CN113003909B - 一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，本发明涉及一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法。本发明是要解决现有厌氧消化剩余污泥水解预处理方法耗能高，药剂投入大且无法回收，综合成本高、效费比较低的问题，本发明方法为：采用阳离子交换树脂脱除高价阳离子以剥离剩余污泥胞外聚合物，同时耦合溶菌酶对剩余污泥的微生物细胞进行破壁溶胞强化其水解效果。本发明溶菌酶投量较低，不引入酸碱药剂，除混合搅拌外无需输入能量，不对后续微生物厌氧发酵产生负面影响，提高污泥水解后的底物浓度，强化发酵产酸效能，绿色环保，成本较低。本发明应用于剩余污泥厌氧发酵效能的预处理领域。

Description

一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法
技术领域
本发明涉及一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法。
背景技术
我国城镇污水厂每年产生大量的剩余污泥，剩余污泥中富含有机质，厌氧消化是应用最广泛的剩余污泥资源化的处理方法，不仅能够使污泥减量化和稳定化，同时可以获得短链脂肪酸(short-chainfattyacids，SCFAs)或沼气等资源物质，其中SCFAs是重要的资源产物，具有较高的利用价值。
厌氧水解阶段主要涉及剩余污泥胞外聚合物(Extracellularpolymericsubstances，EPS)破解和微生物细胞的溶胞裂解，是剩余污泥厌氧消化处理过程的关键限速步骤。剩余污泥絮体属于难降解不溶性的高分子复杂有机物聚集体，自身生物水解速率较慢，限制了厌氧发酵工艺的整体效能，有效的溶胞破壁作用，可促进SCFAs高效积累，提高污泥内碳源提取及回收效率，提升污泥厌氧发酵处理速率和效能。
现如今主要预处理方法包含热处理、超声处理等物理方法，酸碱处理、表面活性剂等化学方法和投加生物酶、微生物菌剂等生物方法。其中，物理方法一般需要输入大量能量，在资源和能量回收上得不偿失。化学方法需要投加大量酸、碱或表面活性剂，药剂投入成本增加的同时，会对后续厌氧生物发酵阶段产生一定的制约。投加生物水解酶、微生物菌剂的生物方法效果较好，其中投加溶菌酶可使细菌细胞壁水解，胞体破裂，进一步提高水解后溶解性有机物含量。但由于剩余污泥成分复杂，水解酶投加剂量大，菌剂投加后效果产生成本也居高不下，且在剩余污泥中的微生物在EPS的包裹阻碍下，溶菌酶分子难以到达细胞壁发挥水解作用，制约了生物方法的实际应用。
发明内容
本发明的目的是要解决现有厌氧消化剩余污泥水解预处理方法耗能高，药剂投入大且无法回收，综合成本高、效费比较低的问题，提供一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法。
本发明一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，是按以下步骤完成的：一、以0.25～3g/gTSS的投量向剩余污泥中投加Na+型阳离子交换树脂，搅拌，然后在密封状态、20～35℃条件下反应4～24h，得到混合物A；二、以50～150mg/gTSS的投量向混合物A中投加溶菌酶，搅拌，然后在密封状态、20～35℃条件下反应1～4h，得到混合物B；三、将混合物B过筛，然后进行厌氧发酵，即完成强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法。
本发明先以0.25～3g/gTSS的投量向剩余污泥中投加商用Na+型阳离子交换树脂，污泥液相中的溶解态高价阳离子(Ca2+，Mg2+，Fe3+，Zn2+等)通过离子交换作用被快速脱除。高价阳离子的脱除造成污泥液相中的高价阳离子缺失，污泥EPS中对大分子有机物起连接作用的高价阳离子随之脱除，促使EPS瓦解，进而导致污泥絮体解絮和有机物大量溶出。向混合物中投加溶菌酶，溶菌酶活性为20000U/mg，投量为50～150mg/gTSS，溶菌酶破坏革兰氏阳性菌细胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡萄糖之间的β-1,4糖苷键造成细胞壁水解，微生物在渗透压的作用下吸水溶胀破裂，胞内物质进一步释放到上清液中，为后续厌氧发酵提供底物。相较直接向污泥中投加溶菌酶，经上一步骤处理，剩余污泥EPS被剥离瓦解后，污泥中微生物细胞壁失去EPS的包裹和保护，溶菌酶更易与细胞壁接触并催化水解，因而可显著提高溶菌酶的溶菌效果并降低溶菌酶投量。相较直接投加溶菌酶成本更低，相较其他预处理方法可释放微生物胞内有机物和水解酶，提高水解效果，强化后续厌氧发酵产酸效能。经过处理后，过筛再转移至密闭厌氧发酵反应器中进行发酵，上清液中即溶解大量短链脂肪酸。其中筛网截留的阳离子交换树脂可在2mol/L的盐酸和NaCl溶液下进行清洗和恢复交换容量，容量恢复后可循环利用，可循环次数一般为5～10次，与实际处理的剩余污泥泥质和处理步骤有关。
本发明的优点：本发明通过脱除剩余污泥中的高价阳离子，瓦解EPS结构，促使污泥增溶，同时利于溶菌酶与细胞壁接触，发挥溶菌酶催化水解作用，使微生物溶胞裂解，释放胞内物质，为后续厌氧发酵产酸过程提供大量有机底物。本方法溶菌酶投量较低，不引入酸碱药剂，除混合搅拌外无需输入能量，不对后续微生物厌氧发酵产生负面影响，提高污泥水解后的底物浓度，强化发酵产酸效能，绿色环保，成本较低。
