CN113307466A - 一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动的方法，属于固体废弃物资源化处理技术领域。本发明方法包括以下步骤：(1)污水处理厂剩余污泥经沉淀浓缩工艺得到浓缩污泥；(2)浓缩污泥经过热碱预处理工艺得到改性污泥；(3)改性污泥添加活性炭材料经吸附解毒后得到脱毒污泥；(4)将获得的脱毒污泥用于厌氧消化系统运行产甲烷。本方法首次联合污泥热预处理工艺和吸附脱毒处理工艺，明显缩短了剩余污泥厌氧消化产甲烷系统的启动周期，有利于实现城市剩余污泥的减量化处理及能源回收。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化处理技术领域，具体涉及一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动的方法。
背景技术
剩余污泥是传统污水处理过程中不可避免的副产物。我国经济体量的增长和城市化进程的加快催动了污水处理水平的快速提高，这也必然带动我国剩余污泥产量的快速增加。据统计，我国剩余污泥年产量至2017年超过4000万吨，2020年产量将突破6000万吨。剩余污泥处理公认的难题是其成分复杂，处理难度大、成本高，大量的剩余污泥已经成为限制我国污水发展及影响公共环境安全的重要因素。因此在充分考虑当地实际情况和经济效益等的基础上对剩余污泥进行安全、经济、有效的处理处置具有十分重要的现实意义。
污泥厌氧消化处理又称污泥厌氧生物稳定过程，相比之下该工艺具有其他处理方式不可比拟的优势：(1)厌氧条件相对较容易控制，不需要鼓风、曝气等额外工序，节约运行耗能，处理设施相对简单，投资成本相对较低；(2)厌氧消化过程能够降解机物的同时对污泥中病原微生物等形成杀灭作用，实现剩余污泥的减量化、稳定化和无害化的组合处理；(3)消化工艺可通过回收甲烷、有机酸等能量物质以及沼渣土地农用等形式实现资源回收。因此，污泥厌氧消化处理被认为是目前唯一一种能量产出为正的污泥处理方法，通过厌氧消化过程中能源的回收及转化并回馈到其他处理工段，将有望实现污水处理工艺的能量自给自足。
然而，受限制于剩余污泥厌氧消化反应慢，传统的污泥厌氧消化系统启动周期较长(低温或者冬季运行启动周期将进一步延长)，且存在启动过程不稳定(易酸化)，启动过程中甲烷产率及有机物去除率低等问题，严重影响剩余污泥的资源回收效率。预处理技术被认为是能够解除剩余污泥水解阶段的限制，因此常被用于提升厌氧消化效率。适用于污泥厌氧消化处理预处理技术包括超声波处理(中国发明专利，申请号20071063132.9)、辐射处理(中国发明专利，申请号200410014082.1)、化学氧化剂处理(中国发明专利，申请号201110169395.4)、电化学氧化处理(201010266174.4)联合处理(中国发明专利，申请号201711216538.6；申请号201110326906；申请号200910052495.1)等，此外还包括添加剂强化技术(中国发明专利，申请号201310175120.0)等。在众多预处理技术中热预处理技术(包括热化学联合预处理技术)对于污泥厌氧消化效率的促进效果得到了广泛认可，如挪威的Cambi THPTM以及法国的ExelysTM等热水解预处理技术已经在国内外剩余污泥处理处置过程中得到了商业化推广和应用。然而，热预处理过程引起污泥中有机质的转化对后续厌氧消化过程的影响机制仍不清楚，不同底物所对应的热预处理方法和污泥厌氧消化策略各不相同，所产生的效果也存在显著差异。
发明内容
针对现有技术存在的问题与不足，本发明的目的在于提供一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动的方法，通过耦合污泥热碱预处理过程与活性炭吸附处理过程，二者相互配合，实现剩余污泥厌氧消化产甲烷系统启动过程的进一步加速，提升剩余污泥厌氧消化过程资源回收效率。
本发明的技术方案主要包括以下具体步骤：
(1)污水处理厂剩余污泥经沉淀浓缩工艺得到浓缩污泥；
(2)将步骤(1)所得的浓缩污泥进行热碱预处理，得到改性污泥；
