。
对比例4
一种与实施例2相似的污泥处理方法，唯一区别在于，步骤(2)中的外加电压为5V。
经处理，污泥中粪大肠菌含量由7.8×105MPN/g TS下降至7.2×102MPN/g TS，沙门氏菌含量由5.2×104MPN/g TS下降至3.0×102MPN/g TS，蠕虫卵由1.2×103MPN/g TS下降至0.1×102MPN/g TS，病原微生物灭活效果一般。与此同时，污泥厌氧消化产气为330mL/gVS，有机物降解率达到49％，厌氧消化效果一般。
由实施例2和对比例4的实验结果可知，电压过低不仅不能有效杀灭污泥中的病原微生物，而且还会降低污泥厌氧消化的效率。
对比例5
一种与实施例2相似的污泥处理方法，唯一区别在于，步骤(4)中的外加电压为2V。
经处理，污泥中粪大肠菌含量由7.5×105MPN/g TS下降至1.3×102MPN/g TS，沙门氏菌含量由5.0×104MPN/g TS下降至1.2×102MPN/g TS，蠕虫卵由1.1×103MPN/g TS下降至未检出，病原微生物得到了较有效的灭活。与此同时，污泥厌氧消化产气为290mL/gVS，有机物降解率达到43％，厌氧消化效果较差。
由实施例2和对比例5的实验结果可知，外加低电压过高，不仅会使厌氧消化的氧化还原电位不利于产甲烷，而且产生的气体中混有氢气，不利于甲烷的提纯，从而降低污泥厌氧消化的效率。
对比例6
一种与实施例2相似的污泥处理方法，唯一区别在于，步骤(4)中的外加电压为0.2V。
经处理，污泥中粪大肠菌含量由7.1×105MPN/g TS下降至2.1×102MPN/g TS，沙门氏菌含量由5.3×104MPN/g TS下降至1.6×102MPN/g TS，蠕虫卵由1.2×103MPN/g TS下降至未检出，病原微生物得到了较有效的灭活。与此同时，污泥厌氧消化产气为308mL/gVS，有机物降解率达到45％，厌氧消化效果较差。
由实施例2和对比例5的实验结果可知，外加电压过低，由于系统存在一定的内阻，会使阳极和阴极的电势差较低，难以促进阳极有机物降解和阴极二氧化碳还原，从而降低污泥厌氧消化的效率。
由上述实施例和对比例记载的可知，采用本发明提供的方法，不仅可以实现对污泥中病原微生物的持续有效杀灭，而且提升了污泥厌氧消化性能。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种提升污泥厌氧消化性能同步杀灭病原微生物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将污泥进行排氧处理；
(2)将所述步骤(1)中排氧处理后的污泥在高电化学电位下暴露；所述的高电化学电位为10～30V；
(3)将所述步骤(2)中在高电化学电位下暴露后的污泥调节pH值至6.5～7.5；
(4)将所述步骤(3)中调节pH值后的污泥在低电化学电位下暴露，同时进行厌氧消化；所述的低电化学电位为0.3～1.5V。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中在高电化学电位下暴露的时间为1～4h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中厌氧消化的周期为15～35d；
所述厌氧消化的搅拌频率为每搅拌0.5～2min停1～8min，搅拌速率为80～150r/min。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中厌氧消化的温度为30～60℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中污泥包括污水处理过程得到的初沉泥、二沉泥和剩余污泥中的一种或多种。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中污泥的挥发性固体含量为总固体含量的40wt％以上。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中提供高电化学电位的设备、所述(4)中提供低电化学电位的设备包括阳极和阴极；
所述阳极包括铁电极或铂碳电极；
所述阴极包括石墨电极或铂电极。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中排氧处理的标准为：当排氧处理装置内的氧气含量≤1％时，停止处理；
所述排氧处理的方式包括充氮排氧。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，调节pH值所用试剂包括盐酸、氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述病原微生物包括致病细菌、人体和动物病毒、原生动物和寄生虫中的一种或多种。
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