申请日2016.08.31
公开(公告)日2016.12.21
IPC分类号C02F11/04
摘要
本发明公开了一种提高剩余污泥厌氧发酵产沼气的方法，属于环境工程技术领域。本发明是先在剩余污泥脱水后接种复合菌剂进行处理，然后通入氧气高温处理，得到预处理污泥;然后将预处理污泥与未处理剩余污泥混合并接种产甲烷菌强化，进行厌氧发酵产沼气。采用本发明方法，可利用复合菌剂进行初步降解污泥中有机质以便提高后续厌氧消化效率;高温通入氧气的反应不仅可提高生物可降解性从而更彻底地降解污泥中的有机物，且防止了前期接种符合菌剂扰乱后续厌氧发酵的微生物体系;将预处理污泥和未处理的污泥进行混合并接种产甲烷菌强化，一方面，未处理污泥可为厌氧消化提供所需微生物菌群提高发酵效率，另一方面接种的甲烷菌也可强化后期的产甲烷量。
权利要求书
1.一种提高剩余污泥厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于，所述方法是先将剩余污泥脱水，然后接种复合菌剂进行处理，再通入氧气高温处理得到预处理污泥;最后将预处理污泥与剩余污泥混合并接种产甲烷菌强化，进行厌氧发酵产沼气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具体是：
(1)剩余污泥脱水后接种复合菌剂，于30～40℃通风搅拌处理2～3d，然后通入氧气于90～100℃处理2～3h，得到预处理污泥。
(2)将预处理污泥与未处理剩余污泥混合得到混合污泥，在混合污泥中接种产甲烷菌强化，通入氮气去除反应系统中的氧气，于35～45℃搅拌进行厌氧发酵，发酵天数为15～25d，收集气体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，剩余污泥性质：含水率92.5%～98.5%、VSS 45%～65%、COD为35000～50000mg/L、有机氮为2500-3600mg/L、总磷为15-30mg/L、pH6.5～7.8。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)的复合菌剂为华根霉CCTCCM201021和解淀粉芽孢杆菌ATCC 23842。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)的复合菌剂是将华根霉CCTCCM201021和解淀粉芽孢杆菌ATCC 23842分别用液体培养基活化后按照体积比1:1～1:5混合得到。
6.根据权利要求1所述的方法，所述复合菌剂的接种量为5%～10%。
7.根据权利要求1所述的方法，所述预处理污泥与剩余污泥按照质量比(7.5～8.5)：(1.5～2.5)混合得到。
8.根据权利要求1所述的方法，所述产甲烷菌为菌液，接种量为5%～10%(v/m)。
9.一种用于权利要求1所述方法的反应装置，其特征在于，所述装置包括反应瓶、搅拌器、恒温水浴槽、集气瓶、量筒、玻璃管、阀门、乳胶管;反应瓶置于恒温水浴槽中，搅拌器位于反应瓶内部，反应瓶通过玻璃管与集气瓶相连;集气瓶通过玻璃管及乳胶管与压差计相连、集气瓶通过玻璃管与量筒相连，其中与量筒相连的玻璃管延伸至集气瓶底端，与压差计及反应瓶相连的玻璃管管口位于集气瓶瓶口，集气瓶内盛有水;所述反应瓶和集气瓶瓶口还分别通过管道和阀门与储气罐或外界联通。
10.权利要求9所述的反应装置是在厌氧发酵产沼气或者气体测量方面的应用。
说明书
一种提高剩余污泥厌氧发酵产沼气的方法
技术领域
本发明涉及一种提高剩余污泥厌氧发酵产沼气的方法，属于环境工程技术领域。
背景技术
随着我国工业化和城镇化进程的加速，工业及城镇污水排放量大幅增加，相应地，由污水处理厂产生的剩余污泥量也急剧增加。剩余污泥大量积累将成为影响环境卫生的一大公害。一方面，剩余污泥中含有一些对环境有害的成分如致病菌、病原菌类微生物、重金属等，若不能妥善处置，将会造成严重的环境污染问题;另一方面，剩余污泥当中含有大量的有机物，比如糖类、蛋白质和脂肪等，蕴含着丰富的生物质能，若不能被有效利用，将造成巨大的资源浪费。因此，污泥的妥善处理与处置成为当前环境领域亟待解决的问题。
