申请日2018.01.30
公开(公告)日2018.07.31
IPC分类号C02F11/04
摘要
本发明提供了一种污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其包括如下步骤：将原泥在厌氧条件下快速加热至35℃后，接种中温厌氧消化种泥，混匀;加入生物促进剂和缓冲剂的组合药剂，一步式升温至55℃，持续搅拌后，完成污泥高温厌氧消化反应的启动。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：1、本发明能够大幅缩短污泥高温厌氧消化一步式升温启动培养周期，显著提高启动效率并使之高效运行，相比传统方式启动周期可缩短30天以上;2、本发明工艺简单、投资成本低、条件不苛刻，对于促进污泥高温厌氧消化技术的推广应用具有一定实践意义。
权利要求书
1.一种污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
将原泥在厌氧条件下以3～5℃/min的升温速率加热至35℃后，接种中温厌氧消化种泥，混匀;
加入含有生物促进剂和缓冲剂的组合药剂，一步式升温至55℃，持续搅拌后，完成污泥高温厌氧消化反应的启动。
2.如权利要求1所述的污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其特征在于，所述原泥为市政污泥。
3.如权利要求1所述的污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其特征在于，所述中温厌氧消化种泥来自于中温厌氧反应器，活菌数目大于108个/mL，含固率为20～40g/L，接种量为原泥体积的8～20%。
4.如权利要求1所述的污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其特征在于，所述生物促进剂的投加量为每升原泥投加1～20g。
5.如权利要求1所述的污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其特征在于，所述生物促进剂为铁粉，所述铁粉的粒径为0.015～0.425mm。
6.如权利要求1所述的污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其特征在于，所述缓冲剂的投加量为每升原泥投加600～1800mg。
7.如权利要求1或6所述的污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其特征在于，所述缓冲剂为碳酸氢钠。
8.如权利要求1所述的污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其特征在于，所述组合药剂中还含有生物载体，所述生物载体包括聚氨酯树脂类载体。
9.如权利要求8所述的污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其特征在于，所述生物载体的填充率为5～20%。
说明书
污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法
技术领域
本发明属于固体废弃物处理技术领域，涉及一种促进污泥高温厌氧消化一步式升温启动的方法。
背景技术
随着经济社会的发展和人口的增长，我国城镇污水处理量不断增长。住建部数据显示，截至2016年9月底，日均污水处理量达到1.70亿立方米;作为污水生物处理的副产物，污泥产生量也日益增加，如何有效处理与处置巨量污泥成为环境治理中面临的难题。目前污泥处理主要包括好氧、厌氧等生物处理法及物理和化学处理法，污泥厌氧消化得益于在实现污泥稳定化及减量化的同时，还能够产生生物质能源甲烷和氢气，获得广泛研究和应用。
厌氧消化反应由复杂的微生物菌群协作完成，包括水解酸化菌群、产氢产乙酸菌群及产甲烷菌群。其活性受多种环境因素影响，消化温度作为重要影响因子之一，还将影响微生物菌群结构。由于两种产甲烷菌群的存在，厌氧消化主要采用中温消化(35℃左右)和高温消化(55℃左右)。相比中温消化，尽管高温消化需要更高能耗，但对应生物质能源产出更多且灭菌效果更佳[De la Rubia M A,Riau V,Raposo F,et al.Thermophilicanaerobic digestion of sewage sludge:focus on the influence of the start-up.Areview[J].Critical reviews in biotechnology,2013,33(4):448-460]。工程实践中，由于缺乏大量高温消化种泥，需要对中温消化种泥进行驯化，实现污泥高温厌氧消化的启动。
