申请日2013.03.14
公开(公告)日2013.07.10
IPC分类号C02F11/04
摘要
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种提高污水厂剩余污泥产甲烷的方法。该方法包括以下步骤：(1)将污泥与黑麦草充分混合发酵水解产酸;(2)将步骤(1)得到的混合物进行厌氧发酵产生甲烷。本发明以能源草促进污水厂剩余污泥产甲烷的方法，不但可以同时提高污泥产短链脂肪酸量和产甲烷量，而且使污泥中的有机物得到更充分的回收和再利用，减少了污泥对环境的污染。
权利要求书
1.一种提高污水厂剩余污泥产甲烷的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将污泥与黑麦草充分混合发酵水解产酸;
(2)将步骤(1)得到的混合物进行厌氧发酵产生甲烷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中污泥与黑麦草按照碳氮比 为7:1-26:1的比例混合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中污泥与黑麦草按照碳氮比 为20:1的比例混合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中厌氧发酵水解产酸的温度 为30-40℃，pH值为4-7，厌氧发酵产酸的时间为8-16天。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中厌氧发酵水解产酸的温度 为33-37℃，pH值为4.5-5.5，厌氧发酵产酸的时间为11-13天。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中厌氧发酵产甲烷的pH值 为6-8。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中厌氧发酵产甲烷的pH值 为6.5-7.5。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中厌氧发酵甲烷的温度为 30-40℃，发酵时间为40-60天。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中厌氧发酵甲烷的温度为 33-37℃，发酵时间为39-41天。
说明书
一种提高污水厂剩余污泥产甲烷的方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种提高污水厂剩余污泥产甲烷的方法。
背景技术
有机固体的厌氧发酵产甲烷过程可分为四个阶段，即溶解阶段、水解阶段、产酸阶段和 产甲烷阶段。通常条件下，污泥的溶解和水解速率较慢，是有机物生物降解过程的限速步骤 (例如，文献Waste Manage.2012,32,542-549;Bioresour.Technol.2012,103,415-424;Bioresour. Technol.2011,102,10849-10854)。因此，在发酵产酸过程中，如能够提高污泥的溶解和水解 速率，不但可以缩短系统的水力停留时间，提高有机物的去除率，而且能够为后续的产酸过 程提供更多的溶解性发酵底物，进而提高甲烷产量。研究者们提出了诸多提高污泥溶解和水 解速率的方法，这些方法的基本原理是促使污泥中颗粒态的有机物分解为小分子溶解态的有 机物，从而可以提高这些有机物的生物降解性能。文献较多地报道了各种预处理方法提高污 泥的溶解、水解以及产甲烷量，而未对如何促进污泥共代谢厌氧消化的方法进行研究。
尽管研究者们分别对剩余污泥和草本植物的厌氧消化过程进行了研究，并提出相应促进 溶解、水解的预处理方法，但关于草本植物促进剩余污泥共代谢及联合厌氧发酵产沼气的效 能研究则未见报道。如果将较易于厌氧发酵产沼气的黑麦草(高碳氮比C/N)加入剩余污泥 (低碳氮比)中，调节适合的碳氮比，则可以提高其厌氧共代谢产沼气的效能。
发明内容
本发明要解决剩余污泥产甲烷效率不高的技术问题，提供一种添加多年生黑麦草显著促 进污水厂剩余污泥生产甲烷的方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种提高污水厂剩余污泥产甲烷的方法，包括以下步骤：
(1)将污泥与黑麦草充分混合发酵水解产酸;
(2)将步骤(1)得到的混合物进行厌氧发酵产生甲烷。
所述的步骤(1)中污泥与黑麦草按照碳氮比(碳、氮元素均来自于污泥与草)为7:1-26:1 的比例混合，该比值优选为20:1。
所述的步骤(1)中厌氧发酵水解产酸的温度为30-40℃，pH值为4-7，厌氧发酵产酸的 时间为8-16天;优选的，水解产酸的温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，厌氧发酵产酸的时间 为11-13天。
所述的步骤(2)中厌氧发酵产甲烷的pH值为6-8，优选pH为6.5-7.5。
所述的步骤(2)中厌氧发酵产甲烷的温度为30-40℃，时间为40-60天，厌氧发酵产甲 烷的温度优选为33-37℃，发酵时间优选为39-41天。
本发明具有以下有益效果：
本发明以黑麦草促进污水厂剩余污泥产甲烷的方法，不但可以同时提高污泥产短链脂肪 酸量和产甲烷量，而且使污泥中的有机物得到更充分的回收和再利用，减少了污泥对环境的 污染。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明。
为促进剩余污泥产甲烷效率，本发明经过多次反复实验，发现采用下述本发明以黑麦草 促进污水厂剩余污泥产甲烷的方法，能够显著提高甲烷产量。
本发明以黑麦草促进污水厂剩余污泥产甲烷的方法，包括以下步骤：
将污泥与黑麦草按照不同碳氮比(C/N)7:1、10:1、12:1、14:1、16:1、18:1、20:1、22:1、 24:1、26:1混合，温度为30-40℃，pH值控制为4-7，经过8-16天充分的水解产酸阶段。然 后，调节pH值为6-8，温度为30-40℃，发酵40-60天产生甲烷。
本发明方法首先将剩余污泥与黑麦草按照不同碳氮比(C/N)7:1、10:1、12:1、14:1、16:1、 18:1、20:1、22:1、24:1、26:1混合，温度为30-40℃，pH值为4-7，经过8-16天充分的水解 产酸阶段。这样不仅可以使污泥水解速率得到明显提高，产生出较多的溶解性碳水化合物等， 而且由溶解性碳水化合物生成的短链脂肪酸量也得到提高，这为后续厌氧产甲烷阶段提供了 丰富的碳源。
本发明产甲烷阶段将发酵混合物的pH值调为6-8，温度为30-40℃，发酵20-60天产生 甲烷，实现产甲烷量最大化。本发明通过添加黑麦草调节污泥的碳氮比，优化污泥与黑麦草 混合发酵的水解、酸化的条件参数与产甲烷阶段的工艺条件参数相结合，可显著提高剩余污 泥的产甲烷量。
通过实验发现，本发明在污泥与能源草碳氮比(C/N)20:1，温度为33-37℃，pH值为 4.5-5.5的条件下，厌氧发酵11-13天，获得的短链脂肪酸的浓度最大。
进一步研究发现，本发明方法在产甲烷阶段，调节pH值为6.5-7.5，温度为33-37℃，发 酵39-41天产甲烷量最大化。
实施例1
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为7:1的比例混合充 分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸的 浓度为50g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过19-21天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为1.6L-CH4。
实施例2
