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CN105776787A - 一种利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法 - Google Patents

一种利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，主要包括秸秆的预处理、剩余污泥预处理、秸秆污泥联合发酵和发酵液中氮磷的去除，通过预处理手段，将秸秆处理为合适的外碳源，用浸泡液剩余污泥预处理，相比于单纯碱液，浸泡液浓度较高，污泥细胞内外存在浓度差，污泥细胞会发生质壁分离，两者同时作用，缩短污泥处理时间，调节秸秆‑污泥发酵体系的碳氮比，强化剩余污泥的水解，促进厌氧发酵产酸效能，提高污泥厌氧发酵工艺的经济可行性，解决剩余污泥因有机物含量不足而产酸效率低的问题。

Description

一种利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法
技术领域
本发明涉及环境保护污泥处理处置技术领域，尤其是涉及一种利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，该方法实现农用废弃物的综合利用和城市剩余污泥的资源化、减量化。
背景技术
剩余污泥的处理处置难度大、费用高——其处理费用占整个污水处理厂运营费的30～60％，给城市污水厂运营带来巨大的负担。常规的处理处置方式已不能满足要求，开发剩余污泥的内碳源，利用污泥作为底物生产附加值更高的酸类、甲烷和氢气等是实现污泥稳定化、资源化和减量化的新途径。
剩余污泥中含有大量有机物，通过水解酸化不仅能实现污泥减量，而且能够产生易生物降解的溶解性有机物及挥发性脂肪酸(VFAs)。挥发性脂肪酸作为生物脱氮除磷碳源回用到污水厂，可以强化对污水中氮磷等营养物的去除，对南方地区低碳源城市污水厂的达标排放和提标改造具有现实意义。厌氧发酵产酸是城市剩余污泥资源化利用的良好途径，但目前许多污水厂剩余污泥的有机物含量较低，不利于厌氧微生物代谢，产酸效率低，限制了污泥厌氧产酸工艺的应用。
另一方面，我国有着丰富的农业生物质资源，因缺乏成熟经济的处置技术，大量的秸秆被闲置或集中焚烧，造成严重的环境污染和资源浪费。秸秆中含有大量的纤维素和半纤维素等可分解碳源，经厌氧微生物作用下发酵降解后，能够产生很多具有高附加值的物质，如甲烷和挥发性脂肪酸等。因此，可将秸秆作为外碳源添加至剩余污泥厌氧发酵过程，调节发酵体系的碳氮比，促进污泥发酵产酸过程中糖类和蛋白质的转化，增加挥发酸的累积量。
发明内容
本发明针对剩余污泥和秸秆资源化利用率不高、剩余污泥单独厌氧发酵产酸效率低下的问题，提出一种利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，实现污泥的减量化和资源化，同时资源化利用农业废弃物—秸秆。
本发明的技术方案为：一种利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，包括以下步骤：
S1、秸秆的预处理
将风干后的秸秆剪成3～10cm条段状，清水洗涤，于60℃下烘干至恒重，而后用粉碎机将其粉碎成粉末状；利用碱法对粉碎后的秸秆进行化学预处理：用浓度为3％的氢氧化钠溶液碱化秸秆，按固液比1：15～20投加碱液，充分混匀后匀速搅拌10-15h，完成秸秆的预处理，处理后的秸秆和碱液备用，处理后的碱液以下统称浸泡液；
S2、剩余污泥的预处理
剩余污泥先过筛去除沙粒等大颗粒杂质，常温下自然沉降30分钟，排出上清液，得到浓缩污泥，利用S1浸泡液对浓缩污泥进行预处理，浸泡液投加量为5～15ml/gVSS污泥，常温下在污泥预处理池内以50～80rmp/min的转速搅拌20-40min，完成剩余污泥的预处理；
S3、秸秆污泥联合发酵
将处理后的秸秆和处理后的剩余污泥按比例置于序批式反应器内碱性联合厌氧发酵，发酵条件如下：发酵体系TSS控制在18～22g/L，秸秆的投加比例为0.15～0.4g/gVSS污泥，调节C/N比介于15～20之间，温度控制在20-25℃，搅拌速度40～60rmp/min，用浓度为3％的NaOH缓冲溶液调节PH值，每6～8小时调节一次pH，维持发酵体系pH值在9.0～10.0，发酵周期为8～9天，获得发酵液；
S4、发酵液中的氮磷去除
采用鸟粪石法回收氮磷：先用碱液调节步骤S3的发酵液pH＝9.3～9.8，然后加入镁盐，镁盐按n(Mg2+)：n(NH4+)：n(PO4 3-)摩尔比为1.2∶1.1∶1的比例投加，搅拌后沉淀回收磷酸铵镁。
