本发明属于污泥处理与资源化技术领域，涉及一种低温热水解结合铁盐强化污泥厌氧消化的方法。
背景技术：
由于人口的增多，城镇污水厂污水处理量增多，所产生的剩余污泥量也越来越多。在中国,每年有超过1120万吨的脱水污泥产生，而近80%的未得到稳定处理，且年增长率大于10%。产生的剩余污泥中含有大量的有机物如蛋白质、多糖等，直接排放不仅会引起环境的二次污染,还造成了大量的资源浪费。
污泥厌氧消化是一种既有效又经济的可持续性的处理方式，不仅对剩余污泥有很好的减量化效果，而且可以产生甲烷气体，甲烷是一种化石燃料的替代能源，有助于减少处理的成本。高含固污泥厌氧消化由于其可以有效减小厌氧消化器的反应体积，提高有机物的浓度引起了研究人员的注意，高含固污泥厌氧消化成为污泥资源化处理新的趋势；然而其也存在很多问题，如挥发性脂肪酸抑制、产甲烷效率低、硫化氢产气多等缺点，从而限制了该技术的推广和应用。
污泥厌氧消化过程包括水解酸化阶段和产甲烷阶段。水解酸化阶段是指大分子有机化合物，如蛋白质、糖类、脂肪等在水解菌的作用下转化为氨基酸、单糖、脂肪酸、甘油等小分子有机化合物，然后酸化菌将碳水化合物等有机物降解为有机酸，主要是乙酸、丁酸和丙酸等的过程，水解和酸化反应进行得相对较快，一般难于将它们分开。产甲烷阶段是指产甲烷菌利用h2、co2、乙酸、甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，研究表明,在厌氧消化系统中约70%的ch4产自乙酸，伴随产生大量的co2，从而降低了沼气中ch4的浓度。由于高含固污泥的有机物负荷比较高，容易产生挥发性脂肪酸积累而造成产甲烷阶段抑制；另外，由于硫元素含量高，溶液产生硫化氢，造成环境污染。
技术实现要素：
为了克服现有技术中的缺点和不足，降低挥发性脂肪酸的抑制，降低硫化氢的产量，提高甲烷的产率，提高厌氧消化的效果，本发明的目的在于提供了一种低温热水解结合铁盐强化污泥厌氧消化的方法。
该方法中低温热水解可以促进污泥中的有机物溶出，提高污泥的可生化性，为微生物提供足够的底物，而且其对可以有效地杀死污泥中其他不利的微生物，对污泥厌氧消化中微生物的增长有很好的促进效果。另外，添加的氯化铁溶液或氯化亚铁溶液中含有三价铁离子和二价铁离子，这两种离子不仅是微生物生长的微量元素，也是一些生物酶的重要组分，能加快有机物降解和甲烷生成过程中的电子传递，为产甲烷菌提供适宜的生长环境。此外三价铁离子和二价铁离子可以在反应系统中与积累的乙酸生成沉淀从而消耗掉多余的挥发性脂肪酸，降低挥发性脂肪酸积累对产甲烷阶段的抑制作用；三价铁离子和二价铁离子还能与硫化物反应产生硫化铁或硫化亚铁的沉淀，降低硫化氢的产生。本发明采用氯化铁溶液或氯化亚铁溶液的投加量强化厌氧消化过程,达到总体提高厌氧消化效果，增加能源回收的目的。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种低温热水解结合铁盐强化污泥厌氧消化的方法，包括步骤：
（1）将剩余污泥、接种污泥以及水混合，调节ph为6~7.5，并使得混合物的含固率为8~10%，混合后置于水浴70~75℃下进行热水解30~45min，得到混合污泥；
（2）将混合污泥、适宜浓度的氯化铁溶液或氯化亚铁溶液加入厌氧消化装置，然后厌氧消化；
（3）对厌氧消化过程中产生的气体进行收集。
