CN105174668A - 污泥热碱预处理、分离和液态发酵提高有机酸产率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种污泥处理方法，所述方法包括以下步骤：对污泥进行热碱预处理以使所述污泥中的固态碳源溶于液相中；以及，对热碱预处理后的污泥进行固液分离，获得上清液。本发明还提供利用污泥生产脂肪酸的方法，所述方法包括以通过本发明的上述方法获得的上清液作为底物在厌氧反应器中进行厌氧发酵产脂肪酸。
Description
技术领域：
本发明属于有机固体废弃物资源化领域，具体地，涉及一种污泥热碱预处理液态发酵提高有机酸产率的方法，其适用于将生物质转化为挥发性脂肪酸。
背景技术：
城市剩余污泥厌氧发酵作为一种污泥资源化利用的途径，已在许多污水厂中得到应用。污泥厌氧发酵产物种类较多，现有应用的技术主要有发酵产沼气和厌氧产酸技术，而产沼气技术运行周期长，产率偏低，底物转化率较低，在经济上不合算。挥发性脂肪酸作为厌氧发酵的中间产物，可以作为污水厂的外加碳源强化脱氮除磷工艺，也可以作为其他工业产品的原料，有较好的经济效益。
但是，污水厂脱水污泥含固率过高，未经稀释发酵会因粘度过大而难以搅拌并导致反应罐堵塞等从而中断发酵，因此，高浓度污泥厌氧发酵一直难以实现大规模生产。而且我国现有污泥厌氧消化技术多采用序批发酵的方式，发酵时污泥的含固率较低，因此反应器体积庞大，运行时间长，产物的产量偏低。基于以上两点，城市剩余污泥厌氧发酵技术受到极大制约。相对于固态发酵，液态发酵可以处理有机浓度较高的污水，运行期间搅拌强度低，能耗小，底物不易造成局部累积而抑制后续发酵，并且有利于反应器的连续运行，提高产酸效率，这对提高污泥浓度的厌氧发酵效率有着重要意义。
污泥含固率较高，属于非牛顿型流体，并不适用于处理液体的厌氧反应器，因此，将污泥固态发酵转化为液态发酵，对提高污泥厌氧消化速率、提高有机负荷有重要意义。污泥预处理技术是一种广泛研究的问题，现有技术主要包括热处理、超声波处理、酸碱处理等，可以将污泥中的有机物大部分溶解到液相中，实现污泥处理由固体发酵向液态发酵的转化，增大微生物可利用的有机物量，加快底物的水解速率。
本发明将高固体含量污泥固态发酵转化为液态发酵，系统地解决了高固体污泥在厌氧发酵过程中搅拌困难、运行时间长等问题；实现高效率产挥发性脂肪酸，且发酵过程中不需进行搅拌，操作方便，具有能耗低、产量高、发酵周期短、生产强度大等优点。
发明内容
本方法提供一种高效率连续生产挥发性脂肪酸的方法，所述方法通过将热碱预处理污泥固液分离，利用分离后的上清液加入到上流式污泥厌氧反应器中发酵，提高产挥发性脂肪酸的效率，为高固体污泥厌氧发酵提供一种新的、更高速的资源持续利用的方法。
为了解决传统污泥固态发酵产酸所存在的问题，本发明的技术方案是：
一种基于分离污泥水解液和液态发酵提高有机酸产率的方法，包括将一定浓度的城市剩余污泥首先经过强化液化处理，将固相中的有机物尽量溶于液相中，然后进行污泥固液分离，将液化处理分离液进行发酵，产生以挥发性脂肪酸为主的产物，具体包括以下步骤：
(1)污泥液化处理与固液分离：将含固率为5～20％的城市剩余污泥进行液化处理(热碱预处理pH为10～12，温度为90～105℃，预处理时间为18～24h)，使液态中SCOD(溶解性化学需氧量)溶解率达70％以上。污泥经过液化处理后，上清液为所需的发酵底物，液化处理和固液分离后，上清液SS(悬浮性固体)低于10g/L。
(2)厌氧发酵：添加已驯化好的颗粒污泥至高速厌氧反应器，之后加入富含有机底物的液化处理分离液，控制反应器pH为7-11，发酵液中含有以挥发性脂肪酸为主的目标产物。
本发明的有益效果：利用有机固体废弃物做原料，并通过液化处理促进固体中的有机物溶于液体中，污泥沉降后分离出液化处理上清液，污泥液化处理液加入到接种驯化颗粒污泥的厌氧反应器中厌氧发酵，获得高附加值的产品挥发性脂肪酸。优点如下：
第一，实现从难处理固体废物中回收高附加值产品，实现了有机固体废弃物资源化利用；
第二，促进固体废弃物中的有机质，特别是难降解有机质大量溶出的同时，便于污泥的脱水，大幅度增加了挥发性脂肪酸的产量，产率最高可达0.275g挥发性脂肪酸(VFA)/g挥发性固体(VS)；
第三，采用液化发酵的方法，缩短了污泥发酵产酸的运行周期，提高了生产效率，同一周期内，挥发性脂肪酸日产量平均为序批式发酵的2～3倍；
第四，发酵液SS含量较低，不需要进行污泥压滤脱水，便于后续相关处理及产物提纯，同时降低了后续处理的能耗；
第五，发酵过程中设备不需要搅拌，运行能耗低，操作简单，便于日常维护。
具体地，本发明提供以下各项：
1.污泥处理方法，所述方法包括以下步骤：对污泥进行热碱预处理以使所述污泥中的固态碳源溶于液相中；以及，对热碱预处理后的污泥进行固液分离，获得上清液。
