一种用于餐厨垃圾处理的高温厌氧颗粒污泥的培育方法与流程

本发明涉及一种餐厨垃圾处理厌氧颗粒污泥的培育方法，属于餐厨垃圾等有机垃圾厌氧发酵资源化利用领域。
背景技术：
：“十二五”以来，我国先后开展了5批100城餐厨垃圾无害化处理试点，在有机垃圾处理技术方面，厌氧发酵技术因其技术成熟、能耗低、剩余污泥产量低并产生清洁沼气能源的特点，有近80％示范城市采用该技术处理餐厨垃圾。厌氧发酵技术最初广泛应用于城市和工业高浓度有机废水的处理，由于餐厨垃圾中固体物质含量高、已酸化降解等特点，使得目前餐厨垃圾处理工程实际运行不稳定、负荷低，难以连续高效运行。厌氧发酵技术中，厌氧颗粒污泥的形成是一个复杂的过程，其中反应器中污泥停留时间、水里剪切作用、微量元素以及ph值、温度、处理负荷等都对厌氧颗粒污泥的形成产生影响。传统反应器中，由于产甲烷菌时刻存在沼气产生，比重轻、粒径小，容易上浮而随沼液流出，无法实现污泥的累积和高负荷运行。因此延长厌氧污泥停留时间的同时提升处理负荷是制约餐厨垃圾厌氧发酵过程颗粒污泥形成的难点。目前，厌氧颗粒污泥研究大多集中在各类有机废水生物处理。比如，中国发明专利申请cn104496019a公开了一种厌氧反应器颗粒污泥的培养方法，通过投加一定比例颗粒活性炭、金属无机盐和石灰等物质，经过5个月连续培养，形成厌氧颗粒污泥。中国发明专利申请cn1887737a公开了在常温下通过投加聚季铵盐、微量营养盐在城市污水处理反应器中培养厌氧颗粒污泥。中国发明专利cn103771584b公开了以聚乙烯醇凝胶小球为载体与厌氧污泥按一定比例混合后，在34～36℃下运行30-40天，形成厌氧颗粒污泥。此外，还有其他专一性厌氧颗粒污泥培养方法，比如中国发明专利cn101830558b公开了一种厌氧氨氧化颗粒污泥的培养方法，在25～35℃的上流式厌氧反应器培养形成厌氧氨氧化颗粒污泥。然而，这些颗粒污泥的培养方法，多集中于添加惰性颗粒载体、助凝物质来拦截厌氧污泥，加快颗粒污泥的形成，如在餐厨垃圾等固体有机垃圾厌氧发酵系统中添加惰性物质载体，虽然能在一定程度上实现厌氧污泥的富集，但会大大降低反应器有效容积，严重影响厌氧反应器内物料换热、搅拌等设施设备的正常运行。目前，针对高cod、低ss、高氨氮等类型有机废水的厌氧颗粒污泥培养的成功案例多有报道，但针对餐厨垃圾浆化厌氧发酵处理颗粒污泥培养方法的研究仍鲜有见报。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种高温厌氧颗粒污泥的培养方法，利用多组合搅拌方式，增加污泥浓度，通过解决餐厨垃圾运行过程中不稳定、负荷低的问题，通过调整反应器设备运行策略，实现厌氧污泥的累积，通过投加适量的微量营养元素，加快颗粒污泥的形成，并且形成的颗粒污泥具有良好的沉降性能。为了实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：一种用于餐厨垃圾处理的高温厌氧颗粒污泥的培育方法，包括如下步骤：(1)厌氧反应器启动：启动厌氧反应器及其搅拌装置，完成反应器接种过程；(2)厌氧反应器负荷提升：将餐厨垃圾浆料加入厌氧反应器内，并逐步提升厌氧反应器内的容积负荷；(3)厌氧颗粒污泥成型：待反应器内容积负荷q达到1.5kg/m3·d或以上时，按比例将颗粒污泥营养盐与餐厨垃圾浆料混合，加入厌氧反应器内，混有营养盐的餐厨垃圾浆料初始进料量为q*v，其中，v代表厌氧反应器有效容积，然后在初始进料量基础上逐步提升，进料量的提升间隔时间为2-7天(d)，提升幅度为2-10％；每次进料前，关闭厌氧反应器的搅拌装置并静置20-60min；进料时启动搅拌装置并以0-10rpm低速运行；进料完成后，将搅拌转速设置为15-30rpm，连续培养60-90天，获得高温厌氧颗粒污泥。