一种利用海娜植物生物质与剩余污泥共发酵产酸的方法
【专利摘要】本发明公开一种利用海娜植物生物质与剩余污泥共发酵产酸的方法。该方法是将海娜植物生物质与剩余污泥混合均匀，得到海娜植物生物质粉末的干重百分含量为5﹪～70﹪的混合料；然后将混合料放入发酵罐或厌氧反应器进行共发酵；共发酵条件如下：控制发酵温度为15～55℃，利用磷酸盐缓冲液、碳酸氢钠缓冲液或碱性溶液维持发酵系统pH值为6.0～11.0，氧化还原电位低于-150mV；采用潜流搅拌器，转速设置为50～300转/分钟，发酵时间为1～30d。剩余污泥无需进行碱、热碱或超声预处理，可直接与海娜植物生物质混合，通过控制本发明所述的操作条件，就可高效产生挥发性脂肪酸。
【专利说明】一种利用海娜植物生物质与剩余污泥共发酵产酸的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境保护中污水处理厂污泥处理处置领域，具体地说是涉及一种利用海娜植物生物质与剩余污泥共发酵产酸的方法。
【背景技术】
[0002]污水处理厂是实现污染物减排、控制水体污染、提升区域水环境质量的重要手段之一。然而，在处理污水过程中会产生大量剩余污泥，经污水厂内带式压滤机、离心脱水机或板框压滤机脱水后形成含水率约为80 %的胶凝态物质，具有体积大、易腐败、恶臭、高物理稳定性、有机物和氮、磷等营养物质含量高等基本特点。因此，必须对剩余污泥进行减量化、稳定化和无害化处理，并实现能量和物质的最大化回收。[0003]剩余污泥中含有大量有机物，其水解发酵过程不仅能实现污泥减量，而且能够产生乙酸、丙酸等挥发性脂肪酸(VFAs)。VFAs是进行城市污水脱氮除磷和工业废水中氧化态污染物高效去除的重要碳源。我国剩余污泥有机物含量相对较低，导致厌氧消化技术在剩余污泥的处理处置中的应用率偏低。
[0004]海娜植物生物质成分复杂，主要成分为天然纤维素，还含有香豆素类、糖类、醌类(指甲花醌)等多种化学成分，其中指甲花醌的含量可高达1.5 %。厌氧发酵条件下，海娜植物生物质在水解酶和发酵菌的作用下可形成糖类、蛋白质及H2、VFAs等多种电子供体，同时可能发生指甲花醌(游离态)的溶出。指甲花醌是一种高效的氧化还原介体，可加速生物/化学反应过程，对有机物的发酵类型影响深刻，可显著提高VFAs的产量。因此，海娜植物生物质如若同剩余污泥混合进行共发酵，不仅能同步产酸，还能提供指甲花醌，对剩余污泥的水解发酵产酸过程同样可能具有反向调节作用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为克服我国污水处理厂剩余污泥有机物含量少、产酸水平低的限制因子，提供一种利用海娜植物生物质与剩余污泥共发酵产酸的方法，提升污水处理厂剩余污泥减量化和资源化技术的应用水平。该方法可以达到剩余污泥和天然植物生物质的同步减量化，实现其资源化利用。
[0006]本发明方法包括如下步骤:
步骤(1).将海娜植物生物质采用粉碎机粉碎，得到粒径小于3 mm的海娜植物生物质粉末；将海娜植物生物质粉末于50~70°C下烘干待用；
步骤(2).剩余污泥经浓缩、脱水后待用；
所述的剩余污泥来源于城市污水处理厂、工业废水处理厂生化工艺中的一种或多种，当为多种混合时，比例为任意比；
步骤(3).将步骤(1)烘干后的海娜植物生物质粉末与步骤(2)浓缩脱水后的剩余污泥混合均匀，得到混合料；其中混合料中海娜植物生物质粉末的干重百分含量为5 %~70% ;然后将混合料放入发酵罐或厌氧反应器进行共发酵；所述的共发酵条件如下:控制发酵温度为15~55°C，利用磷酸盐缓冲液、碳酸氢钠缓冲液或碱性溶液维持发酵系统PH值为6.0~11.0，氧化还原电位低于-150 mV ;采用潜流搅拌器，转速设置为50~300转/分钟，发酵时间为I~30 d。
[0007]作为优选，所述的碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液或Ca (OH) 2溶液；
所述的厌氧反应器为厌氧序批式反应器(ASBR)或厌氧消化池；
