專利名稱：用污水處理廠剩余污泥制氫的熱處理－發(fā)酵產(chǎn)氫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物制氫集成工藝與操作方法，是利用污水處理廠剩余活性污泥經(jīng)調(diào)理和熱預(yù)處理后，再進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)氫氣的集成工藝與操作方法。
背景技術(shù)：
目前，能源主要依靠化石燃料，但這種能源儲(chǔ)量有限，不可再生，且燃燒時(shí)產(chǎn)生CO2和NO、NO2、SO2等氮、硫的氧化物，這些物質(zhì)排放到大氣中，會(huì)嚴(yán)重污染空氣。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，開發(fā)可再生的清潔能源，是當(dāng)務(wù)之急?？稍偕茉从刑柲堋⑺?、風(fēng)能、生物質(zhì)能、氫能等。其中氫能由于其氫氣具有諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，被認(rèn)為是21世紀(jì)理想的清潔新能源。
氫是宇宙中含量最豐富的元素，它以水的形式大量存在于地球上，儲(chǔ)量十分豐富。氫氣的燃燒熱值高，每千克氫燃燒后能放出142.35kJ的熱量，為石油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氫氣在燃燒過程中，除釋放出巨大的能量外，產(chǎn)生的廢物只有水，不會(huì)造成環(huán)境污染，因而又被稱為“清潔燃料”，是真正的無污染的“綠色能源”；作為清潔能源，氫氣廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)、化工工業(yè)；另外作為基本的化工原料，還廣泛應(yīng)用于石油化工、化學(xué)制藥、電子工業(yè)和金屬高溫加工等行業(yè)。
目前常用的制氫方法主要包括純水電解法、水煤氣轉(zhuǎn)化法、甲烷裂化法和熱解石油、天然氣。這些方法需要消耗大量的電力或礦物資源，生產(chǎn)成本普遍較高。生物制氫是利用微生物在常溫常壓下進(jìn)行酶催化反應(yīng)制取氫氣，其底物主要是各種碳水化合物、蛋白質(zhì)等可再生資源(另外，在各種有機(jī)廢物中，這類物質(zhì)的含量也很高)，成本較低。
生物制氫是1938年由M.Mickelson和C.H.Werkman提出來的。生物制氫主要有光合細(xì)菌產(chǎn)氫與發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫兩種方法，它們分別通過光合細(xì)菌和發(fā)酵細(xì)菌的代謝過程進(jìn)行產(chǎn)氫。從生理需求上看，光合細(xì)菌產(chǎn)氫均需要光，因而不能在暗處進(jìn)行，而發(fā)酵細(xì)菌不需要光。在能力學(xué)上，發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫是十分有利的，它們能從產(chǎn)氫的反應(yīng)中獲得比光合細(xì)菌更多的自由能，而且氫酶催化的產(chǎn)氫反應(yīng)不需要ATP。發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)生速率較高，例如，Enterobacter aerogens轉(zhuǎn)化葡萄糖產(chǎn)氫的速率最高為17mmol/g干細(xì)胞·h，而光合菌的產(chǎn)氫速率則低得多(大多數(shù)為5mmolH2/g干細(xì)胞·h)。另外，發(fā)酵產(chǎn)氫所利用的產(chǎn)氫底物是可再生的植物光合作用的產(chǎn)物，是太陽能的一種間接利用，其底物是可再生的。發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫不僅可以利用有機(jī)廢水和各種富含有機(jī)質(zhì)的固體廢棄物產(chǎn)氫，還可同時(shí)有效地處理廢棄物。因而，與利用光合細(xì)菌相比，利用發(fā)酵細(xì)菌進(jìn)行產(chǎn)氫具有明顯優(yōu)勢。
近年來，人們研究了發(fā)酵產(chǎn)氫的可行性物質(zhì)，通常來說可以用于發(fā)酵產(chǎn)氫的物質(zhì)應(yīng)該是具備以下幾項(xiàng)特點(diǎn)碳水化合物含量高；資源豐富，廉價(jià)；具有較高的能量轉(zhuǎn)化率等。目前，發(fā)酵產(chǎn)氫研究中所利用的基質(zhì)廣泛，其中包括1、單純的碳水化合物，如葡萄糖，蔗糖、淀粉等；2、富含碳水化合物的有機(jī)廢水，如糖蜜廢水、制糖廢水、釀酒廢水以及淀粉生產(chǎn)廢水等；3、有機(jī)固體或半固體廢棄物，如城市垃圾、農(nóng)業(yè)固體廢棄物、纖維素以及剩余污泥、家畜糞便等。
隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化的發(fā)展，城市污水的產(chǎn)生及其數(shù)量在不斷增長，這些污水必須經(jīng)過一定處理才能排放，否則會(huì)污染環(huán)境、破壞生態(tài)平衡。生物法(如活性污泥法、生物膜法等)在處理污水的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的剩余污泥，這些污泥必需經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗吞幹?，否則對環(huán)境會(huì)造成二次污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在污水處理廠的全部建設(shè)費(fèi)用中，用于處理污泥的費(fèi)用約占20～50％，有的甚至高達(dá)70％。因此，污泥處理是污水處理系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。剩余污泥主要是生物質(zhì)，其中富含大量的有機(jī)物質(zhì)，比如多糖類，蛋白質(zhì)和脂肪類等。這些有機(jī)物可以通過以回收能源的方式加以有效地穩(wěn)定化、無害化和資源化利用。厭氧消化是常用的污泥處理方法，這種方法能夠減少污泥的體積和質(zhì)量，并以甲烷的形式回收污泥中的生物質(zhì)能。而氫氣僅是污泥厭氧消化過程中的一種中間代謝產(chǎn)物，通常不穩(wěn)定，會(huì)很快為甲烷菌等耗氫菌所利用。因此，要獲得穩(wěn)定的產(chǎn)氫效率，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題一是污泥的熔胞；二是抑制耗氫菌。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種物理與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合的集成工藝，可高效率地利用剩余污泥制氫。本發(fā)明是為了解決污水處理廠剩余污泥處理、處置問題，同時(shí)以氫氣的形式回收污泥中的生物質(zhì)能。
一種污泥制氫的熱處理-發(fā)酵產(chǎn)氫集成方法，它是由污泥調(diào)理、預(yù)熱處理和厭氧發(fā)酵三部分組成；操作方法是將剩余污泥先進(jìn)行濃度/pH調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行熱預(yù)處理，最后通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氫氣。
所述的污泥制氫的熱處理-發(fā)酵產(chǎn)氫集成方法，其是將取自污水處理系統(tǒng)的剩余污泥進(jìn)行濃縮，調(diào)節(jié)濃度至DS 3～20g/L，調(diào)節(jié)其pH值至4.5～9.5，然后進(jìn)行熱預(yù)處理；熱預(yù)處理溫度為60～200℃，壓力為1～1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)，處理時(shí)間為0.25～1.0小時(shí)。
所述的污泥制氫的熱處理-發(fā)酵產(chǎn)氫集成方法，其是將熱預(yù)處理污泥經(jīng)熱交換器，調(diào)節(jié)其溫度至40～50℃，然后進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。厭氧發(fā)酵的溫度為36～38℃，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫時(shí)間為10～40小時(shí)。
本發(fā)明的發(fā)明的特點(diǎn)在于，是以污水處理廠剩余污泥作原料，將污泥進(jìn)行調(diào)理、物理預(yù)處理和厭氧發(fā)酵集成在一個(gè)工藝內(nèi)進(jìn)行高效制氫。污泥濃度調(diào)節(jié)可使污泥濃度控制在最佳范圍以減少能耗和后續(xù)反應(yīng)器的容積；污泥pH值調(diào)節(jié)可使污泥熱預(yù)處理時(shí)效果更佳；熱預(yù)處理可使污泥熔胞，釋放有機(jī)質(zhì)和殺滅耗氫菌；厭氧發(fā)酵可生產(chǎn)氫氣。
本發(fā)明的積極效果是本發(fā)明具有潛在的顯著經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，在清潔能源生產(chǎn)、廢棄資源再生、污泥處理、處置等方面具有巨大的市場和潛力，實(shí)驗(yàn)證明剩余污泥的最大產(chǎn)氫能力達(dá)19.42ml/gVS以上，剩余污泥經(jīng)熱處理、厭氧發(fā)酵后，其脫水性得到明顯改善，污泥量減少。


圖1是本發(fā)明方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明方法包括以下步驟1)污水處理系統(tǒng)的剩余污泥首先進(jìn)入污泥調(diào)節(jié)池1，通過沉淀濃縮將污泥濃度調(diào)節(jié)到3-20g/L，然后再將污泥pH值調(diào)節(jié)到4.5～9.5。
2)經(jīng)調(diào)理后的污泥經(jīng)熱交換器2預(yù)熱，然后進(jìn)入熱預(yù)處理池3，熱預(yù)處理溫度為60～200℃，壓力為1-1.5atm，預(yù)處理時(shí)間為0.25～1.0小時(shí)(h)。
3)經(jīng)熱預(yù)處理的污泥進(jìn)入熱交換器4使污泥溫度降至40～50℃，用攪拌器將其攪拌均勻，然后進(jìn)入發(fā)酵罐5中，在中溫(36～38℃)條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵。制氫反應(yīng)器中制備得到的生物氣，通過氣體分離器6進(jìn)行分離、純化，獲得純氫氣。
4)污泥經(jīng)厭氧發(fā)酵后，排出發(fā)酵罐5，一部分污泥(約10％)作為種泥回流到發(fā)酵罐5中，剩余污泥可以直接用于厭氧消化。
