申请日2014.03.25
公开(公告)日2014.07.09
IPC分类号C02F11/12; C02F11/02
摘要
基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法，属于环境保护领域。本专利针对市政脱水污泥有机质含量高但污泥中营养成分难以充分利用的问题，首先采用氢氧化钠对市政脱水污泥进行预处理后进行生物干化。本发明主要步骤为：(1)市政脱水污泥的氢氧化钠预处理。(2)污泥生物干化基质的调配。(3)污泥发酵接种物的制备。(4)碱性条件下市政脱水污泥生物干化。通过上述步骤，能够实现市政污泥的快速脱水及稳定化。
权利要求书
1.基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法，其特征是它由以下步骤组成：(1)100份市政脱水污泥中加入0.2-1份氢氧化钠预处理后获得碱性污泥基质;(2)调配碱性污泥基质含水量至50-65%获得污泥生物干化基质;(3)含有保藏号为CCTCC No.M 2014001的棘孢木霉CGM-10(Trichoderma asperellum CGM-10)的污泥发酵接种物的培养，获得污泥发酵接种物;(4)生物干化处理5-10天，获得污泥生物干化产品。
2.根据权利要求1所述的基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法，其特征是其步骤(1)中氢氧化钠预处理的具体流程为，在以重量份计的含水量为70-80%的市政脱水污泥100份中加入0.2-1份的氢氧化钠，搅拌均匀后在20-40℃条件下处理2-4天，获得碱性污泥基质。
3.根据权利要求1所述的基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法，其步骤(2)调配碱性污泥基质的具体流程为：将经步骤(1)中获得的碱性污泥基质中的一部分烘或者晒至含水量为5-10%，或者利用步骤(4)中获得的污泥生物干化产品，加入步骤(1)获得的碱性污泥基质中，调节起始含水量为50-65%，获得污泥生物干化基质。
4.根据权利要求1所述的基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法，其步骤(3)的具体流程为：在20-40℃下接种棘孢木霉CGM-10 (Trichoderma asperellum CGM-10)，保藏号 CCTCC No. M 2014001，每公斤步骤(2)获得的污泥生物干化基质接种量为106-109个孢子，处理时间5-10天，获得污泥发酵接种物。
5.根据权利要求1所述的基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法，其步骤(4)生物干化处理的具体流程为：将步骤(2)所获得的污泥生物干化基质装入生物干化反应器，接种步骤(3)中获得的污泥发酵接种物，其重量为生物干化基质实际重量的5-10%，每日通风7-10次，通风量的体积与污泥实际体积比值为0.3-0.5︰1，每次持续时间为10-30分钟;通风时进行搅拌，转速为5-30转/分钟，持续时间为10-30分钟;生物干化温度持续保持在50-70℃，处理时间为5-10天;获得污泥生物干化产品。
说明书
基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法
技术领域
本发明涉及市政污泥干化技术，尤其涉及基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法。
背景技术
近年来，随着我国城市化进程的日益加快，污水处理设施的建设速度也随之大幅提高，污泥的产量也随之上升。据统计，至2009年底，我国共有城镇污水处理厂3000余家，当年污泥(含水量80%)产量已经超过2000万吨，并处于迅速增长阶段，污泥处理处置形式已经极为严峻。目前污泥的处理处置方法有填埋、焚烧、投海和堆肥等4种主要方式，其中填埋是其主要方式，但由于可利用场地缺乏，且极易导致二次污染，故该方式将会逐步被淘汰。此外，我国《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)规定城市污水厂污泥在含水率降到60%以下才能进入填埋场，而目前污水厂采用的机械脱水技术通常只能将污泥含水量降低到70-80%，不符合填埋要求。由于我国的污泥处理处置方式尚不完善，污泥的合理处理处置已经成为我国污水处理行业面临的严峻挑战
污泥的主要性质为：1)有机质丰富，性质不稳定，易腐化发臭;2)污染物含量高;3)含水量高，不易脱水;4)具有一定流动性，可管道输送;5)有一定肥效;6)含有病原菌和寄生虫卵。由于污泥的含水量通常在70-80%，具有体积大、性质不稳定、不易运输等特点，故需要进行脱水实现其减量化是对其进行处理处置的首要问题。目前通常采用的污泥干化工艺为热干化技术，具有占地面积小、效率高等优点，但因其能耗较高，不符合节能减排要求。因此，发展低能耗、低成本的生物干化技术在我国有着广阔的应用前景。
