CN113149389A

CN113149389A - 可生化降解固体废弃物的处理方法

Info

Publication number: CN113149389A
Application number: CN202110317610.4A
Authority: CN
Inventors: 姜参参; 徐哲; 张伟; 杨凡; 张小寒; 周晓; 唐海龙; 徐圣君
Original assignee: Zhongke Huanze Shandong Ecological Environment Engineering Co ltd; Shenzhen Shenshui Water Resources Consulting Co ltd
Current assignee: Zhongke Huanze Shandong Ecological Environment Engineering Co ltd; Shenzhen Shenshui Water Resources Consulting Co ltd
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2041-03-23
Also published as: CN113149389B

Abstract

本公开实施例提供一种可生化降解固体废弃物的处理方法，包括提供负载纳米气泡的多孔材料；将多孔材料与待处理的可生化降解固体废弃物混合，进行预处理，得到预处理后的可生化降解固体废弃物；将预处理后的可生化降解固体废弃物与接种污泥混合，厌氧发酵。通过多孔材料负载的纳米气泡释放后产生的自由基与待处理的可生化降解固体废弃物中大分子复杂有机物的反应，使得大部分的难降解有机物得以降解，提高厌氧发酵后产甲烷量；配合多孔材料增强了厌氧发酵中相关微生物之间的电子传递效率，从而提高反应效率，进一步提升甲烷产量。通过纳米气泡释放后产生的自由基对细胞的强裂解作用，从而提升了抗性基因的降解效率。

Description

可生化降解固体废弃物的处理方法

技术领域

本说明书一个或多个实施例涉及厌氧发酵技术领域，尤其涉及一种可生化降解固体废弃物的处理方法。

背景技术

随着居民生活水平的提升，城镇化和畜禽养殖规模化工业化的发展越来越快，产生的可生化降解固体废弃物，如畜禽粪便、餐厨垃圾、制药工业废渣等也越来越多。另外，污水处理率不断升高的同时，处理污水所产生的剩余污泥也在不断的增加。这些可生化降解固体废弃物不但含有大量的有机物，还含有一些新型有机污染物，如抗生素抗性基因等。如不进行适当的处理，不仅会造成资源的浪费，还会对环境造成严重影响，并进一步危害人类健康。

目前，在处理可生化降解固体废弃物的技术中，多采用厌氧处理。但传统的厌氧处理存在降解效率差，降解不完全，不充分等问题。

发明内容

有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种可生化降解固体废弃物的处理方法，以现有技术中存在的问题。

基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种可生化降解固体废弃物的处理方法，包括：

提供负载纳米气泡的多孔材料；

将所述多孔材料与待处理的可生化降解固体废弃物混合，进行预处理，得到预处理后的可生化降解固体废弃物；

将预处理后的可生化降解固体废弃物与接种污泥混合，厌氧发酵。

在一些实施例中，所述可生化降解固体废弃物为剩余污泥，预处理后的剩余污泥的溶解氧浓度低于0.05mg/L。

在一些实施例中，所述厌氧发酵的时长为10～20d。

在一些实施例中，在所述预处理步骤中，所述多孔材料的浓度为1g/L- 50g/L或1g/kg-50g/kg。

在一些实施例中，所述纳米气泡的平均粒径为200～220nm；所述纳米气泡在水中释放后的平均浓度为1.1×10⁸particles/mL～1.5×10⁸particles/mL。