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为10:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为100g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过19-21天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为1.8L-CH4。
实施例3
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为12:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为150g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过19-21天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为2.5L-CH4。
实施例4
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为14:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为180g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过19-21天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为3.2L-CH4。
实施例5
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，污泥与黑麦草按照碳氮比为16:1的比例混合充分混合发酵水 解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸的浓度为200 g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过19-21天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为3.8L-CH4。
实施例6
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为18:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为250g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过19-21天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为4.5L-CH4。
实施例7
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为20:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为350g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过19-21天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为8.8L-CH4。
实施例8
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为22:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为310g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过19-21天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为5.4L-CH4。
实施例9
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为24:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为270g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过19-21天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为4.3L-CH4。
实施例10
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为26:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为140g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过19-21天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为3.6L-CH4。
实施例11
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为20:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为350g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过29-31天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量为15.5L-CH4。
实施例12
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为20:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为350g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过39-41天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量最大为21.4L-CH4。
实施例13
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为,20:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为350g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过49-51天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量最大为20.1L-CH4。
实施例14
(1)将1kg污水厂剩余污泥加入2L的反应器中(玻璃钢材质，工作容积为1.5L，内径 10cm，高26cm，呈圆柱形)，并加入黑麦草，污泥与黑麦草按照碳氮比为20:1的比例混合 充分混合发酵水解产酸;发酵温度为33-37℃，pH值为4.5-5.5，发酵11-13天，短链脂肪酸 的浓度为350g-COD/kg-TS。
(2)控制pH为6.5-7.5，温度33-37℃，上述混合物经过59-61天厌氧发酵产甲烷，甲 烷产量最大为19.3L-CH4。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉 本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应 用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技 术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范 围之内。