一种利用生物碱强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法

摘要

本发明提供了一种利用生物碱强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，包括：S1、将剩余污泥经沉淀、浓缩，得到待处理污泥；S2、将接种泥与步骤S1所得的待处理污泥混合得到发酵混合物；S3、将步骤S2所得的发酵混合物与生物碱混合，搅拌均匀，调节pH后进行水解发酵，即可。实验结果表明，添加生物碱的实验组与对照处理(不加生物碱)相比，最终厌氧消化污泥停留时间缩短20％以上，甲烷累积产量提高40％以上。本发明利用生物碱能够在污泥厌氧消化起始阶段，解除小分子有机酸的抑制作用，并利用其还原性，提高污泥水解速率及水解程度，进而改善污泥厌氧消化产甲烷性能。其技术简单、易于操作，可用于新建污水厂及现有污水厂的工艺改造中。

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及一种利用生物碱强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法。

背景技术

近年来，随着我国城镇生活污水处理规模不断扩大，城镇污水处理压力日益严重。而污泥作为城市污水处理厂生物处理过程中的副产物，由于其产量大、危害大、处理成本高，日益受到人们的关注。如果其不能得到有效妥善的处理，易对环境造成严重的污染。另外，污泥富含多糖、蛋白质、脂质等有机物，可利用厌氧生物技术进行处理，有效降低污泥中的有机质含量，并通过产甲烷的方式实现能源回收。

然而，相对较为缓慢的水解酸化步骤是污泥厌氧消化的重要限速步骤。因为污泥中的大部分有机物，如多糖和蛋白质等，以大分子的形式存在，必须分解为小分子有机物才能进行产氢产乙酸及后续的产甲烷作用。目前研究主要集中在酸碱处理、超声波处理、电化学预处理及热预处理等手段上，来提高污泥的水解酸化速率。虽然这些技术能够通过破解污泥絮体，释放胞内有机物等方式促进污泥水解酸化，但存在着成本较高、操作复杂、增加后续处理难度等问题，难以真正进行推广应用。

生物碱，作为一种含氮的碱性有机化合物，具有显著的生物活性，可与酸结合形成盐类物质，有效解除污泥厌氧消化前期存在的酸抑制现象。另外，生物碱具有还原性，可增强对污泥中难降解有机物的降解能力，进而促进污泥的水解酸化进程。本发明就是在污泥厌氧消化过程中，利用生物碱的还原性，还原微生物氧化污泥中的某些有机物，尤其是难降解物质，加快污泥的水解酸化过程，进而强化污泥厌氧消化产甲烷过程。

发明内容

针对剩余污泥厌氧消化中水解酸化速率慢、程度不高、产甲烷效率低下等技术问题，本发明提供一种利用生物碱强化污泥厌氧消化产甲烷的方法。

本发明主要基于天然生物碱的还原性，还原微生物氧化污泥中的某些有机物，尤其是难降解物质，加快污泥的水解酸化过程；并利用其弱碱性，可以与污泥厌氧消化水解酸化阶段产生的有机酸相结合，有效解除厌氧消化过程中的酸抑制，使水解酸化速率和程度显著提高；所形成的有机酸弱碱盐可以缓慢释放有机酸供后续产甲烷菌利用，最终提高污泥厌氧消化产甲烷的性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种利用生物碱强化剩余污泥厌氧消化产甲烷的方法，通过添加生物碱，与污泥厌氧消化前期产生的小分子有机酸进行结合生成盐，有效解除污泥厌氧消化过程中产生的酸抑制，并利用其还原作用，增强对污泥中难降解有机物的降解作用，加快污泥水解酸化速率和进程，进而改善后续污泥厌氧消化产甲烷的性能；具体包括如下步骤：

S1、将剩余污泥经沉淀、浓缩，得到待处理污泥；

S2、将接种泥与步骤S1所得的待处理污泥按比例混合得到发酵混合物；

S3、将步骤S2所得的发酵混合物与生物碱按比例混合，搅拌均匀，调节pH后进行水解发酵，即可。

优选地，步骤S1中，所述的待处理污泥的含固率为3％-5％；

步骤S2中，所述接种泥占发酵混合物的体积比为10％-50％；所述接种泥为污水处理厂厌氧消化池的消化污泥；所述接种泥的含固率为3％-5％。如果接种量小于10％，则大大延长了厌氧消化的周期，厌氧消化反应启动速率较慢；如果接种量太高，则污泥的厌氧消化效率太低。如果接种泥的含固率低于3％，则污泥厌氧消化效率太低；如含固率高于5％，则在污泥厌氧消化过程中，污泥的传质效率受到影响，并且在消化过程中因为有机物含量较高，导致有机酸的大量积累，对微生物造成毒害作用，最终影响厌氧消化效率。

