一種預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法

專利名稱：一種預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法
技術領域：
本發明屬于廢水處理領域，特別涉及污水處理廠剩余污泥處理產氫方法。
背景技術：
生物處理法(好氧處理)是處理城市污水、保證對水環境影響最小的有效方法，但是也存在不足，即在處理污水過程中產生污泥。污水在處理過程中會產生大量污泥，據 估計，實際運行的污水處理廠剩余污泥產率能達到0. 89-0. 99kgSS/kgB0D5。目前世界各國 的污泥產量都十分巨大，例如，據文獻報道，英國每年產生1.0X106噸干污泥，瑞士每年產 生4. 2 X IO6噸干污泥，原聯邦德國每年產生5. OX IO7噸干污，而新加坡每年產生1. 7 X IO5 噸干污泥。據統計，到2008年3月底，污泥年產量已達2. 66X 107噸(含水率80%)；根據 'H^一五”規劃，預計2010年將達到2. 85X IO7噸(含水率80% )以上。隨著污水處理廠的 繼續興建和更加嚴格的環境標準，污泥的產量還將進一步增加。污泥富集許多污染物，處理 費用很高。基本上處理1噸污水可能產生100克污泥，但處理100克污泥的費用比處理1 噸污水還要高。尤其在規定嚴格的歐洲，可能要花費處理污水2倍的費用處理所產生的污 泥。因此，解決污泥處理處置問題十分緊迫。厭氧消化是一種常用的污泥處理方法，在減少污泥體積和質量的同時，還可以甲 烷的形式回收污泥中的部分生物質能。氫氣是污泥厭氧消化過程中的一種中間產物，這種 中間產物會由于迅速被污泥中大量存在的嗜氫菌(主要是產甲烷菌)所消耗而難以獲得。 與甲烷相比，氫氣在很多方面都更有優勢。例如，氫氣的燃燒值為1.43X 108KJ/Kg，而甲烷 僅5. 56 X 104KJ/Kg ；氫氣在燃燒過程中，除釋放出巨大的能量外，產生的廢物只有水，不會 造成環境污染，因而又被稱為“清潔燃料”，是真正的無污染的“綠色能源”，而甲烷在燃燒過 程中，除產生水外，還會產生二氧化碳；氫氣的重量和密度都比甲烷輕，更便于運送和攜帶， 容易儲藏；另外，氫氣的用途更為廣泛。因此，研究人員考慮如何從污泥的厭氧消化過程中 獲得氫氣，從而提出了污泥厭氧發酵產氫的概念。然而，與利用碳水化合物相比，利用污泥進行厭氧發酵產氫相對更困難一些，因為 污泥中的有機物大多為微生物的細胞物質，為細胞壁所包裹，以不溶性狀態存在。這些物質 要被微生物利用必須首先水解細胞壁、從細胞壁的包裹中釋放出來，由不溶性物質轉化為 溶解性物質，然后才能為微生物所利用，這一過程是一個十分緩慢的過程。另外污泥本身是 多種微生物的混合體，產氫微生物和嗜氫微生物(如甲烷菌)共存，在產氫微生物產氫的同 時，很可能伴隨著嗜氫微生物的耗氫。因此，利用污泥進行發酵產氫時，一方面必須加速污 泥細胞物質的釋放，另一方面必須保證產氫微生物生長的同時，最大限度地控制嗜氫微生 物的生長。鑒于污泥的獨特性，部分研究都采用了預處理(如煮沸處理、堿處理)來提高污 泥厭氧發酵的氫產率，另外，有部分研究采用在厭氧發酵過程中添加嗜氫菌抑制劑的方法， 來提高氫產率。例如，伍峰等發表于《環境科學與技術雜志》2008年第五期的文章”超聲技 術在污泥生物產氫中的應用研究”，利用超聲技術對污泥進行預處理，發現污泥的平均氫產 率可提到3. 9倍，達到21. 6ml/g VS,蔡木林等發表于《環境科學雜志》2005年第2期的文章”污泥厭氧發酵產氫的影響因素”，利用堿處理進行污泥厭氧發酵產氫的強化，將污泥的 產氫率提高了 1. 