CN114436489A - 一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法，介质阻挡放电功率36.8‑113.2 W，预处理时间为20‑40 min，对剩余活性污泥进行预处理，预处理后的污泥与未处理的污泥以(5‑10):1的比例混合作为发酵底物，置于25‑55℃的恒温培养箱中进行5‑10天的厌氧发酵，可提高污泥厌氧发酵挥发性短链脂肪酸的产量并提高乙酸的比例。本发明具有电极寿命长、能耗低、操作简单、处理时间短、处理装置简单、氧化效果稳定等优点，具备一定的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及城市污水处理厂的剩余活性污泥处理技术领域，具体为一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法。
背景技术
活性污泥法在全球水处理领域中得到普遍的应用，但活性污泥法处理污水的过程中会产生大量的剩余活性污泥。污泥组分复杂，其中包括大量的有毒有害物质，如有机物、重金属、病原微生物、寄生虫卵、盐类以及反射性核素等；同时，污泥中也包含很多可回收利用的物质，如碳、氮、磷等。污泥的产量巨大并呈逐年增长趋势，因此，污泥的处理和处置成为污水处理厂的一大难题。在全球倡导低碳经济的大环境下，污泥中能源的回收利用是使污水处理走上可持续道路的必然途径。目前，厌氧发酵是目前研究的比较多的污泥处理技术，厌氧发酵的产物挥发性短链脂肪酸可作为碳源回收利于到污水处理厂的脱氮除磷过程中。挥发性短链脂肪酸包含六种：乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、异戊酸、戊酸，其中乙酸乙酸相比于其它几类酸在脱氮除磷过程中有较高的利用率，因此，提高乙酸在挥发性短链脂肪酸中的占比，会提高发酵液的回收利用价值。
污泥中的胞外聚合物以及微生物的细胞壁、细胞膜等结构阻碍了细胞内有机物的释出。因此，普遍认为污泥水解阶段是污泥厌氧发酵的限制步骤。近年来，为提高污泥厌氧发酵效率，国内外学者对剩余污泥预处理方法进行了广泛的研究并取得诸多成果。预处理方法可促进污泥微生物细胞的裂解，使胞内有机物质从固相转移到液相，提高有机物的可利用性，增强其生物可降解性。
介质阻挡放电低温等离子体技术是一种新型的高级氧化技术，主要原理是通过绝缘介质阻碍金属电极间气体的放电通道，当电场达到一定强度时，电极间的气体则会被击穿从而形成随机分布的丝状放电，会产生大量的带电粒子，这些带电粒子与电极间的O2、N2、H2O等发生碰撞，产生e-、O3、H2O2、OH-等大量自由基和活性粒子并伴有紫外辐射以及冲击波。介质阻挡放电低温等离子体技术具有电极寿命长、能耗低、处理时间短、处理装置简单、可规模化应用等优点。在污泥处理领域，介质阻挡放电低温等离子体技术可用于预处理污泥，从而达到提高污泥厌氧发酵产酸效果，从而提高污泥资源化利用的效率。但是，介质阻挡放电低温等离子体技术对污泥厌氧发酵液质量的影响未见报道。污泥发酵液的质量将直接影响其回收利用的效果，因此，有必要对污泥发酵液的质量进行提升。
发明内容
针对污泥发酵液质量的问题，本发明设计的目的在于提供一种利用介质阻挡放电低温等离子体技术提高厌氧发酵产生挥发性短链脂肪酸的总量及质量的方法。该方法能耗低、处理时间短、处理装置简单，有望进行规模化应用。
本发明通过以下技术方案加以实现：一种利用介质阻挡放电低温等离子体预处理技术强化污泥厌氧发酵产酸质量的方法，介质阻挡放电功率36.8-113.2 W，预处理时间20-40 min的条件下对剩余活性污泥进行预处理，取400 mL预处理后的污泥，与未处理的污泥以5-10:1的比例混合均匀后放置于500 mL的玻璃血清瓶中，向瓶中通入1 min N2以保持厌氧环境，盖紧橡胶塞，置于25-55 ℃的恒温培养箱中进行5-10 天的厌氧消化。
