申请日2015.10.28
公开(公告)日2016.01.20
IPC分类号C02F11/00; C02F11/06; C02F11/04
摘要
本发明涉及一种提高剩余污泥厌氧消化产甲烷量的预处理方法。先向污水处理厂浓缩的剩余污泥中投加过氧化钙，过氧化钙投加量为剩余污泥中挥发性悬浮固体质量的5%-20%，接着进行微波辐射处理，然后置于30-40℃，搅拌速度为100-200rpm的厌氧消化罐中进行厌氧消化，厌氧消化时间为16d左右。结果表明，过氧化钙/微波联合预处理技术可促进颗粒性有机物的溶解，提高污泥厌氧消化甲烷的产量，且厌氧消化后污泥的脱水性能得到提高。本发明操作简单，反应条件温和，用于污水处理厂浓缩剩余污泥的资源化、无害化和减量化，具有很好的经济和社会效益。
摘要附图
权利要求书
1.一种提高剩余污泥厌氧消化产甲烷量的预处理方法，其特征在于：先将污水处理厂二沉池内的剩余污泥浓缩至挥发性悬浮固体浓度VSS=8g/L-9.5 g/L，接着，将过氧化钙加入其中并混合均匀，过氧化钙投加量为剩余活性污泥中挥发性悬浮固体质量的5%-20%，然后微波处理，微波处理的工艺操作条件为：微波辐射功率为160-480W，微波辐射时间为2-6min，处理后的污泥放置于温度为30-40℃，搅拌速度为100-200rpm的厌氧发酵罐中进行厌氧发酵，发酵天数为16d左右;收集气体并测定其中甲烷的含量;
上述过氧化钙为市售分析纯过氧化钙。
说明书
一种提高剩余污泥厌氧消化产甲烷量的预处理方法
技术领域
本发明涉及一种提高剩余污泥厌氧消化产甲烷量的预处理方法。属于污泥处理与资源化技术领域。采用微波和过氧化物联合使用
背景技术
目前，世界上应用最为广泛的污水生物处理技术是活性污泥法，该方法对城市污染负荷的削减起到了重要的作用。但活性污泥法一直存在一个弊端，就是会产生大量的剩余污泥。随着污水处理量的日益增加以及污水处理效率的不断提高，剩余污泥产量呈现递增趋势，污泥的处理和处置成为污水处理厂的一大难题。而污泥中含有丰富的有机成分，若可以回收利用这些资源，将大大降低污泥处理处置所产生的经济压力。因此，近年来，污泥处理处置已经从简单的污泥填埋转向污泥资源化。利用污泥厌氧消化从污泥中回收生物质能—沼气，是一种非常有应用前景的污泥资源化技术。厌氧消化是在无氧条件下，由兼性菌和专性厌氧菌将有机物分解为二氧化碳和甲烷的过程。经厌氧消化的污泥，不仅可以产生沼气实现污泥资源化，还减少了污泥的体积，有利于污泥后续的处理。污泥厌氧消化可以分为溶解，水解，产酸和甲烷化四个过程。通常污泥的溶解和水解速率较慢，是污泥厌氧消化的限速步骤。因此在污泥厌氧消化过程中，如果可以提高污泥的溶解和水解速率，则可以缩短污泥厌氧消化的水力停留时间，进而促进甲烷化过程。提高污泥溶解和水解的方法很多，包括物理 (超声波预处理，热处理)，化学(臭氧预处理，酸碱预处理)，生物(酶处理)等方法，这些方法的基本原理都是促进污泥中的大分子有机物分解为小分子易生物降解的有机物，从而有利于后续的酸化和甲烷化。
