CN113603317B - 一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，包括：将高含固污泥进行热水解预处理，对高含固污泥进行传质改善和有机物强化溶出；将预处理后得到的产物作为底物，进行产酸发酵，产酸过程耦合第一级微生物电解池，构成一级耦合增强模组；将发酵产酸后得到的液相与气相产物再次作为底物，进行厌氧消化产甲烷，产甲烷过程耦合第二级微生物电解池，构成二级耦合增强模组。与现有技术相比，本发明将热水解预处理耦合两级微生物电解池技术引入到高含固污泥厌氧消化系统中，达到分级分相反应的目的；在改善高含固污泥传质效率和促进有机物溶出的同时进一步加强了有机物的定向转化；在速度与效率上都实现了高含固污泥厌氧消化技术的优化。

Description

一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法

技术领域

本发明涉及污泥厌氧消化技术领域，尤其是涉及一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法。

背景技术

污泥处理处置是污水处理厂转向未来资源与能源工厂的关键环节。污泥中富集了污水中30～50％的污染物，一方面，其含有易腐物质、重金属、致病菌、寄生虫、POPs、微塑料等有毒有害物质，这些污染物若重回环境，将造成严重的“二次污染”，因此必须对其进行减量化、稳定化、无害化处理处置；另一方面，污泥中含有丰富的有机物与氮、磷等营养元素，是重要的资源“仓库”。厌氧消化技术能促使污泥中有机物减量、稳定，在降低污泥对环境污染的同时回收能源(生物沼气)，是现代污水处理厂的重要组成部分。

传统的污泥厌氧消化工艺底物的含固率通常为2～5％，低含固率污泥所含的大量水分导致反应体系大且耗能高，这也使得厌氧消化技术在工艺上的发展受到限制。近年来，利用高含固率污泥进行厌氧消化的技术得到了一定发展。与传统低含固率污泥厌氧消化技术相比，高含固率污泥厌氧消化呈现出反应器体积小、单位容积产气率高等特点、耗能低等优势。然而，高含固污泥较高的粘度也使得后续的厌氧消化出现了一系列问题，如由于水分缺乏导致的有机物传质受阻、微生物与有机物比例失衡导致的水解及产甲烷效率降低、氨氮的大量积累导致的微生物活性受到抑制等。因此，采取一定的技术手段进一步加强高含固污泥的厌氧消化性能十分有必要。

高温高压热水解预处理技术能够使得污泥细胞破碎，胞内有机物溶出，快速水解有机物，可大幅度提高高含固污泥厌氧消化系统中生物质能的转化效率并降低整体工艺的能耗。如中国专利文献CN103011542A公开了一种加热法预处理高含固率污泥厌氧消化装置及工艺，在70℃的情况下，加热预处理30～60分钟后将经过预处理之后的污泥加入到厌氧消化罐体内，进行搅拌厌氧消化；中国专利文献CN106430887A公开了一种高含固率污泥厌氧消化产甲烷的方法，调节碳氮比之后进行中温预处理，控制温度为34～38℃，进行厌氧消化，污泥内部传质效率在厌氧消化过程中得到提高。

然而在以上的厌氧消化系统中，热水解预处理手段的引入也只能是达到改善高含固污泥传质效率，强化其水解的目的，对于提高有机物尤其是难降解有机物的转化率以及系统的产甲烷性能没有发挥过多的作用，限制了热水解和厌氧消化技术的发展与应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，解决了现有技术中高含固污泥在厌氧消化系统中传质性能差，有机物降解性能和产气效率低等问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本技术方案中提供一种提升高含固污泥厌氧消化性能的方法，基于热水解预处理耦合两级微生物电解池进行分级强化，可以有效改善高含固污泥的传质性能，在促进有机物溶出的同时分相强化有机物定向转化，有效提高产甲烷效率。

本技术方案中的一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，包括以下步骤：

S1：将高含固污泥在热水解反应器中进行热水解预处理，以此对高含固污泥进行传质改善和有机物强化溶出；

S2：将步骤S1预处理后得到的产物作为底物，进行产酸发酵，产酸过程耦合第一级微生物电解池，构成一级耦合增强模组；

S3：将步骤S2发酵产酸后得到的液相与气相产物再次作为底物，进行厌氧消化产甲烷，产甲烷过程耦合第二级微生物电解池，构成二级耦合增强模组。

进一步地，所述高含固污泥中总固体质量的含量为15～25wt％，所述高含固污泥中挥发性固体质量占总固体质量的比例为40～65％；

S1、S2、S3中所采用的整个系统为序批式系统，也可为半连续式或连续式进出料系统。

进一步地，S1中所述热水解的条件为：温度120～200℃，压力0.4～0.7MPa，时间15～45min，搅拌速度100～200rpm，其中温度升至设定温度后开始计时，到达设定时间后停止加热。

