申请日2014.01.27
公开(公告)日2017.01.25
IPC分类号C02F11/00; C02F11/04; C02F11/12; C12P3/00
摘要
本发明是将液压深度脱水与厌氧发酵制氢法相结合，对城市生活污水处理厂中的传统机械脱水污泥进行资源化处理。第一阶段，通过加入调节剂CaO协助液压法对污泥进行深度脱水，污泥含水率能够降低至60%以下。第二阶段，以第一阶段得到的压滤液为底物进行厌氧发酵制氢，通过加入零价铁粉对反应体系进行优化，能够降低体系的氧化还原电位、维持pH为中性，提供产氢微生物中氢化酶所需的铁元素，从而提高厌氧发酵反应体系的产氢速率、COD的降解率。
权利要求书
1.液压脱水与厌氧发酵处理城市生活污水处理厂污泥的方法，即一种液压深度脱水与厌氧发酵制氢联合处理城市生活污水处理厂污泥的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取一定质量的机械脱水污泥，加入CaO，其投加量为污泥质量的1.5～2.5%，加入去离子水，其加入量为污泥质量的15～25%，混合均匀，用80～100目的尼龙滤布包裹;
(2)将1～5个包裹污泥的滤布放入液压缸中，进行加压脱水处理，得到深度脱水污泥，并在装置底部收集压滤液;
(3)污泥脱水结束后，在收集的压滤液中加入300～400目的铁粉，投加量为压滤液质量的0.1～0.2%;
(4)再加入甲烷菌抑制剂C2H4BrO3SNa(BESA)，放置18～24h;
(5)采用计量泵进料至全混流反应器中，水浴温度设为37±1℃，水力停留时间(HRT)为1～3d，处理压滤液。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：液压深度脱水阶段，步骤(2)所述的液压加压的管压为4.5～5.5MPa。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：以压滤液为底物的厌氧发酵制氢阶段，步骤(4)投加的甲烷菌抑制剂浓度较低，为0.1～0.3g/L-压滤液。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：以压滤液为底物的厌氧发酵制氢阶段，步骤(5)的进料速率为0.2～0.6L/d，针对高有机物浓度的压滤液采用较长的水力停留时间。
5.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：液压深度脱水阶段，步骤(2)所述的加压脱水处理时间为0.5～1h。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：液压深度脱水阶段，步骤(1)所用的机械脱水污泥的含水率为75～85%。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：以压滤液为底物的厌氧发酵制氢阶段，采用排水法收集气体，用气相色谱分析气体组成，定期分析液体样品。
说明书
液压脱水与厌氧发酵处理城市生活污水处理厂污泥的方法
技术领域
本发明涉及一种城市生活污水处理厂污泥的资源化处理方法，污泥液压深度脱水后得到的一种性质区别于进水的压滤液，将压滤液作为厌氧发酵的底物进行制氢。通过加入零价铁优化厌氧发酵过程，促进有机物的降解并提高产氢量。属于污泥处理技术领域。
背景技术
目前，城市生活污水处理厂主要应用的废水处理方法是活性污泥法，此法会产生大量的剩余污泥。随着污水处理量的增加和排放标准的提高，污泥处理方法也在不断改进以满足减量化、稳定化、无害化和资源化的要求。