在本发明一种优选方案中，所述步骤(3)中，相邻两次进料间隔时间为24小时以上。在本发明一种优选方案中，所述步骤(3)中，颗粒污泥营养盐为fecl2·4h2o、cocl2·6h2o、nicl2和mgcl2·6h2o中的一种或几种任意组合，所述颗粒污泥营养盐在餐厨垃圾浆料中的投加量为10-30mg/l。在本发明一种优选方案中，所述步骤(3)中，颗粒污泥营养盐为fecl2·4h2o、cocl2·6h2o、nicl2和mgcl2·6h2o的混合物，所述fecl2·4h2o、cocl2·6h2o、nicl2和mgcl2·6h2o在餐厨垃圾浆料中的投加量分别为8-24mg/l，4-12mg/l，4-12mg/l和6-18mg/l。在本发明一种优选方案中，所述步骤(1)包括：(1a)在厌氧反应器中接种厌氧沼渣或絮状污泥，设定厌氧反应器的运行温度为50-58℃，密闭培养3-10天；(1b)检测厌氧反应器内的气体成分，待测得气体成分中甲烷浓度≥50％时，完成反应器接种过程。在本发明一种优选方案中，所述步骤(2)包括：反应器接种完成后，将含固率为6-10％的餐厨垃圾浆料逐步加入厌氧反应器内，进料期间控制厌氧反应器内挥发性脂肪酸vfas和碱度ta的浓度，并将vfas与ta的浓度比值控制在0.2以下，培养20-40天。在本发明一种优选方案中，所述步骤(2)中餐厨垃圾浆料采用逐步提升进料量的方式提升厌氧反应器容积负荷：初始进料量为(0.2-0.5kg/m3·d)*v，然后在初始进料量基础上逐步提升进料量，进料量的提升间隔时间为2-7天，提升幅度为2-10％。在本发明一种优选方案中，所述步骤(3)进料前，厌氧反应器内絮状污泥量为10-20g/l。在本发明一种优选方案中，所述厌氧反应器为cstr全混厌氧反应器。在本发明一种优选方案中，所述厌氧反应器内设置中心搅拌器和侧壁搅拌器，在步骤(3)餐厨垃圾浆料进料前，关闭中心搅拌器和侧壁搅拌器；进料过程中仅启动侧壁搅拌器；进料完成后，启动中心搅拌器和侧壁搅拌器。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：(1)本发明厌氧颗粒污泥成型过程中，利用多组合搅拌方式，增加污泥浓度，解决餐厨垃圾处理运行过程中不稳定、负荷低的问题；通过周期性的根据厌氧反应器内污泥浓度梯度，调整反应器搅拌装置的运行速率与频率，通过阶梯式提升进料量的投料方式控制进料量，实现厌氧污泥的累积；通过投加适量的微量营养元素，加快颗粒污泥的形成，并且形成的颗粒污泥具有良好的沉降性能。(2)本发明成功培育了高温环境下的厌氧颗粒污泥，相比于中、低温环境下培育的厌氧颗粒污泥，本发明培育的高温厌氧颗粒污泥对污染物具有较高的降解效率。(3)本发明成功培育了高温环境下的厌氧颗粒污泥，提高了厌氧反应器的容积负荷，最高容积负荷可达4.27kg/m3·d。(4)本发明所述厌氧颗粒污泥的培养方法，操作简便易行，可有效提升厌氧污泥浓度，加快颗粒化形成，在保证餐厨垃圾湿式厌氧发酵高负荷、稳定运行的前提下，进一步提升餐厨垃圾厌氧发酵处理的稳定性和发酵效率。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明图1示出本发明厌氧反应器内负荷提升阶段，碱度、挥发性脂肪酸和产气率的变化状况。