申請日2016.05.11
公開(公告)日2016.07.27
IPC分類號C02F11/04; C12P5/02
摘要
本發(fā)明公開了一種利用零價鐵強化剩余污泥和秸稈快速固態(tài)厭氧消化的方法，是在厭氧反應器中分層加入馴化成熟的種子污泥以及剩余污泥、秸稈和零價鐵粉末的混合物，密封后置于55℃環(huán)境中培養(yǎng)，然后每5天攪拌一次，厭氧消化持續(xù)時間約為15?25天，沼氣中平均甲烷含量為55%左右，剩余污泥和秸稈中揮發(fā)性固體降解率為50%?60%，單位VS產氣量為600mL/gVS左右，產氣高峰期與產甲烷高峰期一致。本發(fā)明實現(xiàn)剩余污泥和農作物秸稈資源化和能源化利用，具有厭氧消化啟動快、消化過程穩(wěn)定、設備簡單、成本低的優(yōu)點。
權利要求書
1.一種利用零價鐵強化剩余污泥和秸稈快速固態(tài)厭氧消化的方法，其特征在于包括如下步驟：
(1)原料準備：將單質鐵粉碎，獲得80-200目的零價鐵粉，備用;從污水處理廠獲取脫水后含水率為75-85%的剩余污泥，測定其中的揮發(fā)性有機質和氮的含量，備用;將秸稈粉碎至1-3cm大小，然后向秸稈中加入三倍體積的水浸泡5天，備用;
(2)種子污泥培養(yǎng)：將占反應器體積20%的普通厭氧產甲烷污泥置于厭氧反應器中，再加入占反應器體積40%的剩余污泥和浸泡后的秸稈的混合物，攪拌均勻;將反應器置于恒溫培養(yǎng)箱中，在35℃下恒溫培養(yǎng)10天，之后每3天將溫度升高1℃，直到55℃;在培養(yǎng)期間，每5天補充剩余污泥和浸泡后的秸稈的混合物，攪拌均勻，并保持反應器內反應混合物的含水率為75-85%;當每天的沼氣產量是有效反應器體積的五倍以上且維持10天以上時，表明種子污泥馴化完成，獲得馴化成熟的種子污泥;
(3)原料混合：將剩余污泥和浸泡后的秸稈按碳氮比25～30:1的比例調配，然后按占剩余污泥和浸泡后的秸稈干物質質量0.01-0.1%的比例加入零價鐵粉，混合均勻，得混合料，加熱到55℃，備用;
(4)原料接種：將加熱后的混合料和馴化成熟的種子污泥通過層狀交叉排列的方式按照一層混合料、一層馴化成熟的種子污泥的順序鋪設至反應器內;混合料和馴化成熟的種子污泥的總體積占反應器體積的4/5;
(5)固態(tài)厭氧消化：接種完畢后將反應器密封，加熱至55℃，進行厭氧消化，每5天在隔絕空氣的情況下進行一次混合，厭氧消化在55℃條件下持續(xù)15-25天，連續(xù)收集沼氣作為能源使用，收集消化降解完成后殘渣供農用或林用。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于：
步驟(2)中初始添加的剩余污泥和浸泡后的秸稈的混合物中剩余污泥和浸泡后的秸稈的干物質質量比為1:1。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于：
步驟(2)中在培養(yǎng)期間補充的剩余污泥和浸泡后的秸稈的混合物中剩余污泥和浸泡后的秸稈的干物質質量比為1:1，補充的剩余污泥和浸泡后的秸稈的混合物中干物質質量占反應器內干物質質量的3%。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于：
步驟(4)中鋪設的馴化成熟的種子污泥的體積為混合料體積的1/5～1/3，控制馴化成熟的種子污泥中揮發(fā)性固體質量與混合料中揮發(fā)性固體質量之比為15-30：100。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于：
步驟(4)中控制反應器內反應混合物的含水率為75-85%。
說明書
一種利用零價鐵強化剩余污泥和秸稈快速固態(tài)厭氧消化的方法
一、技術領域
