一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸稈混合發酵的方法及其應用的製作方法
2023-06-10 01:59:26
專利名稱：一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸稈混合發酵的方法及其應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於汙泥處理處置與生物質能源利用領域，更加具體地說，涉及一種汙泥處理與處置方法與農作物秸杆能源利用技術，特別涉及一種低強度超聲波破解後汙泥與發酵液預處理農作物秸杆混合發酵的方法。
背景技術：
活性汙泥法處理汙水作為一種生物處理過程，廣泛應用於城市汙水廠和工業汙水廠。近年來，城市汙水廠數量不斷增加，活性汙泥法處理汙水過程中產生的剩餘汙泥產量隨之迅速的增長，僅2010年一年就產生了超過6百萬噸的幹汙泥。汙泥得不到有效地處理與處置會導致一系列的環境問題，我國汙泥處置還處於嚴重滯後的狀態。另外，我國每年農作物秸杆產量巨大，農作物秸杆可以作為一種資源加以利用，但是在我國的廣大農村地區，農作物秸杆大部分都被直接焚燒或者廢棄堆置。這不僅造成了秸杆資源的浪費，因而合理高效利用農作物秸杆資源已經成為整個社會關注的問題。厭氧消化技術是目前我國大部分汙水處理廠處理汙泥所最常用的一種工藝，汙泥經厭氧消化，產生生物能(沼氣)，這樣不僅會產生一定的經濟效益(沼氣可用於發電，轉化為高品質燃氣)，而且可提高汙泥的生物穩定性，削減汙泥對環境的汙染負荷，對汙泥後處置和資源化利用相對有利。總之，從汙泥生物能利用和保護環境的角度分析，厭氧消化既是一種可持續發展的技術，也是一種較為經濟合理的汙泥處理途徑。但是反應基質中的C/ N比對消化過程有較大影響。一般認為消化原料的C/N值為20 : I 30 : I較為合適。 但汙泥的C/N值較低，一般都在5 I以下，反應體系含氮量過高，導致厭氧消化產氣量低。 將汙泥與農作物秸杆(C/N值為50 I)混合進行厭氧發酵，可調節厭氧消化原料C/N。但是，由於秸杆所含的纖維素為難降解有機物，同時汙泥中細胞壁保護細胞免受滲透裂解，造成了秸杆與汙泥混合厭氧消化需要較長的水力停留時間，一般為20-30天(d，一天為24h)， 這造成了汙泥消化構築物體積巨大，增加了建設和運營成本。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸杆混合發酵的方法及其在改善中溫兩相厭氧消化中的應用，改善汙泥的中溫兩相厭氧消化性能，提高汙泥的產氣量和穩定性，縮短厭氧消化時間。本發明的目的通過下述技術方案予以實現一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸杆混合發酵的方法，將汙泥與秸杆混合後進行水解酸化，其中所述汙泥經過低強度超聲波預處理所述汙泥與秸杆混合後水解酸化的發酵液回流處理秸杆，經過發酵液處理的秸杆再與汙泥混合後進行水解酸化。
所述汙泥選用汙水處理廠生物處理系統中排出的剩餘汙泥，由探頭式超聲處理器進行破解，經超聲破解後，汙泥絮體被打碎，液相中總化學需氧量(TCOD)進一步增加 2000_5000mg/L。低強度超聲破解剩餘汙泥最佳條件為汙泥含固率(質量百分數)2-4%，，破解時間為Ι-lOmin，優選3-8min;破解所用超聲處理器形式為多探頭式(例如4_8個探頭)，超聲頻率為20-40kHz，探頭直徑為20-30mm，超聲聲能密度為O. 2-0. 8kW/m3，優選O. 5-0. 8kff/m3。所述秸杆可以選用農作物秸杆(例如農作物玉米秸杆、小麥秸杆、高粱秸杆、玉米秸杆、水稻秸杆)，利用機械粉碎機將其粉碎，粉碎後過篩子，篩分後的秸杆存放在通風乾燥處保存備用，秸杆粉末尺寸優選20 50目。