图2示出本发明厌氧颗粒污泥成型阶段，反应器内碱度、挥发性脂肪酸和产气率的变化状况。图3示出本发明厌氧颗粒污泥的电镜图。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。下述实施例中涉及的操作方法，如无特别说明，均为常规方法。本发明采用的厌氧反应器为cstr全混厌氧反应器。本发明提供的用于餐厨垃圾处理的高温厌氧颗粒污泥的培育方法，包括如下步骤：(1)厌氧反应器启动：(1a)启动厌氧反应器及其搅拌装置，在厌氧反应器中接种厌氧沼渣或絮状污泥，设定厌氧反应器的运行温度为50-58℃，密闭培养3-7天；(1b)检测厌氧反应器内的气体成分，待测得气体成分中甲烷浓度≥50％时，完成反应器接种过程；(2)厌氧反应器负荷提升：反应器接种完成后，将含固率为6-10％的餐厨垃圾浆料逐步加入厌氧反应器内，初始反应器容积负荷为0.2-0.5kg/m3·d，进料期间控制厌氧反应器内挥发性脂肪酸vfas和碱度ta的浓度，并将vfas与ta的浓度比值控制在0.2以下，培养20-40天；(3)厌氧颗粒污泥成型：待反应器内容积负荷q达到1.5kg/m3·d或以上时，按比例将颗粒污泥营养盐与餐厨垃圾浆料混合，加入厌氧反应器内，混有营养盐的餐厨垃圾浆料初始进料量为q*v(v为厌氧反应器的有效容积)，然后在初始容积负荷基础上逐步提升进料量，进料量的提升间隔时间为2-7天，提升幅度为2-10％；每次进料前，关闭厌氧反应器的搅拌装置并静置20-60min；进料时启动搅拌装置并以0-10rpm低速运行；进料完成后，将搅拌转速设置为15-30rpm，连续培养60-90天，获得高温厌氧颗粒污泥。在本发明的优选实施例中，所述步骤(2)中餐厨垃圾浆料采用逐步提升反应器容积负荷的方式进料：初始反应器容积负荷为0.2-0.5kg/m3·d，初始进料量为初始反应器容积负荷*厌氧反应器有效容积v，然后在反应器初始容积负荷基础上逐步提升进料量，进料量的提升间隔时间为2-7天，提升幅度为2-10％。在本发明的优选实施例中，所述步骤(3)中，相邻两次进料间隔时间为24小时以上。在本发明的优选实施例中，所述步骤(3)中，颗粒污泥营养盐为fecl2·4h2o、cocl2·6h2o、nicl2和mgcl2·6h2o中的一种或几种任意组合，所述颗粒污泥营养盐在餐厨垃圾浆料中的投加量为10-30mg/l。优选地，颗粒污泥营养盐为fecl2·4h2o、cocl2·6h2o、nicl2和mgcl2·6h2o的混合物，所述fecl2·4h2o、cocl2·6h2o、nicl2和mgcl2·6h2o在餐厨垃圾浆料中的投加量分别为8-24mg/l，4-12mg/l，4-12mg/l和6-18mg/l。在本发明的优选实施例中，厌氧反应器内设置中心搅拌器和侧壁搅拌器，在步骤(3)餐厨垃圾浆料进料前，关闭中心搅拌器和侧壁搅拌器；进料过程中仅启动侧壁搅拌器；进料完成后，启动中心搅拌器和侧壁搅拌器。本发明高温厌氧颗粒污泥的培育方法进行了实验室模拟和实际运行两种实施方式。实施例1本实施例为实验室模拟实施方案，采用cstr全混厌氧反应器，反应器有效容积10l，径高比1：2.5，搅拌器转速0-25rpm。厌氧颗粒污泥的培养方法，包括以下步骤：1.厌氧反应器的启动本发明采用cstr全混厌氧反应器，反应器有效容积10l，径高比1：2.5，搅拌器转速0-25rpm。