申請(qǐng)日2010.04.29

　　公開(公告)日2010.09.15

　　IPC分類號(hào)C12P3/00

　　摘要

　　本發(fā)明公開了一種預(yù)處理電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的方法。該方法由預(yù)處理、厭氧發(fā)酵和電化學(xué)部分三部分組成;是通過預(yù)處理和電化學(xué)作用提高化污水處理廠污泥的厭氧發(fā)酵的氫產(chǎn)率。該方法的操作方法是將取自污水處理廠的污泥先進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理污泥加入到厭氧發(fā)酵罐中，在發(fā)酵罐中正負(fù)兩電極上輸入直流電。經(jīng)預(yù)處理-電化學(xué)強(qiáng)化后，污水處理廠污泥的產(chǎn)氫率可從0.35-1ml/gDS提高到15-150ml/g DS。另外，污泥濃度明顯減少。本發(fā)明適用于污水處理廠剩余污泥的處理，以氫能形式回收污泥中有機(jī)質(zhì)所含有的生物質(zhì)能，也可用于現(xiàn)有污泥厭氧消化系統(tǒng)的改造，以提高污泥厭氧厭氧消化的效益。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種預(yù)處理和電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫方法，污泥經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵階段，預(yù)處理方法包括熱處理、超聲波處理、酸處理、堿處理或脈沖高壓電場(chǎng)處理;其特征在于厭氧發(fā)酵階段直流電源與固定于發(fā)酵罐中的兩電極連接。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)處理和電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫方法，包括如下步驟：

　　(1)污泥預(yù)處理：活性污泥加入污泥貯罐，污泥濃度6-30mg DS/L，污泥輸入污泥預(yù)處理罐，預(yù)處理方法為加熱處理、超聲波處理、酸處理、堿處理或脈沖高壓電場(chǎng)處理;

　　(2)厭氧發(fā)酵階段：將污泥從預(yù)處理罐中輸入到厭氧發(fā)酵罐中，發(fā)酵罐中污泥量穩(wěn)定在發(fā)酵罐的有效體積，將發(fā)酵罐的溫度控制在20℃-55℃，調(diào)節(jié)pH值在4.0-10.0;攪拌速度200-700rmp，時(shí)間在10-48h;直流電源與固定于發(fā)酵罐中的兩電極連接，電壓為0.1-2.0V。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的預(yù)處理和電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫方法，其特征在于所述厭氧發(fā)酵階段兩電極輸入的直流電源電壓為0.1-1.2V。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的預(yù)處理和電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫方法，其特征在于厭氧發(fā)酵罐中固定的兩電極極板導(dǎo)線與可調(diào)直流電源相連。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或所述的預(yù)處理和電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫方法，其特征在于所述熱處理溫度為60℃-180℃，時(shí)間為30-120min。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的預(yù)處理和電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫方法，其特征在于所述超聲波處理功率為1800W、頻率15-200kHz、聲能密度0.1-2.5W/ml，時(shí)間10-120min。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的預(yù)處理和電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫方法，其特征在于所述酸處理采用1-6M鹽酸調(diào)節(jié)pH值到2-3，處理時(shí)間為20-120min。

　　8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的預(yù)處理和電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫方法，其特征在于所述脈沖高壓電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度10-1000kV/cm，處理時(shí)間為30-120min。

　　9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的預(yù)處理和電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫方法，其特征在于所述厭氧發(fā)酵罐發(fā)酵啟動(dòng)階段用氮?dú)馀懦�系統(tǒng)中的空氣。

　　說明書

　　一種預(yù)處理和電化學(xué)強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于廢水處理領(lǐng)域，特別涉及污水處理廠剩余污泥處理產(chǎn)氫方法。

　　背景技術(shù)