经过测算，使用本方法对剩余污泥进行处理后，在最优投加策略下，后续厌氧发酵所产短链脂肪酸折合COD浓度是空白组的231％，是中温热水解处理(80℃，10h)的162％，高温热水解处理(160℃，10h)的116％，是超声波处理(1.5W/ml，10h)的109％，是单独投加等量阳离子交换树脂处理10h的156％，是单独投加蛋白酶(100mg/gTSS，搅拌强度为200rpm，反应时间为10h)的167％，是单独投加等量溶菌酶处理10h的174％。本方法操作简便，处理过程不产生任何有毒有害物质，对后续厌氧发酵生物过程无负面影响。提高短链脂肪酸产量的同时可有效降低处理成本，强化厌氧发酵效能。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，是按以下步骤完成的：一、以0.25～3g/gTSS的投量向剩余污泥中投加Na+型阳离子交换树脂，搅拌，然后在密封状态、20～35℃条件下反应4～24h，得到混合物A；二、以50～150mg/gTSS的投量向混合物A中投加溶菌酶，搅拌，然后在密封状态、20～35℃条件下反应1～4h，得到混合物B；三、将混合物B过筛，然后进行厌氧发酵，即完成强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中Na+型阳离子交换树脂的直径为0.4～0.7mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中剩余污泥为市政污水处理厂二沉池剩余污泥，剩余污泥总固体浓度TSS为10～12g/L。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中的搅拌速度为50～400rpm。其他与具体实施方式一至三之一相同。
通过搅拌使剩余污泥和离子交换树脂完全混合不沉积。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中溶菌酶的活性为20000U/mg。其他与具体实施方式一至四之一相同。
若使用溶菌酶活性非20000U/mg，应按2×106U/gTSS的标准进行折算后投加。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中的搅拌速度为50～400rpm。其他与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中混合物B经50～100目筛网过筛。其他与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中发酵是在35℃下中温厌氧发酵2～6d或在55℃条件下高温厌氧发酵2～5d。其他与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中发酵是在35℃下中温厌氧发酵4d。其他与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中发酵是在55℃条件下高温厌氧发酵3d。其他与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤一中Na+型阳离子交换树脂投量为1.75g/gTSS。其他与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤一在密封状态、35℃条件下反应8h。其他与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤二中溶菌酶的投量为100mg/gTSS。其他与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：步骤二在密封状态、35℃条件下反应2h。其他与具体实施方式一至十三之一相同。
为验证本发明的有益效果进行了以下实验：
实施例1
一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，是按以下步骤完成的：一、以0.25～3g/gTSS的投量向剩余污泥中投加Na+型阳离子交换树脂，搅拌，然后在在厌氧封闭状态、20～35℃条件下反应4～24h，得到混合物A；二、以50～150mg/gTSS的投量向混合物A中投加溶菌酶，搅拌，然后在在厌氧封闭状态、20～35℃条件下反应1～4h，得到混合物B；三、将混合物B过筛，然后转移至厌氧发酵反应器进行发酵，即完成强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法。
剩余污泥浓度为10000±976mg/L，采用不同试验参数预处理剩余污泥后上清液COD和厌氧发酵后上清液SCFAs浓度如表1所示。
表1不同参数下处理效果
Figure BDA0003049062040000041
Figure BDA0003049062040000051
由表1可知，离子交换树脂投加量、投加后反应时间；溶菌酶投加量、投加后反应时间，这些参数对预处理效果，预处理后上清液COD浓度，厌氧发酵后SCFAs产量影响很大。因此后续对照试验采用以下参数继续进行：投加阳离子交换树脂1.75g/gTSS，搅拌强度为200rpm，反应时间8h，再投加溶菌酶，投量为100mg/gTSS，搅拌强度为200rpm，反应时间为2h。
