CN117776474A - 热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，包括：将剩余污泥通过热处理和碱处理进行预处理，得到热碱预处理的污泥；取经压滤后的剩余污泥，干燥，研磨，热解，制备得到生物炭；将生物炭与热碱预处理的污泥混合，接种厌氧颗粒污泥，进行污泥厌氧消化反应。本发明提高了污泥的水解效率，减少了污泥的产量，降低了污泥处理处置成本。同时增加了甲烷产量，在一定程度上达到了绿色循环和污泥资源化利用的目的。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，涉及一种热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法。
背景技术
随着环保意识的增强，城镇污水处理设施建设不断扩大，污水处理问题取得显著成效。污水处理过程中产生的副产物污泥，也伴随污水处理规模的扩大而大量产出。现如今城镇污水处理设施不断完善，污水处理率已超过90％，但污泥的无害化处置率却小于30％。与污水高处理率形成鲜明对比。针对污泥产量大、基础设施建设滞后、处理处置形势严峻等若干问题，要进一步改善污泥基础设施建设，实现污泥资源化、无害化处理处置。
处理污泥的方式主要包括污泥浓缩、污泥脱水、干化、好氧发酵、厌氧消化等方式，其中浓缩、脱水、干化主要是为了下调污泥含水率，达到减容的目的，以便于后续焚烧、填埋、土地利用、建材利用等方式对其进行最终处置。厌氧消化技术可以利用污泥中的复杂有机物，将其分解转化为生物质能源甲烷，且其运行成本较低，技术安全可靠，是现今最常用的污泥稳定化处理技术。虽然厌氧消化技术可以有效减少剩余污泥产量，但剩余污泥厌氧消化是一个错综复杂的过程，由一系列相互影响、相互作用的反应构成，受到众多因素的制约。传统污泥厌氧消化过程中存在着水解进程缓慢，反应器体积大、系统运行不稳定，使得产甲烷产率低和有机物去除效率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，解决传统污泥厌氧消化过程中存在着水解进程缓慢，效率低的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，包括：
将剩余污泥通过热处理和碱处理进行预处理，得到热碱预处理的污泥；
取经压滤后的剩余污泥，干燥，研磨，热解，制备得到生物炭；
将生物炭与热碱预处理的污泥混合，接种厌氧颗粒污泥，进行污泥厌氧消化反应。
进一步的，所述碱处理过程中的碱选择NaOH、Ca(OH)2或CaO溶液。
进一步的，所述预处理的pH为10～12，反应时间为60min。
进一步的，所述热处理的温度为60～120℃。
进一步的，所述干燥温度为105℃。
进一步的，所述热解温度为300～700℃，升温速率为5℃/min，热解时间为2h。
进一步的，所述生物炭与热碱预处理的污泥加入质量之比为1:1、1:2或2:1。
进一步的，所述厌氧颗粒污泥的接种比例为7:1。
进一步的，所述厌氧消化反应条件为：通入氮气排除污泥中的空气，在无氧条件下，放置于35±1℃的水浴摇床中进行厌氧消化反应。
进一步的，所述厌氧消化反应过程中pH维持在7.4～8.2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，首先用热碱预处理方法促进污泥破碎，提高了污泥水解效率，增加了溶解性蛋白质和溶解性多糖的溶出量，提高污泥的水解效率和产甲烷势，得到热碱预处理的污泥。其次，用污水处理厂产生的剩余污泥在一定温度条件下制备污泥基的生物炭，并将生物炭添加到热碱预处理的污泥中，将两者混合后，接种厌氧颗粒污泥，添加至厌氧消化系统中，生物炭良好的表面特性能够为厌氧微生物的富集提供良好的固着场所，使消化系统中微生物多样性有明显提升，产甲烷功能细菌和古菌结构发生变化，甲烷古菌优势菌属丰度大幅提升，从而优化了微生物群落的结构，提高了系统稳定性，增加了甲烷产量。本发明有效提高了污泥的水解效率，减少了污泥的产量，降低了污泥处理处置成本。同时增加了甲烷产量，在一定程度上达到了绿色循环和污泥资源化利用的目的。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明的热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明提供一种热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，包括以下步骤：
