优化秸秆调质方式实现污泥小分子碳源转化的方法与流程

本发明涉及优化玉米秸秆调质方式实现剩余污泥小分子碳源（C2和C3）转化的方法。

背景技术：

近年来伴随我国经济建设的发展，市政污水处理设施的日渐完善，快速高效处理污水的同时产生了大量剩余污泥。目前剩余污泥俨然成为污水处理过程中十分棘手的问题。厌氧消化技术相对于其它处理技术，可以实现污泥的稳定化、减量化，目前多数该研究均以生物能源为最终目标产物，消化周期比较长，且产物附加值低，因而很多研究不仅注重最终的生物能源，也开始关注厌氧消化过程的中间产物。短链挥发性脂肪酸作为一种高附加值的生物化学品，不仅是剩余污泥厌氧消化的重要中间代谢产物，亦可以作为有机碳源回用到污水处理过程中，强化脱硫、脱氮除磷效率。另一方面，剩余污泥在污水厂内部实现资源化利用可以节约运输等方面的成本。此外，这些脂肪酸经提取后还可作为原料用于合成很多重要化学物质如醋酸乙烯、聚羟基脂肪酸酯等，也可以用作生产生物能源如产电、产氢等。采用一些生物技术策略调控剩余污泥厌氧消化过程从而提高挥发酸浓度，是实现污泥资源开发的一条具有广阔应用前景的途径。鉴于碳源中的乙酸和丙酸对污水生物除氮效果的影响更大，如何实现C2及C3小分子碳源的可控制备及保证其高效转化是技术难点之一。

由于微生物菌体是剩余污泥的主要组成物质，蛋白质含量较高。碳源的缺乏严重限制了剩余污泥中蛋白质的转化速率，进而导致其酸化效能低下。纤维素类原材料价格低廉，来源广泛，是比较理想的利原料。然而，目前这些农作物秸秆由于缺乏有效的利用方式，常被直接处置或者焚烧，造成了严重的环境污染问题。为了减少环境污染，实现资源的综合利用，有必要对秸秆的潜能进行再开发，做到资源的有效使用、循环利用，实现资源最大化。目前采用秸秆对污泥进行调质，很多研究者证明污泥厌氧消化效率能够明显得到强化，但是均采用固体形态的预处理秸秆粉末进行调质，预处理秸秆后产生的预处理液中含有大量的单糖，是理想的外加碳源原料。采用秸秆作为外碳源对剩余污泥进行调质，并通过优化调质方式，不仅可以促进剩余污泥中蛋白质的转化，进一步提高剩余污泥的酸化效能及C2~C3小分子碳源浓度，而且也为秸秆的资源化利用提供一条资源化思路。而到目前为止，文献中关于优化秸秆调质方式强化剩余污泥碳源转化的研究报道很少。

因此，目前存在剩余污泥单独碳源转化效率低及玉米秸秆高效资源化利用问题。

技术实现要素：

本发明要解决目前存在剩余污泥单独碳源转化效率低及玉米秸秆资源化利用问题，而提供的优化玉米秸秆调质方式实现剩余污泥小分子碳源转化的方法。

具体是按照以下步骤进行的：

一、在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降，沉降时间为24 h ~30 h，然后排掉上清液，得到污泥样本；

二、将秸秆在温度为70 ℃条件下烘干至恒重，再粉碎成粒径为2 mm~10 mm的粉末，投加浓度为2%（w/w）的NaOH溶液，具体投加量为：固液比1：10，在85 ℃水浴条件下处理粉末1 h后，将混合液进行固液分离，分别可以得到三种秸秆样本：秸秆预处理液样本、秸秆干粉样本及秸秆预处理液+干粉样本；

三、将步骤二制得的三种形式的秸秆样本分别投加到步骤一制得的污泥样本中，混合均匀后放入反应瓶中，其中秸秆样本投加量为 0.5 g/gVSS；

四、将反应瓶驱氧充氮10 min后，密封反应瓶，放入空气浴摇床中以100 rpm/min~110 rpm/min转速，进行厌氧消化，消化温度为35 ℃~38 ℃、消化时间为1 d ~10 d，完成秸秆调质强化剩余污泥碳源转化的方法。