所述的厌氧反应器采用污泥循环泵设置内回流，回流比设为100 %~200 %，保障系统内水流素动，提闻传质效果；
所述的海娜植物生物质为天然海娜植物生物质的花、茎、叶、种子中的一种或多种，当为多种混合时，比例为任意比。
[0008]本发明的有益效果是:采用天然海娜植物生物质作为剩余污泥共发酵基质，通过厌氧发酵系统，海娜植物生物质除了其本身可以产生挥发性脂肪酸(VFAs)外，其溶出的游离态指甲花醌或生物质表面的附着态指甲花醌均可显著提高发酵产酸量。本发明的技术优点在于:剩余污泥无需进行碱、热碱或超声预处理，可以直接与海娜植物生物质混合，通过控制本发明所述的操作条件，就可高效产生VFAs，与剩余污泥单一发酵系统相比，共发酵系统中VFAs的产生量可提高2.11~3.87倍。本发明技术具有良好的环境和经济效益，可实现污水厂剩余污泥及海娜植物生物质的同步减量化，并能产生高品质的碳源。
【具体实施方式】
[0009]以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0010]实施例1
所用的海娜植物生物质来源于安徽省某地，选用其叶子组分，粉碎机粉碎后过20目筛选取筛下物，50°C烘干待用；剩余污泥来源于浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余污泥(脱水后)，挥发性悬浮固体(VSS)含量为138 g/L。
[0011]在发酵罐(有效容积3.0 L)中投加84 g海娜植物生物质和261 mL剩余污泥，然后用蒸馏水补足3.0 L0此时，混合液中VSS总量为40 g/L，其中海娜植物生物质干重百分含量为70 %。在剩余污泥单一发酵系统对照组中投加870 mL剩余污泥；在海娜植物生物质单一发酵系统中投加120 g海娜植物生物质和20 mL剩余污泥。发酵罐中控制发酵温度恒定为35°C，利用碳酸氢钠缓冲液维持系统pH为8.0，氧化还原电位控制在-150~-220mV之间；发酵罐中转速设置为150转/分钟，发酵时间设置为10 d。采用上述方法处理后，在共发酵系统中，发酵液中VFAs的产量可高达28000 mg SCOD L—1，分别为剩余污泥单一发酵系统中的3.53倍和海娜植物生物质单一发酵系统中的2.40倍。
[0012]实施例2
所用的海娜植物生物质来源于安徽省某地，选用其茎组分，粉碎机粉碎后过10目筛选取筛下物，50°C烘干待用；所述剩余污泥来源于浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余污泥(脱水后)，VSS含量为138 g/L。
[0013]在发酵罐(有效容积3.0 L)中投加18g海娜植物生物质和522 mL剩余污泥，然后用蒸馏水补足3.0 L0此时，混合液中VSS总量为30 g/L，其中海娜植物生物质干重百分含量为20 %。在剩余污泥单一发酵系统对照组中投加652 mL剩余污泥；在海娜植物生物质单一发酵系统中投加90 g海娜植物生物质和15 mL剩余污泥。发酵罐中控制发酵温度恒定为15°C，利用NaOH溶液维持系统pH为11.0，氧化还原电位控制在-200~-230 mV之间；发酵罐中转速设置为50转/分钟，发酵时间设置为I d。采用上述方法处理后，在共发酵系统中，发酵液中VFAs的产量可高达8600 mg SCOD L—1，分别为剩余污泥单一发酵系统中的3.06倍和海娜植物生物质单一发酵系统中的1.94倍。
[0014]实施例3
所用的海娜植物生物质来源于新疆某地，选用花作为使用组分，粉碎机粉碎后过50目筛选取筛下，70°C烘干待用；所述剩余污泥为浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余脱水污泥和杭州市某淀粉厂污水处理站生化处理工艺剩余污泥的混合物，两种剩余污泥的体积配比为1:1，VSS含量为86 g/L。
