CN114315073A

CN114315073A - 一种厌氧消化反应器的启动方法

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Publication number: CN114315073A
Application number: CN202111533940.3A
Authority: CN
Inventors: 徐富强; 庄烨; 卢凤华; 李丹; 方滨
Original assignee: Fujian Longking Co Ltd.
Current assignee: Fujian Longking Co Ltd.
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-12-15
Also published as: CN114315073B

Abstract

本发明属于厌氧消化技术领域，尤其涉及一种厌氧消化反应器的启动方法。该方法包括以下步骤：a)将未消化的污泥倒入厌氧消化反应器中，密封放置24～48h；b)向厌氧消化反应器内投加生物促进剂和缓冲剂，通氮脱氧后密封，在36～45℃下发酵；所述缓冲剂为氧化镁、氧化钙、碳酸钙和氧化铁中的一种或多种；c)将厌氧消化反应器的温度升至55～60℃，进行搅拌，并定期加入新鲜有机质，直至产气稳定。本发明提供的技术方案无需接种外源菌种，投资成本低，缩短了高温厌氧消化启动时间，快速建立了高温条件下产酸菌和产甲烷菌的代谢平衡，减少了启动过程中丙酸的积累，实现了污泥高温厌氧消化体系产甲烷过程的稳定和高效。

Description

一种厌氧消化反应器的启动方法

技术领域

本发明属于厌氧消化技术领域，尤其涉及一种厌氧消化反应器的启动方法。

背景技术

目前，污泥资源化技术主要包括好氧和厌氧等生物处理方法，其中厌氧消化在污泥减量的同时还能回收生物质能源，是实现污泥稳定化过程的常用方法。

国内利用剩余污泥产沼气已有工程化应用，但污水处理厂建有厌氧消化系统的较少，甚至出现部分污水处理厂建成未运行或停运的现象，主要原因还是污泥厌氧消化工艺操作复杂，启动期过长。实际工程启动污泥高温厌氧消化，由于缺乏高温消化种泥，往往需要接种中温污泥进行高温驯化，但在中温向高温环境的转化过程中，细菌的大量死亡和水解酸化速率的提高使挥发酸浓度在短时间内迅速升高，同时因启动初期产甲烷速率低，极易导致挥发酸积累。厌氧消化系统中，乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等挥发酸积累到一定浓度均对产甲烷过程有抑制作用，其中，丙酸作为厌氧生物处理过程的重要中间产物且最难降解而受到重点关注。有研究表明，当丙酸超过1800mg/L后系统产气开始出现明显下降，达到4000mg/L后，产甲烷过程停止并造成系统崩溃。

目前，解决丙酸问题的方法集中在系统已出现酸积累后投加丙酸氧化细菌或复合微生物菌剂，以促进丙酸降解并恢复代谢平衡，此法存在的主要问题包括外源菌种对厌氧系统中复杂环境条件的适应性有待考察，破坏系统生态平衡影响菌群结构，提高了投资成本等。因此，在高温厌氧消化系统启动过程中，通过简单有效的方法提高丙酸氧化菌的活性，减少系统丙酸积累，能促进污泥高温厌氧消化的实际应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种厌氧消化反应器的启动方法，该方法可以快速启动污泥高温厌氧消化并减少丙酸积累，且无需接种外源菌种。

本发明提供了一种厌氧消化反应器的启动方法，包括以下步骤：

a)将未消化的污泥倒入厌氧消化反应器中，密封放置24～48h；

b)向所述厌氧消化反应器内投加生物促进剂和缓冲剂，通氮脱氧后密封，在36～45℃下发酵；

所述缓冲剂为氧化镁、氧化钙、碳酸钙和氧化铁中的一种或多种；

c)将所述厌氧消化反应器的温度升至55～60℃，进行搅拌，并定期加入新鲜有机质，直至产气稳定。

优选的，步骤a)中，所述污泥的含水率为80～85％；所述污泥的干物质中的有机质含量≥40wt％。

优选的，步骤a)中，所述密封放置的温度为20～30℃。

优选的，步骤b)中，所述生物促进剂的成分包括FeS、CaCl₂、MgCl₂、 FeCl₃、KCl、H₃BO₃、Na₂HPO₄、Na₂CO₃、NiCl₂、CoCl₂、Na₂MoO₄、CuSO₄、抗坏血酸和谷氨酸钠。

