CN107522375A - 一种零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污泥处理与资源化技术领域，公开了一种零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法。所述方法：(1)将剩余污泥、接种污泥以及水混合，调节pH为6～7.5，并使得混合物的含固率为8～12％，得到混合污泥；(2)将混合污泥、活性炭和零价铁加入厌氧消化装置，然后厌氧消化；(3)对厌氧消化过程中产生的气体进行收集。本发明同时添加活性炭和零价铁对厌氧消化有更好的促进效果；本发明方法简单，反应条件温和，产气效果优于传统方法，实现污水处理厂剩余污泥的资源化、无害化和减量化，具有很好的经济和社会效益。

Description

一种零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法
技术领域
本发明属于污泥处理与资源化技术领域，涉及一种同时添加零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法。
背景技术
由于城镇污水厂的数量增多，污水处理量增多，活性污泥法所产生的剩余污泥量也越来越多，欧盟国家的干污泥总额已达到每年1000万吨以上。在中国,每年有超过1120万吨的脱水污泥产生，而近80％的未得到稳定处理，且年增长率大于10％。产生的剩余污泥中含有大量的有机物如蛋白质、多糖等，直接排放不仅会引起环境的二次污染,还造成了大量的能源浪费。
污泥厌氧消化是一种既有效又经济的可持续性的处理方式，不仅对剩余污泥有很好的减量化效果，而且可以产生甲烷气体，甲烷是一种化石燃料的替代能源，有助于减少处理的成本。现阶段高含固污泥厌氧消化是研究热点，其优点是可以有效减小厌氧消化器的反应体积，提高有机物的浓度，然而也存在很多问题，如氨氮抑制、有机物降解率低、产甲烷效率低等缺点，从而限制了该技术的推广和应用。
污泥厌氧消化过程包括水解酸化阶段和产甲烷阶段。水解酸化阶段是指大分子有机化合物，如蛋白质、糖类、脂肪等在水解菌的作用下转化为氨基酸、单糖、脂肪酸、甘油等小分子有机化合物，然后酸化菌将碳水化合物等有机物降解为有机酸，主要是乙酸、丁酸和丙酸等的过程，水解和酸化反应进行得相对较快，一般难于将它们分开。产甲烷阶段是指产甲烷菌利用H2、CO2、乙酸、甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，研究表明,在厌氧消化***中约70％的CH4产自乙酸，伴随产生大量的CO2，从而降低了沼气中CH4的浓度。
发明内容
为了克服现有技术中的缺点和不足，降低氨氮的抑制，提高甲烷的产率，提高厌氧消化的效果，本发明的目的在于提供了一种同时添加零价铁(ZVI)和活性炭(AC)强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法。
该方法中活性炭(AC)有比较大的比表面积，为微生物提供附着生长的场所，增加底物与微生物的接触面积，加强微生物与底物的接触，而且其对氨氮有很好的吸附作用，可以有效限制氨氮的浓度。另外，添加的零价铁(ZVI)能作为电子供体提供电子，降低氧化还原电位，加快有机物降解和甲烷生成过程中的电子传递，为产甲烷菌提供适宜的生长环境。此外同时投加活性炭和零价铁可以在反应***中形成原电池，产生的亚铁离子和氧化性强的[H]可以促进难降解的大分子有机物分解，强化厌氧消化过程的水解、酸化效率；产生的亚铁离子是微生物生长需要的重要物质，也是组成酶的重要物质。本发明采用调节活性炭(AC)和零价铁(ZVI)的投加量和比例强化厌氧消化过程,达到总体提高厌氧消化效果,增加能源回收的目的。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种同时添加零价铁(ZVI)和活性炭(AC)强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，包括以下步骤：
(1)将剩余污泥、接种污泥以及水混合，调节pH为6～7.5，并使得混合物的含固率为8～12％，得到混合污泥；
(2)将混合污泥、活性炭和零价铁加入厌氧消化装置，然后厌氧消化；
(3)对厌氧消化过程中产生的气体进行收集。
步骤(1)中所述接种污泥为厌氧消化污泥；所述剩余污泥为城镇污水厂的剩余污泥。所述零价铁为铁粉，60～100目；活性炭为粉状活性炭，100～200目。
步骤(1)中所述活性炭与零价铁的质量比为1：(2～20)；所述活性炭与混合污泥的质量比为1：(300～350)。
步骤(1)中所述剩余污泥采用水调节含固率为13～15％，调节含固率后的剩余污泥与接种污泥的体积比为(2～4)：1；所述剩余污泥的含固率为75～85％。
