申請日2015.06.10

　　公開(公告)日2015.09.16

　　IPC分類號C02F11/02; C02F11/12; C02F11/04

　　摘要

　　本發(fā)明涉及一種利用胞外聚合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的方法，包括以下步驟：(1)將剩余污泥的pH調(diào)節(jié)到4.0～5.0;(2)向經(jīng)pH調(diào)節(jié)過的剩余污泥中，直接投放胞外聚合物裂解酶粉末，混合均勻，進(jìn)行反應(yīng);(3)經(jīng)酶預(yù)處理后的污泥直接進(jìn)入脫水工序，或直接進(jìn)行厭氧消化處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明僅添加的少量胞外聚合物裂解酶就可以大幅提高污泥多糖的釋放率，形成糖類小分子，便于微生物利用;同時被糖類和類糖蛋白包裹的分子被釋放出來，也能提高污泥利用率，提高整體消化效率和脫水性能。酶處理前的酸化調(diào)理液還可以采用廢物發(fā)酵液，從而進(jìn)一步降低處理成本。

　　摘要附圖

 

　　權(quán)利要求書

　　1.一種利用胞外聚合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的方法，其特征在于，包 括以下步驟：

　　(1)剩余污泥的酸化預(yù)調(diào)理：將剩余污泥的pH調(diào)節(jié)到4.0～5.0;

　　(2)酶預(yù)處理：向步驟(1)中經(jīng)pH調(diào)節(jié)過的剩余污泥中，直接投放胞外聚 合物裂解酶粉末，混合均勻，進(jìn)行反應(yīng);

　　(3)酶預(yù)處理后污泥的處理：經(jīng)步驟(2)酶預(yù)處理后的污泥直接進(jìn)入脫水工 序，或直接進(jìn)行厭氧消化處理。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的 方法，其特征在于，步驟(1)中采用污泥、餐飲垃圾或生活垃圾廢物水解酸化后 生成的發(fā)酵液調(diào)節(jié)剩余污泥的pH。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的 方法，其特征在于，步驟(2)中，胞外聚合物裂解酶粉末添加量為31.5～38.5U/kg 干污泥。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的 方法，其特征在于，步驟(2)中，酶預(yù)處理的范圍溫度為20～60℃。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的 方法，其特征在于，步驟(2)中，酶預(yù)處理的范圍溫度為30～55℃。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的 方法，其特征在于，步驟(2)中，酶預(yù)處理的范圍溫度為30～40℃，此時酶預(yù)處 理的目的主要是改善脫水性能。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的 方法，其特征在于，步驟(2)中，酶預(yù)處理的范圍溫度為50～55℃，此時酶預(yù)處 理的目的主要是改善厭氧消化性能。

　　說明書

　　一種利用胞外聚合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種對剩余污泥預(yù)處理方法，尤其是涉及一種利用胞外聚合物裂 解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的方法。

　　背景技術(shù)

　　污水廠剩余污泥是城市污水處理產(chǎn)生的主要二次污染物。目前中國的濕污泥 (含水率80%)產(chǎn)量已達(dá)3400萬噸/年。數(shù)量如此巨大的污泥如得不到妥善處置， 將對環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。

　　剩余污泥的處理目標(biāo)，是減少污泥處置量、提高污泥脫水率和降低污泥調(diào)理 劑用量。脫水性能和厭氧消化性能，是評價城市污水廠剩余污泥可處理性能的重要 指標(biāo)。脫水是污泥處理的主要技術(shù)瓶頸，其費(fèi)用可達(dá)污水廠年運(yùn)行成本的 30%～50%，是污水廠運(yùn)行管理的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。而厭氧消化是污泥穩(wěn)定化、減量 化的常用技術(shù)，在削減揮發(fā)性固體和臭氣的同時，還可消滅污泥中的致病菌和寄生 蟲;厭氧消化產(chǎn)生的沼氣還能被作為可再生能源，生產(chǎn)熱能和電能，或替代汽油作 為運(yùn)輸燃料;但目前污泥厭氧消化存在所需消化時間長、消化效率低、沼氣產(chǎn)量低 無法補(bǔ)償運(yùn)行能耗等問題。

