一种利用氧化还原介体促进剩余污泥发酵产酸的方法

摘要

本发明公开一种利用氧化还原介体促进剩余污泥发酵产酸的方法。该方法是将剩余污泥在厌氧条件下用潜流搅拌器搅拌1～6h，搅拌速度为30～100转/分钟，加入氧化还原介体储备液，使发酵体系中氧化还原介体的浓度为0.5～200mg/L，在发酵罐或厌氧反应器中进行发酵产酸；发酵条件如下：控制发酵温度为15～35℃，调节发酵系统pH值至6.0～12.0，控制氧化还原电位低于-100mV，采用潜流搅拌器进行搅拌，搅拌速度设为50～200转/分钟，发酵时间为3～30d。剩余污泥无需进行碱、热碱或超声预处理，可以直接与氧化还原介体混合，通过控制本发明所述的操作条件，就可快速、高效产生挥发性脂肪酸。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护中污水处理厂污泥处理处置领域，具体地说是涉及一种利用氧化还原介体促进剩余污泥发酵产酸的方法。

背景技术

污水处理厂是实现污染物减排、控制水体污染、提升区域水环境质量的重要手段之一。然而，在处理污水过程中会产生大量剩余污泥，经污水厂内带式压滤机、离心脱水机或板框压滤机脱水后形成含水率约为80﹪的胶凝态物质，具有体积大、易腐败、恶臭、高物理稳定性、有机物和氮、磷等营养物质含量高等基本特点。因此，必须对剩余污泥进行减量化、稳定化和无害化处理，并实现能量和物质的最大化回收。

剩余污泥中含有大量有机物，其水解发酵过程不仅能实现污泥减量，而且能够产生乙酸、丙酸等挥发性脂肪酸（VFAs）。VFAs是进行城市污水脱氮除磷和工业废水中氧化态污染物高效去除的重要碳源之一。我国剩余污泥有机物含量相对较低，导致厌氧消化技术在剩余污泥的处理处置中的应用率普遍偏低。

氧化还原介体（RM）在生物、化学还原过程中可以起到传递自由电子的作用，能催化介导化学还原和生物还原过程。报道和应用较多的RM包括：醌基型的RM，如2,6-二磺酸蒽醌(AQDS)、2-磺酸蒽醌（AQS）、胡桃醌、指甲花醌、甲萘醌（维生素K）；部分溶解性天然有机物（NOM），如腐植酸（HA）等；以及黄素型的RM，如黄素单核苷酸(FMN)、黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)和核黄素（RF）等。目前，RM主要应用于氧化态污染物，如偶氮类化合物、硝基类化合物、硝酸盐、Cr(VI)等污染物的还原去除，常见的醌基类及黄素类RM均能起到催化还原的效果。但是，RM对发酵产酸过程的促进作用鲜见文献报道。

发明内容

本发明的目的是为了克服我国污水处理厂剩余污泥有机物含量少、产酸水平低的限制因子，提供一种利用氧化还原介体促进剩余污泥发酵产酸的方法。该方法可以加快剩余污泥发酵产酸速率、提高产酸量，实现其资源化利用。

本发明方法包括如下步骤：

步骤（1）.将经重力浓缩和机械脱水后的污水处理厂剩余污泥放入发酵罐或厌氧反应器，用水稀释至剩余污泥的污泥浓度（TSS）为10～70 g/L；

所述的剩余污泥来源于城市污水处理厂、工业废水处理厂生化工艺中的一种或多种，当为多种混合时，比例为任意比；

步骤（2）.将氧化还原介体加入到pH值为10～12的碱性水溶液中，配制成氧化还原介体浓度为1.0～50 g/L的氧化还原介体储备液；

作为优选，所述的碱性水溶液为NaOH溶液、KOH溶液或Ca(OH)₂溶液，pH值为10～12；

所述的氧化还原介体为2,6-二磺酸蒽醌(AQDS)、2-磺酸蒽醌（AQS）、胡桃醌、指甲花醌、甲萘醌（维生素K）、核黄素（RF）中的一种或多种，当为多种时，比例为任意比；

步骤（3）.步骤（1）中调节污泥浓度后的剩余污泥在厌氧条件下用潜流搅拌器搅拌1～6 h，搅拌速度为30～100转/分钟，然后迅速加入氧化还原介体储备液，使发酵体系中氧化还原介体的浓度为0.5～200 mg/L，然后在发酵罐或厌氧反应器中进行发酵产酸；

