CN103805503B - 一种强化有机污泥发酵产酸的装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强化有机污泥发酵产酸的装置及其应用，属于环境工程领域。本发明将动态膜分离技术应用到传统污泥厌氧发酵产酸***中，利用动态膜的分离作用，实现了发酵污泥与溶解性产物酸的在线分离。一方面，通过将固体污泥完全截留在反应装置内，延长了其反应时间，提高了污泥转化率；另一方面，将含有产物酸的滤液及时排出，可以缩小反应装置的体积，减少运行成本和投资成本；而且产物酸的及时转移，还可以缓解产物酸对发酵过程的负反馈作用，提高污泥发酵产酸率。本发明技术方案大大优化了现有的有机物污泥厌氧消化***，有利于厌氧消化技术的进一步推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种强化有机污泥发酵产酸的装置及其应用，属于环境工程领域。
背景技术
目前我国绝大部分的城市污水处理厂都采用活性污泥法处理，其处理过程中会产生大量剩余污泥。据环保部统计，截至2012年9月底，我国累计建成城镇污水处理厂3272座，湿污泥(含湿量80％)年产量达3360万吨，至“十二五”期末更将突破4600万吨。剩余污泥的处理处置已成为污水处理厂沉重的负担，如何实现剩余污泥的减量化和资源化成为目前污泥处理处置研究的重点。
污泥发酵产酸为实现城市污泥减量化、资源化利用提供了一条新的思路。将污泥中的廉价有机质生产转化为高附加值生化产品，减少剩余污泥产量；而且，将厌氧消化***的有机物转变为有机酸，而不是温室气体二氧化碳和甲烷，对实现碳减排有着重要的意义。然而，现有的污泥发酵产酸工艺在规模化推广前，还存在一些问题：①由于污泥厌氧发酵产酸反应时间长，导致反应器容积较大，搅拌能耗高、加热保温不方便，以及总体投资成本和运行成本都较高；②较高浓度的产物酸对污泥进一步的发酵产酸过程有抑制作用，很难实现污泥转化率的提高。
发酵产酸膜生物反应器是将膜分离技术应用到传统的发酵罐中，实现发酵底物的完全截留和产酸的选择性透过，与传统发酵过程相比，其优势主要表现在：①大大减少了污泥发酵反应器容积，传统发酵罐中，污泥停留时间(SRT)与水力停留时间(HRT)是相同的，而发酵产酸膜生物反应器将膜作为泥水分离手段，使固相几乎完全被截留，实现了发酵过程中HRT与SRT的分开，有利于减少反应器体积。②可提高底物的产酸率，由于能够及时地将产物酸转移出反应器，减少了负反馈抑制效应；同时，由于底物被截留在反应器内，发酵反应更充分。③可以减少高分子聚合物对发酵产酸的影响，采用膜分离浓缩技术，可以减少(或完全节省)高分子聚合物的使用量。但是，膜污染是限制发酵产酸膜生物反应器大规模推广应用的瓶颈问题。
自生生物动态膜是指在过滤污泥混合物的过程中，微生物及其代谢产物在多孔支撑体(膜基质)表面上，通过循环沉淀所形成的膜分离层。与常规分离膜相比，动态膜具有较多优势，如：①过滤压力小，过滤膜阻力较微滤膜小1个数量级，出水可以采用重力自流出水；②采用大孔径材料来制作动态膜载体，降低了膜组件的造价，且制备过程简便易行；③渗透通量高，比微滤膜的膜通量高1-4倍；④抗污染能力强，清洗方便，无不可逆污染等问题。
综上所述，将自生生物动态膜应用到传统污泥发酵产酸***中，可以大大减少发酵罐体积，提高发酵产酸效率，而且还没有普通分离膜所存在的膜污染、能耗高等问题。
发明内容
本发明的目的是为解决传统污泥发酵罐所存在的体积大、运行和投资成本高，以及产物酸对发酵产酸过程的负反馈抑制效应、底物转化率低等问题；提供的一种高效有机污泥发酵产酸方法及装置。
为此，本发明首先提供了一种强化有机污泥发酵产酸的装置，由主反应容器和自生生物动态膜组件构成；主反应容器为密封结构，原污泥从反应器上部的进料口进入，在搅拌装置的混合作用下，进行厌氧发酵产酸反应，反应器侧面设有取样口，顶部设有水封排气口，产生的溶解性有机酸，在虹吸作用力下，通过自生生物动态膜组件，随发酵液从主反应底部的出水口及时排出，实现重力自流出水，剩余污泥从底部的排泥口排出，自生生物动态膜组件采用管式结构，并固定在转动轴上，转动轴上同时装设叶轮。
所述装置包括密封结构的主反应容器1、自生生物动态膜组件4、进料口2、搅拌装置6、取样口8、水封排气口3、出水口5、排泥口7、转动轴10、叶轮9。主反应容器为密封结构，原污泥从反应器上部的进料口2进入，在搅拌装置6的混合作用下，进行厌氧发酵产酸反应，反应器侧面设有取样口8，顶部设有水封排气口3，产生的溶解性有机酸，在虹吸作用力下，通过自生生物动态膜组件4，随发酵液从出水口5及时排出，实现重力自流出水，剩余污泥从底部的排泥口7排出，自生生物动态膜组件4采用管式结构，并固定在转动轴10上，转动轴10上同时装设叶轮9，转动轴的转动一方面为自生生物动态膜组件4提供表面错流，另一方面起到发酵污泥混匀作用。
