一种利用碱渣强化污泥厌氧发酵产酸的方法与流程

本发明属于固体废物处理及资源化技术领域，涉及一种利用碱渣强化污泥厌氧发酵产酸的方法。

背景技术：

近年来，我国污水厂的建设数量大幅增加，剩余污泥产生量越来越多，如何实现剩余污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化是污水处理行业所面临的重大问题。剩余污泥是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体，含有大量微生物和蛋白质、多糖等有机物，其有机质含量是城市污水的10倍，且生物易降解的有机组分含量占有机总固体含量的59-88％。因此，剩余污泥中的大量有机物可作为微生物的营养源，具有资源化利用潜力。

厌氧消化技术是一种绿色的处置方式，能有效地将污水处理厂的剩余污泥变废为宝。污泥厌氧消化是一个多阶段的复杂过程，主要分为三个阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段及产甲烷阶段，其中水解阶段被认为是厌氧消化过程的限速步骤。污泥的碱性发酵可以提高污泥厌氧消化过程水解反应速率，一方面破坏了污泥细胞膜的结构，使大分子有机物释放到环境中，另一方面抑制了产甲烷过程。然而，碱性发酵虽能有效提高厌氧发酵产酸量，但存在污泥处理成本较高等问题。

碱渣是在氨碱法制碱过程中，废液经压滤后产生的废渣。我国纯碱生产发展迅速，年生产能力在800万t以上，其中氨碱法纯碱生产能力为450万t左右。碱渣是一种无毒、含钙的碱性物质，碱渣的任意堆放会侵占大量的土地和海域，使土地盐碱化，堵塞河道危及航道，还会对大气、地下水环境等造成严重影响。对于碱渣污染的治理，一直被称为世界性难题，同时，也成为制约世界上纯碱工业发展的一大难题。

文献1(Shu ting Zhang et al.Bioresource Technology,2015,185,171-177)研究表明了碱性(NaOH)预处理能有效地促进剩余污泥厌氧发酵的水解过程，同时能大大提高产气量，然而，NaOH和热处理后的发酵污泥絮体较紊乱，消化后污泥脱水性能较差，增加了剩余污泥的后续处理成本。

文献2(Wei Fang et al.Bioresource Technology,2014,168,167-172)采用了联合碱和高压对剩余污泥进行预处理，结果表明，在联合使用碱和高压条件下，剩余污泥厌氧发酵过程发酵液中的可溶性COD含量增加73.5％，总COD增加61.3％，其缺点是高压条件对设备要求高，能耗大，预处理成本较高，存在局限性。

技术实现要素：

本发明针对污泥厌氧消化过程水解酸化阶段较困难，碱试剂预处理污泥成本较高等问题，提出了一种利用碱渣强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，以达到以废治废的目的。

本发明的技术方案如下：

一种利用碱渣强化剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，包括以下步骤：

步骤1，碱渣预处理：将碱渣破碎后清洗，烘干，研磨，过筛，将得到的碱渣粉末在400-1000℃下焙烧，得到焙烧后的碱渣；

步骤2，在剩余污泥中投加预处理后的碱渣，使污泥-碱渣系统的pH为10±0.5，之后充氮去氧，密封条件下振荡，充分混匀，30-35℃下厌氧发酵10-15d。

步骤1中，所述的过筛为过100目筛。

步骤1中，所述的焙烧时间为2h。

步骤2中，所述的振荡速度为200r/min。

碱渣属于一种无毒高碱性含钙物质，经研磨、水洗和焙烧等预处理后其主要成分由碳酸钙变为氧化钙，碱性增强，可作为污泥发酵体系的缓冲物质。当碱渣与污泥接触混合后，能有效地调节污泥厌氧发酵系统的pH值至碱性。在碱渣调节污泥厌氧系统呈碱性条件下，加快了污泥的进一步水解，使污泥絮体中胞外聚合物(EPS)得到释放，从而促进了污泥有机物的溶出，提高了可溶性蛋白和可溶性糖的浓度，为产生短链脂肪酸提供了充足的底物；同时抑制了产甲烷菌的活性，使得短链脂肪酸得到积累。本发明采用碱渣强化污泥厌氧发酵过程，不仅能促进污泥厌氧发酵过程有机物的溶出，提高短链脂肪酸的产量，同时解决碱渣难处理的问题，实现污泥和碱渣的资源化利用，具有一定的可行性和实际应用意义。

与现有技术相比，本发明具有以下显著效果：

(1)构建了碱渣-污泥厌氧系统，利用碱渣作用加快污泥水解速率，促进污泥有机物的溶出，并且碱渣具有缓冲pH作用，提高了污泥厌氧发酵产酸速率，从而缩短污泥发酵时间，短链脂肪酸量得到有效地积累，实现了污泥的减量化和资源化的目的。

(2)剩余污泥在发酵过程中释放的正磷酸盐含量减少，减少了发酵液作为碳源对除磷过程的影响。

(3)利用氨碱厂碱渣，原料来源广，成本低廉，既为碱渣的综合利用开辟了新途径，达到以废治废的目的，又实现了剩余污泥的资源化利用，发酵液可用于污水厂内补充生物脱氮除磷工艺中碳源的不足，节省了投加外加碳源的费用，从而降低了污水厂处理成本。本发明具有显著的社会效益、经济效益和环境效益，利于后续工程化应用，应用前景良好。

