一种促进剩余污泥脱水同时生产脂肪酸的方法与流程

本发明涉及到污泥处理处置与资源化技术领域，具体指一种促进剩余污泥脱水同时生产短链脂肪酸的方法。

技术背景

在过去的几十年里，随着工业化和城市化的快速发展，城市污水和工业废水的数量在世界范围内急剧增加。活性污泥法作为一种世界范围内应用最为广泛的方法，已被广泛应用于各种类型的废水处理中。然而，随着污水处理量的增加，大量的剩余污泥产生，中国每年大约产生11.2亿吨的干污泥。剩余污泥由于有机物、含水率高，因而处理起来比较困难，若能降低污泥的含水率并回收其中的部分可利用物质，将节约成本并达到污泥减量化、资源化的目的。

污泥厌氧发酵一般由三个步骤组成：水解、产酸和产甲烷。因此，如果能加快酸化反应的限速步骤-水解过程，就可以大大提高污泥的产酸效率。研究表明，高温热处理联合碱性物质可以加快污泥水解速率(yuanetal.environ.sci.technol.2006,40,2025-2029)。加热预处理可以促进污泥破胞，使大量的有机物如蛋白质、多糖等释放，从而为后续脂肪酸的产生提供足够的基质。若将污水处理过程中产生的大量剩余污泥进行厌氧发酵生产短链脂肪酸，不仅可以作为内源碳被脱氮除磷菌利用去除富营养化污水中的氮和磷，还可用作其他发酵的外加碳源再利用。

近年来，基于硫酸根自由基的高级氧化技术被越来越多地应用到污泥处理中。过一硫酸氢钾复合盐(pms)是一种稳定、方便、具有广泛用途的优良的酸性氧化剂，常作为消毒剂用于污水处理领域。但由于过一硫酸氢钾复合盐比较稳定，在常温下反应速率较慢，但在光、热、过渡金属离子等条件下，可活化分解为硫酸根自由基(so4^-.)和羟基自由基(^.oh)。因此，它具有很强的氧化性，理论上能降解大多数有机污染物。获得自由基的其中一个方法便是激活pms，活化方式有很多种，比如超声、加热、光解和过渡金属等。加热相比于其他方法操作简单，减少能耗。

硫酸自由基具有强氧化性，可以促使细胞溶解，破坏微生物的细胞壁，使微生物体内有机质释放，达到杀灭水中微生物的作用。因此，本发明将热活化过一硫酸氢钾复合盐方法引入厌氧污泥消化系统，提高产酸效率的同时改善剩余污泥的脱水性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种促进剩余污泥脱水并产酸的预处理方法,提高产酸效率的同时改善剩余污泥的脱水性能.

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种利用热活化过一硫酸氢钾复合盐(pms)作为预处理手段促进剩余污泥脱水并产酸的方法，包括如下步骤：

(1)以城市污水处理厂二沉池产生的剩余活性污泥为发酵原料，经自然沉降去除上清液进行浓缩处理后得到污泥样品；

(2)将所述污泥样品与过一硫酸氢钾复合盐(pms)混合后在温度为60℃的水浴下预处理一个小时，在厌氧环境下发酵，产生脂肪酸并得到脱水污泥。

所述的步骤(1)中，污泥为城市污水厂二沉池剩余污泥，静沉温度为4℃，沉淀时间为24h。

所述的步骤(2)中，pms的投加剂量为0.03～0.09gpms/gtss，优选为0.05gpms/gtss。

所述的步骤(2)中，所述的污泥加入pms后，先300rpm快速搅拌5min，再150rpm搅拌90min，以使药剂与污泥充分混合。

所述的步骤(2)中，所述的污泥与药剂混合均匀后，在50-80℃水浴下处理一个小时,振荡强度为150rpm，优选温度为60℃。

所述的步骤(2)中，厌氧环境为氮气环境，向经过预处理后的污泥中以0.5l/min的速率通入氮气1.5min至反应器中无氧气存在，将反应器密封放入温度为35±1℃，搅拌速度为120rpm/min的摇床中进行厌氧发酵。