实施例2、一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，是按以下步骤完成的：一、以1.75g/gTSS的投量向剩余污泥中投加Na+型阳离子交换树脂，树脂直径为0.7mm，磁力搅拌，搅拌速度为200rpm，然后在厌氧封闭状态、35℃条件下反应8h，得到混合物A；
二、以100mg/gTSS的投量向混合物A中投加溶菌酶，溶菌酶活性为20000U/mg，磁力搅拌，搅拌速度为200rpm，然后在厌氧封闭状态、35℃条件下反应2h，得到混合物B；反应后，上清液SCOD在14000mg/L以上。
三、将混合物B经50～100目筛网过筛后转移至厌氧发酵反应器后于35℃下中温厌氧发酵4d，上清液中即溶解大量短链脂肪酸，折合COD在8000mg/L(35℃)、10000mg/L(55℃)以上，主要成分为乙酸和丙酸，两者共占总SCFAs的约60％。
本实施例中剩余污泥为一般市政污水处理厂二沉池剩余污泥，剩余污泥总固体浓度TSS为10～12g/L，污泥TSS低于或高于10～12g/L时可分别沉淀浓缩或用污水稀释至上述浓度范围内，经10目以上筛网过筛后去除大颗粒砂石。采用Na+型阳离子交换树脂，且宜大于0.5mm方便后续过筛回收，本实施例的Na+型阳离子交换树脂购自浙江争光实业股份有限公司，树脂型号为001×7。离子交换树脂初次使用前应按生产厂家提供的清洗方式对树脂进行清洗活化；筛网截留的阳离子交换树脂可在2mol/L的盐酸和NaCl溶液下进行清洗和恢复交换容量(具体应按树脂生产厂家提供的清洗恢复方法操作)，容量恢复后可在本方法中循环利用。可循环次数一般为5～10次，与实际处理的剩余污泥泥质和处理步骤参数有关。
对照试验设置：采用不同方法预处理剩余污泥，然后分别进行中温厌氧发酵(35℃，4d)的SCFAs产量和实验室条件下相对成本估算(以本实施例成本为100％为标准，树脂循环次数为8次，最终实施后成本会由于药剂品类和燃料动力单价不同而与测算结果有所波动)。
对照试验中剩余污泥不同预处理方法为：
1.空白对照，不进行任何处理；
2.中温热水解处理：反应温度为80℃，反应时间为10h；
3.高温热水解处理：反应温度为160℃，反应时间为10h；
4.超声波处理：声波密度为：1500W/L，反应时间为10h；
5.单独投加阳离子交换树脂：投量为1.75g/gTSS，搅拌强度为200rpm，反应时间10h；
6.单独投加蛋白酶：投量为100mg/gTSS，搅拌强度为200rpm，反应时间为10h；
7.单独投加溶菌酶：投量为100mg/gTSS，搅拌强度为200rpm，反应时间为10h；
表2各处理方法处理效果与相对成本
Figure BDA0003049062040000061
由试验结果表2可知，后续厌氧发酵所产短链脂肪酸折合COD浓度是空白组的231％，是中温热水解处理(80℃，10h)的162％，高温热水解处理(160℃，10h)的116％，是超声波处理(1.5W/ml，10h)的109％，是单独投加等量阳离子交换树脂处理10h的156％，是单独投加蛋白酶(100mg/gTSS，搅拌强度为200rpm，反应时间为10h)的167％，是单独投加等量溶菌酶处理10h的174％。本方法操作简便，处理过程不产生任何有毒有害物质，对后续厌氧发酵生物过程无负面影响。提高短链脂肪酸产量的同时可有效降低处理成本，强化厌氧发酵效能。

Claims (5)

1.一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：一、以 1.75g/gTSS 的投量向剩余污泥中投加 Na+型阳离子交换树脂，以 200rpm 的速度搅拌，然后在密封状态、20~35℃条件下反应 8h，得到混合物 A；二、以 100mg/gTSS 的投量向混合物 A 中投加溶菌酶，以 200rpm 的速度搅拌，然后在密封状态、20~35℃条件下反应 2h，得到混合物 B；三、将混合物 B 过筛，然后在 55℃下高温厌氧发酵 3d，即完成强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法。
2.根据权利要求 1 所述的一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，其特征在于步骤一中 Na+型阳离子交换树脂的直径为 0.4~0.7mm。
3.根据权利要求 1 所述的一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，其特征在于步骤一中剩余污泥为市政污水处理厂二沉池剩余污泥，剩余污泥总固体浓度 TSS为10~12g/L。
4.根据权利要求 1 所述的一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，其特征在于步骤二中溶菌酶的活性为 20000U/mg。
5.根据权利要求 1 所述的一种强化剩余污泥厌氧发酵效能的联合预处理方法，其特征在于步骤三中混合物 B 经 50~100 目筛网过筛。
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