专利名称：表面活性剂和酶联合处理剩余污泥的方法
技术领域：
本发明涉及处理剩余污泥的方法，涉及一种化学物质和一种生物制剂对剩余污泥的处理，具体涉及生物表面活性剂和酶联合作用促进剩余污泥水解和酸化的方法。
背景技术：
活性污泥法是目前世界上应用最为广泛的污水生物处理技术之一，但是它会产生大量的剩余污泥。目前，我国污泥产生量约为2500万吨/年(按含水率85%计算)，若不及时进行妥善的处理与处置，将会对环境造成直接或潜在的污染。污泥处理方面的投资可占整个污水处理厂总运行费用的25% -40%，甚至高达60%，费用的急剧增加提高了污泥合理处置的难度。因此，采用先进的技术减少污水处理厂的污泥排放量，是解决我国城市污水处理厂污泥处理问题的有效途径之一。水解是污泥厌氧消化的限速步骤，而剩余污泥可降解性差又是制约其厌氧消化的瓶颈问题，因此研发提高污泥水解速率的技术具有重要意义。现阶段，国内外针对污泥水解做了大量研究，促进污泥水解的方法有机械法、超声波法、热碱法和生物法等。酶处理技术是环境领域近年来迅速发展起来的一种经济高效的处理污泥的新技术，它可以缩短消化时间，改善污泥消化性能，而且经济高效，易控制，其产物对环境也无污染副作用。同时，表面活性剂具有“两亲性”和“增溶作用”，促使大量的碳水化合物和蛋白质脱离污泥颗粒表面并溶解到液相中，同时原来潜藏在污泥基体内部被束缚的各种酶类也被释放出来。工业级的酶制品(中性蛋白酶和α -淀粉酶)是比较常见、容易获得、价格低廉的生物制剂，且其可以针对占污泥含量80%以上的蛋白质和碳水化合物进行催化水解。十二烷基硫酸钠也是一种比较常见、容易获得、价格低廉的表面活性剂。目前，国内外以研究表面活性剂和酶联合处理纤维素制品的相关报道居多，而没有有关表面活性剂和酶联合强化污泥水解和酸化的报道。利用表面活性剂的增溶作用，可使大量的碳水化合物和蛋白质脱离污泥颗粒表面并溶解到液相中，吸附和束缚在污泥内部的酶得到了释放，增加了有机物与酶制品(中性蛋白酶和α-淀粉酶)的接触机会，从而加速了催化反应进程。这些都使联合投加表面活性剂和酶来强化污泥水解和酸化成为可能。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种表面活性剂和酶联合处理剩余污泥的方法，该方法经济高效，易控制，产物对环境也无污染，该方法拓宽了污泥处理的措施，从而可以充分利用污水处理厂废弃物，使其具有更好的利用价值。本发明中表面活性剂和酶联合处理剩余污泥方法的流程如图1所示，具体步骤为(1)取污水处理厂二沉池剩余污泥沉淀4- 后去上清液，再将表面活性剂投加至剩余污泥中，其中表面活性剂与干污泥的质量比为(0.08-0. 12) 1 ；
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所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠；(2)再将磷酸缓冲液溶解的复合酶溶液投至剩余污泥中，使复合酶与干污泥的质量比为(0. 05-0. 07) 1 ；所述复合酶溶液为蛋白酶溶液与淀粉酶溶液的混合物，其中使得复合酶溶液中蛋白酶与淀粉酶的质量比为3:1;(3)在厌氧条件下，在50°C的水浴温度下振荡水解4- ；其中，所述干污泥是指不含水的污泥，具体是指经105°C烘干的不含水的污泥。上述蛋白酶溶液的配制过程为取Ig蛋白酶溶解于20mL pH为7. 2的磷酸缓冲溶液中，于45°C -50°C下搅拌溶解，离心得上清液，即为蛋白酶溶液。上述淀粉酶溶液的配制过程为取Ig淀粉酶溶解于19mL pH为6. 8磷酸缓冲溶液中，再加入ImL 0. 3%氯化钠溶液，作为淀粉酶的激活剂，于45°C -50°C下搅拌溶解，离心得上清液，即为淀粉酶溶液。上述方法处理剩余污泥后得到的水解液具有作为微生物燃料电池燃料的用途。下面对本发明做进一步详细的解释说明。污泥从污水处理厂的二沉池取回的污泥，经过4h沉淀，弃去上清液，再经0. 71mm 的筛网过滤去除杂质后，4 °C冰箱中保存备用。