优选地，步骤S3中，所述的生物碱为苦参碱、胆碱和甜菜碱中的一种或几种；

所述生物碱在发酵混合物中的浓度范围为0.3-1.0mg/L。所述这三种生物碱呈碱性，可以与有机酸结合，解除其抑制作用，提高生物活性，且具有较好的水溶性。胆碱具有强的还原性，是构成生物细胞膜的重要成分，促进有机物的代谢，转甲基代谢，具有较高的微生物活性。临床表明，胆碱浓度过高会产生毒害作用。苦参碱同样具有低毒性，在低浓度下，对微生物活性和代谢具有促进作用。甜菜碱对生物营养代谢具有重要作用，但是如果浓度过高，具有杀菌作用。该三种生物碱在一定的浓度范围内对生物活性及营养代谢具有重要作用，但是浓度过高易对微生物产生不利影响。并且，浓度过高也会增加成本。

优选地，步骤S3中，所述发酵混合物的pH范围为6.8-7.2。

优选地，步骤S3中，所述水解发酵的过程中，温度控制为30-35℃，发酵时间为20-28天。

本发明的技术原理如下：

在污泥厌氧消化初始阶段，在有机物降解菌及产酸菌的作用下，污泥发生水解酸化反应，产生大量的各种有机酸，导致体系中的pH快速下降，而低pH环境体系不利于产甲烷菌的代谢，从而影响污泥厌氧消化产甲烷的性能；随着含氮有机物的进一步降解，氨也逐渐释放进入体系中，提高了体系的pH值，促使厌氧产甲烷过程的进行。而天然生物碱，具备弱碱性，能够与有机酸结合形成有机酸弱碱盐，改善体系的酸性环境，从而为后续的产甲烷菌的代谢作用提供更好的环境；另外，因为生物碱对有机酸的结合作用，导致体系中的有机酸浓度降低，减轻了有机酸产物对水解酸化的产物抑制反馈作用，从而加速了污泥的水解酸化速率和进程；与此同时，生物碱与有机酸形成的有机酸弱碱盐，可以在低有机酸浓度下缓慢释放有机酸，这样就不会影响甲烷的最终产量，因为产甲烷作用是以有机酸(乙酸和丁酸等小分子有机酸)为底物进行的。同时，生物碱具有还原性，可以利用其还原微生物氧化污泥中的某些有机物，特别是难降解有机物，有利于增强水解酸化菌的底物浓度，进而提高污泥水解酸化的速率和程度，改善污泥厌氧消化产甲烷的性能。

综上，生物碱的添加可以加速污泥水解酸化速率，提高污泥水解酸化程度，缩短污泥水解酸化周期，进而有效促进污泥的甲烷化过程。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明可以在较低的处理成本下，有效提高污泥的水解酸化速率，促进污泥水解酸化程度，缩短污泥水解酸化周期，从而大幅减少污泥厌氧消化停留时间，同时可使甲烷产量提高40％以上。

2、生物碱在污泥厌氧消化体系中容易降解，不至于影响污泥的后续处理处置。

3、本发明操作方法简单、投资成本低、可大幅提高甲烷产量，从而为现有污泥消化处理系统的升级改造提供技术选择。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

取污水厂剩余污泥浓缩调节含固率至3％，将取自厌氧消化池中含固率为5％接种泥按照体积百分比10％接种至剩余污泥中，混合均匀，将生物碱按照0.3mg/L的浓度添加至发酵混合物中，生物碱中包含苦参碱、胆碱、甜菜碱，比例为1：1：1，混合均匀后调节pH至6.8后将其引入厌氧消化罐，厌氧消化温度设定为30℃，反应28天后，累积产甲烷量为2200ml/L。与未添加生物碱的对照处理相比，厌氧消化污泥停留时间缩短了27％，最终累积产甲烷量提高了43％。

实施例2

取污水厂剩余污泥浓缩调节含固率至4％，将取自厌氧消化池中含固率为3％接种泥按照体积百分比50％接种至剩余污泥中，混合均匀，将生物碱按照0.6mg/L的浓度添加至发酵混合物中，添加的生物碱为胆碱，混合均匀后调节pH至7.2后将其引入厌氧消化罐，厌氧消化温度设定为35℃，反应20天后，累积产甲烷量为2500ml/L。与未添加生物碱的对照处理相比，厌氧消化污泥停留时间缩短了30％，最终累积产甲烷量提高了50％。

实施例3

取污水厂剩余污泥浓缩调节含固率至5％，将取自厌氧消化池中含固率为4％接种泥按照体积百分比30％接种至剩余污泥中，混合均匀，将生物碱按照1.0mg/L的浓度添加至发酵混合物中，添加的生物碱为苦参碱，混合均匀后调节pH至7.0后将其引入厌氧消化罐，厌氧消化温度设定为33℃，反应25天后，累积产甲烷量为2350ml/L。与未添加生物碱的对照处理相比，厌氧消化污泥停留时间缩短了25％，最终累积产甲烷量提高了45％。

实施例4

取污水厂剩余污泥浓缩调节含固率至5％，将取自厌氧消化池中含固率为3％接种泥按照体积百分比20％接种至剩余污泥中，混合均匀，将生物碱按照0.6mg/L的浓度添加至发酵混合物中，添加的生物碱为甜菜碱，混合均匀后调节pH至7.0后将其引入厌氧消化罐，厌氧消化温度设定为35℃，反应28天后，累积产甲烷量为2050ml/L。与未添加生物碱的对照处理相比，厌氧消化污泥停留时间缩短了25％，最终累积产甲烷量提高了40％。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。