專利名稱：熱堿聯(lián)合預(yù)處理提高剩余污泥產(chǎn)甲烷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種熱堿聯(lián)合預(yù)處理提高剩余污泥產(chǎn)甲烷的方法。
背景技術(shù)：
污水處理過程中，污水中約有45-50%的有機(jī)物會轉(zhuǎn)化為初沉污泥和剩余污泥。這
些污泥中含有大量的有機(jī)物質(zhì)和微生物等污染物質(zhì)，如果不加以處理就容易造成二次污
染。此外，由于污泥處理處置費用通常占到污水處理總操作成本的60%以上，快速增長的城
市剩余污泥必然會導(dǎo)致污水處理成本提高，因此，發(fā)展對城市污泥經(jīng)濟(jì)有效的處理和處置
技術(shù)勢在必行。剩余污泥中含有大量的有機(jī)物質(zhì)(如蛋白質(zhì)、碳水化合物等)和一些重金屬
微量元素(如鐵、鈣、鎂等)，若將包含上述物質(zhì)的剩余污泥直接進(jìn)行焚燒、遠(yuǎn)洋拋棄、土地填
埋，就必然會對環(huán)境造成污染。由于可持續(xù)發(fā)展的社會需求和政府的政策扶持，當(dāng)今固體廢
物處理的重點已從污染控制轉(zhuǎn)向資源化利用。如果能夠?qū)⑽勰嘀泻械拇罅坑袡C(jī)物質(zhì)降解
轉(zhuǎn)化為甲烷等生物質(zhì)能源，這樣就既實現(xiàn)了污泥資源化、穩(wěn)定的目標(biāo)，又同時獲得了經(jīng)濟(jì)效.、
Mo
由于剩余污泥中含有大量的有機(jī)物質(zhì)，使污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，不但能夠回收利用其中的有機(jī)物質(zhì)，還可以有效解決污水處理廠產(chǎn)生過量剩余污泥的難題。有機(jī)固體的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程可分為四個階段，即溶解階段、水解階段、產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段。污泥的溶解和水解速率較慢，是有機(jī)物生物降解過程的限速步驟(例如，文獻(xiàn)Waste Manage.2012，32，542-549 ；Bioresour.Technol.2012, 103, 415-424)。因此，在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中，如果能夠提高污泥的溶解和水解速率，不但可以縮短系統(tǒng)的水力停留時間，提高有機(jī)物的去除率，而且能夠為后續(xù)的產(chǎn)酸過程提供更多的溶解性發(fā)酵底物，進(jìn)而提高甲烷產(chǎn)量。研究者們提出了諸多提高污泥溶解和水解速率的方法，這些方法的基本原理是促使污泥中顆粒態(tài)有機(jī)物分解為小分子溶解態(tài)有機(jī)物，從而提高這些有機(jī)物的生物降解性能，但是通過這些預(yù)處理方法后污泥的甲烷產(chǎn)量仍然不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決剩余污泥產(chǎn)甲烷效率不高的技術(shù)問題，提供一種熱堿聯(lián)合預(yù)處理提高剩余污泥產(chǎn)甲烷的方法。本發(fā)明的研究表明，剩余污泥經(jīng)過熱預(yù)處理后可以顯著提高污泥中的蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物溶解于水中，從而為污泥發(fā)酵產(chǎn)酸提供豐富的可溶于水的有機(jī)基質(zhì)。同時，剩余污泥經(jīng)過初始堿性pH條件預(yù)處理后，可以進(jìn)一步促進(jìn)污泥溶解、水解并持續(xù)產(chǎn)生短鏈脂肪酸。因此，可以利用熱預(yù)處理和初始堿性pH值條件聯(lián)合作用提高剩余污泥水解、產(chǎn)酸效率以及獲得最大化的甲烷產(chǎn)量。本發(fā)明提出的熱堿聯(lián)合預(yù)處理提高剩余污泥產(chǎn)甲烷的方法，利用熱預(yù)處理和初始堿性PH值條件聯(lián)合作用提高污泥生產(chǎn)甲烷的方法，以污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥為原料，通過熱預(yù)處理、控制初始堿性pH值條件以及所述污泥中微生物的作用將污泥中的非溶解狀態(tài)的污泥有機(jī)物，如蛋白質(zhì)和多糖等較多地轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸，并最終充分轉(zhuǎn)化為甲烷。具體步驟如下:
(1)以污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥為原料，將剩余污泥在60-120°C溫度下熱預(yù)處理15-60min，調(diào)節(jié)其初始pH值為8_12，剩余污泥在反應(yīng)器中的停留時間為1_12天，溫度為30-40°C，厭氧發(fā)酵水解、酸化；
