专利名称：一种利用厌氧膨胀层反应器提高初沉污泥产甲烷率的方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种利用厌氧膨胀层反应器提高初沉污泥产甲烷率的方法。
背景技术：
生物法处理污废水会产生出大量的废弃污泥，如不对这些废弃污泥加以妥善的处理处置，就会对环境造成二次污染。利用厌氧生物法处理有机固废或污泥既能够减少环境污染，同时可以获得甲烷等清洁能源(Environ.Sc1.Technol.1986，20, 1200-1206)。厌氧生物处理污泥通常分为四个阶段:水解阶段、产酸阶段、产乙酸阶段、产甲烷阶段。污泥中非溶解性有机物质(如蛋白质和多糖等)的水解阶段被认为是污泥厌氧产甲烷过程中的限速步骤，为了提高初沉污泥厌氧产甲烷效率，文献中报道了机械法、化学法、生物法等各种污泥预处理方法以提高污泥水解效率(Water Res.2000, 34，2362-2368 ； WaterRes.2001, 35，2003-2009)。污泥经过这些预处理方法后，一般会使用连续搅拌式反应器(CSTR)直接产甲烷。尽管一些高效厌氧反应器如厌氧膨胀层反应器(EGSB)早已被研制出来并被应用于有机废水产甲烷，但鲜有报道这些高效厌氧反应器被应用于初沉污泥厌氧产甲烷过程。如果初沉污泥中非溶解性的有机颗粒能被水解、酸化成有机废水，特别是含有较高浓度的短链脂肪酸(SCFAs)，则可通过EGSB反应器实现产甲烷率的进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种利用厌氧膨胀层反应器提高初沉污泥产甲烷率的方法。本发明中所使用的厌氧膨胀层反应器属于本领域公知的反应器。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种利用厌氧膨胀层反应器提高初沉污泥产甲烷率的方法，具体步骤如下:
⑴将初沉污泥在碱性条件下发酵，控制初沉污泥的PH值为8-12，发酵温度为30-40°C，初沉污泥在反应器中的停留时间为6-10天；
⑵将污泥混合物静置沉淀22-26小时，取其上清液调节pH值为6-8后进入厌氧膨胀层反应器中，在33-37°C、有机负荷为5-45 kgC0D/m3/d条件下产甲烷。本发明中，在步骤(I)中，调节污泥的pH值为9-11。本发明中，在步骤(I)中，搅拌温度为33_37°C，搅拌时间为7_9天。本发明中，在步骤(2)中，调节上清液的pH值为7.0 (中性)。本发明中，在步骤(2)中，在中温厌氧发酵温度33_37°C、有机负荷(单位体积反应器单位时间内所能去除的有机物量)为40 kgC0D/m3/d。本发明的研究表明，采用初沉污泥经碱性条件p H 9-11发酵8天后的上清液，应用EGSB反应器可以较大地提高产甲烷率。
本发明的有益效果是:
初沉污泥首先在碱性条件下水解、产酸，然后再将生成的上清液加入EGSB反应器中产甲烷，这不但能够提高初沉污泥中非溶解性有机物(如蛋白质和碳水化合物)的水解、产酸率，以获得较多的短链脂肪酸，而且可以将这些有机物在EGSB反应器内高效地转化为甲烷，从而减少污泥对环境的污染。
具体实施例方式下面结合实施例进一步说明本发明。为提高初沉污泥厌氧产甲烷率，本发明经过多次反复实验，发现采用下述初沉污泥生产甲烷的方法，能够显著提高初沉污泥产甲烷率。本发明提高初沉污泥产甲烷的方法，包括以下步骤:
调节初沉污泥的PH值为8-12，温度为30-40°C，搅拌时间为6-10天，进行厌氧发酵，取其上清液，调节上清液的PH值为6-8。然后，使污泥上清液进入EGSB反应器中发酵，在中温厌氧发酵条件33_37°C、有机负荷(单位体积反应器单位时间内所能去除的有机物量)为5-45 kgC0D/m3/d时，厌氧产甲烧。本发明方法在产甲烷前，先将初沉污泥在pH值为8-12的碱性条件下发酵，温度为30-40°C，搅拌时间为6-10天。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有机物，且由溶解性碳水化合物生成的短链脂肪酸浓度也得到提高，为后续产甲烷阶段提供了较丰富的碳源。本发明，取初沉污泥厌氧发酵后`的上清液，调节上清液的pH值为7.0 (中性)，以便于进入厌氧反应器EGSB中高效地产甲烷。将污泥上清液加入EGSB反应器中，在中温厌氧发酵温度33-37°C、有机负荷(单位体积反应器单位时间内所能去除的有机物量)为5-45kgC0D/m3/d时，厌氧产甲烷。调节适合的有机负荷，可以有效地将污泥中的有机质转化为甲烷，以获得较多的产甲烷率。通过实验发现，本发明先在pH值为9-11的碱性条件下，温度33_37°C，发酵7-9天后，得到的短链脂肪酸浓度较大。进一步研究发现，本发明在产甲烷阶段，将污泥碱性发酵后的上清液调为中性，力口入厌氧反应器EGSB中厌氧发酵产甲烷，中温33-37°C，有机负荷控制为40 kgC0D/m3/d时，产甲烷率达到较大。实施例1
将120升初沉污泥平均加入到6个相同的反应器中(反应器为有机玻璃制作，工作容积为20升，内径240mm，高450mm，呈圆柱形)，控制其pH值分别为8、9、10、11、12，经过6、7、8、
9、10天水解产酸的发酵过程，温度分别为30-40°C。测得初沉污泥水解产酸的较佳条件为PH 9-11，经过7-9天厌氧发酵，短链脂肪酸的浓度为2076毫克每升。各反应器静置24小时后，分别取出2.5升污泥进行以下实验(实施例2-10)，然后分别加入2.5升新鲜初沉污泥继续半连续式厌氧发酵。实施例2
分别从6个反应器中取出的2.5升污泥在室温下静置、沉淀24小时后，调节其pH为7.0。将上清液取出，加入厌氧膨胀层反应器中(构造参见文献Environ.Sc1.Technol.2009，43，2931-2936.Water Res.2006，40，3737-3744)，工作容积为 4.5 升(内径60mm，高1400mm，使用有机玻璃制成)。控制其温度为33_37°C、有机负荷为5 kgC0D/m3/d，甲烧产率为 1.04 m3CH4/m3-reactor/d。实施例3
分别从6个反应器中取出的2.5升污泥在室温下静置、沉淀24小时后，调节其pH为7.0。将上清液取出，加入厌氧膨胀层反应器中，工作容积为4.5升。控制其温度为33-37°C、有机负荷为 10 kgC0D/m3/d,甲烷产率为 2.14 m3CH4/m3-reactor/d。实施例4
分别从6个反应器中取出的2.5升污泥在室温下静置、沉淀24小时后，调节其pH为7.0。将上清液取出，加入厌氧膨胀层反应器中，工作容积为4.5升。控制其温度为33-37°C、有机负荷为 15 kgC0D/m3/d,甲烷产率为 3.52m3CH4/m3-reactor/d。实施例5
分别从6个反应器中取出的2.5升污泥在室温下静置、沉淀24小时后，调节其pH为7.0。将上清液取出，加入厌氧膨胀层反应器中，工作容积为4.5升。控制其温度为33-37°C、有机负荷为 20 kgC0D/m3/d,甲烷产率为 4.28 m3CH4/m3-reactor/d。实施例6
分别从6个反应器中取出的2.5升污泥在室温下静置、沉淀24小时后，调节其pH为7.0。将上清液取出，加入厌氧膨胀层反应器中，工作容积为4.5升。控制其温度为33-37°C、有机负荷为 25 kgC0D/m3/d,甲烷产率为 5.53 m3CH4/m3-reactor/d。实施例7
分别从6个反应器中取出的2.5升污泥在室温下静置、沉淀24小时后，调节其pH为