步骤(2)中所述厌氧消化是将厌氧消化装置放置于恒温振荡器中进行厌氧消化，厌氧消化的条件为反应温度为35～37℃，转速为120～150rpm，厌氧消化的时间为20～28天。
步骤(2)中在厌氧消化前，向厌氧消化装置中通入氮气使得装置中无氧气存在。
步骤(3)中所述对厌氧消化过程中产生的气体进行收集时，产生的气体采用气相色谱法测定气相中甲烷的浓度，通过测量气体的体积以及气体中甲烷的浓度，算出甲烷的体积。
所述接种污泥为成熟厌氧消化污泥。培养成熟的厌氧消化污泥中接种的种泥为污水厂的厌氧污泥。
本发明中投加的零价铁是一种强还原剂，可以提供大量的电子，另外产生的亚铁离子对微生物生长有很好的促进作用，有研究表明零价铁可以加快大分子有机物的降解，降低氧化还原电位，促进水解酸化和产甲烷过程。一些含氮有机物的降解过程中会产生氨氮对产甲烷过程造成不利影响，如蛋白质在降解过程中产生的氨基酸等会释放出氨氮。而产甲烷菌对氨氮很敏感，当氨氮浓度超过一定浓度后，产甲烷过程会受到抑制。本发明中活性炭是一种比面积较大的物质，对氨氮等污染物有很好的吸附作用，另外也能为加强微生物与底物的接触。本发明同时在厌氧消化***中添加活性炭和零价铁，两者在***中会形成原电池，不仅能加快电子交换，促进有机物降解，而且产生的亚铁离子是微生物生长需要的重要物质，对水解酸化过程和产甲烷过程都有很好的促进效果。
本发明同现有技术相比，具有的优点和有益效果:
本发明投加的活性炭和零价铁由于其本身的吸附作用，可以为微生物提供适宜的生长场所，加强微生物与底物的接触，促进大分子有机物的分解，同时吸附氨氮等不利的污染物。另外零价铁是一种还原性较强的还原剂，可以作为电子供体加快了反应的进行，并且零价铁可以增加水解酸化菌的活性，加快大分子有机物转化成小分子有机物。零价铁可以直接作为电子供体用于还原二氧化碳产甲烷。
同时投加活性炭和零价铁，在有大量电解质的底物中低电位的零价铁与高电位的活性炭产生电位差，形成的原电池，其产生的电子、亚铁离子和强氧化性的[H]等对厌氧消化有促进作用。在偏酸性环境下，铁粉可以消耗H+，使***pH上升，在中性和偏碱性环境下，原电池可以消耗掉***中的残余的氧气，降低厌氧消化***的ORP，为产甲烷菌提供适宜的生长环境。
与单独添加活性炭相比，除为厌氧消化体系提供电子供体外，零价铁与活性炭形成的原电池由于其在不同pH环境下发生的反应，可以调节反应过程中的pH，使得反应器中的pH一直维持在合适的范围中，为产甲烷菌提供了合适的生长环境；另外在原电池反应中释放的亚铁离子是微生物生长需要的重要物质也是生物酶的重要组成部分，反应产生的强氧化性的[H]也能促进水解酸化菌对大分子有机物的降解，为产甲烷过程提供充足的底物。消化后甲烷产量得到了大幅度提升，按1:10比例投加活性炭和零价铁累积甲烷产气量相对于空白和单独投加活性炭分别提高了37.6％和32.5％。
附图说明
图1为本发明的厌氧消化装置示意图；1-零价铁，2-活性炭，3-止水夹，4-集气袋，5-通气管(即不锈钢管)，6-反应瓶(即消化瓶)，7-瓶盖；
图2为实施例中不同零价铁和活性炭添加量下甲烷日均产气量与时间变化的曲线图；
图3为实施例中不同零价铁和活性炭添加量下甲烷累积产气量与时间变化曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例以及附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的厌氧消化装置的示意图如图1所示，包括反应瓶6、盖住反应瓶瓶口的瓶盖7、通气管5、集气袋4，所述瓶盖7上设有通孔，通气管5穿过通孔，通气管5的一端深入反应瓶6内，另一端与集气袋4连接；所述通气管为不锈钢的通气管，所述厌氧消化装置还包括橡胶垫，所述橡胶垫设置在反应瓶6瓶口与瓶盖7接触面上，保证良好气密性；所述集气袋4为铝箔集气袋；所述厌氧消化装置还包括导管，导管穿过瓶盖上的通孔，导管上设有止水夹3和夹带，排空后密封。所述反应瓶中装有混合污泥、零价铁1和活性炭2。
实施例
一种同时添加零价铁(ZVI)和活性炭(AC)强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，包括以下步骤：
(1)零价铁粉为市售分析纯零价铁粉(生产厂家为天津市福晨化学试剂厂)，零价铁粉的尺寸为60-100目；活性炭为市售粉状活性炭(无磷)(郑州牛特农业技术有限公司)，尺寸为100-200目；从广州沥滘污水处理厂获取脱水后含固率为75-85％剩余污泥(污水厂脱水间脱水后的剩余污泥)，用蒸馏水调节至含固率为14％，得到调节后的剩余污泥；将调节后的剩余污泥与接种污泥按体积比2:1比例混合，测得pH为6.5，不调节pH然后采用蒸馏水使得混合后含固率达到12％，得到混合污泥；混合污泥的含固率、挥发性固体含量和可溶性化学需氧量分别为12.3％、46.3％和6401.34mg/L；所述接种污泥来自于培养数天的成熟厌氧消化污泥(消化污泥接种的种泥为广州沥滘污水处理厂二沉池的污泥)；接种污泥的含固率为3.4％；
