CN113880384A - 减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法，在高含固污泥中加入生物质碳材料，生物质碳材料的制备方法为：将香蕉切成小块香蕉块，将香蕉块称重后置于水桶中并加水搅拌，将搅拌好的香蕉块和水加入水热反应釜中，盖好水热反应釜的盖子，设定加热温度，以常温升至300℃,香蕉块与水的比例为1：5，并且香蕉块和水占水热反应釜总容量的75％，水热反应釜的温度升至300℃后停止加热，降至常温后打开水热反应釜的盖子，将水热反应釜内的香蕉木醋液以及水热炭放入滤袋中，用离心机脱水后烤箱烘干得到香蕉水热碳，再用304不锈钢打粉机将制作好的香蕉水热碳打成粉状；从而解决了现有技术中处理污泥的效果不佳的问题。

Description

减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法
技术领域
本发明涉及污泥处理与应用技术领域，更具体地说，涉及一种减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法。
背景技术
污泥的处理处置已经成为我国面临的一个重要问题。剩余污泥是城镇污水处理过程中污染物转移、转化的产物，是现阶段难以避免的“副产品”。近年来，伴随着污水处理量的增加，剩余污泥量也大量增加。当前，我国污水厂每年产生的市政污泥已超过3000万吨(含水率约为80％)，污泥处理处置形式十分严峻。同时，我国污水厂污泥由于其有机质含量高、含水率高、热值低、含有毒有害物质等特点，一直没有很好的处理处置手段。
厌氧消化技术也被称为甲烷发酵技术或厌氧稳定化技术，是目前国际上应用最为广泛的污泥稳定化和资源化方法。厌氧消化技术时利用微生物厌氧条件下代谢作用，将垃圾或污泥中有机物转化为高热值的甲烷等产品，且消化后的污泥可作为有机肥进行土地利用，从而实验污泥的减量化、无害化和资源化。该工艺技术应用成熟，环境和经济效益明显。有研究表明，经过厌氧消化，污水处理厂污泥中的有机物含量降低40-55％。
厌氧消化过程普遍存在的不稳定性是限制该技术推广的亟待解决的难题。厌氧消化在基质高负荷、高食微比(F/M，厌氧消化体系中加入底物化学需氧量(COD)与接种物挥发性固体VS之比)、厌氧污泥活力不足、消化后污泥出路不畅等情况下，存在过程不稳定性，容易出现产生高氨氮胁迫、挥发性脂肪酸(VFAs)积累现象，产生COD降解速率低、甲烷产量低等问题，进而导致反应系统运行低效甚至失败。据研究，该技术在实际的工程应用中大部分处于较差的运行状况。
在厌氧消化过程中，提高污泥含固率能有效的减小反应器体积，降低反应成本。但由于高含固污泥基质负荷高、流动性差、传质效率低等特点，更容易产生高氨氮抑制现象，导致反应系统运行低效。
因此，如何解决现有技术中处理污泥的效果不佳的问题，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法以解决现有技术中处理污泥的效果不佳的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法，其特征在于，在高含固污泥中加入生物质碳材料，所述生物质碳材料的具体制备方法为：
S1.将香蕉切成小块香蕉块，将所述香蕉块称重后置于水桶中并加水搅拌；
S2.将搅拌好的所述香蕉块和所述水加入水热反应釜中，盖好所述水热反应釜的盖子，设定加热温度，以常温升至300℃,所述香蕉块与所述水的比例为1：5，并且所述香蕉块和所述水占所述水热反应釜总容量的75％；
S3.所述水热反应釜的温度升至300℃后停止加热，自然降至常温后，所述水热反应釜内生成有香蕉木醋液以及水热炭；
S4.打开所述水热反应釜的盖子，将所述水热反应釜内的所述香蕉木醋液以及所述水热炭放入滤袋中，用离心机脱水后烤箱烘干得到香蕉水热碳；
S5.再用304不锈钢打粉机将制作好的所述香蕉水热碳打成粉状。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述生物质碳材料添加至高含固污泥的的添加量为5-15g/L。
进一步的，所述高含固污泥的总固体浓度(TS)＝125.12g/L。
进一步的，所述高含固污泥中加入所述生物质碳材料的反应周期为38d。
本申请提供的技术方案包括以下有益效果：
