CN107352769A - 一种基于乙醇型发酵预处理的市政污泥厌氧消化装置与工艺 - Google Patents

一种基于乙醇型发酵预处理的市政污泥厌氧消化装置与工艺 Download PDF

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Abstract

一种基于乙醇型发酵构建直接种间电子传递的两相厌氧处理装置与工艺，它包括以下步骤：分别采用完全混合式厌氧消化器和上流式厌氧污泥床反应器作为酸化相和产甲烷相。分别控制酸化相和产甲烷相的水力停留时间，装置内pH和温度。采用2‑4mol/L的HCI溶液调节酸化相的发酵pH为4.0‑4.5，运行该工艺。本发明可达到如下效果：提高酸化产物中乙醇的含量。提高产甲烷相颗粒污泥中地杆菌的丰度，推动其与产甲烷菌构建直接种间电子传递。加快产甲烷相内有机酸和醇类物质的分解速率，缓解由于高有机负荷造成产甲烷相酸性积累和互养代谢停滞，提高产甲烷效率。该技术投资成本少，操作简单，提高效果明显，可应用于现有两相厌氧工艺为抵抗高负荷废水冲击的升级改造。

Description

一种基于乙醇型发酵预处理的市政污泥厌氧消化装置与工艺
技术领域 本发明涉及环保产业。
背景技术 随着市政污水处理厂日益增多，市政污泥由于具有含高有机质、产量巨大、不稳定等特点，已经成为一种广泛关注的环境危险废物。厌氧消化是目前处置市政污泥最现实、最有效的方法之一。主要原因在于，一方面，厌氧消化具有负荷高、能耗小等特点，理论上是处理高有机质废物的首选方法；另一方面，在处置市政污泥过程中，厌氧消化不仅能够减少污泥体积(污泥减量化)，杀死寄生虫卵和病毒，还能够将大部分有机质转化为甲烷，从而实现污染物能源化。
然而，市政污泥厌氧消化技术目前仍面临两大难题，限制其在实际工程应用中的效率。一是相对较缓慢的污泥水解破壁过程。这是由于市政污泥中含有大量的活性污泥细胞，其内包裹着丰富的胞内聚合物(IPS)，如糖类物质、蛋白质、有机酸等，是厌氧甲烷化的重要底物。活性污泥细胞壁主要由磷脂层和多肽链构成，单独依靠厌氧发酵微生物很难充分地摧毁活性污泥细胞壁，释放胞内聚合物，进而限制了市政污泥减量化和产甲烷效率。二是相对较低的引种污泥活性。在市政污泥厌氧消化过程中，初始引种污泥活性普遍较低，这主要归因于较市政污泥和引种污泥之间的投配比例。若降低该比例，则会降低整个市政污泥厌氧消化的处理能力。而在较高的市政污泥和引种污泥投配比例下，发酵微生物(或产酸菌)与产甲烷菌之间的生物电子链接(通常是种间氢气传递[IHT])通常建立缓慢，极易造成污泥厌氧消化初期甲烷化停滞，导致产甲烷效率较低。
直接种间电子传递(DIET)被认为是一种可以取代种间氢气传递的微生物种间电子和能量交换的新模式。相比于种间氢气传递(IHT)，地杆菌(Geobacter)依靠胞外导电菌丝(pili)和细胞色素与产甲烷菌形成的生物电子链接能够较快速地建立在厌氧***中，提高产甲烷效率。然而，地杆菌在市政污泥厌氧消化器中的丰度通常较低，进而限制了直接种间电子传递对于提高市政污泥厌氧产甲烷的作用。最近有研究表明，采用乙醇驯化常规厌氧消化器，能够在其污泥中富集地杆菌，进而推动地杆菌与产甲烷菌构成的直接种间电子传递。然而，外源投加乙醇将不可避免的增加整个厌氧工艺的运行成本。采用乙醇型发酵的pH调节手段，即控制有机物的发酵pH为4.0-4.5，能够得到乙醇占主导的酸化产物，为地杆菌的富集提供充足的底物，并持续推动直接种间电子传递。更重要的是，将市政污泥厌氧发酵的pH调节至酸性(酸预处理)，能够强化污泥水解破壁，加快胞内聚合物的释放，提高产甲烷效率。因此，这种采用乙醇型发酵的预处理手段有望同时解决市政污泥厌氧消化的两大难题。