8倍，達16. 6ml/g DS,肖本益等發表于《過程工程學報雜志》2009年第一 期的文章“污水處理廠剩余污泥熱處理發酵產氫的影響因素”，利用熱處理進行污泥厭氧發 酵產氫的強化，將污泥產氫率提高47. 1倍，達11. 77ml/g DS)，而謝波等發表于《環境科學 雜志》2008年第四期的文章“Pseudomonas sp. GLl利用不同預處理污泥產氫及其底物變化 研究”，研究了純菌(Pseudomonas sp. GLl)利用滅菌、微波和超聲預處理污泥發酵產氫的效 果，產氫量最高可達到30. 07ml/g。然而，盡管采用了這些預處理手段，污泥厭氧發酵的氫產 率仍然不高，污泥厭氧發酵產氫的效益仍然不高。如果污泥厭氧發酵產氫要得到實際應用， 其氫產率還需要進一步提高。

發明內容
本發明的目的在于提供一種運行費用低、工藝簡單、操作方便、能耗低、更提高污 泥厭氧發酵氫產率的方法。本發明是為了克服目前污泥厭氧發酵產氫中氫產率不高的缺 點，結合預處理與電化學技術，通過預處理、厭氧發酵和電化學的協同作用，提高污泥厭氧
發酵產氫的氫產率。本發明的技術方案在對污泥經預處理后進入厭氧發酵階段，預處理方法包括熱處 理、超聲波處理、酸處理、堿處理或脈沖高壓電場處理；厭氧發酵階段直流電源與固定于發 酵罐中的兩電極連接。本發明具體技術過程如下1、污泥預處理活性污泥加入到污泥貯罐中，污泥濃度調整到6_30mg DS(干固形 物)/L，最佳為8-25mg DS/L。污泥輸入污泥預處理罐中進行預處理，污泥預處理方法為加 熱處理、超聲波處理、酸處理、堿處理或脈沖高壓電場處理；所述熱處理方法為熱處理溫度為60°C -180°C，處理時間為30-120min ；所述超聲波處理采用超聲功率1800W、頻率15-200kHz、聲能密度為0. 1-2. 5ff/ml, 處理時間為10-120min ；所述酸處理采用1-6M鹽酸調節PH值到2-3，處理時間為20-120min ；所述堿處理采用1-6M氫氧化鈉調節pH值12-13，處理時間為20-120min ；所述脈沖高壓電場處理采用電場強度10-1000kV/Cm，處理時間為30-120min。2、厭氧發酵階段將污泥從預處理罐中輸入到厭氧發酵罐中，發酵罐中污泥量穩 定在發酵罐的有效體積(70%)，用氮氣排除系統中的空氣(除氧)，將發酵罐的溫度控制在 200C _55°C，最佳為35-38°C，調節發酵罐pH值在4. 0-10. 0 ；通過電機控制系統的攪拌速度 在200-700rmp，污泥在厭氧發酵罐中厭氧發酵時間控制在10_48h。直流電源通過導線與固 定于發酵罐中的兩電極連接。電壓大小為0. 1-2. 0V。所述預處理采用堿處理的，調節發酵罐pH值在8. 5-10 ；所述預處理為熱處理、超聲波處理、酸處理或脈沖高壓電場處理的，厭氧發酵階段 調節發酵罐PH值為pH4. 5-8. 5。所述發酵罐中可以接種厭氧產氫污泥；所述發酵罐中兩電極輸入電壓為0. 1-1. 2V。所述發酵罐可以采用連續進出料，也可以采用間隙進出料；
所述厭氧發酵罐內攪拌器為連續運行。污泥厭氧發酵過程中產生的氣體(主要含氫氣、二氧化碳)從發酵罐的排氣口排 出，通入到氣體貯罐中或直接供給利用氫氣的燃料電池或直接作為燃料燃燒。厭氧發酵罐中固定的兩電極極板，極板面積和極板距離根據發酵罐大小進行調
