一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，具体步骤为：(1)剩余污泥预处理；(2)碱解：通过单级碱解法或二级碱解法使剩余污泥中有机物释放到水相，水相的SCOD达到2000-10000mg/L。(3)厌氧消化产甲烷：在厌氧反应器接种10%-60%体积的厌氧颗粒污泥，容积负荷控制在0.30-0.75kgCOD/(m3·d)，72h完成产气反应，产甲烷能力达200-400mLCH4/gCOD。本发明的优点：先碱解剩余污泥，使其中的有机物液化，再液态消化产甲烷，该过程启动快，反应周期短，甲烷产率稳定，既能够回收能源，又实现了污泥的稳定化处理，具有显著的经济和环境双重效益。
【专利说明】一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，属于水处理领域的污泥处理处置与资源化利用方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]石油、煤炭等属于不可再生的一次性能源。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，坚持走低碳循环可持续发展的路线，已成为世界各国的共识，也是科研领域的研究热点。
[0004]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，生活污水的处理主要采用的是活性污泥二级处理工艺，在此过程中将产生大量的剩余污泥。剩余污泥积累已成为影响环境卫生的一大公害。预计至2015年，我国剩余污泥量将达到759.4万吨，这个数值在一段时间内还会持续增加。一般污泥处理处置费用占到污水处理厂总运行费用的50%以上，需要巨额的资金投入，而我国长期以来存在的“重水轻泥”现象导致此方面的缺口巨大。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。通过厌氧消化生产甲烷 ，在解决剩余污泥处理的同时回收能源，具有显著的经济和环境双重效益。
[0005]传统的剩余污泥厌氧消化反应缓慢，污泥停留时间长(20-40天)，池体容积庞大，投资大，有机质转化为甲烷的产出量低和污泥稳定化程度低。尤其在我国污泥有机质含量普遍较低的情况下(有机质百分数为20-55%)，厌氧消化更是经常出现启动困难，产气量少，且产气不稳定，因而，近年来污水处理厂大都不采用厌氧消化的方式处理剩余污泥。近年来，国内外学者对提高污泥厌氧消化回收生物质能的研究多从强化剩余污泥预处理的角度突破，而对厌氧消化工艺的改进少有关注。
[0006]剩余污泥的厌氧消化过程可分为三个阶段，即水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。剩余污泥的水解速率较慢，是剩余污泥消化的限速步骤。因此，在厌氧消化过程中，如果能够提高剩余污泥的水解速率，则可以为后续阶段提供更多的溶解性底物，从而增加产甲烷速率和稳定性，缩短系统的水力停留时间和缩小反应器体积。研究者们提出了诸多提高污泥水解速率的方法，包括酸碱、超声、热和臭氧等，这些方法的基本原理是促使污泥中颗粒态有机物分解为小分子溶解态有机物，从而提高这些有机物的生物降解性能。其中，碱处理可以高效地破坏污泥胶体结构、絮凝体和微生物细胞，使细胞内有机质溶出、液化，为厌氧菌提供更丰富的、易于代谢利用的底物，显著改善后续厌氧消化性能；相对于其它预处理方法而言，碱处理具有有机物溶出率高、操作简单、无需专用设施、成本低等优势。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明要解决我国剩余污泥厌氧消化产气量少、产气不稳定、投资大的问题，提供一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法。
[0009]为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是:
本发明提出的一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其具体步骤为:
(1)剩余污泥预处理:将剩余污泥经过重力浓缩或稀释至浓度为10-40g/L，相当于含水率96%-99%，得到经预处理剩余污泥；
(2)碱解:通过单级碱解法或二级碱解法使剩余污泥中有机物最大程度地释放到水相，实现有机物的液化，再通过固液分离，获得富含有机物的上清液；
(3)厌氧消化产甲烷:将上清液转入厌氧反应器，在厌氧反应器中进行厌氧产甲烷反应，厌氧反应器接种10%-60%体积的厌氧颗粒污泥，容积负荷控制在0.30-0.75 kg COD/(m3.d)，72h完成产气反应，产甲烷能力达200-400 mL CH4/g COD。
