專利名稱：一種提高污泥厭氧發酵產酸的方法
技術領域：
本發明屬于環境保護技術領域，涉及一種提高污泥厭氧發酵產酸的方法。
背景技術：
城鎮污水廠污水處理過程中產生的初沉污泥和剩余污泥中既含有N、 P、 K等營養 元素及大量有機物質，同時還有一定量的病原微生物、重金屬和其他有害成分，因此對城鎮 污泥的處理不當會造成環境污染和資源浪費。隨著我國社會經濟的迅速發展和城市人口的 不斷增加，城市污水廠的規模和數量都在不斷增大。而污水處理過程所產生的污泥量也大 大增加，我國污泥處理的形式十分嚴峻。 在眾多的污泥處理方法中，厭氧消化由于其較低的運行費用優勢，是目前國際上 應用最為廣泛的污泥穩定化和資源化處理方法。厭氧消化是在無氧的條件下，利用兼性菌 和專性厭氧細菌進行厭氧生化反應，降解污水污泥中有機物質的一種污泥處理工藝。污泥 厭氧消化是一個極其復雜的過程，可用三階段發酵理論解釋。第一階段，在水解與發酵細菌 作用下，碳水化合物、蛋白質和脂肪等高分子物質水解與發酵成單糖、氨基酸、脂肪酸、甘油 及二氧化碳、氫等。第二階段，在產氫、產乙酸菌作用下，將第一階段產物轉化成氫、二氧化 碳和乙酸。第三階段，是通過兩組甲烷菌的作用，將氫和二氧化碳轉化成甲烷和將乙酸脫羧 產生甲烷。眾所周知，在污泥厭氧消化的產酸段，有機顆粒水解是整個污泥產酸過程的限速 步驟，這是因為組成污泥的微生物細胞壁對水解有很強的抑制作用。而被研究較多的堿預 處理雖然能促進水解，但是其對細胞壁的破壞作用有限。細胞壁通常難以被一般的化學和 機械作用破壞，但是超聲則不同，超聲有很強的細胞破碎作用。當施加超聲作用時將發生空 化效應，空化泡的瞬時崩潰將對細胞壁產生強烈的剪切作用，最終導致其結構性破壞，菌膠 團吸附的有機物(主要為胞外聚合物)被釋放，表現為污泥上清液中有機物(如蛋白質、 糖)的增加。
發明內容
本發明的目的在于提供一種提高污泥厭氧發酵產酸的方法，將超聲與堿性消化耦
合提高污泥厭氧發酵生產有機酸的產量。 為達到以上目的，本發明所采用的解決方案是 本發明提出的超聲波耦合堿性消化提高厭氧發酵產酸的方法，以城市污水處理廠
產生的剩余污泥為原料，首先通過超聲對污泥微生物進行破壁作用，使微生物細胞內有機
物大量溶出，再通過調節pH值至堿性進一步促進污泥溶解和抑制厭氧發酵過程中產甲烷
菌的活性，將污泥由固相轉化為液相，最大程度的將污泥中有機成分轉化為揮發性有機酸。 進一步，具體條件可為 超聲波頻率調節為10 20kHz 超聲波能量密度調節為0. 25 4. 0kw/L ; 超聲時間調節為1 50min ;
pH調節為8 12; 污泥在反應器中停留時間為3小時 15天；
本發明較好的實施條件是 本發明中，超聲波能量密度調節為0. 25 4. Okw/L，調節時間為1 50min。超聲 能量密度越大，超聲時間越長，污泥細胞壁破壞程度越深，胞內有機物溶出越多，但是相應 的處理費用也不斷增加。綜合考慮，超聲波能量密度選擇在0. 5 2kw/L，超聲時間為5 30min為佳。 反應器中pH調節為9 11。
污泥停留時間范圍為1 6天。 本發明主要是將超聲波與堿性消化耦合起來，提高厭氧發酵產酸。其基本原理如 下污泥微生物固體中含有大量由蛋白質、多糖等組成的多聚物，由于細胞壁的存在，這些 多聚物很難被產酸微生物所利用。而當施加超聲作用時將發生空化效應，空化泡的瞬時崩 潰將對細胞壁產生強烈的剪切作用，最終導致其結構性破壞，菌膠團吸附的有機物(主要 為胞外聚合物)被釋放，表現為污泥上清液中有機物如蛋白質、糖的增加，為產酸微生物提 供大量的發酵底物。將超聲過的泥水混合液的PH值調節為堿性，利用堿性條件能夠進一步 促進水解和有效抑制產甲烷菌等消耗有機酸微生物活性的優勢，達到提高污泥厭氧發酵生 產有機酸的目的。
由于采用了以上技術方案，本發明具有以下有益效果 (1)應用超聲波與堿性消化耦合技術將城市污水處理廠的剩余污泥進行厭氧發酵 產酸，不但實現了污泥的減量化，而且極大提高了污泥厭氧發酵產酸的效率，達到了污泥資 源化的目的。 (2)應用超聲波與堿性消化耦合工藝，污泥厭氧發酵產生的有機酸量明顯高于它 們二者中任何一方單獨厭氧發酵所產生的有機酸的量。 (3)超聲波與堿性消化耦合作用，可以大大提高污泥水解速率，縮短污泥厭氧發酵 時間，對降低污泥處理費用有一定的參考價值，對工程實踐有一定的指導意義。
具體實施例方式
下面結合實例作進一步詳細說明 經過試驗，在單獨超聲條件下進行發酵，污泥厭氧消化的產酸段的產酸效率得不 到提高。究其原因，進行超聲處理后的污泥PH值為中性，適合甲烷菌生長，超聲所析出有機 物質被用作甲烷菌底物，故在本發明中，應用超聲耦合堿性消化提高產酸量。在堿性條件 下，產甲烷菌活性能夠得到有效的抑制，超聲釋放出的大量有機底物得到充分利用，產酸效 率大大提高。
實施例1 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C (本發明是用
于任何常規溫度，這里僅以25士rc為例，以下實施例同)，超聲能量密度、作用時間分別為
lkw/L、10min，在反應器中停留時間為8小時，所產揮發性有機酸為86. 98毫克每升(以化 學需氧量計)。
實施例2 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、10min，在反應器中停留時間為1天，所產揮發性有機酸為79. 6
毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例3 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。 pH值調節為 IO，在反應器中停留時間為4天，所產揮發性有機酸為506毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例4 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。 pH值調節為 IO，在反應器中停留時間為6天，所產揮發性有機酸為1136毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例5 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。 pH值調節為 IO，在反應器中停留時間為8天，所產揮發性有機酸為875毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例6 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、10min， pH值調節為10，在反應器中停留時間為1天，所產揮發 性有機酸為675毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例7 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、10min， pH值調節為10，在反應器中停留時間為2天，所產揮發 性有機酸為987毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例8 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、10min，在反應器中停留時間為3天，所產揮發性有機酸為2156 毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例9 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、10min，在反應器中停留時間為4天，所產揮發性有機酸為1768
毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例10 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥(其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、10min， pH值調節為10，在反應器中停留時間為5天，所產揮發 性有機酸為1397毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例11 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、10min， pH值調節為10，在反應器中停留時間為6天，所產揮發 性有機酸為1281毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例12 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為0. 25kw/L、10min，pH值調節為10，在反應器中停留時間為3天，所產揮 發性有機酸為1339毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例13 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為0. 5kw/L、10min， pH值調節為10，在反應器中停留時間為3天，所產揮 發性有機酸為1652毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例14 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為2kw/L、10min， pH值調節為10，在反應器中停留時間為3天，所產揮發 性有機酸為1873毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例15 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為4kw/L、10min， pH值調節為10，在反應器中停留時間為3天，所產揮發 性有機酸為1725毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例16 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、5min，pH值調節為10，在反應器中停留時間為3天，所產揮發性 有機酸為1537毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例17 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、20min， pH值調節為10，在反應器中停留時間為3天，所產揮發 性有機酸為2041毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例18
在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、30min， pH值調節為10，在反應器中停留時間為3天，所產揮發 性有機酸為1983毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例19 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、50min， pH值調節為10，在反應器中停留時間為3天，所產揮發 性有機酸為1428毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例20 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、10min，pH值調節為8，在反應器中停留時間為3天，所產揮發性 有機酸為328毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例21 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、10min，pH值調節為9，在反應器中停留時間為3天，所產揮發性 有機酸為1263毫克每升(以化學需氧量計)。
實施例22 在有機玻璃制成的工作容積為1升的反應器中，加入城市污水處理廠剩余污泥 (其含水率為99.2%， pH = 6.76)進行厭氧發酵產酸，反應溫度為25± 1°C 。超聲能量密 度、作用時間分別為lkw/L、10min， pH值調節為11，在反應器中停留時間為3天，所產揮發 性有機酸為1852毫克每升(以化學需氧量計)。 上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發 明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易的對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的 一般原理應用到其它實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施 例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對于本發明做出的改進和修改都應該在本發明的 保護范圍之內。
權利要求
一種提高污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于以污泥為原料，先通過超聲對污泥中微生物進行破壁作用，使微生物細胞內有機物大量溶出，再通過調節pH值至堿性進一步促進污泥溶解和抑制厭氧發酵過程中產甲烷菌的活性，將污泥中有機成分轉化為揮發性有機酸。
2. 根據權利要求1所述的提高污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于超聲對污泥進行破壁的具體條件為超聲波能量密度為0. 25 4. 0kw/L ;超聲時間為1 50min。
3. 根據權利要求1所述的提高污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于反應器中PH調節為8 12。
4. 根據權利要求1所述的提高污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于污泥在反應器中停留時間為3小時 15天。
5. 根據權利要求2所述的提高污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于超聲對污泥進行破壁的更佳條件為超聲波能量密度為0. 5 2. Okw/L ;超聲時間為5 30min。
6. 根據權利要求3所述的提高污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于更佳地，反應器中pH調節為9 11。
7. 根據權利要求4所述的提高污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于更佳地，污泥在反應器中停留時間為1 6天。
全文摘要
本發明一種提高污泥厭氧發酵產酸的方法，屬于環境保護技術領域，其以城市污水處理廠剩余污泥為原料，通過控制超聲波的操作參數對污泥微塵物進行破壁作用，使微塵物細胞內有機物大量溶出，加入堿液調節pH值以及微塵物的作用將污泥最大程度的由固相轉化為液相并產塵揮發性有機物。本發明對污泥無害化、資源化的基礎上進一步提高了污泥塵產有機酸的量。
文檔編號C12P7/40GK101768609SQ20091019490
公開日2010年7月7日 申請日期2009年9月1日 優先權日2009年9月1日
發明者嚴媛媛, 馮雷雨, 周琪, 張超杰, 朱洪光 申請人:同濟大學