发明内容 为解决市政污泥厌氧消化的两大难题，即相对较缓慢的污泥水解破壁过程和相对较低的引种污泥活性，进而限制市政污泥厌氧消化效率，本发明提出以下技术方案：设有预处理罐保温层(8)的预处理罐体(7)内为预处理罐悬浮污泥区(9)，预处理罐悬浮污泥区(9)底部设有预处理罐布水器(6)，下方设有搅棒i(10-1)的预处理罐搅拌机的主轴(10-2)穿过预处理罐体(7)的上盖伸入预处理罐悬浮污泥区(9)；预处理罐体(7)的上盖设有预处理罐排气管道(11)和阀门ii(12)；预处理罐进料泵(3)的一端经由管i(2)***进料罐(1)而另一端经由管ii(5)、阀门i(4)与预处理罐体(7)的底部连接；酸调节泵(15)的一端经由管iii(14)***酸调节池(13)而另一端经由管iv(16)、阀门iii(17)与预处理罐体(7)的底部连接；碱调节泵(20)的一端经由管v(19)***碱调节池(18)而另一端经由管vi(22)、阀门iv(21)与预处理罐体(7)的底部连接；发酵罐进料泵(25)的一端经由管viii(26)与设有保温层ii(29)的发酵罐体(28)的底部连接而另一端经由管vii(23)、阀门v(24)也与预处理罐体(7)的底部连接；发酵罐体(28)内自下向上依次设有发酵罐布水器(27)、发酵罐悬浮污泥区(30)；下方设有搅棒ii(31-1)的发酵罐搅拌机的主轴(31-2)穿过发酵罐体(28)的上盖伸入发酵罐悬浮污泥区(30)；发酵罐体(28)的上盖设有发酵罐排气管道(32)和阀门vi(33)；发酵罐体(28)的一侧上方还设有带阀门vii(35)的管ix(34)。
一种使用上述的装置处理市政污泥的厌氧消化工艺包括以下工序：
1)采用带搅拌机的完全混合式厌氧消化器作为本工艺的预处理罐体和发酵罐体。
2)采用取自市政污泥处理厂的厌氧消化污泥启动发酵罐体，控制发酵罐体内的污泥浓度(MLSS)达到20-25g/L，最佳污泥浓度为25g/L。
3)采用取自市政污水处理厂压滤后的干污泥(含固率20％)与水按比例为1:2-1:4混合，配制成含固率为10-15％的湿污泥，贮存在进料罐。
4)采用浓HCI溶液(工业级，纯度≥95％)与水混合，配制成2-4mol/L的HCI溶液，贮存在酸调节池。
5)采用NaOH固体(工业级，纯度≥95％)与水混合，配制成5-10mol/L的NaOH溶液，贮存在碱调节池。
6)打开预处理罐进料泵和阀门i，湿污泥从进料罐经由管i、管ii、预处理罐布水器流入预处理罐体内预处理罐悬浮污泥区。
7)进料结束后，关闭阀门i和预处理罐进料泵。打开酸调节泵和阀门iii，HCI溶液从酸调节池经由管iii、管iv、预处理罐布水器流入预处理罐体内预处理罐悬浮污泥区。
8)打开预处理罐搅拌机，控制搅拌转速为30-50rpm，最佳转速为30rpm。
9)打开阀门ii，预处理罐体内产生的气体经由预处理罐排气管道排出预处理罐体。
10)预处理罐体的固体停留时间控制在6-8天，最佳水力停留时间为8天；预处理罐体内pH控制在4.0-5.0之间，最佳pH为4.5；预处理罐体内温度控制在25-30℃，最佳温度为30℃。
11)湿污泥预处理结束后，关闭阀门iii和酸调节泵。打开碱调节泵和阀门iv，NaOH溶液从碱调节池经由管iii、管iv、预处理罐布水器流入预处理罐体内预处理罐悬浮污泥区。预处理罐体内pH控制在6.5-7.5，最佳pH为7.2。
12)湿污泥pH调节至中性后，关闭阀门iv和碱调节泵。打开阀门v和发酵罐进水泵，湿污泥从预处理罐体内经由管vii、管viii流入设有发酵罐保温层的发酵罐体内，由下至上，依次经过发酵罐布水器、发酵罐悬浮污泥区。