酶溶液配制取Ig蛋白酶溶解于20mLpH为7. 2的磷酸缓冲溶液中，于45°C 50°C 下加温搅拌溶解。因为酶中含杂质较多，溶解效果不佳，离心处理后，取上清液，得到蛋白酶溶液。淀粉酶溶解于19mL pH为6. 8的磷酸缓冲溶液中，再加入ImL 0. 3%氯化钠溶液，作为淀粉酶的激活剂，其它处理如蛋白酶。先投加表面活性剂SDS 0. 10g/g干污泥，表面活性剂具有“两亲性”和“增溶作用”，促使大量的碳水化合物和蛋白质脱离污泥颗粒表面并溶解到液相中，同时潜藏、吸附和束缚在污泥基体内部的各种酶类也被释放出来。此时污泥的PH值为7. 0左右，在两种酶的最适PH值范围内。然后再投加由磷酸缓冲液溶解的复合酶(质量比蛋白酶淀粉酶= 3 l)0.06g/g干污泥，其对pH值的影响不大，污泥液仍在两种酶的最适pH值范围内。通入氮气约細in以驱除残留空气，在厌氧条件下，置于50°C水浴振荡器(lOOr/min)上反应 4h，此时的挥发性固体污泥(VSS)、溶解性化学需氧量(SCOD)等指标趋近平衡，可以认为水解过程基本完成。此时的水解液可以有以下两种不同的后处理方式a作为微生物燃料电池(MFC)的燃料来提高发电效率；b直接用于沉降脱水过程，减量化污泥。本发明的优势在于l、50um的扫描电镜下观察原污泥和各种处理后的污泥的微观结构，发现经表面活性剂和酶联合处理后的污泥结构变得更为疏松，污泥片层变得更稀薄，絮体大小变得更细， 说明污泥中占主要成分的胞外物质(EPS)在水解过程中逐渐被水解，脱离污泥颗粒表面并溶解到液相中。2、经实验分析可知，其联合作用极大地促进了剩余污泥水解和酸化效率，且两者共同处理的效果明显优于单独处理。表面活性剂和酶联合水解酸化过程中SC0D/TC0D可由原污泥的1. 3%提高到54. 3%，溶解性蛋白质和溶解性糖类的含量较空白组可分别提高 4. 10和5. 06倍，短链脂肪酸(SCFAs)的含量较空白组提高了 2. 37倍，大大增加了溶液中溶解性有机物的含量，且表面活性剂和酶联合处理的效果比其单独处理效果更佳。
3、将水解产物作为微生物燃料电池(MFC)的燃料来提高发电效率，经实验可知最大输出功率密度可提高2. 73倍，从而实现了废弃物的资源化利用。水解后的挥发性悬浮物 (VSS)含量可减少45%，大幅度降低了污泥固体中有机颗粒物的含量，一定程度上使污泥无害化和减量化。4、本发明的污泥处理工艺，与机械法、超声波法、热碱法等促进污泥水解的方法相比，消化时间缩短，过程易控制，耗电量低，其产物对环境也无污染副作用。十二烷基硫酸钠是一种比较常见、容易获得、价格低廉的表面活性剂。工业级的酶制品(蛋白酶和α-淀粉酶)是比较常见、容易获得、价格低廉的生物制剂。这两种物质的联合可起到携同作用，从而强化了污泥水解，并进一步强化了污泥酸化。
图1是SDS+酶水解用于剩余污泥处理的工艺流程图；图2是剩余污泥经各种不同处理后在扫描电镜下的微观结构图，a为空白对照试验；b为SDS处理；c为复合酶处理；d为SDS+复合酶处理；图3是剩余污泥经SDS+酶水解后蛋白质的溶出效果；图4是剩余污泥经SDS+酶水解后糖类的溶出效果；图5是剩余污泥经SDS+酶水解后短链脂肪酸的溶出效果。
具体实施例方式下面根据具体实施例对本发明作进一步的说明，但不意味着限制本发明的保护范围。实施例1(一 )表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDQ和酶强化剩余污泥水解污水处理厂二沉池的剩余污泥，经过4h沉淀，弃去上清液。测定上述剩余污泥的各项指标为pH 6. 74 士0. 15，总化学需氧量 (TCOD) 8似6 士 25%ig/L，溶解性化学需氧量(SCOD) 120 士 10mg/L，总悬浮固体 (TSS)88M士200mg/L，挥发性悬浮物(VSS) 6050士80mg/L，溶解性糖类 590士65mg/L，蛋白质 556士185mg/L。然后向剩余污泥中投加表面活性剂SDS 0. 10g/g干污泥，此时污泥的pH值为7. 