一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法，该设备包括：
示波器和介质阻挡放电反应器，用于对原始污泥进行预处理；
高压电源用于给设备供电；
厌氧消化反应装置和磁力搅拌器，用于恒温培养以及进行中温厌氧消化。
所述的污泥总固体含量为19.8 ± 0.9 g/L，总悬浮固体含量为18.6±0.5 g/L，化学需氧量为130 ± 37 mg/L，pH为7.4 ± 0.3。
本发明的有益效果是：
本发明创造性地提出了一种利用介质阻挡放电低温等离子体技术强化厌氧发酵产酸并提高发酵液质量的方法。介质阻挡放电预处理技术可以破坏污泥的胞外聚合物和微生物细胞结构，促进有机物的释放和利用，本方法可实现污泥发酵定向产酸，提高挥发性短链脂肪酸中乙酸的含量、降低污泥中难降解的有机污染物和重金属含量。本方法为污水处理厂剩余活性污泥的减量化、资源化、无害化提供了新的途径。
附图说明
图1为利用低温等离子体技术提高活性污泥的方法流程图；
图2为介质阻挡放电实验装置示意图；
图3为厌氧消化反应装置图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过实例对本发明给予进一步的说明，当然，本发明不仅限于下述的实施例。
实施例1：一种利用介质阻挡放电低温等离子体技术提高污泥厌氧发酵液质量的方法
介质阻挡放电功率为36.8 W对原始污泥进行预处理（原始污泥理化性质同实施案例1）；预处理时间为30 min；取400 mL预处理后的污泥，与未处理污泥以7:1的比例混合均匀后放入到500 mL玻璃血清瓶中，同时取400 mL未进行任何处理的原始污泥与未处理污泥以7:1的比例混合均匀后放入到500 mL玻璃血清瓶中作为空白对照；对每个瓶通入1 minN2以保持厌氧条件，盖紧橡胶塞，放入到35℃的恒温培养箱中进行中温厌氧消化。厌氧发酵5 天后污泥发酵液中溶解性化学需氧量浓度分别为3097.2 mg/L，是空白组的1.5倍，污泥发酵液中挥发性短链脂肪酸的总量为1640.2 mg CO天/L，是空白组的1.4倍，挥发性短链脂肪酸中乙酸占比为37.0%，是空白组的1.1倍。
一种利用低温等离子体技术提高活性污泥的设备，其特征在于，该设备包括：
示波器和介质阻挡放电反应器，用于对原始污泥进行预处理；
高压电源用于给设备供电；
厌氧消化反应装置和磁力搅拌器，用于恒温培养以及进行中温厌氧消化。
实施例2：一种利用介质阻挡放电低温等离子体技术提高污泥厌氧发酵液质量的方法
介质阻挡放电功率为76.5 W对原始污泥（污泥总固体含量为19.8 ± 0.9 g/L，总悬浮固体含量为18.6 ± 0.5 g/L，化学需氧量为130 ± 37 mg/L，pH为7.4 ± 0.3）进行预处理，预处理时间为30 min；取400 mL预处理后的污泥，与未处理污泥以7:1的比例混合均匀后放入到500 mL玻璃血清瓶中，同时取400 mL未进行任何处理的原始污泥与未处理污泥以7:1的比例混合均匀后放入到500 mL玻璃血清瓶中作为空白对照；对每个瓶通入1 minN2以保持厌氧条件，盖紧橡胶塞，放入到35℃的恒温培养箱中进行中温厌氧消化。厌氧发酵7 天后污泥发酵液中溶解性化学需氧量浓度分别为3209.3 mg/L，是空白组的1.6倍，污泥发酵液中挥发性短链脂肪酸的总量为1788.8 mg CO天/L，是空白组的1.5倍，挥发性短链脂肪酸中乙酸占比为42.0%，是空白组的1.3倍。
一种利用低温等离子体技术提高活性污泥的设备，其特征在于，该设备包括：
示波器和介质阻挡放电反应器，用于对原始污泥进行预处理；
高压电源用于给设备供电；
厌氧消化反应装置和磁力搅拌器，用于恒温培养以及进行中温厌氧消化。
实施例3：一种利用介质阻挡放电低温等离子体技术提高污泥厌氧发酵液质量的方法
