本发明属于环境保护以及污泥处理资源化技术领域，具体涉及一种过一硫酸氢钾复合盐(pms)预处理污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法。
技术背景
随着城市污水处理厂的增加和更严格的排放法规要求，剩余污泥大量产生。然而，由于污泥处理成本高，技术挑战性强，在污泥处理中，只有35％的污泥能被合理安全处置。污泥中含有大量恶臭物质、重金属、病原体等有毒物质，若不妥善处理将对环境造成重大污染。因此，如何对污泥进行合理地处理处置是一个亟待解决的问题。
污泥厌氧发酵产生脂肪酸是一种常用的污泥资源化方法。污泥中的水解菌将不溶性有机物和高分子有机物(如碳水化合物、脂肪、蛋白质)转化为溶解性有机物和小分子有机物(如葡萄糖、氨基酸和脂肪酸)，然后水解产物被产酸菌进一步转化为短链脂肪酸、二氧化碳(co2)、氢气(h2)等能源物质。在此过程中，挥发性短链脂肪酸是重要的代谢产物，主要为c2-c6短链有机物(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸和异戊酸等)，不仅可以作为原料用于化妆品、农药和油漆的制备，还可以作为内源碳被脱氮除磷菌利用以去除富营养化污水中的氮和磷，还可用作其他发酵的外加碳源作为能源物质进行再利用。若将污水处理过程中产生的大量剩余污泥进行厌氧发酵生产短链脂肪酸，再将其补给到生物脱氮除磷的过程中，不仅解决了生物脱氮除磷的过程中碳源不足的问题，而且也实现了剩余污泥的资源化、无害化和减量化。
剩余污泥厌氧消化主要分为三个阶段，即水解、酸化和产甲烷阶段。短链脂肪酸的产生是在酸化阶段，短链脂肪酸将在产甲烷阶段被消耗生成甲烷和二氧化碳气体。因此，强化水解阶段速率，同时抑制产甲烷菌活性是提高短链脂肪酸产量的关键。研究发现，通过物理方法(加热、超声、紫外光等)、化学方法(酸、碱等)或生物处理(酶)等方法能够有效地促进污泥水解，提高细胞内蛋白质、多糖等有机物的释放，提高短链脂肪酸产量。然而这些方法均存在能源消耗大、二次污染严重、过程控制复杂等问题，使污泥厌氧发酵受到抑制，因此环保、安全、简单、有效的剩余污泥厌氧发酵方法是污泥处理的研究热点。
过一硫酸氢钾复合盐(pms)又称单过硫酸氢钾复合盐，其化学式为2khso5·khso4·k2so4，主要有效成分为khso5。pms是一种稳定、方便、具有广泛用途的优良的酸性氧化剂，常作为水处理消毒剂，其作用机理是：pms可以产生硫酸根自由基·so4-，具有很强的氧化能力，破坏微生物的细胞壁，使微生物体内有机质释放，达到杀灭水中微生物的作用。因此，本发明将过一硫酸氢钾复合盐引入厌氧污泥消化系统，促进剩余污泥厌氧消化产酸。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供促进剩余污泥厌氧消化产生短链脂肪酸的方法，投加pms提高剩余污泥厌氧消化产脂肪酸的量。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种利用过一硫酸氢钾复合盐(pms)作为预处理手段强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪酸产量的方法，包括如下步骤：
(1)以城市污水处理厂二沉池产生的剩余活性污泥为发酵原料，经自然沉降去除上清液进行浓缩处理后得到污泥样品；
(2)将所述污泥样品与过一硫酸氢钾复合盐(pms)混合预处理，在厌氧环境下发酵，产生脂肪酸。
所述的步骤(1)中，污泥为城市污水厂二沉池剩余污泥，静沉温度为4℃，沉淀时间为24h。
所述的步骤(2)中，pms的投加剂量为0.03～0.24gpms/gvss，优选为0.06～0.12gpms/gvss。
所述的步骤(2)中，所述的污泥加入pms后，先300rpm快速搅拌5min，再150rpm搅拌90min，以使药剂与污泥充分混合。
所述的步骤(2)中，厌氧环境为氮气环境，向经过预处理后的污泥中通入氮气1.5min至反应器中无氧气存在，将反应器密封放入温度为35±1℃，搅拌速度为120rpm/min的摇床中进行厌氧发酵。
所述的步骤(2)中，整个过程中不用调节反应器中污泥ph。
所述的步骤(2)中，污泥厌氧发酵的时间为4-8d。
在一个优选的实施例中，pms投加剂量为0.09～0.12gpms/gvss。虽然所述pms用量在一定的范围内都能促进污泥中的有机物转化为目标脂肪酸(0.03～0.24gpms/gvss)，并且在一定范围内，随着pms的增加，对污泥厌氧发酵产酸的促进作用越明显。但是综合考虑原料成本与短链脂肪酸的产量的关系，本发明采用的较理想的pms用量范围为0.09～0.12gpms/gvss。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用过一硫酸氢钾复合盐(pms)作为污泥厌氧发酵的氧化剂，具有很强的氧化能力，对污泥中微生物的胞外聚合物及细胞自身有极强的破坏作用，使微生物体内有机质释放，可以显著提高污泥中的蛋白质、多糖等有机物溶解于水中的程度，从而为污泥发酵产酸提供丰富的可溶于水的有机基质，提高污泥的产酸速率，缩短污泥厌氧发酵的时间，对实现剩余污泥的资源化、无害化和减量化具有重要意义。
2、本发明处理后的污泥富含短链脂肪酸，可作为碳源用于补充污泥厌氧发酵末期碳源的不足，或用于生产氢气等清洁能源，从而最大限度的降解剩余污泥中的有机物质，实现了减少污泥有机物污染环境的目的。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1
(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物；