　　生物處理法(好氧處理)是處理城市污水、保證對(duì)水環(huán)境影響最小的有效方法，但是也存在不足，即在處理污水過程中產(chǎn)生污泥。污水在處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量污泥，據(jù)估計(jì)，實(shí)際運(yùn)行的污水處理廠剩余污泥產(chǎn)率能達(dá)到0.89-0.99kgSS/kgBOD5。目前世界各國(guó)的污泥產(chǎn)量都十分巨大，例如，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，英國(guó)每年產(chǎn)生1.0×106噸干污泥，瑞士每年產(chǎn)生4.2×106噸干污泥，原聯(lián)邦德國(guó)每年產(chǎn)生5.0×107噸干污，而新加坡每年產(chǎn)生1.7×105噸干污泥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2008年3月底，污泥年產(chǎn)量已達(dá)2.66×107噸(含水率80%);根據(jù)“十一五”規(guī)劃，預(yù)計(jì)2010年將達(dá)到2.85×107噸(含水率80%)以上。隨著污水處理廠的繼續(xù)興建和更加嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，污泥的產(chǎn)量還將進(jìn)一步增加。污泥富集許多污染物，處理費(fèi)用很高。基本上處理1噸污水可能產(chǎn)生100克污泥，但處理100克污泥的費(fèi)用比處理1噸污水還要高。尤其在規(guī)定嚴(yán)格的歐洲，可能要花費(fèi)處理污水2倍的費(fèi)用處理所產(chǎn)生的污泥。因此，解決污泥處理處置問題十分緊迫。

　　厭氧消化是一種常用的污泥處理方法，在減少污泥體積和質(zhì)量的同時(shí)，還可以甲烷的形式回收污泥中的部分生物質(zhì)能。氫氣是污泥厭氧消化過程中的一種中間產(chǎn)物，這種中間產(chǎn)物會(huì)由于迅速被污泥中大量存在的嗜氫菌(主要是產(chǎn)甲烷菌)所消耗而難以獲得。與甲烷相比，氫氣在很多方面都更有優(yōu)勢(shì)。例如，氫氣的燃燒值為1.43×108KJ/Kg，而甲烷僅5.56×104KJ/Kg;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”，而甲烷在燃燒過程中，除產(chǎn)生水外，還會(huì)產(chǎn)生二氧化碳;氫氣的重量和密度都比甲烷輕，更便于運(yùn)送和攜帶，容易儲(chǔ)藏;另外，氫氣的用途更為廣泛。因此，研究人員考慮如何從污泥的厭氧消化過程中獲得氫氣，從而提出了污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的概念。

　　然而，與利用碳水化合物相比，利用污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫相對(duì)更困難一些，因?yàn)槲勰嘀械挠袡C(jī)物大多為微生物的細(xì)胞物質(zhì)，為細(xì)胞壁所包裹，以不溶性狀態(tài)存在。這些物質(zhì)要被微生物利用必須首先水解細(xì)胞壁、從細(xì)胞壁的包裹中釋放出來，由不溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì)，然后才能為微生物所利用，這一過程是一個(gè)十分緩慢的過程。另外污泥本身是多種微生物的混合體，產(chǎn)氫微生物和嗜氫微生物(如甲烷菌)共存，在產(chǎn)氫微生物產(chǎn)氫的同時(shí)，很可能伴隨著嗜氫微生物的耗氫。因此，利用污泥進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫時(shí)，一方面必須加速污泥細(xì)胞物質(zhì)的釋放，另一方面必須保證產(chǎn)氫微生物生長(zhǎng)的同時(shí)，最大限度地控制嗜氫微生物的生長(zhǎng)。鑒于污泥的獨(dú)特性，部分研究都采用了預(yù)處理(如煮沸處理、堿處理)來提高污泥厭氧發(fā)酵的氫產(chǎn)率，另外，有部分研究采用在厭氧發(fā)酵過程中添加嗜氫菌抑制劑的方法，來提高氫產(chǎn)率。例如，伍峰等發(fā)表于《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)雜志》2008年第五期的文章”超聲技術(shù)在污泥生物產(chǎn)氫中的應(yīng)用研究”，利用超聲技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)污泥的平均氫產(chǎn)率可提到3.9倍，達(dá)到21.6ml/g VS，蔡木林等發(fā)表于《環(huán)境科學(xué)雜志》2005年第2期的文章”污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響因素”，利用堿處理進(jìn)行污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的強(qiáng)化，將污泥的產(chǎn)氫率提高了1.8倍，達(dá)16.6ml/g DS，肖本益等發(fā)表于《過程工程學(xué)報(bào)雜志》2009年第一期的文章“污水處理廠剩余污泥熱處理發(fā)酵產(chǎn)氫的影響因素”，利用熱處理進(jìn)行污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的強(qiáng)化，將污泥產(chǎn)氫率提高47.1倍，達(dá)11.77ml/g DS)，而謝波等發(fā)表于《環(huán)境科學(xué)雜志》2008年第四期的文章“Pseudomonas sp.GL1利用不同預(yù)處理污泥產(chǎn)氫及其底物變化研究”，研究了純菌(Pseudomonas sp.GL1)利用滅菌、微波和超聲預(yù)處理污泥發(fā)酵產(chǎn)氫的效果，產(chǎn)氫量最高可達(dá)到30.07ml/g。然而，盡管采用了這些預(yù)處理手段，污泥厭氧發(fā)酵的氫產(chǎn)率仍然不高，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的效益仍然不高。如果污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫要得到實(shí)際應(yīng)用，其氫產(chǎn)率還需要進(jìn)一步提高。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的在于提供一種運(yùn)行費(fèi)用低、工藝簡(jiǎn)單、操作方便、能耗低、更提高污泥厭氧發(fā)酵氫產(chǎn)率的方法。本發(fā)明是為了克服目前污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫中氫產(chǎn)率不高的缺點(diǎn)，結(jié)合預(yù)處理與電化學(xué)技術(shù)，通過預(yù)處理、厭氧發(fā)酵和電化學(xué)的協(xié)同作用，提高污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的氫產(chǎn)率。