城市生活污水处理厂的污泥处理和管理费用占整个污水处理厂的50～60%，因此寻找一种安全的、可行的、资源化的处理方法显得尤为重要。一般污水处理厂经过机械脱水后的污泥含水率为70～80%。传统的污泥处理方法主要有填埋、堆肥、焚烧等，在50年代主要的污泥处置方法就是填埋，但是随着人口激增、土地资源的锐减和含水率较高污泥填埋产生的污染，现在对填埋污泥的标准要求越来越严格。《生活垃圾填埋污染控制标准(GB16889-2008)》中要求生活污泥含水率小于60%才可以进入填埋场。经过深度脱水处理后的污泥成为易处理的固态，不但可以大大减少填埋用地还可降低运输成本。
目前，污泥水解预处理技术主要有机械破碎、微波破碎、超声波破碎、热水解、酶处理及酸碱处理等。采用机械破碎技术中的高压法不仅能够降低污泥含水率便于其后续处理，而且能够使胞内有机质释放出来为后续厌氧发酵反应提高更多的营养物质。液压技术是通过将液压能转变为机械能进行直线往复运动或摆动运动进行挤压的，与其他加压方式相比，具有装置结构简单、工作可靠、运动平稳等优点。1995年，美国专利US005386768中报道采用液压作为驱动力对污泥进行脱水能够实现连续运行，但并未提到装置的脱水效果。采用液压技术对城市污水处理厂的生活污泥进行深度脱水，污泥细胞破碎后得到的压滤液不仅含有丰富的蛋白质、糖类等易发酵物质，还有氮、磷、钾等营养元素，及微生物生长所需要的微量元素(Fe、Mg、Zn、Ca、Co等)。由于压滤液的性质与污水处理厂的浓缩池或机械脱水处理单元的回水性质不同，把它作为厌氧发酵的底物进行单独处理不仅能够避免其对进水水质的影响而且能够回收能源。厌氧消化工艺是实现污泥稳定化和资源化的重要手段，能够将有机质转化为生物气体。
发明内容
本发明是结合污泥深度脱水和厌氧消化法的优势，提出一种低成本、资源化的污泥处理系统。污泥深度脱水主要是通过对污泥进行调理，进行细胞壁破除，释放出结合水、吸附水和细胞内水，改善污泥的脱水性能，使处理后的污泥含水率低于60%。污水处理厂现有的工艺是将污泥深度脱水后得到的滤液回送至污水处理系统中进行处理。但由于压滤液性质的不同易造成系统的不稳定和低效运行。本发明提出对污泥深度脱水压滤液进行单独处理，作为厌氧发酵的底物进行资源化处理。选择全混流反应器(CSTR)，其优点是反应器设计简单、对悬浮固体含量没有要求，抗冲击负荷能力较强等。
采用某污水处理厂的机械脱水污泥作为实验材料，经过脱水后的污泥含水率为75～85%，并没有达到填埋要求，需要对其进行深度脱水。污泥燃烧热值较高，富有蛋白质、糖等易被微生物利用的碳源，产氢微生物可以利用这些有机物进行厌氧发酵制氢。
某污水处理厂的机械脱水污泥的特性指标
本发明提出的处理方法的主要优点：
1.第一阶段——液压污泥深度脱水阶段
1.1传统的污泥机械脱水设备有带式压滤机、离心脱水机和板框压滤机等，只能将污泥的含水率降低到70～80%。而在液压加压下，4.5～5.5MPa的管压，能够使污泥的含水率进一步降低。
1.2污水处理厂污泥一般是亲水性负电荷的胶体颗粒，施加外界压力时，存在静电斥力相互排斥，影响了污泥脱水效果。加入CaO(污泥质量的1.5～2.5%)进行调节，CaO除了可以调节pH还可以改变污泥颗粒的结构，溶解后钙离子被污泥中的腐殖酸吸附形成多孔网格状骨架，可改善污泥的可压缩性。脱水后的污泥含水率可降至55%左右，深度脱水后的污泥稳定性较高，后续处理处置技术简便易行。
2.第二阶段——以压滤液为底物的厌氧发酵制氢阶段
2.1与传统的碳水化合物相比，以污泥作为厌氧发酵制氢的底物更困难。污泥中的有机质大多为微生物的细胞质，被细胞壁包裹。通过液压法对污泥进行深度脱水后，得到的压滤液具有丰富的有机物，COD为4500mg/L左右。
