CN113461283A - 一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法 - Google Patents

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    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes

Abstract

一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法，先将污泥注入预处理反应器，然后给预处理反应器中加入亚硫酸盐，亚硫酸盐浓度为1.43～14.29g/L；最后在加热条件下搅拌，得到预处理后的污泥，利用亚硫酸氢离子与还原糖上的羰基发生加成反应，抑制了还原糖与蛋白质的反应，阻止美拉德反应产生难降解的类黑素；本发明污泥处理效率高，大大降低污泥的最终产量，并提高了厌氧消化过程中甲烷产率。

Description

一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法
技术领域
本发明属于污泥资源化利用技术领域，具体涉及一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法。
背景技术
利用厌氧消化产生甲烷气体或回收蛋白质是污泥资源化利用的重要方式，为提高厌氧消化效率或提高蛋白质的回收率，可以对污泥进行预处理来分散污泥絮体，进而使细胞破裂，从而将其内部的有机物质释放出来。
近年来，高温技术被应用于污泥预处理中，使有机物释放到液相中，有机物的增溶量会随着温度的升高而增大，当温度高于150℃时，有机物增溶作用增加，但反而会导致污泥预处理后进行厌氧消化的生物降解性降低，即甲烷转化率降低(Higgins MJ,WaterResearch,2017(122),557-569)。这是由于污泥热水解过程中发生的美拉德反应消耗蛋白质与多糖，产生难降解的类黑素，类黑素的存在会使污泥水解液呈现深褐色。反应温度与时间的延长也会促进美拉德反应的发生程度。美拉德反应的发生会使蛋白质的含量下降，且会修饰氨基酸，比如赖氨酸，从而导致回收的蛋白质品质降低(WolfJC,Journal of foodscience,1977,42(6)1540-1544)。鉴于此，采取一定的方法来抑制美拉德反应时很有必要的，这样有助于提高污泥预处理后的生物可降解性，提高蛋白质回收质量与数量，并使污泥水解液的颜色变浅。
污泥预处理过程主要是通过能量输入使污泥细胞破裂，为达到高的有机物释放量，温度的调节空间有限；而且采用温度作为调节参数时，为控制美拉德反应，降低加热温度会降低污泥预处理程度，从而导致有机物释放量的降低。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法，使得污泥预处理后蛋白质产量与品质均有所提升，同时也可以提高后续污泥厌氧消化的效率。
为了解决上述问题，本发明提供下列技术方案。
一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法，包括下列步骤：
先将污泥注入预处理反应器，然后给预处理反应器中加入亚硫酸盐，亚硫酸盐浓度为1.43～14.29g/L；最后在加热条件下搅拌反应，得到预处理后的污泥。
所述的污泥为城市污水或工业废水生物处理产生的剩余污泥。
所述的预处理反应器为带有加热和搅拌的高温反应装置或高温高压反应装置，高温反应装置的反应温度低于100℃，高温高压反应装置的反应温度超过100℃。
所述的亚硫酸盐为亚硫酸钠(Na2SO3)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)、焦亚硫酸钠(Na2S2O5)或连二亚硫酸钠(Na2S2O4)，以及对应的钾盐亚硫酸钾(K2SO3)、亚硫酸氢钾(KHSO3)、焦亚硫酸钾(K2S2O5)或连二亚硫酸钾(K2S2O4)。
所述的加热条件的温度为80～220℃。
反应时间为0.5h～5h。
本发明的有益效果：
本发明首次将亚硫酸盐应用到抑制污泥预处理过程中的美拉德反应，亚硫酸盐是一种具有还原性的工业药剂，通过亚硫酸盐与还原糖上的羰基发生加成反应，抑制还原糖与蛋白质的反应，从而阻止美拉德反应产生难降解的类黑素，既可以提高污泥的可生物降解性，也可以提高蛋白质回收产量与品质。本发明污泥处理效率高，大大降低污泥的最终产量，并提高了厌氧消化过程中甲烷产率。本发明能在污水处理厂内提高污泥预处理后的厌氧消化效率，蛋白质回收数量与质量，实现污泥最大资源化的目的。
附图说明
图1为实施例1-4添加不同浓度与种类的亚硫酸钠(Na2SO3)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)、焦亚硫酸钠(Na2S2O5)以及连二亚硫酸钠(Na2S2O4)后，污泥液相中的类黑素浓度。
图2为实施例1-4添加不同浓度与种类的亚硫酸钠(Na2SO3)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)、焦亚硫酸钠(Na2S2O5)以及连二亚硫酸钠(Na2S2O4)后，污泥液相中的蛋白质浓度。
具体实施方式
下面参照实施例和附图对本发明进行详细说明。
实施例1，一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法，包括下列步骤：
先将某城市污水处理厂中的剩余污泥注入预处理反应器高温高压反应釜；然后添加亚硫酸盐连二亚硫酸钠(Na2S2O4)，其中亚硫酸盐浓度分别为0g/L，1.43g/L，2.86g/L，5.71g/L，10.00g/L，11.43g/L和14.29g/L；最后在加热条件下搅拌反应，加热温度为160℃，反应时间为0.5h，得到预处理后的污泥；预处理后的污泥结构发生解体，液相中的溶解性有机物升高；利用亚硫酸根离子和亚硫酸氢根离子与还原糖上的羰基发生加成反应，抑制了还原糖与蛋白质的反应，从而阻止美拉德反应产生难降解的类黑素。
按照目前公认的类黑素测定方法(Xiang Shuyu,Journal of Food Science andTechnology,2020,57(6),2139-2149)，参照图1，图1示出了污泥预处理过程中添加不同浓度和种类的亚硫酸盐预处理后，污泥液相的类黑素浓度。由图1可知，随着连二亚硫酸钠(Na2S2O4)浓度的提高，污泥液相中的类黑素含量大幅降低，对照组(0g/L)为10.78mmol/L，实验组分别为6.95mmol/L，5.55mmol/L，4.27mmol/L，3.57mmol/L，3.51mmol/L和3.57mmol/L，与对照组相比分别下降了3.83mmol/L，5.23mmol/L，6.51mmol/L，7.21mmol/L，7.27mmol/L和7.21mmol/L。
采用国际公认的lowry法测定污泥液相的蛋白质浓度，参照图2，图2示出了污泥预处理过程中添加不同浓度和种类的亚硫酸盐后，污泥液相的蛋白质浓度，由图2可知，随着连二亚硫酸钠(Na2S2O4)浓度的提高，污泥液相的蛋白质逐渐升高，对照组为7927.69mg/L，实验组分别为11779.30mg/L，12748.11mg/L，19766.07mg/L，25389.89mg/L，27351.13mg/L和13876.42mg/L，与对照组相比分别升高了3851.61mg/L，4820.42mg/L，11838.38mg/L，17462.20mg/L，19423.44mg/L和5948.73mg/L。
实施例2，将实施例1的污泥改为制浆造纸废水生物处理产生的剩余污泥，亚硫酸盐改为亚硫酸钠(Na2SO3)，其它步骤不变。
所得的预处理后的污泥液相的类黑素浓度以及污泥液相的蛋白质浓度和实施例1相近。
实施例3，将实施例1的污泥改为印染废水生物处理产生的剩余污泥，亚硫酸盐改为亚硫酸氢钠(NaHSO3)，其它步骤不变。
所得的预处理后的污泥液相的类黑素浓度以及污泥液相的蛋白质浓度和实施例1相近。
实施例4，将实施例1的污泥改为玉米淀粉生产废水生物处理产生的剩余污泥，亚硫酸盐改为焦亚硫酸钠(Na2S2O5)，其它步骤不变。
所得的预处理后的污泥液相的类黑素浓度以及污泥液相的蛋白质浓度和实施例1相近。
实施例5，将实施例1的加热温度改为80℃，预处理反应器改为高温反应装置，反应时间改为5h，其它步骤不变。
所得的预处理后的污泥液相的类黑素浓度以及污泥液相的蛋白质浓度和实施例1相近。
实施例6，将实施例1的加热温度改为120℃，反应时间改为3h，其它步骤不变。
所得的预处理后的污泥液相的类黑素浓度以及污泥液相的蛋白质浓度和实施例1相近。
实施例7，将实施例1的亚硫酸盐改为亚硫酸钾(K2SO3)，其它步骤不变。
所得的预处理后的污泥液相的类黑素浓度以及污泥液相的蛋白质浓度和实施例1相近。
以上说明污泥预处理过程中添加亚硫酸盐可以抑制类黑素的产生，并阻止美拉德反应对于蛋白质的消耗，即提升污泥液相中的蛋白质浓度。
以上所述实施例的技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (6)