本发明的有益效果是：本发明方法中采用不同形式秸秆作为外加碳源对剩余污泥进行调质，通过提高剩余污泥系统的碳氮比，明显的提高了剩余污泥消化过程中挥发酸的浓度。在剩余污泥中投加不同形式（处理液、干粉、处理液+干粉）的秸秆进行共发酵，与单独剩余污泥厌氧消化实验组相比，挥发酸浓度分别提高了32%，51%，61%；乙酸、丙酸浓度之和分别提高了53%，79%，99%。说明不同的秸秆调质形式对污泥厌氧消化过程中挥发性脂肪酸，尤其是乙酸、丙酸浓度有很大的影响。这种采用不同调质形式的秸秆与污泥共发酵的方法，在提高剩余污泥资源化处理效率的同时，也为农作物秸秆的资源化利用提供一条资源化思路。

本发明用于优化秸秆调质方式实现剩余污泥小分子碳源的转化。

附图说明

图1为实施例一、实施例二和实施例三和对比实验一的挥发酸浓度与消化时间的关系图。

图2为实施例一、实施例二和实施例三和对比实验一的乙酸和丙酸产量与调质方式的关系图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式秸秆调质强化剩余污泥碳源转化的方法具体是按照以下步骤进行的：

一、在温度为4 ℃ 的条件下将剩余污泥进行自然沉降，沉降时间为24 h ~30 h，然后排掉上清液，得到污泥样本；

二、将秸秆在温度为70 ℃ 条件下烘干至恒重，再粉碎成粒径为2 mm~10 mm的粉末，投加浓度为2%（w/w）的NaOH溶液，具体投加量为：固液比1：10，在85 ℃ 水浴条件下处理粉末1 h后，将混合液进行固液分离，得到秸秆预处理液样本及秸秆干粉加预处理液样本；

三、将步骤二制得的不同形式秸秆样本投加到步骤一制得的污泥样本中，混合均匀后放入反应瓶中，其中秸秆样本投加量为 0.5 g/gVSS；

四、将反应瓶驱氧充氮10 min后，密封反应瓶，放入空气浴摇床中以100 rpm/min~110 rpm/min转速，进行厌氧消化，消化温度为35 ℃~38 ℃、消化时间为1 d ~10 d，完成秸秆调质强化剩余污泥碳源转化的方法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中沉降时间为25 h ~29 h。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是：步骤四中空气浴摇床的转速为102 rpm/min ~108 rpm/min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四中消化温度为36℃~37℃、消化时间为3 d ~10 d。其它与具体实施方式一相同。

采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例秸秆预处理液调质强化剩余污泥碳源转化的方法具体是按照以下步骤进行的：

一、在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降，沉降时间为24 h ~30 h，然后排掉上清液，得到污泥样本，其中污泥样本TSS为22.9 g/L，VSS为15.3 g/L；

二、将秸秆在温度为70 ℃条件下烘干至恒重，再粉碎成粒径为2 mm~10 mm的粉末，投加浓度为2%（w/w）的NaOH溶液，具体投加量为：固液比1：10，在85 ℃水浴条件下处理粉末1 h后，将混合液进行固液分离，得到秸秆预处理液样本；

三、用500 mL血清瓶作为反应瓶，将步骤二制得的秸秆预处理液样本投加到步骤一制得的污泥样本中，混合均匀后量取300 mL污泥样本放入反应瓶中，其中样本投加量为0.5 g/gVSS；

四、将反应瓶驱氧充氮10 min后，密封反应瓶，放入空气浴摇床中以100 rpm/min~110 rpm/min转速，进行厌氧消化，消化温度为35 ℃~38 ℃、消化时间为1 d ~10 d，完成秸秆预处理液调质强化剩余污泥碳源转化的方法。

其中剩余污泥取自晋中市正阳污水厂二沉池。

实施例二：

本实施例秸秆干粉调质强化剩余污泥碳源转化的方法具体是按照以下步骤进行的：

一、在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降，沉降时间为24 h ~30 h，然后排掉上清液，得到污泥样本，其中污泥样本TSS为22.9 g/L，VSS为15.3 g/L；

二、将秸秆在温度为70 ℃条件下烘干至恒重，再粉碎成粒径为2 mm~10 mm的粉末，投加浓度为2%（w/w）的NaOH溶液，具体投加量为：固液比1：10（g dry weight to mL），在85 ℃水浴条件下处理粉末1 h后，将混合液进行固液分离，固体烘干后为秸秆干粉样本；

三、用500 mL血清瓶作为反应瓶，将步骤二制得的秸秆预处理液样本投加到步骤一制得的污泥样本中，混合均匀后量取300 mL污泥样本放入反应瓶中，其中秸秆干粉样本投加量为0.5 g/gVSS；