所述的发酵罐或厌氧反应器中发酵条件如下：控制发酵温度为15～35℃，利用磷酸盐缓冲液、碳酸氢钠缓冲液或碱性溶液调节发酵系统pH值至6.0～12.0，控制氧化还原电位低于-100 mV，发酵过程中为加快传质速率，采用潜流搅拌器进行搅拌，搅拌速度设为50～200转/分钟，发酵时间为3～30 d；

作为优选，所述的碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液或Ca(OH)₂溶液；所述的厌氧反应器为厌氧序批式反应器（ASBR）或厌氧消化池；

所述的厌氧反应器采用污泥循环泵设置内回流，回流比设为100﹪～200﹪，保障系统内水流紊动，提高传质效果。

本发明的有益效果是：采用氧化还原介体作为胞外电子传递体，通过厌氧发酵系统，可以提高胞外水解酶的活性，为剩余污泥发酵产酸提供更多的基质，加快产酸速率，显著提高发酵产酸量。本发明的技术优点在于：剩余污泥无需进行碱、热碱或超声预处理，可以直接与氧化还原介体混合，通过控制本发明所述的操作条件，就可快速、高效产生VFAs，与对照组相比，添加氧化还原介体的剩余污泥发酵系统中VFAs的产生量可提高1.60～4.50倍。本发明技术具有良好的环境和经济效益，可实现污水厂剩余污泥的减量化，并能产生高品质的碳源，实现其资源化利用途径。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

所用的氧化还原介体为AQDS，在pH为10的NaOH溶液中加入AQDS配制成AQDS浓度为1.0 g/L的AQDS储备液；所述剩余污泥来源于浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余污泥（脱水后），TSS含量为138 g/L。

在发酵罐R0（有效容积3.0 L）和发酵罐R1（有效容积3.0 L）中均投加217 mL剩余污泥，然后用蒸馏水补足3.0 L，此时，发酵罐中剩余污泥TSS为10 g/L；发酵罐中剩余污泥先在30转/分钟条件下搅拌1 h，然后迅速在发酵罐R1中加入AQDS储备液1.5 mL，此时发酵体系中AQDS的浓度为0.5 mg/L。发酵罐R0作为对照组不加AQDS储备液。在发酵罐R0和发酵罐R1中控制发酵温度为15℃，利用磷酸盐缓冲溶液维持发酵系统pH值为6.0，氧化还原电位控制为-150～-200 mV；发酵过程中采用潜流搅拌器进行搅拌，搅拌速度设为50转/分钟。

采用上述方法处理后，经30 d发酵后，发酵罐R1中的发酵液VFAs产量可达8740 mg SCOD L^-1，为发酵罐R0中VFAs产量的1.60倍。

实施例2

所用的氧化还原介体为AQS，在pH为12的KOH溶液中加入AQS配制成AQDS浓度为5.0 g/L的AQS储备液；所述剩余污泥来源于浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余污泥（脱水后），TSS含量为138 g/L。

在发酵罐R0（有效容积3.0 L）和发酵罐R1（有效容积3.0 L）中均投加870 mL剩余污泥，然后用蒸馏水补足3.0 L，此时，发酵罐中TSS为40 g/L；发酵罐中剩余污泥先在60转/分钟条件下搅拌6 h，然后迅速在发酵罐R1中加入AQS储备液12 mL，此时发酵体系中AQDS的浓度为20 mg/L。发酵罐R0作为对照组不加AQS储备液。在发酵罐R0和发酵罐R1中控制发酵温度为35℃，利用KOH溶液调节发酵系统pH值为9.0，氧化还原电位控制为-180～-220 mV；发酵过程中采用潜流搅拌器进行搅拌，搅拌速度设为100转/分钟。

采用上述方法处理后，经15 d发酵后，发酵罐R1中的发酵液VFAs产量可高达32150 mg SCOD L^-1，为发酵罐R0中VFAs产量的3.56倍。

实施例3

所用的氧化还原介体为指甲花醌，在pH为10的Ca(OH)₂溶液中配制成50 g/L的指甲花醌储备液；所述剩余污泥来源于杭州市某淀粉厂污水处理站生化处理工艺剩余污泥，TSS含量为65 g/L。

