CN115321772A - 二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法 - Google Patents
二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法。取城市污水处理厂产生的活性污泥，自然沉降后倾去上清液，得到浓缩污泥，然后将浓缩污泥进行超声波预处理；对超声波预处理后的污泥进行二氯异氰尿酸钠处理，进行厌氧发酵产短链脂肪酸。与现有技术相比，本发明提供的方法短链脂肪酸产量高，操作简单，显著降低了利用剩余污泥处置的成本。实验结果表明，本发明提供的方法产酸率可高达326.53mg COD/g VSS。
Description
技术领域
本发明属于环境保护以及污泥处理资源化技术领域，具体涉及一种利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法。
背景技术
随着城市化进程的进一步加快，全国大中小城市大量增建了污水处理厂，但随之而来的是产生了大量的污泥，这些污泥包含丰富的微生物，有机质也含有毒有害物质。其处置费用占据了污水处理厂的主要运营成本。传统的污泥处置方法，如填埋和农业利用，由于其环境风险(如重金属土壤污染、食品安全问题)而逐渐受到限制或禁止。因此，在满足污泥减量化、稳定化和无害化的条件下，寻找一种成本低、有附加经济价值的处理方法具有重要意义。
近年来厌氧发酵技术因其运行成本低，操作简单，能够同时实现污泥减量，和可利用资源回收的优点，成为剩余污泥处置的新热点。这一技术通过将污泥中含有的大量有机物厌氧分解，产生大量具有附加值的生物质能源(如短链脂肪酸、甲烷、氢气等)，污泥因此成为一种资源。通过污泥发酵获得的短链脂肪酸已被证明是一种良好的化学碳源替代品，因为它对污水处理***的脱氮除磷性能有更好的改善。在这个过程中，厌氧发酵不仅可以大大减少污泥的体积，而且可以通过灭活大部分病原菌来稳定污泥。更重要的是，实现了污泥的资源化、减量化、无害化。
一般理论而言，污泥厌氧发酵分为三个阶段，即水解、酸化和甲烷化。短链脂肪酸是厌氧发酵的一种中间产物，主要产生于水解酸化阶段，而在甲烷化阶段被微生物所消耗。因此，增强污泥溶出，为产酸细菌提供更多底物同时抑制甲烷化阶段耗酸微生物的活性是大量积累短链脂肪酸的关键。由于传统厌氧发酵的水解率和发酵时间较长，是污泥厌氧发酵产酸的主要限速步骤，因此需要对污泥进行预处理(例如，热处理、冻融处理、机械处理、超声波处理、化学处理)，以加强污泥溶出。其中，超声波处理是一种操作简单，能耗相对较低，发展较为成熟且应用较为广泛的处理技术。超声波处理可以通过高频的声波振动促进污泥胞外多聚物分散，一定程度上裂解微生物细胞，加速污泥溶出。
二氯异氰尿酸钠是一种广泛应用于游泳池和饮用水消毒的氧化剂，可以形成次氯酸渗透至微生物内部，解离产生的H+也导致细菌胞内pH降低。最近的研究表明，二氯异氰尿酸钠可以促进污泥溶出，释放出大量溶解性蛋白质和多糖，为产酸提供丰富的营养物质，并且产酸菌对其的耐受能力强于产甲烷菌，增强短链脂肪酸产生的同时减少了短链脂肪酸的消耗，这使得短链脂肪酸得以积累。因此，本发明提供了一种利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理，促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，获得了具有经济价值的短链脂肪酸，操作简单方便且成本较低，是一种切实可行的污泥处理方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥厌氧发酵产生短链脂肪酸的方法。首先利用超声波预处理分散裂解污泥，提高污泥溶出效果，为发酵产短链脂肪酸提供底物；利用二氯异氰尿酸钠处理进一步促进污泥破解，提升水解酸化效率的同时抑制耗酸细菌(主要有产甲烷菌等)，以此提高污泥厌氧发酵的短链脂肪酸产量。
为了达到上述目的，本发明的方案为：
一种利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法，包括如下步骤：
(1)取活性污泥，自然沉降后倾去上清液，得到浓缩污泥，然后将浓缩污泥进行超声波预处理；
(2)取二氯异氰尿酸钠与步骤(1)所得超声波预处理污泥充分混合，随后在厌氧环境下发酵，产生短链脂肪酸。
进一步地，步骤(1)中，所述活性污泥为城市污水厂产生的活性污泥，沉降时间为20～30小时，倾去上清液得到浓缩污泥。
进一步地，步骤(1)中，所述浓缩污泥的浓度为11000～13000mg/L，所述浓缩污泥中挥发性悬浮固体与总悬浮固体的质量比为0.65～0.75。