通过对热水解过程的温度、压力、时间的控制，可优化热水解预处理高含固污泥的效果，达到最大程度的改善传质与有机物溶出。

进一步地，S2和S3中，均以厌氧消化后的稳定化污泥作为接种污泥；

其中接种污泥的总固体质量占接种污泥总质量的比例为2～5％，挥发性固体质量占总固体质量的比例为30～50％，底物与接种污泥中挥发性固体的质量比为0.5～5。

进一步地，S2和S3中，第一级微生物电解池和第二级微生物电解池的电极材料均为铁电极、铁碳电极、石墨电极、玻碳电极中的一种或其中不相同的两种，第一级微生物电解池和第二级微生物电解池的外加电压大为0.3～1.5V，其中第一级微生物电解池的外加电压高于第二级。

由于阴极产氢所需的电位绝对值高于阴极还原二氧化碳产甲烷，因此，可通过对两级微生物电解池中外加电压大小的调节，结合温度与pH改变来调控阳极和阴极反应，从而实现有机物定向转化。

进一步地，发酵产酸过程的控制条件为：温度25～55℃，pH 5.0～6.5，停留时间为2～8天。

进一步地，所述一级耦合增强模组中，电解池阳极微生物中水解酸化细菌为优势微生物，阴极微生物产氢菌为优势微生物，液相发酵产物中挥发性脂肪酸累积产量大于150mg/g VS，气相产物中以H₂和CO₂为主，H₂和CO₂相对含量大于80％。

进一步地，以S2发酵产酸后得到的液相发酵产物作为底物，在第二级微生物电解池的阳极发生反应；

以S2发酵产酸后得到的气相产物作为底物，在第二级微生物电解池的阴极发生反应。

进一步地，S3中，所述厌氧产甲烷过程的控制条件为：温度35～45℃，pH 6.5～7.5，停留时间为10～35天。

进一步地，S3中，所述构成二级耦合增强模组中，电解池阳极微生物中产氢产乙酸细菌为优势微生物，阴极微生物中产甲烷菌为优势微生物，累积甲烷产量大于250mL/g VS。

本发明的原理为，采用合适温度和压力范围的热水解对高含固污泥进行短时的预处理过程，在改善高含固污泥传质和流动性能的同时，强化污泥的有机质溶出。经预处理后的污泥首先进行微生物电解池耦合的产酸发酵过程。

进一步地，本发明通过控制外加电压的大小以及产酸过程的pH，有利于水解酸化菌和产氢菌分别在阳极和阴极富集，强化阳极有机物分解产酸与阴极产氢，可定向提高污泥有机物降解与挥发性脂肪酸生产过程。经耦合一级微生物电解池进行厌氧发酵后，产生的挥发性脂肪酸与氢均通入产甲烷相，进行耦合二级微生物电解池的厌氧产甲烷过程。产甲烷过程所需的最优pH一般在中性左右，且阴极还原二氧化碳产甲烷过程所需的电位小于阴极还原产氢，因此，可调控外加电压和pH至合适大小，分别在阳极和阴极富集功能电活性细菌与产甲烷菌，促进阳极产乙酸与阴极产甲烷过程的顺利高效进行，可显著提升产甲烷速率与甲烷产量。

进一步地，本发明通过热水解预处理以及耦合两级微生物电解池的分级分相反应，可定向调控高含固污泥厌氧消化各阶段的反应高效进行，强化难降解有机物的进一步分解利用，从而有效提升高含固污泥的有机物降解率与产甲烷效率。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

(1)本发明首次提出将高含固污泥的热水解预处理与两级微生物电解池相耦合，引入到高含固污泥厌氧消化系统中进行分级分相反应，以此在改善高含固污泥传质效率和促进有机物溶出的同时进一步加强了有机物的定向转化，在速度与效率上都实现了高含固污泥厌氧消化技术的优化；

