申请日2009.06.04
公开(公告)日2009.10.28
IPC分类号C02F11/00; C02F11/04; C02F11/12; C12M1/107
摘要
本发明属于固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种联合预处理提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化的方法。具体步骤为：将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥经过重力沉降浓缩后，送入超声波反应器中进行超声波辐照，并投加NaOH。经超声波和NaOH的共同作用后，送入污泥厌氧消化反应器中进行后续的中温厌氧消化;消化产生的沼气经过气体收集装置进行收集和测定甲烷产量。本发明首次将超声波和NaOH联合用于污泥处理，经处理后污泥液相中的溶解性COD浓度提高了约52倍，产甲烷量提高了40.6%。在很大程度上克服了超声波能耗较高应用受到限制的问题。本发明适用于污水处理厂剩余污泥的处理，针对不同规模的污水处理厂，需在污水处理厂现有的处理设施上做相应改造即可，具有广阔的应用前景。
权利要求书
1、一种联合预处理提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化的方法，具体步骤如下：
将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥经过重力沉降浓缩，浓缩后的污泥送入 超声波发生器进行辐照，同时加入NaOH，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物质溶出，使污泥液相中的溶解性有机物 质含量增加;将超声波和NaOH共同作用后的污泥放入25±2℃摇床中反应24小时，然后 送入厌氧消化反应器中进行后续中温厌氧消化;消化产生的沼气经过气体收集装置收集， 并测定甲烷产量。
2、根据权利要求1所述的联合预处理提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化的方法， 其特征在于：超声波探头应浸没在污泥液面下1cm处。
3、根据权利要求1所述的联合预处理提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化的方法， 其特征在于：所述超声波声能密度为0.2w/ml-2.0w/ml，超声波频率为低频20kHz-25kHz， 超声波辐照时间为3min-30min。
4、根据权利要求1所述的联合预处理提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化的方法， 其特征在于：所述NaOH的加入量与污泥总固体之比为0.02-0.08g/gTS。
5、根据权利要求1所述联合预处理提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化的方法， 其特征在于：所述厌氧消化反应器采用玻璃瓶，加入预处理污泥后通氮气驱除空气，加塞 后置于空气浴摇床混合并控制温度在35±2℃。
说明书
一种联合预处理提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种联合预处理提高污泥破解效果并 强化后续厌氧消化的方法。
背景技术
污水处理过程中产生大量的污泥，其数量约占处理水量的0.3%-0.5%左右(以含水率 97%计)。随着污水处理设施的普及，处理量的增加，处理标准的提高和处理功能的拓展， 污泥的产生量仍将大幅度地增加。预计2010年污泥产量将是2001年的5倍。污泥的处理 投资和运行成本非常巨大，用于污泥处理的费用占污水处理厂运行费用的20%-50%，甚至 高达60%，给污水处理厂带来了沉重的负担。此外，污泥中含有大量的有毒有害物质，例 如寄生虫卵、病原微生物、细菌，还含有大量被污泥吸附未分解的有机物以及重金属离 子等。污泥的处理处置成为困扰污水厂和全社会的重大问题。因此，如何经济有效地处理处 置剩余污泥，减少污泥产量，使污泥快速稳定，以保证污水处理厂的正常运行和处理效果，保 护环境，变害为利，变废为宝是我们面临的一个重要问题。
