CN114592014A - 一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法。本发明为解决目前剩余污泥存在的碳源转化效率低下的技术瓶颈，旨在通过硝酸盐光解预处理与厌氧发酵耦合改善剩余污泥发酵产酸性能。方法如下：一、硝酸盐光解预处理剩余污泥，强化剩余污泥胞外聚合物破解和溶胞效能，为后续厌氧发酵产酸提供充足的底物；二、污泥厌氧发酵，在水解细菌和产酸细菌的作用下将大分子有机物转化成小分子挥发酸。硝酸盐光解预处理强化剩余污泥产酸与传统的预处理方法相比有着成本低廉、无二次污染风险等优点，且能达到理想的破壁和溶胞效果，对实现污泥的减量化、无害化和资源化具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体为一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法。
背景技术
随着城市化进程加快，我国污水处理厂建设规模逐步扩大，活性污泥法作为一种成熟的污水处理技术，在城市污水处理中被广泛应用。剩余污泥作为污水生物处理过程中的副产物，其产量逐年增加。剩余污泥中含有大量有毒有害物质，不合理的处理处置会对环境造成更加严重的二次污染，制约社会经济的可持续发展。同时剩余污泥中也蕴含大量的有机质和营养物质，可开发有效的处理方法进行资源和能源回收，实现污泥的减量化、无害化和资源化。挥发性脂肪酸是污泥厌氧发酵过程中重要的中间代谢产物，具有较高的附加值，它可以作为能源物质的重要前驱物，也可以作为碳源用于强化污水脱氮除磷效率，另外，大量污泥在污水厂内部实现资源化利用，可以节约运输等方面的成本。因此，采用生物技术策略控制污泥厌氧发酵过程以获取挥发性脂肪酸成为了目前的研究重点。
目前传统的污泥厌氧发酵过程存在污泥停留时间较长，有机质利用不充分、转化率低等问题，因此有必要辅以一定的处理手段使污泥有效破壁和溶胞。硝酸盐光解可以产生活性氮自由基和活性氧自由基，已证实其具有氧化新兴污染物的潜力，因此被广泛应用于降解污水中新兴污染物。
发明内容
本发明是为了解决目前污泥处理周期长、污泥微生物破壁困难、有机质利用率低下、挥发性脂肪酸产量低的技术问题，提供了一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法。
本发明所述方法具体如下步骤进行：
一、剩余污泥取自污水处理厂二沉池，经40目过滤器过滤后于4℃条件下自然沉降，沉降24h后弃去上清液，得到污泥样本，后将污泥样本放入反应器中；
二、向反应器中加入NaNO3贮备液，NaNO3浓度为290~320mgN/L，通入氮气吹扫后密封，控制预处理pH、转速、温度和光照时间，进行预处理，强化剩余污泥胞外聚合物破解和溶胞效能，为后续厌氧发酵产酸提供充足的底物；
三、将步骤二中的污泥置于恒温振荡器中（也可与新鲜剩余污泥混合），控制转速、温度和时间，进行污泥厌氧发酵，在水解细菌和产酸细菌的作用下将大分子有机物转化成小分子挥发酸。
本发明进一步限定的技术方案为：
前述一种硝酸盐光解预处理强化剩余污泥发酵产酸的方法中，步骤一中污泥pH为6.6 ~ 7.5，TSS浓度为20 ~ 30g/L，VSS浓度为10 ~ 15g/L。
前述一种采用硝酸盐光解预处理强化剩余污泥发酵产酸的方法中，步骤二中投加的NaNO3浓度为300 mg N/L。
前述一种采用硝酸盐光解预处理强化剩余污泥发酵产酸的方法中，步骤二中所用紫外灯参数为254 ~ 285nm、28W。
前述一种采用硝酸盐光解预处理强化剩余污泥发酵产酸的方法中，步骤二中调节控制pH值为5 ~ 6。
前述一种采用硝酸盐光解预处理强化剩余污泥发酵产酸的方法中，步骤二中所述发酵温度为30 ~ 35℃，搅拌转速为100 ~ 120rpm，光照时间为10 ~ 15h。
前述一种采用硝酸盐光解预处理强化剩余污泥发酵产酸的方法中，步骤三中恒温振荡器转速为100 ~ 120rpm，发酵温度为30 ~ 35℃，发酵时间4 ~ 10d。
上述各参数有效确保了预处理和厌氧发酵的技术效果。
本发明的原理：本发明提出一种硝酸盐光解预处理强化剩余污泥发酵产酸的方法，目的在于实现剩余污泥中有机物的最大化回收利用。硝酸盐光解产生大量的活性氧自由基和活性氮自由基，有效实现微生物破壁，使细胞内容物释放到液相中，为后续厌氧发酵产酸提供有利条件，实现污泥资源化。
本发明的有益成果：在硝酸盐光解预处理12h后，液相中的溶解性碳水化合物和蛋白质浓度最高达到94.5 mg COD/L和1302.9 mg COD/L，分别是未预处理组的6.7倍和2.3倍，说明硝酸盐光解预处理能破坏污泥微生物细胞结构，有利于胞内有机质的溶出。在后续厌氧发酵过程中，硝酸盐光解预处理后的污泥最大挥发酸产量达到2513.4 mg COD/L，远高于未预处理污泥厌氧发酵组。由此可看出硝酸盐光解预处理剩余污泥的优越性。