在发酵罐R0（有效容积3.0 L）和发酵罐R1（有效容积3.0 L）中均投加1385 mL剩余污泥，然后用蒸馏水补足3.0 L，此时，发酵罐中TSS为70 g/L；发酵罐中剩余污泥先在100转/分钟条件下搅拌2 h，然后迅速在R1中加入指甲花醌储备液15 mL，此时发酵体系中指甲花醌的浓度为100 mg/L。发酵罐R0作为对照组不加指甲花醌储备液。在发酵罐R0和发酵罐R1中控制发酵温度为25℃，利用碳酸氢钠缓冲溶液维持发酵系统pH值为8.0，氧化还原电位控制为-200～-250 mV；发酵过程中采用潜流搅拌器进行搅拌，搅拌速度设为200转/分钟。

采用上述方法处理后，经10 d发酵后，发酵罐R1中的发酵液VFAs产量可高达37950 mg SCOD L^-1，为发酵罐R0中VFAs产量的4.50倍。

实施例4

所用的氧化还原介体为核黄素，在pH为10的Ca(OH)₂溶液中配制成50 g/L的核黄储备液；所述剩余污泥来源于浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余污泥（脱水后），TSS含量为138 g/L。

在发酵罐R0（有效容积3.0 L）和发酵罐R1（有效容积3.0 L）中均投加978 mL剩余污泥，然后用蒸馏水补足3.0 L，此时，发酵罐中TSS为45 g/L；发酵罐中剩余污泥先在100转/分钟条件下搅拌2.5 h，然后迅速在R1中加入核黄素储备液6 mL，此时发酵体系中指甲花醌的浓度为100 mg/L。发酵罐R0作为对照组不加核黄素储备液。在发酵罐R0和发酵罐R1中控制发酵温度为30℃，利用Ca(OH)₂溶液调节发酵系统pH值为12，氧化还原电位控制为-150～-200 mV；发酵过程中采用潜流搅拌器进行搅拌，搅拌速度设为100转/分钟。

采用上述方法处理后，经20 d发酵后，发酵罐R1中的发酵液VFAs产量可高达42370 mg SCOD L^-1，为发酵罐R0中VFAs产量的3.88倍。

实施例5

所用的氧化还原介体为胡桃醌和甲萘醌的混合物，在pH为11的NaOH溶液中配制成胡桃醌和甲萘醌浓度为25 g/L的胡桃醌和甲萘醌混合物储备液，其中胡桃醌的浓度为17 g/L,甲萘醌的浓度为8 g/L；所述剩余污泥来源于浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余污泥（脱水后），TSS含量为138 g/L。

在发酵罐R0（有效容积3.0 L）和发酵罐R1（有效容积3.0 L）中均投加652 mL剩余污泥，然后用蒸馏水补足3.0 L，此时，发酵罐中TSS为30 g/L；发酵罐中剩余污泥先在50转/分钟条件下搅拌4 h，然后迅速在R1中加入胡桃醌和甲萘醌混合物储备液24 mL，此时发酵体系中氧化还原介体总的浓度为200 mg/L。发酵罐R0作为对照组不加氧化还原介体储备液。在发酵罐R0和发酵罐R1中控制发酵温度为35℃，利用碳酸氢钠缓冲溶液维持发酵系统pH值为8，氧化还原电位控制为-100～-160 mV；发酵过程中采用潜流搅拌器进行搅拌，搅拌速度设为150转/分钟。

采用上述方法处理后，经3 d发酵后，发酵罐R1中的发酵液VFAs产量可高达23420 mg SCOD L^-1，为发酵罐R0中VFAs产量的2.65倍。

实施例6

所用的氧化还原介体为指甲花醌和核黄素的混合物，在pH为10的NaOH溶液中配制成指甲花醌和核黄素的浓度为30 g/L的指甲花醌和核黄素混合物储备液，其中指甲花醌的浓度为10 g/L,核黄素的浓度为20 g/L；所述剩余污泥来源于浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余污泥（脱水后）和杭州市某淀粉厂污水处理站生化处理工艺剩余污泥，TSS含量分别为138 g/L和65 g/L。