(3)在步骤(2)所得的改性污泥中添加活性炭材料，混合均匀后得到脱毒污泥，
(4)将步骤(3)所得的脱毒污泥置于厌氧消化设备中，进行污泥厌氧消化。
所述的一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动及其制备方法，步骤(1)污水处理厂剩余污泥经浓缩工艺得到浓缩污泥，具体为剩余污泥静置沉淀24-48h后取出上部澄清液体后取出底部浓缩污泥，过滤去除大颗粒砂砾等不溶性杂质后加水调整浓缩污泥总固体含量为2％ -6％(w/w)。
所述的一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动的方法，步骤(2)浓缩污泥经过热碱预处理工艺得到改性污泥，具体为首先使用强碱溶液调节浓缩污泥pH值至10.0-12.0，然后对碱性污泥进行加热处理，最后对热碱预处理后的污泥降温并回调pH至6.0-8.0；
所述的一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动的方法，步骤(2)使用强碱溶液调节浓缩污泥pH值至10.0-12.0，具体为边搅拌边在剩余污泥中加入浓度为5-10mol/L的氢氧化钠溶液或者氢氧化钙溶液至pH值至10.0-12.0；持续搅拌5-10min后继续加入氢氧化钠溶液或者氢氧化钙溶液至pH值至10.0-12.0；室温静置5-10min后继续加入氢氧化钠溶液或者氢氧化钙溶液至pH值至10.0-12.0，维持剩余污泥pH值稳定在10.0-12.0。
所述的一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动的方法，步骤(2)对碱性污泥进行加热处理，具体为加热处理温度为90-120℃，处理时间为1-2h。
所述的一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动的方法，步骤(2)热碱预处理后的污泥降温并回调pH至6.0-8.0，具体为向剩余污泥中加水回调至原体积并降温至30-40℃，然后边搅拌利用7mol/L盐酸回调剩余污泥最终pH值稳定至6.0-8.0。
所述的一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动的方法，步骤(3)活性炭材料具体为粒径小于0.25mm(过60目筛)，比表面积为1000m2/g。
所述的一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动的方法，步骤(3)改性污泥添加活性炭材料经吸附解毒并物料混合均匀具体为添加10％(w/v)的颗粒活性炭，控制污泥温度在 30-40℃，持续搅拌15-30min至物料充分混合均匀，搅拌转速为80-120rpm。
所述的一种加速热碱预处理污泥厌氧消化系统启动及其制备方法，步骤(4)启动厌氧消化反应具体为采用连续搅拌的运行方式，搅拌转速为80-120rpm，运行温度控制为16-24℃、 30-40℃或50-60℃，厌氧消化产生沼气于反应器顶部收集。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明方案针对剩余污泥经热预处理后的有机物组成变化特点，利用颗粒活性炭对有机污染物超强的吸附固定特性，对热预处理污泥中产生的酚类等杂环类生物毒性物质进行吸附去除。气相色谱-质谱联用分析结果表明经活性炭处理后污泥中有机物组分中酚类物质的去除率达到66.9％以上，杂环类物质去除率接近100％，实现了热预处理污泥的脱毒处理。操作过程简单易行，方便高效。
2、本发明方案首次通过耦合热预处理过程和活性炭脱毒处理过程在实现了大幅提升剩余污泥中大分子有机组分水解效果的同时有效避免了热预处理过程产生的酚类等生物毒性物质对厌氧消化功能微生物的生理抑制作用，提升了厌氧微生物对热预处理剩余污泥的底物适应性，进而有效缩短了剩余污泥厌氧消化系统启动周期。结果表明以脱毒预处理污泥为底物时能明显缩短厌氧消化系统产甲烷启动期，具体为在中温厌氧消化(30-40℃)条件下脱毒预处理组产甲烷延滞期较预处理组缩短了30.6％，较未预处理组缩短了70.2％。