本發(fā)明涉及污水處理廠剩余污泥和農作物秸稈資源化和能源化利用的處理方法，具體地說是一種利用零價鐵強化剩余污泥和農作物秸稈固態(tài)厭氧發(fā)酵生產沼氣的方法，屬于有機廢棄物處理和能源化利用技術領域。
二、背景技術
截止2015年三季度末，全國已建成城鎮(zhèn)污水處理廠3662座。污水處理率的大幅度上升導致污泥產生量迅速增加。2015年，全年城鎮(zhèn)污水處理廠濕污泥(含水率80%)產生量達到3359萬噸，日產污泥達9.2萬噸。由于污泥中含有大量的有機物、氮磷、和病原微生物等營養(yǎng)物質及污染物，處置不當很容易造成嚴重的二次污染，降低或抵消巨大的污水處理投資帶來的成果。污泥處置已成為重要的市政和環(huán)境難題，目前主要的處置方式由衛(wèi)生填埋和污泥焚燒。填埋由于產生環(huán)境的二次污染或土地制約，受到越來越多的限制。剩余污泥中含有大量有機質和營養(yǎng)元素，被認為是一種可以再生的資源。污泥厭氧消化能夠生產沼氣，同時能夠減少污泥體積，穩(wěn)定污泥性質，提高污泥的脫水效果，減少污泥惡臭，提高污泥的衛(wèi)生質量，沼氣可以提供熱能或發(fā)電。污水處理廠污泥厭氧消化產生的沼氣發(fā)電可以滿足自身60%的能源消耗，目前常用濕態(tài)厭氧消化，但濕態(tài)消化產生大量的沼液，沼液的處理增加了污泥厭氧消化的成本。高溫固態(tài)厭氧消化具有反應體積小、不產生沼液、殺滅沼渣中病原微生物、鈍化重金屬等優(yōu)點，是市政有機垃圾處理的有效技術手段，但存在啟動時間長，揮發(fā)性脂肪酸容易積累、系統(tǒng)不夠穩(wěn)定等缺點。
剩余污泥中的有機物主要有微生物組成，蛋白質含量高，剩余污泥的碳氮比低，厭氧處理后生成大量的氨氮，調節(jié)碳氮比能減少氨氮的生成。秸稈的含碳量高，含氮量低，和污泥正好相反，二者混合可以調節(jié)碳氮比，在加入較少或不加其他輔助材料的情況下達到較好的產氣效果。高溫厭氧消化時秸稈的降解率較高，秸稈的加入可以使污泥產氣效率明顯提高，顯著增加產氣量，厭氧消化后的沼渣還可以作為肥料還田。我國可收集秸稈資源量約為6.87億噸，但我國目前秸稈的利用率只有30%，大部分的秸稈被廢棄或焚燒，引發(fā)嚴重的環(huán)境問題，產生霧霾天氣。因此，秸稈固態(tài)厭氧消化處理是秸稈資源化和能源化利用的有效途徑。
固態(tài)厭氧消化由于有機物濃度高，易于產生高揮發(fā)性脂肪酸抑制，導致較長的反應啟動時間，高固體含量也使電子傳遞的效率降低。另外，秸稈的空隙中含有大量的空氣，其中的氧易于導致產甲烷菌中毒，這兩方面都增加了固態(tài)厭氧消化的啟動時間和不穩(wěn)定性。減少固態(tài)厭氧消化的啟動時間，提高固態(tài)厭氧消化的穩(wěn)定性，能夠顯著提高固態(tài)厭氧消化的效率。零價鐵易于氧化，在氧化過程中，能迅速消耗周圍環(huán)境的氧氣，同時能夠提供電子和加快電子傳遞，促進自養(yǎng)產甲烷菌和同型產乙酸菌的活性和甲烷的產量。零價鐵作為還原劑與污泥中有毒污染物反應，降低污染物的毒性，減少其對產甲烷菌的抑制作用。因此，在固體厭氧消化系統(tǒng)中添加微量零價鐵粉，能夠強化有機物的固態(tài)厭氧消化降解。
綜上所述，剩余污泥和秸稈固態(tài)厭氧消化是一種有機廢棄物資源化和能源化的利用方法，但經常具有運行不穩(wěn)定的特點。本發(fā)明通過添加零價鐵和使用層狀接種技術，實現(xiàn)快速啟動、穩(wěn)定運行、增加沼氣產量，這也是本發(fā)明的創(chuàng)新所在。另外還具有沼渣利用、不產生沼液、和實現(xiàn)污泥減量等優(yōu)點。
三、發(fā)明內容