7.0。将上清液取出，加入厌氧膨胀层反应器中，工作容积为4.5升。控制其温度为33-37°C、有机负荷为 30 kgC0D/m3/d,甲烷产率为 7.33 m3CH4/m3-reactor/d。实施例8
分别从6个反应器中取出的2.5升污泥在室温下静置、沉淀24小时后，调节其pH为7.0。将上清液取出，加入EGSB反应器中，工作容积为4.5升。控制其温度为33_37°C、有机负荷为 35 kgC0D/m3/d,甲烷产率为 9.18 m3CH4/m3-reactor/d。实施例9
分别从6个反应器中取出的2.5升污泥在室温下静置、沉淀24小时后，调节其pH为
7.0。将上清液取出，加入厌氧膨胀层反应器中，工作容积为4.5升。控制其温度为33-37°C、有机负荷为 40 kgC0D/m3/d，甲烷产率为 11.63 m3CH4/m3-reactor/d。实施例10
分别从6个反应器中取出的2.5升污泥在室温下静置、沉淀24小时后，调节其pH为
7.0。将上清液取出，加入厌氧膨胀层反应器中，工作容积为4.5升。控制其温度为33-37°C、有机负荷为 45 kgC0D/m3/d，甲烷产率为 11.08 m3CH4/m3-reactor/d。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。
权利要求
1.一种利用厌氧膨胀层反应器提高初沉污泥产甲烷率的方法，其特征在于具体步骤如下: ⑴将初沉污泥在碱性条件下发酵，控制初沉污泥的PH值为8-12，发酵温度为30-40°C，初沉污泥在反应器中的停留时间为6天-10天； ⑵将污泥混合物静置沉淀22-26小时，取其上清液调节pH值为6-8后进入厌氧膨胀层反应器中，在33-37°C、有机负荷为5-45 kgCOD/m3/d条件下产甲烷。
2.根据权利要求1所述的利用厌氧膨胀层反应器提高初沉污泥产甲烷率的方法，其特征在于步骤(1)中，调节污泥的pH值为9-11。
3.根据权利要求1所述的利用厌氧膨胀层反应器提高初沉污泥产甲烷率的方法，其特征在于步骤(1)中，搅拌温度为33-37°C，停留时间为7-9天。
4.根据权利要求1所述的利用厌氧膨胀层反应器提高初沉污泥产甲烷率的方法，其特征在于步骤(2)中，调节上清液的pH值为7.0。
5.根据权利要求1所述的利用厌氧膨胀层反应器提高初沉污泥产甲烷率的方法，其特征在于步骤(2)中，在33-37°C、有机负荷为40 kgCOD/m3/d条件下产甲烷。
全文摘要
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种利用厌氧膨胀层反应器提高初沉污泥产甲烷率的方法，具体步骤为先将初沉污泥在碱性条件下厌氧水解酸化以获取含大量短链脂肪酸的上清液，然后再进入厌氧膨胀层反应器(EGSB)高效连续生产甲烷的方法。这不但能够提高初沉污泥中非溶解性有机物(如蛋白质和碳水化合物)的水解、产酸率，以获得较多的短链脂肪酸，而且可以将这些有机物在EGSB反应器内高效地转化为甲烷，从而减少污泥对环境的污染。本发明中，调节初沉污泥的pH值为8-12，温度为30-40℃，搅拌时间为6-10天，进行厌氧发酵，取其上清液，调节上清液的pH值为6-8。然后，使污泥上清液进入EGSB反应器中发酵，在中温厌氧发酵条件33-37℃、有机负荷(单位体积反应器单位时间内所能去除的有机物量)为5-45kgCOD/m3/d时，厌氧产甲烷。
文档编号C02F11/04GK103172241SQ201310063109
公开日2013年6月26日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者张栋, 贾舒婷, 高鹏, 赵建夫 申请人:同济大学