一种物化联合预处理强化剩余污泥厌氧发酵产短链挥发酸的方法

摘要

本发明涉及一种物化联合预处理强化剩余污泥厌氧发酵产短链挥发酸的方法，属于固体废弃物处理技术领域。该方法首次利用超声/Fenton联合预处理强化剩余污泥产短链挥发酸。首先将污泥经超声预处理，再进行Fenton预处理，得到联合预处理后的污泥；将联合预处理后的污泥送入厌氧消化反应器中进行发酵。本发明针对传统污泥厌氧消化中存在的不足，通过超声/Fenton联合预处理剩余污泥，提高污泥可生化性，促进厌氧发酵产短链挥发酸反应进行，实现城市污水处理厂污泥的减量化、资源化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种物化联合预处理强化剩余污泥厌氧发酵产短链挥发酸的方法，属于固体 废弃物处理技术领域。

背景技术

近年来由于城镇化发展进程加快，使得越来越多的污水进入城镇污水处理厂，导致大量剩 余污泥产生。目前，污泥处理处置运行成本已占污水处理厂50％以上，这正成为一个亟待解决 的问题。剩余污泥中含有大量的无毒有机物，这是重要的回收资源。然而，由于污泥自身水解 发酵阶段需要较长时间，并且效率低下，这正成为污泥厌氧发酵的限速步骤。

发明内容

本发明的目的是提出一种物化联合预处理强化剩余污泥厌氧发酵产短链挥发酸的方法， 针对传统污泥厌氧消化中存在的不足，通过超声/Fenton联合预处理剩余污泥，提高污泥可 生化性，促进厌氧发酵产短链挥发酸反应进行，实现城市污水处理厂污泥的减量化、资源 化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种物化联合预处理强化剩余污泥厌氧 发酵产短链挥发酸的方法，包括如下步骤：将污泥先经超声预处理，再进行Fenton预处 理，得到联合预处理后的污泥；将联合预处理后的污泥送入厌氧消化反应器中进行发酵产 酸。

上述的方法，包括污泥预处理：将污泥在2-5℃下重力沉降20-25小时，去除上清液 后，经1.0mm筛子过滤，取筛下物。

上述的方法，所述的超声预处理是：超声预处理在频率20-100kHz，能量密度0.2-0.6 kW/L下预处理5-15分钟。优选的，超声预处理在频率40kHz，能量密度0.4kW/L下预处 理10分钟。

上述的方法，所述的Fenton预处理是：将超声预处理后的污泥置于带有磁力搅拌器的 容器中，先用浓硫酸调节pH为2.5-3.5，然后在每升污泥中投加FeSO₄·7H₂O试剂，使Fe²⁺浓度为0.02-0.06g/L，最后在每升污泥中投加浓度30％双氧水10-15g，反应80-100分钟。 优选的，将超声预处理后的污泥置于带有磁力搅拌器的容器中，先用浓硫酸调节pH为 3.0，然后在每升污泥投加FeSO₄·7H₂O试剂使Fe²⁺浓度为0.04g/L，最后在每升污泥中投加 浓度30％双氧水10g，反应90分钟。

上述的方法，将联合预处理后的污泥送入厌氧消化反应器中，曝氮气去除反应器中的氧 气，于30-40℃下发酵10-20天。

本发明，首先，采用超声预处理，破解污泥絮体和微生物细胞结构，使胞内有机物释放到 液相中。同时，超声过程中产生的羟基自由基·OH也有利于污泥分解。

其次，采用Fenton预处理，在预处理过程中，二价铁离子(Fe²⁺)催化双氧水H₂O₂分 解，加速羟基自由基的产生。羟基自由基是一个非常强的非定向选择的氧化物基团。羟基自由 基可轻易穿过细胞膜使胞内有机物释放到液相。与此同时，它也可以氧化难生物降解物质为可 生物降解物质。

本发明的有益效果是：本发明首次利用超声/Fenton联合预处理强化剩余污泥厌氧发酵 产短链挥发酸。结果表明，超声/Fenton联合预处理后的污泥破解率DD_SCOD为15.4％，而单 独超声和单独Fenton预处理分别只有9.97％和3.18％。联合预处理后的污泥最大挥发酸积累 量为4594mgCOD/L，而单独超声处理为3485mgCOD/L，单独Fenton处理为2700 mgCOD/L。本发明的方法对提高污泥水解和后续厌氧发酵产挥发酸有协同作用。该方法为 实现剩余污泥资源化、减量化和无害化，提供了一种新的途径。

附图说明

图1不同预处理对污泥的破解效果。

图2联合预处理对污泥形貌影响。

图中，a：未处理污泥形貌；b：联合预处理后污泥形貌。

图3不同预处理对厌氧发酵过程中总挥发酸浓度变化。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于此。由于各地污水水 质及所采用的处理工艺有所差别，预处理参数也会产生相应变化，因此在不违背本发明的实 质和所附权利要求范围的前提下，可对本发明中关键参数做适当调整。