2.2本发明是以压滤液作为底物进行厌氧发酵产氢，与以前直接利用污泥厌氧发酵产甲烷相比，更具有可持续发展的意义。氢气是一种燃烧热值大、无二次污染的能源物质，被誉为“未来能源”，用途广泛。开发和利用氢能可进一步完善能源多样化构成、减少对外部能源依赖，确保我国能源的长期安全供给。
2.3有研究表明加入零价铁能够降低厌氧体系中的氧化还原电位(ORP)，可用于优化厌氧发酵产甲烷系统。而关于加入零价铁对厌氧发酵产氢系统进行优化的报道几乎没有，本发明通过加入少量的零价铁粉提高了厌氧发酵产氢系统的效率和稳定性。与没有加入零价铁的体系相比，CSTR出水的pH更稳定并接近中性，ORP降低了约100mV，COD的去除率提高了约10%，产氢速率提高了约100mL/(L·d)。零价铁价廉易得、来源广泛、具有还原性，通过Fe0-2e-=Fe2+反应降低体系的ORP，提供产氢微生物中氢化酶所需的铁元素。
3.能量计算
3.1第一阶段，液压装置工作的能耗计算：
E1=P×t1×N
E1：液压装置所消耗的能量，kJ;
P：液压装置的功率，2.2kW;
t1：液压装置的工作时间，30s;
N：处理污泥次数，60。
3.2第二阶段，厌氧发酵过程的能耗计算：
E2：厌氧过程的能耗，kJ;
C：压滤液的比热，4.2kJ/(kg·K);
ρ：压滤液的密度，1kg/L;
V：发酵反应器的有效体积，0.6L;
HRT：水力停留时间，3d;
T2：发酵温度，310K;
T1：压滤液初始的温度，290K;
t2：发酵反应进行的时间，36d。
3.3系统所得的生物质能的计算：
E3=Q×HPR×V×t2
E3：从氢气中获得的生物质能，kJ;
Q：氢气热值，12.87kJ/L;
HPR：产氢速率，0.6L/(L·d);
V：发酵反应器有效体积，0.6L;
t2：发酵反应进行的时间，36d。
说明：(1)以上计算过程是以一个实验周期为基本计算单元;(2)氢气热值，143kJ/g;氢气密度，0.09g/L;用体积表示氢气热值为，143×0.09=12.87kJ/L。
从计算结果可见，液压加压所消耗的能量E1为3960kJ，厌氧过程的能耗主要是加热压滤液使其维持在37℃进行发酵，能耗为E2为605kJ，处理系统得到的生物质能主要是从产氢中获得的E3为167kJ。虽然通过计算发现，本发明所提到的处理系统的净能量是负值(-4307kJ)，即说明体系需要输入能量。产生的氢气的能量能够弥补约4%的能量消耗。而在实际操作过程中，可以考虑利用锅炉废热对发酵系统进行加热保温，以减少能量的输入。
实验具体操作步骤如下：
(1)称取含水率为80%的污泥50～55g，CaO0.8～1.2g，加入去离子水12.5mL，混合均匀，用80～100目的尼龙滤布包裹;
(2)将1～5个包裹污泥的滤布放入液压缸中，管压为4.5～5.5MPa，进行加压脱水处理，得到深度脱水污泥，并在装置底部收集压滤液;
(3)脱水结束后，在收集的压滤液中加入铁粉，投加量为压滤液质量的0.1～0.2%，铁粉为300～400目;
(4)再加入0.1～0.3g/L-压滤液的甲烷菌抑制剂C2H4BrO3SNa(BESA)，放置18～24h;
(5)采用计量泵按一定速率进料至CSTR反应器中，反应器有效体积为600mL，水浴温度为37±1℃，HRT为1～3d;
(6)采用排水法收集气体，用气相色谱进行分析气体组成，定期分析液体样品。
本发明提及的缩写，其原文及意义如下：
CSTR：Continuous stirred tank reactor，全混流反应器;
TS：Total solids，总固体浓度;
VS：Volatile solids，挥发性固体浓度;
COD：Chemical oxygen demand，化学需氧量;
HRT：Hydraulic retention time，水力停留时间;
HPR：Hydrogen production rate，产氢速率。