一種利用海娜植物生物質(zhì)與剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種利用海娜植物生物質(zhì)與剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的方法。該方法是將海娜植物生物質(zhì)與剩余污泥混合均勻，得到海娜植物生物質(zhì)粉末的干重百分含量為5﹪～70﹪的混合料；然后將混合料放入發(fā)酵罐或厭氧反應(yīng)器進(jìn)行共發(fā)酵；共發(fā)酵條件如下：控制發(fā)酵溫度為15～55℃，利用磷酸鹽緩沖液、碳酸氫鈉緩沖液或堿性溶液維持發(fā)酵系統(tǒng)pH值為6.0～11.0，氧化還原電位低于-150mV；采用潛流攪拌器，轉(zhuǎn)速設(shè)置為50～300轉(zhuǎn)/分鐘，發(fā)酵時(shí)間為1～30d。剩余污泥無需進(jìn)行堿、熱堿或超聲預(yù)處理，可直接與海娜植物生物質(zhì)混合，通過控制本發(fā)明所述的操作條件，就可高效產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸。
【專利說明】一種利用海娜植物生物質(zhì)與剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)中污水處理廠污泥處理處置領(lǐng)域，具體地說是涉及一種利用海娜植物生物質(zhì)與剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]污水處理廠是實(shí)現(xiàn)污染物減排、控制水體污染、提升區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的重要手段之一。然而，在處理污水過程中會(huì)產(chǎn)生大量剩余污泥，經(jīng)污水廠內(nèi)帶式壓濾機(jī)、離心脫水機(jī)或板框壓濾機(jī)脫水后形成含水率約為80 %的膠凝態(tài)物質(zhì)，具有體積大、易腐敗、惡臭、高物理穩(wěn)定性、有機(jī)物和氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量高等基本特點(diǎn)。因此，必須對(duì)剩余污泥進(jìn)行減量化、穩(wěn)定化和無害化處理，并實(shí)現(xiàn)能量和物質(zhì)的最大化回收。[0003]剩余污泥中含有大量有機(jī)物，其水解發(fā)酵過程不僅能實(shí)現(xiàn)污泥減量，而且能夠產(chǎn)生乙酸、丙酸等揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)。VFAs是進(jìn)行城市污水脫氮除磷和工業(yè)廢水中氧化態(tài)污染物高效去除的重要碳源。我國剩余污泥有機(jī)物含量相對(duì)較低，導(dǎo)致厭氧消化技術(shù)在剩余污泥的處理處置中的應(yīng)用率偏低。
[0004]海娜植物生物質(zhì)成分復(fù)雜，主要成分為天然纖維素，還含有香豆素類、糖類、醌類(指甲花醌)等多種化學(xué)成分，其中指甲花醌的含量可高達(dá)1.5 %。厭氧發(fā)酵條件下，海娜植物生物質(zhì)在水解酶和發(fā)酵菌的作用下可形成糖類、蛋白質(zhì)及H2、VFAs等多種電子供體，同時(shí)可能發(fā)生指甲花醌(游離態(tài))的溶出。指甲花醌是一種高效的氧化還原介體，可加速生物/化學(xué)反應(yīng)過程，對(duì)有機(jī)物的發(fā)酵類型影響深刻，可顯著提高VFAs的產(chǎn)量。因此，海娜植物生物質(zhì)如若同剩余污泥混合進(jìn)行共發(fā)酵，不僅能同步產(chǎn)酸，還能提供指甲花醌，對(duì)剩余污泥的水解發(fā)酵產(chǎn)酸過程同樣可能具有反向調(diào)節(jié)作用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是為克服我國污水處理廠剩余污泥有機(jī)物含量少、產(chǎn)酸水平低的限制因子，提供一種利用海娜植物生物質(zhì)與剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的方法，提升污水處理廠剩余污泥減量化和資源化技術(shù)的應(yīng)用水平。該方法可以達(dá)到剩余污泥和天然植物生物質(zhì)的同步減量化，實(shí)現(xiàn)其資源化利用。
[0006]本發(fā)明方法包括如下步驟:
步驟(1).將海娜植物生物質(zhì)采用粉碎機(jī)粉碎，得到粒徑小于3 mm的海娜植物生物質(zhì)粉末；將海娜植物生物質(zhì)粉末于50~70°C下烘干待用；