0 左右，在两种酶的最适PH值范围内。然后再投加由磷酸缓冲液溶解的复合酶(质量比为蛋白酶淀粉酶=3 l)0.06g/g干污泥。水解酸化池中维持厌氧条件，并加热至50°C，使污泥进行厌氧水解，反应4h后，取水解液进行测定。在50um的扫描电镜下图(图2)中可以看到，经表面活性剂和酶联合处理后的污泥结构变得更为疏松，污泥片层变得更薄，絮体大小变得更细，水解液中的有机物含量大大提高(图3、图4)。( 二)资源化利用污泥水解液污泥水解液中含有丰富的溶解性有机物，可以作为MFC的燃料。MFC反应器采用的无膜单室微生物燃料电池为一圆柱形玻璃容器，内装250mL污泥水解液。阳极(面积为 12cm2)为片状石墨电极；阴极为普通杆状石墨电极(未做包括镀Pt等任何处理)，使其一侧暴露于空气处于悬浮状态。两极之间用铜导线连接，外电路接500Ω电阻(除测极化曲线外)作为负载。采用USB-1208LS型电压数字采集卡(美国Measurement Computing公司)采集输出电压并输入电脑，频率为每Imin记录一次。经实验可知，相比于空白组，最大输出功率密度可提高2. 73倍。
权利要求
1.一种表面活性剂和酶联合处理剩余污泥的方法，其具体步骤为(1)取污水处理厂二沉池剩余污泥沉淀4- 后去上清液，再将表面活性剂投加至剩余污泥中，其中表面活性剂与干污泥的质量比为(0.08-0. 12) 1 ；所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠；(2)再将磷酸缓冲液溶解的复合酶溶液投至剩余污泥中，使复合酶与干污泥的质量比为(0. 05-0. 07) 1 ；所述复合酶溶液为蛋白酶溶液与淀粉酶溶液的混合物，其中复合酶溶液中蛋白酶与淀粉酶的质量比为3:1;(3)在厌氧条件下，在50°C的水浴温度下振荡水解4- ；其中，所述干污泥是指不含水的污泥。
2.根据权利要求1所述表面活性剂和酶联合处理剩余污泥的方法，其特征是，所述干污泥是指经105°C烘干不含水的污泥。
3.根据权利要求1所述表面活性剂和酶联合处理剩余污泥的方法，其特征是，所述加入表面活性剂处理后的剩余污泥的PH值为6. 8-7. 2。
4.根据权利要求1所述表面活性剂和酶联合处理剩余污泥的方法，其特征是，所述蛋白酶溶液的配制过程为取Ig蛋白酶溶解于20mL pH为7.2的磷酸缓冲溶液中，于 45°C -50°C下搅拌溶解，离心得上清液，即为蛋白酶溶液。
5.根据权利要求1所述表面活性剂和酶联合处理剩余污泥的方法，其特征是，所述淀粉酶溶液的配制过程为取Ig淀粉酶溶解于19mL pH为6. 8磷酸缓冲溶液中，再加入ImL 0. 3%氯化钠溶液，作为淀粉酶的激活剂，于45°C -50°C下搅拌溶解，离心得上清液，即为淀粉酶溶液。
6.如权利要求1所述方法处理剩余污泥后得到的水解液，其特征是，该水解液具有作为微生物燃料电池燃料的用途。
全文摘要
本发明涉及处理剩余污泥的方法，具体提供了一种表面活性剂和酶联合处理剩余污泥的方法，技术方案为向剩余污泥中投加表面活性剂十二烷基硫酸钠和酶(质量比蛋白酶∶淀粉酶为3∶1的复合酶)共同强化剩余污泥水解和酸化，其中表面活性剂与干污泥的质量比为(0.08-0.12)∶1，酶与干污泥的质量比为(0.05-0.07)∶1。结果表明，其联合作用极大地促进了剩余污泥水解和酸化效率，且两者共同处理的效果明显优于单独处理。溶解性化学需氧量/总化学需氧量(SCOD/TCOD)可由原污泥的1.3％提高到54.3％，溶解性蛋白质和溶解性糖类的含量较空白组可分别提高4.10和5.06倍，短链脂肪酸(SCFAs)的积累量提高了2.37倍。该方法不仅拓宽了污泥无害化处理的途径，同时也可以资源化利用污泥，使污泥有更好的处理和利用价值。
文档编号C02F11/00GK102211842SQ20111009806
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者曾光明, 李小明, 杨麒, 罗琨, 郑伟 申请人:湖南大学