CN115028328A - 一种循环处理剩余污泥生产甲烷的方法 - Google Patents
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Abstract
一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，是以高铁酸钾和次氯酸钠作为复合调理剂调理污泥，将调理后的污泥进行第一次厌氧消化得到沼渣，将沼渣脱水至含水量为0‑3%后在氮气保护下进行热解制备成生物炭，然后将生物炭作为厌氧辅助剂加入新鲜的污泥中进行厌氧消化，形成循环处理。本发明循环处理剩余污泥过程中，通过厌氧消化后，极大减少热解物体积，降低热解能耗，在循环处理过程中，热解产气热值稳定在14.23 MJ/Nm3，产率达到为43.48%，制备的含铁沼渣生物炭产率为39.4%，比表面积为59.76m2/g、孔容积为0.17cm3/g，厌氧消化产气过程中，甲烷占比分别为70.52%，产能约为15.16KWh，且将厌氧消化产气的周期缩短至15‑18天，产气峰值提前到第10‑12天。
Description
技术领域
本发明涉及环境治理技术领域，具体涉及一种利循环处理剩余污泥生产甲烷的方法。
背景技术
城市剩余污泥是一种污水处理过程中的副产物，由细菌、病毒及其吸附的有机物组成，其中含有铜、锌、汞等重金属和多氯联苯、二噁英等有毒有害物质，这使得污泥具有较大的毒性和较高的处理难度，随着无水处理量的逐年递增，污泥的产量也快速增长。现有技术中如专利CN109179927A中将污泥破解、脱水然后热解制备生物炭，循环应用到污泥中进行调理，促进污泥脱水和产氢气。但是该方法中脱水后的污泥进行热解耗能极大，加大了处理过程中的经济投入，且标况下，甲烷的热值为35.82MJ/Nm3，是氢气的热值(10.80MJ/Nm3)的3.5倍，因此我们考虑将剩余污泥处理产甲烷。
厌氧消化技术已经被用于污泥处理中。厌氧消化是指通过微生物将有机质转化为CH4、CO2的过程，是是污泥减量化、稳定化的常用手段之一。厌氧消化分为三大阶段：水解酸化阶段、乙酸化阶段和甲烷化阶段；而水解酸化和乙酸化过程控制不当，会导致pH降低，从而影响产甲烷菌的生活环境，进而影响污泥厌氧消化效果，使得厌氧消化产气率低、产气热值不高，挥发性脂肪酸(VFAs)积累，导致厌氧过程的不稳定。
发明内容
本发明目的在于提供一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于：以高铁酸钾和次氯酸钠作为复合调理剂调理污泥，将调理后的污泥厌氧消化得到沼渣，将沼渣脱水至含水量为0-3％后在氮气保护下进行热解制备成生物炭，然后将生物炭作为厌氧辅助剂加入新鲜的污泥中进行厌氧消化，形成循环处理。
上述沼渣脱水过程是依次进行抽滤和干化，先抽滤至含水量为80–90％，，然后在105℃下干化至含水量为0–3％。
进一步，上述调理过程中调理剂总量为0.05g/gTSS，其中高铁酸钾和次氯酸钠按照质量比为4-5:1混合。
进一步，上述厌氧消化时间为21天。
进一步，上述热解的温度为850-900℃，热解时间为20-30min。
进一步，在循环过程中，生物炭的添加量为0.01g/gTSS。
在循环体系中，甲烷主要产自厌氧消化过程，而传统的厌氧消化周期较长，有的长达60-70天，添加了过渡金属盐作为破解剂促进厌氧消化，也只能将周期缩短至40天左右，且由于高铁酸钾等破解剂处理后进行厌氧消化过程产气率较低，其中甲烷占比较小。
本发明中采用高铁酸钾和次氯酸钠复合作为调理剂，破坏污泥细胞破裂，促进厌氧消化，制得的沼渣在进行脱水过程中，我们发现沼渣含水量为0％的时候，在热解炭化过程中，热解产气的热值及产气率均是较高的，且在该含水率下制备的沼渣生物炭循环进入剩余污泥中，作为新的调理剂，此时高铁酸钾中的Fe6+在高温下转化为Fe3+，其不再是破解剂，而是通过腐蚀反应产生电子，在厌氧消化过程中增加了H2或甲酸盐作为电子供体通过CO2还原生成甲烷。
此外，厌氧过程中如果产酸较多，使得体系pH下降，甲烷菌会受到严重的抑制，导致产气较低，甲烷占比也不高。本发明在高铁酸钾和次氯酸钠复合处理剩余污泥，第一次厌氧消化过程中保证污泥内部的适宜pH环境，抑制该过程中过度产酸，从而在后续制备沼渣生物炭时，提高制备的生物炭的pH以及其表面的理化性质，在沼渣生物炭循环进入新的剩余污泥体系中时，降低产酸菌的生长优势，促进甲烷菌的生长，从而提高甲烷的产生，在不添加新的破解剂的情况下大大缩短了厌氧消化时间。