步驟(2).剩余污泥經(jīng)濃縮、脫水后待用；
所述的剩余污泥來源于城市污水處理廠、工業(yè)廢水處理廠生化工藝中的一種或多種，當(dāng)為多種混合時(shí)，比例為任意比；
步驟(3).將步驟(1)烘干后的海娜植物生物質(zhì)粉末與步驟(2)濃縮脫水后的剩余污泥混合均勻，得到混合料；其中混合料中海娜植物生物質(zhì)粉末的干重百分含量為5 %~70% ;然后將混合料放入發(fā)酵罐或厭氧反應(yīng)器進(jìn)行共發(fā)酵；所述的共發(fā)酵條件如下:控制發(fā)酵溫度為15~55°C，利用磷酸鹽緩沖液、碳酸氫鈉緩沖液或堿性溶液維持發(fā)酵系統(tǒng)PH值為6.0~11.0，氧化還原電位低于-150 mV ;采用潛流攪拌器，轉(zhuǎn)速設(shè)置為50~300轉(zhuǎn)/分鐘，發(fā)酵時(shí)間為I~30 d。
[0007]作為優(yōu)選，所述的堿性溶液為NaOH溶液、KOH溶液或Ca (OH) 2溶液；
所述的厭氧反應(yīng)器為厭氧序批式反應(yīng)器(ASBR)或厭氧消化池；
所述的厭氧反應(yīng)器采用污泥循環(huán)泵設(shè)置內(nèi)回流，回流比設(shè)為100 %~200 %，保障系統(tǒng)內(nèi)水流素動(dòng)，提聞傳質(zhì)效果；
所述的海娜植物生物質(zhì)為天然海娜植物生物質(zhì)的花、莖、葉、種子中的一種或多種，當(dāng)為多種混合時(shí)，比例為任意比。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:采用天然海娜植物生物質(zhì)作為剩余污泥共發(fā)酵基質(zhì)，通過厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，海娜植物生物質(zhì)除了其本身可以產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)外，其溶出的游離態(tài)指甲花醌或生物質(zhì)表面的附著態(tài)指甲花醌均可顯著提高發(fā)酵產(chǎn)酸量。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于:剩余污泥無需進(jìn)行堿、熱堿或超聲預(yù)處理，可以直接與海娜植物生物質(zhì)混合，通過控制本發(fā)明所述的操作條件，就可高效產(chǎn)生VFAs，與剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)相比，共發(fā)酵系統(tǒng)中VFAs的產(chǎn)生量可提高2.11~3.87倍。本發(fā)明技術(shù)具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，可實(shí)現(xiàn)污水廠剩余污泥及海娜植物生物質(zhì)的同步減量化，并能產(chǎn)生高品質(zhì)的碳源。
【具體實(shí)施方式】
[0009]以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0010]實(shí)施例1
所用的海娜植物生物質(zhì)來源于安徽省某地，選用其葉子組分，粉碎機(jī)粉碎后過20目篩選取篩下物，50°C烘干待用；剩余污泥來源于浙江省杭州市某城市污水處理廠剩余污泥(脫水后)，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)含量為138 g/L。
[0011]在發(fā)酵罐(有效容積3.0 L)中投加84 g海娜植物生物質(zhì)和261 mL剩余污泥，然后用蒸餾水補(bǔ)足3.0 L0此時(shí)，混合液中VSS總量為40 g/L，其中海娜植物生物質(zhì)干重百分含量為70 %。在剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)照組中投加870 mL剩余污泥；在海娜植物生物質(zhì)單一發(fā)酵系統(tǒng)中投加120 g海娜植物生物質(zhì)和20 mL剩余污泥。發(fā)酵罐中控制發(fā)酵溫度恒定為35°C，利用碳酸氫鈉緩沖液維持系統(tǒng)pH為8.0，氧化還原電位控制在-150~-220mV之間；發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)速設(shè)置為150轉(zhuǎn)/分鐘，發(fā)酵時(shí)間設(shè)置為10 d。采用上述方法處理后，在共發(fā)酵系統(tǒng)中，發(fā)酵液中VFAs的產(chǎn)量可高達(dá)28000 mg SCOD L—1，分別為剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)中的3.53倍和海娜植物生物質(zhì)單一發(fā)酵系統(tǒng)中的2.40倍。