本发明提供的技术方案中，减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法，在高含固污泥中加入生物质碳材料，生物质碳材料的具体制备方法为：将香蕉切成小块香蕉块，将香蕉块称重后置于水桶中并加水搅拌，将搅拌好的香蕉块和水加入水热反应釜中，盖好水热反应釜的盖子，设定加热温度，以常温升至300℃,香蕉块与水的比例为1：5，并且香蕉块和水占水热反应釜总容量的75％，水热反应釜的温度升至300℃后停止加热，自然降至常温后，水热反应釜内生成有香蕉木醋液以及水热炭，打开水热反应釜的盖子，将水热反应釜内的香蕉木醋液以及水热炭放入滤袋中，用离心机脱水后烤箱烘干得到香蕉水热碳，再用304不锈钢打粉机将制作好的香蕉水热碳打成粉状。如此设置，利用果蔬垃圾制备生物质碳材料，操作简单，材料来源丰富，有效的降低了生物质碳材料的制作成本，将其作为辅助材料投加到城镇脱水污泥进行中温厌氧消化处理，提供一种绿色环保的新型污泥定向生物转发技术，通过生物质碳材料对厌氧微生物生长及底物利用的促进作用，减缓高含固污泥高氨氮抑制，以累计产甲烷量为评价指标，促进高含固污泥的定向生物转化，达到减小反应器体积、降低污泥后续处置压力、实现污泥资源回收的目的。而且本方法对环境友好，不会产生二次污染；从而解决了现有技术中处理污泥的效果不佳的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明实施例中生物质碳材料的外观特征图；
图2是本发明实施例中利用傅立叶红外光谱分析仪(FTIR)测定生物质碳材料特征官能团；
图3是本发明实施例中利用X射线光电子能谱仪(XPS)测定生物质碳材料C、O、N相关化学官能团；
图4是本发明实施例中利用全自动比表面及孔隙度分析仪(BET)测定生物质碳材料比表面积及孔径分布；
图5是本发明实施例中不同生物质碳材料投加浓度对反应体系pH的影响；
图6是本发明实施例中不同生物质碳材料投加浓度对反应体系氨氮浓度的影响；
图7是本发明实施例中不同生物质碳材料投加浓度对反应体系VFAs浓度的影响；
图8是本发明实施例中不同生物质碳材料投加浓度对累积产甲烷量的影响。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本具体实施方式的目的在于提供减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法；从而解决了现有技术中处理污泥的效果不佳的问题。
以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。
请参阅图1-图8，本实施例提供了减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法，在高含固污泥中加入生物质碳材料，生物质碳材料的具体制备方法为：将香蕉切成小块香蕉块，将香蕉块称重后置于水桶中并加水搅拌，将搅拌好的香蕉块和水加入水热反应釜中，盖好水热反应釜的盖子，设定加热温度，以常温升至300℃,香蕉块与水的比例为1：5，并且香蕉块和水占水热反应釜总容量的75％，水热反应釜的温度升至300℃后停止加热，自然降至常温后，水热反应釜内生成有香蕉木醋液以及水热炭，打开水热反应釜的盖子，将水热反应釜内的香蕉木醋液以及水热炭放入滤袋中，用离心机脱水后烤箱烘干得到香蕉水热碳，再用304不锈钢打粉机将制作好的香蕉水热碳打成粉状。
如此设置，利用果蔬垃圾制备生物质碳材料，操作简单，材料来源丰富，有效的降低了生物质碳材料的制作成本，将其作为辅助材料投加到城镇脱水污泥进行中温厌氧消化处理，提供一种绿色环保的新型污泥定向生物转发技术，通过生物质碳材料对厌氧微生物生长及底物利用的促进作用，减缓高含固污泥高氨氮抑制，以累计产甲烷量为评价指标，促进高含固污泥的定向生物转化，达到减小反应器体积、降低污泥后续处置压力、实现污泥资源回收的目的。而且本方法对环境友好，不会产生二次污染；从而解决了现有技术中处理污泥的效果不佳的问题。
作为可选的实施方式，采用元素分析仪测定香蕉皮中生物质碳材料元素比例结果为：C(78.42％)、N(1.69％)、O(18.97％)、P(0.63％)、S(0.29％)。采用傅立叶红外光谱分析仪(FTIR)测定生物质碳材料特征官能团，结果如图2所示。采用X射线光电子能谱仪(XPS)测定生物质碳材料C、O、N相关化学官能团，结果如图3所示。采用全自动比表面及孔隙度分析仪(BET)测定生物质碳材料比表面积及孔容，结果如图4所示。
更具体的实施方式，量取90mL含水率为87.4％的市政污泥于100mL广口瓶中，并添加一定量生物质碳材料，使其浓度分别为5g/L、10g/L、15g/L，每种投加浓度3组。另外，设置3组不加生物质碳材料的对照组。
更具体的实施方式，将广口瓶用橡胶塞密封后置于恒温振荡培养箱中，设置振荡频率为200rpm，温度为35±1℃。反应周期为38d。