在一些实施例中，用于产生所述纳米气泡的气体选自氧气、氮气、空气和臭氧中的至少一种。

在一些实施例中，在所述预处理步骤中，预处理的时长为10～24h。

在一些实施例中，所述多孔材料的比表面积为5～10m²/g，平均孔径为 15～20nm,电导率为1～2Ds/m。

在一些实施例中，所述多孔材料选自沸石、硅藻土、活性炭、污泥基生物炭、秸秆生物炭和金属多孔材料中的至少一种。

在一些实施例中，所述提供负载纳米气泡的多孔材料具体包括：

提供多孔材料；

采用真空-增压法，使所述多孔材料负载纳米气泡。

从上面所述可以看出，本说明书实施例提供的可生化降解固体废弃物的处理方法通过提供负载纳米气泡的多孔材料；将所述多孔材料与待处理的可生化降解固体废弃物混合，进行预处理，得到预处理后的可生化降解固体废弃物；将预处理后的可生化降解固体废弃物与接种污泥混合，厌氧发酵。在预处理中，通过多孔材料负载的纳米气泡释放后产生的自由基与待处理的可生化降解固体废弃物中大分子复杂有机物的反应，使得大部分的难降解有机物得以降解，从而提高了厌氧发酵后产甲烷量；配合多孔材料增强了厌氧发酵中相关微生物之间的电子传递效率，从而提高反应效率，进一步提升甲烷产量。通过纳米气泡释放后产生的自由基对细胞的强裂解作用，使含有抗生素抗性基因的细胞DNA更易释放出来，被自由基和微生物降解，从而提升了抗性基因的降解效率。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书实施例的污泥基生物炭的电镜图；其中，左图为污泥基生物炭的整体图；右图为左图中方框处的放大图；

图2为本说明书实施例的可生化降解固体废弃物的处理方法的流程示意图；

图3为本说明书实施例的多孔材料的制备方法的示意图；

图4为本说明书实施例的可生化降解固体废弃物的处理方法示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

如背景技术部分所述，厌氧处理技术因其在固体废弃物减量、沼气回收和运行成本方面的优势，一直备受关注。

申请人在实现本公开的过程中发现，针对可生化降解固体废弃物的厌氧处理存在一些不足，限制了其进一步的推广应用，这些不足主要为降解效率差，对于难降解有机物和抗生素的抗性基因降解不彻底，不充分。主要包括以下几个：由于畜禽粪便、剩余污泥、餐厨垃圾等可生化降解的固体废弃物中所含的复杂大分子有机物分解困难，再加上发酵过程中间产物的抑制作用，产甲烷菌之间的电子传递效率较低等原因，导致传统厌氧发酵技术甲烷的产量较低；由于未对抗生素抗性基因的降解做专门的技术优化，导致传统厌氧发酵技术对抗性基因的降解效果较差。

申请人提出一种可生化降解固体废弃物的处理方法，通过制备负载纳米气泡的多孔材料，将负载纳米气泡的多孔材料预处理可生化降解固体废弃物，并与活性污泥进行厌氧发酵，能够实现可生化降解固体废弃物厌氧发酵过程中甲烷产量的大幅提升和抗生素抗性基因的高效降解。

请参阅图2，本发明实施例提供了可生化降解固体废弃物的处理方法，包括：

S100，提供负载纳米气泡的多孔材料；

S200，将所述多孔材料与待处理的可生化降解固体废弃物混合，进行预处理，得到预处理后的可生化降解固体废弃物；

S300，将预处理后的可生化降解固体废弃物与接种污泥混合，厌氧发酵。

本说明书一个或多个实施例中，步骤S100中，纳米气泡负载在所述多孔材料的表面。也即，所述多孔材料包括多孔材料和负载在所述多孔材料表面的纳米气泡。

本说明书一个或多个实施例中，所述提供负载纳米气泡的多孔材料具体包括：

提供多孔材料；

采用真空-增压法，使所述多孔材料负载纳米气泡。

本说明书一个或多个实施例中，所述多孔材料可以有两种来源，即自然多孔材料和人工制备的多孔材料。其中，自然多孔材料可以例如沸石和硅藻土等中的至少一种。人工制备的多孔材料可以例如活性炭、污泥基生物炭、秸秆生物炭、金属多孔材料、非金属多孔材料等。也即，所述多孔材料选自沸石、硅藻土、活性炭、污泥基生物炭、秸秆生物炭和金属多孔材料中的至少一种等。金属多孔材料可以例如泡沫铝、泡沫镍和氧化铝空心球等。非金属多孔材料可以例如石墨烯等。

本说明书一个或多个实施例中，所述多孔材料的比表面积为5～10m²/g，平均孔径为15～20nm,电导率为1～2Ds/m。其中，所述比表面积指的是BET 比表面积。