5)在熱交換器4中，污泥的熱量傳遞到傳熱介質(zhì)—水中，該介質(zhì)循環(huán)到熱交換器2，對污泥進(jìn)行預(yù)熱升溫，使系統(tǒng)中熱能得到充分利用。
實(shí)施例1將取自污水處理系統(tǒng)的剩余污泥調(diào)節(jié)到DS 9.93g/L(VS 6.23g/L)在80℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)下預(yù)處理1小時(shí)，然后于室溫下冷卻至50～60℃，用機(jī)械攪拌器將熱預(yù)處理污泥攪拌均勻，取150ml預(yù)處理污泥加入到310ml的厭氧發(fā)酵罐中，用高純氮(99.99％)對污泥鼓泡2分鐘、置換并排除發(fā)酵罐氣相與液相中的氧氣，然后密封，置于空氣浴搖床中，避光攪拌保溫(140～150rpm×37.0±1.0℃)。經(jīng)厭氧發(fā)酵后得到的生物氫中氫氣的最大濃度達(dá)50.2％，生物氣同樣也沒有檢測到甲烷。污泥的氫產(chǎn)摔在17小時(shí)左右達(dá)到最大(7.67ml/gVS)，此后發(fā)生耗氫。
實(shí)施例2將剩余污泥的濃度調(diào)節(jié)到DS 11.71g/L(VS 7.81g/L)，在121℃、1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)下預(yù)處理0.5小時(shí)，此后的操作與實(shí)施例1相同。經(jīng)厭氧發(fā)酵后得到的生物氣中氫氣的最大濃度為47.0％，沒有檢測到甲烷存在。污泥的氫產(chǎn)率在32小時(shí)左右達(dá)到最大(19.42ml/gVS)，此后由于耗氫菌的生長，發(fā)酵罐氣相的氫氣開始被消耗。
權(quán)利要求
1.一種用污水處理廠剩余污泥制氫的熱處理-發(fā)酵產(chǎn)氫方法，其特征在于，是由污泥調(diào)理、預(yù)熱處理和厭氧發(fā)酵三部分組成；是將剩余污泥先進(jìn)行濃度/pH調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行熱預(yù)處理，最后通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氫氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用污水處理廠剩余污泥制氫的熱處理-發(fā)酵產(chǎn)氫方法，其特征在于，將取自污水處理系統(tǒng)的剩余污泥進(jìn)行濃縮，調(diào)節(jié)濃度至DS 3～20g/L，調(diào)節(jié)其pH值至4.5～9.5，然后進(jìn)行熱預(yù)處理；熱預(yù)處理溫度為60～200℃，壓力為1～1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)，處理時(shí)間為0.25～1.0小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用污水處理廠剩余污泥制氫的熱處理-發(fā)酵產(chǎn)氫方法，其特征在于，將熱預(yù)處理污泥經(jīng)熱交換器，調(diào)節(jié)其溫度至40～50℃，然后進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。厭氧發(fā)酵的溫度為36～38℃，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫時(shí)間為10～40小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用污水處理廠剩余污泥產(chǎn)氫的熱處理－發(fā)酵集成工藝與操作方法。該集成工藝主要由污泥調(diào)理、預(yù)熱處理和厭氧發(fā)酵三部分組成，操作方法是將剩余污泥先進(jìn)行濃度/pH調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行熱預(yù)處理，最后通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氫氣。采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌蚴刮勰嘀杏袡C(jī)質(zhì)釋放和有效地抑制污泥厭氧消化過程中的甲烷化，從而穩(wěn)定產(chǎn)生氫氣。當(dāng)剩余污泥在溫度為121℃、壓力為1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)下預(yù)處理0.5小時(shí)，然后進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，其產(chǎn)氫率可達(dá)19.42ml/gVS，氫氣在生物氣中的最大濃度達(dá)47.0％，另外污泥量有不同程度的減少，其脫水性能得到改善。本發(fā)明適用于污水處理廠處理剩余污泥，以氫能形式回收污泥中有機(jī)質(zhì)所含有的生物質(zhì)能。
文檔編號C02F11/04GK1850582SQ200510066428
公開日2006年10月25日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者劉俊新, 肖本益 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心