本发明还提供了应用所述装置强化有机污泥发酵产酸的方法，是基于自生生物动态膜的特殊性，将其应用到有机污泥的发酵产酸过程，一方面实现对固体物质的截留，将SRT与HRT分开，缩小反应器容积，延长有机污泥的反应时间，减少成本，提高产酸效率；另一方面，通过及时转移溶解在液相中的有机酸，减轻产物对发酵过程的负反馈抑制效应，提高有机污泥转化率。
所述装置的启动过程是先将自生生物动态膜组件取出，将污泥按照序批方式发酵产酸达稳定状态后，再按半连续的运行方式进行发酵污泥产酸，当装置内有机酸浓度再次达到稳定后，装置的启动完成，最后将自生生物动态膜组件放入。
应用所述装置强化有机污泥发酵产酸的工艺运行条件为：
(1)污泥发酵产酸自生动态膜反应器的底物为城市污泥类适合微生物利用的有机固体物质，有机物含量越高、可生物利用性越好，装置的功效表现得越优越；
(2)污泥发酵产酸自生动态膜装置中污泥填充率为70-75％，有效体积为14-15L，污泥停留时间(SRT)为7-15天，反应pH为7-11，温度为25-55℃；
(3)污泥发酵产酸自生动态膜装置的运行环境为严格厌氧，污泥浓度为10-75g TS/L；
(4)污泥发酵产酸自生生物动态膜组件的动态膜基质孔径为100-500目，膜通量为0.5-2.5L/m2/h，出水压差为0-100cm水柱；
(5)污泥发酵产酸自生动态膜反应器运行方式为：恒定液位的条件下连续进泥、连续出水和间歇排泥，转速为50-150转/分钟，出水膜通量为0.5-2.5L/m2/h，进泥速度为90-160mL/h，出水速度为50-80mL/h，排泥量为1-2L/次，排泥频率为每2天1次。
本发明同时提供了针对所述装置中动态膜污染的控制策略：
(1)在正常运行过程中，通过调节转动轴的转动速度，为动态膜膜面提供合适大小的膜面错流(0.6-1.2m/s)，控制膜面滤饼层厚度，以缓解膜污染。
(2)当膜阻力增大到重力出水极限时，停止出水，增加转动轴的旋转速度提供膜面错流(1.2-2.4m/s)，同时在一定的间隔时间内，检测膜阻力的变化情况，直到膜阻力恢复到初始膜阻力的大小，降低转动轴的旋转速度，恢复出水。
所述装置利用污泥发酵产酸的运行效果：(1)对固体污泥的截留效果可以达到99％以上，出水SS含量低于200mg/L；(2)对产物酸无明显截留，且出水中VFAs浓度能够提高40％左右，即污泥发酵产酸效率提高了40％；(3)在较低膜通量和一定膜面错流的情况下，动态膜能够稳定运行30天以上。
本发明的方法具有以下有益效果：(1)污泥发酵产酸自生动态膜装置通过动态膜的分离作用，将污泥完全截留在反应器内，实现了污泥停留时间和水力停留时间的分开，减少了反应器体积，降低了运行成本和投资成本；延长了固体物质的水解、转化时间，提高了底物转化率。(2)污泥发酵产酸自生动态膜装置通过动态膜的选择性通透作用，将产物有机酸及时地排出反应器，减轻其对发酵产酸过程的负反馈效应，提高产酸率。(3)污泥发酵产酸自生动态膜装置采用动态膜，其制作成本低，远低于传统分离膜；且可以重力自流出水，节省运行能耗。
附图说明
图1是强化有机污泥发酵产酸装置的示意图；1：主体，2：进料口，3：水封排气口，4：自生生物动态膜组件，5：出水口，6：搅拌装置，7：排泥口，8：取样口，9：叶轮，10：转动轴，11：底座。
图2是强化有机污泥发酵产酸装置的发酵产酸效果。
图3是强化有机污泥发酵产酸装置出水中悬浮物的变化曲线。
图4是强化有机污泥发酵产酸装置运行期间通量的变化曲线。
具体实施方式
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1强化有机污泥发酵产酸装置的启动
将发明装置(图1)中的自生生物动态膜组件取出，将一定浓度的有机污泥导入到装置内，填充率为70-75％，有效体积为14-15L，污泥浓度调整为10-70g TS/L，pH为7-11；按照5-15％的比例，接入种泥；密闭，按照序批方式，厌氧消化反应，并采用搅拌装置连续搅拌，转速为50-150转/分钟，持续反应8-15天。隔天取装置内污泥进行离心，测定其上清液中的有机酸浓度，当装置内有机酸浓度达到稳定后(见图2中的第一阶段)，装置改为半连续的运行方式，即每天排出1-2L发酵后污泥，导入1-2L新鲜污泥，稳定运行5-15天，当装置内有机酸浓度再次达到稳定后(见图2中的第二阶段)，装置的启动完成。前两阶段没有安放自生生物动态膜组件，采用的是现有工艺，可作为对照。