最具体的，一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于，按如下步骤进行：
(1)将高铁酸钾和次氯酸钠作为复合调理剂加入新鲜剩余污泥中，以600-800rpm速率搅拌3-5min，对剩余污泥进行调理，复合调理剂的用量为0.05g/gTSS，其中高铁酸钾和次氯酸钠的质量比为4-5:1；
(2)将调理后的污泥密封，通入N2，在35-37℃下静置21天得沼渣，将沼渣进行脱水，具体是先在0.5-0.6MPa压力下离心至沼渣含有水分为80-90％，然后将离心后的沼渣在105℃下干化至含水率为0-3％；
(3)将脱水后的沼渣置于850-900℃热解20-30min，得含铁沼渣生物炭；
(4)将含铁沼渣生物炭加入复合剩余污泥中，以600-800rpm搅拌3-5min，然后密封，通入N2，在35-37℃下静置10-12天得沼渣，其中复合剩余污泥是新鲜剩余污泥和已经接种的发酵污泥按照VSS比为1:1混合，形成的含固率为52-53g/L，含铁生物炭的添加量为0.01g/gTSS；
(5)将沼渣进行脱水，具体是先在0.5-0.6MPa压力下离心至沼渣含有水分为65-75％，然后将离心后的沼渣在105℃下干化至含水率为0-3％；
(6)重复步骤(3)-步骤(5)实现循环处理剩余污泥。
本发明具有如下技术效果：
本发明循环处理剩余污泥过程中，通过厌氧消化后，极大减少热解物体积，降低热解能耗，在循环处理过程中，热解产气热值稳定在14.23MJ/Nm3，产率达到为43.48％，制备的含铁沼渣生物炭产率为39.4％，比表面积为59.76m2/g、孔容积为0.17cm3/g，厌氧消化产气过程中，甲烷占比分别为70.52％，产能约为15.16KWh，通过沼渣生物炭处理污泥进行稳定循环，提高了厌氧消化产气中甲烷含量，且将厌氧消化产气的周期缩短至15-18天，产气峰值提前到第10-12天。
附图说明
图1：厌氧消化(AD)过程中TVFAs浓度变化曲线图。
图2：厌氧消化(AD)前后TSS和VSS的浓度变化。
图3：厌氧消化(AD)过程中，不同条件下的导电率变化曲线图。
图4：属级古细菌群落结构图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，按如下步骤进行：
(1)将高铁酸钾和次氯酸钠作为复合调理剂加入新鲜剩余污泥中，以600-800rpm速率搅拌3min，对剩余污泥进行调理，复合调理剂的用量为0.05g/gTSS，其中高铁酸钾和次氯酸钠的质量比为4.5:1；
(2)将调理后的污泥密封，通入N2，在35-37℃下静置21天得沼渣，将沼渣进行脱水，具体是先在0.5MPa压力下离心至沼渣含有水分为90％，然后将离心后的沼渣在105℃下干化至含水率为0％；
(3)将脱水后的沼渣置于900℃热解20min，得含铁沼渣生物炭；
(4)将含铁沼渣生物炭加入复合剩余污泥中，以600rpm搅拌5min，然后密封，通入N2，在37℃下静置12天得沼渣，其中复合剩余污泥是新鲜剩余污泥和已经接种的发酵污泥按照VSS比为1:1混合，形成的含固率为52g/L，含铁生物炭的添加量为0.01g/gTSS；
(5)将沼渣进行脱水，具体是先在0.5MPa压力下离心至沼渣含有水分为75％，然后将离心后的沼渣在105℃下干化至含水率为1％；
(6)重复步骤(3)-步骤(5)实现循环处理剩余污泥。
在热解过程中，沼渣含水率为0-3％时，气体热值为14.23MJ/Nm3，产率达到为43.48％，含铁沼渣生物炭产率为39.4％，制备的生物炭的比表面积为59.76m2/g、孔容积为0.17cm3/g，为更多的甲烷菌提供附着和生长的良好条件，避免产甲烷菌受酸胁迫抑制，将含铁沼渣生物炭循环于新鲜剩余污泥中进行厌氧消化，稳定循环后厌氧消化时间为10-12天时就达到了产气峰值，在厌氧消化至15-18天时不再产气。得到的沼渣再进行热解，其气体产率为37.48％，含铁沼渣生物炭产率为36.6％。
对比例1：
与实施例1不同的是，该方案中采用高铁酸钾作为单一调理剂，且在将沼渣生物炭用于新鲜剩余污泥中进行厌氧消化时间为36天。
在热解过程中，气体热值为13.28MJ/Nm3，气体产率为37.89％，含铁沼渣生物炭产率为35.4％。制备的生物炭的比表面积为50.74m2/g、孔容积为0.11cm3/g。将含铁沼渣生物炭循环于新鲜剩余污泥中进行厌氧消化后，在26-28天时达到产气峰值，厌氧消化至36天左右不再产气，得到的沼渣再进行热解，其气体产率为34.56％，含铁沼渣生物炭产率为36.1％。