(2)向有机玻璃反应器中投加0.09g/gvss过一硫酸氢钾复合盐(pms)，用磁力搅拌器先300rpm快速搅拌5min，再150rpm搅拌90min，以使药剂与污泥充分混合。将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐(pms)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为2766.38mg/l(以化学需氧量计)。
实施例2
(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。
(2)向有机玻璃反应器中投加0.09g/gvss过一硫酸氢钾复合盐(pms)，用磁力搅拌器先300rpm快速搅拌5min，再150rpm搅拌90min，以使药剂与污泥充分混合。将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐(pms)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为5d，生产的短链脂肪酸的含量为3184.11mg/l(以化学需氧量计)。
实施例3
(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。
(2)向有机玻璃反应器中投加0.12g/gvss过一硫酸氢钾复合盐(pms)，用磁力搅拌器先300rpm快速搅拌5min，再150rpm搅拌90min，以使药剂与污泥充分混合。将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐(pms)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为2715.24mg/l(以化学需氧量计)。
实施例4
(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。
(2)向有机玻璃反应器中投加0.12g/gvss过一硫酸氢钾复合盐(pms)，用磁力搅拌器先300rpm快速搅拌5min，再150rpm搅拌90min，以使药剂与污泥充分混合。将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐(pms)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为5d，生产的短链脂肪酸的含量为2968.03mg/l(以化学需氧量计)。
实施例5
(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。
(2)向有机玻璃反应器中投加0.24g/gvss过一硫酸氢钾复合盐(pms)，用磁力搅拌器先300rpm快速搅拌5min，再150rpm搅拌90min，以使药剂与污泥充分混合。将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐(pms)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为6d，生产的短链脂肪酸的含量为1378.93mg/l(以化学需氧量计)。
实施例6
(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。
(2)向有机玻璃反应器中投加0.24g/gvss过一硫酸氢钾复合盐(pms)，用磁力搅拌器先300rpm快速搅拌5min，再150rpm搅拌90min，以使药剂与污泥充分混合。将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐(pms)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为8d，生产的短链脂肪酸的含量为2073.56mg/l(以化学需氧量计)。
对比例1
(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。
(2)不投加过一硫酸氢钾复合盐(pms)，用磁力搅拌器将污泥先300rpm快速搅拌5min，再150rpm搅拌90min，将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。只通过污泥本身所含有的微生物作用，将污泥中的有机物(主要为多糖和蛋白质)转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为6d，生产的短链脂肪酸的含量为731.66mg/l(以化学需氧量计)。
实施例和对比例的短链脂肪酸的含量如表1所示：
表1实施例与对比例的发酵比较表
从表中可以看出，实施例1至实施例6的短链脂肪酸的产量比对比例1的短链脂肪酸的产量有了很大的提高，最优条件下的实施例2的短链脂肪酸产量比对比例1的短链脂肪酸产量也有了很大的提高。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。虽然本发明已以较佳的实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，熟悉本领域技术的人员可以对本发明技术方案做出许多可能的修改，或者修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是不脱离本发明范畴所做任何简单的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。