iF. ο直流電源為可調直流電源。在厭氧發酵罐發酵啟動階段先用氮氣排除系統中的空氣(除氧)，以保證厭氧環 境；本發明的技術解決方案是提供一種將預處理、電化學技術耦合到污泥厭氧發酵產 氫過程中的方法，它分為三部分預處理部分、厭氧部分和電化學部分(附圖1)。預處理部分是一個進行污泥預處理系統，其中包括污泥貯罐、污泥流加泵、污泥預處理罐和污泥預處理裝置。污泥貯罐和污泥預處理罐的體積可以根據需要進行調整，從 500ml到IOOOm3均可。污泥貯罐和污泥預處理罐均安裝有攪拌系統，以保證污泥的均勻性。 污泥流加泵為可變速的流量泵，流速大小可根據污泥預處理罐大小進行調整。污泥預處理 裝置可采用熱處理系統(微波加熱系統或加熱棒加熱系統或蒸汽加熱系統)、超聲波處理 系統、酸堿處理系統、脈沖高壓電場處理系統等。厭氧部分是一個厭氧發酵罐。厭氧發酵罐的體積大小不限，從IOOml到IOOOm3均 可，發酵罐上有進料口、出料口、排氣口、PH調節系統、溫度控制系統、攪拌系統，污泥流加 泵。發酵罐形狀不限。電化學部分由可調直流電源、導線和兩電極組成，兩電極固定在厭氧發酵罐中， 通過兩電極向發酵罐中的發酵液輸入一定電壓。可調直流電源向兩電極輸入電壓范圍為 0. 1-2. 0V，最佳輸入電壓范圍根據污泥預處理方法不同而不同熱處理、超聲處理和電脈沖 處理為0. 2-1. 2V，而酸堿處理為0. 1-1. 0V。兩電極可由所有可導電的材料(如鐵、銅、鋁、鈦、鉬、銀、金等金屬和石墨等非金 屬)制成，形狀可以是網狀、塊狀、條狀、棒狀。兩電極極板的大小和距離不限。有益效果本發明的發明特點在于通過合適的預處理和輸入較低的電壓，采用預 處理和生物電化學相結合的技術促使污泥微生物厭氧發酵，獲得氫氣。預處理和電化學處 理方法的結合可以提高污泥厭氧發酵的氫產率，并實現污泥厭氧發酵產氫的穩定性。通過 預處理與電化學生物協同作用可以實現高氫產率和穩定的產氫過程，污泥厭氧發酵的氫產 率污水處理廠污泥的產氫率可從0. 35-lml/g 了 DS提高到15-150ml/g DS，所產氣體中氫氣 濃度可達40-70%，污泥濃度可減少15-50%。


圖1為本發明的工藝中標記示意如下1、污泥貯罐 2、攪拌器3、電機4、泵5、預處理罐6、酸貯罐 7、堿貯罐8、預處理裝置9、酸堿泵 10、排氣口11、直流電源12、溫度計13、溫控儀14、發酵罐15、充氮口
具體實施例方式下面結合實施例和圖1對本發明作進一步說明實施例1自污水處理廠取得剩余污泥，通過沉淀、濃縮，將污泥濃度調整到IOg DS/L，并貯存在污泥貯罐1中，通過污泥泵4將污泥從貯罐中泵入預處理罐5，污泥預處理采用熱處理 法，90°C處理60min，預處理后的污泥經熱交換將未處理污泥溫度升高到40°C，自身溫度降 到35°C，降溫后預處理污泥經污泥泵泵入厭氧發酵罐14中，發酵罐體積3L，有效體積2. 2L。 在啟動階段先用氮氣經充氮口 15排除系統中的空氣(除氧)，以保證厭氧環境；發酵罐溫 度通過控制系統控制溫度36-38°C、pH值5. 3-5. 7，通過攪拌器2控制攪拌速度200rpm，污 泥在發酵罐中的停留時間為24h。安裝在發酵罐上的電極采用鈦釕板，大小為8cmX 6cm，兩 電極板的距離為5cm，直流電源11向電極板輸入的電壓為0. 75V。污泥經厭氧發酵后，從發 酵罐的溢流口排出。試驗結果表明，污泥厭氧發酵的氫產率最高可達60. 3ml/g DS，平均在 45-55ml/g DS之間，產氣中氫氣濃度在55 64%之間。經預處理-電化學協同厭氧發酵 產氫后，污泥濃度減少了 24. 7% -27. 8%。實施例2自污水處理廠取得剩余污泥，通過沉淀、濃縮，將污泥濃度調整到15g DS/L，并貯 存在污泥貯罐中，通過污泥泵將污泥從貯罐中泵入預處理罐，污泥預處理采用堿處理法，添 加6M氫氧化鈉調節污泥pH值到12. 