剩余污泥处置主要有卫生填埋技术、污泥焚烧技术、污泥农用技术等，近年来，污泥处理处置已经从简单的污泥填埋等粗放型处理方式转向污泥资源化利用方式。厌氧消化以其低的运行成本成为国际上最为广泛应用的污泥稳定化和资源化技术。厌氧消化是在无氧条件下，利用兼性菌和专性厌氧微生物将污泥当中的有机物降解为水、二氧化碳、甲烷、氢气、硫化氢等的过程。相比H2，甲烷是一种更加稳定的可燃性气体，因此，厌氧发酵产沼气已成为研究者关注的热点。
目前，现有的污泥厌氧消化有机物去除率较低，因而，污泥厌氧消化的产物—沼渣中仍有较高的有机物含量，这部分有机物主要为难生物降解的惰性有机物，较难处理。虽然已有报道采用两段式厌氧发酵的方法提高有机质的去除率，但是其去除率还有待进一步提高。同时，现有的污泥厌氧消化过程，存在所需处理时间长、处理速度慢等问题，因此，通过预处理方法提高污泥厌氧发酵效率、提高有机质去除率至关重要。此外，污泥厌氧发酵是一个系统化的复杂工程，设计简单的厌氧发酵装置初步衡量污泥发酵特性具有重大意义，因为这将为后期的利用污泥厌氧发酵进行工程化应用提供最原始资料。
基于以上问题，本发明申请主要是对污泥预处理方法进行改进以提高污泥中有机质的去除率和发酵效率，同时设计简易的装置，初步衡量污泥厌氧发酵产甲烷能力。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种提高剩余污泥厌氧发酵产沼气的方法和气体测量装置，有效利用了剩余污泥中的有机物、提高了处理效率并简化处理装置。
本发明的提高剩余污泥厌氧发酵产沼气的方法，是先将剩余污泥脱水，然后接种复合菌剂进行处理再通入氧气高温处理，得到预处理污泥;最后将预处理污泥与未处理的剩余污泥混合并接种产甲烷菌强化，进行厌氧发酵产沼气。
在本发明的一种实施方式中，所述方法，具体是：(1)剩余污泥脱水后接种复合菌剂，于30～40℃通风搅拌处理2～3d，然后通入氧气于90～100℃处理2～3h，得到预处理污泥;(2)将预处理污泥与未处理的剩余污泥混合得到混合污泥，接种产甲烷菌强化，通入氮气去除反应系统中的氧气，于35～45℃搅拌进行厌氧发酵，发酵天数为15～25d，收集气体。
在本发明的一种实施方式中，剩余污泥为城市污泥，包括市政污水厂初沉污泥、剩余活性污泥、生物膜反应器污泥、沉淀池剩余污泥或其混合污泥。
在本发明的一种实施方式中，剩余污泥性质：含水率92.5%～98.5%、VSS 45%～65%、COD为35000～50000mg/L、有机氮为2500-3600mg/L、总磷为15-30mg/L、pH 6.5～7.8。
在本发明的一种实施方式中，剩余污泥脱水后的含水率为75%～82%。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)的复合菌剂为华根霉CCTCC M201021和解淀粉芽孢杆菌ATCC 23842。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)的复合菌剂是将华根霉CCTCC M201021和解淀粉芽孢杆菌ATCC 23842分别用液体培养基活化后按照体积比1:1～1:5混合得到的。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)的复合菌剂的接种量为5%～10%(v/m)。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中预处理污泥与剩余污泥按照质量比(7.5～8.5)：(1.5～2.5)混合得到的。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)的产甲烷菌为菌液，接种量为5%～10%(v/m)。