(2)本发明的分级分相厌氧消化系统中，分别耦合两级微生物电解池进行发酵过程与产甲烷过程，各级针对不同产物进行靶向强化，使得产酸与产气分相进行，各级微生物得到了相应的驯化与富集；

(3)本发明所提出的高含固厌氧消化系统中，可设置为序批式进出料厌氧消化系统，也可设置为半连续式或连续式进出料厌氧消化系统，具有很好的工程应用前景与推广价值；

(4)外加电压所耗费的能量远少于提升的产甲烷量所增加的生物质能，降低了高含固污泥厌氧消化系统整体的成本。

附图说明

图1为本技术方案中提升高含固污泥厌氧消化性能方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件及装置型号、材料名称、连接结构等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

作为本技术方案的研发构思，对于高含固污泥，在改善传质性能、强化有机物溶出的同时，强化污泥有机物定向转化，提升其有机物降解性能和产气效率，对于突破高含固污泥厌氧转化瓶颈，提升高含固污泥厌氧消化性能，强化有机物降解与甲烷生产，具有重要的意义。

在技术方案具体实施时，经过申请人的实验验证，以下具体的参数条件均是较为适宜的，均可实现本技术方案中所声称的效果，本领域人员在具体实施时可根据需要在下面的约束范围中选择：

高含固污泥中总固体质量的含量为15～25wt％，高含固污泥中挥发性固体质量占总固体质量的比例为40～65％，整个系统为序批式系统，也可为半连续式或连续式进出料系统。

S1热水解的条件为：温度120～200℃，压力0.4～0.7MPa，时间15～45min，搅拌速度100～200rpm，其中温度升至设定温度后开始计时，到达设定时间后停止加热。通过对热水解过程的温度、压力、时间的控制，可优化热水解预处理高含固污泥的效果，达到最大程度的改善传质与有机物溶出。

S2和S3中，均以厌氧消化后的稳定化污泥作为接种污泥；其中接种污泥的总固体质量占接种污泥总质量的比例为2～5％，挥发性固体质量占总固体质量的比例为30～50％，底物与接种污泥中挥发性固体的质量比为0.5～5。第一级微生物电解池和第二级微生物电解池的电极材料均为铁电极、铁碳电极、石墨电极、玻碳电极中的一种或其中不相同的两种，第一级微生物电解池和第二级微生物电解池的外加电压大为0.3～1.5V，其中第一级微生物电解池的外加电压高于第二级。由于阴极产氢所需的电位绝对值高于阴极还原二氧化碳产甲烷，因此，可通过对两级微生物电解池中外加电压大小的调节，结合温度与pH改变来调控阳极和阴极反应，从而实现有机物定向转化。发酵产酸过程的控制条件为：温度25～55℃，pH 5.0～6.5，停留时间为2～8天。一级耦合增强模组中，电解池阳极微生物中水解酸化细菌为优势微生物，阴极微生物产氢菌为优势微生物，液相发酵产物中挥发性脂肪酸累积产量大于150mg/g VS，气相产物中以H₂和CO₂为主，H₂和CO₂相对含量大于80％。以S2发酵产酸后得到的液相发酵产物作为底物，在第二级微生物电解池的阳极发生反应；以S2发酵产酸后得到的气相产物作为底物，在第二级微生物电解池的阴极发生反应。S3中，所述厌氧产甲烷过程的控制条件为：温度35～45℃，pH 6.5～7.5，停留时间为10～35天。S3中，所述构成二级耦合增强模组中，电解池阳极微生物中产氢产乙酸细菌为优势微生物，阴极微生物中产甲烷菌为优势微生物，累积甲烷产量大于250mL/g VS。

实施例1

本实施例旨在批次实验中实施一种热水解预处理耦合微生物电解池分级强化高含固污泥厌氧消化方法，过程如图1所示，包括以下步骤：

(1)将来自污水处理厂的剩余污泥进行脱水，脱水后含固率为15.8％，挥发性固体占总固体的质量比(VS/TS)为50.1％。取脱水后污泥300g装入500ml铝合金材质的圆柱形容器中，移入高温高压反应釜内胆罐内使容器壁与罐壁贴合。设定温度为160℃，压力0.55MPa，时间30min，搅拌速度为150rpm，反应结束后打开冷凝水，待冷却到室温后打开罐体取出样品，测定热水解前后样品的液相指标如溶解性蛋白、溶解性多糖等；