本发明所述秸秆采用水稻秸秆。
本发明所述剩余污泥来自污水厂初沉污泥或/和二沉池污泥。
本发明所述浓缩污泥为TSS(总悬浮固体量)为19～22g/L、VSS污泥(挥发性悬浮固体含量)约6～12g/L的浓缩污泥。
本发明所述镁盐采用氯化镁。
本发明步骤S4所述搅拌时间为5～30min，沉淀时间为15-40min。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，主要包括秸秆的预处理、剩余污泥预处理、秸秆污泥联合发酵和发酵液中氮磷的去除，通过预处理手段，将秸秆处理为合适的外碳源，用浸泡液(处理秸秆后的碱液)对剩余污泥预处理，相比于单纯碱液，浸泡液浓度较高，污泥细胞内外存在浓度差，污泥细胞会发生质壁分离，两者同时作用，缩短污泥处理时间，其次，浸泡液富含大量的有机物，经检测，浸泡液里的多糖和蛋白质含量较高，这些有机质在发酵初期能被厌氧微生物利用，可以缩短发酵时间；调节秸秆-污泥发酵体系的碳氮比，强化剩余污泥的水解，促进厌氧发酵产酸效能，提高污泥厌氧发酵工艺的经济可行性，解决剩余污泥因有机物含量不足而产酸效率低的问题；
2、本发明方法秸秆、污泥预处理和发酵均采用NaOH溶液调节，操作方便，无需酸碱中和，并且碱液可以重复利用；
3、本发明方法发酵条件温和，无需额外能源；
4、本发明方法秸秆污泥联合发酵与单独剩余污泥发酵相比，污泥水解速率提高明显，产酸效率大幅度提高，发酵周期可缩短4-5d；
5、本发明方法利用优化后的鸟粪石法回收发酵液中氮磷资源，回收效率达到80％以上，所选用的投加比相对于现有技术更为优化，其综合经济性较佳；
6、本发明方法发酵后剩余污泥减量效果明显，平均污泥减量率大于30％；
7、本发明利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法是针对处理有机质含量低(VSS/TSS比值较低)的南方地区剩余污泥，因此，跟其它方法即针对处理有机质含量高的北方地区剩余污泥有本质的区别，本发明方法能实现低有机负荷下污泥的厌氧发酵产酸，对剩余污泥有机含量要求低，在污泥VSS较低就可以进行厌氧发酵，发酵所用的污泥VSS只有其二分一，只要静沉1h内就可以满足厌氧发酵要求，污泥浓缩时间短，简化了工艺，同时对工艺基建费也大大降低，提高了工艺的实用性。
附图说明
图1为本发明利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法其发酵系统运行期间SCOD和VFAS变化趋势图；
图2为本发明利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法其发酵系统运行过程中污泥减量效果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
一种利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，该方法依托在一套秸秆联合污泥共发酵产酸系统内进行，采用序批式反应器进行连续厌氧产酸，每天的污泥处理量为0.5m3/d，具体步骤如下：
1、秸秆的预处理
秸秆来自厂区附近农田的水稻秸秆，自然风干秸秆，将风干后的秸秆剪成5～7cm条段状，清水洗涤，于60℃下烘干至恒重，而后用粉碎机将其粉碎成粉末状；利用碱法对粉碎后的秸秆进行化学预处理，具体方法是，用浓度为3％的氢氧化钠溶液碱化秸秆，按固液比(即秸秆与氢氧化钠溶液比)1：15～20投加碱液，充分混匀后匀速搅拌12h，完成秸秆的预处理，处理后的秸秆和碱液备用。
碱液可以破坏秸秆细胞壁中木质素与纤维素和半纤维素之间的连接，促进秸秆中半纤维素纤维素的水解，使纤维素与半纤维素更容易被厌氧发酵菌群利用，从而提高后续厌氧发酵过程中秸秆的消化速率，使其在发酵过程中能够释放出较多的糖类物质。
2、剩余污泥的预处理
本发明方法所用剩余污泥来自污水厂初沉污泥和二沉池污泥，污泥先过40目筛去除沙粒等大颗粒杂质，常温下自然沉降30分钟，排出上清液，得到浓缩污泥，污泥经浓缩后，其总悬浮固体量TSS为19～22g/L，其挥发性悬浮固体含量VSS污泥约6～12g/L；为提高污泥内碳源的释放速率，缩短污泥厌氧消化时间，本实施例采用预处理秸秆后的碱液(以下统称浸泡液)处理破坏污泥中微生物细胞壁的半刚性结构，提高胞内有机质的释放及胞外聚合物的剥离，具体如下：利用步骤1浸泡液对浓缩污泥进行预处理，按碱0.15～0.65g/gVSS污泥比例，对应碱液投加量为5～15ml/gVSS污泥，常温下50～80rmp/min转速下在污泥预处理池搅拌30min。