3、本发明探究了剩余污泥热预处理对后续厌氧消化过程是否存在负面影响。发现剩余污泥经过热预处理过程后会产生酚类等杂环类毒性物质，进而会对厌氧消化过程中关键功能微生物(如产甲烷菌)形成明显的抑制作用，进而造成厌氧消化产甲烷过程滞后、启动周期延长以及产甲烷效率降低等问题。所以，本发明通过添加活性炭引入吸附脱毒过程减弱了热碱处理污泥中毒性物质对厌氧微生物的抑制作用，缩短厌氧消化过程中功能微生物适应时间，进而起到加速剩余污泥厌氧消化产甲烷的作用，明显缩短热预处理污泥厌氧消化产甲烷系统的启动时间。
附图说明
图1为本方案的工艺流程示意图；
图2为实施例1中以脱毒预处理污泥为底物的甲烷累积产量图；
图3为实施例2中以脱毒污泥水解液为底物的甲烷累积产量图；
图4为实施例3中以脱毒预处理污泥为底物的甲烷累积产量图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中所用原料都可以通过市售获得，实施例中剩余污泥取自无锡市硕放污水处理厂浓缩沉淀池单元和板框压滤脱水单元。
分析指标：总固体含量(TS)表示单位重量样品在105℃条件下烘干4h后剩余的固体物质重量相对处理前污泥重量的占比(w/w，％)；含水率代表样品中水分的含量(w/w，％)；预处理污泥中有机物组分分析利用气相色谱-质谱联用方法测定。产甲烷启动期是指厌氧消化系统从运行启动到达的到最大产甲烷速率所需时间，具体为利用Gompertz模型对厌氧消化系统产甲烷情况进行模型拟合得到的产甲烷延滞期。
实施例1
本实施例的工艺流程，参见图1。
取污水处理厂浓缩沉淀池出泥，调整浓缩污泥的TS为4％(w/w)。边搅拌边在剩余污泥中加入浓度为10mol/L的氢氧化钠溶液调整pH值至10.0-12.0；持续搅拌5-10min
后继续加入氢氧化钠溶液至pH值至10.0-12.0；室温静置5-10min后继续加入氢氧化钠溶液至pH值至10.0-12.0，维持剩余污泥pH值最终稳定在11.0。
将剩余污泥转移至密封容器内加热温度至105℃，保温2h后室温冷却至30-40℃，然后边搅拌利用7mol/L盐酸回调剩余污泥最终pH值稳定至6.0-8.0。
加入10％(w/v)颗粒活性炭(过60目筛，比表面积为1000m2/g)并控制污泥温度在30- 40℃，保持转速为80-120rpm持续搅拌15-30min至物料充分混合均匀。
将脱毒预处理污泥转移到密封厌氧消化设备内，运行温度设置为16-24℃，利用搅拌电机维持连续搅拌运行模式，搅拌转速设定在120rpm，厌氧消化设备顶部收集沼气。
采用如上所述方法，脱毒预处理污泥厌氧消化系统产甲烷启动时间较预处理组缩短了 19.3％，较未预处理组缩短了68.7％(参见图2)，有效缩短了剩余污泥厌氧消化系统运行周期。
实施例2
本实施例的工艺流程，参见图1。
取污水处理厂板框压滤脱水污泥(TS＝15.6％,w/w)，加水调整剩余污泥的TS为5％ (w/w)。边搅拌边在剩余污泥中加入浓度为10mol/L的氢氧化钠溶液调整pH值至10.0-12.0；持续搅拌5-10min后继续加入氢氧化钠溶液至pH值至10.0-12.0；室温静置5-10 min后继续加入氢氧化钠溶液至pH值至10.0-12.0，维持剩余污泥pH值最终稳定在10.5。
将剩余污泥转移至密封容器内加热温度至105℃，保温2h后冷却至30-40℃，然后边搅拌利用7mol/L盐酸回调剩余污泥最终pH值稳定至6.0-8.0。利用离心脱水方式对预处理污泥进行固液分离得到污泥水解液用于下一步厌氧消化。
于污泥水解液中加入10％(w/v)颗粒活性炭(过60目筛，比表面积为1000m2/g)并控制水解液温度在30-40℃，保持转速为80-120rpm持续搅拌15-20min至物料充分混合均匀。
将脱毒后水解液转移到密封厌氧消化设备内运行温度设置为30-40℃，利用搅拌电机维持连续搅拌运行模式，搅拌转速设定在120rpm，厌氧消化设备顶部收集沼气。
采用如上所述方法，脱毒污泥水解液厌氧消化系统产甲烷启动时间较未脱毒水解液组缩短了35.6％，较未预处理组缩短了69.4％(参见图3)，有效缩短了剩余污泥厌氧消化系统运行周期。
实施例3
本实施例的工艺流程，参见图1。
