专利名称：一种提高污水厂剩余污泥产甲烷率的方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种提高污水厂剩余污泥产甲烷率的方法。
背景技术：
利用厌氧生物法处理废水、剩余污泥既可以降低环境污染，同时也可获得能量(甲烷和二氧化碳气体)(Environ.Sc1.Technol.1986，20, 1200-1206)。厌氧生物处理剩余污泥通常分为四个阶段:水解(复杂大分子状态的蛋白质和碳水化合物被胞外水解酶转化成小分子溶解态的单体);产酸(水解产物被转化为各种中间产物，如短链脂肪酸SCFAs等);乙酸化阶段(短链脂肪酸被产氢产乙酸菌转化成乙酸、二氧化碳和氢气)；产甲烷阶段(乙酸和氢气被产甲烧菌转化为甲烧和二氧化碳等)(Appl.Environ.Microbiol.1978, 36, 1-7)。污泥中有机物 质的水解阶段被认为是剩余污泥厌氧产甲烷过程中的限速步骤，为了提高剩余污泥厌氧产甲烷速率，文献中研究了各种污泥预处理方法以提高污泥水解速率，预处理方法包括机械法、化学法、生物法等(Water Res.2000, 34，2362-2368 ；ffaterRes.2001，35，2003-2009 ；ffater Res.1984，18，1343-1353)。接着，经过预处理的剩余污泥直接使用连续搅拌式反应器(CSTR)直接产甲烷。尽管一些高效厌氧反应器如厌氧膨胀层反应器(EGSB,即Expanded GranularSludge Bed)早已被研制出来并被应用于有机废水产甲烷，但鲜有报道这些高效厌氧反应器被应用于剩余污泥厌氧产甲烷过程。如果污泥中的有机颗粒能被水解、酸化成有机废水，特别是含有较高浓度的SCFAs，则可通过EGSB反应器实现产甲烷率的进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种提高污水厂剩余污泥产甲烷速率的方法。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种提高污水厂剩余污泥产甲烷速率的方法，包括如下步骤:( I)调节污泥的pH值为碱性，搅拌均匀，静置沉淀；(2)取步骤(I)静置后的上清液进入厌氧膨胀层反应器(EGSB反应器)中产甲烷。所述的步骤(I)中，使用Ca(OH)2调节污泥的pH值为8-12，优选pH值为10。 所述的步骤(I)中，搅拌温度为34_36°C，搅拌时间为6-10天；优选地，搅拌温度为35°C，搅拌时间为8天。所述的步骤(I)中，静置沉淀时间为24小时。所述的步骤(2)中，用HCl调节上清液的pH值为6-8，优选地pH值为7。所述的步骤(2)中，在中温厌氧发酵条件35°C、有机负荷(单位体积反应器单位时间内所能去除的有机物量)为5-45kgC0D/m3/d条件下产甲烷；优选地，有机负荷为30kgC0D/m3/cL本发明的研究表明，采用剩余污泥经碱性条件(ρΗΙΟ.Ο)发酵8天后的上清液，通过应用EGSB反应器可以较大地提高产甲烷率。本发明的有益效果是:剩余污泥首先在碱性条件下水解、发酵产酸，然后再将生成的上清液进入EGSB反应器中生产甲烷，这不但提高了污泥的产甲烷率，而且使污泥中的有机物得到更充分的回收和再利用，减少了污泥对环境的污染。
具体实施例方式为提高剩余污泥厌氧产甲烷率，本发明经过多次反复实验，发现采用下述本发明剩余污泥生产甲烷的方法，能够显著提高剩余污泥产甲烷率。本发明提高剩余污泥产甲烷的方法，包括以下步骤:调节剩余污泥的pH值为8-12，温度为34-36°C，搅拌时间为6_10天，进行厌氧发酵，取其上清液，用HCl调节上清液的pH值为7.0 (中性)。然后，使污泥上清液进入EGSB反应器中运行，在中温厌氧发酵温度35°C、有机负荷(单位体积反应器单位时间内所能去除的有机物量)为5-45kgC0D/m3/d时，厌氧产甲烷。本发明方法在产甲烷前，先将剩余污泥在pH值为8-12的碱性条件下发酵，温度为34-36°C，搅拌时间为6-10天。这样不仅可以使污泥水解速率得到明显提高，产生出较多的溶解性碳水化合物等物质，而且由溶解性碳水化合物生成的短链脂肪酸的量也得到提高，这为后续产甲烷阶 段提供了较为丰富的碳源。本发明，取剩余污泥厌氧发酵后的上清液，用HCl调节上清液的pH值为7.0 (中性)，以便于进入高效厌氧反应器EGSB中，提高其产甲烷率。将污泥上清液加入EGSB反应器中运行，在中温厌氧发酵温度35°C、有机负荷(单位体积反应器单位时间内所能去除的有机物量)为5-45kgC0D/m3/d时，厌氧产甲烷。调节最适合的有机负荷，可以有效地将污泥中的有机质转化为甲烷，以获得最大化的产甲烷率。通过实验发现，本发明先在pH值为10的碱性条件下，温度35°C，发酵8天后，得到的短链脂肪酸浓度最大。进一步研究发现，本发明在产甲烷阶段，将污泥碱性发酵后的上清液调为中性，力口入厌氧反应器EGSB中厌氧发酵产甲烷，中温35 V，有机负荷控制为30kgC0D/m3/d时，产甲烷率达到最大。下面结合实施例进一步说明本发明。实施例1(1)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为 1932mg/L。 将剩余污泥pHIO，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出
2.5L发酵上清液进行以下实验。
(2)选用步骤(I)中剩余污泥水解产酸的条件为PH10，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为4.5L (内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其有机负荷为5kgC0D/m3/d，温度为35°C,甲烷产率为 1.54m3CH4/m3-reactor/d。实施例2(I)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1932mg/L。将剩余污泥pHIO，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出2.5L发酵上清液进行以下实验。(2)选用步骤(I)中剩余污泥水解产酸的条件为PH10，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为4.5L(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为35°C、有机负荷为IOkgCOD/m3/d,甲烧产率为 3.14m3CH4/m3-reactor/d。实施例3 (I)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1932mg/L。将剩余污泥pHIO，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出2.5L发酵上清液进行以下实验。(2)选用步骤(I)中剩余污泥水解产酸的条件为PH10，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为4.5L(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为35°C、有机负荷为15kgC0D/m3/d,甲烧产率为 4.82m3CH4/m3-reactor/d。实施例4(I)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1932mg/L。将剩余污泥pHIO，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出2.5L发酵上清液进行以下实验。(2)选用步骤(I)中剩余污泥水解产酸的条件为PH10，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为4.5L(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为35°C、有机负荷为20kgC0D/m3/d,甲烧产率为 6.20m3CH4/m3-reactor/d。实施例5(I)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1932mg/L。将剩余污泥pHIO，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出2.5L发酵上清液进行以下实验。(2)选用步骤( I)中剩余污泥水解产酸的条件为PH10，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为4.5L(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为35°C、有机负荷为25kgC0D/m3/d,甲烧产率为 7.93m3CH4/m3-reactor/d。