CN105800897B - 一种利用零价铁强化剩余污泥和秸秆快速固态厌氧消化的方法 - Google Patents

一种利用零价铁强化剩余污泥和秸秆快速固态厌氧消化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用零价铁强化剩余污泥和秸秆快速固态厌氧消化的方法，是在厌氧反应器中分层加入驯化成熟的种子污泥以及剩余污泥、秸秆和零价铁粉末的混合物，密封后置于55℃环境中培养，然后每5天搅拌一次，厌氧消化持续时间约为15‑25天，沼气中平均甲烷含量为55％左右，剩余污泥和秸秆中挥发性固体降解率为50％‑60％，单位VS产气量为600mL/gVS左右，产气高峰期与产甲烷高峰期一致。本发明实现剩余污泥和农作物秸秆资源化和能源化利用，具有厌氧消化启动快、消化过程稳定、设备简单、成本低的优点。

Description

一种利用零价铁强化剩余污泥和秸秆快速固态厌氧消化的 方法
一、技术领域
本发明涉及污水处理厂剩余污泥和农作物秸秆资源化和能源化利用的处理方法，具体地说是一种利用零价铁强化剩余污泥和农作物秸秆固态厌氧发酵生产沼气的方法，属于有机废弃物处理和能源化利用技术领域。
二、背景技术
截止2015年三季度末，全国已建成城镇污水处理厂3662座。污水处理率的大幅度上升导致污泥产生量迅速增加。2015年，全年城镇污水处理厂湿污泥(含水率80％)产生量达到3359万吨，日产污泥达9.2万吨。由于污泥中含有大量的有机物、氮磷、和病原微生物等营养物质及污染物，处置不当很容易造成严重的二次污染，降低或抵消巨大的污水处理投资带来的成果。污泥处置已成为重要的市政和环境难题，目前主要的处置方式由卫生填埋和污泥焚烧。填埋由于产生环境的二次污染或土地制约，受到越来越多的限制。剩余污泥中含有大量有机质和营养元素，被认为是一种可以再生的资源。污泥厌氧消化能够生产沼气，同时能够减少污泥体积，稳定污泥性质，提高污泥的脱水效果，减少污泥恶臭，提高污泥的卫生质量，沼气可以提供热能或发电。污水处理厂污泥厌氧消化产生的沼气发电可以满足自身60％的能源消耗，目前常用湿态厌氧消化，但湿态消化产生大量的沼液，沼液的处理增加了污泥厌氧消化的成本。高温固态厌氧消化具有反应体积小、不产生沼液、杀灭沼渣中病原微生物、钝化重金属等优点，是市政有机垃圾处理的有效技术手段，但存在启动时间长，挥发性脂肪酸容易积累、***不够稳定等缺点。
剩余污泥中的有机物主要有微生物组成，蛋白质含量高，剩余污泥的碳氮比低，厌氧处理后生成大量的氨氮，调节碳氮比能减少氨氮的生成。秸秆的含碳量高，含氮量低，和污泥正好相反，二者混合可以调节碳氮比，在加入较少或不加其他辅助材料的情况下达到较好的产气效果。高温厌氧消化时秸秆的降解率较高，秸秆的加入可以使污泥产气效率明显提高，显著增加产气量，厌氧消化后的沼渣还可以作为肥料还田。我国可收集秸秆资源量约为6.87亿吨，但我国目前秸秆的利用率只有30％，大部分的秸秆被废弃或焚烧，引发严重的环境问题，产生雾霾天气。因此，秸秆固态厌氧消化处理是秸秆资源化和能源化利用的有效途径。
固态厌氧消化由于有机物浓度高，易于产生高挥发性脂肪酸抑制，导致较长的反应启动时间，高固体含量也使电子传递的效率降低。另外，秸秆的空隙中含有大量的空气，其中的氧易于导致产甲烷菌中毒，这两方面都增加了固态厌氧消化的启动时间和不稳定性。减少固态厌氧消化的启动时间，提高固态厌氧消化的稳定性，能够显著提高固态厌氧消化的效率。零价铁易于氧化，在氧化过程中，能迅速消耗周围环境的氧气，同时能够提供电子和加快电子传递，促进自养产甲烷菌和同型产乙酸菌的活性和甲烷的产量。零价铁作为还原剂与污泥中有毒污染物反应，降低污染物的毒性，减少其对产甲烷菌的抑制作用。因此，在固体厌氧消化***中添加微量零价铁粉，能够强化有机物的固态厌氧消化降解。
综上所述，剩余污泥和秸秆固态厌氧消化是一种有机废弃物资源化和能源化的利用方法，但经常具有运行不稳定的特点。本发明通过添加零价铁和使用层状接种技术，实现快速启动、稳定运行、增加沼气产量，这也是本发明的创新所在。另外还具有沼渣利用、不产生沼液、和实现污泥减量等优点。
三、发明内容