[0012]實(shí)施例2
所用的海娜植物生物質(zhì)來源于安徽省某地，選用其莖組分，粉碎機(jī)粉碎后過10目篩選取篩下物，50°C烘干待用；所述剩余污泥來源于浙江省杭州市某城市污水處理廠剩余污泥(脫水后)，VSS含量為138 g/L。
[0013]在發(fā)酵罐(有效容積3.0 L)中投加18g海娜植物生物質(zhì)和522 mL剩余污泥，然后用蒸餾水補(bǔ)足3.0 L0此時(shí)，混合液中VSS總量為30 g/L，其中海娜植物生物質(zhì)干重百分含量為20 %。在剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)照組中投加652 mL剩余污泥；在海娜植物生物質(zhì)單一發(fā)酵系統(tǒng)中投加90 g海娜植物生物質(zhì)和15 mL剩余污泥。發(fā)酵罐中控制發(fā)酵溫度恒定為15°C，利用NaOH溶液維持系統(tǒng)pH為11.0，氧化還原電位控制在-200~-230 mV之間；發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)速設(shè)置為50轉(zhuǎn)/分鐘，發(fā)酵時(shí)間設(shè)置為I d。采用上述方法處理后，在共發(fā)酵系統(tǒng)中，發(fā)酵液中VFAs的產(chǎn)量可高達(dá)8600 mg SCOD L—1，分別為剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)中的3.06倍和海娜植物生物質(zhì)單一發(fā)酵系統(tǒng)中的1.94倍。
[0014]實(shí)施例3
所用的海娜植物生物質(zhì)來源于新疆某地，選用花作為使用組分，粉碎機(jī)粉碎后過50目篩選取篩下，70°C烘干待用；所述剩余污泥為浙江省杭州市某城市污水處理廠剩余脫水污泥和杭州市某淀粉廠污水處理站生化處理工藝剩余污泥的混合物，兩種剩余污泥的體積配比為1:1，VSS含量為86 g/L。
[0015]在發(fā)酵罐(有效容積3.0 L)中投加5.25 g海娜植物生物質(zhì)和2168 mL剩余污泥，然后用蒸餾水補(bǔ)足3.0 L0此時(shí)，混合液中VSS總量為35 g/L，其中海娜植物生物質(zhì)干重百分含量為5 %。在剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)照組中投加1220 mL剩余污泥；在海娜植物生物質(zhì)單一發(fā)酵系統(tǒng)中投 加105 g海娜植物生物質(zhì)和20 mL剩余污泥。發(fā)酵罐中控制發(fā)酵溫度恒定為30°C，利用磷酸鹽緩沖液維持系統(tǒng)pH為6.0，氧化還原電位控制在-250~-280mV之間；發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)速設(shè)置為200轉(zhuǎn)/分鐘，發(fā)酵時(shí)間設(shè)置為30 d。采用上述方法處理后，在共發(fā)酵系統(tǒng)中，發(fā)酵液中VFAs的產(chǎn)量可高達(dá)27800 mg SCOD L—1，分別為剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)中的2.36倍和海娜植物生物質(zhì)單一發(fā)酵系統(tǒng)中的2.11倍。
[0016]實(shí)施例4
所用的海娜植物生物質(zhì)來源于新疆某地，選用其種子作為使用組分，粉碎機(jī)粉碎后過20目篩選取篩下，60°C烘干待用；所述剩余污泥來源于杭州市某淀粉廠污水處理站生化處理工藝剩余污泥，VSS含量為65 g/L。
[0017]在發(fā)酵罐(有效容積3.0 L)中投加60 g海娜植物生物質(zhì)和1385 mL剩余污泥，然后用蒸餾水補(bǔ)足3.0 L0此時(shí)，混合液中VSS總量50 g/L，其中海娜植物生物質(zhì)干重百分含量為40 %。在剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)照組中投加2308 mL剩余污泥；在海娜植物生物質(zhì)單一發(fā)酵系統(tǒng)中投加150 g海娜植物生物質(zhì)和20 mL剩余污泥。發(fā)酵罐中控制發(fā)酵溫度恒定為55°C，利用KOH溶液維持系統(tǒng)pH為8.5，氧化還原電位控制在-210~-240 mV之間；發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)速設(shè)置為300轉(zhuǎn)/分鐘，發(fā)酵時(shí)間設(shè)置為12 d。采用上述方法處理后，在共發(fā)酵系統(tǒng)中，發(fā)酵液中VFAs的產(chǎn)量可高達(dá)32400 mg SCOD L—1，分別為剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)中的4.21倍和海娜植物生物質(zhì)單一發(fā)酵系統(tǒng)中的2.25倍。