(2)將發(fā)酵混合物的pH值調(diào)為中性，并加入體積百分比為8-15%(占剩余污泥體積比)的厭氧顆粒污泥，在30-40°C條件下繼續(xù)厭氧發(fā)酵6-14天產(chǎn)甲烷。本發(fā)明較佳的實施條件是: 雖然所述熱預(yù)處理的溫度條件在60-120 °C與時間條件在15-60min的范圍內(nèi)，都可以與堿性PH值條件聯(lián)合作用進(jìn)一步提高污泥生產(chǎn)短鏈脂肪酸的產(chǎn)量，并且在一定的時間范圍內(nèi)，隨著熱預(yù)處理溫度的上升短鏈脂肪酸的產(chǎn)量也逐漸升高。綜合考慮運行成本和短鏈脂肪酸的產(chǎn)量，故本發(fā)明采用的較佳的熱預(yù)處理溫度為98-102°C，時間為28-32min，微生物作用的初始pH值為10.5-11.5。本發(fā)明中污泥在反應(yīng)器中的溫度為33_37°C，停留時間范圍優(yōu)選為3-12天，更優(yōu)的應(yīng)該停留時間為5-7天。所述厭氧顆粒污泥加入的體積百分比為12.5% ;所述的繼續(xù)厭氧發(fā)酵的溫度為33-37°C ;所述厭氧發(fā)酵的時間為11-13天。通過實驗發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明在熱預(yù)處理溫度為98-102°C，時間為28-32min，微生物作用的初始PH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5-7天，獲得的短鏈脂肪酸的濃度較大。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明方法在產(chǎn)甲烷段，發(fā)酵混合物的pH值調(diào)為中性，并加入體積百分比為12.5%的厭氧顆粒污泥，在33-37°C條件下繼續(xù)厭氧發(fā)酵11-13天產(chǎn)甲烷，其甲烷產(chǎn)量較大。本發(fā)明的有益效果是:
(I)在熱預(yù)處理和初始堿性PH值條件聯(lián)合作用下，污泥產(chǎn)生甲烷的產(chǎn)量顯著高于以上兩者中任何一方單獨作用于污泥所產(chǎn)生甲烷的量。(2)熱預(yù)處理和初始堿性pH值條件聯(lián)合作用可以較好地提高污泥的水解速率，同時提高污泥的產(chǎn)酸速率，從而縮短污泥厭氧發(fā)酵的時間并獲得甲烷產(chǎn)量最大化，這對改進(jìn)和優(yōu)化現(xiàn)有污泥處理系統(tǒng)，節(jié)能降耗、減少運行成本具有一定意義。(3)利用城鎮(zhèn)污水處理廠的剩余污泥生產(chǎn)甲烷，不僅實現(xiàn)了污泥減量化、穩(wěn)定化、資源化以及減少污泥有機(jī)物污染環(huán)境的目的，同時產(chǎn)生了清潔能源沼氣。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明:
實施例1
將10升剩余污泥平均加入到10個相同的2升反應(yīng)器中(反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，內(nèi)徑100mm、高260mm，呈圓柱型)，熱預(yù)處理的溫度分別為60_120°C，時間為15_60min，調(diào)節(jié)初始PH值為8-12，污泥在反應(yīng)器中的停留時間為1-12天，溫度為30-40°C。測得污泥熱水解的較佳條件為98-102°C，時間為28-32min，產(chǎn)酸階段的較佳條件是初始pH值10.5-11.5，在反應(yīng)器中的停留時間5-7天，溫度33-37°C，獲得的短鏈脂肪酸為4361.4毫克每升(以化學(xué)需氧量計)。實施例2
將I升剩余污泥加入到2升的反應(yīng)器中，在熱預(yù)處理溫度為98-102 °C，時間為28-32min,微生物作用的初始pH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5_7天，將混合物pH調(diào)至中性，加入體積百分比為8%的厭氧顆粒污泥，控制溫度為28-32°C，發(fā)酵5-7天，甲烷產(chǎn)量為0.8升。實施例3
將I升剩余污泥加入到2升的反應(yīng)器中，在熱預(yù)處理溫度為98-102 °C，時間為28-32min,微生物作用的 初始pH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5_7天，將混合物pH調(diào)至中性，加入體積百分比為10%的厭氧顆粒污泥，控制溫度為28-32°C，發(fā)酵5-7天，甲烷產(chǎn)量為1.2升。實施例4
將I升剩余污泥加入到2升的反應(yīng)器中，在熱預(yù)處理溫度為98-102 °C，時間為28-32min,微生物作用的初始pH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5_7天，將混合物pH調(diào)至中性，加入體積百分比為12.5%的厭氧顆粒污泥，控制溫度為28-32°C，發(fā)酵5_7天，甲烷產(chǎn)量為
1.8 升。實施例5
將I升剩余污泥加入到2升的反應(yīng)器中，在熱預(yù)處理溫度為98-102 °C，時間為28-32min,微生物作用的初始pH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5_7天，將混合物pH調(diào)至中性，加入體積百分比為15%的厭氧顆粒污泥，控制溫度為28-32°C，發(fā)酵5-7天，甲烷產(chǎn)量為1.5升。實施例7
將I升剩余污泥加入到2升的反應(yīng)器中，在熱預(yù)處理溫度為98-102 °C，時間為28-32min,微生物作用的初始pH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5_7天，將混合物pH調(diào)至中性，加入體積百分比為12.5%的厭氧顆粒污泥，控制溫度為33-37°C，發(fā)酵5_7天，甲烷產(chǎn)量為