进一步地，步骤（1）中所述接种污泥为厌氧消化污泥；所述剩余污泥为城镇污水厂的剩余污泥。
进一步地，步骤（2）中所述氯化铁溶液的浓度范围为0~200mg/l，所述氯化亚铁溶液的浓度范围0~250mg/l。
进一步地，步骤（1）中所述剩余污泥与接种污泥的体积比为2：1~4：1；所述剩余污泥的含固率为80~85%。
进一步地，步骤（2）中所述厌氧消化是将厌氧消化装置放置于恒温振荡器中进行厌氧消化，厌氧消化的条件为：反应温度为35~37℃，转速为120~150rpm，厌氧消化的时间为25~30天。
进一步地，步骤（3）中所述对厌氧消化过程中产生的气体进行收集时，产生的气体采用气相色谱法测定气相中甲烷的浓度，通过测量气体的体积以及气体中甲烷的浓度，算出甲烷的体积。
进一步地，步骤（2）中在厌氧消化前，向厌氧消化装置中通入氮气将厌氧消化装置中的氧气排出。
本发明中热水解预处理采用的是低温（70-75℃），相比于高温热水解其优点是低能耗，而且不易产生高氨氮而抑制厌氧消化过程；在70-75℃下可以促进有机物的溶出，使一些有害微生物失活，为水解产酸菌和产甲烷菌提供合适的生长环境。投加铁盐分别是氯化亚铁和氯化铁，可以提供大量的三价铁离子和二价铁离子，其对微生物生长有很好的促进作用，有研究表明适宜浓度的三价铁离子和二价铁离子是微生物生长和生物酶的重要组成部分。经过低温热水解预处理后，高含固污泥中有机物溶出，在水解酸化阶段，由于负荷的增大，容易造成挥发性脂肪酸的积累，使ph降低,而产甲烷菌对ph很敏感，ph过低会抑制产甲烷阶段，三价铁离子和二价铁离子可以与乙酸反应生成沉淀，消耗积累的挥发性脂肪酸，促进产甲烷过程。另外，三价铁离子与二价铁离子可以与硫离子反应生成沉淀，可以有效控制硫化氢的产生。本发明结合低温热水解和铁盐，两者在厌氧消化过程中可以优势互补，提高有机物的降解效率和甲烷产量。
本发明同现有技术相比，具有的优点和有益效果包括:
本发明中的低温热水解预处理可以促进有机物溶出，可以促进污泥可生化性提高，为微生物提供足够合适的底物，同时加热可以是一些不利的微生物我失活，为产甲烷菌提供有利的环境。另外适宜浓度的氯化铁和氯化亚铁中含有足够的三价铁离子和二价铁离子，可以增加水解酸化菌的活性和有关生物酶的合成，加快有机物降解，而且可以降低挥发性脂肪酸积累对产甲烷菌的抑制，为产甲烷菌提供适宜的生长环境，以及去除硫离子，降低硫化氢的产生。
与不作任何处理相比，低温热处理结合铁盐不仅为高含固污泥厌氧消化带来了生化性提高、降低挥发性酸抑制的好处，而且其可以优化微生物的生长环境，促进水解菌和产甲烷菌的生长，降低硫化氢的产生，有利于沼气的后续脱硫，使得消化后甲烷产量得到了大幅度提升，投加200mg/l氯化铁溶液或250mg/l氯化亚铁溶液累积甲烷产气量相对于空白分别提高了28.9%和6.4%。
附图说明
图1为本发明的厌氧消化装置示意图；
图2为实施例中不同氯化铁溶液浓度下甲烷累积产气量与时间变化图；
图3为实施例中不同氯化亚铁溶液浓度下甲烷累积产气量与时间变化图。
图中：1-厌氧消化瓶；2-通气管；3-集气袋；4-止水夹。
具体实施方式