本发明旨在提供一种利用零价铁强化剩余污泥和秸秆快速固态厌氧消化的方法。通过添加零价铁，快速去除秸秆带入的氧气，提供部分电子，加快有机物降解和甲烷生成过程中的电子传递。通过层状接种种子污泥，避免剩余污泥快速酸化产生的挥发性脂肪酸抑制，减少固态厌氧消化的启动时间，提高固态厌氧消化的稳定性。通过污泥、秸秆和零价铁粉混合、层状接种种子污泥、高温固态厌氧消化，将剩余污泥和秸秆快速厌氧生物转化为沼气。
本发明利用零价铁强化剩余污泥和秸秆快速固态厌氧消化的方法，包括如下步骤：
1、原料准备：将单质铁粉碎，获得80-200目的零价铁粉，备用；从污水处理厂获取脱水后含水率为75-85％的剩余污泥，测定其中的挥发性有机质和氮的含量，备用；将秸秆粉碎至1-3cm大小，然后向秸秆中加入三倍体积的水浸泡5天，备用。
2、种子污泥培养：将占反应器体积20％的普通厌氧产甲烷污泥置于厌氧反应器中，再加入占反应器体积40％的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物，搅拌均匀；将反应器置于恒温培养箱中，在35℃下恒温培养10天，之后每3天将温度升高1℃，直到55℃。在培养期间，每5天补充剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物，搅拌均匀，并保持反应器内反应混合物的含水率为75-85％。当每天的沼气产量是有效反应器体积的五倍以上且维持10天以上时，表明种子污泥驯化完成，获得驯化成熟的种子污泥。
步骤2中初始添加的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物中剩余污泥和浸泡后的秸秆的干物质质量比为1:1；补充的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物中剩余污泥和浸泡后的秸秆的干物质质量比为1:1，补充的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物中干物质质量占反应器内干物质质量的3％。
3、原料混合：将剩余污泥和浸泡后的秸秆按碳氮比25～30:1的比例调配，然后按占剩余污泥和浸泡后的秸秆干物质质量0.01-0.1％的比例加入零价铁粉，混合均匀，得混合料，加热到55℃，备用。
4、原料接种：将加热后的混合料和驯化成熟的种子污泥通过层状交叉排列的方式按照一层混合料、一层驯化成熟的种子污泥的顺序铺设至反应器内。混合料和驯化成熟的种子污泥的总体积占反应器体积的4/5，铺设的驯化成熟的种子污泥的体积为混合料体积的1/5～1/3，控制驯化成熟的种子污泥中挥发性固体质量与混合料中挥发性固体质量之比为15-30：100，反应器内反应混合物的含水率为75-85％。
5、固态厌氧消化：接种完毕后将反应器密封，加热至55℃，进行厌氧消化，每5天在隔绝空气的情况下进行一次混合，厌氧消化在55℃条件下持续15-25天，连续收集沼气作为能源使用，收集消化降解完成后残渣供农用或林用。
本发明处理方法具体原理如下：
固态厌氧消化具有有机物浓度高，湿度低的特点，在厌氧发酵过程中易产生高浓度的挥发性脂肪酸，导致严重的酸抑制和厌氧过程的不稳定。接种的过程中易带入空气，导致严格厌氧的产甲烷菌中毒。湿度低也降低了有机物降解和产甲烷过程中电子传递的速率，延长固体厌氧消化的处理时间。通过添加零价铁粉，消耗周围环境的氧气，提供电子和并加快电子传递，强化有机物的降解速率，促进甲烷菌的活性。开始阶段的层状接种，避免了初始阶段的易降解有机物发酵产生的挥发性有机酸的积累，加快了固态厌氧消化的启动，提高厌氧消化的稳定性和甲烷产率。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用零价铁粉末强化固态厌氧消化技术，快速消耗了残余氧气，加快了有机物降解和甲烷生成过程的电子传递，这是提高固态厌氧消化效率的重要基础。
2、本发明采用层状接种技术，通过开始阶段接种种子污泥、污泥秸秆混合物的分层分布，有效控制了产甲烷微生物周围挥发性脂肪酸的浓度，实现产甲烷微生物的快速生长，避免了通常固态厌氧消化酸抑制的固有缺陷。
四、附图说明
图1是本发明固态厌氧消化的混合接种示意图。
图2是实施例1中零价铁粉强化剩余污泥和水稻秸秆固态厌氧消化产甲烷曲线。从图2中可以看出，添加零价铁缩短了厌氧消化的停滞期，并增加剩余污泥和水稻秸秆沼气产率9％左右。
图3是实施例2中零价铁粉强化剩余污泥和玉米秸秆固态厌氧消化产甲烷曲线。从图3中可以看出，添加零价铁缩短了剩余污泥和玉米秸秆厌氧消化的停滞期，并增加剩余污泥和玉米秸秆沼气产率8％左右。