[0010]上述方法中，步骤(2)所述单级碱解法具体为:取X体积的经预处理的剩余污泥，加碱调节PH为10.0-13.0，搅拌反应0.5-8h，使剩余污泥中的有机物和氮磷释放到水相，实现有机物的液化，然后注入0.5-3.5X体积的预处理剩余污泥，继续搅拌反应0.5-lh,在2000-6000 rpm下离心分离，收集上清液，即为pH 7.5-10.0的富含有机物的上清液，其中SCOD 为 2000-10000mg/L。
[0011]上述方法中，步骤(2)所述二级碱解法具体为:在第一级碱解反应器中，注入X体积的预处理剩余污泥，于50-350rpm搅拌，碱解反应0.5_8h，使pH控制在8.5-10.0,然后离心排出上清液，即第一级碱解出水，排出系统；离心后的残固，即第一级碱解残固，注入第二级碱解反应器中，在第二级碱解反应器中，注入2/7-5/7X体积的水，于50-350rpm搅拌的同时以1-20M的氢氧化钠溶液调节pH 10.0-13.0，继续碱解反应0.5_8h，使有机物的最大程度地释放到水相，实现剩余污泥中有机物的液化，然后离心得到上清液，即二级碱解上清液，注入第一级碱解的反应器中，离心后的残固，即二级碱解残固，排除系统；重复循环，连续运行，其中第一级碱解出水即为pH 7.5-10.0的富含有机物的上清液，其中SCOD为2000-10000mg/L。
[0012]上述方法中，步骤(1)所述剩余污泥为城市污水处理厂或工业废水处理站的剩余活性污泥、浓缩池污泥、脱水污泥和厌氧消化污泥，包括经过处理的剩余污泥；所述剩余污泥为高有机质的污泥或低有机质的污泥；所述处理包括酸处理、超声处理、热处理和臭氧处理中的一种以上。
[0013]上述方法中，步骤(2)所述固液分离的方式为离心、带式压滤或板框压滤，其中离心转速为 2000-6000 rpm ο
[0014]上述方法中，步骤(2)所述二级碱解法使剩余污泥TSS和VSS减量20%_60%和30%-80%，离心脱水后残固含水率降到90%以下，使污泥减容70%以上。
[0015]上述方法中，必须通过步骤(2)，实现污泥中有机物的液化，同时调控pH至适宜范围，才能开始进行步骤(3)。
[0016]上述方法中，所述碱解是以污泥自身的碱中和能力来调节pH至7.5-10.0，而不用加酸处理。
[0017]上述方法中，上述工艺中上清液中70%以上的有机物转化为甲烷，且产气过程稳定。
[0018]上述方法中，所述碱包括固体和溶液，其中溶液浓度在1-20M，碱的种类包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙，或用造纸黑液代替；所述造纸黑液为强碱性的废水。
[0019]上述方法中，步骤(3)所述厌氧反应器为接种厌氧颗粒污泥和三相分离器收集生物气的各类高效厌氧反应器，包括上流式厌氧污泥床反应器(UASB)或厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)0
[0020]上述方法中，除了高有机质浓度的污泥，我国低有机质的污泥也适用此工艺，既能够回收能源，又实现污泥的稳定化处理，获得经济和环境双重效益。
[0021]本发明的技术原理为:碱性条件下，氢氧根离子与维持微生物胞外聚合物结构的酸性基团反应，促进剩余污泥胞外聚合物中蛋白质、多糖、氨氮和正磷酸盐溶出；氢氧根离子能够破坏细胞膜上磷脂双分子层，导致微生物细胞裂解和胞内物(蛋白质、多糖和核酸等)的释放，溶于污泥的水相。同时，剩余污泥胞外聚合物和胞内物中，含有大量的蛋白质和脂肪酸等有机物，通过水解和中合作用，与氢氧根离子发生一系列化学反应，降低有效氢氧根离子的浓度，从而起到调节PH的作用。
[0022]与现有技术相比，本发明的积极效果是:
(1)本发明方法先碱解预处理使剩余污泥中的有机物最大程度地释放至水相，实现有机物的液化，离心分离后，再用上清液厌氧消化产甲烷。这种液态消化工艺能够克服传统的剩余污泥直接厌氧消化工艺中存在的物料流动性差、传质慢等缺点，从而显著缩短污泥厌氧消化产甲烷的周期，仅需要48-72h即完成产甲烷过程，且启动快、产气量稳定，污泥停留时间短，消化罐体积小。这对改进和优化现有污泥处理系统，节能降耗、减少投资等具有重要实用价值。
[0023](2)本发明采用碱解预处理剩余污泥，可使剩余污泥中约30%_80%的有机物释放到水相，从而易于被厌氧菌利用。同时此过程中也释放出一定量的氮、磷营养物质和微量元素，完全可以满足厌氧菌的营养需求。
[0024](3)本发明试验的剩余污泥样品为低有机质污泥(有机质百分数为45%)，但仍可以快速启动，且产气量稳定，为我国低有机质污泥的资源化利用提供了方法。对高有机质浓度的污泥，也适用本方法。