1.一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法，其特征在于，包括下列步骤：
先将污泥注入预处理反应器，然后给预处理反应器中加入亚硫酸盐，亚硫酸盐浓度为1.43～14.29g/L；最后在加热条件下搅拌，得到预处理后的污泥。
2.根据权利要求1所述的一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法，其特征在于：所述的污泥为城市污水或工业废水生物处理产生的剩余污泥。
3.根据权利要求1所述的一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法，其特征在于：所述的预处理反应器为带有加热和搅拌的高温反应装置或高温高压反应装置，高温反应装置的反应温度低于100℃，高温高压反应装置的反应温度超过100℃。
4.根据权利要求1所述的一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法，其特征在于：所述的亚硫酸盐为亚硫酸钠(Na2SO3)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)、焦亚硫酸钠(Na2S2O5)或连二亚硫酸钠(Na2S2O4)，以及对应的钾盐亚硫酸钾(K2SO3)、亚硫酸氢钾(KHSO3)、焦亚硫酸钾(K2S2O5)或连二亚硫酸钾(K2S2O4)。
5.根据权利要求1所述的一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法，其特征在于：所述的加热条件的温度为80～220℃。
6.根据权利要求1所述的一种抑制污泥预处理过程中美拉德反应的方法，其特征在于：反应时间为0.5h～5h。
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