将剩余污泥在60～120℃下，通过NaOH、Ca(OH)2或CaO溶液将pH调整至10～12，反应时间为60min，得到热碱预处理的污泥；
取经压滤后的剩余污泥，在105℃下干燥处理，研磨后过100目筛，热解，制备得到生物炭；
将生物炭与热碱预处理的污泥以质量比为1:1、1:2或2:1混合，以7:1的比例接种厌氧颗粒污泥后，置于厌氧反应瓶中，向瓶中通入氮气5min排除瓶中的空气，连接好反应装置后，将厌氧反应瓶放置于35±1℃的水浴摇床中，进行污泥厌氧消化反应，在整个厌氧消化反应过程中，pH均维持在7.4～8.2之间。在无氧条件下，污泥中的有机物被厌氧微生物进行降解和稳定。
优选地，制备生物炭时的热解温度为300～700℃，升温速率为5℃/min，热解时间为2h。
实施例1：
将剩余污泥通过热处理和碱处理进行预处理：取100mL的剩余污泥于锥形瓶中，用4mol/L的NaOH调节pH至10，置于120℃温度条件下反应60min，得到热碱预处理的污泥。此时SCOD、溶解性蛋白质与多糖的溶出量分别为153.9mg/gMLSS、68.4mg/gMLSS与11.6mg/gMLSS，MLSS与MLVSS的削减率分别为11％与24.6％，预处理后pH为8.2，产甲烷潜力BMP为303.7mL/gVSS，较原始污泥提高了133.2％，从而达到使污泥中的大分子物质转化为溶解性有机物，提高污泥的水解效率的目的。
取经压滤后的剩余污泥，将剩余污泥在105℃烘箱中烘干后，研磨过100目筛子。以5℃/min的速度升温至500℃，并在500℃的温度条件下热解2h，制备得到生物炭。
将制备的生物炭添加到热碱预处理的污泥中，两者按照1：1的比例进行混合，然后接种厌氧颗粒污泥，将其添加到厌氧反应器中进行污泥厌氧消化反应。
实施例2：
将剩余污泥通过热处理和碱处理进行预处理：取100mL的剩余污泥于锥形瓶中，用4mol/L的NaOH调节pH至10，置于120℃温度条件下反应60min，得到热碱预处理的污泥。
取经压滤后的剩余污泥，将剩余污泥在105℃烘箱中烘干后，研磨过100目筛子。以5℃/min的速度升温至300℃，并在300℃的温度条件下热解2h，制备得到生物炭。
将制备的生物炭添加到热碱预处理的污泥中，两者按照1：1比例进行混合，然后接种厌氧颗粒污泥，将其添加到厌氧反应器中进行污泥厌氧消化反应。
实施例3：
将剩余污泥通过热处理和碱处理进行预处理：取100mL的剩余污泥于锥形瓶中，用4mol/L的NaOH调节pH至10，置于120℃温度条件下反应60min，得到热碱预处理的污泥。
取经压滤后的剩余污泥，将剩余污泥在105℃烘箱中烘干后，研磨过100目筛子。以5℃/min的速度升温至700℃，并在700℃的温度条件下热解2h，制备得到生物炭。
将制备的生物炭添加到热碱预处理的污泥中，两者按照1：2比例进行混合，然后接种厌氧颗粒污泥，将其添加到厌氧反应器中进行污泥厌氧消化反应。
实施例4：
将剩余污泥通过热处理和碱处理进行预处理：取100mL的剩余污泥于锥形瓶中，用4mol/L的NaOH调节pH至10，置于120℃温度条件下反应60min，得到热碱预处理的污泥。
取经压滤后的剩余污泥，将剩余污泥在105℃烘箱中烘干后，研磨过100目筛子。以5℃/min的速度升温至500℃，并在500℃的温度条件下热解2h，制备得到生物炭。
将制备的生物炭添加到热碱预处理的污泥中，两者按照1：2比例进行混合，然后接种厌氧颗粒污泥，将其添加到厌氧反应器中进行污泥厌氧消化反应。
实施例5：
将剩余污泥通过热处理和碱处理进行预处理：取100mL的剩余污泥于锥形瓶中，用4mol/L的NaOH调节pH至10，置于120℃温度条件下反应60min，得到热碱预处理的污泥。
取经压滤后的剩余污泥，将剩余污泥在105℃烘箱中烘干后，研磨过100目筛子。以5℃/min的速度升温至500℃，并在500℃的温度条件下热解2h，制备得到生物炭。
将制备的生物炭添加到热碱预处理的污泥中，两者按照2：1比例进行混合，然后接种厌氧颗粒污泥，将其添加到厌氧反应器中进行污泥厌氧消化反应。
对比例：
将剩余污泥通过热处理和碱处理进行预处理：取100mL的剩余污泥于锥形瓶中，用4mol/L的NaOH调节pH至10，置于120℃温度条件下反应60min，得到热碱预处理的污泥。