实施例6(I)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1932mg/L。将剩余污泥pHIO，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出2.5L发酵上清液进行以下实验。(2)选用步骤(I)中剩余污泥水解产酸的条件为PH10，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为4.5L(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为35°C、有机负荷为30kgC0D/m3/d,甲烧产率为 12.63m3CH4/m3-reactor/d。实施例7(I)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1932mg/L。将剩余污泥pHIO，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出2.5L发酵上清液进行以下实验。(2)选用步骤(I)中剩余污泥水解产酸的条件为PH10，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为4.5L(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为35°C、有机负荷为35kgC0D/m3/d,甲烧产率为 11.10m3CH4/m3-reactor/d。实施例8(I)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1932mg/L。将剩余污泥pHIO，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出2.5L发酵上清液进行以下实验。(2)选用步骤(I)中剩余污泥水解产酸的条件为PH10，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为
4.5L(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为35°C、有机负荷为40kgC0D/m3/d,甲烧产率为 11.43m3CH4/m3-reactor/d。实施例9(I)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO， 经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1932mg/L。将剩余污泥pHIO，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出2.5L发酵上清液进行以下实验。(2)选用步骤(I)中剩余污泥水解产酸的条件为PH10，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为4.5L(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为35°C、有机负荷为45kgC0D/m3/d,甲烧产率为 11.27m3CH4/m3-reactor/d。实施例10(I)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1932mg/L。将剩余污泥pH8，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出2.5L发酵上清液进行以下实验。(2)选用步骤(I)中剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Techno l.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为
4.5L(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为35°C、有机负荷为30kgC0D/m3/d,甲烧产率为 6.15m3CH4/m3-reactor/d。实施例11(I)将120L污泥平均加入到3个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20L，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8_12，经过6_10天水解产酸的发酵过程，搅拌温度分别为34-36°C。当剩余污泥水解产酸的条件为pH8，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1060mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pHIO，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为2895mg/L ；当剩余污泥水解产酸的条件为pH12，经过8天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度最大为1932mg/L。将剩余污泥pH12，经过8天厌氧发酵后，让各反应器静置、沉淀24小时，分别取出2.5L发酵上清液进行以下实验。(2)选用步骤(I)中剩余污泥水解产酸的条件为PH12，经过8天厌氧发酵后得到的上清液；用HCl调节上清液pH值为7.0，将上清液取出，加入EGSB反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为
4.5L(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为35°C、有机负荷为30kgC0D/m3/d,甲烧产率为 8.58m3CH4/m3-reactor/d。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之 内。
权利要求
1.一种提高污水厂剩余污泥产甲烷速率的方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)调节污泥的PH值为碱性，搅拌均匀，静置沉淀； (2)取步骤(I)静置后的上清液进入厌氧膨胀层反应器中产甲烷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，使用Ca(OH)2调节污泥的pH值为8-12。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，使用Ca(OH)2调节污泥的pH值为10。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，搅拌温度为34-36°C，搅拌时间为6-10天。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，搅拌温度为35°C，搅拌时间为8天。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，静置沉淀时间为24小时。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(2)中，用HCl调节上清液的pH值为6-8。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(2)中，用HCl调节上清液的pH值为7。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(2)中，在中温厌氧发酵条件35°C、有机负荷为5-45kgC0D/m3/d条件下产甲烷。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(2)中，在中温厌氧发酵条件35°C、有机负荷为30kgC0D/m3/d条件下产甲烷。
全文摘要
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种提高污水厂剩余污泥产甲烷速率的方法，包括如下步骤(1)调节污泥的pH值为碱性，搅拌均匀，静置沉淀；(2)取步骤(1)静置后的上清液进入厌氧膨胀层反应器中产甲烷。本发明提供的上述方法不但提高了甲烷产率，而且使剩余污泥中的有机物得到充分的回收和再利用，减少了污泥对环境的污染。
文档编号C02F11/04GK103204616SQ20131008191
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者张栋, 赵建夫, 王学江, 王荣昌, 吴家正, 夏四清 申请人:同济大学