更具体的实施方式，根据反应情况进行取样分析pH、氨氮浓度、VFAs浓度、累积产甲烷量。pH采用pH计测定；氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法测定；VFAs浓度采用气相色谱分析仪(GC-FID)测定；累积产甲烷量通过定期测出产气量，并通过气相色谱分析仪(GC-TCD)测定产气中甲烷比例，计算得出。
更具体的实施方式，以时间t为横坐标，分别以pH、氨氮浓度、VFAs浓度、累积产甲烷量作为纵坐标，结果如图5-图8所示。
更具体的实施方式，生物碳元素分析结果表明，生物碳中主要的元素为C，N，O，P和S，质量占比分别为78.42％，1.69％，18.97％，0.63％和0.29％。FTIR分析结果表明主要的官能团为：CH2不对称伸缩振动(波长为2926±10cm-1),酰胺(波长为1700-1600cm-1)，含羧基和类烃化合物(波长为1500-1300cm-1)和芳香族的氨基酸和核苷酸类物质(波长为900-600cm-1)等。XPS进一步分析结果表明：生物碳表明与C和N相关的官能团分别为C-(C,H)(283.8eV)，C-(C,N)(285.2eV)和C＝O,O-C-O(286.5eV)。BET结果表明：利用香蕉皮制备的生物碳比表面积较大且为多孔性材料，比表面积为50.8242m2/g，孔容为0.026946cm3/g。
更具体的实施方式，由图5可知，本实施案例中，在0-15g/L投加范围内，生物质碳材料使得定向生物转化反应体系的pH上升，随着投加浓度的增加，pH上升越明显。在反应38d后，对照组，投加5g/L，10g/L和15g/L组，系统最终的pH分别为7.61,7.72,7.82和7.85。
更具体的实施方式，由图6可知，本实施案例中，在反应38d后，对照组，投加5g/L，10g/L和15g/L组，系统最终的氨氮浓度分别1432mg/L,1470mg/L,1714mg/L和1783mg/L。结果表明，和对照组相比，投加生物碳材料促进了有机物的溶出，尤其是在高剂量组(10g/L和15g/L),氨氮浓度明显高于对照组和低剂量组(5g/L)。
更具体的实施方式，由图7可知，本实施案例中，投加5g/L,10g/L和15g/L生物质碳材料后，均不同程度促进了VFAs的转化，没有出现系统中VFAs积累现象的发生。
更具体的实施方式，由图8可知，本实施案例中，投加5g/L，10g/L，15g/L生物质碳材料的实验组累积产甲烷量相对于空白对照组分别提升了6.1％，29.3％和30.1％。生物质碳材料使得定向生物转化反应体系的累积产甲烷量提高，随着投加浓度的增加，累积产甲烷量提高越明显。
通过生物质碳材料表征分析以及三种投加浓度调控的性能分析，并结合经济成本得出，香蕉皮生物质碳材料投加浓度为10g/L时有利于提高氨氮浓度条件下厌氧生物转化的效率，使产甲烷效率显著提高。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法，其特征在于，在高含固污泥中加入生物质碳材料，所述生物质碳材料的具体制备方法为：
S1.将香蕉切成小块香蕉块，将所述香蕉块称重后置于水桶中并加水搅拌；
S2.将搅拌好的所述香蕉块和所述水加入水热反应釜中，盖好所述水热反应釜的盖子，设定加热温度，以常温升至300℃,所述香蕉块与所述水的比例为1：5，并且所述香蕉块和所述水占所述水热反应釜总容量的75％；
S3.所述水热反应釜的温度升至300℃后停止加热，自然降至常温后，所述水热反应釜内生成有香蕉木醋液以及水热炭；
S4.打开所述水热反应釜的盖子，将所述水热反应釜内的所述香蕉木醋液以及所述水热炭放入滤袋中，用离心机脱水后烤箱烘干得到香蕉水热碳；
S5.再用304不锈钢打粉机将制作好的所述香蕉水热碳打成粉状。
2.根据权利要求1所述的减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法，其特征在于，所述生物质碳材料添加至高含固污泥的添加量为5-15g/L。
3.根据权利要求1所述的减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法，其特征在于，所述高含固污泥的总固体浓度为125.12g/L。
4.根据权利要求1所述的减缓高含固污泥高氨氮胁迫促进定向生物转化的方法，其特征在于，所述高含固污泥中加入所述生物质碳材料的反应周期为38d。
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