专利名称：污水处理剩余污泥厌氧发酵分步制氢气和甲烷的方法
技术领域：
本发明属于有机废物资源化技术领域，具体涉及一种利用污水处理剩余污泥厌氧发酵分步制取氢气和甲烷的方法。具体上是利用剩余污泥作为发酵基质，经过适当的预处理，分步发酵获得氢气和甲烷的工艺。
背景技术：
石油、煤炭等属于不可再生的化石能源。现代工业对这些不可再生的化石能源需求量日益激增，一方面导致不可再生的化石能源日益枯竭，另一方面则是大量使用化石能源使环境污染日益严重。开发高效洁净的可再生性能源，越来越受到重视，已经成为大家竞相研究的热点。氢气是一种高效洁净的绿色能源，每燃烧一千克氢气，将产生142. 35千焦的热量，是汽油的2. 75倍，酒精的3. 9倍，且氢气在燃烧过程中只产生水，不排放任何有害物质。同时氢气也是很多工业生产中的重要原料之一。目前，关于氢气的制取主要有两种方法物理化学法和生物法。物理化学法主要包括水电解、甲烷催化重整等，这些方法以水或者甲烷为生产原料，需要耗费大量的能源。生物法可以利用有机废水和有机固体废物作为生产原料，采用微生物降解发酵来生产氢气，是一种环保经济的方法。随着我国社会经济和城市化的发展，以及人们环境意识的提高和环保法规的日益严格，越来越多的污水处理厂已经投入使用或正在建设。目前，我国关于生活等污水的处理主要采用的是活性污泥或生物膜法处理技术，在处理的过程中将产生大量的剩余污泥。剩余污泥大量积累将成为影响环境卫生的一大公害。同时，剩余污泥中含有大量的有机物，比如糖类、蛋白质、脂肪等，蕴含着丰富的生物质能。如何将这些能源物质有效的回收利用，具有经济和环境双重效益。传统的剩余污泥发酵，是以回收甲烷气体为主，甲烷燃烧将产生二氧化碳气体，是一种温室气体。关于剩余污泥发酵制氢，申请号2005100664 . 7的专利公开了 “用污水处理厂剩余污泥制氢的热处理-发酵产氢方法”，申请号200710035936. 8的专利公开了“微波预处理污水厂剩余污泥发酵产氢的方法及装置”，两个方法均利用剩余污泥发酵获得了数量较为可观的氢气，但是均未对产氢后污泥进行利用。产氢后污泥中含有大量的短链有机酸，是进行甲烷发酵的良好基质。应对产氢后污泥进一步利用，以期最大限度的回收剩余污泥中的能源物质。
发明内容
本发明的目的是提供一种以污水处理的剩余污泥作为基质底物，利用两相厌氧发酵分步制取氢气和甲烷的方法，以期最大限度的回收剩余污泥中的能源物质。本方法操作简单，成本低廉，在解决剩余污泥处置问题的同时回收能源物质，具有经济和环境双重效益。本发明方法解决问题所采用的技术方案 步骤(1).剩余污泥的预处理。
先将污水处理过程中产生的剩余污泥泵入预处理池进行热预处理，处理温度为 60 150°C，处理时间约30分钟，处理后在室温条件下，将预处理后的剩余污泥冷却至50°C 以下；
步骤O).预处理后的剩余污泥发酵产氢。将预处理后的剩余污泥泵入密闭的第一发酵罐中进行厌氧发酵产氢，厌氧发酵产氢的温度维持在35°C左右，持续时间为10 50小时，第一发酵罐上部设置有气体出口，用于氢气的收集，厌氧发酵结束后将90%左右的产氢后的污泥排入调节池，10%左右的产氢后的污泥留在第一发酵罐内，留作种泥；
步骤(3).剩余污泥与产氢后污泥的调配。厌氧发酵产氢结束后的污泥中含有大量的短链有机酸，该产氢后污泥的pH值范围在4. 0 6. 0之间，先将产氢后的污泥泵入调节池，并和未经预处理的剩余污泥按3:1的比例混合，然后调节混合污泥的PH值至6. 5 7. 5之间；