預處理酸解液來自水解酸化階段所產生的發酵液，固液比(稻杆質量與發酵液體積比)為I : 10 I : 20,預處理時間為8 36h,優選15-25小時，預處理後農作物秸杆液相中總化學需氧量(TCOD)增加3000-10000mg/L，且液相中纖維素等物質顯著增加。預處理後農作物秸杆與汙泥混合，混合質量比為I : 1-1 2. 5，優選為I :1.4 I 2. 5，進入水解酸化池進行水解酸化，經過發酵液處理秸杆和低強度超聲破解剩餘汙泥後，進入水解酸化池。經上述兩步預處理後，兩者混合物的水解酸化速度與效率大大加快， 經水解酸化後，產生大量揮發性脂肪酸，使發酵液PH值降至2-5，此階段水力停留時間為 20-50h，優選24-48小時，更加優選30-40小時。上述方法在改善中溫兩相厭氧消化中的應用，將水解酸化後汙泥與秸杆的混合物進入產甲烷池，進入產甲烷階段，此階段水力停留時間為120-200小時，優選140-180小時， 更加優選150-170小時，甲烷產量可提高80% -150%。採用超聲波預處理汙泥，也可以有效提高汙泥的水解產酸速率，提高產氫產甲烷量，但是其能耗大的缺點十分突出，有研究指出，單獨以超聲預處理汙泥進行厭氧消化，每提高Im3產氣量，平均耗電量提高3. 2kWh。酸解處理可以有效的降低農作物秸杆纖維素的平均聚合度，內部表面積增加，結晶度下降，木質素保護層被破壞，從而促進纖維素的降解; 而且厭氧消化過程中的水解酸化階段產生發酵液含有大量的揮發性脂肪酸(VFAs)，可以回流用來預處理秸杆，不僅縮短了消化時間，還節約了成本，充分利用了資源。在本發明的技術方案中，對汙泥和農作物秸杆分別採用低強度超聲預處理和酸解預處理後混合進行消化，可以降低超聲預處理能耗，改善中溫厭氧消化性能，提高產氣量和穩定性，縮短消化時間。與傳統單純汙泥中溫厭氧消化相比，本發明的優點在於中溫厭氧消化原料C/N合適，充分利用水解酸化過程中產生的揮發性脂肪酸，對秸杆進行酸解預處理，並利用低強度超聲波處理汙泥，有效降低超聲預處理能耗，提高汙泥液相中有機物含量，最終提高消化產氣效率，使得產氣量增加，產氣中甲烷氣體含量增加，並有效的縮短厭氧消化時間。本發明可以應用於汙水處理廠中溫厭氧消化工藝升級改造、新建中溫厭氧消化工藝等，經推廣後可以提高汙泥處理處置水平，減少汙泥產量，充分利用秸杆資源，改善環境質量，產生顯著的社會效益和經濟效益。
圖I本發明的技術方案工藝的流程圖。
具體實施例方式下面通過實施例來說明本發明的技術方案。實施例I稱取玉米秸杆粉末，過20目篩，將玉米秸杆粉末與發酵液按照固液比為 I 10 (質量比)充分混合，保證秸杆浸泡於酸性發酵液中。在秸杆預處理池中處理8h。預處理後液相中TCOD提高3000mg/L含固率2被％汙泥經汙泥泵輸送至多探頭式超聲波處理器(6個)進行破解，超聲反應器頻率為20kHz，探頭直徑為20mm，聲能密度為O. 5kW/m3，破解時間為3min。破解後汙泥液相中TCOD提高2000mg/L。預處理後溼玉米秸杆與汙泥進入混合池充分混合(混合質量比為I : I. 4)，將混合物飼入水解酸化，水力停留時間24h，發酵液pH值降至5。水解酸化後的汙泥通過汙泥泵進入產甲烷池，水力停留時間150h，甲烷產氣量為661.7ml/g VS，產氣量提高87. 4%。實施例2稱取小麥秸杆粉末，過30目篩，將小麥秸杆粉末與發酵液按照固液比為 I 15 (質量比)充分混合，保證秸杆浸泡於酸性發酵液中。在秸杆預處理池中處理36h。 預處理後液相中TCOD提高10000mg/L汙泥經汙泥泵輸送至多探頭式超聲波處理器(6個)進行破解，超聲反應器頻率為 28kHz，探頭直徑為25mm，聲能密度為O. 8kW/m3，汙泥含固率為2. 5%，破解時間為IOmin。破解後汙泥液相中TCOD提高5000mg/L。預處理後溼小麥秸杆與汙泥進入混合池充分混合(混合質量比為I : I. 8)，將混合物飼入水解酸化，水力停留時間48h，發酵液pH值降至3. 64。水解酸化後的汙泥通過汙泥泵進入產甲烷池，水力停留時間180h，甲烷產氣量為691. 4ml/g VS，產氣量提高95. 