本发明提出将硝酸盐光解作为一种新型污泥预处理技术，其具有原料易得、不会造成二次污染等优点，且能达到理想的污泥破壁效果，硝酸盐光解预处理后的污泥厌氧发酵相较传统污泥厌氧发酵，在底物浓度和有机质转化效率方面都展现出明显的优势，使得发酵液整体酸化率提升，达到资源和能源回收最大化的目的。
附图说明
图1为实施例1和对比实验的溶解性碳水化合物浓度在预处理阶段与处理时间的关系图；
图2为实施例1和对比实验的溶解性蛋白质浓度在预处理阶段与处理时间的关系图；
图3为实施例1和对比实验的挥发性脂肪酸峰值组分。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于一下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法方式，具体是按照一下步骤进行的：
一、剩余污泥取自污水处理厂二沉池，经40目过滤器过滤后于4℃条件下自然沉降，沉降24h后弃去上清液，得到污泥样本，后将污泥样本放入反应器中；
二、向反应器中加入NaNO3贮备液，使反应器中硝态氮浓度为300 mg N/L，通入氮气吹扫后密封，在254 ~ 270nm紫外光照条件下，于32 ~ 35℃、搅拌转速102 ~ 115rpm处理11 ~ 14h；
三、将步骤二中的污泥置于恒温振荡器中，搅拌转速100 ~ 110rpm，发酵温度为32~ 35℃，发酵时间5 ~ 10d，进行污泥厌氧发酵。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中的pH值使用1.0 M 的NaOH和HCl调节并控制在5.5 ± 0.1，其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是：步骤二中紫外灯参数为28W，其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：硝酸盐光解预处理后的污泥与新的接种污泥以体积比10:1的比例混合，其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中发酵温度为33 ~ 35℃，发酵时间为10d，其他与具体实施方式一相同。
采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例采用硝酸盐光解预处理强化剩余污泥发酵产酸的方法具体是按照一下步骤进行的：
一、本实施例采用的剩余污泥取自太原市杨家堡污水处理厂二沉池，用40目过滤器过滤后在4℃条件下自然沉降24h，后弃去上清液，获得污泥样本。该污泥样本的TSS浓度为25.7 ± 1.1 g/L，VSS浓度为12.6 ± 0.4 g/L；
二、取4个容积为500ml的厌氧瓶，各加入步骤一中的污泥400ml。加入NaNO3贮备液，使硝态氮浓度达到300 mg N/L，使污泥处于254nm、28W的紫外光照条件下，调节pH为5.5± 0.1，控制温度为35 ± 1℃，转速为120rpm，处理12h；
三、在步骤二中厌氧瓶里各加入40ml步骤一中污泥，在厌氧瓶中通入10 ~ 15min氮气以保证厌氧环境。在转速为110rpm，温度35 ± 1℃下发酵10d。
对比实验一：
未进行硝酸盐光解预处理污泥厌氧发酵产酸的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、本实施例采用的剩余污泥取自太原市杨家堡污水处理厂二沉池，用100目过滤器过滤后在4℃条件下自然沉降24h，后弃去上清液，获得污泥样本。该污泥样本的TSS浓度为25.7 ± 1.1 g/L，VSS浓度为12.6 ± 0.4 g/L；
二、取4个容积为500ml的厌氧瓶，各加入步骤一中的污泥400ml。调节pH为5.5 ±0.1，控制温度为35 ± 1℃，转速为120rpm，处理12h；
三、在步骤二中厌氧瓶里各加入40ml步骤一中污泥，在厌氧瓶中通入10 ~ 15min氮气以保证厌氧环境。在转速为110rpm，温度35 ± 1℃下发酵10d。
对比实验二：
经紫外预处理污泥厌氧发酵产酸的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、本实施例采用的剩余污泥取自太原市杨家堡污水处理厂二沉池，用100目过滤器过滤后在4℃条件下自然沉降24h，后弃去上清液，获得污泥样本。该污泥样本的TSS浓度为25.7 ± 1.1 g/L，VSS浓度为12.6 ± 0.4 g/L；