以不添加高铁酸钾和次氯酸钠，直接进行厌氧消化、然后在相同条件下热解，热解制备的含铁沼渣生物炭用于循环过程，该方案作为空白组。
将高铁酸钾和次氯酸复合调理后厌氧消化的沼渣和单一高铁酸钾调理厌氧消化的沼渣在不同的含水率条件下进行热解产气，热解温度为900℃，热解时间为20min，其产气的气体热值和产气率如表1所示。
表1：两种沼渣在不同含水量下热解的气体热值和产气率
热解过程中生成的热解气可燃组分主要为合成气、甲烷、轻烃等，气体的组成及占比对于气体热值具有重要影响，热值越高，说明该气体的能量密度越高。而在以往的制备实验中，当沼渣含有一定的水分，对于热解生成可燃气体具有一定的促进作用，然而本发明中却发现，当沼渣含有水分时，会导致产气热值和产气率均出现下降的趋势。
实施例1和对比例1两种沼渣生物炭添加至污泥中，进行厌氧消化，循环稳定后，在单次循环过程中，统计厌氧消化总气体产量分别为736mL和698mL(空白组为266mL)，甲烷累计产量分别为519mL和443mL，甲烷占比分别为70.52％和63.47％(空白组为53％)，本发明中甲烷产量较对比例1提高了17.16％；且明显缩短了产气时间，在厌氧消化产气过程中，产能约为15.16KWh，足以补偿热解能耗。
通过厌氧消化(AD)在水解、酸化、产气三个阶段中对TVFAs浓度变化检测，在水解和酸化阶段，TVFAs值呈迅速上升的趋势，之后急剧下降，空白组、对比例1和本发明的TVFAs在第3天达到最大，分别为8650mg/L、5400mg/L和4980mg/L，可见本发明生物炭明显降低了TVFAs的浓度，具体如图1所示。
AD前后TSS和VSS浓度变化如图2所示，AD能够有效降低TSS、VSS浓度，有利于介绍污泥固体含量，空白组、对比例1和实施例1在AD结束时VSS含量分别下降了28.25％(27.4％)、33.03％(40％)和47.85％，TSS含量分别下降了22.83％(23.4％)、27.00％(46.17％)和52.38％，即本发明制备的污泥生物眼具有较好的降低TSS和VSS的作用。
随着AD时间的变化，不同条件下的导电率如图所示，EC显示了离子强度的水平，在正常的AD条件下，有机物的矿化导致无机离子的释放会导致EC逐渐增加。从图中可以出，随着厌氧时间的变化，EC的浓度呈逐渐上升的趋势。相较于空白组，对比例1的EC浓度有所增高，而实施例1中ED浓度是提高更为明显，具体如图3所示，表明本发明制备的含铁沼渣生物炭显著增强了AD体系的电导率。
为了确定含铁沼渣生物炭对于微生物群落结构的影响，收集对比例1和实施例1方案中AD结束时的固体样本进行高通量测序分析，所有样品的覆盖率均大于0.997，说明数据结果的可靠性。如图4所示，其中甲烷单胞菌(Methanosaeta)是一种乙酰营养型产甲烷菌，只能以乙酸作为唯一底物生产甲烷，而在空百组、对比例1和实施例1中甲烷单胞菌的相对含量占比分别为59.46％、59.99％和58.95％；甲烷杆菌(Methanobacterium)能够利用H2或甲酸盐作为电子供体通过CO2还原生成甲烷，空百组、对比例1和实施例1中占比分别为1.28％、2.12％和2.89％，本发明显著增加了甲烷杆菌的丰度；甲烷球菌(Methanomassiliicoccus)在空百组、对比例1和实施例1中占比分别为4.77％、5.36％和7.41％，可见，本发明制备的含铁沼渣生物炭加入循环处理剩余污泥，有利于促进多种途径产甲烷。
实施例2
一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，按如下步骤进行：
(1)将高铁酸钾和次氯酸钠作为复合调理剂加入新鲜剩余污泥中，以600rpm速率搅拌5min，对剩余污泥进行调理，复合调理剂的用量为0.05g/gTSS，其中高铁酸钾和次氯酸钠的质量比为4:1；
(2)将调理后的污泥密封，通入N2，在35℃下静置21天得沼渣，将沼渣进行脱水，具体是先在0.6MPa压力下离心至沼渣含有水分为80％，然后将离心后的沼渣在105℃下干化至含水率为3％；
(3)将脱水后的沼渣置于880℃热解30min，得含铁沼渣生物炭；
(4)将含铁沼渣生物炭加入复合剩余污泥中，以800rpm搅拌3min，然后密封，通入N2，在35℃下静置10天得沼渣，其中复合剩余污泥是新鲜剩余污泥和已经接种的发酵污泥按照VSS比为1:1混合，形成的含固率为53g/L，含铁生物炭的添加量为0.01g/gTSS；