13)打开阀门vi，发酵罐体内产生的气体经由发酵罐排气管道排出发酵罐体。
14)发酵罐体内的固体停留时间控制在18-24天，最佳固体停留时间为22天；发酵罐体内pH控制为7.0-7.5，最佳pH为7.2；发酵罐体内温度控制在35-37℃，最佳温度为37℃。
15)湿污泥发酵结束后，打开阀门vii，湿污泥从发酵罐体内经由管ix流出发酵罐体。
这种基于乙醇型发酵预处理的市政污泥厌氧消化工艺具有的特点是：采用乙醇型发酵的预处理手段，即控制污泥预处理阶段的pH为4.0-5.0，能够有效地摧毁活性污泥细胞壁，破坏磷脂层和多肽链结构，释放胞内聚合物，为污泥厌氧消化产甲烷提供更多能够利用的底物，提高甲烷产量。此外，采用乙醇型发酵的预处理手段，调控污泥厌氧水解酸化，能够得到乙醇占主导的酸化产物。该产物在污泥发酵阶段能够刺激微生物群落，富集地杆菌，并推动其与产甲烷菌快速建立直接种间电子连接，维持产甲烷代谢的正常运转。该工艺弥补了引种污泥因活性不高，造成厌氧发酵微生物/酸化菌与产甲烷建立种间电子链接(种间氢气传递)缓慢的不足，缓解了污泥厌氧消化初期甲烷化停滞，提高污泥减量化和产甲烷效率。该技术投资成本少，操作简单，提高效果明显，可应用于现有市政污泥厌氧消化工艺的升级改造。
附图说明：图1为本发明一种基于乙醇型发酵预处理的市政污泥厌氧消化装置示意图。
图1中：1、进料罐，2、管i，3、预处理罐进料泵，4、阀门i，5、管ii，6、预处理罐布水器，7、预处理罐体，8、保温层i，9、预处理罐悬浮污泥区，10-1、搅棒i、10-2、预处理罐搅拌机主轴，11、预处理罐排气管道，12、阀门ii，13、酸调节池，14、管iii，15、酸调节泵，16、管iv，17、阀门iii，18、碱调节池，19、管v，20、碱调节泵，21、阀门iv，22、管vi，23、管vii，24、阀门v，25、发酵罐进料泵，26、管viii，27、发酵罐布水器，28、发酵罐体，29、保温层ii，30、发酵罐悬浮污泥区，31-1、搅棒ii，31-2、发酵罐搅拌机主轴，32、发酵罐排气管道，33、阀门vi，34、管ix，35、阀门vii。
具体实施方式
这种基于乙醇型发酵预处理的市政污泥厌氧消化工艺的应用机理是：
1、采用乙醇型发酵的预处理手段，即控制污泥预处理阶段的pH为4.0-5.0，能够有效地摧毁活性污泥细胞壁，降低细胞壁表面磷脂层和多肽链的键能，破坏磷脂层和多肽链的结构，进而释放活性细胞胞内聚合物，为市政污泥厌氧消化产甲烷提供更多的底物，提高甲烷产量。
2、采用乙醇型发酵的预处理手段，调控污泥厌氧水解酸化，能够得到乙醇占主导的酸化产物。该产物能够刺激污泥发酵产甲烷阶段的微生物群落，富集地杆菌，进而推动其与产甲烷菌建立直接种间电子传递。其主要原因被归结为，相比于其它典型的酸化产物，如乙酸、丙酸、丁酸等，乙醇氧化所释放的能量能够充分地支持地杆菌的生长和代谢。在污泥厌氧消化产甲烷阶段，快速建立的直接种间电子传递能够弥补由于引种污泥活性不高，造成厌氧发酵微生物(或酸化菌)与产甲烷菌之间构成种间氢气传递缓慢的不足，缓解污泥厌氧消化初期甲烷化停滞，提高污泥厌氧消化效率。