中国专利CN102603136B公布了一种利用微波和热联合调理污泥提高低有机质污泥厌氧发酵生产沼气的方法，该方法将浓缩污泥和脱水污泥配成混合污泥进行预处理，取上述混合污泥作为进料进行厌氧消化，并出料相同体积的污泥，收集沼气，可以缩短低有机质污泥厌氧启动时间，提高低有机质污泥厌氧消化产气总量，促进低有机质污泥资源化利用。中国专利CN103172237A公布了一种蒸汽爆破预处理污泥厌氧消化产气的方法，即将含水率为55-85%的脱水污泥按质量比加入5-10‰的SDS(十二烷基硫磺酸钠)，再放入气爆机后，通入含水率为1-2%的饱和水蒸汽，在所需的温度和压力下维持2-10min，打开气爆机的放料阀门收集物料，在预处理后的物料中放入接种物，接种量为物料质量的3- 50%，搅拌均匀后密封发酵，可提高污泥的可生化性，有利于微生物的降解，提高污泥的利用率及产气量。中国专利CN103193369A公布了一种提高污水厂剩余污泥产甲烷的方法，先将污泥与黑麦草充分混合发酵水解产酸，再将混合物进行厌氧发酵产甲烷。该发明以能源草促进污水厂剩余污泥产甲烷的方法，不但可以同时提高污泥产短链脂肪酸量和产甲烷量，而且使污泥中有机物得到更充分的回收和再利用，减少了污泥对环境的污染。中国专利CN102603142A公布了一种预处理循环回流污泥强化厌氧发酵产生沼气的方法，将浓缩污泥和脱水污泥配成混合污泥，取上述混合污泥作为进料进行厌氧消化，并出料相同体积的污泥，同时回流污泥经预处理后，再循环进行厌氧消化，收集沼气。该发明提高了污泥厌氧消化产气量，缩短了污泥停留时间，减小了污泥厌氧发酵罐体积。中国专利CN101012096A公布了一种超声波强化污泥厌氧消化产气方法，将城市生活污水处理厂污泥浓缩池的污泥通过集成化超声波预处理系统，超声波在水中的空化效应产生极端的物理条件，污泥的细胞壁结构被破坏，细胞内易降解的有机质溶解于水中，水中的溶解性有机物质含量增加，经过一定的处理时间后，污泥由污泥泵输入厌氧消化罐，在无氧的条件下发生消化，消化产生的沼气经过沼气净化装置可获得甲烷气体，消化残余的污泥通过污泥脱水系统后获得干化污泥进行最终处置。
近年来，微波作为一种新技术被广泛应用于污泥的预处理过程中，诸多研究表明，微波技术可以提高污泥的溶解性，促进有机物的溶出，微波技术对污泥中的絮体结构产生破坏作用，释放胞外及胞内的有机物，从而提高了污泥的产酸以及后续的沼气产量，有利于污泥的减量化，并缩短了污泥停留时间。微波技术促进污泥溶解的机理包括：(1)电磁场能使极性分子产生高速旋转碰撞而产生热效应，从而改变体系的热力学函数，降低反应的活化能和分子的化学键强度(例如，文献EnvironmentalTechnology，2013(34)，711-718); (2)微波还有非热效应的特点，即在微波场中剧烈的极性分子震荡能使化学键断裂(例如，文献WaterResearch，2008(42)，4674-4682;Journalof EnvironmentalSciences2012(24)，2060-2067)。微波的电磁及热效应对污泥的絮体结构及微生物的细胞壁产生破坏作用，导致絮体物质结构松散，细胞壁的刚性结构不稳定，从而更容易被解离。与传统加热相比，微波加热不是热传递过程，而是一种容积加热，没有热传递过程的热损失，因此理论上，微波加热的热效率比传统加热法高。设备体积小、热源与介质不直接接触、易于控制、无废物生成(例如，文献JournalofHazardousMaterials，2015 (283)，856-864;RenewableandSustainableEnergyReviews，2013 (18)，288-305)。随着对微波技术应用于污泥研究的深入，也将微波与其他技术联合使用，研究的较多的是微波/酸，微波/碱以及微波/H2O2。结果表明，微波与其他技术联合使用均比单独使用时对污泥的溶解效果更好，沼气产量也更高。