四、将反应瓶驱氧充氮10 min后，密封反应瓶，放入空气浴摇床中以100 rpm/min~110 rpm/min转速，进行厌氧消化，消化温度为35 ℃~38 ℃、消化时间为1 d ~10 d，完成秸秆干粉调质强化剩余污泥碳源转化的方法。

其中剩余污泥取自晋中市正阳污水厂二沉池。

实施例三：

本实施例秸秆预处理液+干粉调质强化剩余污泥碳源转化的方法具体是按照以下步骤进行的：

一、在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降，沉降时间为24 h，然后排掉上清液，得到污泥样本，其中污泥样本TSS为22.9 g/L，VSS为15.3 g/L；

二、将酱糟在温度为70 ℃条件下烘干至恒重，再粉碎成粒径为2 mm~10 mm的粉末，投加浓度为2%（w/w）的NaOH溶液，具体投加量为：固液比1：10（g dry weight to mL），在85 ℃水浴条件下处理粉末1 h后，所得混合液为秸秆预处理液+干粉样本；

三、用500 mL血清瓶作为反应瓶，将步骤二制得的秸秆预处理液+干粉样本投加到步骤一制得的污泥样本中，混合均匀后量取300 mL污泥样本放入反应瓶中，其中秸秆干粉加预处理液样本投加量为0.5 g/gVSS；

四、将反应瓶驱氧充氮10 min后，密封反应瓶，放入空气浴摇床中以100 rpm/min~110 rpm/min转速，进行厌氧消化，消化温度为35 ℃~38 ℃、消化时间为1 d ~10 d，完成秸秆干粉加预处理液调质强化剩余污泥碳源转化的方法。

其中剩余污泥取自晋中市正阳污水厂二沉池。

对比实验一：

本对比实验剩余污泥单独厌氧消化的方法具体是按照以下步骤进行的：

一、在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降，沉降时间为24 h，然后排掉上清液，得到污泥样本，其中污泥样本TSS为22.9 g/L，VSS为15.3 g/L；

二、用500 mL血清瓶作为反应瓶，量取300 mL污泥样本放入反应瓶中；

三、将反应瓶驱氧充氮10 min后，密封反应瓶，放入空气浴摇床中以100 rpm/min转速，进行厌氧消化，消化温度为35 ℃~38 ℃、消化时间为1 d ~10 d，完成剩余污泥单独厌氧消化的方法。

其中剩余污泥取自晋中市正阳污水厂二沉池。

图1为实施例一、实施例二和实施例三和对比实验一的挥发酸浓度与消化时间的关系图。从图中可以看出，与剩余污泥单独厌氧消化产生的挥发酸浓度相比，投加三种形式秸秆实验组，挥发酸浓度均有明显的提高，说明秸秆的投加对剩余污泥酸化效能有明显的促进作用。消化时间为96 h时，投加秸秆预处理液、秸秆干粉、秸秆预处理液+干粉的实验组的挥发酸浓度分别为8338，9527，10194 mg COD/L，比剩余污泥单独厌氧消化产生的挥发酸浓度分别提高了32%，51%，61%。

图2为实施例一、实施例二和实施例三和对比实验一在挥发酸浓度达到最大值，即96 h时乙酸、丙酸浓度的对比图。从图中可以看出，投加秸秆预处理液、秸秆干粉、秸秆预处理液+干粉的实验组乙酸、丙酸浓度之和分别为5832，6795，7552 mL /g VSS；与剩余污泥单独厌氧消化实验组相比，分别提高了53%，79%，99%。

综上所述，在剩余污泥中分别投加秸秆预处理液、秸秆干粉、秸秆预处理液+干粉，挥发酸浓度在96 h时基本达到最大值，与剩余污泥单独厌氧消化实验组相比，96 h时挥发酸浓度分别提高了32%，51%，61%；乙酸、丙酸浓度之和分别提高了53%，79%，99%，较挥发酸总量的提高比率大很多，即采用不同的秸秆投加形式可明显改变C2~C3小分子碳源的比重。结果表明，利用不同形式的秸秆作为剩余污泥厌氧消化的调质基质具有可行性，根据实际需求选择合理的投加形式可以得到可观的效益，这不仅解决了剩余污泥单独厌氧消化存在的缺陷，而且为秸秆的资源化利用提供了一种新的利用方式。