优选的，步骤b)中，所述厌氧消化反应器内每公斤污泥有机质对应的生物促进剂投加量包括：0.25～1.5g FeS，0.2～1.8g CaCl₂，0.3～1.2g MgCl₂，0.2～0.5g FeCl₃，1～1.2g KCl，0.1～0.2g H₃BO₃，1.2～4.8g Na₂HPO₄，1.5～3.2g Na₂CO₃， 0.1～0.2g NiCl₂，0.1～0.2g CoCl₂，0.05～0.15g Na₂MoO₄，0.05～0.15g CuSO₄， 0.2～0.5g抗坏血酸，1.1～1.7g谷氨酸钠。

优选的，步骤b)中，所述缓冲剂的投加量为0.03～0.2kg/吨污泥。

优选的，步骤b)中，在所述发酵的过程中对厌氧消化反应器内的甲烷含量进行监测，以甲烷含量到达峰值后持续下降为发酵终点。

优选的，所述甲烷含量的峰值为65～75％；所述发酵的时间为15～21d。

优选的，步骤c)中，所述搅拌的转速为1～8rpm。

优选的，步骤c)中，所述新鲜有机质包括新鲜厨余垃圾、新鲜菜场垃圾、新鲜畜禽粪便和新鲜农作物秸秆中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明提供了一种厌氧消化反应器的启动方法。本发明提供的启动方法包括以下步骤：a)将未消化的污泥倒入厌氧消化反应器中，密封放置24～48h；b)向所述厌氧消化反应器内投加生物促进剂和缓冲剂，通氮脱氧后密封，在36～45℃下发酵；所述缓冲剂为氧化镁、氧化钙、碳酸钙和氧化铁中的一种或多种；c)将所述厌氧消化反应器的温度升至55～60℃，进行搅拌，并定期加入新鲜有机质，直至产气稳定。本发明提供的技术方案先在微好氧环境下实现污泥的部分水解酸化，为产甲烷菌群提供少量挥发酸底物；再将温度升高到中温，在厌氧环境下通过生物促进剂中的各种矿物元素、稀有元素、氧抑制剂等促进产甲烷菌群的快速富集，建立稳定的中温厌氧消化系统，特别是加入FeS促进了硫酸盐还原菌的富集并提高了厌氧消化体系的氧化还原电位，进一步通过MgO维持厌氧消化体系缓冲性能，同时从多方面保证丙酸氧化菌拥有良好的生长环境，提高相关菌群丰度；种泥有机质基本消耗完时直接升至高温，加入新的有机质，处于缺乏底物状态的中温厌氧消化体系迅速向高温厌氧消化体系转化，丰富的丙酸氧化菌群保证了此过程中丙酸的降解，有效避免了丙酸积累对厌氧消化产气产生不利影响。本发明提供的技术方案接种污泥来源广泛，投资成本低，缩短了高温厌氧消化启动时间，快速建立了高温条件下产酸菌和产甲烷菌的代谢平衡，减少了启动过程中丙酸的积累，实现了污泥高温厌氧消化体系产甲烷过程的稳定和高效，对有机固废的资源化利用和高温厌氧消化技术的推广应用具有良好的实践意义。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

a)将未消化的污泥倒入厌氧消化反应器中，密封放置；

b)向所述厌氧消化反应器内投加生物促进剂和缓冲剂，通氮脱氧后密封发酵；

c)将所述厌氧消化反应器升温，进行搅拌，并定期加入新鲜有机质，直至产气稳定。

在本发明提供的启动方法中，步骤a)中，所述污泥的含水率优选为 80～85％，具体可为80％、80.5％、81％、81.5％、82％、82.6％、83％、83.5％、 84％、84.5％或85％；所述污泥的干物质中的有机质含量≥40wt％，具体可为 40wt％、41wt％、42wt％、43wt％、44wt％、45wt％、46wt％、46.5wt％、47wt％、 48wt％、48.2wt％、49wt％或50wt％；所述污泥的来源优选为污水处理厂的未消化脱水污泥。

在本发明提供的启动方法中，步骤a)中，所述密封放置的温度优选为 20～30℃，具体可为20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃(室温)、26℃、 27℃、28℃、29℃或30℃；所述密封放置的时间为24～48h，具体可为24h、26h、 28h、30h、32h、34h、36h、38h、40h、42h、44h、46h或48h。