污泥的厌氧消化技术是污泥处理的重要方法之一，能够有效实现污泥的减量化、无害 化与资源化，在当今许多国家得到了广泛的应用。厌氧消化过程为以下四阶段：水解阶段， 发酵阶段，产乙酸阶段，产甲烷阶段。但由于污泥中的有机物大部分是微生物物质，为细胞 壁所包裹，其中水解阶段是复杂非溶解性聚合物转化为简单溶解性单体和二聚体的过程，对 于含固量高的固体废物的厌氧消化，生物水解是整个过程的限速阶段，这就造成了污泥厌 氧消化的污泥停留时间长(20～30d)、消化池容积大，产气率有待提高。因此，采用物理、 化学及生物等污泥破解技术与厌氧消化技术结合，能有效改变污泥絮体结构并改善污泥颗 粒的溶解性能，提高厌氧消化效率，如超声波、臭氧、热处理、酸碱处理等，但这些污泥 预处理技术大都存在能耗高或者效率低等缺陷，制约了这些技术的推广应用。如果对污泥 预处理技术进行联合，使这些技术之前互相强化，优势互补，产生1+1>2的效果，既能 提高预处理效率，同时降低处理费用，为污泥处理的实际应用开辟新的道路。
通过比较研究发现，超声波破解技术具有无污染，能量密度高，分解速度快等优点， 有在短时间内迅速释放胞内物质的优势，但其促进细胞破碎后固体碎屑的水解作用却不如 NaOH。利用超声波技术与NaOH联合作用，改善污泥的厌氧消化性能，同时可能降低所 需的能耗，将意义十分重大。
发明内容
本发明的目的在于提出一种联合预处理提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化的方 法。
本发明提出的一种联合预处理提高污泥破解效果并强化后续厌氧消化的方法，具体步 骤如下：
将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥经过重力沉降浓缩，浓缩后的污泥送入 超声波发生器进行辐照，同时加入NaOH，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物质溶出，使污泥液相中的溶解性有机物 质含量增加;经超声波和NaOH共同作用后的污泥放入25±2℃摇床中反应24小时;然后 送入厌氧消化反应器中进行后续中温厌氧消化;消化产生的沼气经过气体收集装置收集， 并测定甲烷产量。
本发明中，所述超声波反应器的超声波探头应浸没在污泥液面下1cm处。
本发明中，所述超声波声能密度控制在0.2w/ml-2.0w/ml，超声波频率为低频范围 20kHz-25kHz，超声波辐照时间为3min-30min。
本发明中，所述NaOH的加入量与污泥总固体之比控制在0.02-0.08g/gTS。
本发明中，所述厌氧消化反应器可以采用玻璃瓶，加入预处理污泥后通氮气以驱除空 气，加塞后置于空气浴摇床混合并控制温度在35±2℃。
本发明采用的超声波技术，在液态介质中传播时会产生热效应，机械效应以及空化效 应。机械效应即水力剪切作用与空化作用都能导致污泥的破解。超声波在液体中作用会产 生大量空化气泡，气泡生长、变大并在瞬间破灭会在气泡周围的液体中产生极强的剪切力。 频率低于100KHz时超声波的机械作用是主要的。而空化效应发生的高效频率范围大于 100KHz，该效应的产生主要是由于空化气泡崩裂瞬间产生的高温(5000K)和高压 (100MPa)的极端环境导致空化气泡内化合物的高温热解以及生成高活性的羟基自由基。 通过比较研究发现，超声波破解技术具有无污染，能量密度高，分解速度快等优点，有在 短时间内迅速释放胞内物质的优势，但其促进细胞破碎后固体碎屑的水解作用却不理想。 利用超声波技术与NaOH联合作用，改善污泥的厌氧消化性能，同时可能降低所需的能耗， 将意义十分重大。并且本发明对于不同规模的污水处理厂适应性强，需在污水处理厂现有 的处理设施上做相应改造即可，具有广阔的应用前景。
根据试验结果，通过联合预处理后，污泥液相中的溶解性COD浓度提高了约52倍， 产甲烷量提高了40.6%。本发明的前述和其目的、特征和良好效果通过对实施例的详细说 明会更加明显。
具体实施方式
实施过程中采取的具体技术步骤为：