　　為了改善污泥的厭氧消化性能和脫水性能，可以采用各類預(yù)處理方法來縮短 污泥厭氧消化時間、提高厭氧消化效率、提高脫水效率，包括物理法、化學(xué)法和生 物法等三大類預(yù)處理方法。比如，申請?zhí)枮?00910227265.4的中國發(fā)明專利采用 的是“超聲—磁場”耦合的物理法破解污泥使污泥減量;申請?zhí)枮?01010562436.1 的中國發(fā)明專利利用“超聲波”物理法預(yù)處理改善污泥消化性能;申請?zhí)枮?201210086018.9的中國發(fā)明專利利用“臭氧和磁場”強(qiáng)化污泥的好氧消化降解;申 請?zhí)枮?01110064020.1的中國發(fā)明專利采用“高溫和高壓”物理化學(xué)法對污泥進(jìn) 行改性預(yù)處理然后再進(jìn)行厭氧消化。堿解法、臭氧氧化法、氯氧化法是較常見的化 學(xué)預(yù)處理法。添加化學(xué)調(diào)理劑(如氯化鐵，石灰，聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚合 硅酸鋁等無機(jī)高分子絮凝劑、聚丙烯酰胺等有機(jī)高分子絮凝劑)是目前用于改善污 泥脫水性能的主要方法，但這些化合物會殘留在脫水污泥中，給脫水污泥的后續(xù)土 地利用帶來不確定的生態(tài)風(fēng)險。而生物預(yù)處理法就是加入酶或者是接種生物菌，加 快污泥中有機(jī)物的降解。物理法和化學(xué)法存在產(chǎn)生三氯甲烷副產(chǎn)物、梅拉德反應(yīng)抑 制后續(xù)生物降解、基建和運(yùn)行費(fèi)用大、能耗高、存在安全隱患等問題。相比而言。 生物預(yù)處理法的能耗、污染和成本都較低，安全性也更高，而越來越受到人們的重 視。

　　申請?zhí)枮?01110445557.2的中國發(fā)明專利采用“中性蛋白酶和α-淀粉酶” 強(qiáng)化剩余污泥的減量;申請?zhí)枮?01110262277.8的中國發(fā)明專利采用“蛋白酶、 淀粉酶、漆酶、纖維素酶等”多種生物酶制成復(fù)合生物酶制劑用于污泥的處理;申 請?zhí)枮?01210262361.4的中國發(fā)明專利也是采用“蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶” 等生物酶法加速污泥的好氧降解。Kopplow等(Enzymatic,mechanical and thermal pre-treatment of surplus sludge.Advances in Environmental Research,2003,7, 715–720)采用“碳水化合物水解酶”用于剩余污泥消化處理;陳偉等(胞外多聚 物對酶催化污泥厭氧水解的影響研究.環(huán)境科學(xué),2011,32,8,2334-2339)采用“溶 菌酶、纖維素酶、蛋白酶”用于污泥的厭氧消化;Chee Wee Teo等(Enzyme augmentation of an anaerobic membrane bioreactor treating sewage containing organic particulates,Water Research,2014,48,335-344)采用“蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶” 復(fù)合生物酶制劑用于污泥的膜處理厭氧消化;Hui Huang等(Aging biofilm from a full-scale moving bed biofilm reactor:Characterization and enzymatic treatment study. Bioresource Technology,2014,154,122-130)采用“蛋白酶、淀粉酶”用于消化處理 老化生物膜。但已有的這些文獻(xiàn)表明應(yīng)用于污泥消化的酶添加劑量大且酶處理針對 性不高，應(yīng)用效果一般。另外，鮮見利用酶法提高污泥脫水性能的報道。

　　有機(jī)物，特別是污泥絮體胞外的生物大分子聚合有機(jī)物，是影響剩余污泥厭 氧降解和脫水的主要因素(Degradation of Extracellular Polymeric Substances(EPS) in anaerobic digestion of dewatered sludge.Procedia Environmental Sciences,2013,18, 515-521)。胞外聚合物對微生物細(xì)胞起保護(hù)作用，從而阻礙了厭氧微生物對有機(jī)基 質(zhì)的利用;而且，胞外聚合物的高粘度會阻礙污泥的脫水，水分子通過靜電作用和 氫鍵與污泥胞外聚合物結(jié)合，胞外聚合物蛋白質(zhì)和多糖中數(shù)量眾多的羧基和羥基基 團(tuán)增強(qiáng)了胞外聚合物對水分的束縛力，這種結(jié)合作用受水分含量影響，并隨聚合物 含量的增加而增強(qiáng)。因此，胞外聚合物的去除會釋放結(jié)合的水分子，從而提高脫水 性能;會解除對污泥微生物細(xì)胞的束縛，從而提高厭氧消化性能。

　　胞外聚合物主要是由蛋白質(zhì)和多糖構(gòu)成的，因此，上述專利和文獻(xiàn)中利用到 的蛋白酶可以作用于蛋白質(zhì)，淀粉酶和纖維素酶可以作用于多糖。但由于剩余污泥 的胞外聚合物總量一般在200～500mg/g-VS之間，即污泥有機(jī)質(zhì)的20%～50%分布 在胞外，這意味著需要添加大量的蛋白酶、淀粉酶和纖維素酶才能水解去除聚合物， 從而大幅提高了處理成本。