本發(fā)明旨在提供一種利用零價鐵強化剩余污泥和秸稈快速固態(tài)厭氧消化的方法。通過添加零價鐵，快速去除秸稈帶入的氧氣，提供部分電子，加快有機物降解和甲烷生成過程中的電子傳遞。通過層狀接種種子污泥，避免剩余污泥快速酸化產生的揮發(fā)性脂肪酸抑制，減少固態(tài)厭氧消化的啟動時間，提高固態(tài)厭氧消化的穩(wěn)定性。通過污泥、秸稈和零價鐵粉混合、層狀接種種子污泥、高溫固態(tài)厭氧消化，將剩余污泥和秸稈快速厭氧生物轉化為沼氣。
本發(fā)明利用零價鐵強化剩余污泥和秸稈快速固態(tài)厭氧消化的方法，包括如下步驟：
1、原料準備：將單質鐵粉碎，獲得80-200目的零價鐵粉，備用;從污水處理廠獲取脫水后含水率為75-85%的剩余污泥，測定其中的揮發(fā)性有機質和氮的含量，備用;將秸稈粉碎至1-3cm大小，然后向秸稈中加入三倍體積的水浸泡5天，備用。
2、種子污泥培養(yǎng)：將占反應器體積20%的普通厭氧產甲烷污泥置于厭氧反應器中，再加入占反應器體積40%的剩余污泥和浸泡后的秸稈的混合物，攪拌均勻;將反應器置于恒溫培養(yǎng)箱中，在35℃下恒溫培養(yǎng)10天，之后每3天將溫度升高1℃，直到55℃。在培養(yǎng)期間，每5天補充剩余污泥和浸泡后的秸稈的混合物，攪拌均勻，并保持反應器內反應混合物的含水率為75-85%。當每天的沼氣產量是有效反應器體積的五倍以上且維持10天以上時，表明種子污泥馴化完成，獲得馴化成熟的種子污泥。
步驟2中初始添加的剩余污泥和浸泡后的秸稈的混合物中剩余污泥和浸泡后的秸稈的干物質質量比為1:1;補充的剩余污泥和浸泡后的秸稈的混合物中剩余污泥和浸泡后的秸稈的干物質質量比為1:1，補充的剩余污泥和浸泡后的秸稈的混合物中干物質質量占反應器內干物質質量的3%。
3、原料混合：將剩余污泥和浸泡后的秸稈按碳氮比25～30:1的比例調配，然后按占剩余污泥和浸泡后的秸稈干物質質量0.01-0.1%的比例加入零價鐵粉，混合均勻，得混合料，加熱到55℃，備用。
4、原料接種：將加熱后的混合料和馴化成熟的種子污泥通過層狀交叉排列的方式按照一層混合料、一層馴化成熟的種子污泥的順序鋪設至反應器內�；旌狭虾婉Z化成熟的種子污泥的總體積占反應器體積的4/5，鋪設的馴化成熟的種子污泥的體積為混合料體積的1/5～1/3，控制馴化成熟的種子污泥中揮發(fā)性固體質量與混合料中揮發(fā)性固體質量之比為15-30：100，反應器內反應混合物的含水率為75-85%。
5、固態(tài)厭氧消化：接種完畢后將反應器密封，加熱至55℃，進行厭氧消化，每5天在隔絕空氣的情況下進行一次混合，厭氧消化在55℃條件下持續(xù)15-25天，連續(xù)收集沼氣作為能源使用，收集消化降解完成后殘渣供農用或林用。
本發(fā)明處理方法具體原理如下：
固態(tài)厭氧消化具有有機物濃度高，濕度低的特點，在厭氧發(fā)酵過程中易產生高濃度的揮發(fā)性脂肪酸，導致嚴重的酸抑制和厭氧過程的不穩(wěn)定。接種的過程中易帶入空氣，導致嚴格厭氧的產甲烷菌中毒。濕度低也降低了有機物降解和產甲烷過程中電子傳遞的速率，延長固體厭氧消化的處理時間。通過添加零價鐵粉，消耗周圍環(huán)境的氧氣，提供電子和并加快電子傳遞，強化有機物的降解速率，促進甲烷菌的活性。開始階段的層狀接種，避免了初始階段的易降解有機物發(fā)酵產生的揮發(fā)性有機酸的積累，加快了固態(tài)厭氧消化的啟動，提高厭氧消化的穩(wěn)定性和甲烷產率。
與現(xiàn)有的技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
1、本發(fā)明采用零價鐵粉末強化固態(tài)厭氧消化技術，快速消耗了殘余氧氣，加快了有機物降解和甲烷生成過程的電子傳遞，這是提高固態(tài)厭氧消化效率的重要基礎。
2、本發(fā)明采用層狀接種技術，通過開始階段接種種子污泥、污泥秸稈混合物的分層分布，有效控制了產甲烷微生物周圍揮發(fā)性脂肪酸的濃度，實現(xiàn)產甲烷微生物的快速生長，避免了通常固態(tài)厭氧消化酸抑制的固有缺陷。