生物干化是处理包括污泥在内的城市固体废弃物的一种重要方式，是由高温堆肥工艺发展而来。其原理是利用微生物高温好氧发酵过程中有机物降解所产生的生物热能，能够使基质温度上升到55-70℃，同时通过过程调控手段促进水分蒸发，从而实现快速去除水分的一种干化处理工艺。生物干化最为显著的优点是不需要外加热源，其干化所需热能来自于微生物的生命活动，故具有环保、节能等优势。生物干化对于消除污泥臭味、杀灭其中的病原菌及寄生虫卵、降解有毒物质、固化或钝化重金属、改善污泥物理性状有着重要意义。
然而，目前生物干化技术存在处理速度慢、辅料添加量大等问题。专利申请公开说明书CN201210311429.3公开了一种污泥生物干化方法，其主要步骤是：(1)取部分污泥进行酸解处理，将酸解后的污泥回加到未酸解的污泥中;(2)向污泥内添加填充物(其中填充物A聚乙烯或聚丙烯或聚氯乙烯中一种或几种的组合，直径为5-10mm的球状、柱状或多棱体塑料颗粒;填充物B为稻壳或秸秆或木屑或杂草中的一种或者几种的组合);(3)添加复合微生物菌剂(主要菌种为黑曲霉和短小芽孢杆菌);(4)通风;(5)搅拌。该方法能部分解决污泥前期水解难度大、发酵启动速度慢的问题，但存在着污泥填充物回收难度大、不利于大范围推广等问题;且加入酸后会在一定程度上导致污泥pH值降低，不利于微生物快速生长。
目前对污泥生物干化采取的方法是在加入辅料(秸秆、粉煤灰等)的基础上通过高提高处理温度和通风量实现快速干化，未从污泥细胞内容物释放效果、微生物活性及污泥减量化最终效果角度综合考虑。
发明内容
本发明的目的是一种基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法。
基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法，其特征是它由以下步骤组成：(1)100份市政脱水污泥中加入0.2-1份氢氧化钠预处理后获得碱性污泥基质;(2)调配碱性污泥基质含水量至50-65%获得污泥生物干化基质;(3)含有保藏号为CCTCC No.M 2014001的棘孢木霉CGM-10(Trichoderma asperellum CGM-10)的污泥发酵接种物的培养，获得污泥发酵接种物;(4)生物干化处理5-10天，获得污泥生物干化产品。
本方案的具体特点还有，基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法步骤(1)中氢氧化钠预处理的具体流程为，在以重量份计的含水量为70-80%的市政脱水污泥100份中加入0.2-1份的氢氧化钠，搅拌均匀后在20-40℃条件下处理2-4天，获得碱性污泥基质。
基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法步骤(2)调配碱性污泥基质的具体流程为：将经步骤(1)中获得的碱性污泥基质中的一部分烘或者晒至含水量为5-10%，或者利用步骤(4)中获得的污泥生物干化产品，加入步骤(1)获得的碱性污泥基质中，调节起始含水量为50-65%，获得污泥生物干化基质。
步骤(3)的具体流程为：在20-40℃下接种棘孢木霉CGM-10 (Trichoderma asperellum CGM-10)，保藏号 CCTCC No. M 2014001，每公斤步骤(2)获得的污泥生物干化基质接种量为106-109个孢子，处理时间5-10天，获得污泥发酵接种物。
基于氢氧化钠预处理的市政脱水污泥无辅料生物干化方法其步骤(4)碱性条件下的生物干化处理的具体流程为：将步骤(2)所获得的污泥生物干化基质装入生物干化反应器，接种步骤(3)中获得的污泥发酵接种物，其重量为生物干化基质实际重量的5-10%，每日通风7-10次，通风量的体积与污泥实际体积比值为(0.3-0.5)︰1，每次持续时间为10-30分钟;通风时进行搅拌，转速为5-30转/分钟，持续时间为10-30分钟;生物干化温度持续保持在50-70℃，处理时间为5-10天;获得污泥生物干化产品。
本发明所用市政脱水污泥是指市政给排水处理系统给水、雨水、生活污水等收集并由水质净化厂经活性污泥法处理后经絮凝和脱水后所产生的含水量为60-80%的污泥，尤其是指干物质中有机质含量在40-60%的市政脱水污泥。