3、将上述两种技术方案同时应用到市政污泥厌氧消化，能够有效地解决市政污泥厌氧消化目前存在的两大难题，即相对较缓慢的污泥水解破壁过程和相对较低的引种污泥活性。采用乙醇型发酵的预处理手段，一方面，能够创建相对较酸性的环境，强化市政污泥水解破壁，释放活性污泥细胞胞内聚合物，为产甲烷菌提供更充足的底物；另一方面，能够产生乙醇占主导的酸化产物，刺激污泥厌氧消化产甲烷阶段的微生物群落，富集地杆菌，推动其与产甲烷菌快速建立直接种间电子传递，维持产甲烷代谢的正常运转。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示，这种基于乙醇型发酵预处理的市政污泥厌氧消化装置，具有以下技术特征：设有预保温层i-8的预处理罐体7内为预处理罐悬浮污泥区9。该预处理罐悬浮污泥区9底部设有预处理罐布水器6，设有搅棒i-10-1的预处理罐搅拌机的主轴10-2穿过预处理罐体7的上盖伸入预处理罐悬浮污泥区9。预处理罐体7的上盖设有预处理罐排气管道11和阀门ii-12。预处理罐进料泵3的一端经由管i-2***进料罐1而另一端经由管ii-5、阀门i-4与预处理罐体7的底部连接。酸调节泵15的一端经由管iii-14***酸调节池13而另一端经由管iv-16、阀门iii-17与预处理罐体7的底部连接。碱调节泵20的一端经由管v-19***碱调节池18而另一端经由管vi-22、阀门iv-21与预处理罐体7的底部连接。发酵罐进料泵25的一端经由管viii-26与发酵罐体28的底部连接而另一端经由管vii-23、阀门v-24与预处理罐体7的底部连接。设有保温层ii-29的发酵罐体28内自下向上依次设有发酵罐布水器27、发酵罐悬浮污泥区30。设有搅棒ii-31-1的发酵罐搅拌机主轴31-2穿过发酵罐体28的上盖伸入发酵罐悬浮污泥区30。发酵罐体28的上盖设有发酵罐排气管道32和阀门vi-33。发酵罐体28的一侧上方设有带阀门vii-35的管ix-34。
一种使用上述的装置处理市政污泥的厌氧消化工艺包括以下工序：
采用带搅拌机的完全混合式厌氧消化器作为本工艺的预处理罐体7和发酵罐体28。
采用取自市政污泥处理厂的厌氧消化污泥启动发酵罐体28，控制发酵罐体28内的污泥浓度(MLSS)达到20-25g/L，最佳污泥浓度为25g/L。
采用取自市政污水处理厂压滤后的干污泥(含固率约为20％)与水按比例为1:2-1:4混合，最佳比例为1:3，配制成含固率为10-15％的湿污泥，最佳含固率为10％，贮存在进料罐1。
采用浓HCI溶液(工业级，纯度≥95％)与水混合，配制成2-4mol/L的HCI溶液，贮存在酸调节池13。作为优选，所配制的HCI溶液的最佳浓度为4mol/L。
采用NaOH固体(工业级，纯度≥95％)与水混合，配制成5-10mol/L的NaOH溶液，贮存在碱调节池18。作为优选，所配制的NaOH溶液的最佳浓度为5mol/L。
打开预处理罐进料泵3和阀门i-4，湿污泥从进料罐经由管i-2、管ii-5、预处理罐布水器6流入预处理罐体7内预处理罐悬浮污泥区9。
进料结束后，关闭阀门i-4和预处理罐进料泵3。打开酸调节泵15和阀门iii-17，HCI溶液从酸调节池13经由管iii-14、管iv-16、预处理罐布水器6流入预处理罐体7内预处理罐悬浮污泥区9。
打开预处理罐搅拌机10，控制搅拌转速为30-50rpm，最佳转速为30rpm。
打开阀门ii-12，预处理罐体7内产生的气体经由预处理罐排气管道11排出预处理罐体7。
预处理罐体7内固体停留时间控制在6-8天，最佳水力停留时间为8天；预处理罐体7内pH控制在4.0-5.0之间，最佳pH为4.5；预处理罐体7内温度控制在25-30℃，最佳温度为30℃。
湿污泥预处理结束后，关闭阀门iii-17和酸调节泵15。打开碱调节泵20和阀门iv-21，NaOH溶液从碱调节池18经由管iii-19、管iv-22、预处理罐布水器6流入预处理罐体7内预处理罐悬浮污泥区9。预处理罐体7内pH控制在6.5-7.5，最佳pH为7.2。
湿污泥pH调节至中性后，关闭阀门iv-21和碱调节泵20。打开阀门v-24和发酵罐进水泵25，湿污泥从预处理罐体7内经由管vii-23、管viii-26流入设有发酵罐保温层29的发酵罐体28内，由下至上，依次经过发酵罐布水器27、发酵罐悬浮污泥区30。
