一种提高污泥厌氧发酵产酸的方法 【技术领域】
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种提高污泥厌氧发酵产酸的方法。
背景技术
城镇污水厂污水处理过程中产生的初沉污泥和剩余污泥中既含有N、P、K等营养元素及大量有机物质，同时还有一定量的病原微生物、重金属和其他有害成分，因此对城镇污泥的处理不当会造成环境污染和资源浪费。随着我国社会经济的迅速发展和城市人口的不断增加，城市污水厂的规模和数量都在不断增大。而污水处理过程所产生的污泥量也大大增加，我国污泥处理的形式十分严峻。
在众多的污泥处理方法中，厌氧消化由于其较低的运行费用优势，是目前国际上应用最为广泛的污泥稳定化和资源化处理方法。厌氧消化是在无氧的条件下，利用兼性菌和专性厌氧细菌进行厌氧生化反应，降解污水污泥中有机物质的一种污泥处理工艺。污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程，可用三阶段发酵理论解释。第一阶段，在水解与发酵细菌作用下，碳水化合物、蛋白质和脂肪等高分子物质水解与发酵成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等。第二阶段，在产氢、产乙酸菌作用下，将第一阶段产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。第三阶段，是通过两组甲烷菌的作用，将氢和二氧化碳转化成甲烷和将乙酸脱羧产生甲烷。众所周知，在污泥厌氧消化的产酸段，有机颗粒水解是整个污泥产酸过程的限速步骤，这是因为组成污泥的微生物细胞壁对水解有很强的抑制作用。而被研究较多的碱预处理虽然能促进水解，但是其对细胞壁的破坏作用有限。细胞壁通常难以被一般的化学和机械作用破坏，但是超声则不同，超声有很强的细胞破碎作用。当施加超声作用时将发生空化效应，空化泡的瞬时崩溃将对细胞壁产生强烈的剪切作用，最终导致其结构性破坏，菌胶团吸附的有机物(主要为胞外聚合物)被释放，表现为污泥上清液中有机物(如蛋白质、糖)的增加。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种提高污泥厌氧发酵产酸的方法，将超声与碱性消化耦合提高污泥厌氧发酵生产有机酸的产量。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
本发明提出的超声波耦合碱性消化提高厌氧发酵产酸的方法，以城市污水处理厂产生的剩余污泥为原料，首先通过超声对污泥微生物进行破壁作用，使微生物细胞内有机物大量溶出，再通过调节pH值至碱性进一步促进污泥溶解和抑制厌氧发酵过程中产甲烷菌的活性，将污泥由固相转化为液相，最大程度的将污泥中有机成分转化为挥发性有机酸。
进一步，具体条件可为：
超声波频率调节为：10～20kHz
超声波能量密度调节为：0.25～4.0kw/L；
超声时间调节为：1～50min；
pH调节为8～12；
污泥在反应器中停留时间为3小时～15天；
本发明较好的实施条件是：
本发明中，超声波能量密度调节为0.25～4.0kw/L，调节时间为1～50min。超声能量密度越大，超声时间越长，污泥细胞壁破坏程度越深，胞内有机物溶出越多，但是相应的处理费用也不断增加。综合考虑，超声波能量密度选择在0.5～2kw/L，超声时间为5～30min为佳。
反应器中pH调节为9～11。
污泥停留时间范围为1～6天。
本发明主要是将超声波与碱性消化耦合起来，提高厌氧发酵产酸。其基本原理如下：污泥微生物固体中含有大量由蛋白质、多糖等组成的多聚物，由于细胞壁的存在，这些多聚物很难被产酸微生物所利用。而当施加超声作用时将发生空化效应，空化泡的瞬时崩溃将对细胞壁产生强烈的剪切作用，最终导致其结构性破坏，菌胶团吸附的有机物(主要为胞外聚合物)被释放，表现为污泥上清液中有机物如蛋白质、糖的增加，为产酸微生物提供大量的发酵底物。将超声过的泥水混合液的pH值调节为碱性，利用碱性条件能够进一步促进水解和有效抑制产甲烷菌等消耗有机酸微生物活性的优势，达到提高污泥厌氧发酵生产有机酸的目的。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：
(1)应用超声波与碱性消化耦合技术将城市污水处理厂的剩余污泥进行厌氧发酵产酸，不但实现了污泥的减量化，而且极大提高了污泥厌氧发酵产酸的效率，达到了污泥资源化的目的。
(2)应用超声波与碱性消化耦合工艺，污泥厌氧发酵产生的有机酸量明显高于它们二者中任何一方单独厌氧发酵所产生的有机酸的量。
(3)超声波与碱性消化耦合作用，可以大大提高污泥水解速率，缩短污泥厌氧发酵时间，对降低污泥处理费用有一定的参考价值，对工程实践有一定的指导意义。
【具体实施方式】
下面结合实例作进一步详细说明：
经过试验，在单独超声条件下进行发酵，污泥厌氧消化的产酸段的产酸效率得不到提高。究其原因，进行超声处理后的污泥pH值为中性，适合甲烷菌生长，超声所析出有机物质被用作甲烷菌底物，故在本发明中，应用超声耦合碱性消化提高产酸量。在碱性条件下，产甲烷菌活性能够得到有效的抑制，超声释放出的大量有机底物得到充分利用，产酸效率大大提高。
实施例1
在有机玻璃制成地工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃(本发明是用于任何常规温度，这里仅以25±1℃为例，以下实施例同)，超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，在反应器中停留时间为8小时，所产挥发性有机酸为86.98毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例2
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，在反应器中停留时间为1天，所产挥发性有机酸为79.6毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例3
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。pH值调节为10，在反应器中停留时间为4天，所产挥发性有机酸为506毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例4
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。pH值调节为10，在反应器中停留时间为6天，所产挥发性有机酸为1136毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例5
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。pH值调节为10，在反应器中停留时间为8天，所产挥发性有机酸为875毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例6
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为1天，所产挥发性有机酸为675毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例7
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为2天，所产挥发性有机酸为987毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例8
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为2156毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例9
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，在反应器中停留时间为4天，所产挥发性有机酸为1768毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例10
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为5天，所产挥发性有机酸为1397毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例11
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为6天，所产挥发性有机酸为1281毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例12
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为0.25kw/L、10min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为1339毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例13
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为0.5kw/L、10min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为1652毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例14
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为2kw/L、10min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为1873毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例15
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为4kw/L、10min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为1725毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例16
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、5min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为1537毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例17
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、20min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为2041毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例18
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、30min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为1983毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例19
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、50min，pH值调节为10，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为1428毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例20
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，pH值调节为8，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为328毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例21
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，pH值调节为9，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为1263毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例22
在有机玻璃制成的工作容积为1升的反应器中，加入城市污水处理厂剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)进行厌氧发酵产酸，反应温度为25±1℃。超声能量密度、作用时间分别为1kw/L、10min，pH值调节为11，在反应器中停留时间为3天，所产挥发性有机酸为1852毫克每升(以化学需氧量计)。
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的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它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，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。