实施例2强化有机污泥发酵产酸装置的运行及运行参数优化
在启动成功后，将自生生物动态膜组件放入装置内，构成强化有机污泥发酵产酸装置(见图1)，采用连续进泥、连续膜过滤出水和定期排泥的运行方式。并通过每天测量装置内TS、VSS、VFAs、出水SS、膜通量和膜阻力等参数，及时调整排泥量、pH、搅拌速度等运行参数。
运行试验结果表明，通过运行参数的优化，即：污泥浓度为10-70g TS/L，pH为7-11，转速为50-150转/分钟，出水膜通量为0.5-2.5L/m2/h，进泥速度为90-160mL/h，出水速度为50-80mL/h，排泥量为1-2L/次，排泥频率为每2天1次。装置在设计处理量下，动态膜实现了几乎100％的污泥截留率，出水中SS小于0.2g/L(图3)；达到了产物有机酸的及时转移，出水中VFAs浓度达到3.3g/L(图2第三阶段)。而且，装置的稳定运行产酸率(第三阶段)较传统的序批式发酵(第一阶段)提高了32.40％，较常规的连续发酵(第二阶段)提高了230.10％。同时，动态膜能够稳定运行，在低通量条件下，出水中的SS浓度一直保持在0.2g/L以下；且动态膜能够在75min内达到稳定，之后，膜通量没有明显的下降(图4)。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (7)
1.一种强化有机污泥发酵产酸的装置，其特征在于，由主反应容器和自生生物动态膜组件构成，实现对固体物质的截留，并及时转移溶解在液相中的有机酸；原污泥从主反应器的进料口进入，在搅拌装置的混合作用下，进行厌氧发酵产酸反应；主反应器侧面设有取样口，顶部设有水封排气口；产生的溶解性有机酸在虹吸作用力下，通过自生生物动态膜组件随发酵液从主反应容器底部的出水口及时排出，实现重力自流出水；剩余污泥从底部的排泥口排出；所述自生生物动态膜组件采用管式结构，并固定在转动轴上，转动轴上同时装设叶轮。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自生生物动态膜组件的动态膜基质孔径为100-500目，膜通量为0.5-2.5L/m2/h，出水压差为0-100cm水柱。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括密封结构的主反应容器(1)、自生生物动态膜组件(4)、进料口(2)、搅拌装置(6)、取样口(8)、水封排气口(3)、出水口(5)、排泥口(7)、转动轴(10)和叶轮(9)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，主反应容器(1)为密封结构，原污泥从反应器上部的进料口(2)进入，在搅拌装置(6)的混合作用下，进行厌氧发酵产酸反应，反应器侧面设有取样口(8)，顶部设有水封排气口(3)，发酵产生的溶解性有机酸在虹吸作用力下，通过自生生物动态膜组件(4)随发酵液从出水口(5)及时排出，实现重力自流出水，剩余污泥从底部的排泥口(7)排出，自生生物动态膜组件(4)采用管式结构，并固定在转动轴(10)上，转动轴(10)上同时装设叶轮(9)，转动轴的转动一方面为自生生物动态膜组件(4)提供表面错流，另一方面起到发酵污泥混匀作用。
5.应用权利要求1-4任一所述装置强化有机污泥发酵产酸的方法，其特征在于，所述装置污泥填充率为70-75％，有效体积为14-15L，运行方式为恒定液位下连续进泥、连续出水和间歇排泥，运行环境为严格厌氧，污泥浓度为10-75g TS/L，反应pH为7-11，温度为25-55℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，搅拌转速为50-150转/分钟，出水膜通量为0.5-2.5L/m2/h，进泥速度为90-160mL/h，出水速度为50-80mL/h，排泥量为1-2L/次，排泥频率为每2天1次。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在正常运行过程中，通过调节转动轴的转动速度，为动态膜膜面提供0.6-1.2m/s的膜面错流，控制膜面滤饼层厚度，以缓解膜污染；当膜阻力增大到重力出水极限时，停止出水，增加转动轴提高膜面错流至1.2-2.4m/s，同时检测膜阻力的变化情况，直到膜阻力恢复到初始膜阻力的大小，降低转动轴的旋转速度，恢复出水。
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