(5)将沼渣进行脱水，具体是先在0.6MPa压力下离心至沼渣含有水分为70％，然后将离心后的沼渣在105℃下干化至含水率为3％；
(6)重复步骤(3)-步骤(5)实现循环处理剩余污泥。
实施例3
一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，按如下步骤进行：
(1)将高铁酸钾和次氯酸钠作为复合调理剂加入新鲜剩余污泥中，以700rpm速率搅拌4min，对剩余污泥进行调理，复合调理剂的用量为0.05g/gTSS，其中高铁酸钾和次氯酸钠的质量比为5:1；
(2)将调理后的污泥密封，通入N2，在35-37℃下静置21天得沼渣，将沼渣进行脱水，具体是先在0.6MPa压力下离心至沼渣含有水分为85％，然后将离心后的沼渣在105℃下干化至含水率为2％；
(3)将脱水后的沼渣置于850℃热解25min，得含铁沼渣生物炭；
(4)将含铁沼渣生物炭加入复合剩余污泥中，以400rpm搅拌4min，然后密封，通入N2，在36℃下静置11天得沼渣，其中复合剩余污泥是新鲜剩余污泥和已经接种的发酵污泥按照VSS比为1:1混合，形成的含固率为52g/L，含铁生物炭的添加量为0.01g/gTSS；
(5)将沼渣进行脱水，具体是先在0.5MPa压力下离心至沼渣含有水分为65％，然后将离心后的沼渣在105℃下干化至含水率为0％；
(6)重复步骤(3)-步骤(5)实现循环处理剩余污泥。
本发明中使用的剩余污泥是取自重庆市万州新田镇污水处理厂，其中TSS为剩余污泥中总悬浮固体；VSS剩余污泥中的挥发性悬浮固体。
Claims (6)
1.一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于：以高铁酸钾和次氯酸钠作为复合调理剂调理污泥，将调理后的污泥进行第一次厌氧消化得到沼渣，将沼渣脱水至含水量为0-3%后在氮气保护下进行热解制备成生物炭，然后将生物炭作为厌氧辅助剂加入新鲜的污泥中进行厌氧消化，形成循环处理。
2.如权利要求1所述的一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于：所述沼渣脱水过程是依次进行抽滤和干化，先抽滤至含水量为80 – 90 %，然后在105℃下干化至含水量为0–3%。
3.如权利要求1所述的一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于：所述调理过程中调理剂总量为0.05g/gTSS，其中高铁酸钾和次氯酸钠按照质量比为4-5:1混合。
4.如权利要求1所述的一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于：所述第一次厌氧消化时间为21天，之后循环过程中厌氧消化时间为10-12天。
5.如权利要求1所述的一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于：所述热解的温度为850-900℃，热解时间为20-30min。
6.一种循环处理剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于，按如下步骤进行：
（1）将高铁酸钾和次氯酸钠作为复合调理剂加入新鲜剩余污泥中，以600-800rpm速率搅拌3-5min，对剩余污泥进行调理，复合调理剂的用量为0.05g/gTSS，其中高铁酸钾和次氯酸钠的质量比为4-5:1；
（2）将调理后的污泥密封，通入N2，在35-37℃下静置21天得沼渣，将沼渣进行脱水，具体是先在0.5-0.6MPa压力下离心至沼渣含有水分为80-90%，然后将离心后的沼渣在105℃下干化至含水率为0-3%；
（3）将脱水后的沼渣置于850-900℃热解20-30min，得含铁沼渣生物炭；
（4）将含铁沼渣生物炭加入复合剩余污泥中，以600-800rpm搅拌3-5min，然后密封，通入N2，在35-37℃下静置10-12天得沼渣，其中复合剩余污泥是新鲜剩余污泥和已经接种的发酵污泥按照VSS比为1:1混合，形成的含固率为52-53g/L；
（5）将沼渣进行脱水，具体是先在0.5-0.6MPa压力下离心至沼渣含有水分为65-75%，然后将离心后的沼渣在105℃下干化至含水率为0-3%；
（6）重复步骤（3）-步骤（5）实现循环处理剩余污泥。
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