请参阅图3，本说明书一个或多个实施例中，当多孔材料为污泥基生物炭时，提供多孔材料具体包括：

S111，将污水厂脱水后的剩余污泥在室温下风干；

S112，将风干后的剩余污泥在管式炉中，氮气环境中，均匀升温，高温处理。制备所得的污泥基生物炭，如图1。

本说明书一个或多个实施例中，采用真空-增压法，使所述多孔材料负载纳米气泡具体包括：

对所述多孔材料多次循环处理，所述循环处理包括依次进行脱气处理和增压处理；其中，第一次循环中的增压处理的时长与最后一次的不同。

本说明书一个或多个实施例中，循环处理的次数可以为3次。每次所述循环处理中，脱气处理为在-0.06～-0.1MPa下对所述多孔材料脱气1～3h。增压处理为在0.1～0.14MPa下0.3～12.5h。可以通过通入用于产生所述纳米气泡的气体，使压力增加至0.1～0.14MPa后持续0.3～12.5h。

较佳地，第一次循环中的增压处理的时长与最后一次的不同。第一次循环中的增压处理的时长为0.3～0.7h；第二次循环中的增压处理的时长于第一次的可以相同。最后一次循环中的增压处理的时长为12～12.5h。通过设置不同的增压处理的时长，能够得到性能更优的多孔材料，使纳米气泡在水中释放后的平均浓度更大。

本说明书一个或多个实施例中，所述纳米气泡的平均粒径为200～220nm。

本说明书一个或多个实施例中，用于产生所述纳米气泡的气体可以选自氧气、氮气、空气和臭氧中的至少一种。

步骤S200中，所述多孔材料的浓度为1g/L-50g/L或1g/kg-50g/kg。也即，所述多孔材料的添加量为1g/L-50g/L或1g/kg-50g/kg。所述纳米气泡在水中释放后的平均浓度为1.1×10⁸particles/mL～1.5×10⁸particles/mL。预处理的时长为10～24h。

所述可生化降解固体废弃物为剩余污泥。预处理后的剩余污泥的溶解氧浓度低于0.05mg/L。

本说明书一个或多个实施例中，步骤S300中，所述厌氧发酵的时长为 10～20d。

本说明书一个或多个实施例中，接种污泥可取自运行稳定的厌氧反应器，亦可利用污水厂污泥在厌氧条件下自行驯化培养。该接种污泥中，含有能够进行厌氧发酵的有效菌种。应当说明的是，此处的接种污泥的制备方法和其中的具体的有效菌种的种类和浓度均为现有技术，本申请并不涉及对其的改进。

本发明实施例提供的可生化降解固体废弃物的处理方法，在预处理中，通过多孔材料表面负载的纳米气泡释放后产生的自由基与待处理的可生化降解固体废弃物中大分子复杂有机物的反应，使得大部分的难降解有机物得以降解，从而提高了厌氧发酵后产甲烷量；能够较大地降低直接使用纳米气泡时，纳米气泡的用量。配合多孔材料的加入，增强了厌氧发酵中相关微生物之间的电子传递效率，从而提高反应效率，进一步提升甲烷产量。同时通过纳米气泡释放后产生的自由基对细胞的强裂解作用，使含有抗生素抗性基因的细胞DNA更易释放出来，被自由基和微生物降解，从而提升了抗性基因的降解效率。

以下，通过具体的实施例进一步详细说明本公开的技术方案。

实施例1

如图4，多孔材料，污泥基生物炭的制备：用于制备生物炭的污泥来自于污水厂经螺旋脱水后的剩余污泥，含水量为80％左右。将上述脱水后的剩余污泥在室内自然风干后，放入管式炉制作生物炭。所选用的制作条件是：起始温度为30℃，升温速率为5℃/min，目标温度为500℃，在目标温度下维持2小时后，自然冷却到室温。整个制备过程中全程通入氮气以隔绝空气。污泥制物炭的产率为60％，制备得到的生物炭，BET表面积为7.5195m²/g，电导率为1.5Ds/m，平均孔径大小为18.9452nm。

多孔材料负载纳米气泡：选用真空-增压法制备，具体实施方法如下：将称量好的污泥基生物炭样品置于玻璃表面皿中再放入耐高压容器中，用真空泵在-0.08MPa压力下脱气2h，然后缓慢的向容器中通入氧气，达到0.12MPa 压力后保持4个小时，并重复此“真空脱气-增压吸附”循环过程3次，最后一次增压吸附过程保持12h以上以达到氧的吸附平衡，此样品即为负载好的样品。经此方法制备的纳米气泡的平均粒径为210.8±14.6nm，在水中释放后平均浓度为1.34×10⁸particles/mL。