首先向厌氧反应器中投加厌氧沼渣或絮状污泥进行接种，厌氧反应器设定运行温度55℃，密闭培养5天。在反应器启动期间(即，接种期间)，定期监测反应器内气体成分，待气体成分中甲烷浓度≥50％的时候，说明反应器接种完成；否则，继续密闭培养或者重新接种新鲜厌氧污泥。2.厌氧反应器负荷提升阶段接种完成后，连续以8％含固率的餐厨垃圾浆化后物料，逐步提升厌氧反应器负荷，餐厨垃圾浆料的初始容积负荷为0.3kg/m3·d，每培养4天将提升一次进料量，每次提升5％，培养16天后，再将进料量提升6％。培养期间，控制厌氧反应器内挥发性脂肪酸(vfas)和碱度(ta)的浓度，并将vfas与ta的比值控制在0.2以下。若大于0.2，则停止进料或减小进料量。经过约30天的提升，反应器内的碱度达到6000mg/l以上，进入下一阶段，此时8％浆料进料量约0.2l，容积负荷为1.5kg/m3·d，平均容积产气率2m3/m3·d，反应器中污泥ss为10-20g/l。图1显示了本发明厌氧反应器内负荷提升过程，反应器内碱度、挥发性脂肪酸和产气率的变化状况。如图1所示，在反应器负荷提升阶段，反应器内vfas与ta的比值一直控制在0.2以下；产气率在培养的前16天内逐步提高，随后短时间内下降后，又逐步提升，慢慢趋于稳定。3.厌氧颗粒污泥成型阶段进料前关闭厌氧反应器搅拌并静置30min，在餐厨浆液原料中添加营养盐：fecl2·4h2o、cocl2·6h2o、nicl2和mgcl2·6h2o配合溶液一种或几种，根据厌氧反应器容积，每种元素在厌氧反应器内的浓度10-20mg/l。进料过程中，搅拌器以0-10rpm的低速运行，避免反应器出现混合不均匀而产生局部酸化。此时容积负荷为1.5kg/m3·d，然后在此容积负荷的基础上采用序批式投料方式，继续逐步提升进料量，进料速度的提升间隔时间为3-7天，进料速度的提升幅度为4-10％；每次进料时均启动搅拌装置0-10rpm低速运行，进料完成后，将搅拌转速设置为15-30rpm。相邻两次进料间隔时间为24小时以上。本实施例中，颗粒污泥成型阶段餐厨浆液原料的进料量及提升幅度如表1所示。表1颗粒污泥成型阶段餐厨浆液原料的进料量及提升幅度时间进料容积负荷(kg/m3·d)进料提升幅度第1-5天1.50-第5-10天1.564％第10-15天1.688％第15-20天1.849％第20-25天2.0210％第25-30天2.2210％第30-35天2.4410％第35-40天2.6910％第40-45天2.9610％第45-50天3.2510％第50-55天3.559％第55-60天3.766％第60-65天3.914％经过约65天连续运行，厌氧反应器内获得高温厌氧颗粒污泥，粒径范围1-3mm，比重在1.05-1.12范围。此时8％餐厨浆料进料量为0.5l，反应器的容积负荷为3.91kg/m3·d，平均容积产气率4.4m3/m3·d，并稳定运行40多天。图2显示了本发明厌氧颗粒污泥成型阶段，反应器内碱度、挥发性脂肪酸和产气率的变化状况。如图2所示，在厌氧颗粒污泥成型阶段，反应器内vfas与ta的比值控制在0.2以下；在该阶段，产气率一直持续上升，并最终趋于稳定，产气率体现厌氧反应器的处理效率，产气率越高，则处理效率也越高。图3显示了本发明成功培育的不同粒径厌氧颗粒污泥的电镜图；本发明培育的高温厌氧颗粒污泥，粒径范围为1-3mm，比重在1.05-1.12范围，具有良好的沉降性能。实施例2本实施例为本发明的方法实际运行阶段。