步骤调配后的混合污泥厌氧发酵产甲烷。将调配后的混合污泥泵入密闭的第二发酵罐进行厌氧发酵产甲烷，厌氧发酵产甲烷的温度维持在35°c左右，持续时间M 96小时，第二发酵罐顶部设置有气体出口，用于收集甲烷，发酵结束后90%左右的产甲烷后的污泥排出，10%左右的产甲烷后的污泥留在第二发酵罐，留作种泥。与现有的技术相比，本发明具有的有益效果
1、剩余污泥的发酵在PH中性的环境中启动，有利于微生物快速的快速启动，反应的迟滞期短；
2、发酵产氢后的污泥和未处理的污泥按适当比例混合，能对发酵发酵产氢后的污泥中的酸起到一定的稀释作用，减少调节PH物质的用量，同时使反应器内的生物多样性增强， 有利于产甲烷的稳定性；
3、发酵产氢的污泥中含有大量的有机酸，是产甲烷菌容易利用的基质，有利于产甲烷的顺利进行；
4、发酵产氢的污泥用于产甲烷能最大限度的回收剩余污泥中的生物质能源；
5、产氢和产甲烷分两相进行，分别进行收集，后续的利用较为简单。6、经发酵产氢和发酵产甲烷处理后，污泥的脱水性能得到改善，污泥量减少。本发明具有工业处置剩余污泥的实用性，适用于各种污水处理剩余污泥的处置。
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明方法作进一步说明。如图1所示，本发明通过以下几个步骤来实现 步骤(1).剩余污泥的预处理。先将污水处理过程中产生的剩余污泥泵入预处理池1进行热预处理，处理温度为 60 150°C，处理时间约30分钟，处理后在室温条件下，将预处理后的剩余污泥冷却至50°C以下；
步骤O).预处理后的剩余污泥发酵产氢。将预处理后的剩余污泥泵入密闭的第一发酵罐2中进行厌氧发酵产氢，厌氧发酵产氢的温度维持在35°C左右，持续时间为10 50小时，第一发酵罐2上部设置有气体出口，用于氢气的收集，厌氧发酵结束后将90%左右的产氢后的污泥排入调节池3，10%左右的产氢后的污泥留在第一发酵罐2内，留作种泥；
步骤(3).剩余污泥与产氢后的污泥的调配。厌氧发酵产氢结束后的污泥中含有大量的短链有机酸，该产氢后污泥的pH值范围在4. 0 6. 0之间，先将产氢后的污泥泵入调节池3，并和未经预处理的剩余污泥按3:1 的比例混合，然后调节混合污泥的PH值至6. 5 7. 5之间；
步骤调配后的混合污泥厌氧发酵产甲烷。将调配后的混合污泥泵入密闭的第二发酵罐4进行厌氧发酵产甲烷，厌氧发酵产甲烷的温度维持在35°C左右，持续时间M 96小时，第二发酵罐4顶部设置有气体出口， 用于收集甲烷，发酵结束后90%左右的产甲烷后的污泥排出，10%左右的产甲烷后的污泥留在第二发酵罐4，留作种泥。实施例1
取浓度为10. 13g/L的剩余污泥IOOmL,在80°C和常压条件下处理30min，在室温下冷却至50°C以下，然后将预处理后的污泥转移至250mL的血清瓶中，并用氮气吹扫^iin后密封，将密封的血清瓶至于振荡摇床中发酵产氢，控制温度35°C，120rpm，厌氧发酵持续40h， 发酵产生气体主要有氢气和二氧化碳，其中氢气浓度达50. 9%，气体中未有甲烷检出。取产氢结束的残液60mL与20mL未处理的剩余污泥混合，用IM的NaOH溶液调节 PH值至6. 5，然后将污泥转移至250mL血清瓶中，其余操作同上的产氢发酵操作，厌氧产甲烷发酵持续68h，发酵产生的气体主要是甲烷和二氧化碳，其中甲烷浓度达77. 0%，有极少量的氢气检出。实施例2