进一步地，步骤(1)中，超声波处理的声能密度为0.8～1.2W/mL，频率为20～30kHz，处理时间为10～20分钟。
进一步地，步骤(2)中，二氯异氰尿酸投加量为50～200mg/g TSS(TSS表示总悬浮固体)，优选为150mg/g TSS。
进一步地，步骤(2)中，污泥中通入氮气，时间为4～8分钟，直至反应器中没有氧气的存在，保证厌氧环境，密封之后将厌氧发酵反应器放入恒温水浴振荡器中，进行厌氧发酵过程。
进一步地，步骤(2)中，发酵的温度为25±1℃，发酵在震荡条件下进行，震荡速度为100～140rpm/min。
进一步地，步骤(2)中，发酵的时间为10～14天。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过采用超声波预处理，处理时间短，能耗低，易操作。
(2)本发明使用二氯异氰尿酸钠联合超声波处理，促进污泥产短链脂肪酸的同时抑制了耗酸微生物的活性，大幅提升了污泥厌氧发酵短链脂肪酸的产量。
附图说明
图1为实施例和对比例中短链脂肪酸产量变化图。
图2为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。在本发明实施例和对比例中，浓缩污泥的浓度为11000～13000mg/L，所述浓缩污泥中挥发性悬浮固体与总悬浮固体的质量比为(0.65～0.75)。
实施例1
(1)取城市污水处理厂产生的活性污泥，自然沉降1小时后倾去上清液，得到浓缩污泥。将500mL浓缩污泥加入体积为1L的有机玻璃反应器中进行超声波预处理，超声波处理的声能密度为1W/mL，频率为25kHz，处理时间为15分钟；
(2)向步骤(1)所得污泥中，投加50mg/g TSS的二氯异氰尿酸钠，搅拌均匀。往反应器中充入氮气，持续5min以去除氧气，密封反应器放入摇床进行厌氧发酵，其中，摇床发酵温度为25±1℃，震荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为7d，短链脂肪酸的产量为218.34mg COD/g VSS。
实施例2
(1)取城市污水处理厂产生的活性污泥，自然沉降1小时后倾去上清液，得到浓缩污泥。将500mL浓缩污泥加入体积为1L的有机玻璃反应器中进行超声波预处理，超声波处理的声能密度为1W/mL，频率为25kHz，处理时间为15分钟；
(2)向步骤(1)所得污泥中，投加100mg/g TSS的二氯异氰尿酸钠，搅拌均匀。往反应器中充入氮气，持续5min以去除氧气，密封反应器放入摇床进行厌氧发酵，其中，摇床发酵温度为25±1℃，震荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为6d，短链脂肪酸的产量为276.98mg COD/g VSS。
实施例3
(1)取城市污水处理厂产生的活性污泥，自然沉降1小时后倾去上清液，得到浓缩污泥。将500mL浓缩污泥加入体积为1L的有机玻璃反应器中进行超声波预处理，超声波处理的声能密度为1W/mL，频率为25kHz，处理时间为15分钟；
(2)向步骤(1)所得污泥中，投加150mg/g TSS的二氯异氰尿酸钠，搅拌均匀。往反应器中充入氮气，持续5min以去除氧气，密封反应器放入摇床进行厌氧发酵，其中，摇床发酵温度为25±1℃，震荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为7d，短链脂肪酸的产量为326.53mg COD/g VSS。
实施例4
(1)取城市污水处理厂产生的活性污泥，自然沉降1小时后倾去上清液，得到浓缩污泥。将500mL浓缩污泥加入体积为1L的有机玻璃反应器中进行超声波预处理，超声波处理的声能密度为1W/mL，频率为25kHz，处理时间为15分钟；
(2)向步骤(1)所得污泥中，投加200mg/g TSS的二氯异氰尿酸钠，搅拌均匀。往反应器中充入氮气，持续5min以去除氧气，密封反应器放入摇床进行厌氧发酵，其中，摇床发酵温度为25±1℃，震荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为9d，短链脂肪酸的产量为289.90mg COD/g VSS。
对比例1
(1)取城市污水处理厂产生的活性污泥，自然沉降后倾去上清液，得到浓缩污泥。将500mL浓缩污泥加入体积为1L的有机玻璃反应器中；
(2)反应器中不投加二氯异氰尿酸钠，搅拌均匀。往反应器中充入氮气，持续5min以去除氧气，密封反应器放入摇床进行厌氧发酵，其中，摇床发酵温度为25±1℃，震荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为7d，短链脂肪酸的产量为76.83mg COD/g VSS。