[0015]在发酵罐(有效容积3.0 L)中投加5.25 g海娜植物生物质和2168 mL剩余污泥，然后用蒸馏水补足3.0 L0此时，混合液中VSS总量为35 g/L，其中海娜植物生物质干重百分含量为5 %。在剩余污泥单一发酵系统对照组中投加1220 mL剩余污泥；在海娜植物生物质单一发酵系统中投 加105 g海娜植物生物质和20 mL剩余污泥。发酵罐中控制发酵温度恒定为30°C，利用磷酸盐缓冲液维持系统pH为6.0，氧化还原电位控制在-250~-280mV之间；发酵罐中转速设置为200转/分钟，发酵时间设置为30 d。采用上述方法处理后，在共发酵系统中，发酵液中VFAs的产量可高达27800 mg SCOD L—1，分别为剩余污泥单一发酵系统中的2.36倍和海娜植物生物质单一发酵系统中的2.11倍。
[0016]实施例4
所用的海娜植物生物质来源于新疆某地，选用其种子作为使用组分，粉碎机粉碎后过20目筛选取筛下，60°C烘干待用；所述剩余污泥来源于杭州市某淀粉厂污水处理站生化处理工艺剩余污泥，VSS含量为65 g/L。
[0017]在发酵罐(有效容积3.0 L)中投加60 g海娜植物生物质和1385 mL剩余污泥，然后用蒸馏水补足3.0 L0此时，混合液中VSS总量50 g/L，其中海娜植物生物质干重百分含量为40 %。在剩余污泥单一发酵系统对照组中投加2308 mL剩余污泥；在海娜植物生物质单一发酵系统中投加150 g海娜植物生物质和20 mL剩余污泥。发酵罐中控制发酵温度恒定为55°C，利用KOH溶液维持系统pH为8.5，氧化还原电位控制在-210~-240 mV之间；发酵罐中转速设置为300转/分钟，发酵时间设置为12 d。采用上述方法处理后，在共发酵系统中，发酵液中VFAs的产量可高达32400 mg SCOD L—1，分别为剩余污泥单一发酵系统中的4.21倍和海娜植物生物质单一发酵系统中的2.25倍。
[0018]实施例5
所用的海娜植物生物质来源于新疆某地，选用其种子作为使用组分，粉碎机粉碎后过20目筛选取筛下物，60°C烘干待用；所述剩余污泥来源于杭州市某城市污水处理厂剩余脱水污泥，VSS含量为138 g/L。
[0019]在ASBR反应器(有效容积5.0 L)中投加18.75 g海娜植物生物质和770 mL剩余污泥，然后用蒸馏水补足5.0 L0此时，混合液中VSS总量为25 g/L，其中海娜植物生物质干重百分含量为15%。在剩余污泥单一发酵系统对照组中投加906 mL剩余污泥；在海娜植物生物质单一发酵系统中投加121.6 g海娜植物生物质和25 mL剩余污泥。发酵罐中控制发酵温度恒定为25°C，利用Ca(OH)2溶液维持系统pH为7.5，氧化还原电位控制在-220~-270 mV之间；发酵罐中转速设置为150转/分钟，发酵时间设置为15 d。采用上述方法处理后，在共发酵系统中，发酵液中VFAs的产量可高达36800 mg SCOD L—1，分别为剩余污泥单一发酵系统中的3.32倍和海娜植物生物质单一发酵系统中的2.45倍。
[0020]实施例6
所用的海娜植物生物质来源于新疆某地，选用其茎作为使用组分，粉碎机粉碎后过10目筛选取筛下，50°c烘干待用；所述剩余污泥来源于杭州市某城市污水处理厂剩余污泥(脱水)，VSS含量为138 g/L。按海娜植物生物质干重百分含量为16.7 %的比例配置海娜植物生物质和剩余污泥混合物，并将混合物稀释至20 g VSS/L后，4°C保存待用；同时将脱水剩余污泥稀释至20 g VSS /L后作为对照组进泥。
[0021]采用厌氧消化池(有效容积5.0 L)作为厌氧发酵系统，利用碳酸氢钠缓冲溶液调节稀释后的混合物(剩余污泥+海娜植物生物质)和单一剩余污泥的pH值为8.0，设置其在厌氧消化池中的停留时间为10 d，即混合物流量控制为500 mL Cf1 ;采用污泥泵设置厌氧消化池内循环比为150 %。反应器在35°C条件下连续运行两个月。期间，发酵液中检测到的VFAs含量可高达16700 mg SCOD L—1，为剩余污泥单一发酵系统中的3.34倍。
[0022]实施例7
