一种短时高效NaOH预处理污泥和玉米秸秆中温共发酵产酸的方法与流程

本发明涉及一种短时高效naoh预处理污泥和玉米秸秆中温共发酵产酸的方法，属于固体废弃物处理技术领域。

背景技术：

当前，环境问题日益受到人们的关注，已经成为世界各国面临的主要问题之一。如何将废弃物有效的再利用，是各国关注的焦点。剩余污泥厌氧发酵产挥发酸技术，能够有效利用污泥中的有机质，产生具有广阔经济价值的挥发酸产品。然而，限制污泥资源化利用的主要因素就是污泥的絮体结构和细胞壁的屏蔽作用，使得胞内糖类、蛋白质等有机质等很难溶出。因此如何对污泥进行适当的预处理，提高污泥絮体和细胞的破裂水平，提高污泥厌氧消化的速度，是需要解决的一大难题。另一方面，由于剩余污泥的c/n比较低，必须通过适当地投加外加碳源进行调质，而作为农业废弃物的玉米秸秆，其含着丰富的纤维素、半纤维素等碳水化合物。近几年，利用剩余污泥和玉米秸秆共发酵生产挥发性短链脂肪酸已经成为国内外专家的研究热点。

技术实现要素：

本发明创造的目的是提出一种短时高效naoh预处理污泥和玉米秸秆中温共发酵产酸的方法，通过对剩余污泥进行naoh预处理，再与玉米秸秆进行中温共发酵，促进污泥絮体和细胞破解，进一步提高污泥可生化性以及污泥厌氧发酵产酸的效率，缩短反应时间，实现剩余污泥和玉米秸秆的减量化、资源化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种短时高效naoh预处理污泥和玉米秸秆中温共发酵产酸的方法，包括如下步骤：

1)秸秆与污泥的预处理：

1a)将玉米秸秆进行稀碱前处理；

1b)将污泥进行naoh预处理；

2)厌氧共发酵产酸：将经过步骤1b)处理后的污泥和经过1a)后处理的秸秆按比例置于中温厌氧消化装置中，作为基质，密封容器，搅拌器转速为90-110r/min，发酵温度为30-40℃，连续培养8-10d。

步骤1a)将玉米秸秆进行稀碱前处理，具体为：按1g秸秆：10ml碱液的比例，取秸秆粉碎后的秸秆粉和碱液混合，接着将混合物放入85℃恒温水浴锅内，加热1h后，再放入离心机中离心以9000-11000r/min离心作用9-11min；然后除去混合液中的上清液，剩下的滤渣放入65-72℃烘箱中，烘干至恒重，粉碎。

所述的碱液具体是质量分数为2％的naoh溶液。

所述的将污泥进行naoh预处理具体为：取污泥静置沉淀，去除上清液，再进行过滤，向通过过滤筛过滤后的物质中加入naoh溶液，调节ph值至9.5-10.5，稳定后置于恒温摇床进行震荡。

所述的污泥为污水处理厂二沉池中的污泥，取回后在4℃环境下沉淀24h，去除上清液，再使用40目的筛子进行过滤。

所述的通过过滤筛过滤后的物质中加入naoh溶液，调节ph值至9.5-10.5后，需要稳定2min，然后置于空温下的恒温摇床中进行100r/min的震荡，震荡时间为6h。

步骤2)中，经过步骤1b)处理后的污泥和经过1a)后处理的秸秆比例为300ml：2.8g秸秆。

本发明创造带来的有益效果为：

将剩余污泥naoh预处理后，可以促进污泥絮体和细胞破裂，胞内有机物有效释放，提高了蛋白质和糖类等有机质在发酵液中的含量，有效缩短污泥发酸时间，进而提高厌氧发酵产挥发酸的产量。并且，现有碱预处理技术一般用时为12或24h，相比较而言，本发明的naoh预处理具有时间短、效率高的特点。另外，naoh预处理后提供给污泥系统一个碱性环境，乙酸、丙酸等小分子酸能够与碱中和后破坏酸碱反应平衡，促进产酸，也就使得厌氧发酵过程更为迅速。而在污泥体系中加入玉米秸秆作为外加碳源可以提高体系c/n比，也促进了污泥的厌氧发酵产酸过程。