　　因此，有必要尋找出一種生物酶，其少劑量投加就能使得污泥胞外聚合物產(chǎn) 生裂解(而不是整體有機(jī)物發(fā)生水解)，從污泥微生物細(xì)胞體上剝離下來，從而改 善污泥脫水性能和厭氧消化性能。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種利用胞外聚 合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的方法，以顯著改善剩余污泥得脫水性能和消化效 率。

　　本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

　　一種利用胞外聚合物裂解酶進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理的方法，包括以下步驟：

　　(1)剩余污泥的酸化預(yù)調(diào)理：將剩余污泥的pH調(diào)節(jié)到4.0～5.0，然后靜置 1～2hr;

　　(2)酶預(yù)處理：向步驟(1)中經(jīng)pH調(diào)節(jié)過的剩余污泥中，直接投放胞外聚 合物裂解酶粉末，混合均勻，進(jìn)行反應(yīng);

　　(3)酶預(yù)處理后污泥的處理：經(jīng)步驟(2)酶預(yù)處理后的污泥直接進(jìn)入脫水工 序，或直接進(jìn)行厭氧消化處理。

　　優(yōu)選地，步驟(1)中采用污泥、餐飲垃圾或生活垃圾廢物水解酸化后生成的 發(fā)酵液調(diào)節(jié)剩余污泥的pH，這些發(fā)酵液主要含乙酸、丙酸和丁酸。

　　優(yōu)選地，步驟(2)中，胞外聚合物裂解酶粉末添加量為31.5～38.5U/kg干污 泥。

　　優(yōu)選地，步驟(2)中，酶預(yù)處理的范圍溫度為20～60℃，更優(yōu)選為30～55℃， 反應(yīng)時間2～5hr。

　　步驟(2)中酶預(yù)處理的反應(yīng)溫度范圍與污泥處理目的相對應(yīng)。如果酶預(yù)處理 的目的主要是改善脫水性能，則最優(yōu)反應(yīng)溫度控制在30～40℃;如果酶預(yù)處理的目 的主要是改善厭氧消化性能，則最優(yōu)反應(yīng)溫度控制在50～55℃。

　　本發(fā)明利用一種胞外聚合物裂解酶來去除污泥胞外聚合物中存在的微量聚半 乳糖醛酸(一種維持胞外聚合物結(jié)構(gòu)的有機(jī)物)，促進(jìn)污泥胞外聚合物裂解成小分 子，從污泥微生物細(xì)胞體上迅速剝離下來，從而大大改善污泥的消化性能和脫水性 能，彌補(bǔ)現(xiàn)有酶預(yù)處理法的不足。

　　與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

　　1、本發(fā)明針對剩余污泥添加的胞外聚合物裂解酶可以大大提高污泥多糖的釋 放率，形成糖類小分子，便于微生物利用;同時被糖類和類糖蛋白包裹的分子被釋 放出來，也能提高污泥利用率，提高整體消化效率。

　　2、本發(fā)明添加的酶的目標(biāo)底物是污泥胞外聚合物中存在的微量聚半乳糖醛 酸，而不是污泥的大宗有機(jī)物蛋白質(zhì)和多糖，從而能大幅減少酶的使用量，而得到 較好的預(yù)處理效果。

　　3、胞外聚合物裂解酶的添加可以在污泥消化反應(yīng)器中進(jìn)行，不需要另外設(shè)置 處理單元，從而降低了處理成本，節(jié)約了運(yùn)行時間。

　　4、胞外聚合物裂解酶的目標(biāo)物也是細(xì)胞壁的組成成分，細(xì)胞壁的被破壞同時 可以增加消化過程中細(xì)胞的裂解，促進(jìn)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，供其他微生物代謝利用， 加快污泥菌群代謝周期，持續(xù)提高污泥消化效率。

　　5、用于調(diào)節(jié)pH的酸性溶劑源于生物可降解廢物，而胞外聚合物裂解酶本身 都是生物可降解的，在厭氧消化階段會被去除、轉(zhuǎn)化成沼氣，因而降低了化學(xué)添加 劑殘留的風(fēng)險，還能增加沼氣產(chǎn)量。

　　6、胞外聚合物裂解酶添加后促進(jìn)污泥胞外聚合物結(jié)構(gòu)的裂解，能大大提高污 泥的脫水性能，減少污泥減量化處理的經(jīng)濟(jì)成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)價值。