将城市生活污水处理厂二沉池产生的剩余污泥经过重力沉降浓缩后，送入超声波发生 器，并，选定一定的频率和功率的超声波进行辐照，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物质溶出，使污泥液相中的溶解 性有机物质含量增加，同时加入一定量的NaOH;将超声波和NaOH共同作用后的污泥放 入25±2℃摇床中反应24小时。然后送入厌氧消化反应器中，进行后续中温厌氧消化;消 化产生的沼气经过气体收集装置进行收集和测定甲烷产量。
本发明需要的几个技术参数分别为：超声波频率、超声波声密度、超声波辐照时间、 NaOH投加量以及厌氧消化温度。其中超声波声密度、超声波辐照时间以及NaOH投加量 是本技术的关键参数，过弱的超声波对于污泥细胞壁的破解效果较差，过强的超声波辐照 能耗相对过大，难以实现处理技术的经济化以及推广运用，投加一定量的NaOH，有利于 降低能耗。本发明中超声波为低频率20kHz-25kHz，声能密度控制在0.2w/ml-2.0w/ml，超 声波辐照时间为3min-30min，NaOH的量控制在0.02-0.08g/gTS，厌氧消化温度为中温厌 氧消化。本发明使污泥破解效果提高以及后续污泥厌氧消化效率得到强化，并使污泥的资 源化效果显著增加。由于各地污水水质和所采用的污水处理工艺不同，产生的剩余污泥性 质有所差异，而且不同厂家的超声波发生器参数和性能有所区别，因此在不违背本发明实 质和所附权利要求范围的前提下，可以对本发明的一些参数进行适当调整，以适应具体的 情况。下面结合实施例对发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1：
某地曲阳污水处理厂剩余污泥，经重力沉降后性质如下表所示。
指标 总化学需氧量 (mg/L) 溶解性化学 需氧量(mg/L) 总固体 (g/L) 挥发性固 体(g/L) 悬浮固 体(g/L) 挥发性悬浮 固体(g/L) pH 数值 14251 160 13 8 11 6 6.6
采用20kHz，2.0w/ml的超声波处理20分钟，同时NaOH投加量为0.03g/gTS。放入25 ±2℃摇床中反应24小时，后取200ml联合预处理污泥样送入厌氧消化反应器，置入35 ±2℃摇床中进行中温厌氧消化反应。经处理后污泥中溶解性COD提高到6963.250mg/L， 比未处理污泥增加了约44倍。超声波与NaOH联合预处理后的污泥厌氧消化14天，产甲 烷量与未经处理的污泥厌氧消化22天基本持平。而两种污泥消化22天的条件下，与未经 处理污泥相比产甲烷量298.7ml，比未经处理污泥增加了38.93%。
实施例2：
某地污水处理厂剩余污泥，经重力沉降后性质如下表所示。
指标 总化学需氧量 (mg/L) 溶解性化学 需氧量(mg/L) 总固体 (g/L) 挥发性固 体(g/L) 悬浮固 体(g/L) 挥发性悬浮 固体(g/L) pH 数值 13181 64 15 11 13 8 6.4
采用22kHz，0.2w/ml的超声波处理3分钟，同时NaOH投加量为0.02g/gTS。放入25 ±2℃摇床中反应24小时，后取200ml联合预处理污泥样送入厌氧消化反应器，置入35 ±2℃摇床中进行中温厌氧消化反应。经处理后污泥中溶解性COD提高到990.329mg/L， 比未处理污泥增加了约14倍。超声波与NaOH联合预处理后的污泥厌氧消化14天，产甲 烷量与未经处理的污泥厌氧消化22天基本持平。而两种污泥消化22天的条件下，产甲烷 量302.2ml，比未经处理污泥增加了40.5%。
实施例3：
某地污水处理厂剩余污泥，经重力沉降后性质如下表所示。
指标 总化学需氧量 (mg/L) 溶解性化学 需氧量(mg/L) 总固体 (g/L) 挥发性固 体(g/L) 悬浮固 体(g/L) 挥发性悬浮 固体(g/L) pH 数值 15410 146 14 9 11 7 6.7
采用21kHz，2.0w/ml的超声波处理3分钟，同时NaOH投加量为0.08g/gTS。放入25 ±2℃摇床中反应24小时，后取200ml联合预处理污泥样送入厌氧消化反应器，置入35 ±2℃摇床中进行中温厌氧消化反应。经处理后污泥中溶解性COD提高到7800.00mg/L， 比未处理污泥增加了约52倍。超声波与NaOH联合预处理后的污泥厌氧消化13天，产甲 烷量与未经处理的污泥厌氧消化22天基本持平。而两种污泥消化22天的条件下，产甲烷 量302.24ml，比未经处理污泥增加了40.6%。