本发明的剩余污泥预处理方法提高了污泥的破裂水平，明显提高了污泥厌氧消化速度。naoh预处理后的剩余污泥与稀碱前处理后的玉米秸秆中温共发酵的方法有效提高了产酸量和产酸效率，可以同时高效地处理两种固体废弃物。为进一步实现剩余污泥和玉米秸秆的减量化、无害化、资源化，提供了一种新的途径。

附图说明

图1：中温厌氧静态消化装置。

图2：总挥发酸变化情况。

图3：scod的变化情况。

具体实施方式

一种短时高效naoh预处理污泥和玉米秸秆中温共发酵产酸的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)秸秆与污泥的预处理：

1a)将玉米秸秆进行稀碱前处理：

按1g秸秆：10ml碱液的比例，取秸秆粉碎后的秸秆粉和碱液混合，接着将混合物放入85℃恒温水浴锅内，加热1h后，再放入离心机中离心以9000-11000r/min离心作用9-11min；然后除去混合液中的上清液，剩下的滤渣放入65-72℃烘箱中，烘干至恒重，粉碎。

所述的碱液具体是质量分数为2％的naoh溶液。

1b)将污泥进行naoh预处理：

取污泥静置沉淀，去除上清液，再进行过滤，向通过过滤筛过滤后的物质中加入naoh溶液，调节ph值至9.5-10.5，稳定后置于恒温摇床进行震荡。

所述的污泥为污水处理厂二沉池中的污泥，取回后在4℃环境下沉淀24h，去除上清液，再使用40目的筛子进行过滤。

所述的通过过滤筛过滤后的物质中加入naoh溶液，调节ph值至9.5-10.5后，需要稳定2min，然后置于室温下的恒温摇床中进行100r/min的震荡，震荡时间为6h。

2)厌氧共发酵产酸：将经过步骤1b)处理后的污泥和经过1a)后处理的秸秆按比例置于中温厌氧消化装置中，作为基质，密封容器，搅拌器转速为90-110r/min，发酵温度为30-40℃，连续培养8-10d。其中经过步骤1b)处理后的污泥和经过1a)后处理的秸秆比例为300ml：2.8g秸秆。

实施例1：

1)秸秆的前处理：

玉米秸秆取自沈阳市郊区。秸秆剪成段状，清洗涤，于70℃下烘干至恒重，之后用电动粉碎机将其粉碎成粉末状。按1g秸秆：10ml碱液固液比取秸秆粉和碱液混合，碱液为naoh溶液，质量分数为2％，接着将混合物放入85℃恒温水浴锅内，加热1h后，再放入离心机中离心转速为10000rpm/min，时间为10min。然后，除去混合液中的上清液，剩下的滤渣放入70℃烘箱中，烘干至恒重，粉碎。

2)污泥的预处理：

污泥取自污水处理厂二沉池，取回后将污泥静置沉淀温度为4℃，时间为24h，除去上清液，之后采用40目筛子过滤，去除污泥中的沙砾等杂质颗粒，4℃下冷藏保存。将污泥用naoh溶液调节ph至10，稳定2min，然后置于室温下的恒温摇床以100r/min速率振荡6h。

3)厌氧发酵产酸

如图1所示，为中温厌氧静态消化实验装置。将预处理后的秸秆和污泥，投加比例为300ml污泥：2.8g秸秆，置于中温厌氧消化实验装置中，密封容器，搅拌器转速为100r/min，发酵温度为35℃，连续培养9d，定时检测各个指标。

同时，做对比试验。

只改变步骤2)中的预处理方法，采用热预处理温度55℃以及ph10的naoh预处理对投加秸秆调质的剩余污泥和未投加秸秆的污泥进行组合预处理，即形成6个实验组：投加秸秆的二个实验组：was+秸秆，was+秸秆+ph10、was+秸秆+55℃和未投加秸秆的三组was、was+ph10、was+55℃。