在本发明的一种实施方式中，所述产甲烷菌为产甲烷复合菌剂;所述产甲烷复合菌剂是采用保藏在德国菌种保藏中心的编号为DSM-No.2834的嗜乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)、编号为DSM-No.1535的甲酸甲烷杆菌(Methanobacteriumformicicum)、编号为DSM-No.1125的嗜树甲烷短杆菌(Methanobrevibacterarboriphilicus)、编号为DSM-No.2278的廷达尔甲烷叶菌(Methanolobus tindarius)和编号为DSM-No.6752的肯氏鬃发甲烷菌(Methanosaetaconcilii))作为接种甲烷菌，在厌氧条件下接种于液体甲烷菌培养基，分别单独逐级扩大培养，培养后的所述甲烷菌的菌液按体积比混配在一起，即为液体的产甲烷复合菌剂。
在本发明的一种实施方式中，液体的产甲烷复合菌剂是将嗜乙酸甲烷八叠球菌的菌液、甲酸甲烷杆菌的菌液、嗜树甲烷短杆菌的菌液、廷达尔甲烷叶菌的菌液、肯氏鬃发甲烷菌按照体积比2：2：1.5：1.5：1混配得到的。
在本发明的一种实施方式中，所述发酵天数为17～21d。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)搅拌的转速为150～250rpm。
本发明的第二个目的是提供一种用于所述方法的反应装置或者气体测量装置。所述装置包括反应瓶、搅拌器、恒温水浴槽、集气瓶、量筒、玻璃管、阀门、乳胶管;反应瓶置于恒温水浴槽中，反应瓶与开关阀相连，搅拌器位于反应瓶内部，反应瓶通过玻璃管与集气瓶相连;集气瓶通过玻璃管机乳胶管与压差计相连、集气瓶通过玻璃管与量筒相连，其中与量筒相连的玻璃管延伸至集气瓶底端，与压差计、反应瓶及压力阀相连的玻璃管管口位于集气瓶瓶口，集气瓶内盛有水。
在本发明的一种实施方式中，所述反应瓶和集气瓶瓶口还分别通过管道和阀门与储气罐或外界联通。
当用本发明的装置进行厌氧发酵的气体测量时，先通入氮气一段时间以去除反应系统内的氧气，然后同时关闭集气瓶和反应瓶处的阀门，以维持系统的厌氧环境。在厌氧反应过程中，产生的沼气将集气瓶中的水压人量筒中，通过量筒中水的体积测量产生的沼气的体积;当反应终止后，集气瓶中不再有压力产生，压差计两侧液面保持水平。在集气瓶中加入压差计后，一方面可以方便集气瓶的气密性检查，另一面，可以直观快速判定发酵反应是否终止。与集气瓶相连的阀门一方面可提供除氧时的出口通道，另一方面，在发酵产气过程中，可随时提取集气瓶内产生的气体以定性定量分析。
本发明的优点和效果：
(1)本发明方法，先通过接种复合菌剂，即利用华根霉和解淀粉芽孢杆菌产生大量的脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶等，将剩余污泥中的大分子蛋白质、脂肪等分解进行初步降解以便提高后续厌氧消化效率，相比专利文献中常用的超声及热物理预处理、酸碱及臭氧化学预处理、酶等生物预处理，本发明专利提出了一种新的提高污泥水解和溶解的方法，而且本发明方法不需要额外的特殊的设备，可以进行工业化应用;高温通入氧气反应，一方面可以将剩余污泥中的大分子难降解有机物分解成小分子、提高其生物可降解性从而更彻底地降解污泥中的有机物，另一方面高温处理可以防止前期接种的华根霉和解淀粉芽孢杆菌扰乱后续厌氧发酵的微生物体系;将预处理污泥和未处理的剩余污泥进行混合并接种产甲烷菌强化，一方面未处理剩余污泥中含有的微生物，可为厌氧消化提供所需的微生物菌群，另一方面混合后原有未处理剩余污泥中的菌群得到稀释会导致前期产气速度缓慢，通过强化接种的甲烷菌可大大可提高产甲烷速率，提高效率。
(2)本发明的装置，结构简单、操作简便，可直观检测集气瓶的气密性和判断发酵终止时间，可以快速测定样品污泥的产甲烷量大小，具有操作普遍性，可大大节约实验成本。本发明装置集气瓶上的阀门可方便随时抽取少量气体进行定性分析，该阀门也可以换成压力阀，以观测集气瓶内的气体压力是否否达到设定现值，也可以和压力传感器相连，随时读取集气瓶内的压力，再根据压力数值计算产气体积大小。
(3)采用本发明方法和装置进行处理，有机物去除率可达80%～85%，反应速度快，反应17～21d的产气量可达总产气量的88%～94%，甲烷产量占总产气量的65%～80%。
(4)本发明不仅减少了污泥对环境的污染，而且实现了污泥的资源化利用，实现“变废为宝”，具有经济和环境双重效益。
