CN104404090A - 一种促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法。属于固体废物处理及资源化技术领域。该方法为了解决污泥厌氧消化过程中水解速率低、短链脂肪酸积累不足的问题。先通过亚硝酸盐预处理，提高污泥中有机物的溶出，再通过调节pH值至碱性进一步促进污泥厌氧发酵过程中有机物的水解及短链脂肪酸的积累，同时抑制产甲烷微生物的活性，从而提高短链脂肪酸的产量。本发明能够有效地缩短污泥厌氧发酵的停留时间，提高产酸效率，并且达到污泥减量化以及资源化的目的。
Description
技术领域
本发明属于环境保护以及固体废弃物资源化技术领域，具体涉及一种利用亚硝酸盐预处理耦合碱性消化促进污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法。
背景技术
随着活性污泥法广泛用于城市及工业废水处理工艺中，产生的剩余污泥的处理处置问题受到了越来越多学者的重视，而如何实验剩余污泥的减量化和资源化成为研究的热点。污泥主要由微生物群体及依附的大量有机物组成，其含量约占60％，生物易降解的有机组分在40％以上，它们是微生物丰富的营养源。有效利用其潜在碳源成为研究剩余污泥污染控制以及资源开发的关键。
近年来，厌氧发酵技术由于其操作简单、运行成本低及副产品附加价值高等优点，成为剩余污泥处理的一个新热点。其中，厌氧酸化过程中产生的短链脂肪酸，不仅可直接用于污水处理厂脱氮除磷的外加碳源，而且有着广泛的应用和许多潜在的工业用途。污泥厌氧发酵过程主要分为三个阶段：水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段以及产甲烷阶段，而水解阶段一直被认为是厌氧发酵过程中的限速阶段。
文献1(Kun Luo et al.Bioresource Technology,2011,102,7103-7110)报道了十二烷基硫酸钠(SDS)与水解酶联用促进污泥水解和酸化阶段。其缺点是十二烷基硫酸钠作为一种化学表面活性剂，无法生物降解，长期存在对环境有一定的毒害作用，而且两种试剂的使用大大地增加了运行成本。
文献2(U.Neis et al.Journal of EnvironmentalScience and Health,Part A,2008,43,1541-1545)采用超声对剩余污泥进行预处理，研究发现厌氧发酵后产气量提高了30％。然而，超声预处理方法能耗较大，对设备要求较高，有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法。旨在提高污泥厌氧发酵水解速率，从而促进发酵产酸的方法，将亚硝酸盐预处理与碱性消化耦合提高厌氧发酵生产有机酸的产量。
实现本发明目的的技术解决方案为：
本发明采用亚硝酸盐预处理耦合碱性消化，旨在提高剩余污泥厌氧发酵产酸量。具体包括以下具体步骤：
(1)以城市污水处理厂二沉池污泥为原料，加入反应器中，投加亚硝酸盐(以亚硝酸钠为例)，保持一定的预处理时间，使亚硝酸盐水解的游离亚硝酸(FNA)充分对污泥微生物进行破壁作用，细胞内有机物得到大量溶出。
(2)调节反应器pH值至碱性后，充氮去氧10min，密封反应器，充分混匀污泥体系，在恒温振荡箱中进行厌氧发酵。
步骤(1)中所述的亚硝酸盐的用量为NO2 -浓度与污泥样品的干重比值范围为(0.005-1.0)：1，进一步优选为(0.02-0.2):1。
步骤(1)中所用的剩余污泥，建议使污泥pH值在3.0-7.0的条件下与亚硝酸盐接触，已达到更佳预处理效果。
步骤(1)中预处理时间调节为2小时-2天。
步骤(2)中反应器pH值调节为8-12。
步骤(2)中发酵温度为20-40℃。发酵时间为2-10天。
本发明应用亚硝酸盐预处理耦合碱性消化技术促进剩余污泥厌氧发酵产酸的基本原理为：
亚硝酸盐与污泥接触后，产生的游离亚硝酸以及反应衍生物(例如N2O3和NO2)，能有效地破坏污泥中的细胞结构，使细胞内的有机物得到释放；同时，由于微生物的裂解，污泥絮体中胞外聚合物(EPS)得到释放，进一步加快有机质的溶出，这可显著地为提高了可溶性糖和蛋白的浓度，为产酸阶段提供更多的底物。另外，亚硝酸盐的投加提高了污泥体系的氧化还原电位(ORP)，抑制了产甲烷微生物的活性，减少短链脂肪酸的消耗；将亚硝酸盐预处理后的污泥调节pH值至碱性，能进一步促进污泥水解，为产酸菌提供适宜的生长条件以及抑制产甲烷菌群的活性。最终达到污泥厌氧发酵中短链脂肪酸的积累。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)应用亚硝酸盐预处理技术，对污泥中微生物有很强的杀灭作用。即使在很低的浓度下，也能促使胞外聚合物裂解，释放细胞内及细胞外的有机物，从而增强污泥的生物降解性，有效地强化污泥水解，显著促进水解阶段蛋白质和可溶性糖等的溶出，提高了污泥厌氧发酵产酸的速率，有效地实现了污泥减量化、资源化的目的。
(2)应用碱性消化技术，将污泥调节至碱性条件，不仅进一步强化水解阶段有机质的溶出，同时抑制产甲烷过程，短链脂肪酸得到积累。
(3)将亚硝酸盐预处理与碱性消化耦合，能大大提高污泥有机质的溶出，加快污泥水解速率，从而缩短污泥发酵时间，节省运行成本。
(4)理论上亚硝酸盐溶液可用高氨氮废水替代，从而实现污泥厌氧发酵与反硝化同时进行；这对降低污泥处理费用有一定的实际价值，对后续工程化应用提供指导方向。
附图说明
图1是不同亚硝酸盐投加量预处理后，污泥上清液中有机物的溶出情况。
图2是污泥厌氧发酵6天时，亚硝酸盐投加量对短链脂肪酸积累浓度的影响。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
实施例1