取浓度为14. 57g/L的剩余污泥30L，在100°C和常压条件下预处理20min，用输送泵将污泥送入发酵罐2进行发酵产氢，通过加热器控制发酵罐温度在35°C左右。在大约1 左右，有发酵气体产生，在2 左右发酵罐内有内循环形成。发酵产氢持续了 53h，产生的气体主要有氢气和二氧化碳，其中氢气浓度达46. 8%，气体中未有甲烷检出。取发酵罐1中发酵残液20L和未处理的剩余污泥IOL在调节池3中进行混合，然后用IM的NaOH溶液调节pH值至中性附近，然后泵入发酵罐4进行发酵产甲烧，通过加热器控制发酵罐温度在35°C左右。在大约20h左右，有发酵气体产生，在2 左右发酵罐内有内循环形成。发酵产甲烷持续了 78h，产生的气体主要有甲烷和二氧化碳，其中甲烷浓度达 73. 6%，气体中有少量氢气检出。实施例3
取浓度为12. 33g/L的剩余污泥30L，在100°C和常压条件下预处理20min，用输送泵将污泥送入发酵罐2进行发酵产氢，通过加热器控制发酵罐温度在35°C左右。在大约1 左右，有发酵气体产生，在29h左右发酵罐内有内循环形成。发酵产氢持续了 50h，产生的气体主要有氢气和二氧化碳，其中氢气浓度达46. 2%，气体中未有甲烷检出。
取发酵罐1中发酵残液20L和未处理的剩余污泥IOL在调节池3中进行混合，然后用IM的NaOH溶液调节pH值至7. 5，然后泵入发酵罐4进行发酵产甲烷，通过加热器控制发酵罐温度在35°C左右。在大约21h左右，有发酵气体产生，在30h左右发酵罐内有内循环形成。发酵产甲烷持续了 75h，产生的气体主要有甲烷和二氧化碳，其中甲烷浓度达75. 1%， 气体中有少量氢气检出。
权利要求
1.污水处理剩余污泥厌氧发酵分步制氢气和甲烷的方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤(1).剩余污泥的预处理，具体是先将污水处理过程中产生的剩余污泥泵入预处理池进行热预处理，处理温度为60 150°C，处理时间约30分钟，处理后在室温条件下，将预处理后的剩余污泥冷却至50°C以下；步骤O).预处理后的剩余污泥发酵产氢，具体是将预处理后的剩余污泥泵入密闭的第一发酵罐中进行厌氧发酵产氢，厌氧发酵产氢的温度维持在35°C左右，持续时间为10 50小时，第一发酵罐上部设置有气体出口，用于氢气的收集，厌氧发酵结束后将90%左右的产氢后的污泥排入调节池，10%左右的产氢后的污泥留在第一发酵罐内，留作种泥；步骤(3).剩余污泥与产氢后污泥的调配，具体是厌氧发酵产氢结束后的污泥中含有大量的短链有机酸，该产氢后污泥的PH值范围在 4. 0 6. 0之间，先将产氢后的污泥泵入调节池，并和未经预处理的剩余污泥按3:1的比例混合，然后调节混合污泥的PH值至6. 5 7. 5之间；步骤调配后的混合污泥厌氧发酵产甲烷，具体是将调配后的混合污泥泵入密闭的第二发酵罐进行厌氧发酵产甲烷，厌氧发酵产甲烷的温度维持在35°C左右，持续时间M 96小时，第二发酵罐顶部设置有气体出口，用于收集甲烷，发酵结束后90%左右的产甲烷后的污泥排出，10%左右的产甲烷后的污泥留在第二发酵罐，留作种泥。
全文摘要
本发明公布了一种污水处理剩余污泥厌氧发酵分步制氢气和甲烷的方法。传统的剩余污泥发酵，是以回收甲烷气体为主，未对产氢后污泥进行利用。本发明方法通过剩余污泥的预处理，预处理后的剩余污泥发酵产氢，剩余污泥与产氢后污泥的调配，调配后的混合污泥厌氧发酵产甲烷4步骤，利用两相厌氧发酵分步制取氢气和甲烷，以最大限度的回收剩余污泥中的能源物质。本发明方法操作简单，成本低廉，在解决剩余污泥处置问题的同时回收能源物质，具有经济和环境双重效益。
文档编号C12P3/00GK102492727SQ201110405529
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者傅木星, 张昱, 张砺彦, 徐驰 申请人:杭州迪利生态循环经济工程有限公司