五、具体实施方式
下面通过实例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例1：某污水处理厂剩余污泥和水稻秸秆固态厌氧消化处理
本实施例中利用零价铁强化剩余污泥和秸秆快速固态厌氧消化的方法，包括如下步骤：
1、原料准备：将单质铁粉碎，获得120目的零价铁粉，备用；从污水处理厂获取脱水后含水率为80％的剩余污泥，测定其中的挥发性有机质和氮的含量，备用；将秸秆粉碎至1-3cm大小，然后向秸秆中加入三倍体积的水浸泡5天，备用，浸泡后的秸秆的含水率为80％。
2、种子污泥培养：将普通厌氧产甲烷污泥加入恒温培养箱里的反应器中，至反应器体积的20％，反应器反应体积为10L；向反应器中加入占反应器体积40％的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物，搅拌均匀，剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物中剩余污泥和浸泡后的秸秆的干物质质量比为1:1；将反应器在35℃下恒温培养10天，之后每3天将温度升高1℃，直到55℃，在培养期间每5天补充一次剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物，搅拌均匀，并保持反应器内反应混合物的含水率为75-85％，补充的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物中剩余污泥和浸泡后的秸秆的干物质质量比为1:1，补充的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物中干物质质量占反应器内干物质质量的3％。当每天的沼气产量5倍体积于有效反应器体积且维持10天以上时，表明种子污泥驯化完成，获得驯化成熟的种子污泥。
3、原料混合：将剩余污泥和浸泡后的秸秆按碳氮比25～30:1的比例调配，然后按占剩余污泥和浸泡后的秸秆干物质质量0.05％的比例加入零价铁粉，混合均匀，得混合料，加热到55℃，备用。
4、原料接种：将加热后的混合料和驯化成熟的种子污泥通过层状交叉排列的方式按照一层混合料、一层驯化成熟的种子污泥的顺序铺设至反应器内，混合料四层，驯化成熟的种子污泥三层。混合料和驯化成熟的种子污泥的总体积占反应器体积的4/5，铺设的驯化成熟的种子污泥的体积为混合料体积的1/3，控制驯化成熟的种子污泥中挥发性固体质量与混合料中挥发性固体质量之比为30：100，反应器内反应混合物的含水率为75-85％。
5、固态厌氧消化：接种完毕后将反应器密封，移到预热至55℃的恒温培养箱进行厌氧消化，厌氧消化的过程中每5天在不打开厌氧反应器的情况下，充分摇晃、混合一次，厌氧消化持续21天，收集沼气。获得甲烷的产率为520mL/g VS反应底物，甲烷生成如图2所示。剩余污泥经固态厌氧消化后达到稳定化，减量化，无害化，资源化。
实施例2：
本实施例中利用零价铁强化剩余污泥和玉米秸秆快速固态厌氧消化的方法，包括如下步骤：
1、原料准备：将单质铁粉碎，获得80目的零价铁粉，备用；从污水处理厂获取脱水后含水率为80％的剩余污泥，测定其中的挥发性有机质和氮的含量，备用；将玉米秸秆粉碎至1-3cm大小，然后向玉米秸秆中加入4倍体积的水浸泡5天，备用，浸泡后的秸秆的含水率为80％。
2、种子污泥培养：将普通厌氧产甲烷污泥加入恒温培养箱里的反应器中，至反应器体积的20％，反应器反应体积为10L；向反应器中加入占反应器体积40％的剩余污泥和浸泡后的玉米秸秆的混合物，搅拌均匀，剩余污泥和浸泡后的玉米秸秆的混合物中剩余污泥和浸泡后的玉米秸秆的干物质质量比为1:1；将反应器在35℃下恒温培养10天，之后每3天将温度升高1℃，直到55℃，在培养期间每5天补充一次剩余污泥和浸泡后的玉米秸秆的混合物，搅拌均匀，并保持反应器内反应混合物的含水率为75-85％，补充的剩余污泥和浸泡后的玉米秸秆的混合物中剩余污泥和浸泡后的玉米秸秆的干物质质量比为1:1，补充的剩余污泥和浸泡后的玉米秸秆的混合物中干物质质量占反应器内干物质质量的3％。当每天的沼气产量5倍体积于有效反应器体积且维持10天以上时，表明种子污泥驯化完成，获得驯化成熟的种子污泥。