在本发明提供的启动方法中，步骤b)中，所述生物促进剂的成分为能促进微生物生长的物质，包括但不限于FeS、CaCl₂、MgCl₂、FeCl₃、KCl、H₃BO₃、 Na₂HPO₄、Na₂CO₃、NiCl₂、CoCl₂、Na₂MoO₄、CuSO₄、抗坏血酸和谷氨酸钠；其中，厌氧消化反应器内每公斤污泥有机质对应的所述FeS的投加量优选为 0.25～1.5g，具体可为0.25g、0.5g、0.75g、1g、1.25g或1.5g；每公斤污泥有机质对应的所述CaCl₂的投加量优选为0.2～1.8g，具体可为0.2g、0.4g、0.6g、0.8g、 1g、1.2g、1.4g、1.6g或1.8g；每公斤污泥有机质对应的所述MgCl₂的投加量优选为0.3～1.2g，具体可为0.3g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g、0.8g、0.9g、1g、1.1g 或1.2g；每公斤污泥有机质对应的所述FeCl₃的投加量优选为0.2～0.5g，具体可为0.2g、0.25g、0.3g、0.35g、0.4g、0.45g或0.5g；每公斤污泥有机质对应的所述KCl的投加量优选为1～1.2g，具体可为1g、1.02g、1.04g、1.06g、1.08g、1.1g、 1.12g、1.14g、1.16g、1.18g或1.2g；每公斤污泥有机质对应的所述H₃BO₃的投加量优选为0.1～0.2g，具体可为0.1g、0.11g、0.12g、0.13g、0.14g、0.15g、0.16g、 0.17g、0.18g、0.19g或0.2g；每公斤污泥有机质对应的所述Na₂HPO₄的投加量优选为1.2～4.8g，具体可为1.2g、1.6g、2g、2.4g、2.8g、3.2g、3.6g、4g、4.4g 或4.8g；每公斤污泥有机质对应的所述Na₂CO₃的投加量优选为1.5～3.2g，具体可为1.5g、1.7g、2g、2.3g、2.5g、2.7g、3g或3.2g；每公斤污泥有机质对应的所述NiCl₂的投加量优选为0.1～0.2g，具体可为0.1g、0.11g、0.12g、0.13g、0.14g、 0.15g、0.16g、0.17g、0.18g、0.19g或0.2g；每公斤污泥有机质对应的所述CoCl₂的投加量优选为0.1～0.2g，具体可为0.1g、0.11g、0.12g、0.13g、0.14g、0.15g、 0.16g、0.17g、0.18g、0.19g或0.2g；每公斤污泥有机质对应的所述Na₂MoO₄的投加量优选为0.05～0.15g，具体可为0.05g、0.06g、0.07g、0.08g、0.09g、0.1g、 0.11g、0.12g、0.13g、0.14g或0.15g；每公斤污泥有机质对应的所述CuSO₄的投加量优选为0.05～0.15g，具体可为0.05g、0.06g、0.07g、0.08g、0.09g、0.1g、 0.11g、0.12g、0.13g、0.14g或0.15g；每公斤污泥有机质对应的所述抗坏血酸的投加量优选为0.2～0.5g，具体可为0.2g、0.25g、0.3g、0.35g、0.4g、0.45g或 0.5g；每公斤污泥有机质对应的所述谷氨酸钠的投加量优选为1.1～1.7g，具体可为1.1g、1.2g、1.3g、1.4g、1.5g、1.6g或1.7g。

在本发明提供的启动方法中，步骤b)中，所述缓冲剂为氧化镁、氧化钙、碳酸钙和氧化铁中的一种或多种，优选为氧化镁；所述缓冲剂的投加量优选为0.03～0.2kg/吨污泥，具体可为0.03kg/吨污泥、0.04kg/吨污泥、0.05kg/吨污泥、 0.06kg/吨污泥、0.07kg/吨污泥、0.08kg/吨污泥、0.09kg/吨污泥、0.1kg/吨污泥、 0.11kg/吨污泥、0.12kg/吨污泥、0.13kg/吨污泥、0.14kg/吨污泥、0.15kg/吨污泥、0.16kg/吨污泥、0.17kg/吨污泥、0.18kg/吨污泥、0.19kg/吨污泥或0.2kg/ 吨污泥。

在本发明提供的启动方法中，步骤b)中，所述生物促进剂和缓冲剂优选均以水溶液的形式投加到厌氧消化反应器内；其中，生物促进剂水溶液的浓度不作特别限定，可将各溶质成分溶解即可；缓冲剂水溶液的浓度优选为 2～5wt％，具体可为2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％或5wt％。

在本发明提供的启动方法中，步骤b)中，所述生物促进剂和缓冲剂投加完毕后，将其与反应器内的污泥混合均匀。

在本发明提供的启动方法中，步骤b)中，所述通氮脱氧后的厌氧消化反应器的氧气含量优选为≤0.5％，具体可为0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、 0.3％、0.35％、0.4％、0.45％或0.5％。

