申请日2012.05.09
公开(公告)日2012.08.22
IPC分类号C02F11/04
摘要
本发明属于固废资源化领域，涉及一种提高城市污泥半干式发酵稳定性的方法。该方法包含如下步骤：(1)启动发酵;(2)驯化菌种;(3)厌氧反应器的运行。本发明采用半干式工艺处理城市污泥，使发酵物料的含固率≥12%，并且≤18%，相比湿式发酵处理城市污泥的工艺，可使反应器容积减少60-70%，节省能耗、设备和土地占用;相比干式发酵处理城市污泥的工艺，添加木薯酒糟，降低发酵物料的粘度和搅拌能耗，同时改善传质，平衡物料中的碳氮比，提高产气率。本发明以发酵污泥作为接种物料，添加脱水污泥与木薯酒糟的混合物后不需要添加碱性物质调节反应器的pH值。
权利要求书
1.一种提高城市污泥半干式发酵性能的方法，其特征在于：包含如下步骤：
(1)启动发酵
(1a)在厌氧发酵罐中加入接种污泥，然后向接种污泥中加入脱水污泥和木薯酒糟的混合 物，与接种污泥混合后形成混合物料进行发酵;
(1b)向厌氧发酵罐中继续添加脱水污泥和木薯酒糟的混合物，并相应排出与继续添加的 脱水污泥和木薯酒糟的混合物相同质量的发酵结束物料;
(2)驯化菌种
保持步骤(1)的发酵温度和搅拌条件，使混合发酵物料中来自接种污泥的甲烷菌驯化成 功;
(3)厌氧反应器的运行
继续添加步骤(1)制得的混合发酵物料到厌氧发酵罐中，待沼气产率达到0.9L/g VS·d厌 氧发酵罐实现平稳运行，厌氧发酵罐维持当前的进料量运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的接种污泥为厌氧发酵污泥，其加入量 为厌氧发酵罐有效容积的1/3-1/2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的脱水污泥的含固率为15%~20%，木薯 酒糟的含固率为12%-15%;所述的接种污泥、脱水污泥和木薯酒糟的混合物添加到厌氧发酵罐 中的周期为每日。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的脱水污泥与木薯酒糟的混合物质量比 为5:1-1:1，其混合物的含固率为12-18%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的发酵温度为53±2℃，发酵时搅拌转速 为20-30r/min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1a)中脱水污泥和木薯酒糟的 添加量之和为厌氧发酵罐中接种污泥质量的2.5%-5%;
或所述的(1a)中厌氧发酵罐内接种污泥、脱水污泥和木薯酒糟的量达到厌氧发酵罐体积 的2/3时，再进行(1b)操作。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的(1b)中脱水污泥和木薯酒糟的混合 物的添加量为厌氧发酵罐中接种污泥质量的2.5%-5%。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中当沼气中甲烷体积含量在 45-50%时，表明适应混合发酵物料的来自厌氧发酵污泥的甲烷菌驯化成功。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，每日新添加到厌氧发酵 罐中的混合发酵物料的量为厌氧发酵罐中已有物料质量的1/8至1/4。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，平稳运行时甲烷的体 积为60-70%。
说明书
一种添加木薯酒糟提高城市污泥半干式发酵稳定性的方法
技术领域
本发明属于固废资源化领域，涉及一种提高城市污泥半干式发酵稳定性的方法。
背景技术