二、取4个容积为500ml的厌氧瓶，各加入步骤一中的污泥400ml。使污泥处于254nm、28W的紫外光照条件下，调节pH为5.5 ± 0.1，控制温度为35 ± 1℃，转速为120rpm，处理12h；
三、在步骤二中厌氧瓶里各加入40ml步骤一中污泥，在厌氧瓶中通入10 ~ 15min氮气以保证厌氧环境。在转速为110rpm，温度35 ± 1℃下发酵10d。
对比实验三：
经硝酸盐预处理污泥厌氧发酵产酸的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、本实施例采用的剩余污泥取自太原市杨家堡污水处理厂二沉池，用100目过滤器过滤后在4℃条件下自然沉降24h，后弃去上清液，获得污泥样本。该污泥样本的TSS浓度为25.7 ± 1.1 g/L，VSS浓度为12.6 ± 0.4 g/L；
二、取4个容积为500ml的厌氧瓶，各加入步骤一中的污泥400ml。加入NaNO3贮备液，使硝态氮浓度达到300 mgN/L，调节pH为5.5 ± 0.1，控制温度为35 ± 1℃，转速为120rpm，处理12h；
三、在步骤二中厌氧瓶里各加入40ml步骤一中污泥，在厌氧瓶中通入10 ~ 15min氮气以保证厌氧环境。在转速为110rpm，温度35 ± 1℃下发酵10d。
以下结合附图进一步说明。
图1为实施例一和对比实验一至三的溶解性碳水化合物浓度在预处理期间的变化图。预处理过程中10h后溶解性碳水化合物浓度达到最大值，之后浓度下降或趋于平缓，但硝酸盐光解预处理峰值是未预处理的6.7倍。
图2为实施例一和对比实验一至三的溶解性蛋白质浓度在与处理期间的变化图。硝酸盐光解预处理组的溶解性蛋白含量在12h时达到最大值，是未预处理的2.3倍。
图3位实施例一和对比实验一至三的挥发性脂肪酸浓度在发酵过程中达到峰值时的各组分含量。从图中可以看出，硝酸盐光解预处理相较于未预处理剩余污泥在厌氧发酵阶段挥发酸浓度有明显的提高，发酵5d时挥发酸产量达到峰值，为2513.4 mg COD/L。
Claims (8)
1.一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、剩余污泥取自污水处理厂二沉池，经40目过滤器过滤后于4℃条件下自然沉降，沉降24h后弃去上清液，得到污泥样本，后将污泥样本放入反应器中；
二、向反应器中加入NaNO3贮备液，使反应器中NaNO3浓度为290~320mgN/L，通入氮气吹扫后密封反应器，控制反应器内混合物pH为5 ~ 6、发酵温度为30 ~ 35℃，机械搅拌转速为100 ~ 120rpm，紫外灯光照时间为10 ~ 15h，进行预处理；
三、将步骤二中的经过预处理的污泥置于恒温振荡器中，控制速恒温振荡器转速为100~ 120rpm，发酵温度为30 ~ 35℃，发酵时间4 ~ 10d，进行污泥厌氧发酵。
2.根据权利要求1所述的一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于步骤一中污泥样本pH为6.6 ~ 7.5，TSS浓度为20 ~ 30g/L，VSS浓度为10 ~ 15g/L。
3.根据权利要求1所述的一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于步骤二中投加的NaNO3浓度为300 mg N/L。
4.根据权利要求1所述的一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于步骤二中所用紫外灯参数为254 ~ 285nm、28W。
5.根据权利要求1所述的一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于步骤二中调节控制pH值5.5 ± 0.1。
6.根据权利要求1或4所述的一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于步骤二中在254 ~ 270nm紫外光照条件下，于32 ~ 35℃、搅拌转速102 ~ 115rpm处理11 ~ 14h。
7.根据权利要求1所述的一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于步骤三中硝酸盐光解预处理后的污泥与新鲜污泥以10:1的体积比例混合。
8.根据权利要求1或7所述的一种硝酸盐光解强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于步骤三中发酵温度为33 ~ 35℃，发酵时间为10d。
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