在ASBR反应器R0（有效容积5.0 L）和ASBR反应器R1（有效容积5.0 L）中分别投加1420 mL某城市污水处理厂剩余污泥和1226 mL某淀粉厂污水处理站生化处理工艺剩余污泥，然后用蒸馏水补足5.0 L，此时，ASBR中TSS为55 g/L；ASBR中剩余污泥先在80转/分钟条件下搅拌1 h，然后迅速在ASBR反应器R1中加入指甲花醌和核黄素混合物储备液25 mL，此时发酵体系中氧化还原介体总的浓度为150 mg/L。ASBR反应器R0作为对照组不加氧化还原介体储备液。在ASBR反应器R0和ASBR反应器R1中控制发酵温度为20℃，利用磷酸盐缓冲溶液维持发酵系统pH值为9，氧化还原电位控制为-230～-270 mV；发酵过程中采用潜流搅拌器进行搅拌，搅拌速度设为150转/分钟。

采用上述方法处理后，经20 d发酵后，发酵罐R1中的发酵液VFAs产量可高达48760 mg SCOD L^-1，为发酵罐R0中VFAs产量的3.40倍。

实施例7

所用的氧化还原介体为AQDS、AQS、胡桃醌、指甲花醌、甲萘醌和核黄素的混合物，在pH为10的NaOH溶液中配制成24 g/L的氧化还原介体储备液，其中AQDS、AQS、胡桃醌、指甲花醌、甲萘醌和核黄素的浓度均为4 g/L；所述剩余污泥来源于浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余污泥（TSS 138 g/L）和杭州市某淀粉厂污水处理站生化处理工艺剩余污泥（TSS 65 g/L），使用时按1:1体积比将其混合，并稀释为20 g/L的混合污泥，同时投加上述氧化还原介体混合物储备液，使其在混合污泥中的浓度为80 mg/L；配制对照组污泥混合物（20/L），其中不投加氧化还原介体。

采用厌氧消化池（有效容积100 L）作为厌氧发酵产酸系统，利用碳酸氢钠缓冲溶液调节稀释后的剩余污泥混合物的pH值为8.0，设置剩余污泥混合物在厌氧消化池中的停留时间为18 d，即污泥流量控制为231 mL/h，同时采用污泥泵设置厌氧消化池的内循环比为150﹪。厌氧消化池在35℃条件下连续运行2个月。期间，发酵液中检测到的VFAs含量可高达17220 mg SCOD L^-1，为剩余污泥单一发酵系统中的2.87倍。

实施例8

所用的氧化还原介体为胡桃醌，在pH为10的NaOH溶液中配制成25 g/L的胡桃醌储备液；所述剩余污泥来源于浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余污泥（TSS 138 g/L）和杭州市某淀粉厂污水处理站生化处理工艺剩余污泥（TSS 65 g/L），使用时按1:1体积比将其混合，并稀释为20 g/L的混合污泥，同时投加上述胡桃醌储备液，使其在混合污泥中的浓度为60 mg/L；配制对照组污泥混合物（20/L），其中不投加氧化还原介体。

采用厌氧消化池（有效容积100 L）作为厌氧发酵产酸系统，利用氢氧化钠缓冲溶液调节稀释后的剩余污泥混合物的pH值为7.5，设置剩余污泥混合物在厌氧消化池中的停留时间为20 d，即污泥流量控制为208 mL/h，同时采用污泥泵设置厌氧消化池的内循环比为200﹪。厌氧消化池在25℃条件下连续运行2个月。期间，发酵液中检测到的VFAs含量可高达19870 mg SCOD L^-1，为剩余污泥单一发酵系统中的2.53倍。

实施例9

所用的氧化还原介体为甲萘醌，在pH为10的NaOH溶液中配制成50 g/L的甲萘醌储备液；所述剩余污泥来源于浙江省杭州市某城市污水处理厂剩余污泥（TSS 138 g/L）和杭州市某淀粉厂污水处理站生化处理工艺剩余污泥（TSS 65 g/L），使用时按1:1体积比将其混合，并稀释为20 g/L的混合污泥，同时投加上述甲萘醌储备液，使其在混合污泥中的浓度为100mg/L；配制对照组污泥混合物（20/L），其中不投加氧化还原介体。

采用厌氧消化池（有效容积100 L）作为厌氧发酵产酸系统，利用氢氧化钠缓冲溶液调节稀释后的剩余污泥混合物的pH值为8.0，设置剩余污泥混合物在厌氧消化池中的停留时间为15 d，即污泥流量控制为278 mL/h，同时采用污泥泵设置厌氧消化池的内循环比为100﹪。厌氧消化池在30℃条件下连续运行3个月。期间，发酵液中检测到的VFAs含量可高达28600 mg SCOD L^-1，为剩余污泥单一发酵系统中的3.26倍。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。