　　本發(fā)明的技術(shù)方案在對(duì)污泥經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵階段，預(yù)處理方法包括熱處理、超聲波處理、酸處理、堿處理或脈沖高壓電場(chǎng)處理;厭氧發(fā)酵階段直流電源與固定于發(fā)酵罐中的兩電極連接。

　　本發(fā)明具體技術(shù)過程如下：

　　1、污泥預(yù)處理：活性污泥加入到污泥貯罐中，污泥濃度調(diào)整到6-30mg DS(干固形物)/L，最佳為8-25mg DS/L。污泥輸入污泥預(yù)處理罐中進(jìn)行預(yù)處理，污泥預(yù)處理方法為加熱處理、超聲波處理、酸處理、堿處理或脈沖高壓電場(chǎng)處理;

　　所述熱處理方法為熱處理溫度為60℃-180℃，處理時(shí)間為30-120min;

　　所述超聲波處理采用超聲功率1800W、頻率15-200kHz、聲能密度為0.1-2.5W/ml，處理時(shí)間為10-120min;

　　所述酸處理采用1-6M鹽酸調(diào)節(jié)pH值到2-3，處理時(shí)間為20-120min;

　　所述堿處理采用1-6M氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值12-13，處理時(shí)間為20-120min;

　　所述脈沖高壓電場(chǎng)處理采用電場(chǎng)強(qiáng)度10-1000kV/cm，處理時(shí)間為30-120min。

　　2、厭氧發(fā)酵階段：將污泥從預(yù)處理罐中輸入到厭氧發(fā)酵罐中，發(fā)酵罐中污泥量穩(wěn)定在發(fā)酵罐的有效體積(70%)，用氮?dú)馀懦�系統(tǒng)中的空氣(除氧)，將發(fā)酵罐的溫度控制在20℃-55℃，最佳為35-38℃，調(diào)節(jié)發(fā)酵罐pH值在4.0-10.0;通過電機(jī)控制系統(tǒng)的攪拌速度在200-700rmp，污泥在厭氧發(fā)酵罐中厭氧發(fā)酵時(shí)間控制在10-48h。直流電源通過導(dǎo)線與固定于發(fā)酵罐中的兩電極連接。電壓大小為0.1-2.0V。

　　所述預(yù)處理采用堿處理的，調(diào)節(jié)發(fā)酵罐pH值在8.5-10;

　　所述預(yù)處理為熱處理、超聲波處理、酸處理或脈沖高壓電場(chǎng)處理的，厭氧發(fā)酵階段調(diào)節(jié)發(fā)酵罐pH值為pH4.5-8.5。

　　所述發(fā)酵罐中可以接種厭氧產(chǎn)氫污泥;