伴随着我国污水处理能力的迅速提升，污泥产生量大幅增长。据估计，我国湿污泥年产 量将很快突破3000万吨。而据我国最新调研数据显示，当前污泥的实际处理处置率甚至不到 30%。这必将严重影响我国建设城市污水处理厂削减水体污染物的效果，这些污泥将可能对 地下水、土壤等造成二次污染，成为环境安全和公众健康的威胁。我国能源结构长期以煤炭 和石油为主，能源供需矛盾日益突出，能源不足已经成为制约国民经济发展的瓶颈。以污泥 厌氧发酵回收生物质能源-沼气，是符合低碳循环可持续发展的路线，不仅达到减量化、稳定 化和安全化目标，同时达到能源最大化和资源最佳化。
根据厌氧发酵罐中物料的固体含量(TS)，厌氧发酵技术可分为湿式发酵(TS≤12%)和 干式发酵(TS≥20%)两种，湿式发酵已在城市污泥(TS为2-3%)消化产沼，并已经得到应 用。与污泥湿法厌氧发酵相比，污泥干法厌氧发酵的难点在于：(1)脱水污泥含水率低、粘 滞系数高、TS浓度高，呈非流动状态，造成反应的基质粘度大;(2)脱水污泥含固率高，污 泥中大量的有机质包裹在微生物体内，不利于水解酸化过程的发生，因此，造成反应底物、 中间产物与厌氧微生物之间接触不良，难以启动或产沼能力低。上述问题是阻碍污泥的干法 厌氧发酵的主要技术瓶颈。
目前，在干法发酵方面，国外已经开展针对高含固率的生活有机垃圾进行厌氧发酵的技 术和设备的开发工作。我国在干法发酵技术方面的研究也开展的较少。相关干法发酵研究主 要针对有机垃圾(中国专利CN101381674A)、农用秸秆(中国专利CN101338273、中国专利 CN101338325)，关于脱水污泥与木薯酒糟进行半干式发酵的方法，未见报道。
污泥干法发酵的难点在于：脱水污泥含水率低、粘滞系数高，呈非流动状态，造成反应 的基质粘度大，传质困难导致水解酸化过程缓慢，产甲烷可利用的底物不足;污泥中大量的 有机质包裹在微生物体内，造成反应底物、中间产物与厌氧微生物之间接触不良，难以启动 或产气率低。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术中城市污泥干法发酵过程中反应底物粘度大、含固率 高、传质困难、水解酸化程度低、产甲烷进程缓慢等缺陷，而提供一种提高城市污泥半干式 发酵性能的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种提高城市污泥半干式发酵性能的方法，包含如下步骤：
(1)启动发酵
(1a)在厌氧发酵罐中加入接种污泥，然后向接种污泥中加入脱水污泥和木薯酒糟的混 合物，与接种污泥混合后形成混合物料进行发酵;
(1b)向厌氧发酵罐中继续添加脱水污泥和木薯酒糟的混合物，并相应排出与继续添加 的脱水污泥和木薯酒糟的混合物相同质量的发酵结束物料;
(2)驯化菌种
保持步骤(1)的发酵温度和搅拌条件，使混合发酵物料中来自接种污泥的甲烷菌驯化成 功;
(3)厌氧反应器的运行
继续添加步骤(1)制得的混合发酵物料到厌氧发酵罐中，待沼气产率达到0.9L/g VS·d 厌氧发酵罐实现平稳运行，厌氧发酵罐维持当前的进料量运行。
所述的接种污泥为厌氧发酵污泥，其加入量为厌氧发酵罐有效容积的1/3-1/2。
所述的脱水污泥的含固率为15%~20%，木薯酒糟的含固率12%-15%;所述的接种污泥、 脱水污泥和木薯酒糟的混合物添加到厌氧发酵罐中的周期为每日;脱水污泥和木薯酒糟加入 厌氧发酵罐中作为接种污泥的养料。
所述的脱水污泥与木薯酒糟的混合物质量比为5:1-1:1，其混合物的含固率为12-18%。
其中搅拌转速为20-30r/min，发酵温度为53±2℃，氧化还原电位≤-500mV。该还原电位 用于评价反应器中厌氧菌生长的氧化还原条件，如果该值超出厌氧细菌最佳生长条件 (-500mV)，厌氧细菌的活性受到抑制。
所述的步骤(1a)中脱水污泥和木薯酒糟的添加量之和为厌氧发酵罐中接种污泥质量的 2.5%-5%。
所述的(1a)中厌氧发酵罐内接种污泥、脱水污泥和木薯酒糟的量达到厌氧发酵罐体积 的2/3时，再进行(1b)操作。
所述的(1b)中脱水污泥和木薯酒糟的混合物的添加量的范围中为厌氧发酵罐中接种污 泥质量的2.5%-5%。