介质阻挡放电功率为113.2 W对原始污泥进行预处理（原始污泥理化性质同实施案例1）；预处理时间为30 min；取400 mL预处理后的污泥，与未处理污泥以7:1的比例混合均匀后放入到500 mL玻璃血清瓶中，同时取400 mL未进行任何处理的原始污泥与未处理污泥以7:1的比例混合均匀后放入到500 mL玻璃血清瓶中作为空白对照；对每个瓶通入1 minN2以保持厌氧条件，盖紧橡胶塞，放入到35℃的恒温培养箱中进行中温厌氧消化。厌氧发酵7天后污泥发酵液中溶解性化学需氧量浓度分别为2580.1 mg/L，是空白组的1.3倍，污泥发酵液中挥发性短链脂肪酸的总量为1726.7 mg CO天/L，是空白组的1.5倍，挥发性短链脂肪酸中乙酸占比为40.0%，是空白组的1.2倍。
一种利用低温等离子体技术提高活性污泥的设备，其特征在于，该设备包括：
示波器和介质阻挡放电反应器，用于对原始污泥进行预处理；
高压电源用于给设备供电；
厌氧消化反应装置和磁力搅拌器，用于恒温培养以及进行中温厌氧消化。
结合上表可知：介质阻挡放电预处理技术可以破坏污泥的胞外聚合物和微生物细胞结构，促进有机物的释放和利用，本方法可实现污泥发酵定向产酸，提高挥发性短链脂肪酸中乙酸的含量、降低污泥中难降解的有机污染物和重金属含量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (9)
1.一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对原始污泥进行预处理；
S2、取预处理后的污泥与未处理污泥混合均匀后放入到500 mL玻璃血清瓶中；
S3、向瓶中通入N2以保持厌氧环境，盖紧橡胶塞，置于35℃恒温培养箱中进行厌氧发酵。
2.根据权利要求1所述的一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法，其特征在于：对剩余活性污泥进行预处理的时候介质阻挡放电功率36.8-113.2W，预处理时间为20-40 min。
3.根据权利要求1所述的一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法，其特征在于：预处理后的污泥与未处理的污泥以5-10:1的比例混合均匀后放置于玻璃血清瓶中。
4.根据权利要求1所述的一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法，其特征在于：对每个瓶通入1 min N2以保持厌氧条件，盖紧橡胶塞，放入到25-55 ℃的恒温培养箱中进行中温厌氧消化。
5.根据权利要求2所述的一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法，其特征在于：所述介质阻挡放电功率76.5W。
6.根据权利要求2所述的一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法，其特征在于：所述介质阻挡放电预处理污泥的时间为30min。
7.根据权利要求3所述的一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法，其特征在于：预处理后的污泥与未处理的污泥以7:1的比例混合均匀后放置于玻璃血清瓶中。
8.根据权利要求4所述的一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的方法，其特征在于：所述厌氧发酵的时间为7天。
9.一种利用低温等离子体技术提高活性污泥厌氧发酵效果的设备，其特征在于，该设备包括：
示波器和介质阻挡放电反应器，用于对原始污泥进行预处理；
高压电源用于给设备供电；
厌氧消化反应装置和磁力搅拌器，用于恒温培养以及进行中温厌氧消化。
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