一种碱解耦合超声促进高浓度污泥厌氧发酵的预处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高浓度污泥厌氧发酵产甲烷领域，具体涉及一种低投碱量与低功率密度超声组合应用的高浓度污泥强化预处理方法。
【背景技术】
[0002]厌氧发酵技术是实现污泥减量化、稳定化、无害化和资源化的有效途径并得到了普遍应用。传统污泥厌氧发酵工艺中污泥浓度一般为2%?4%，在高浓度厌氧发酵工艺中，污泥浓度可以提高到8%?12%，可以有效解决发酵设施体积大、单位容积产气量低等问题，成为当前污泥厌氧发酵技术发展的一个重要趋势。关于高浓度污泥厌氧发酵的研究指出，在有效提高污泥容积产气率的同时，有机质降解率却降低了。一般认为，污泥水解是厌氧发酵的限速步骤，提高水解效率的主要方法之一就是对污泥进行预处理，破坏细胞结构和细胞壁，使更多的胞内有机物转移到液相中，实现微生物对有机物的降解。目前污泥的预处理技术主要包括物理、化学和生物三种方法。常用的手段有热处理、机械预处理、超声处理、酸碱预处理以及几种方法的组合应用等。其中，从操作方便、设施简单、能耗低等角度考虑，碱解和超声预处理具有较好的应用前景。
[0003]碱处理是一种非常有效且常用的方法。在污泥中投入一定浓度的碱，可以有效的将污泥细胞内的物质转化成溶解性有机物，释放到水相中，增加生物可降解性。美国的Rajan等首先提出碱解预处理技术，在消化前加入NaOH或Ca(OH)2，可以使45%以上的总COD(TCOD)溶解，同时消化过程中的产气率以及挥发性悬浮固体(VSS)去除率也随之提高。超声波是频率在20kHz到10MHz范围内的声波，通过空化作用机理，在不添加化学变性剂、酶以及其他物质的情况下，破碎细胞壁，有效破坏污泥絮体结构，从而提高有机物的溶解性，减小颗粒的大小。超声预处理有成本低、可以实现自动化操作、改善污泥的脱水性能，且不会影响污泥后续处理、无二次污染等优点。但是它也存在着在促进细胞破碎后固体碎肩的水解作用比碱解处理弱的问题。因此碱解处理与超声预处理组合应用是一种高效且节能的方法。
[0004]目前，关于碱解耦合超声预处理的研究大部分都是作用于低浓度污泥，而针对高浓度污泥的预处理研究比较少。为促进高浓度污泥厌氧发酵产甲烷的效果，需要探究一种低能耗、高效率、易于操作的预处理方法。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有的高浓度污泥厌氧发酵中存在的有机质降解率低的问题，提供一种直接作用高浓度污泥(TS = 7%?9% )，对污泥有明显破解作用，可以提高污泥厌氧发酵产气性能，缩短反应周期，且能耗低、易于操作的组合强化预处理方法。
[0006]本发明提出的一种碱解耦合超声促进高浓度污泥厌氧发酵的预处理方法，包括以下步骤:
[0007]步骤一、将脱水污泥配制成固体浓度TS = 7%?9%的污泥，按照0.01g/g-TS的浓度加入氧化钙粉末，搅拌均匀；
[0008]步骤二、将步骤一得到的加入有氧化钙粉末的污泥倒入槽式超声发生器中进行超声处理，超声处理的工艺条件是:频率为20kHz，功率密度为0.15kW/L，处理时间为30min。
[0009]上述经过步骤一和步骤二处理后的污泥可以直接用作进行厌氧发酵产甲烷的基质泥。污泥中溶解性COD浓度比未经预处理的污泥增加了 94.8%，溶解性多糖浓度增加了 9.9倍；经过预处理后污泥进行厌氧发酵反应25d，其甲烷累积产率比未经处理时提高了55.1% ο
[0010]本发明的基本原理如下:
[0011]首先，碱解预处理和超声预处理的原理是通过化学与物理途径作用于污泥，从而破坏污泥的细胞结构及细胞壁，使更多的胞内有机物转移到液相中，表现为污泥溶解性有机物的增多；经过预处理的污泥其絮体结构发生变化，细胞内的物质溶出，进入液相，在胞外酶的作用下快速水解成小分子化合物，提高厌氧发酵速率。
[0012]其中，碱解处理对污泥细胞的破解作用比较明显，单独碱解对污泥的破解效果要优于单独超声的效果；同时所用的碱量越大，其破解效果越好，胞内有机物溶出越多，即污泥中溶解性COD的溶出就越多。但是，随着碱量的增多，污泥的pH值也随之增加，过高的pH值会影响后续的厌氧发酵反应；而且增大投碱量相应的处理成本也随之变大。综合考虑处理效果与成本的因素，采取超声与碱解组合应用的方式。在本发明中，将这两种方法组合应用，综合各自的优点，也互相弥补各自存在的问题。
[0013]本发明所用污泥的浓度为TS = 7 %?9 %，考虑到当污泥的TS超过9 %之后，其粘度会有很大程度的增长，粘度过高会使污泥厌氧发酵中搅拌的困难增大，因此选择浓度为TS = 7%?9%的污泥作为高浓度污泥进行运行。另外，碱解处理中，碱的种类一般有NaOH、Ca (OH) 2等，据研究，NaOH对污泥的破解效果要优于Ca (OH) 2;但是考虑到经过NaOH处理后的污泥在最终处置的时候，如果用于土地利用，会造成土壤板结，因此选用CaO粉末进行碱解处理。其中，CaO粉末的添加浓度为0.01g/g-TS，在这个浓度下，污泥的pH值在7.6?7.7，不会影响后续厌氧反应的正常进行。
[0014]本发明中采取了碱解与超声同时作用的方式。在碱解处理中，污泥的破解程度随碱解时间和投碱浓度的增大而增大，一般在24h左右达到平衡；由于采用的是较低投碱浓度，在0.01g/g-TS的碱浓度下，采取先碱解后超声的方式与碱解、超声同时作用相比，污泥中的溶解性COD浓度相差不大，因此选择在操作上更为简便的碱解与超声同时作用。
[0015]超声预处理在频率为20kHz、功率密度为0.15kff/L时进行，超声时间为30min。污泥的破解程度(即溶解性COD的溶出率)随超声作用时间及功率密度增加而增加；本发明综合考虑破解效果与能耗的因素，采用30min的作用时间，同时30min的时间参数也是在实际工程中被广泛采用的一个参数。经过此种方法预处理的污泥，可直接投入到厌氧反应器中进行发酵反应。
[0016]本发明具有如下优点:
[0017](I)本发明提供了一种作用于高浓度污泥的预处理方法，已有的大量关于污泥预处理的研究都是针对TS = 2%?4%的低浓度污泥；本发明可直接对TS = 7%?9%的污泥进行操作，且经过试验运行证明，具有明显效果，与未经预处理的污泥相比，其甲烷产率可提尚55.1 %。
[0018](2)本发明中的预处理方法是条件相对比较温和、能耗较低的，通过两种方法的耦合作用，使破解效果增强。碱解和超声同时处理30min，污泥中溶解性COD的值比单独碱解作用30min时增加了 71.4%，比单独碱解24h增加了 19.5% ;且经过碱解和超声同时作用的污泥，其产气性能要优于单独碱解24h后的污泥。采取碱解耦合超声的预处理方法，不仅增强了对污泥的破解效果，同时提高了污泥的产气性能、缩短了厌氧反应的周期，也使产气尚峰有所提如。
[0019](3)由于本发明中投加的碱浓度比较低，CaO的投加量为0.01g/g-TS，经过碱解处理后，污泥的pH值在7.6左右，因此经过处理后的污泥，可以按照正常的投配率直接投入到连续运行的反应器中，无需进行驯化；反应器中的厌氧系统经过一段时间的适应之后可达到稳定。
[0020](4)本发明中碱解处理采用CaO粉末，一方面其价格比NaOH低，另外也可以避免采用NaOH所造成的土壤板结问题。