有研究表明，微波和碱联用产生协同作用，协同作用的原因是微波和碱对污泥的作用机制不同，不同的处理方式对污泥产生不同的破坏，微波通过热及非热效应对污泥絮体及细胞进行攻击，使得污泥结构变得松散，从而更容易被碱攻击(例如，文献BioresourceTechnology，2011(102)，7633-7640)。另有报道指出，微波可以激发H2O2产生更多的羟基自由基(HO·)，从而提高 H2O2的利用效率。H2O2可显著增加细胞膜的渗透性和流动性，对生物细胞有攻击性(例如，文献JournalofHazardousMaterials，2010(181)，1143- 1147)。
过氧化钙是一种白色或浅黄色固体粉末，在潮湿介质中可缓慢释放出H2O2，理论上1gCaO2可释放出0.47gH2O2和1.03gCa(OH)2。作为一种“固态双氧水”，CaO2已经被广泛地应用于原位化学修复中，其中对土壤、沉积物、地表水中的难降解有机污染物如碳氢化合物，多氯联苯，邻苯二甲酸酯，四氯乙烯等有较好的去除效果，并且比液态H2O2有更高的利用效率。过氧化钙应用于污泥厌氧消化预处理目前只有2篇论文报道(文献WaterResearch，2015(71)， 125-139;WaterResearch，2015(83)，84-93)，其研究表明，过氧化钙溶于水可同时产生氢氧化钙和双氧水，从而形成一种碱性的高级氧化条件，促进污泥水解和酸化的进程，并可以导致其他挥发性短链脂肪酸向乙酸的转化，但单独使用过氧化钙会抑制产甲烷过程。
因此，微波技术和过氧化钙技术单独处理污泥时，虽然均可以促进污泥厌氧消化的水解和酸化等过程，但过氧化钙单独使用会抑制产甲烷过程，微波单独使用虽然可以促进产甲烷，但促进效果还有待提高。目前还没有将微波和过氧化钙联用的研究或技术发明。
发明内容：
本发明的目的在于公开一种提高剩余污泥厌氧消化产甲烷量的预处理方法。
为了达到上述目的，本发明将微波与过氧化钙联合使用，对污泥厌氧消化进行预处理，由于产生了电磁-热-碱-高级氧化条件，在多重协同效应下达到更佳的处理效果，不但可以促进污泥水解酸化，而且可以促进产甲烷，达到更好的污泥资源化。
具体步骤如下：
先将污水处理厂二沉池内的剩余污泥浓缩至挥发性悬浮固体浓度VSS=8 g/L-9.5g/L，接着将过氧化钙加入其中并混合均匀，过氧化钙投加量为剩余活性污泥中挥发性悬浮固体质量的5%-20%，然后微波处理，微波处理的工艺操作条件为：微波辐射功率为160-480W，微波辐射时间为2-6min。处理后的污泥放置于温度为30-40℃，搅拌速度为100-200rpm的厌氧发酵罐中进行厌氧发酵，发酵天数为16d左右;收集气体并测定其中甲烷的含量。
上述过氧化钙为市售分析纯过氧化钙。
本发明的有益效果是：
1，本发明在剩余污泥中添加过氧化钙，并进行微波处理，微波/CaO2联合预处理技术产生了电磁-热-碱-高级氧化的复合条件，具有多重协同效应，可以促进污泥中颗粒性有机物的溶解，提高污泥的可生化性，有利于污泥厌氧消化过程中甲烷化的进程，本发明与单独使用微波相比甲烷产量提高19.5%-33.5%，与单独使用CaO2相比甲烷产量提高58.1%-88.1%。
2，本发明通过微波/CaO2联合预技术处理，缩短污泥厌氧消化时间，本发明经过微波/CaO2处理的厌氧消化过程16d左右结束，而单纯厌氧消化在30d 左右厌氧消化过程结束，减少剩余污泥体积，提高污泥的脱水性能，从而有利于污泥的后续处理。
3，本发明操作条件简单易实施，相比超声波，加热等污泥预处理方法，能量投入较少，从而降低成本，另外，从安全性的角度来讲，所用过氧化钙粉末易得且安全无毒，微波技术也比较成熟易操作。