本发明所用菌株为棘孢木霉CGM-10，拉丁文学名Trichoderma asperellum CGM-10，该菌株已于2014年1月6日保藏于中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，地址为武汉市武昌珞珈山武汉大学，保藏编号 CCTCC No. M 2014001(Trichoderma asperellum CGM-10)。该菌株从市政污泥中筛选获得。其具体筛选方法为：(污泥浸出液1000毫升，愈创木酚0.06克，玉米淀粉2克，葡萄糖0.5克，琼脂20克，pH 9，121℃灭菌30分钟后倒平板)获得。其中污泥浸出液是指，将含水量60-80%的污泥烘干至含水量10%以下，以200克干污泥加入1000毫升自来水的比例进行提取并煮沸处理30分钟，离心获得的上清液。该棘孢木霉有如下特征：在选择性培养基上生长迅速，3天即可布满平板，气生菌丝为白色，孢子为绿色，在菌落上环状分布，能够分泌漆酶，在菌落周围能够产生明显铁红色氧化带。其活化培养基包括：土豆提取液200克，葡萄糖20克，自来水1000毫升，琼脂20克，pH5.0。其中土豆提取液是指，土豆200克，切块煮沸30分钟后用细纱布(80-150目)过滤后所得澄清提取液。
本发明所述棘孢木霉CGM-10 ITS-5.8S rDNA核苷酸序列如序列表SEQ ID No.1所示。通过美国生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information，NCBI)序列同源性分析，将本发明的菌株CGM-10 的ITS-5.8S核苷酸通过BLAST工具进行比对，比对结果表明该菌株属于棘孢木霉。结合该菌株所培养出、菌丝体形态分析和孢子的形态分析根据《真菌鉴定手册》(魏景超著)表明该菌株属于真菌木霉属中的棘孢木霉。
序列表 SEQ ID No.1
棘孢木霉CGM-10(Trichoderma asperellum CGM-10)ITS-5.8S rDNA核苷酸序列
1 CAACCCAATG TGACGTTACC AAACTGTTGC CTCGGCGGGG TCACGCCCCG GGTGCGTCGC
61 AGCCCCGGAA CCAGGCGCCC GCCGGAGGCA CCAACCAAAC TCTTTCTGTA GTCCCCTCGC
121 GGACGTATTT CTTTACAGCT CTGAGCAAAA ATTCAAAATG AATCAAAACT TTCAACAACG
181 GATCTCTTGG TTCTGGCATC GATGAACAAC GCAGCGAAAT GCGATAAGTA ATGTGAATTG
241 CAGAATTCAG TGAATCATCG AATCTTTGAA CGCACATTGC GCCCGCCAGT ATTCTGGCGG
301 GCATGCCTGT CCGAGCCTCA TTTCAACCCT CGAACCCCTC CGGGGGATCG GCGTTGGGGA
361 TCGGGACCCC TCACACGGGT GCCGGCCCCT AAATACAGTG GCGGTCTCGC CGCAGCCTCT
421 CCTGCGCAGT AGTTTGCACA ACTCGCACCG GGAGCGCGGC GCGTCCACGT CCGTAAAACA
481 CCCAACTTTC TGAAATGTTG ACCTCGGATC AGGTAGGAAT ACCCGCTGAA CTTAAGCATA
541 TCAATAAGCG GAGGAA
本发明所述木霉孢子的制备方法为：经本发明所述活化培养基在30℃培养7天后，用无菌水(121℃灭菌30分钟后获得的无菌去离子水)冲洗并稀释后获得一定浓度的孢子悬液。
本发明所述生物干化反应器是指具有搅拌和通风功能的好氧发酵装置，特别的，指具有搅拌和通风功能的固体发酵罐系统。
本发明中如无特殊说明，原料用量均为重量份。
本发明的有益效果为：利用氢氧化钠预处理技术、碱性污泥生物干化技术及干化污泥回用技术，使污泥生物干化系统微生物活性大幅提高(发酵温度保持在50-70℃)，实现市政脱水污泥的高效生物干化和减量化、稳定化的目的。该技术具有无需外加热源、能耗低，无秸秆、粉煤灰等外源辅料添加、后处理简便、适宜大范围推广等优点，具体分析如下：
1、本方法在预处理过程中低剂量的氢氧化钠，可加快污泥中微生物细胞破壁，容易被微生物利用的可溶蛋白能够实现大幅提高(如从480微克/克干重上升到14580微克/克干重)，为后续生物干化升温处理提供了营养物质基础。
2、本方法加入的氢氧化钠量较少，且在处理过程中随着污泥中微生物细胞被破坏，胞内物质释放，会导致污泥pH值出现一定程度下降，处理后污泥pH值达到8-10，适合大多数微生物生长。
3、本方法在碱性污泥基质中接种棘孢木霉，利用该菌株在利用碱性污泥基质发酵过程中产生的大量酸性物质降低pH(可降低0.8-1.2个pH单位)，有利于基质中微生物的快速生长繁殖。此外，该棘孢木霉菌株还能分泌漆酶，可降解污泥中的部分污染物如酚类物质和多环芳烃，降低其中的污染物含量。
4、本方法实现了碱性处理、碱性条件下污泥干化连续进行，且利用干化污泥回用作为水分调理剂，不再加入外源辅料农作物秸秆或者粉煤灰。
具体实施方式