申請日2015.10.28
公開(公告)日2016.01.20
IPC分類號C02F11/00; C02F11/06; C02F11/04
摘要
本發(fā)明涉及一種提高剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷量的預(yù)處理方法。先向污水處理廠濃縮的剩余污泥中投加過氧化鈣，過氧化鈣投加量為剩余污泥中揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量的5%-20%，接著進(jìn)行微波輻射處理，然后置于30-40℃，攪拌速度為100-200rpm的厭氧消化罐中進(jìn)行厭氧消化，厭氧消化時間為16d左右。結(jié)果表明，過氧化鈣/微波聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)可促進(jìn)顆粒性有機(jī)物的溶解，提高污泥厭氧消化甲烷的產(chǎn)量，且厭氧消化后污泥的脫水性能得到提高。本發(fā)明操作簡單，反應(yīng)條件溫和，用于污水處理廠濃縮剩余污泥的資源化、無害化和減量化，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
摘要附圖
權(quán)利要求書
1.一種提高剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷量的預(yù)處理方法，其特征在于：先將污水處理廠二沉池內(nèi)的剩余污泥濃縮至揮發(fā)性懸浮固體濃度VSS=8g/L-9.5 g/L，接著，將過氧化鈣加入其中并混合均勻，過氧化鈣投加量為剩余活性污泥中揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量的5%-20%，然后微波處理，微波處理的工藝操作條件為：微波輻射功率為160-480W，微波輻射時間為2-6min，處理后的污泥放置于溫度為30-40℃，攪拌速度為100-200rpm的厭氧發(fā)酵罐中進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵天數(shù)為16d左右;收集氣體并測定其中甲烷的含量;
上述過氧化鈣為市售分析純過氧化鈣。
說明書
一種提高剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷量的預(yù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種提高剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷量的預(yù)處理方法。屬于污泥處理與資源化技術(shù)領(lǐng)域。采用微波和過氧化物聯(lián)合使用
背景技術(shù)
目前，世界上應(yīng)用最為廣泛的污水生物處理技術(shù)是活性污泥法，該方法對城市污染負(fù)荷的削減起到了重要的作用。但活性污泥法一直存在一個弊端，就是會產(chǎn)生大量的剩余污泥。隨著污水處理量的日益增加以及污水處理效率的不斷提高，剩余污泥產(chǎn)量呈現(xiàn)遞增趨勢，污泥的處理和處置成為污水處理廠的一大難題。而污泥中含有豐富的有機(jī)成分，若可以回收利用這些資源，將大大降低污泥處理處置所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)壓力。因此，近年來，污泥處理處置已經(jīng)從簡單的污泥填埋轉(zhuǎn)向污泥資源化。利用污泥厭氧消化從污泥中回收生物質(zhì)能—沼氣，是一種非常有應(yīng)用前景的污泥資源化技術(shù)。厭氧消化是在無氧條件下，由兼性菌和專性厭氧菌將有機(jī)物分解為二氧化碳和甲烷的過程。經(jīng)厭氧消化的污泥，不僅可以產(chǎn)生沼氣實(shí)現(xiàn)污泥資源化，還減少了污泥的體積，有利于污泥后續(xù)的處理。污泥厭氧消化可以分為溶解，水解，產(chǎn)酸和甲烷化四個過程。通常污泥的溶解和水解速率較慢，是污泥厭氧消化的限速步驟。因此在污泥厭氧消化過程中，如果可以提高污泥的溶解和水解速率，則可以縮短污泥厭氧消化的水力停留時間，進(jìn)而促進(jìn)甲烷化過程。提高污泥溶解和水解的方法很多，包括物理 (超聲波預(yù)處理，熱處理)，化學(xué)(臭氧預(yù)處理，酸堿預(yù)處理)，生物(酶處理)等方法，這些方法的基本原理都是促進(jìn)污泥中的大分子有機(jī)物分解為小分子易生物降解的有機(jī)物，從而有利于后續(xù)的酸化和甲烷化。