(2)将350g混合污泥加入厌氧消化装置中反应瓶中，分别加入不同量的零价铁和活性炭，盖紧瓶盖，通过导管向反应瓶中注入氮气5min排出氧气，然后用止水夹封住导管密封，通气管与铝箔集气袋连接；零价铁+活性炭的添加量分为以下几种方式：0g+0g(空白)、0g+1g(1gAC)、2g+1g(1gAC+2gZVI)、6g+1g(1gAC+6gZVI)、10g+1g(1gAC+10gZVI)；
(4)将反应瓶置于水浴恒温振荡器中，设定温度为35℃，转速为130rpm，进行厌氧消化反应28天，每天铝箔集气袋收集产生的沼气并测定体积，采用气相色谱法测定气相中甲烷的浓度，从而通过计算得到甲烷体积。
气相色谱选用TCD检测器，TCD检测器运行参数:进样温度为100℃,检测器温度为200℃，柱箱温度为300℃。
甲烷产气量采用带刻度的100ml的注射器测定。通过测得的总沼气体积和气相色谱得到的甲烷浓度，计算得到甲烷体积。
测试结果如图2和3所示。图2为本实施例中不同零价铁和活性炭添加量下甲烷日均产气量与时间变化的曲线图；图3为实施例中不同零价铁和活性炭添加量下甲烷累积产气量与时间变化曲线图。
用活性炭和零价铁对污泥进行强化处理，两者都可以加强微生物与底物的接触，零价铁作为强还原剂，是很好的电子供体，在反应***中与活性炭形成原电池，能够在***中发生原电池反应,加快电子交换，为厌氧微生物提供电子,降低氧化还原电位,调节pH，为产甲烷菌提供适宜的生长条件。
由图2、3可知，活性炭和零价铁投加量为1g和10g时，甲烷累积产量达到最大值2256.5ml，相比于空白和单独添加活性炭分别增加了37.6％和32.5％。甲烷日均产气量在第9天达到最高值，相比于空白组提前6天。

Claims (8)

1.一种同时添加零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，其特征在于：
(1)将剩余污泥、接种污泥以及水混合，调节pH为6～7.5，并使得混合物的含固率为8～12％，得到混合污泥；
(2)将混合污泥、活性炭和零价铁加入厌氧消化装置，然后厌氧消化；
(3)对厌氧消化过程中产生的气体进行收集。
2.根据权利要求1所述同时添加零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，其特征在于：
步骤(1)中所述接种污泥为厌氧消化污泥；所述剩余污泥为城镇污水厂的剩余污泥。
3.根据权利要求1所述同时添加零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，其特征在于：步骤(1)中所述活性炭与零价铁的质量比为1：(2～20)；所述活性炭与混合污泥的质量比为1：(300～350)。
4.根据权利要求1所述同时添加零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，其特征在于：步骤(1)中所述剩余污泥采用水调节含固率为13～15％，调节含固率后的剩余污泥与接种污泥的体积比为(2～4)：1；所述剩余污泥的含固率为75～85％。
5.根据权利要求1所述同时添加零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，其特征在于：步骤(2)中所述厌氧消化是将厌氧消化装置放置于恒温振荡器中进行厌氧消化，厌氧消化的条件为反应温度为35～37℃，转速为120～150rpm，厌氧消化的时间为20～28天。
6.根据权利要求1所述同时添加零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，其特征在于：步骤(3)中所述对厌氧消化过程中产生的气体进行收集时，产生的气体采用气相色谱法测定气相中甲烷的浓度，通过测量气体的体积以及气体中甲烷的浓度，算出甲烷的体积。
7.根据权利要求1所述同时添加零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，其特征在于：步骤(2)中在厌氧消化前，向厌氧消化装置中通入氮气使得装置中无氧气存在。
8.根据权利要求1所述同时添加零价铁和活性炭强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，其特征在于：所述零价铁为铁粉，60～100目；活性炭为粉状活性炭，100～200目。
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