【具体实施方式】
[0021]下面对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
[0022]以取自污水处理厂的脱水污泥为例，对其进行碱解耦合超声促进高浓度污泥厌氧发酵的预处理方法如下:
[0023]首先，本发明中的预处理方法对象为TS = 8%的污泥，污泥取自污水处理厂的脱水污泥，含水率为81.6%，根据脱水污泥的含水率，加入一定量的蒸馏水，搅拌均匀，配制成浓度为8%的高浓度污泥，测其pH = 7.0，TCOD = 68900mg/L, SCOD = 620mg/L ;取一定体积TS = 8%的污泥，按照0.01g/g-TS的浓度值称量一定量的CaO粉末，加入到上述配置好浓度的污泥中进行搅拌；然后，将加入有CaO粉末的污泥倒入槽式超声发生器，在频率为20kHz，功率密度为0.15kff/L的模式下，进行超声30min ;取出之后，测其pH = 7.67，SCOD=1410mg/Lo
[0024]经过上述预处理后的污泥，可进行厌氧批式反应和连续运行的厌氧发酵反应。进行厌氧发酵批式反应时，将利用上述预处理方法进行处理后的污泥作为基质泥，与接种泥按照VS比1:2的比例加入到容量为300mL的厌氧瓶中，再加入pH = 7的缓冲溶液(磷酸氢二钾与磷酸二氢钾)，混合均匀，充入氮气吹脱空气，用胶塞密封，在37°C、转速为10r/min的摇床内进行厌氧反应20?25d，考察其累积产气量与累积甲烷产率。结果证明，经过预处理后的污泥其产气性能得到提高，累积甲烷产率比未经处理的污泥增加了 55.1%，同时缩短了反应周期，产气高峰也有所提前。
[0025]以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种碱解耦合超声促进高浓度污泥厌氧发酵的预处理方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一、将脱水污泥配制成固体浓度TS = 7%?9%的污泥，按照0.0lg/g-TS的浓度加入氧化钙粉末，搅拌均匀； 步骤二、将步骤一得到的加入有氧化钙粉末的污泥倒入槽式超声发生器中进行超声处理，超声处理的工艺条件是:频率为20kHz，功率密度为0.15kW/L，处理时间为30min。2.一种利用如权利要求1所述碱解耦合超声促进高浓度污泥厌氧发酵的预处理方法处理后的污泥用作进行厌氧发酵产甲烷的基质泥。
【专利摘要】本发明公开了一种碱解耦合超声促进高浓度污泥厌氧发酵的预处理方法，包括：将脱水污泥配制成固体浓度TS＝7％～9％的污泥，按照0.01g/g-TS的浓度加入氧化钙粉末，搅拌均匀；然后倒入槽式超声发生器中进行超声处理，超声频率为20kHz，功率密度为0.15kW/L，处理时间为30min。经过上述预处理的污泥，污泥中溶解性COD浓度和溶解性多糖浓度比未经预处理的污泥有大幅度的增加，且pH值在7.6左右，可直接投入到厌氧反应中进行发酵产甲烷，进行厌氧发酵反应25d，其甲烷累积产率比未经处理时提高了55.1％。本发明操作简单、节省药剂量和能耗，不会对后续处理与处置产生影响，同时提高了污泥产气性能、缩短厌氧反应周期。
【IPC分类】C02F11/00, C02F11/04
【公开号】CN105330114
【申请号】CN201510695427
【发明人】李茹莹, 张迦北, 季民, 张博
【申请人】天津大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年10月22日