现阶段污泥高温厌氧消化快速启动主要包括一步式升温启动和逐步升温式启动，在提高温度培养过程中，建立高温消化菌群结构体系。培养温度的转变，为污泥体系中自身菌群结构调整带来选择压力，温度变化幅度越大，对应选择压力越强烈，因而一步式升温启动常会破坏污泥自身体系菌群代谢平衡，导致体系内出现挥发性脂肪酸及氢气累积，甚至造成系统崩溃[Tian Z,Zhang Y,Li Y,et al.Rapid establishment of thermophilicanaerobic microbial community during the one-step startup of thermophilicanaerobic digestion from a mesophilic digester[J].Water research,2015,69:9-19]。为了减轻温度转变对体系冲击，污泥高温厌氧消化常采用逐步升温式启动，但这种方式耗时长，通常在两个月以上，导致处理效率不高。
发明内容
本发明针对上述污泥高温厌氧消化启动过程存在的不足，提供一种能够有效缩短启动周期的组合药剂。组合药剂利用适当粒径大小铁粉能够促进污泥颗粒化及产甲烷菌Methanosarcina成为优势菌群的优势，实现微生物菌群代谢平衡，同时通过NaHCO3维持体系缓冲性能，通过生物载体为微生物提供附着基，实现嗜高温产甲烷菌群的快速生长繁殖。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种污泥高温厌氧消化反应的一步式升温启动方法，其包括如下步骤：
将原泥在厌氧条件下以3～5℃/min的升温速率加热至35℃后，接种中温厌氧消化种泥，混匀;
加入含有生物促进剂和缓冲剂的组合药剂，一步式升温至55℃，持续搅拌后，完成污泥高温厌氧消化反应的启动。
作为优选方案，所述原泥为市政污泥。
作为优选方案，所述中温厌氧消化种泥来自于中温厌氧反应器，活菌数目大于108个/mL，含固率为20～40g/L，优选为30g/L，接种量为原泥体积的8～20%，优选为12.5%。
作为优选方案，所述生物促进剂的投加量为每升原泥投加1～20g，优选为10g/L。
作为优选方案，所述生物促进剂为铁粉，所述铁粉的粒径为0.015～0.425mm，优选为0.15mm。
作为优选方案，所述缓冲剂的投加量为每升原泥投加600～1800mg，优选为1200mg。
作为优选方案，所述组合药剂中还含有生物载体，所述生物载体包括聚氨酯树脂类载体。
作为优选方案，所述生物载体的填充率为5～20%，该填充率是以混合泥体积为基准的，混合泥是指原泥、中温厌氧消化种泥、生物促进剂和缓冲剂的混合物。
本发明的技术原理如下：
实现污泥高温厌氧消化一步式升温启动的关键在于成功建立嗜高温产酸菌群与高温产甲烷菌群之间的代谢平衡。尽管相对丰度较低，但高温厌氧消化菌群依然存在于中温消化体系中，并不会因为长期培养而丢失，这也是一步式升温启动的理论基础。但相比于细菌菌群，产甲烷古菌菌群生长周期长、多样性变异平缓且对环境温度变化敏感，导致其转变成体系内优势菌群困难，易在启动过程中出现酸抑制现象。本发明提出由铁粉、NaHCO3和生物载体构成的组合药剂，利用适当粒径大小铁粉能够促进污泥颗粒化及产甲烷菌Methanosarcina成为优势菌群的优势，实现微生物菌群代谢平衡，同时通过NaHCO3维持体系缓冲性能，避免出现酸累积现象，通过生物载体为微生物提供附着基，促进高温产甲烷菌群的快速生长繁殖，实现嗜高温产酸菌群与产甲烷菌群的代谢平衡。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够大幅缩短污泥高温厌氧消化一步式升温启动培养周期，显著提高启动效率并使之高效运行，相比传统方式启动周期可缩短30天以上;