打开阀门vi-33，发酵罐体28内产生的气体经由发酵罐排气管道32排出发酵罐体28。
发酵罐体28内的固体停留时间控制在18-24天，最佳固体停留时间为22天；发酵罐体28内pH控制为7.0-7.5，最佳pH为7.2；发酵罐体28内温度控制在35-37℃，最佳温度为37℃。
湿污泥发酵结束后，打开阀门vii-35，湿污泥从发酵罐体28内经由管ix-34流出发酵罐体28。
实施例1：
采用有效容积为500mL的完全混合式厌氧消化器作为预处理罐体。采用有效容积为2L的完全混合式厌氧消化器作为发酵罐体，接种取自市政污泥处理厂的厌氧消化污泥1.5L，污泥浓度为25g/L。采用取自市政污水处理厂压滤后的干污泥(含固率约为20％)与水按照比例为1:3混合，配制成含固率为10％的湿污泥，贮存在进料罐。采用浓HCI溶液(工业级，浓度≥95％)与水混合，配制4mol/L的HCI溶液，贮存在酸调节池。采用NaOH固体(工业级，浓度≥95％)与水混合，配制成5mol/L的NaOH溶液。预处理罐的固体停留时间控制6天，预处理阶段的pH控制为4.5，温度控制为30℃。发酵罐的固体停留时间控制为20天，pH控制为7.2，温度控制为37℃。相比于传统的市政污泥厌氧消化工艺，采用乙醇型发酵预处理的市政污泥厌氧消化工艺分别提高污泥减量化和累积甲烷产量19％和25％。
实施例2：
采用有效容积为500mL的完全混合式厌氧消化器作为预处理罐体。采用有效容积为2L的完全混合式厌氧消化器作为发酵罐体，接种取自市政污泥处理厂的厌氧消化污泥1.5L，污泥浓度为22g/L。采用取自市政污水处理厂压滤后的干污泥(含固率约为20％)与水按照比例为1:3混合，配制成含固率为11％的湿污泥，贮存在进料罐。采用浓HCI溶液(工业级，浓度≥95％)与水混合，配制4mol/L的HCI溶液，贮存在酸调节池。采用NaOH固体(工业级，浓度≥95％)与水混合，配制成5mol/L的NaOH溶液。预处理罐的固体停留时间控制8天，预处理阶段的pH控制为4.3，温度控制为30℃。发酵罐的固体停留时间控制为22天，pH控制为7.2，温度控制为37℃。相比于传统的市政污泥厌氧消化工艺，采用乙醇型发酵预处理的市政污泥厌氧消化工艺分别提高污泥减量化和累积甲烷产量17％和22％。

Claims (2)

1.一种基于乙醇型发酵预处理的市政污泥厌氧消化装置，具有以下技术特征：设有预处理罐保温层(8)的预处理罐体(7)内为预处理罐悬浮污泥区(9)，所述预处理罐悬浮污泥区(9)底部设有预处理罐布水器(6)，下方设有搅棒i(10-1)的预处理罐搅拌机的主轴(10-2)穿过所述预处理罐(7)的上盖伸入所述预处理罐悬浮污泥区(9)；所述预处理罐(7)的上盖设有预处理罐排气管道(11)和阀门ii(12)；所述预处理罐进料泵(3)的一端经由管i(2)***进料罐(1)而另一端经由管ii(5)、阀门i(4)与所述预处理罐体(7)的底部连接；酸调节泵(15)的一端经由管iii(14)***酸调节池(13)而另一端经由管iv(16)、阀门iii(17)与所述预处理罐体(7)的底部连接；碱调节泵(20)的一端经由管v(19)***碱调节池(18)而另一端经由管vi(22)、阀门iv(21)与所述预处理罐体(7)的底部连接；发酵罐进料泵(25)的一端经由管viii(26)与设有保温层ii(29)的发酵罐体(28)的底部连接而另一端经由管vii(23)、阀门v(24)也与所述预处理罐体(7)的底部连接；所述发酵罐体(28)内自下向上依次设有发酵罐布水器(27)、发酵罐悬浮污泥区(30)；下方设有搅棒ii(31-1)的发酵罐搅拌机的主轴(31-2)穿过所述发酵罐(28)的上盖伸入发酵罐悬浮污泥区(30)；所述发酵罐体(28)的上盖设有发酵罐排气管道(32)和阀门vi(33)；所述发酵罐体(28)的一侧上方还设有带阀门vii(35)的管ix(34)。