(2)取步骤(1)得到的高温高压热水解预处理后的样品101.5g与接种泥198.5g混合(接种泥含固率为4.5％，挥发性固体占总固体的质量比为30.2％)，所得的混合样品基质与接种物的VS比例为3:1，调节pH为6.0，混合均匀后移入500mL经改装后连有微生物电解池的血清瓶中，通入2min氮气来排除系统中的氧气，连接好装置，在37℃水浴、100rpm搅拌条件下开展序批式发酵产酸实验，其中微生物电解池的电极为玻碳电极，外加电压0.65V。实验过程中监测测定沼气产量和气体组分。6天后出料，测定发酵产酸前后污泥的VFAs含量，并测定出料的VS、TS；

(3)将步骤(2)得到的发酵产酸产物与接种物以VS为1:1的比例混合，调节pH为7.0后加入到二级产甲烷相血清瓶中，连接好微生物电解池装置，通入2min氮气来排除系统中的氧气，再将步骤(2)得到的气相产物通入电解池阴极，在37℃水浴、100r/min搅拌条件下开展序批式厌氧产甲烷实验，其中微生物电解池的电极为铁碳电极，外加电压0.6V。实验过程中监测测定沼气产量和气体组分，20天后出料，测定出料的VFAs含量、VS、TS。

对比例1

与实施例1不同之处在于，本对比例所得的高含固污泥不经过高温高压热水解预处理，直接进入厌氧消化过程，且厌氧消化装置也不与微生物电解池相耦合。

对比例2

与实施例1不同之处在于，本对比例不引入与厌氧消化反应器耦合的微生物电解池装置，样品经过高温高压热水解后直接进行传统的厌氧消化反应。

对比例3

与实施例1不同之处在于，本对比例不设置分级分相的两级微生物电解池耦合厌氧消化的环节，样品经高温高压热水解预处理之后直接进入与微生物电解池耦合的厌氧消化反应器中进行反应，发酵产酸与厌氧产甲烷均在一个体系中完成。

对比例2与对比例1相比，经过高温高压热水解后的高含固污泥样品的溶解性蛋白与溶解性多糖含量均有大幅度提升，样品的粘度也有所降低，传质性能提高，厌氧消化反应时间由52天缩短至30天，产气量提升12.2％。对比例3与对比例2相比，有机物降解率有较大幅度提高，从37.6％提升至43.9％，反应时间由30天缩短至25天。实施例与对比例1或对比例2或对比例3相比，产气性能与有机物降解率达到最佳，一级发酵产酸阶段的出料中VFAs含量达到350mg/g VS，可见富集产酸的目的得到实现，在二级厌氧产甲烷阶段中，产气速率与产气量显著提高，VS降解率较对比例1提升了48.3％，较对比例2提升了32.2％，较对比例3提升了13.2％。

实施例2

本实施例旨在半连续实验中实施一种热水解预处理耦合微生物电解池分级强化高含固污泥厌氧消化方法，重点说明两级微生物电解池在半连续运行时的优秀性能。

(1)将污水处理厂的剩余污泥进行脱水，脱水后含固率为20.1％，挥发性固体占总固体的质量比(VS/TS)为55.9％。脱水污泥在工作容积10L的高温高压反应釜内进行热水解预处理。温度为180℃，压力0.60MPa，时间15min，搅拌速度为180rpm，反应结束后打开冷凝水，待冷却到室温后打开罐体取出样品，测定热水解前后样品的液相指标如溶解性蛋白、溶解性多糖等；

(2)产酸发酵在工作容积为1.2L的反应器中进行，取步骤(1)得到的高温高压热水解预处理后的样品与接种泥混合(接种泥含固率为3.9％，挥发性固体占总固体的质量比为36.2％)，所得的混合样品基质与接种物的VS比例为2:1，调节pH为5.0，连接微生物电解池装置，在45℃水浴、120r/min搅拌条件下开展半连续发酵产酸实验，其中微生物电解池的阳极为铁电极，阴极为石墨电极，外加电压0.65V。每天出料200mL，进料200mL，进料依旧为由步骤(1)得到的预处理产物，出料直接流入与该级装置相连的二级产甲烷相装置中，实验过程中监测沼气产量和气体组分，测定发酵产酸前后污泥的VFAs含量，并测定出料的VS、TS；