2.第1项的方法，其中所述污泥是含固率达5-20％的污泥。
3.第1项的方法，其中所述污泥是取自城市污水厂的二沉池或沉淀池的剩余污泥。
4.第1项的方法，其中所述热碱预处理的条件为pH＝10～12，温度＝90～105℃，处理时间＝18～24小时。
5.第1项的方法，其中所述热碱预处理使得所述污泥的液相中溶解性化学需氧量(SCOD)溶解率达70％以上。
6.第1项的方法，其中所述固液分离通过静置沉降进行。
7.第1项的方法，其中经过所述固液分离获得的上清液中的悬浮性固体(SS)低于10g/L。
8.利用污泥生产脂肪酸的方法，所述方法包括以通过第1-7项的方法获得的上清液作为底物在厌氧反应器中进行厌氧发酵产脂肪酸。
9.第8项的方法，其中所述厌氧发酵为连续发酵。
10.第8项的方法，其中所述厌氧反应器是上流式厌氧反应器。
附图说明：
图1：液化处理前后及不同时间内污泥溶出率变化。
图2：液化处理前后及不同时间污泥脱水情况变化。
图3：未预处理污泥序批发酵、液化处理污泥序批发酵、液化处理后液化污泥连续发酵的挥发性脂肪酸(VFA)产率日变化。
具体实施方法
以下结合附图和实例进一步描述本发明，但本发明不限于以下附图和具体的实施例。
适用于本发明方法的剩余污泥取自城市污水厂的二沉池或沉淀池，污泥中主要物质为蛋白质、多糖和有机酸等有机物，约占污泥总质量的50％以上。
适用于本发明的厌氧发酵种泥可以取自污水厂的二沉池或厌氧发酵池，对污泥的来源没有特别限制。在污泥的厌氧发酵中添加驯化的种泥属于本领域中的常规技术。另外，种泥的驯化方法也属于污泥厌氧发酵产酸这一领域的常用技术，与前人所述方法相同。
实施例1
用去离子水调节城市剩余污泥(无锡硕放污水厂，江苏)的TS(总固体浓度)至65g/L，并用NaOH溶液调节其pH为11，密封，置于90～105℃条件下缓慢搅拌2h，之后同温度静置22h。另外，将同浓度污泥的pH调至11，密封，置于90～105℃条件下缓慢搅拌2h，之后室温静置22h。将通过以上两种不同方式处理的污泥样品进行比较，污泥有机物溶出率和污泥脱水情况比较见图1和图2。相较于热碱液化处理2h后冷却静置，热碱液化处理24h底物溶出率增大5.5％，毛细吸水时间减少54％，粘度降低95％，沉降分离的上清液SS为7.9g/L。
实施例2
取浓度为65gTS/L的城市剩余污泥，进行液化处理(pH10～12，90～105℃，18～24h)并且在液化后静置分离上清液，之后接种20体积％的驯化后种泥。种泥取自无锡某柠檬酸厂污水处理UASB反应器的常规厌氧颗粒污泥，在5L的UASB反应器中用以葡萄糖为底物的人工模拟废水进行为期2周的驯化后即可使用。将接种种泥后的污泥分别进行序批发酵和连续式发酵，序批发酵为一次性投加底物，运行期间不排入排出底物，而连续发酵为反应器运行期间每日连续排入和排出底物。同时，取未进行上述液化处理的同浓度的剩余污泥进行序批发酵，作为对照。发酵期间，反应器内温度控制在35±2℃，pH控制在9～10，未液化处理污泥序批发酵和液化处理后污泥序批发酵采用摇床发酵，转速为120rpm。液化处理后分离的上清液连续发酵采用有效容积为5.0L的UASB反应器(上海普渡有限公司)，有机负荷为10kgCOD/m3/d。反应进行12天内的VFA变化如图3所示。结果显示，对于进行连续发酵的液化处理污泥，VFA产率平均可达2.78g/L/d，最高可达3.78g/L/d，相较于其他两种发酵，产率提高了2.8倍。
Claims (10)
1.污泥处理方法，所述方法包括以下步骤：对污泥进行热碱预处理以使所述污泥中的固态碳源溶于液相中；以及，对热碱预处理后的污泥进行固液分离，获得上清液。
2.权利要求1的方法，其中所述污泥是含固率达5-20％的污泥。
3.权利要求1的方法，其中所述污泥是取自城市污水厂的二沉池或沉淀池的剩余污泥。
4.权利要求1的方法，其中所述热碱预处理的条件为pH＝10～12，温度＝90～105℃，处理时间＝18～24小时。
5.权利要求1的方法，其中所述热碱预处理使得所述污泥的液相中溶解性化学需氧量(SCOD)溶解率达70％以上。
6.权利要求1的方法，其中所述固液分离通过静置沉降进行。
7.权利要求1的方法，其中经过所述固液分离获得的上清液中的悬浮性固体(SS)低于10g/L。
8.利用污泥生产脂肪酸的方法，所述方法包括以通过权利要求1-7的方法获得的上清液作为底物在厌氧反应器中进行厌氧发酵产脂肪酸。
9.权利要求8的方法，其中所述厌氧发酵为连续发酵。
10.权利要求8的方法，其中所述厌氧反应器是上流式厌氧反应器。
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