在本发明提供的启动方法中，步骤b)中，所述发酵的方式可以是静态发酵，也可以在低速搅拌下进行；所述发酵的温度为36～45℃，具体可为36℃、 36.5℃、37℃、37.5℃、38℃、38.5℃、39℃、39.5℃、40℃、40.5℃、41℃、 41.5℃、42℃、42.5℃、43℃、43.5℃、44℃、44.5℃或45℃；在所述发酵的过程中优选对厌氧消化反应器内的甲烷含量进行监测，以甲烷含量到达峰值后持续下降为发酵终点；所述甲烷含量的峰值优选为65～75％，具体可为68％、 70.8％；所述发酵的时间优选为15～21d，具体可为15d、16d、17d、18d、19d、 20d或21d。

在本发明提供的启动方法中，步骤c)中，所述升温的终点温度为55～60℃，具体可为55℃、56℃、57℃、58℃、59℃或60℃；所述搅拌的转速优选为1～8rpm，具体可为1rpm、1.5rpm、2rpm、2.5rpm、3rpm、3.5rpm、4rpm、4.2rpm、4.5rpm、 4.7rpm、5rpm、5.5rpm、6rpm、6.5rpm、7rpm、7.5rpm或8rpm。

在本发明提供的启动方法中，步骤c)中，所述新鲜有机质包括但不限于新鲜厨余垃圾、新鲜菜场垃圾、新鲜畜禽粪便和新鲜农作物秸秆中的一种或多种；所述新鲜有机质优选按照1～5kgVS/(m³·d)的有机负荷投加，更优选按照 2.2kgVS/(m³·d)的有机负荷投加，其中VS表示挥发性固体。

在本发明提供的启动方法中，步骤c)中，所述产气稳定是指相邻两天的产甲烷势(每降解1公斤VS的新鲜有机质产生的甲烷体积数)连续3次高于 0.3m³/kgVS_REM，或产气率即投加的每公斤新鲜有机质的甲烷产量达到 80L/(kg·d)以上。在本发明中，产气稳定后，即完成了厌氧消化反应器的启动过程。

本发明提供的技术方案先在微好氧环境下实现污泥的部分水解酸化，为产甲烷菌群提供少量挥发酸底物；再将温度升高到中温，在厌氧环境下通过生物促进剂中的各种矿物元素、稀有元素、氧抑制剂等促进产甲烷菌群的快速富集，建立稳定的中温厌氧消化系统，特别是加入FeS促进了硫酸盐还原菌的富集并提高了厌氧消化体系的氧化还原电位，进一步通过MgO维持厌氧消化体系缓冲性能，同时从多方面保证丙酸氧化菌拥有良好的生长环境，提高相关菌群丰度；种泥有机质基本消耗完时直接升至高温，加入新的有机质，处于缺乏底物状态的中温厌氧消化体系迅速向高温厌氧消化体系转化，丰富的丙酸氧化菌群保证了此过程中丙酸的降解，有效避免了丙酸积累对厌氧消化产气产生不利影响。本发明提供的技术方案接种污泥来源广泛，投资成本低，缩短了高温厌氧消化启动时间，快速建立了高温条件下产酸菌和产甲烷菌的代谢平衡，减少了启动过程中丙酸的积累，实现了污泥高温厌氧消化体系产甲烷过程的稳定和高效，对有机固废的资源化利用和高温厌氧消化技术的推广应用具有良好的实践意义。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

在本发明的下述实施例中，每公斤污泥有机质对应的生物促进剂溶液的溶质成分投加量为：0.75g FeS，1.8g CaCl₂，1.2g MgCl₂，0.5g FeCl₃，1.2g KCl， 0.15g H₃BO₃，4.8g Na₂HPO₄，3.2g Na₂CO₃，0.1g NiCl₂，0.1g CoCl₂，0.15g Na₂MoO₄，0.15g CuSO₄，0.5g抗坏血酸，1.7g谷氨酸钠。