2、本发明工艺简单、投资成本低、条件不苛刻，对于促进污泥高温厌氧消化技术的推广应用具有一定实践意义。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
将原泥含固率调至20g/L，随后转移至厌氧反应器并预加热至35℃，接种8%(体积比)的含固率为20g/L的中温厌氧消化种泥，混合均匀。向混合泥中添加适量的生物促进剂和缓冲剂组和药剂，具体包括：粒径大小为0.015mm的铁粉1g/L;600mg/LNaHCO3;填充率为5%的生物载体。混合均匀后密封厌氧反应器，使体系保持厌氧状态。采用一步式升温启动方式将体系温度升至高温55℃并维持温度相对稳定。经过32天消化后，体系产沼气稳定且酸浓度维持较低水平，高温厌氧消化启动过程完成。
实施例2
将原泥含固率调至35g/L，随后转移至厌氧反应器并预加热至35℃，接种10%(体积比)的含固率为30g/L的中温厌氧消化种泥，混合均匀。向混合泥中添加适量的生物促进剂和缓冲剂组和药剂，具体包括：粒径大小为0.045mm的铁粉5g/L;1000mg/LNaHCO3;填充率为5%的生物载体。混合均匀后密封厌氧反应器，使体系保持厌氧状态。采用一步式升温启动方式将体系温度升至高温55℃并维持温度相对稳定。经过28天消化后，体系产沼气稳定且酸浓度维持较低水平，高温厌氧消化启动过程完成。
实施例3
将原泥含固率调至35g/L，随后转移至厌氧反应器并预加热至35℃，接种12.5%(体积比)的含固率为30g/L的中温厌氧消化种泥，混合均匀。向混合泥中添加适量的生物促进剂和缓冲剂组和药剂，具体包括：粒径大小为0.15mm的铁粉10g/L;1200mg/L NaHCO3;填充率为10%的生物载体。混合均匀后密封厌氧反应器，使体系保持厌氧状态。采用一步式升温启动方式将体系温度升至高温55℃并维持温度相对稳定。经过21天消化后，体系产沼气稳定且酸浓度维持较低水平，高温厌氧消化启动过程完成。
实施例4
将原泥含固率调至40g/L，随后转移至厌氧反应器并预加热至35℃，接种15%(体积比)的含固率为40g/L的中温厌氧消化种泥，混合均匀。向混合泥中添加适量的生物促进剂和缓冲剂组和药剂，具体包括：粒径大小为0.25mm的铁粉15g/L;1500mg/L NaHCO3;填充率为15%的生物载体。混合均匀后密封厌氧反应器，使体系保持厌氧状态。采用一步式升温启动方式将体系温度升至高温55℃并维持温度相对稳定。经过27天消化后，体系产沼气稳定且酸浓度维持较低水平，高温厌氧消化启动过程完成。
实施例5
将原泥含固率调至50g/L，随后转移至厌氧反应器并预加热至35℃，接种20%(体积比)的含固率为40g/L的中温厌氧消化种泥，混合均匀。向混合泥中添加适量的生物促进剂和缓冲剂组和药剂，具体包括：粒径大小为0.425mm的铁粉20g/L;1800mg/L NaHCO3;填充率为20%的生物载体。混合均匀后密封厌氧反应器，使体系保持厌氧状态。采用一步式升温启动方式将体系温度升至高温55℃并维持温度相对稳定。经过30天消化后，体系产沼气稳定且酸浓度维持较低水平，高温厌氧消化启动过程完成。
实施例6
将原泥含固率调至40g/L，随后转移至厌氧反应器并预加热至35℃，接种12.5%(体积比)的含固率为20g/L的中温厌氧消化种泥，混合均匀。向混合泥中添加适量的生物促进剂和缓冲剂组和药剂，具体包括：粒径大小为0.15mm的铁粉5g/L;600mg/L NaHCO3;填充率为10%的生物载体。混合均匀后密封厌氧反应器，使体系保持厌氧状态。采用一步式升温启动方式将体系温度升至高温55℃并维持温度相对稳定。经过26天消化后，体系产沼气稳定且酸浓度维持较低水平，高温厌氧消化启动过程完成。
实施例7
将原泥含固率调至20g/L，随后转移至厌氧反应器并预加热至35℃，接种10%(体积比)的含固率为40g/L的中温厌氧消化种泥，混合均匀。向混合泥中添加适量的生物促进剂和缓冲剂组和药剂，具体包括：粒径大小为0.425mm的铁粉10g/L;1200mg/L NaHCO3;填充率为20%的生物载体。混合均匀后密封厌氧反应器，使体系保持厌氧状态。采用一步式升温启动方式将体系温度升至高温55℃并维持温度相对稳定。经过28天消化后，体系产沼气稳定且酸浓度维持较低水平，高温厌氧消化启动过程完成。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