取250mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸。预处理中亚硝酸盐投加量保证NO2 -＝0.05g/g DS，预处理时间为24h，pH为5.0。碱性消化过程中充氮去氧10min，pH值调节为9.0，反应温度为30±1℃，在反应器中停留时间为3天，所产短链脂肪酸为873毫克每升。
实施例2
取250mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸。预处理中亚硝酸盐投加量保证NO2 -＝0.1g/g DS，预处理时间为24h，pH为5.0。碱性消化过程中充氮去氧10min，pH值调节为9.0，反应温度为30±1℃，在反应器中停留时间为3天，所产短链脂肪酸为1045毫克每升。
实施例3
取250mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸。预处理中亚硝酸盐投加量保证NO2 -＝0.2g/g DS，预处理时间为24h，pH为5.0。碱性消化过程中充氮去氧10min，pH值调节为9.0，反应温度为30±1℃，在反应器中停留时间为3天，所产短链脂肪酸为781毫克每升。
实施例4
取250mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸。预处理中亚硝酸盐投加量保证NO2 -＝0.1g/g DS，预处理时间为24h，pH为7.0。碱性消化过程中充氮去氧10min，pH值调节为9.0，反应温度为30±1℃，在反应器中停留时间为3天，所产短链脂肪酸为642.5毫克每升。
实施例5
取250mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸。预处理中亚硝酸盐投加量保证NO2 -＝0.1g/g DS，预处理时间为24h，pH为5.0。碱性消化过程中充氮去氧10min，pH值调节为9.0，反应温度为30±1℃，在反应器中停留时间为6天，所产短链脂肪酸为2359.9毫克每升。
实施例6
取250mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸。预处理中亚硝酸盐投加量保证NO2 -＝0.2g/g DS，预处理时间为24h，pH为5.0。碱性消化过程中充氮去氧10min，pH值调节为9.0，反应温度为30±1℃，在反应器中停留时间为6天，所产短链脂肪酸为1242.2毫克每升。
实施例7
取250mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸。预处理中亚硝酸盐投加量保证NO2 -＝0.05g/g DS，预处理时间为24h，pH为5.0。碱性消化过程中充氮去氧10min，pH值调节为9.0，反应温度为30±1℃，在反应器中停留时间为6天，所产短链脂肪酸为1821.3毫克每升。
对比例1
取250mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸，预处理中不添加亚硝酸盐溶液，预处理时间为24h，pH为5.0。碱性消化过程中充氮去氧10min，pH值调节为9.0，反应温度为30±1℃，在反应器中停留时间为6天，所产短链脂肪酸为818.8毫克每升。
对比例2
取250mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸，预处理中不添加亚硝酸盐溶液，预处理时间为24h，pH为5.0。碱性消化过程中充氮去氧10min，pH值调节为5.0，反应温度为30±1℃，在反应器中停留时间为3天，所产短链脂肪酸为508.2毫克每升。
上述实施例与对比例反映了亚硝酸盐预处理耦合碱性消化技术中关键参数对污泥产酸的影响，便于该技术领域的技术人员做适当的改动和修饰，本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。
图1是实施例1、实施例2、实施例3以及对比例1中亚硝酸盐预处理后的水解情况，反映了亚硝酸盐的投加促进了污泥中有机质的溶出。
图2所反映了实施例1、实施例2、实施例3以及对比例1的产酸情况，说明在试验范围内，亚硝酸盐投加量NO2 -＝0.1g/g DS为最佳投加量。
上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，先通过亚硝酸盐预处理，提高污泥中有机物的溶出，再通过调节pH值至碱性，进行碱性消化进一步促进污泥厌氧发酵过程中有机物的水解及短链脂肪酸的积累，同时抑制产甲烷微生物的活性，从而提高短链脂肪酸的产量。
2.根据权利要求1所述的促进剩余污泥厌氧发酵产酸方法，其特征在于：所述的污泥包括污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥。
3.根据权利要求1所述的促进剩余污泥厌氧发酵产酸方法，其特征在于：亚硝酸盐的用量为NO2-浓度与污泥样品的干重比值范围为(0.005-1.0)：1。
4.根据权利要求3所述的促进剩余污泥厌氧发酵产酸方法，其特征在于：亚硝酸盐的用量为NO2-浓度与污泥样品的干重比值范围为(0.02-0.2):1。
5.根据权利要求1所述的促进剩余污泥厌氧发酵产酸方法，其特征在于：亚硝酸盐预处理过程中污泥pH为3.0-7.0。
6.根据权利要求1所述的促进剩余污泥厌氧发酵产酸方法，其特征在于：亚硝酸盐预处理时间调节为2小时-2天。
7.根据权利要求1所述的促进剩余污泥厌氧发酵产酸方法，其特征在于：碱性消化过程之前先充氮去氧；污泥厌氧发酵过程中，pH值调节为8-12，
8.根据权利要求7所述的促进剩余污泥厌氧发酵产酸方法，其特征在于：pH值调节为9-11。
9.根据权利要求1所述的促进剩余污泥厌氧发酵产酸方法，其特征在于：污泥厌氧发酵产酸的运行时间为2-10d。
10.根据权利要求1所述的促进剩余污泥厌氧发酵产酸方法，其特征在于：污泥厌氧发酵温度为20-40℃。
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