中國專利CN102603136B公布了一種利用微波和熱聯(lián)合調(diào)理污泥提高低有機(jī)質(zhì)污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的方法，該方法將濃縮污泥和脫水污泥配成混合污泥進(jìn)行預(yù)處理，取上述混合污泥作為進(jìn)料進(jìn)行厭氧消化，并出料相同體積的污泥，收集沼氣，可以縮短低有機(jī)質(zhì)污泥厭氧啟動時間，提高低有機(jī)質(zhì)污泥厭氧消化產(chǎn)氣總量，促進(jìn)低有機(jī)質(zhì)污泥資源化利用。中國專利CN103172237A公布了一種蒸汽爆破預(yù)處理污泥厭氧消化產(chǎn)氣的方法，即將含水率為55-85%的脫水污泥按質(zhì)量比加入5-10‰的SDS(十二烷基硫磺酸鈉)，再放入氣爆機(jī)后，通入含水率為1-2%的飽和水蒸汽，在所需的溫度和壓力下維持2-10min，打開氣爆機(jī)的放料閥門收集物料，在預(yù)處理后的物料中放入接種物，接種量為物料質(zhì)量的3- 50%，攪拌均勻后密封發(fā)酵，可提高污泥的可生化性，有利于微生物的降解，提高污泥的利用率及產(chǎn)氣量。中國專利CN103193369A公布了一種提高污水廠剩余污泥產(chǎn)甲烷的方法，先將污泥與黑麥草充分混合發(fā)酵水解產(chǎn)酸，再將混合物進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷。該發(fā)明以能源草促進(jìn)污水廠剩余污泥產(chǎn)甲烷的方法，不但可以同時提高污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸量和產(chǎn)甲烷量，而且使污泥中有機(jī)物得到更充分的回收和再利用，減少了污泥對環(huán)境的污染。中國專利CN102603142A公布了一種預(yù)處理循環(huán)回流污泥強(qiáng)化厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的方法，將濃縮污泥和脫水污泥配成混合污泥，取上述混合污泥作為進(jìn)料進(jìn)行厭氧消化，并出料相同體積的污泥，同時回流污泥經(jīng)預(yù)處理后，再循環(huán)進(jìn)行厭氧消化，收集沼氣。該發(fā)明提高了污泥厭氧消化產(chǎn)氣量，縮短了污泥停留時間，減小了污泥厭氧發(fā)酵罐體積。中國專利CN101012096A公布了一種超聲波強(qiáng)化污泥厭氧消化產(chǎn)氣方法，將城市生活污水處理廠污泥濃縮池的污泥通過集成化超聲波預(yù)處理系統(tǒng)，超聲波在水中的空化效應(yīng)產(chǎn)生極端的物理?xiàng)l件，污泥的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)被破壞，細(xì)胞內(nèi)易降解的有機(jī)質(zhì)溶解于水中，水中的溶解性有機(jī)物質(zhì)含量增加，經(jīng)過一定的處理時間后，污泥由污泥泵輸入?yún)捬跸�，在無氧的條件下發(fā)生消化，消化產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過沼氣凈化裝置可獲得甲烷氣體，消化殘余的污泥通過污泥脫水系統(tǒng)后獲得干化污泥進(jìn)行最終處置。
近年來，微波作為一種新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于污泥的預(yù)處理過程中，諸多研究表明，微波技術(shù)可以提高污泥的溶解性，促進(jìn)有機(jī)物的溶出，微波技術(shù)對污泥中的絮體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，釋放胞外及胞內(nèi)的有機(jī)物，從而提高了污泥的產(chǎn)酸以及后續(xù)的沼氣產(chǎn)量，有利于污泥的減量化，并縮短了污泥停留時間。微波技術(shù)促進(jìn)污泥溶解的機(jī)理包括：(1)電磁場能使極性分子產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)碰撞而產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而改變體系的熱力學(xué)函數(shù)，降低反應(yīng)的活化能和分子的化學(xué)鍵強(qiáng)度(例如，文獻(xiàn)EnvironmentalTechnology，2013(34)，711-718); (2)微波還有非熱效應(yīng)的特點(diǎn)，即在微波場中劇烈的極性分子震蕩能使化學(xué)鍵斷裂(例如，文獻(xiàn)WaterResearch，2008(42)，4674-4682;Journalof EnvironmentalSciences2012(24)，2060-2067)。微波的電磁及熱效應(yīng)對污泥的絮體結(jié)構(gòu)及微生物的細(xì)胞壁產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致絮體物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，細(xì)胞壁的剛性結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而更容易被解離。與傳統(tǒng)加熱相比，微波加熱不是熱傳遞過程，而是一種容積加熱，沒有熱傳遞過程的熱損失，因此理論上，微波加熱的熱效率比傳統(tǒng)加熱法高。設(shè)備體積小、熱源與介質(zhì)不直接接觸、易于控制、無廢物生成(例如，文獻(xiàn)JournalofHazardousMaterials，2015 (283)，856-864;RenewableandSustainableEnergyReviews，2013 (18)，288-305)。隨著對微波技術(shù)應(yīng)用于污泥研究的深入，也將微波與其他技術(shù)聯(lián)合使用，研究的較多的是微波/酸，微波/堿以及微波/H2O2。