取污水处理厂浓缩池出泥，加水调整剩余污泥的TS为4％(w/w)。边搅拌边在剩余污泥中加入浓度为10mol/L的氢氧化钠溶液调整pH值至10.0-12.0；持续搅拌5-10min后继续加入氢氧化钠溶液至pH值至10.0-12.0；室温静置5-10min后继续加入氢氧化钠溶液至pH值至10.0-12.0，维持剩余污泥pH值最终稳定在10.8。
将剩余污泥转移至密封容器内加热温度至105℃，保温2h后冷却至30-40℃，然后边搅拌利用7mol/L盐酸回调剩余污泥最终pH值稳定至6.0-8.0。
加入10％(w/v)颗粒活性炭(过60目筛，比表面积为1000m2/g)并控制水解液温度在 30-40℃，保持转速为80-120rpm持续搅拌15-20min至物料充分混合均匀。
将脱毒后预处理污泥转移到密封厌氧消化设备内，运行温度设置50-60℃)，利用搅拌电机维持连续搅拌运行模式，搅拌转速设定在120rpm，厌氧消化设备顶部收集沼气。
采用如上所述方法，脱毒污泥水解液厌氧消化系统产甲烷启动时间较未脱毒水解液组缩短了28.7％，较未预处理组缩短了56.4％(参见图4)，有效缩短了剩余污泥厌氧消化系统运行周期。
对比例1
省略吸附脱毒工艺：
取污水处理厂浓缩池出泥，加水调整剩余污泥的TS为4％(w/w)。边搅拌边在剩余污泥中加入浓度为10mol/L的氢氧化钠溶液调整pH值至10.0-12.0；持续搅拌5-10min后继续加入氢氧化钠溶液至pH值至10.0-12.0；室温静置5-10min后继续加入氢氧化钠溶液至pH值至10.0-12.0，维持剩余污泥pH值最终稳定在10.8。
将剩余污泥转移至密封容器内加热温度至105℃，保温2h后冷却至30-40℃，然后边搅拌利用7mol/L盐酸回调剩余污泥最终pH值稳定至6.0-8.0。将热预处理污泥转移到密封厌氧消化设备内，运行温度分别设置为16-24℃、30-40℃和50-60℃，利用搅拌电机维持连续搅拌运行模式，搅拌转速设定在120rpm，厌氧消化设备顶部收集沼气。
采用如上所述方法，热预处理污泥省略吸附脱毒工艺后不同温度下其产甲烷启动时间分别为12.88天、4.05天和5.48天，启动时间明显滞后于热预处理+吸附脱毒组。
对比例2
省略热碱预处理+吸附脱毒组合工艺：
取污水处理厂浓缩池出泥，加水调整剩余污泥的TS为4％(w/w)。将剩余污泥转移到密封厌氧消化设备内，运行温度分别设置为16-24℃、30-40℃和50-60℃，利用搅拌电机维持连续搅拌运行模式，搅拌转速设定在120rpm，厌氧消化设备顶部收集沼气。
采用如上所述方法，剩余污泥省略热碱预处理+吸附脱毒工艺后不同温度下其产甲烷启动时间分别为33.19天、9.18天和8.97天，启动时间明显滞后于热预处理+吸附脱毒组。
对比例3
目前已有的厌氧消化启动方法：
取含水率为80.0％-95.0％的剩余污泥，按体积百分比将0.5％-5.0％的干燥木炭粉末(粒径小于0.5mm)投加到污泥中得到混合物料，调节该混合物料pH值为7.5-8.5。将混合物料放入密封厌氧消化设备内于30-40℃条件下通过搅拌方式对污泥进行厌氧消化。
采用如上所述的处理方法，与不投加木炭粉末的工艺相比，污泥厌氧消化启动时间提前 20％。
以上实施例1、实施例2、实施例3与对比例1、对比例2、对比例3的剩余污泥厌氧消化运行条件及效果对比可以总结见表1。
表1实施例1-3和对比例1-3的处理结果
通过实施例与对比例的对比发现，实施例1、实施例3的处理对象是热碱预处理后经脱毒处理得到的脱毒预处理污泥，实施例2的处理对象是经过脱毒处理的污泥水解液，对比例 3的处理对象是含水率为80％的脱水污泥。尽管实施例1、2和3的运行温度及处理对象不同，但经过预处理后，污泥厌氧消化产甲烷启动时间较未预处理组有大幅度地缩短，而在经过脱毒处理后能进一步缩短剩余污泥厌氧消化产甲烷启动周期。
利用气相色谱-质谱联用技术对预处理污泥中有机物成分进行分析发现剩余污泥热碱预处理后会生成酚类等生物毒性抑制性物质，而经过活性炭脱毒处理后游离态抑制性物质含量明显降低，详见表2。说明热预处理污泥经脱毒处理能够对生物毒性物质具有良好的的吸附固定作用，对于进一步缩短厌氧消化产甲烷启动时间有明显的促进作用。比较实施例2和对比例1，可以说明中温厌氧消化系统中处理剩余污泥时颗粒活性炭介导的脱毒效果对于缩短厌氧消化系统启动时间具有明显的促进作用。