下面结合具体实施例以及附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的厌氧消化装置的示意图如图1所示，包括厌氧消化瓶1、盖住厌氧消化瓶1瓶口的瓶盖、通气管2、集气袋3，所述瓶盖上设有通孔，通气管2穿过通孔，通气管2的一端深入厌氧消化瓶1内，另一端与集气袋3连接；所述通气管2为不锈钢的通气管，所述厌氧消化装置还包括橡胶垫，所述橡胶垫设置在厌氧消化瓶1瓶口与瓶盖接触面上，保证良好气密性；所述集气袋3为铝箔集气袋；所述厌氧消化装置还包括导管，导管穿过瓶盖上的通孔，导管上设有止水夹4和夹带，排空后密封。
实施例
一种低温热水解结合铁盐强化污泥厌氧消化的方法，包括步骤：
（1）选择氯化铁为市售分析纯三氯化铁（生产厂家为上海市阿拉丁生化科技有限公司）；选择氯化亚铁为市售分析纯氯化亚铁（生产厂家为天津市大茂化学试剂厂）；从广州沥滘污水处理厂获取脱水后含固率为80-85%剩余污泥（污水厂脱水间脱水后的剩余污泥），用蒸馏水调节至含固率为15%，得到调节后的剩余污泥；将调节后的剩余污泥与接种污泥按体积比2:1比例混合，测得ph为7.1，不调节ph然后采用蒸馏水使得混合后含固率达到9%左右，混合后置于水浴72℃下进行热水解40min，得到混合污泥；混合污泥的含固率、挥发性固体含量和可溶性化学需氧量分别为8.7%、65.8%和6339.9mg/l；所述接种污泥来自于培养数天的成熟厌氧消化污泥（消化污泥接种的种泥为广州沥滘污水处理厂二沉池的污泥）；接种泥的含固率为3.1%。
（2）将300g混合污泥加入厌氧消化装置中反应瓶中，分别加入不同浓度的氯化铁溶液或氯化亚铁溶液，盖紧瓶盖，通过导管向厌氧消化瓶1中注入氮气5min排出氧气，然后用止水夹4封住导管密封，通气管2与集气袋3连接；所述氯化铁溶液浓度分为：0mg/l（空白）、100mg/l、200mg/l、400mg/l、800mg/l；所述氯化亚铁溶液浓度分为：0mg/l（空白）、100mg/l、250mg/l、500mg/l、1000mg/l。
（3）将厌氧消化瓶1置于水浴恒温振荡器中，设定反应温度为35℃，转速为150rpm，进行厌氧消化反应27天，每天集气袋3收集产生的沼气并测定体积，采用气相色谱法测定气相中甲烷的浓度，从而通过计算得到甲烷体积。
气相色谱选用tcd检测器，tcd检测器运行参数为：进样温度为100℃,检测器温度为200℃，柱箱温度为300℃。
甲烷产气量采用带刻度的100ml的注射器测定。通过测得的总沼气体积和气相色谱得到的甲烷浓度，计算得到甲烷体积。
对步骤（3）中所得的数据作图得到不同浓度氯化铁溶液下甲烷累积产气量与反应时间的变化关系图（见图2）以及不同浓度氯化亚铁溶液下甲烷累积产气量与反应时间的变化关系图（见图3）。
低温热水解后污泥的可生化性得到了提高，并且使得有害微生物失活，为后面的厌氧消化阶段提供了有利的条件，添加的铁盐含有足够的三价铁离子或二价铁离子，可以微生物生长提供足够的微量元素而且可以有效控制挥发性脂肪酸的抑制和硫化氢的产生。
由图2、3可知，添加合适浓度的氯化铁或氯化亚铁可以有效提高甲烷产量，浓度太高的氯化铁溶液和氯化亚铁溶液会对产甲烷产生抑制作用。添加200mg/l氯化铁溶液时，甲烷累积产量达到最大值5328.0ml，相比于空白增加了28.9%。添加250m/l氯化亚铁溶液时，产甲烷累积产量达到最大值4396.5ml，相比于空白增加了6.4%。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。