3、原料混合：将剩余污泥和浸泡后的玉米秸秆按碳氮比25～30:1的比例调配，然后按占剩余污泥和浸泡后的玉米秸秆干物质质量0.1％的比例加入零价铁粉，混合均匀，得混合料，加热到55℃，备用。
4、原料接种：将加热后的混合料和驯化成熟的种子污泥通过层状交叉排列的方式按照一层混合料、一层驯化成熟的种子污泥的顺序铺设至反应器内，混合料四层，驯化成熟的种子污泥三层。混合料和驯化成熟的种子污泥的总体积占反应器体积的4/5，铺设的驯化成熟的种子污泥的体积为混合料体积的1/4，控制驯化成熟的种子污泥中挥发性固体质量与混合料中挥发性固体质量之比为20：100，反应器内反应混合物的含水率为75-85％。
5、固态厌氧消化：接种完毕后将反应器密封，移到预热至55℃的恒温培养箱进行厌氧消化，厌氧消化的过程中每5天在不打开厌氧反应器的情况下，充分摇晃、混合一次，厌氧消化持续21天，收集沼气。获得甲烷的产率为650mL/g VS反应底物，甲烷生成如图3所示。剩余污泥经固态厌氧消化后达到稳定化，减量化，无害化，资源化。

Claims (5)

1.一种利用零价铁强化剩余污泥和秸秆快速固态厌氧消化的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)原料准备：将单质铁粉碎，获得80-200目的零价铁粉，备用；从污水处理厂获取脱水后含水率为75-85％的剩余污泥，测定其中的挥发性有机质和氮的含量，备用；将秸秆粉碎至1-3cm大小，然后向秸秆中加入三倍体积的水浸泡5天，备用；
(2)种子污泥培养：将占反应器体积20％的普通厌氧产甲烷污泥置于厌氧反应器中，再加入占反应器体积40％的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物，搅拌均匀；将反应器置于恒温培养箱中，在35℃下恒温培养10天，之后每3天将温度升高1℃，直到55℃；在培养期间，每5天补充剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物，搅拌均匀，并保持反应器内反应混合物的含水率为75-85％；当每天的沼气产量是有效反应器体积的五倍以上且维持10天以上时，表明种子污泥驯化完成，获得驯化成熟的种子污泥；
(3)原料混合：将剩余污泥和浸泡后的秸秆按碳氮比25～30:1的比例调配，然后按占剩余污泥和浸泡后的秸秆干物质质量0.01-0.1％的比例加入零价铁粉，混合均匀，得混合料，加热到55℃，备用；
(4)原料接种：将加热后的混合料和驯化成熟的种子污泥通过层状交叉排列的方式按照一层混合料、一层驯化成熟的种子污泥的顺序铺设至反应器内；混合料和驯化成熟的种子污泥的总体积占反应器体积的4/5；
(5)固态厌氧消化：接种完毕后将反应器密封，加热至55℃，进行厌氧消化，每5天在隔绝空气的情况下进行一次混合，厌氧消化在55℃条件下持续15-25天，连续收集沼气作为能源使用，收集消化降解完成后残渣供农用或林用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(2)中初始添加的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物中剩余污泥和浸泡后的秸秆的干物质质量比为1:1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(2)中在培养期间补充的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物中剩余污泥和浸泡后的秸秆的干物质质量比为1:1，补充的剩余污泥和浸泡后的秸秆的混合物中干物质质量占反应器内干物质质量的3％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(4)中铺设的驯化成熟的种子污泥的体积为混合料体积的1/5～1/3，控制驯化成熟的种子污泥中挥发性固体质量与混合料中挥发性固体质量之比为15-30：100。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(4)中控制反应器内反应混合物的含水率为75-85％。
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