将热碱预处理的剩余污泥接种厌氧颗粒污泥，将其添加到厌氧反应器中进行厌氧消化反应，作为对比实验。
实施例1～5和对比例的累积甲烷产量结果如表1所示：
表1累积甲烷产量结果
| 组别 | 累积甲烷产量/mL |
| 实施例1 | 1664 |
| 实施例2 | 1567 |
| 实施例3 | 1643 |
| 实施例4 | 1529 |
| 实施例5 | 1543 |
| 对比例 | 1229 |
由表1结果可知，实施例1的累积甲烷产量与对比例相比提高了35.4％，实施例2的累积甲烷产量与对比例相比提高了27.5％，实施例3的累积甲烷产量与对比例相比提高了33.7％，实施例4的累积甲烷产量与对比例相比提高了24.4％，实施例5的累积甲烷产量与对比例相比提高了25.5％。说明本发明制备的生物炭与热碱预处理联合有效促进了中间产物挥发性脂肪酸的代谢与转化，强化了产甲烷过程，提高了甲烷产量，形成稳定的代谢体系。
本发明提供的处理技术将污水处理厂的剩余污泥进行热碱预处理，通过预处理促进剩余污泥细胞破解和有机物释放，有利于污泥中的大分子物质转化为溶解性有机物，提高污泥的水解效率和产甲烷势。
通过污水处理厂产生的剩余污泥来制备生物炭，制备的生物炭表面含有丰富的官能团种类与数量，能够使得生物炭具有良好的充放电性能，在厌氧消化过程中可通过氧化还原活性的官能团进行反复供给和接受电子，介导微生物种间电子传递加快反应的进程。生物炭良好的表面特性能够为厌氧微生物的富集提供良好的固着场所，使消化系统中微生物多样性有明显提升，产甲烷功能细菌和古菌结构发生变化，甲烷古菌优势菌属丰度大幅提升，从而优化了微生物群落的结构。
将制备好的生物炭与经过预处理的污泥按一定比例进行混合，投入厌氧消化系统能提高其产甲烷能力，以达到污泥资源化利用的目的。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，包括：
将剩余污泥通过热处理和碱处理进行预处理，得到热碱预处理的污泥；
取经压滤后的剩余污泥，干燥，研磨，热解，制备得到生物炭；
将生物炭与热碱预处理的污泥混合，接种厌氧颗粒污泥，进行污泥厌氧消化反应。
2.根据权利要求1所述的热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，所述碱处理过程中的碱选择NaOH、Ca(OH)2或CaO溶液。
3.根据权利要求1所述的热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，所述预处理的pH为10～12，反应时间为60min。
4.根据权利要求1所述的热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，所述热处理的温度为60～120℃。
5.根据权利要求1所述的热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，所述干燥温度为105℃。
6.根据权利要求1所述的热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，所述热解温度为300～700℃，升温速率为5℃/min，热解时间为2h。
7.根据权利要求1所述的热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，所述生物炭与热碱预处理的污泥加入质量之比为1:1、1:2或2:1。
8.根据权利要求1所述的热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，所述厌氧颗粒污泥的接种比例为7:1。
9.根据权利要求1所述的热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，所述厌氧消化反应条件为：通入氮气排除污泥中的空气，在无氧条件下，放置于(35±1)℃的水浴摇床中进行厌氧消化反应。
10.根据权利要求1所述的热碱预处理联合污泥基生物炭强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，所述厌氧消化反应过程中pH维持在7.4～8.2。
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