所述的步骤(2)中，整个过程中不用调节反应器中污泥ph。

所述的步骤(2)中，污泥厌氧发酵的时间为3-8d。

在一个优选的实施例中，pms投加剂量为0.03～0.09gpms/gtss。虽然所述pms用量在一定的范围内都能促进污泥中的有机物转化为目标脂肪酸(0.03～0.07gpms/gtss)，并且在一定范围内，随着pms的增加，对污泥厌氧发酵产酸的促进作用越明显。但是综合考虑原料成本与短链脂肪酸的产量的关系，本发明采用的较理想的pms用量范围为0.03～0.05gpms/gtss。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用过一硫酸氢钾复合盐(pms)作为污泥厌氧发酵的氧化剂，具有很强的氧化能力，破坏污泥细胞壁，显著提高了污泥中的蛋白质、多糖等有机物溶解于水中的程度，并且通过低温加热预处理联合过一硫酸氢钾复合盐反应条件，大大减少了药剂使用成本，在一定程度上提高了产酸发酵效率，缩短了污泥厌氧发酵的时间，对实现剩余污泥的资源化、无害化和减量化具有重要意义。

2、本发明处理后的污泥脱水性能有所提高，且富含短链脂肪酸，可作为碳源用于补充污泥厌氧发酵末期碳源的不足，或用于生产氢气等清洁能源，从而最大限度的降解剩余污泥中的有机物质，实现了减少污泥体积和污泥有机物污染环境的目的。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1

(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h，弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物；

(2)向有机玻璃反应器中投加0.03g/gtss过一硫酸氢钾复合盐，放入恒温水浴锅中，控制温度为60℃，反应时间为60min，反应完成后取出冷却。将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为3d，生产的短链脂肪酸的含量为1266.21mg/l(以化学需氧量计),污泥的毛细吸水时间60s。

实施例2

(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h，弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)向有机玻璃反应器中投加0.03g/gtss过一硫酸氢钾复合盐，放入恒温水浴锅中，控制温度为60℃，反应时间为60min，反应完成后取出冷却。将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为1747.38mg/l(以化学需氧量计),污泥的毛细吸水时间51s。

实施例3

(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h，弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)向有机玻璃反应器中投加0.05g/gtss过一硫酸氢钾复合盐，放入恒温水浴锅中，控制温度为60℃，反应时间为60min，反应完成后取出冷却。将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为3d，生产的短链脂肪酸的含量为2279.18mg/l(以化学需氧量计),污泥的毛细吸水时间40s。

实施例4

(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h，弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)向有机玻璃反应器中投加0.05g/gtss过一硫酸氢钾复合盐，放入恒温水浴锅中，控制温度为60℃，反应时间为60min，反应完成后取出冷却。将有机玻璃反应器充氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为2784.42mg/l(以化学需氧量计),污泥的毛细吸水时间36s。

对比例1

(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h，弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)不投加过一硫酸氢钾复合盐，只将污泥在振荡强度为150rpm的60℃水浴里预处理60min。将有机玻璃反应器以0.5l/min的速率通入氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。只通过温度以及污泥本身所含有的微生物作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为1078.53mg/l(以化学需氧量计)，污泥的毛细吸水时间78s。

对比例2

(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h，弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)不投加过一硫酸氢钾复合盐，在振荡强度为150rpm的常温25℃水浴里预处理60min。将有机玻璃反应器以0.5l/min的速率通入氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。只通过污泥本身所含有的微生物作用，将污泥中的有机物(主要为多糖和蛋白质)转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为5d，生产的短链脂肪酸的含量为373.54mg/l(以化学需氧量计)，污泥的毛细吸水时间156s。

对比例3

(1)在工作容积为5.0l的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h，弃去上清液浓缩后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)向有机玻璃反应器中投加0.05g/gtss过一硫酸氢钾复合盐，在振荡强度为150rpm的常温25℃水浴里预处理60min。将有机玻璃反应器以0.5l/min的速率通入氮气1.5min以去除其中的氧气，密封有机玻璃反应器后放入摇床进行厌氧发酵。只通过污泥样品中微生物与过一硫酸氢钾复合盐的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，摇床发酵温度为35±1℃，振荡速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为5d，生产的短链脂肪酸的含量为1531.96mg/l(以化学需氧量计)，污泥的毛细吸水时间84s。

实施例和对比例的短链脂肪酸的含量如表1所示：

表1实施例与对比例的发酵比较表

从表中可以看出，实施例1至实施例4的短链脂肪酸的产量比对比例的短链脂肪酸的产量有了很大的提高，毛细吸水时间也降低很多，说明污泥的脱水性能有所改善。

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。