2.一种使用上述的装置处理高负荷有机废水的两相厌氧工艺包括以下工序：
1)采用带搅拌机的完全混合式厌氧消化器作为本工艺的预处理罐体(7)和发酵罐体(28)；
2)采用取自市政污泥处理厂的厌氧消化污泥启动发酵罐体(28)，控制发酵罐体(28)内的污泥浓度(MLSS)为20-25g/L，最佳污泥浓度为25g/L；
3)采用取自市政污水处理厂压滤后的干污泥(含固率约为20％)与水按比例为1:2-1:4混合，最佳比例为1:3，配制成含固率为10-15％的湿污泥，最佳含固率为10％，贮存在进料罐(1)；
4)采用浓HCI溶液(工业级，纯度≥95％)与水混合，配制成2-4mol/L的HCI溶液，贮存在酸调节池(13)；作为优选，所配制的HCI溶液的最佳浓度为4mol/L；
5)采用NaOH固体(工业级，纯度≥95％)与水混合，配制成5-10mol/L的NaOH溶液，贮存在碱调节池(18)；作为优选，所配制的NaOH溶液的最佳浓度为5mol/L；
6)打开预处理罐进料泵(3)和阀门i(4)，湿污泥从进料罐(1)经由管i(2)、管ii(5)、预处理罐布水器(6)流入预处理罐体(7)内预处理罐悬浮污泥区(9)；
7)进料结束后，关闭阀门i(4)和预处理罐进料泵(3)；
8)打开酸调节泵(15)和阀门iii(17)，HCI溶液从酸调节池(13)经由管iii(14)、管iv(16)、预处理罐布水器(6)流入预处理罐体(7)内预处理罐悬浮污泥区(9)；
9)打开预处理罐搅拌机(10)，控制搅拌转速为30-50rpm，最佳转速为30rpm；
10)打开阀门ii(12)，预处理罐体(7)内产生的气体经由预处理罐排气管道(11)排出预处理罐体(7)；
11)预处理罐体(7)内固体停留时间控制在6-8天，最佳水力停留时间为8天；预处理罐体(7)内pH控制在4.0-5.0之间，最佳pH为4.5；预处理罐体(7)内温度控制在25-30℃，最佳温度为30℃；
12)湿污泥预处理结束后，关闭阀门iii(17)和酸调节泵(15)；
13)打开碱调节泵(20)和阀门iv(21)，NaOH溶液从碱调节池(18)经由管iii(19)、管iv(22)、预处理罐布水器(6)流入预处理罐体(7)内预处理罐悬浮污泥区(9)；
14)预处理罐体(7)内pH控制为6.5-7.5，最佳pH为7.2；
15)湿污泥pH调节至中性后，关闭阀门iv(21)和碱调节泵(20)；
16)打开阀门v(24)和发酵罐进水泵(25)，湿污泥从预处理罐体(7)内经由管vii(23)、管viii(26)流入设有发酵罐保温层(29)的发酵罐体(28)内，由下至上，依次经过发酵罐布水器(27)、发酵罐悬浮污泥区(30)；
17)打开阀门vi(33)，发酵罐体(28)内产生的气体经由发酵罐排气管道(32)排出发酵罐体(28)；
18)发酵罐体(28)内的固体停留时间控制为18-24天，最佳固体停留时间为22天；发酵罐体(28)内pH控制为7.0-7.5，最佳pH为7.2；发酵罐体(28)内温度控制为35-37℃，最佳温度为37℃；
19)湿污泥发酵结束后，打开阀门vii(35)，湿污泥从发酵罐体(28)内经由管ix(34)流出发酵罐体(28)。
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