结果如下：

如图2所示，总挥发酸的变化情况。总体来看，各实验组的总挥发酸含量都是呈现先增后减的趋势。这是由于发酵初始阶段，中温静态发酵环境适宜大量水解菌和产酸菌的聚集、生长和繁殖。进而将污泥中的大分子有机物分解为简单的小分子有机物，促进产酸的进行。挥发酸产量在达到峰值后下降，主要原因是系统不可抑制地进入到了厌氧三阶段的产甲烷阶段，产甲烷菌消耗挥发酸等有机底物释放出甲烷，从而使得挥发酸积累量开始显著下降。

由图中曲线可以看出，投加秸秆调质的实验组较未投加秸秆的实验组挥发酸产量增加显著，主要是因为秸秆对污泥的调质作用，造成系统溶解性有机质的显著提升，为挥发酸的产生奠定了基础。未投加秸秆的三个实验组(was、was+ph10、was+55℃)的总挥发酸产量在0～4d呈增长趋势，并分别在发酵时间3d、3d、5d达到最大值，而was+秸秆，was+秸秆+ph10、was+秸秆+55℃的总挥发酸产量分别在发酵时间6d、7d、5d达到最大值。各实验组总挥发酸浓度最大日产酸量如表1。可以看出，投加秸秆作为外投碳源，提高了污泥系统中的c/n比，从而使其更易被产酸菌利用，显著提高了挥发酸产量。热、naoh预处理都不同程度的对污泥发酵产酸起到了促进作用，但是naoh预处理得到的效果要明显优于热预处理。

表1

如图3所示，为系统scod的变化情况，scod的含量是预处理效果的重要表征。由图可知，scod整体上呈现先上升后下降的趋势。未投加秸秆的三组(was、was+ph10、was+55℃)的scod分别在第3d、2d、3d达到最大值626、2075、1155mgcod/l，投加秸秆的三组(was+秸秆、was+秸秆+ph10、was+秸秆+55℃)scod则分别在第6d、5d、6d达到最大值4053、4805、4356mgcod/l，系统scod先增大后减小的趋势表现了系统内的平衡过程。由于污泥细胞絮体脱落、细胞壁破碎内溶物大量溢出以及玉米秸秆中的还原性物质溶出等，使得scod在发酵前期的水解阶段不断升高。而在产酸阶段，有机质转化为挥发酸，scod有所下降，同时水解将scod维持在一定水平。

从图中可以看出，处理效果由好到坏依次为was+秸秆+ph10、was+秸秆+55℃、was+秸秆、was+ph10、was+55℃。相较于空白组was，naoh预处理后最高日scod提高了870％，水解效果最好。

如表2所示，为各组总挥发酸浓度最大日的各挥发酸所占百分比。可以看出，加秸秆进行调质的污泥组，无论是naoh预处理的污泥，还是热预处理的污泥，乙酸都是最主要的挥发酸组分。而没有加秸秆调质的污泥丙酸所占的百分比都是最高的，基本在50％-60％之间。很多研究表明短链挥发酸是污泥产乙酸的主要产物，它们可直接从碳水化合物、蛋白质和脂类水解发酵中得到，同时也是工业上重要的化学试剂，是许多生物处理过程中最适合的底物。naoh预处理获得的乙酸含量明显高于热预处理，在各组总挥发酸浓度最大日时，was+秸秆+ph10产乙酸量高达6867mgcod/l，是was+秸秆+55℃产乙酸含量的1.59倍。

表2

结合图2、图3、表1和表2可知，加入秸秆进行调质的污泥组有机物的溶出效果明显高于末加秸秆的污泥组，naoh预处理的效果明显优于热预处理。所以naoh预处理剩余污泥和玉米秸秆共发酵产挥发性短链脂肪酸的效果较其他方法是最好的。