5，處理30min，預處理污泥經污泥泵泵入厭氧發酵罐 中，發酵罐體積5L，有效體積4L。在啟動階段先用氮氣排除系統中的空氣(除氧)，以保證 厭氧環境；發酵罐溫度通過控制系統控制溫度36-38°C、pH值9. 3-9. 7，攪拌速度200rpm，污 泥在發酵罐中的停留時間為30h。安裝在發酵罐上的電極采用石墨板，大小為12cmX8cm， 兩電極板的距離為7cm，直流電源向電極板輸入的電壓為0.5V。污泥經厭氧發酵后，從發 酵罐的溢流口排出。試驗結果表明，污泥厭氧發酵的氫產率最高可達71. 8ml/g DS，平均在 55-64ml/g DS之間，產氣中氫氣濃度在57-65%之間。經預處理-電化學協同厭氧發酵產 氫后，污泥濃度減少了 31. 5% -35. 2%。實施例3自污水處理廠取得剩余污泥，通過沉淀、濃縮，將污泥濃度調整到8g DS/L，并貯存 在污泥貯罐中，通過污泥泵將污泥從貯罐中泵入預處理罐，污泥預處理采用超聲處理法，超 聲功率1800W、頻率40kHz、聲能密度為1. lW/ml，處理時間為30min。在厭氧發酵罐中預先接 種取自進行發酵產氫的3L UASB反應器中的厭氧發酵產氫污泥。預處理污泥經污泥泵泵入 厭氧發酵罐中，發酵罐體積3L，有效體積2. 2L。在啟動階段先用氮氣排除系統中的空氣(除 氧)，以保證厭氧環境；發酵罐溫度通過控制系統控制溫度36-38°C、pH值5. 3-5. 7，攪拌速 度200rpm，污泥在發酵罐中的停留時間為20h。安裝在發酵罐上的電極采用不銹鋼板，大小 為8cmX6cm，兩電極板的距離為5cm，直流電源向電極板輸入的電壓為1. 0V。污泥經厭氧 發酵后，從發酵罐的溢流口排出。試驗結果表明，污泥厭氧發酵的氫產率最高可達40. 7ml/ g DS，平均在34. 2-42. 8ml/g DS之間，產氣中氫氣濃度在56-63 %之間。經預處理-電化學 協同厭氧發酵產氫后，污泥濃度減少了 20. 6 % -24. 2 %。實施例4自污水處理廠取得剩余污泥，通過沉淀、濃縮，將污泥濃度調整到18g DS/L，并貯存在污泥貯罐中，通過污泥泵將污泥從貯罐中泵入預處理罐，污泥預處理采用酸處理法，添 加6M鹽酸調節污泥pH值到2. 5，處理30min。預處理污泥經污泥泵泵入厭氧發酵罐中，發酵 罐體積5L，有效體積4L。在啟動階段先用氮氣排除系統中的空氣(除氧)，以保證厭氧環境； 發酵罐溫度通過控制系統控制溫度36-38°C、pH值5. 3-5. 7，攪拌速度200rpm，污泥在發酵 罐中的停留時間為20h。安裝在發酵罐上的電極采用銅板，大小為12cmX8cm，兩電極板的 距離為7cm，直流電源向電極板輸入的電壓為0. 7V。污泥經厭氧發酵后，從發酵罐的溢流口 排出。試驗結果表明，污泥厭氧發酵的氫產率最高可達34. 8ml/g DS，平均在30. 2-38. 5ml/ gDS之間，產氣中氫氣濃度在55-63%之間。經預處理-電化學協同厭氧發酵產氫后，污泥 濃度減少了 18.2% -22.4%。實施例5基本同例1污泥預處理采用熱處理法，60°C處理lOOmin。直流電源向電極板輸入的電壓為 0. 2V。實施例6基本同例1污泥預處理采用熱處理法，180°C處理30min。直流電源向電極板輸入的電壓為 2. OV0
權利要求
一種預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法，污泥經預處理后進入厭氧發酵階段，預處理方法包括熱處理、超聲波處理、酸處理、堿處理或脈沖高壓電場處理；其特征在于厭氧發酵階段直流電源與固定于發酵罐中的兩電極連接。