所述的步骤(2)中当沼气中甲烷体积含量在45-50%时，表明适应混合发酵物料的来自 厌氧发酵污泥的甲烷菌驯化成功。
所述的步骤(3)中，每日新添加到厌氧发酵罐中的混合发酵物料的量为厌氧发酵罐中已 有物料质量的1/8至1/4。
所述的步骤(3)中，平稳运行时甲烷的体积为60-70%。
本发明具有以下优点：
1.采用半干式工艺处理城市污泥，使发酵物料的含固率≥12%，并且≤18%，相比湿式发 酵处理城市污泥的工艺，可使反应器容积减少60-70%，节省能耗、设备和土地占用;
2.相比干式发酵处理城市污泥的工艺，添加木薯酒糟，降低发酵物料的粘度和搅拌能耗， 同时改善传质，平衡物料中的碳氮比(C/N)，提高产气率。
3.以发酵污泥作为接种物料，添加脱水污泥与木薯酒糟的混合物后不需要添加碱性物质 调节反应器的pH值;
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1
(1)启动发酵
取5L厌氧污泥作为接种污泥，于有效容积为15L厌氧发酵罐中，设置厌氧发酵罐中物 料温度为53±2℃，
将含固率为15%、有机质含量70%的脱水污泥(pH值为8.0)与含固率12%、有机质含 量为73%的木薯酒糟(pH值为4.0)按照质量比5：1共计333g(占厌氧发酵罐接种污泥质 量的3.3%)，含固率为14%的混合物料(pH值为7.6)每天加入有效容积为15L的厌氧发酵 罐中;
直至厌氧发酵罐中发酵物料为10L时，提高每日投加至厌氧发酵罐中混合物料为400g， 添加量为厌氧发酵罐中接种污泥质量的4%，相应排出相同质量的发酵结束物料，同时开启搅 拌装置，转速20r/min，搅拌电机的时间继电器设置为开5min/停5min，厌氧发酵罐中物料的 氧化还原电位为-525v;
(2)驯化菌种
保持步骤(1)的温度和搅拌条件，每天监测产气量和产气成分变化，监测混合物料的产 沼气量和沼气成分，当沼气中甲烷体积含量在47%时，表明适应混合发酵物料的使来自厌氧 发酵污泥的甲烷菌驯化成功;
(3)厌氧反应器的运行
逐渐提高每日投加至厌氧发酵罐中的污泥和木薯酒糟的混合物共计1250g，混合发酵物 料的量为厌氧发酵罐中已有物料质量分数的1/8，产气成分中的甲烷含量由最初的47%上升至 63%，产气率为1.0L/gVS·d。
其中氧化还原电位通过氧化还原电位仪测得。
实施例2
(1)启动发酵
取7.5L厌氧污泥作为接种污泥，于有效容积为15L的厌氧发酵罐，设置厌氧发酵罐中 物料温度为53±2℃，将含固率为20%、有机质含量55%脱水污泥(pH值为7.8)与含固率 14%、有机质含量为73%的木薯酒糟(pH值为4.0)按照质量比1：1共计375g(占厌氧发酵 罐接种污泥质量的3.8%)，含固率为17%的混合物料(pH值为7.3)每天加入有效容积为15L 的厌氧发酵罐中;
直至厌氧发酵罐中发酵物料为10L时，提高每日投加至发酵罐中混合物料为500g，添加 量为厌氧发酵罐中接种污泥质量的5%，相应排出相同质量的发酵结束物料，同时开启搅拌装 置，转速30r/min，搅拌电机的时间继电器设置为开5min/停5min，厌氧发酵罐中物料的氧化 还原电位为-530v;
(2)驯化菌种
保持步骤(1)的温度和搅拌条件，每天监测产气量和产气成分变化，监测混合物料的产 沼气量和沼气成分，当沼气中甲烷体积含量在49%时，表明适应混合发酵物料的使来自厌氧 发酵污泥的甲烷菌驯化成功;
(3)厌氧反应器的运行
逐渐提高每日投加至厌氧发酵罐中的污泥和木薯酒糟的混合物共计2000g，混合发酵物 料的量为厌氧发酵罐中已有物料质量分数的1/5，产气成分中的甲烷含量由最初的49%上升至 62%，产气率为1.1L/gVS·d。
上述的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，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范 围之内。