实施例1

一种快速启动污泥高温厌氧消化并减少丙酸积累的方法，按以下步骤完成：

a)将600kg污水处理厂未消化的脱水污泥运回倒入厌氧消化反应器中，经测定，污泥含水率为82.6％，VS/TS为46.5％(VS表示挥发性固体，TS表示总固体，VS/TS即为污泥干物质中的有机质含量)，常温下密封放置36h；

b)按48kg有机质含量向污泥中投加生物促进剂溶液，加入2wt％氧化镁溶液2.4L，混合均匀后通入氮气至氧气含量为0.3％，反应器密封后在36～40℃的温度下静态发酵共21天，第18天甲烷比例最高为68％，随后开始缓慢下降，期间丙酸先升高再下降，结束时浓度为231mg/L，总挥发酸为874mg/L；

c)将厌氧消化反应器的温度直接升至55～60℃，开启搅拌装置，转速为 3rpm，按照2.2kgVS/(m³·d)的有机负荷投加定期加入破碎后的新鲜厨余垃圾，在投料周期内，反应器产气率达到86～104L/(kg·d)，丙酸浓度始终低于300mg/L 且呈下降趋势，即完成厌氧消化反应器的启动。

实施例2

一种快速启动污泥高温厌氧消化并减少丙酸积累的方法，是按以下步骤完成：

a)将1500kg污水处理厂未消化的脱水污泥运回倒入厌氧消化反应器中，经测定，污泥含水率为83.5％，VS/TS为48.2％，常温下密封放置24h；

b)按120kg有机质含量向污泥中投加生物促进剂溶液，加入5wt％氧化镁溶液6L，混合均匀后通入氮气至氧气含量为0.2％，反应器密封后在38～42℃的温度下静态发酵共20天，第18天甲烷比例最高为70.8％，随后开始缓慢下降，期间丙酸先升高再下降，结束时浓度为17mg/L，总挥发酸为406mg/L；

c)将厌氧消化反应器的温度直接升至55～60℃，开启搅拌装置，转速为 4.2rpm，按照2.2kgVS/(m³·d)的有机负荷投加定期加入破碎后的新鲜厨余垃圾，在投料周期内，反应器产气率达到92～116L/(kg·d)，丙酸浓度始终低于100mg/L 且无增长趋势，即完成厌氧消化反应器的启动。

对比例

一种启动污泥高温厌氧消化的方法，是按以下步骤完成：

将1000kg污水处理厂未消化的脱水污泥运回倒入厌氧消化反应器中，污泥含水率为83.2％，VS/TS为45.7％；通入氮气使氧气含量为0.2％后密封反应器，直接升温至55～60℃，开启搅拌装置，转速设为3rpm；通过多点测量显示： 3天后反应器中丙酸升至2500mg/L，30天后丙酸升至4000mg/L；90天后丙酸处于4500～4800mg/L，总挥发酸近10000mg/L；期间投入新鲜厨余垃圾在 1.5kgVS/(m³·d)的有机负荷下运行，103天内产气率为31～65L/(kg·d)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种厌氧消化反应器的启动方法，包括以下步骤：

a)将未消化的污泥倒入厌氧消化反应器中，密封放置24～48h；

2.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，步骤a)中，所述污泥的含水率为80～85％；所述污泥的干物质中的有机质含量≥40wt％。

3.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，步骤a)中，所述密封放置的温度为20～30℃。

4.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，步骤b)中，所述生物促进剂的成分包括FeS、CaCl₂、MgCl₂、FeCl₃、KCl、H₃BO₃、Na₂HPO₄、Na₂CO₃、NiCl₂、CoCl₂、Na₂MoO₄、CuSO₄、抗坏血酸和谷氨酸钠。

5.根据权利要求4所述的启动方法，其特征在于，步骤b)中，所述厌氧消化反应器内每公斤污泥有机质对应的生物促进剂投加量包括：0.25～1.5gFeS，0.2～1.8g CaCl₂，0.3～1.2g MgCl₂，0.2～0.5g FeCl₃，1～1.2g KCl，0.1～0.2gH₃BO₃，1.2～4.8g Na₂HPO₄，1.5～3.2g Na₂CO₃，0.1～0.2g NiCl₂，0.1～0.2g CoCl₂，0.05～0.15g Na₂MoO₄，0.05～0.15gCuSO₄，0.2～0.5g抗坏血酸，1.1～1.7g谷氨酸钠。

6.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，步骤b)中，所述缓冲剂的投加量为0.03～0.2kg/吨污泥。

7.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，步骤b)中，在所述发酵的过程中对厌氧消化反应器内的甲烷含量进行监测，以甲烷含量到达峰值后持续下降为发酵终点。

8.根据权利要求7所述的启动方法，其特征在于，所述甲烷含量的峰值为65～75％；所述发酵的时间为15～21d。

9.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，步骤c)中，所述搅拌的转速为1～8rpm。

10.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，步骤c)中，所述新鲜有机质包括新鲜厨余垃圾、新鲜菜场垃圾、新鲜畜禽粪便和新鲜农作物秸秆中的一种或多种。