結(jié)果表明，微波與其他技術(shù)聯(lián)合使用均比單獨(dú)使用時對污泥的溶解效果更好，沼氣產(chǎn)量也更高。有研究表明，微波和堿聯(lián)用產(chǎn)生協(xié)同作用，協(xié)同作用的原因是微波和堿對污泥的作用機(jī)制不同，不同的處理方式對污泥產(chǎn)生不同的破壞，微波通過熱及非熱效應(yīng)對污泥絮體及細(xì)胞進(jìn)行攻擊，使得污泥結(jié)構(gòu)變得松散，從而更容易被堿攻擊(例如，文獻(xiàn)BioresourceTechnology，2011(102)，7633-7640)。另有報道指出，微波可以激發(fā)H2O2產(chǎn)生更多的羥基自由基(HO·)，從而提高 H2O2的利用效率。H2O2可顯著增加細(xì)胞膜的滲透性和流動性，對生物細(xì)胞有攻擊性(例如，文獻(xiàn)JournalofHazardousMaterials，2010(181)，1143- 1147)。
過氧化鈣是一種白色或淺黃色固體粉末，在潮濕介質(zhì)中可緩慢釋放出H2O2，理論上1gCaO2可釋放出0.47gH2O2和1.03gCa(OH)2。作為一種“固態(tài)雙氧水”，CaO2已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于原位化學(xué)修復(fù)中，其中對土壤、沉積物、地表水中的難降解有機(jī)污染物如碳?xì)浠衔铮嗦嚷?lián)苯，鄰苯二甲酸酯，四氯乙烯等有較好的去除效果，并且比液態(tài)H2O2有更高的利用效率。過氧化鈣應(yīng)用于污泥厭氧消化預(yù)處理目前只有2篇論文報道(文獻(xiàn)WaterResearch，2015(71)， 125-139;WaterResearch，2015(83)，84-93)，其研究表明，過氧化鈣溶于水可同時產(chǎn)生氫氧化鈣和雙氧水，從而形成一種堿性的高級氧化條件，促進(jìn)污泥水解和酸化的進(jìn)程，并可以導(dǎo)致其他揮發(fā)性短鏈脂肪酸向乙酸的轉(zhuǎn)化，但單獨(dú)使用過氧化鈣會抑制產(chǎn)甲烷過程。
因此，微波技術(shù)和過氧化鈣技術(shù)單獨(dú)處理污泥時，雖然均可以促進(jìn)污泥厭氧消化的水解和酸化等過程，但過氧化鈣單獨(dú)使用會抑制產(chǎn)甲烷過程，微波單獨(dú)使用雖然可以促進(jìn)產(chǎn)甲烷，但促進(jìn)效果還有待提高。目前還沒有將微波和過氧化鈣聯(lián)用的研究或技術(shù)發(fā)明。
發(fā)明內(nèi)容：
本發(fā)明的目的在于公開一種提高剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷量的預(yù)處理方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明將微波與過氧化鈣聯(lián)合使用，對污泥厭氧消化進(jìn)行預(yù)處理，由于產(chǎn)生了電磁-熱-堿-高級氧化條件，在多重協(xié)同效應(yīng)下達(dá)到更佳的處理效果，不但可以促進(jìn)污泥水解酸化，而且可以促進(jìn)產(chǎn)甲烷，達(dá)到更好的污泥資源化。
具體步驟如下：
先將污水處理廠二沉池內(nèi)的剩余污泥濃縮至揮發(fā)性懸浮固體濃度VSS=8 g/L-9.5g/L，接著將過氧化鈣加入其中并混合均勻，過氧化鈣投加量為剩余活性污泥中揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量的5%-20%，然后微波處理，微波處理的工藝操作條件為：微波輻射功率為160-480W，微波輻射時間為2-6min。處理后的污泥放置于溫度為30-40℃，攪拌速度為100-200rpm的厭氧發(fā)酵罐中進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵天數(shù)為16d左右;收集氣體并測定其中甲烷的含量。
上述過氧化鈣為市售分析純過氧化鈣。
本發(fā)明的有益效果是：
1，本發(fā)明在剩余污泥中添加過氧化鈣，并進(jìn)行微波處理，微波/CaO2聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)產(chǎn)生了電磁-熱-堿-高級氧化的復(fù)合條件，具有多重協(xié)同效應(yīng)，可以促進(jìn)污泥中顆粒性有機(jī)物的溶解，提高污泥的可生化性，有利于污泥厭氧消化過程中甲烷化的進(jìn)程，本發(fā)明與單獨(dú)使用微波相比甲烷產(chǎn)量提高19.5%-33.5%，與單獨(dú)使用CaO2相比甲烷產(chǎn)量提高58.1%-88.1%。
2，本發(fā)明通過微波/CaO2聯(lián)合預(yù)技術(shù)處理，縮短污泥厭氧消化時間，本發(fā)明經(jīng)過微波/CaO2處理的厭氧消化過程16d左右結(jié)束，而單純厭氧消化在30d 左右厭氧消化過程結(jié)束，減少剩余污泥體積，提高污泥的脫水性能，從而有利于污泥的后續(xù)處理。
3，本發(fā)明操作條件簡單易實(shí)施，相比超聲波，加熱等污泥預(yù)處理方法，能量投入較少，從而降低成本，另外，從安全性的角度來講，所用過氧化鈣粉末易得且安全無毒，微波技術(shù)也比較成熟易操作。