所用的海娜植物生物质来源于新疆某地，选用其茎-叶混合物作为使用组分，茎-叶混合物中各成份的质量配比均为50 %，粉碎机粉碎后过10目筛选取筛下，50°C烘干待用；所述剩余污泥来源于杭州市某城市污水处理厂剩余污泥(脱水)，VSS含量为138 g/L。按海娜植物生物质干重百分含量为30 %的比例配置海娜植物生物质和剩余污泥混合料，并将混合料稀释至20 g VSS/L后，4°C保存待用；同时将脱水剩余污泥稀释至20 g VSS /L后作为对照组进泥。
[0023]采用厌氧消化池(有效容积5.0 L)作为厌氧发酵系统，利用碳酸氢钠缓冲溶液调节稀释后的混合料(剩余污泥+海娜植物生物质)和单一剩余污泥的pH值为6.0，设置其在厌氧消化池中的停留时间为20 d，即混合料流量控制为250 mL Cf1 ;采用污泥泵设置厌氧消化池内循环比为100 %。反应器在35°C条件下连续运行三个月。期间，发酵液中检测到的VFAs含量可高达21800 mg SCOD L—1，为剩余污泥单一发酵系统中的3.54倍。
[0024]实施例8
所用的海娜植物生物质来源于新疆某地，选用其茎-花-种子混合物作为使用组分，茎-花-种子混合物中各成份的质量配比分别为40 %，40 %和20 %，粉碎机粉碎后过10目筛选取筛下，50°C烘干待用；所述剩余污泥来源于杭州市某城市污水处理厂剩余污泥(脱水)，VSS含量为138 g/L。按海娜植物生物质干重百分含量为50 %的比例配置海娜植物生物质和剩余污泥混合料，并将混合料稀释至20 g VSS/L后，4°C保存待用；同时将脱水剩余污泥稀释至20 g VSS /L后作为对照组进泥。
[0025]采用厌氧消化池(有效容积5.0 L)作为厌氧发酵系统，利用碳酸氢钠缓冲溶液调节稀释后的混合料(剩余污泥+海娜植物生物质)和单一剩余污泥的pH值为10.0，设置其在厌氧消化池中的停留时间为30 d，即混合料流量控制为167 mL Cf1 ;采用污泥泵设置厌氧消化池内循环比为200 %。反应器在25°C条件下连续运行四个月。期间，发酵液中检测到的VFAs含量可高达24000 mg SCOD L_\为剩余污泥单一发酵系统中的3.87倍。
[0026]上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种利用海娜植物生物质与剩余污泥共发酵产酸的方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤(1).将海娜植物生物质采用粉碎机粉碎，得到粒径小于3 mm的海娜植物生物质粉末；将海娜植物生物质粉末于50~70°C下烘干待用； 所述的海娜植物生物质为天然海娜植物生物质的花、茎、叶、种子中的一种或多种，当为多种混合时，比例为任意比； 步骤(2).剩余污泥经浓缩、脱水后待用； 所述的剩余污泥来源于城市污水处理厂、工业废水处理厂生化工艺中的一种或多种，当为多种混合时，比例为任意比； 步骤(3).将步骤(1)烘干后的海娜植物生物质粉末与步骤(2)浓缩脱水后的剩余污泥混合均匀，得到混合料；其中混合料中海娜植物生物质粉末的干重百分含量为5 %~70% ;然后将混合料放入发酵罐或厌氧反应器进行共发酵； 所述的共发酵条件如下:控制发酵温度为15~55°C，利用磷酸盐缓冲液、碳酸氢钠缓冲液或碱性溶液维持发酵系统PH值为6.0~11.0，氧化还原电位低于-150 mV ;采用潜流搅拌器，转速设置为50~300转/分钟，发酵时间为I~30 d； 所述的厌氧反应器为厌氧序批式反应器或厌氧消化池； 所述的厌氧反应器采用污泥循环泵设置内回流，回流比设为100 %~200 %。
2.如权利要求1所述的一种利用海娜植物生物质与剩余污泥共发酵产酸的方法，其特征在于碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液或Ca (OH) 2溶液。
【文档编号】C12P7/40GK103952446SQ201410147502
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】黄进刚, 姚志通, 陈建军, 韩伟 申请人:杭州电子科技大学