2.根據權利要求1所述的一種預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法，包括如下 步驟(1)污泥預處理活性污泥加入污泥貯罐，污泥濃度6-30mgDS/L，污泥輸入污泥預處 理罐，預處理方法為加熱處理、超聲波處理、酸處理、堿處理或脈沖高壓電場處理；(2)厭氧發酵階段將污泥從預處理罐中輸入到厭氧發酵罐中，發酵罐中污泥量穩 定在發酵罐的有效體積，將發酵罐的溫度控制在20°C -55°C，調節pH值在4. 0-10. 0 ；攪 拌速度200-700rmp，時間在10_48h ；直流電源與固定于發酵罐中的兩電極連接，電壓為0. 1-2. OVo
3.根據權利要求1或2所述的預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法，其特征在 于所述厭氧發酵階段兩電極輸入的直流電源電壓為0. 1-1. 2V。
4.根據權利要求1或2所述的預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法，其特征在 于厭氧發酵罐中固定的兩電極極板導線與可調直流電源相連。
5.根據權利要求1或2或所述的預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法，其特征 在于所述熱處理溫度為60°C _180°C，時間為30-120min。
6.根據權利要求1或2所述的預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法，其特征在 于所述超聲波處理功率為1800W、頻率15-200kHz、聲能密度0. 1-2. 5W/ml，時間10_120min。
7.根據權利要求1或2所述的預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法，其特征在 于所述酸處理采用1-6M鹽酸調節pH值到2-3，處理時間為20-120min。
8.根據權利要求1或2所述的預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法，其特征在 于所述脈沖高壓電場電場強度10-1000kV/cm，處理時間為30-120min。
9.根據權利要求1或2所述的預處理和電化學強化污泥厭氧發酵產氫方法，其特征在 于所述厭氧發酵罐發酵啟動階段用氮氣排除系統中的空氣。
全文摘要
本發明公開了一種預處理電化學強化污泥厭氧發酵產氫的方法。該方法由預處理、厭氧發酵和電化學部分三部分組成；是通過預處理和電化學作用提高化污水處理廠污泥的厭氧發酵的氫產率。該方法的操作方法是將取自污水處理廠的污泥先進行預處理，然后將預處理污泥加入到厭氧發酵罐中，在發酵罐中正負兩電極上輸入直流電。經預處理-電化學強化后，污水處理廠污泥的產氫率可從0.35-1ml/gDS提高到15-150ml/g DS。另外，污泥濃度明顯減少。本發明適用于污水處理廠剩余污泥的處理，以氫能形式回收污泥中有機質所含有的生物質能，也可用于現有污泥厭氧消化系統的改造，以提高污泥厭氧厭氧消化的效益。
文檔編號C12P3/00GK101831462SQ20101016316
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月29日 優先權日2010年4月29日
發明者劉俊新, 肖本益, 魏素珍 申請人:中國科學院生態環境研究中心