[0018]實(shí)施例5
所用的海娜植物生物質(zhì)來源于新疆某地，選用其種子作為使用組分，粉碎機(jī)粉碎后過20目篩選取篩下物，60°C烘干待用；所述剩余污泥來源于杭州市某城市污水處理廠剩余脫水污泥，VSS含量為138 g/L。
[0019]在ASBR反應(yīng)器(有效容積5.0 L)中投加18.75 g海娜植物生物質(zhì)和770 mL剩余污泥，然后用蒸餾水補(bǔ)足5.0 L0此時(shí)，混合液中VSS總量為25 g/L，其中海娜植物生物質(zhì)干重百分含量為15%。在剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)照組中投加906 mL剩余污泥；在海娜植物生物質(zhì)單一發(fā)酵系統(tǒng)中投加121.6 g海娜植物生物質(zhì)和25 mL剩余污泥。發(fā)酵罐中控制發(fā)酵溫度恒定為25°C，利用Ca(OH)2溶液維持系統(tǒng)pH為7.5，氧化還原電位控制在-220~-270 mV之間；發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)速設(shè)置為150轉(zhuǎn)/分鐘，發(fā)酵時(shí)間設(shè)置為15 d。采用上述方法處理后，在共發(fā)酵系統(tǒng)中，發(fā)酵液中VFAs的產(chǎn)量可高達(dá)36800 mg SCOD L—1，分別為剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)中的3.32倍和海娜植物生物質(zhì)單一發(fā)酵系統(tǒng)中的2.45倍。
[0020]實(shí)施例6
所用的海娜植物生物質(zhì)來源于新疆某地，選用其莖作為使用組分，粉碎機(jī)粉碎后過10目篩選取篩下，50°c烘干待用；所述剩余污泥來源于杭州市某城市污水處理廠剩余污泥(脫水)，VSS含量為138 g/L。按海娜植物生物質(zhì)干重百分含量為16.7 %的比例配置海娜植物生物質(zhì)和剩余污泥混合物，并將混合物稀釋至20 g VSS/L后，4°C保存待用；同時(shí)將脫水剩余污泥稀釋至20 g VSS /L后作為對(duì)照組進(jìn)泥。
[0021]采用厭氧消化池(有效容積5.0 L)作為厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，利用碳酸氫鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)稀釋后的混合物(剩余污泥+海娜植物生物質(zhì))和單一剩余污泥的pH值為8.0，設(shè)置其在厭氧消化池中的停留時(shí)間為10 d，即混合物流量控制為500 mL Cf1 ;采用污泥泵設(shè)置厭氧消化池內(nèi)循環(huán)比為150 %。反應(yīng)器在35°C條件下連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)月。期間，發(fā)酵液中檢測(cè)到的VFAs含量可高達(dá)16700 mg SCOD L—1，為剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)中的3.34倍。
[0022]實(shí)施例7
所用的海娜植物生物質(zhì)來源于新疆某地，選用其莖-葉混合物作為使用組分，莖-葉混合物中各成份的質(zhì)量配比均為50 %，粉碎機(jī)粉碎后過10目篩選取篩下，50°C烘干待用；所述剩余污泥來源于杭州市某城市污水處理廠剩余污泥(脫水)，VSS含量為138 g/L。按海娜植物生物質(zhì)干重百分含量為30 %的比例配置海娜植物生物質(zhì)和剩余污泥混合料，并將混合料稀釋至20 g VSS/L后，4°C保存待用；同時(shí)將脫水剩余污泥稀釋至20 g VSS /L后作為對(duì)照組進(jìn)泥。