　　所述發(fā)酵罐中兩電極輸入電壓為0.1-1.2V。

　　所述發(fā)酵罐可以采用連續(xù)進(jìn)出料，也可以采用間隙進(jìn)出料;

　　所述厭氧發(fā)酵罐內(nèi)攪拌器為連續(xù)運(yùn)行。

　　污泥厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體(主要含氫氣、二氧化碳)從發(fā)酵罐的排氣口排出，通入到氣體貯罐中或直接供給利用氫氣的燃料電池或直接作為燃料燃燒。

　　厭氧發(fā)酵罐中固定的兩電極極板，極板面積和極板距離根據(jù)發(fā)酵罐大小進(jìn)行調(diào)整。

　　直流電源為可調(diào)直流電源。

　　在厭氧發(fā)酵罐發(fā)酵啟動(dòng)階段先用氮?dú)馀懦�系統(tǒng)中的空氣(除氧)，以保證厭氧環(huán)境;

　　本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種將預(yù)處理、電化學(xué)技術(shù)耦合到污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程中的方法，它分為三部分：預(yù)處理部分、厭氧部分和電化學(xué)部分(附圖1)。

　　預(yù)處理部分是一個(gè)進(jìn)行污泥預(yù)處理系統(tǒng)，其中包括污泥貯罐、污泥流加泵、污泥預(yù)處理罐和污泥預(yù)處理裝置。污泥貯罐和污泥預(yù)處理罐的體積可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從500ml到1000m3均可。污泥貯罐和污泥預(yù)處理罐均安裝有攪拌系統(tǒng)，以保證污泥的均勻性。污泥流加泵為可變速的流量泵，流速大小可根據(jù)污泥預(yù)處理罐大小進(jìn)行調(diào)整。污泥預(yù)處理裝置可采用熱處理系統(tǒng)(微波加熱系統(tǒng)或加熱棒加熱系統(tǒng)或蒸汽加熱系統(tǒng))、超聲波處理系統(tǒng)、酸堿處理系統(tǒng)、脈沖高壓電場(chǎng)處理系統(tǒng)等。

　　厭氧部分是一個(gè)厭氧發(fā)酵罐。厭氧發(fā)酵罐的體積大小不限，從100ml到1000m3均可，發(fā)酵罐上有進(jìn)料口、出料口、排氣口、pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)，污泥流加泵。發(fā)酵罐形狀不限。

　　電化學(xué)部分由可調(diào)直流電源、導(dǎo)線和兩電極組成，兩電極固定在厭氧發(fā)酵罐中，通過兩電極向發(fā)酵罐中的發(fā)酵液輸入一定電壓�？烧{(diào)直流電源向兩電極輸入電壓范圍為0.1-2.0V，最佳輸入電壓范圍根據(jù)污泥預(yù)處理方法不同而不同：熱處理、超聲處理和電脈沖處理為0.2-1.2V，而酸堿處理為0.1-1.0V。

　　兩電極可由所有可導(dǎo)電的材料(如鐵、銅、鋁、鈦、鉑、銀、金等金屬和石墨等非金屬)制成，形狀可以是網(wǎng)狀、塊狀、條狀、棒狀。兩電極極板的大小和距離不限。

　　有益效果：本發(fā)明的發(fā)明特點(diǎn)在于通過合適的預(yù)處理和輸入較低的電壓，采用預(yù)處理和生物電化學(xué)相結(jié)合的技術(shù)促使污泥微生物厭氧發(fā)酵，獲得氫氣。預(yù)處理和電化學(xué)處理方法的結(jié)合可以提高污泥厭氧發(fā)酵的氫產(chǎn)率，并實(shí)現(xiàn)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的穩(wěn)定性。通過預(yù)處理與電化學(xué)生物協(xié)同作用可以實(shí)現(xiàn)高氫產(chǎn)率和穩(wěn)定的產(chǎn)氫過程，污泥厭氧發(fā)酵的氫產(chǎn)率污水處理廠污泥的產(chǎn)氫率可從0.35-1ml/g了DS提高到15-150ml/g DS，所產(chǎn)氣體中氫氣濃度可達(dá)40-70%，污泥濃度可減少15-50%。