实施例1一种物化联合预处理强化剩余污泥厌氧发酵产短链挥发酸的方法

方法如下：

(一)污泥预处理

剩余污泥来源于哈尔滨市太平污水处理厂的二沉池污泥，取回污泥后先在4℃重力沉降 24小时，浓缩排去上清液。浓缩的污泥经过1.0mm筛子过滤，除去污泥中的大颗粒物和一 些杂质，得到的污泥浓度为24g/L。

(二)超声/Fenton联合预处理

先将步骤(一)预处理后的污泥进行超声预处理：在超声频率40kHz，能量密度0.4 kW/L下预处理10分钟。

再将超声预处理后的污泥进行Fenton预处理：将超声预处理后的污泥置于带有磁力搅 拌器的容器中，用浓硫酸调节pH为3，然后在每升污泥投加FeSO₄·7H₂O试剂，使Fe²⁺浓 度为0.04g，最后在每升污泥中投加浓度30％双氧水10g，反应90分钟。

同时，做对比试验，即将预处理后的污泥单独如上做超声预处理和单独如上做Fenton 预处理。

将超声预处理的污泥、Fenton预处理的污泥和超声/Fenton联合预处理的污泥按苯酚硫 酸法测定溶解性碳水化合物和改良型BCA试剂盒法测定溶解性蛋白质。污泥破解率用 DD_COD表示。计算公式如下

${\mathrm{DD}}_{\mathrm{COD}}(\%)=\frac{{\mathrm{SCOD}}_t-{\mathrm{SCOD}}_O}{\mathrm{TCOD}-{\mathrm{SCOD}}_O}\times 100$

其中，TCOD表示污泥混合液总COD，SCOD_t和SCOD₀分别表示经过处理和未经处理 后的上清液COD。COD用重铬酸钾滴定法(GB 11914-89)测定。

结果如图1所示。

如图1所示，超声/Fenton联合预处理后的污泥中，溶解性碳水化合物浓度为441 mgCOD/L，分别是单独Fenton、单独超声和未经预处理污泥的2.36倍、2.17倍和17.11 倍。

如图1所示，超声/Fenton联合预处理后的污泥中，溶解性蛋白质浓度为2059 mgCOD/L，分别是单独Fenton、单独超声和未经预处理污泥的2.43倍、1.47倍和13.37 倍。

如图1所示，超声/Fenton联合预处理后的污泥中，污泥破解率DD_SCOD为15.4％，而超 声和Fenton预处理分别只有9.97％和3.18％。

如图2所示，超声/Fenton联合预处理后的污泥中，经过联合预处理后剩余污泥的表面 结构发生了很大变化。预处理前剩余污泥形貌可见污泥内部存在大量的球状菌，细胞完整饱 满；经过联合预处理后的污泥形貌，可以看出细胞的数量有所减少，形貌比较瘪，内部比较 松散，出现了很多明显的孔隙和空穴结构。

可见，超声/Fenton联合预处理可以促进剩余污泥中的有机物有效的从微生物细胞内释 放到细胞外，预处理后释放的大量有机物有利于后续厌氧发酵产挥发酸。

(三)厌氧发酵

将步骤(二)超声/Fenton联合预处理后的污泥置于厌氧反应器中，曝氮气10分钟去除 反应器中的氧气，接着把反应器用丁基橡胶塞塞紧，发酵温度为35℃，发酵时间为16天。

同时，做对比试验。

取发酵16天的污泥样品，按苯酚硫酸法测定溶解性碳水化合物、改良型BCA试剂盒法 测定溶解性蛋白质和气相色谱法对挥发酸进行样品测定。

污泥中，蛋白质和碳水化合物占了污泥主要成分的70～80％。

厌氧发酵过程中，超声/Fenton联合预处理、Fenton预处理、超声预处理的污泥，溶解 性碳水化合物最大浓度分别为507±40mgCOD/L，300±18mgCOD/L和204±5 mgCOD/L。然而对未处理污泥，其最高碳水化合物浓度只有57±6mgCOD/L。

厌氧发酵过程中，超声/Fenton联合预处理、Fenton预处理、超声预处理的污泥，溶解 性蛋白质最大浓度分别为2719±127mgCOD/L，1650±28mgCOD/L和1399±10 mgCOD/L。然而对未处理污泥，其最高蛋白质浓度只有684±56mgCOD/L。

采用气相色谱法对短链挥发酸(乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸)进行 测定。测定前，污泥样品先经0.45μm滤膜过滤，过滤后的滤液加入适量的甲酸，以保持 pH<3，然后保存于棕色色谱瓶进行测定。通过气相色谱法分析得出，挥发酸主要成分为乙 酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸五种短链挥发酸。

如图3所示，总挥发酸浓度为乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸五种挥发 酸浓度之和。预处理后的污泥挥发酸浓度高于未处理的污泥。超声预处理和Fenton预处理挥 总发酸浓度在第3天达到最大值，分别为3485mgCOD/L和2700mgCOD/L。而超声/Fenton 联合预处理的污泥总挥发酸浓度在第8天达到最大值4594mgCOD/L。超声/Fenton联合预处 理产挥发酸的延迟可能是由联合预处理后会降低产酸菌活性和产酸菌数量的减少，但是当产 酸菌随发酵时间富集后，挥发酸产量会有明显的升高。同时，实验也表明污泥预处理不仅会 改变微粒水解类型，也会改变挥发酸发酵类型。