附图说明

图1是不同温度焙烧后的碱渣投加至污泥厌氧发酵系统中，污泥上清液有机物的溶出情况图。

图2是不同温度焙烧后的碱渣投加至污泥厌氧发酵系统中，短链脂肪酸的积累浓度图。

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

将碱厂取回的碱渣进行破碎、研磨、过100目筛。得到的碱渣粉末用去离子水洗3遍，烘干，再将水洗后的碱渣在400℃空气气氛下焙烧2h。

取400mL剩余污泥(含水率96％，pH＝7.28)加入厌氧反应器中，剩余污泥的总悬浮固体TSS的浓度为21780mg/L，挥发性悬浮固体VSS浓度为10000mg/L。向反应器中加入400℃焙烧后的碱渣8.0g，系统pH为9.52。密封反应容器，充分混匀后充氮去氧10min，污泥在反应器中的停留时间为15d，温度为30±1℃，转速为200r/min。当污泥停留时间为6-7d时，所产生短链脂肪酸为1630.66mg/L。

实施例2

将碱厂取回的碱渣进行破碎、研磨、过100目筛。得到的碱渣粉末用去离子水洗2遍，烘干，再将水洗后的碱渣在600℃空气气氛下焙烧2h。

取400mL剩余污泥(含水率96％，pH＝7.28)加入厌氧反应器中，剩余污泥的总悬浮固体TSS的浓度为21780mg/L，挥发性悬浮固体VSS浓度为10000mg/L。向反应器中加入600℃焙烧后的碱渣4.0g，系统pH为9.99。密封反应容器，充分混匀后充氮去氧10min，污泥在反应器中的停留时间为10d，温度为35±1℃，转速为200r/min。当污泥停留时间为5-6d时所产生短链脂肪酸为2127.83mg/L。

实施例3

将碱厂取回的碱渣进行破碎、研磨、过100目筛。得到的碱渣粉末用去离子水洗2-3遍，烘干，再将水洗后的碱渣在800℃空气气氛下焙烧2h。

取400mL剩余污泥(含水率96％，pH＝7.28)加入厌氧反应器中，剩余污泥的总悬浮固体TSS的浓度为21780mg/L，挥发性悬浮固体VSS浓度为10000mg/L。向反应器中加入800℃焙烧后的碱渣4.0g，系统pH为10.57。密封反应容器，充分混匀后充氮去氧10min，污泥在反应器中的停留时间为10d，温度为35±1℃，转速为200r/min。当污泥停留时间为6-7d时，所产生短链脂肪酸为1920.14mg/L。

实施例4

将碱厂取回的碱渣进行破碎、研磨、过100目筛。得到的碱渣粉末用去离子水洗3遍，烘干，再将水洗后的碱渣在1000℃空气气氛下焙烧2h。

取400mL剩余污泥(含水率96％，pH＝7.28)加入厌氧反应器中，剩余污泥的总悬浮固体TSS的浓度为21780mg/L，挥发性悬浮固体VSS浓度为10000mg/L。向反应器中加入1000℃焙烧后的碱渣4.0g，系统pH为10.38。密封反应容器，充分混匀后充氮去氧10min，污泥在反应器中的停留时间为10d，温度为35±1℃，转速为200r/min。当污泥停留时间为6-7d时，所产生短链脂肪酸为1881.89mg/L。

对比例1

将碱厂取回的碱渣进行破碎、研磨、过100目筛。得到的碱渣粉末用去离子水洗2遍，烘干。取400mL剩余污泥(含水率96％，pH＝7.28)加入厌氧反应器中，剩余污泥的总悬浮固体TSS的浓度为21780mg/L，挥发性悬浮固体VSS浓度为10000mg/L。向反应器中加入水洗后的碱渣4.0g，系统pH为7.38。密封反应容器，充分混匀后充氮去氧10min，污泥在反应器中的停留时间为10d，温度为35±1℃，转速为200r/min。当污泥停留时间为5-6d时，所产生短链脂肪酸为164.10mg/L。

对比例2

将碱厂取回的碱渣进行破碎、研磨、过100目筛。得到的碱渣粉末用去离子水洗2遍，烘干，再将水洗后的碱渣在400℃空气气氛下焙烧2h。

取400mL剩余污泥(含水率96％，pH＝7.28)加入厌氧反应器中，剩余污泥的总悬浮固体TSS的浓度为21780mg/L，挥发性悬浮固体VSS浓度为10000mg/L。向反应器中加入400℃焙烧后的碱渣4.0g，系统pH为8.48。密封反应容器，充分混匀后充氮去氧10min，污泥在反应器中的停留时间为10d，温度为35±1℃，转速为200r/min。当污泥停留时间为4-5d时，所产生短链脂肪酸为583.74mg/L。

图1是不同温度焙烧后的碱渣投加至污泥厌氧发酵系统中，污泥上清液有机物的溶出情况图。图1表明焙烧后的碱渣投加至剩余污泥厌氧发酵体系中，有机物的溶出量相比于空白组均有提高。当焙烧温度达到600℃、800℃和1000℃时，发酵液中有机物的浓度增加较明显，说明焙烧后碱渣的投加有利用剩余污泥的水解。

图2是不同温度焙烧后的碱渣投加至污泥厌氧发酵系统中，短链脂肪酸的积累浓度图。图2表明焙烧后的碱渣投加至剩余污泥厌氧发酵体系中，短链脂肪酸的浓度均高于空白组。当焙烧温度达到600℃、800℃和1000℃时，短链脂肪酸的产量得到明显地积累，最高可达到2127.83mg/L，说明焙烧后碱渣的投加有利于促进剩余污泥的发酵产酸过程。