(3)产甲烷在工作容积为4L的反应器中进行，步骤(2)得到的发酵产酸液相产物流入产甲烷反应器后，与接种物的VS比例为2:1，调节pH为7.1，同样连接好微生物电解池装置，将步骤(2)得到的发酵气相产物通入电解池阴极，在42℃水浴、100r/min搅拌条件下开展半连续厌氧产甲烷实验，其中微生物电解池的电极为铁碳材料，外加电压0.4V。每天出料200mL，进料200mL，实验过程中监测沼气产量和气体组分，测定出料的VFAs含量、VS、TS。

对比例4

与实施例2不同之处在于，本对比例不引入与厌氧消化反应器耦合的微生物电解池装置，样品经过高温高压热水解后直接进行传统的半连续式两相厌氧消化反应，运行条件与实施例2保持一致。

实施例2与对比例4相比，在第一个运行周期内就启动成功，而对比例4的产甲烷相则出现了挥发酸的积累。在产气效率与有机物降解性能方面，实施例2均显著优于对比例4，累积产甲烷量由250ml/g VS提高至350ml/g VS，提高了40％，有机物降解率由47％提高至65％，提高了38.3％，并保持了持续稳定运行。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将高含固污泥进行热水解预处理，以此对高含固污泥进行传质改善和有机物强化溶出，其中，所述高含固污泥中总固体质量的含量为15~25wt%，所述高含固污泥中挥发性固体质量占总固体质量的比例为40~65%；

S2：将步骤S1预处理后得到的产物作为底物，进行产酸发酵，产酸过程耦合第一级微生物电解池，构成一级耦合增强模组，其中电解池阳极微生物中水解酸化细菌为优势微生物，阴极微生物产氢菌为优势微生物；

S3：将步骤S2发酵产酸后得到的液相与气相产物再次作为底物，进行厌氧消化产甲烷，产甲烷过程耦合第二级微生物电解池，构成二级耦合增强模组，其中电解池阳极微生物中产氢产乙酸细菌为优势微生物，阴极微生物中产甲烷菌为优势微生物，其中，以S2发酵产酸后得到的液相发酵产物作为底物，在第二级微生物电解池的阳极发生反应，以S2发酵产酸后得到的气相产物作为底物，在第二级微生物电解池的阴极发生反应。

2.根据权利要求1所述的一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，其特征在于，S1、S2、S3中所采用的整个系统为序批式系统，或半连续式/连续式进出料系统。

3.根据权利要求1所述的一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，其特征在于，S1中所述热水解的条件为：温度120~200 ℃，压力0.4~0.7 MPa，时间15~45min，搅拌速度100~200rpm，其中温度升至设定温度后开始计时，到达设定时间后停止加热。

4.根据权利要求1所述的一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，其特征在于，S2和S3中，均以厌氧消化后的稳定化污泥作为接种污泥；

其中接种污泥的总固体质量占接种污泥总质量的比例为2~5%，挥发性固体质量占总固体质量的比例为30~50%，底物与接种污泥中挥发性固体的质量比为0.5~5。

5.根据权利要求1所述的一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，其特征在于，S2和S3中，第一级微生物电解池和第二级微生物电解池的电极材料均为铁电极、铁碳电极、石墨电极、玻碳电极中的一种或其中不相同的两种，第一级微生物电解池和第二级微生物电解池的外加电压大为0.3~1.5V，其中第一级微生物电解池的外加电压高于第二级。

6.根据权利要求1所述的一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，其特征在于，S2中，发酵产酸过程的控制条件为：温度25~55℃，pH 5.0~6.5，停留时间为2~8天。

7.根据权利要求1所述的一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，其特征在于，S2中，所述一级耦合增强模组中，液相发酵产物中挥发性脂肪酸累积产量大于150 mg/g VS，气相产物中以H₂和CO₂为主，H₂和CO₂相对含量大于80%。

8.根据权利要求1所述的一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，其特征在于，S3中，所述厌氧产甲烷过程的控制条件为：温度35~45℃，pH 6.5~7.5，停留时间为10~35天。

9.根据权利要求1所述的一种提升高含固污泥厌氧消化性能方法，其特征在于，S3中，所述构成二级耦合增强模组中，累积甲烷产量大于250 mL/g VS。

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