3、秸秆污泥联合发酵
将处理后的秸秆和处理后的剩余污泥按比例置于反应器内，充分混匀后开始碱性联合厌氧发酵，发酵条件如下：发酵体系TSS控制在18～22g/L，秸秆的投加比例为0.2～0.4g/gVSS污泥，调节C/N比介于15～20；温度控制在20-23℃，搅拌速度40～60rmp/min，用浓度为3％的NaOH溶液调节pH，每6～8小时调节一次pH，维持发酵pH值在9.5～10之间，发酵周期为8天，获得发酵液。
4、发酵液中氮磷去除
获得的发酵液中氮磷含量高，影响了发酵液作为碳源的进一步利用，本发明方法采用鸟粪石法回收发酵液中的氮磷，降低发酵液的氮磷负荷避免对后续工艺的干扰，避免污泥中的氮磷资源浪费，具体操作如下：首先用氢氧化钠溶液调节发酵液pH＝9.3～9.8，然后加入镁盐，镁盐采用氯化镁，氯化镁按n(Mg2+)：n(NH4+)：n(PO4 3-)摩尔比为1.2∶1.1∶1的比例投加，搅拌反应后沉淀回收磷酸铵镁，反应时间为5～20min，沉淀时间为20min。本发明对镁盐投加比进行了优化，该投加比相对于现有技术的其它投加比，具有较佳的综合经济性。
采用本发明方法的系统现已连续运行一年多，相比于污泥单独发酵，共发酵促进了污泥的水解，发酵周期缩短4d，SCOD和VFAs等达到峰值时间也缩短4d，系统运行期间，VFAs介于2000～4000mg/L(见图1)，比污泥单独发酵高30～45％；系统运行过程中污泥减量效果明显，平均污泥减量率为37.5％(见图2)；发酵后的发酵液采用鸟粪石法回收氮磷，回收效果良好，氮磷回收率在80～88％。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (6)

1.一种利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、秸秆的预处理
将风干后的秸秆剪成3～10cm条段状，清水洗涤，于60℃下烘干至恒重，而后用粉碎机将其粉碎成粉末状；利用碱法对粉碎后的秸秆进行化学预处理：用浓度为3％的氢氧化钠溶液碱化秸秆，按固液比1：15～20投加碱液，充分混匀后匀速搅拌10-15h，完成秸秆的预处理，处理后的秸秆和碱液备用，处理后的碱液以下统称浸泡液；
S2、剩余污泥的预处理
剩余污泥先过筛去除沙粒等大颗粒杂质，常温下自然沉降30分钟，排出上清液，得到浓缩污泥，利用S1浸泡液对浓缩污泥进行预处理，浸泡液投加量为5～15ml/gVSS污泥，常温下在污泥预处理池内以50～80rmp/min的转速搅拌20-40min，完成剩余污泥的预处理；
S3、秸秆污泥联合发酵
将处理后的秸秆和处理后的剩余污泥按比例置于序批式反应器内碱性联合厌氧发酵，发酵条件如下：发酵体系TSS控制在18～22g/L，秸秆的投加比例为0.15～0.4g/gVSS污泥，调节C/N比介于15～20之间，温度控制在20-25℃，搅拌速度40～60rmp/min，用浓度为3％的NaOH缓冲溶液调节PH值，每6～8小时调节一次pH，维持发酵体系pH值在9.0～10.0，发酵周期为8～9天，获得发酵液；
S4、发酵液中的氮磷去除
采用鸟粪石法回收氮磷：先用碱液调节步骤S3的发酵液pH＝9.3～9.8，然后加入镁盐，镁盐按n(Mg2+)：n(NH4+)：n(PO4 3-)摩尔比为1.2∶1.1∶1的比例投加，搅拌后沉淀回收磷酸铵镁。
2.根据权利要求1所述的利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，其特征在于，所述秸秆采用水稻秸秆。
3.根据权利要求1所述的利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，其特征在于，所述剩余污泥来自污水厂初沉污泥或/和二沉池污泥。
4.根据权利要求1所述的利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，其特征在于，所述浓缩污泥为TSS为19～22g/L、VSS污泥约6～12g/L的浓缩污泥。
5.根据权利要求1所述的利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，其特征在于，所述镁盐采用氯化镁。
6.根据权利要求1所述的利用秸秆强化剩余污泥碱性发酵产酸的方法，其特征在于，步骤S4所述搅拌时间为5～30min，沉淀时间为15-40min。
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