2.5 升。實施例8
將I升剩余污泥加入到2升的反應(yīng)器中，在熱預(yù)處理溫度為98-102 °C，時間為28-32min,微生物作用的初始pH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5_7天，將混合物pH調(diào)至中性，加入體積百分比為12.5%的厭氧顆粒污泥，控制溫度為38-42°C，發(fā)酵5_7天，甲烷產(chǎn)量為
2.1 升。實施例7
將I升剩余污泥加入到2升的反應(yīng)器中，在熱預(yù)處理溫度為98-102 °C，時間為28-32min,微生物作用的初始pH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5_7天，將混合物pH調(diào)至中性，加入體積百分比為12.5%的厭氧顆粒污泥，控制溫度為33-37°C，發(fā)酵7_9天，甲烷產(chǎn)量為
2.8 升。實施例8
將I升剩余污泥加入到2升的反應(yīng)器中，在熱預(yù)處理溫度為98-102 °C，時間為28-32min,微生物作用的初始pH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5_7天，將混合物pH調(diào)至中性，加入體積百分比為12.5%的厭氧顆粒污泥，控制溫度為33-37°C，發(fā)酵9_11天，甲烷產(chǎn)量為
3.6 升。實施例9
將I升剩余污泥加入到2升的反應(yīng)器中，在熱預(yù)處理溫度為98-102 °C，時間為28-32min,微生物作用的初始pH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5_7天，將混合物pH調(diào)至中性，加入體積百分比為12.5%的厭氧顆粒污泥，控制溫度為33-37°C，發(fā)酵11-13天，甲烷產(chǎn)量為5.8 升。實施例10
將I升剩余污泥加入到2升的反應(yīng)器中，在熱預(yù)處理溫度為98-102 °C，時間為28-32min,微生物作用的初始pH值為10.5-11.5，厭氧發(fā)酵5_7天，將混合物pH調(diào)至中性，加入體積百分比為12.5%的厭氧顆粒污泥，控制溫度為33-37°C，發(fā)酵13-15天，甲烷產(chǎn)量為
5.6 升。上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施 例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.熱堿聯(lián)合預(yù)處理提高剩余污泥產(chǎn)甲烷的方法，其特征在于，具體步驟如下: (1)以污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥為原料，將剩余污泥在60-120°C溫度下熱預(yù)處理15-60min,調(diào)節(jié)其初始pH值為8_12，剩余污泥在反應(yīng)器中的停留時間為1_12天，溫度為30-40°C，厭氧發(fā)酵水解、酸化； (2)將發(fā)酵混合物的pH值調(diào)為中性，并加入占剩余污泥體積百分比為8-15%的厭氧顆粒污泥，在30-40°C條件下繼續(xù)厭氧發(fā)酵6-14天產(chǎn)甲烷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱堿聯(lián)合預(yù)處理提高剩余污泥產(chǎn)甲烷的方法，其特征在于，所述污泥熱預(yù)處理的溫度為98-102°C，時間為28-32min，初始pH值為10.5-11.5，剩余污泥在反應(yīng)器中的停留時間為，5-7天，溫度為33-37°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱堿聯(lián)合預(yù)處理提高剩余污泥產(chǎn)甲烷的方法，其特征在于，所述污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷段加入?yún)捬躅w粒污泥的體積為12.5%，溫度為33-37°C，厭氧發(fā)酵時間為11-13天 。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種熱堿聯(lián)合預(yù)處理提高剩余污泥產(chǎn)甲烷的方法。本發(fā)明把剩余污泥經(jīng)過熱預(yù)處理后可以顯著提高污泥中的蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物溶解于水中，從而為污泥發(fā)酵產(chǎn)酸提供豐富的可溶于水的有機(jī)基質(zhì)。同時，剩余污泥經(jīng)過初始堿性pH條件預(yù)處理后，可以進(jìn)一步促進(jìn)污泥溶解、水解并持續(xù)產(chǎn)生短鏈脂肪酸。因此，可以利用熱預(yù)處理和初始堿性pH值條件聯(lián)合作用較多地提高剩余污泥水解、產(chǎn)酸效率以及獲得甲烷產(chǎn)量的最大化。
文檔編號C02F11/04GK103172242SQ20131006636
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者張棟, 高鵬, 賈舒婷, 董濱, 戴曉虎 申請人:同濟(jì)大學(xué)