[0025](4)本发明采用碱解预处理剩余污泥，相对于加热、超声和臭氧等常见预处理方法，成本低、操作简单，更有利于工程化应用。同时，整个工艺不需要加酸，节省了药剂消耗。
[0026](5)本发明采用二级碱解法，对剩余污泥有较好的减量效果，TSS、VSS减少20%-60%和30%-80%，残固含水率可降至90%以下，使污泥减容高达70%，实现了污泥的稳定化和减量化，有利于后续的污泥处置，例如经过调理脱水后填埋。
[0027](6)利用城镇污水处理厂的剩余污泥碱解后厌氧产甲烷，不仅实现了污泥减量化、稳定化和减少污泥有机物污染环境的目的，同时产生了清洁能源沼气，能在一定程度上降低污水处理费用。
[0028]【专利附图】
【附图说明】:
图1为二级碱解工艺流程图。
[0029]图2为实施例1中单级碱解过程中COD释放的效果。
[0030]图3为实施例2中的产甲烷的效果。[0031]
【具体实施方式】[0032]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明:
实施例1
(I)单级碱解操作流程:向反应器中注入X体积的经预处理的剩余污泥，于150 rpm搅拌的同时以10 M的氢氧化钠溶液调节加碱调节pH为13.0，搅拌反应lh，使污泥中的有机物最大程度地释放到水相，实现有机物的液化，此为碱解污泥。由图2可见，在pH 10.0-13.5范围内，随着pH升高，SCOD不断增加，表明更多的有机物被释放到水相，效果非常显著；但考虑到pH 13.0以后SCOD增加缓慢，且此时所需要投加的氢氧化钠量急剧增加，选取的较适宜的pH条件为13.0。
[0033](2)向碱解污泥中，直接注入2.5X体积的预处理剩余污泥相混合，继续搅拌反应lh，使pH降至8.5左右。然后在4000 rpm离心固液分离，收集上清液，其中SCOD为2090mg/L。此时离心后的残固的TSS和VSS较之剩余污泥，降低了 20%-30%和30%_40%，表明30%-40%的有机物释放到水相，达到了稳定化效果，有利于后续处理处置。
[0034](3)将此上清液注入UASB厌氧反应器中，接种10%体积的厌氧颗粒污泥，容积负荷控制在0.74 kg COD/ (m3.d)，在72h，产气过程基本结束，产甲烷能力达270 mL CH4/gCOD。
[0035](4)本工艺特点是:操作简单，设备投入和运行成本低。
[0036]实施例2
(I)二级碱解操作流程如图1所示，在第一级碱解反应器A中，注入X体积的预处理剩余污泥1，于150rpm搅拌，碱解反应lh，使pH控制在8.5左右。然后离心排出上清液，即第一级碱解出水6，排出系统；离心后的残固，即第一级碱解残固2，注入第二级碱解反应器中。在第二级碱解反应器B中，注入2/7X体积的水，于150rpm搅拌的同时以IOM的氢氧化钠溶液调节PH13.0,继续碱解反应lh，使有机物最大程度地释放到水相，实现剩余污泥中有机物的液化。然后离心得到上清液，即二级碱解上清液5，注入第一级碱解的反应器中；离心后的残固，即二级碱解残固3，排除系统。重复循环，连续运行。整个操作过程中，最终排出系统的是残固(残固流向标识为实线)，加入的水和碱最终以出水排出系统(上清液流向标识为虚线)。其中，出水6的SCOD为2220-2250 mg/L ;残固3的TSS和VSS较之剩余污泥，降低了 30%-40%和40%-50%，表明40%-50%的有机物释放到水相，达到了稳定化效果。同时，残固含水率可降至90%以下，使污泥减容高达70%，有利于后续处理处置。
[0037](2)将出水6注入UASB厌氧反应器中，接种60%体积的厌氧颗粒污泥，容积负荷控制在0.33 kg COD/ (m3*d)，在72h，产气过程基本结束，产甲烷能力达390 mL CH4/g COD。由图3可见，随着接种率升高，甲烷产率也增大，即有机物被更多地被转化为甲烷，因此，选取较高的接种率更有利。
[0038](3)本工艺特点是:相对于实施例1在相同pH条件下处理同等的两份剩余污泥时，可以减少碱消耗15%-50% ;同时污泥稳定化更彻底，二级碱解残固3经调理脱水后可作填埋处置。
[0039]上述对实施例的描述是为便于该【技术领域】的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。·
【权利要求】