采用高径比为0.805的高温厌氧cstr反应器，设置1组主搅拌，主搅拌的搅拌速度为0-25rpm，设置两组侧搅拌，侧搅拌的搅拌转速为0-10rpm，反应器有效容积为3m3。首先向厌氧反应器中投加含固率约20％的某餐厨垃圾厌氧消化工程脱水沼渣10kg，厌氧反应器设定运行温度55℃，经过7天的密闭培养，厌氧反应器内产气中甲烷浓度达到52.1％，平均碱度ta为1756mg/l，挥发性脂肪酸vfas为730mg/l，污泥ss为6.7g/l。然后以初始负荷0.3kg/m3·d投加8％含固率餐厨浆料13l，并逐步提高进料量。当餐厨浆料进料量达到55l时，平均碱度为6322mg/l，挥发性脂肪酸1100mg/l，污泥ss为12g/l，平均容积产气率2.12m3/m3·d。在此基础上，进行颗粒污泥成型阶段，每次进料前关闭厌氧反应器主搅拌器，静置30min，并在75l餐厨浆料中投加fecl2·4h2o、cocl2·6h2o、nicl2和mgcl2·6h2o营养盐，投加量分别为：1.1g、0.55g、0.55g和0.825g。进料过程中启动侧搅拌以5rpm转速低速运转，待进料完成后，启动主搅拌，转速20rpm。经过72天连续培养，厌氧反应器内出现厌氧颗粒污泥。餐厨浆料进料量也提升至160l，实际运行负荷为4.27kg/m3·d，平均容积产气率4.14m3/m3·d。本实施例中，颗粒污泥成型阶段餐厨浆液原料的进料量及提升幅度如表2所示。表2颗粒污泥成型阶段餐厨浆液原料的进料量及提升幅度实施例3本实施例为本发明的方法实际运行阶段。该实施例在已运行的cstr反应器的基础上，采用本发明的颗粒污泥成型方法，成功培育了颗粒污泥。采用高径比为1.25的高温厌氧cstr反应器，搅拌速度0-25rpm，该厌氧反应器已稳定运行2年，有效容积50m3，8％浓度餐厨浆料进料量为1400l，容积负荷为1.9kg/m3·d，平均容积产气率2.37m3/m3·d，期间曾发生过2次酸化。经过分析，厌氧反应器内平均碱度为7114mg/l，挥发性脂肪酸1918mg/l，污泥ss为14g/l。该高温厌氧cstr反应器中污泥为絮状污泥，无法成型为颗粒污泥。反应器内最大容积负荷为1.9kg/m3·d，容积负荷无法再提升。在此基础上，采用本发明的颗粒污泥成型方法，每次进料前关闭厌氧反应器主搅拌器，静置30min，并在1400l餐厨浆料中投加fecl2·4h2o、cocl2·6h2o、nicl2和mgcl2·6h2o营养盐，投加量分别为：28g、14g、14g和21g。进料过程中主搅拌器以5rpm转速低速运转，待进料完成后，逐步将转速提升至15rpm。经过60天连续培养，厌氧反应器内出现厌氧颗粒污泥。餐厨浆料进料量也提升至2500l，实际运行负荷为4.01kg/m3·d，平均容积产气率4.65m3/m3·d。本实施例中，颗粒污泥成型阶段餐厨浆液原料的进料量及提升幅度如表3所示。表3颗粒污泥成型阶段餐厨浆液原料的进料量及提升幅度时间进料容积负荷(kg/m3·d)进料提升幅度第1-5天2.24-第6-11天2.324％第12-17天2.24％第18-22天2.566％第23-27天2.726％第28-32天2.948％第33-37天3.178％第38-42天3.366％第43-46天3.576％第47-50天3.714％第51-55天3.854％第56-60天4.014％尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。当前第1页12