表2活性炭脱毒处理后污泥中有机物成分分析
a预处理污泥中有机物组分峰面积相对占比；b根据有机物组分处理前后峰面积变化计算。
在以上实施例和对比例中，颗粒活性炭对于剩余污泥热预处理过程中产生的生物毒性抑制性物质具有良好的吸附固定效果，但成本也更高，可以根据实际情况的经济性寻求其他替代物，如沸石、生物炭等。
此外，本申请还探究了活性炭处理工艺过程中活性炭的用量、温度环境对厌氧产甲烷启动时间的影响。发现可以通过调控活性炭的用量、温度显著缩短启动的时间。其中，当活性炭的用量低于10％(8％)，或者过高(15％)，厌氧产甲烷启动时间都相比较对比例2的时间变化不大，约缩短在30％左右。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅以较佳实施例对本发明的技术方案进行介绍，但是对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，应能在具体实施方式上及应用范围上进行改变，故而，综上所述，本说明书内容不应该理解为本发明的限制，凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种污泥厌氧消化系统启动的方法，其特征在于，所述方法步骤包括：
(1)污水处理厂剩余污泥经沉淀浓缩工艺得到浓缩污泥；
(2)将步骤(1)所得的浓缩污泥进行热碱预处理，得到改性污泥；
(3)在步骤(2)所得的改性污泥中添加活性炭材料，混合均匀后得到脱毒污泥，
(4)将步骤(3)所得的脱毒污泥置于厌氧消化设备中，进行污泥厌氧消化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中浓缩污泥的总固体含量为2％-6％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体为首先使用强碱溶液或碱性粉末调节浓缩污泥pH值至10.0-12.0，然后对碱性污泥进行加热处理，最后对热碱预处理后的污泥降温并回调pH至6.0-8.0。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述强碱溶液是指浓度为5-10mol/L的氢氧化钠或氢氧化钙溶液，所述碱性粉末是粉末状的氢氧化钙、氧化钙。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述碱性污泥的加热处理是指处理温度为90-120℃，处理时间为1-2h。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对热碱预处理后的污泥降温并回调pH至6.0-8.0用于后续厌氧消化反应系统，将热预处理污泥自然冷却至30-40℃后利用7mol/L盐酸调节污泥pH稳定至6.0-8.0。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体为添加颗粒活性炭至改性污泥中，然后经物料混合均匀后利用7mol/L盐酸调节污泥pH稳定在6.0-8.0。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述颗粒活性炭为粒径小于0.25mm，比表面积为1000m2/g。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述颗粒活性炭相对改性污泥的添加量为10％w/v，并在在30-40℃温度下，80-120rpm搅拌15-30min至物料混合均匀。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中污泥厌氧消化的运行条件为：通过连续搅拌的运行方式，搅拌转速为80-120rpm，运行温度控制为16-24℃、30-40℃或50-60℃，厌氧消化产生沼气在反应器顶部进行收集。
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