可生化降解固体废弃物，污水处理厂剩余污泥的预处理：将2g制备好的新鲜的负载有氧纳米气泡的污泥基生物炭放入200mL的污水处理厂剩余污泥中，在常温(37℃)下搅拌24小时后，此时剩余污泥的溶解氧浓度低于 0.05mg/L，接近厌氧状态。

厌氧发酵：在产甲烷潜势系统中分别接入150mL的接种污泥和150mL 上述预处理后的剩余污泥，通入高纯氮5分钟以获得厌氧环境，在37±1℃的条件下厌氧发酵16天，每天测定甲烷产量。分别在厌氧发酵开始时和结束后，测定抗生素抗性基因的种类和丰度。

对比例1

与实施例1的区别仅在于，不包括步骤多孔材料，污泥基生物炭的制备和步骤多孔材料负载纳米气泡；在预处理过程中不使用负载有氧纳米气泡的污泥基生物炭，也即未加入任何添加剂。

对比例2

与实施例1的区别仅在于，不包括多孔材料负载纳米气泡的步骤，在预处理中，将负载了纳米气泡的多孔材料污泥基生物炭替换为未负载纳米气泡的多孔材料污泥基生物炭。

实施例2，及对比例1～2的甲烷产量，抗生素抗性基因的种类和丰度结果如表1所示。

	实施例2	对比例1	对比例2
				甲烷总量(ml/g VS)	145.44	24.85	35.11
抗生素抗性基因类别数量	102	114	112
				抗生素抗性基因相对丰度	0.16	0.22	0.20

由表1可以看出，通过采用负载了纳米气泡的污泥基生物炭对剩余污泥进行预处理，并接入种泥，厌氧发酵，实施例1的最终产甲烷量，相对于对比例1中的直接接种种泥进行厌氧发酵后，提高了4.86倍。相对于只添加污泥基生物炭的对比例2提高3.14倍。

在剩余污泥厌氧发酵实验中，抗生素抗性基因的检出类别数量相对于对比例1中下降了11.8％，相对于对比例2下降了9.80％。因此，使用本发明的方法可以实现可生化降解固体废弃物厌氧发酵过程中甲烷产量的大幅提升和抗生素抗性基因的高效降解。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例难以理解，在阐述了具体细节以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种可生化降解固体废弃物的处理方法，其特征在于，包括：

提供负载纳米气泡的多孔材料；

2.根据权利要求1所述的可生化降解固体废弃物的处理方法，其特征在于，所述可生化降解固体废弃物为剩余污泥，预处理后的剩余污泥的溶解氧浓度低于0.05mg/L。

3.根据权利要求1所述的可生化降解固体废弃物的处理方法，其特征在于，所述厌氧发酵的时长为10～20d。

4.根据权利要求1所述的可生化降解固体废弃物的处理方法，其特征在于，在预处理步骤中，所述多孔材料的浓度为1g/L～50g/L或1g/kg～50g/kg。

5.根据权利要求4所述的可生化降解固体废弃物的处理方法，其特征在于，所述纳米气泡的平均粒径为200～220nm；所述纳米气泡在水中释放后的平均浓度为1.1×10⁸particles/mL～1.5×10⁸particles/mL。

6.根据权利要求5所述的可生化降解固体废弃物的处理方法，其特征在于，用于产生所述纳米气泡的气体选自氧气、氮气、空气和臭氧中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的可生化降解固体废弃物的处理方法，其特征在于，在预处理步骤中，预处理的时长为10～24h。

8.根据权利要求1所述的可生化降解固体废弃物的处理方法，其特征在于，所述多孔材料的比表面积为5～10m²/g，平均孔径为15～20nm,电导率为1～2Ds/m。

9.根据权利要求8所述的可生化降解固体废弃物的处理方法，其特征在于，所述多孔材料选自沸石、硅藻土、活性炭、污泥基生物炭、秸秆生物炭和金属多孔材料中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的可生化降解固体废弃物的处理方法，其特征在于，所述提供负载纳米气泡的多孔材料具体包括：

提供多孔材料；

采用真空-增压法，使所述多孔材料负载纳米气泡。