对比例2
(1)取城市污水处理厂产生的活性污泥，自然沉降后倾去上清液，得到浓缩污泥。将500mL浓缩污泥加入体积为1L的有机玻璃反应器中进行超声波预处理，超声波处理的声能密度为1W/mL，频率为25kHz，处理时间为15分钟；
(2)反应器中不投加二氯异氰尿酸钠，搅拌均匀。往反应器中充入氮气，持续5min以去除氧气，密封反应器放入摇床进行厌氧发酵，其中，摇床发酵温度为25±1℃，震荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为7d，短链脂肪酸的产量为107.56mg COD/g VSS。
对比例3
(1)取城市污水处理厂产生的活性污泥，自然沉降后倾去上清液，得到浓缩污泥。将500mL浓缩污泥加入体积为1L的有机玻璃反应器中；
(2)向步骤(1)所得污泥中，投加150mg/g TSS的二氯异氰尿酸钠，搅拌均匀。往反应器中充入氮气，持续5min以去除氧气，密封反应器放入摇床进行厌氧发酵，其中，摇床发酵温度为25±1℃，震荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为7d，短链脂肪酸的产量为233.23mg COD/g VSS。
实施例和对比例的短链脂肪酸产量如表1和图1所示：
表1实施例与对比例的发酵比较表
从表1中可以看出，实施例1至4的短链脂肪酸产量比对比例1的短链脂肪酸产量有了非常明显的提高，且所有实施例均高于对比例，这说明二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理是可行且有效的。尤其是，最优条件下的实施例3的短链脂肪酸产量分别是对比例1-3(即未作任何处理组、仅超声波处理组、仅二氯异氰尿酸钠组)的4.25、3.03、1.4倍。也就是说，二氯异氰尿酸钠联合超声波处理促进污泥厌氧发酵产短链脂肪酸，确实获得了非常好的效果。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。虽然本发明已以较佳的实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，熟悉本领域技术的人员可以对本发明技术方案做出许多可能的修改，或者修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是不脱离本发明范畴所做任何简单的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取活性污泥，自然沉降后倾去上清液，得到浓缩污泥，然后将浓缩污泥进行超声波预处理；
(2)取二氯异氰尿酸钠与步骤(1)所得超声波预处理污泥充分混合，随后在厌氧环境下发酵，产生短链脂肪酸。
2.根据权利要求1所述的利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述活性污泥为城市污水厂产生的活性污泥，沉降时间为20～30小时，倾去上清液得到浓缩污泥。
3.根据权利要求1所述的利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述浓缩污泥的浓度为11000～13000mg/L，所述浓缩污泥中挥发性悬浮固体与总悬浮固体的质量比为0.65～0.75。
4.根据权利要求1所述的利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(1)中，超声波处理的声能密度为0.8～1.2W/mL，频率为20～30kHz，处理时间为10～20分钟。
5.根据权利要求1所述的利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(2)中，二氯异氰尿酸投加量为50～200mg/g TSS。
6.根据权利要求1所述的利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(2)中，污泥中通入氮气，时间为4～8分钟，直至反应器中没有氧气的存在，保证厌氧环境，密封之后将厌氧发酵反应器放入恒温水浴振荡器中，进行厌氧发酵过程。
7.根据权利要求1所述的利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(2)中，发酵的温度为25±1℃，发酵在震荡条件下进行，震荡速度为100～140rpm/min。
8.根据权利要求1所述的利用二氯异氰尿酸钠联合超声波预处理提高污泥产生短链脂肪酸的方法，其特征在于，步骤(2)中，发酵的时间为10～14天。
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