1.一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其特征在于，其方法如下: (1)剩余污泥预处理:将剩余污泥经过重力浓缩或稀释至浓度为10-40g/L，相当于含水率96%-99%，得到经预处理剩余污泥； (2)碱解:通过单级碱解法或二级碱解法使剩余污泥中有机物最大程度地释放到水相，实现有机物的液化，再通过固液分离，获得富含有机物的上清液； (3)厌氧消化产甲烷:将上清液转入厌氧反应器，在厌氧反应器中进行厌氧产甲烷反应，厌氧反应器接种10%-60%体积的厌氧颗粒污泥，容积负荷控制在0.30-0.75 kg COD/(m3.d)，72h完成产气反应，产甲烷能力达200-400 mL CH4/g COD。
2.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其特征在于，步骤(2)所述单级碱解法具体为:取X体积的经预处理的剩余污泥，加碱调节pH为10.0-13.0，搅拌反应0.5-8h，使剩余污泥中的有机物和氮磷释放到水相，实现有机物的液化，然后注入0.5-3.5X体积的预处理剩余污泥，继续搅拌反应0.5-lh，在2000-6000 rpm下离心分离，收集上清液，即为PH 7.5-10.0的富含有机物的上清液，其中SCOD为2000-10000mg/L。
3.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其特征在于，步骤(2)所述二级碱解法具体为:在第一级碱解反应器中，注入X体积的预处理剩余污泥，于50-350rpm搅拌，碱解反应0.5_8h，使pH控制在8.5-10.0，然后离心排出上清液，即第一级碱解出水，排出系统；离心后的残固，即第一级碱解残固，注入第二级碱解反应器中，在第二级碱解反应器中，注入2/7-5/7X体积的水，于50-350rpm搅拌的同时以1-20M的氢氧化钠溶液调节PH 10.0-13.0,继续碱解反应0.5-8h，使有机物的最大程度地释放到水相，实现剩余污泥中有机物的液化，然后离心得到上清液，即二级碱解上清液，注入第一级碱解的反应器中，离心后的残固，即二级碱解残固，排除系统；重复循环，连续运行，其中第一级碱解出水即为PH 7.5-10.0的富含有机物的上清液，其中SCOD为2000-10000mg/L。
4.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其特征在于，步骤(1)所述剩余污泥为城市污水处理厂或工业废水处理站的剩余活性污泥、浓缩池污泥、脱水污泥和厌氧消化污泥，包括经过处理的剩余污泥；所述剩余污泥为高有机质的污泥或低有机质的污泥；所述处理包括酸处理、超声处理、热处理和臭氧处理中的一种以上。
5.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其特征在于，步骤(2)所述固液分离的方式为离心、带式压滤或板框压滤，其中离心转速为2000-6000 rpm。
6.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其特征在于，步骤(2)所述二级碱解法使剩余污泥TSS和VSS减量20%-60%和30%-80%，离心脱水后残固含水率降到90%以下，使污泥减容70%以上。
7.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其特征在于，所述碱解是以污泥自身的碱中和能力来调节PH至7.5-10.0,而不用加酸处理。
8.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其特征在于，步骤(3)中上清液中70%以上的有机物转化为甲烷，且产气过程稳定。
9.根据权利要求1或2所述的一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其特征在于，所述碱包括固体和溶液，其中溶液浓度在1-20M，碱的种类包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙，或用造纸黑液代替；所述造纸黑液为强碱性的废水。
10.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥快速产甲烷的方法，其特征在于，步骤(3)所述厌氧反应器为接种厌氧颗粒污泥和三相分离器收集生物气的各类高效厌氧反应器，包括上流式厌氧污泥床反应 器(UASB )或厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB )。
【文档编号】C02F11/04GK103708696SQ201310708986
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】胡勇有, 李义勇, 毕薇, 于子淇, 熊旭华 申请人:华南理工大学