[0023]采用厭氧消化池(有效容積5.0 L)作為厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，利用碳酸氫鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)稀釋后的混合料(剩余污泥+海娜植物生物質(zhì))和單一剩余污泥的pH值為6.0，設(shè)置其在厭氧消化池中的停留時(shí)間為20 d，即混合料流量控制為250 mL Cf1 ;采用污泥泵設(shè)置厭氧消化池內(nèi)循環(huán)比為100 %。反應(yīng)器在35°C條件下連續(xù)運(yùn)行三個(gè)月。期間，發(fā)酵液中檢測(cè)到的VFAs含量可高達(dá)21800 mg SCOD L—1，為剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)中的3.54倍。
[0024]實(shí)施例8
所用的海娜植物生物質(zhì)來源于新疆某地，選用其莖-花-種子混合物作為使用組分，莖-花-種子混合物中各成份的質(zhì)量配比分別為40 %，40 %和20 %，粉碎機(jī)粉碎后過10目篩選取篩下，50°C烘干待用；所述剩余污泥來源于杭州市某城市污水處理廠剩余污泥(脫水)，VSS含量為138 g/L。按海娜植物生物質(zhì)干重百分含量為50 %的比例配置海娜植物生物質(zhì)和剩余污泥混合料，并將混合料稀釋至20 g VSS/L后，4°C保存待用；同時(shí)將脫水剩余污泥稀釋至20 g VSS /L后作為對(duì)照組進(jìn)泥。
[0025]采用厭氧消化池(有效容積5.0 L)作為厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，利用碳酸氫鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)稀釋后的混合料(剩余污泥+海娜植物生物質(zhì))和單一剩余污泥的pH值為10.0，設(shè)置其在厭氧消化池中的停留時(shí)間為30 d，即混合料流量控制為167 mL Cf1 ;采用污泥泵設(shè)置厭氧消化池內(nèi)循環(huán)比為200 %。反應(yīng)器在25°C條件下連續(xù)運(yùn)行四個(gè)月。期間，發(fā)酵液中檢測(cè)到的VFAs含量可高達(dá)24000 mg SCOD L_\為剩余污泥單一發(fā)酵系統(tǒng)中的3.87倍。
[0026]上述實(shí)施例并非是對(duì)于本發(fā)明的限制，本發(fā)明并非僅限于上述實(shí)施例，只要符合本發(fā)明要求，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種利用海娜植物生物質(zhì)與剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟(1).將海娜植物生物質(zhì)采用粉碎機(jī)粉碎，得到粒徑小于3 mm的海娜植物生物質(zhì)粉末；將海娜植物生物質(zhì)粉末于50~70°C下烘干待用； 所述的海娜植物生物質(zhì)為天然海娜植物生物質(zhì)的花、莖、葉、種子中的一種或多種，當(dāng)為多種混合時(shí)，比例為任意比； 步驟(2).剩余污泥經(jīng)濃縮、脫水后待用； 所述的剩余污泥來源于城市污水處理廠、工業(yè)廢水處理廠生化工藝中的一種或多種，當(dāng)為多種混合時(shí)，比例為任意比； 步驟(3).將步驟(1)烘干后的海娜植物生物質(zhì)粉末與步驟(2)濃縮脫水后的剩余污泥混合均勻，得到混合料；其中混合料中海娜植物生物質(zhì)粉末的干重百分含量為5 %~70% ;然后將混合料放入發(fā)酵罐或厭氧反應(yīng)器進(jìn)行共發(fā)酵； 所述的共發(fā)酵條件如下:控制發(fā)酵溫度為15~55°C，利用磷酸鹽緩沖液、碳酸氫鈉緩沖液或堿性溶液維持發(fā)酵系統(tǒng)PH值為6.0~11.0，氧化還原電位低于-150 mV ;采用潛流攪拌器，轉(zhuǎn)速設(shè)置為50~300轉(zhuǎn)/分鐘，發(fā)酵時(shí)間為I~30 d； 所述的厭氧反應(yīng)器為厭氧序批式反應(yīng)器或厭氧消化池； 所述的厭氧反應(yīng)器采用污泥循環(huán)泵設(shè)置內(nèi)回流，回流比設(shè)為100 %~200 %。
2.如權(quán)利要求1所述的一種利用海娜植物生物質(zhì)與剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的方法，其特征在于堿性溶液為NaOH溶液、KOH溶液或Ca (OH) 2溶液。
【文檔編號(hào)】C12P7/40GK103952446SQ201410147502
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】黃進(jìn)剛, 姚志通, 陳建軍, 韓偉 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)