8%。實施例3稱取水稻秸杆粉末，過30目篩，將水稻秸杆粉末與發酵液按照固液比為 I 20 (質量比)充分混合，保證秸杆浸泡於酸性發酵液中。在秸杆預處理池中處理15h。 預處理後液相中TCOD提高5483mg/L汙泥經汙泥泵輸送至多探頭式超聲波處理器進行破解，超聲反應器頻率為40kHz， 探頭直徑為30mm，聲能密度為O. 78kW/m3，汙泥含固率為4%，破解時間為8min。破解後汙泥液相中TCOD提高3780mg/L。預處理後溼水稻秸杆與汙泥進入混合池充分混合(混合質量比為I : 2. I)，將混合物飼入水解酸化，水力停留時間50h，發酵液pH值降至2。水解酸化後的汙泥通過汙泥泵進入產甲烷池，水力停留時間170h，甲烷產氣量為746. 4ml/g VS，產氣量提高114. 2%。實施例4稱取高粱秸杆粉末，過30目篩，將高粱秸杆粉末與發酵液按照固液比為 I 16 (質量比)充分混合，保證秸杆浸泡於酸性發酵液中。在秸杆預處理池中處理25h。 預處理後液相中TCOD提高8321mg/L汙泥經汙泥泵輸送至多探頭式超聲波處理器(6個)進行破解，超聲反應器頻率為 28kHz，探頭直徑為25mm，聲能密度為O. 50kW/m3，汙泥含固率為3. 2%，破解時間為lmin。破
5解後汙泥液相中TCOD提高4130mg/L。預處理後溼高粱秸杆與汙泥進入混合池充分混合(混合質量比為I : 1)，將混合物飼入水解酸化，水力停留時間20h，發酵液pH值降至2. 42。水解酸化後的汙泥通過汙泥泵進入產甲烷池，水力停留時間140h，甲烷產氣量為785. 2ml/g VS，產氣量提高124. 6%。實施例5稱取的玉米秸杆粉末，過20目篩，將玉米秸杆粉末與發酵液按照固液比為 I 18(質量比)充分混合，保證秸杆浸泡於酸性發酵液中。在秸杆預處理池中處理30h。 預處理後液相中TCOD提高7483mg/L汙泥經汙泥泵輸送至多探頭式超聲波處理器進行破解，超聲反應器頻率為20kHz， 探頭直徑為25mm，聲能密度為O. 2kW/m3，汙泥含固率為3. 5%，破解時間為5min。破解後汙泥液相中TCOD提高4053mg/L。預處理後溼玉米秸杆與汙泥進入混合池充分混合(混合質量比為I : 2. 5)，將混合物飼入水解酸化，水力停留時間2d，發酵液pH值降至2. 93。水解酸化後的汙泥通過汙泥泵進入產甲烷池，水力停留時間120h，甲烷產氣量為717. 7ml/g VS，產氣量提高105. 3%。實施例6稱取水稻秸杆粉末，過30目篩，將水稻秸杆粉末與發酵液按照固液比為 I 18 (質量比)充分混合，保證秸杆浸泡於酸性發酵液中。在秸杆預處理池中處理15h。 預處理後液相中TCOD提高5483mg/L汙泥經汙泥泵輸送至多探頭式超聲波處理器進行破解，超聲反應器頻率為40kHz， 探頭直徑為30mm，聲能密度為O. 6kW/m3，汙泥含固率為2. 5%，破解時間為8min。破解後汙泥液相中TCOD提高3780mg/L。預處理後溼水稻秸杆與汙泥進入混合池充分混合(混合質量比為I : 2. I)，將混合物飼入水解酸化，水力停留時間30h，發酵液pH值降至3. 28。水解酸化後的汙泥通過汙泥泵進入產甲烷池，水力停留時間200h，甲烷產氣量為746. 4ml/g VS，產氣量提高114. 2%。以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸杆混合發酵的方法，將汙泥與秸杆混合後進行水解酸化，其特徵在於，其中所述汙泥經過低強度超聲波預處理所述汙泥與秸杆混合後水解酸化的發酵液回流處理秸杆，經過發酵液處理的秸杆再與汙泥混合後進行水解酸化。
2.根據權利要求I所述的一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸杆混合發酵的方法，其特徵在於，所述汙泥選用汙水處理廠生物處理系統中排出的剩餘汙泥，由探頭式超聲處理器進行破解，經超聲破解後，汙泥絮體被打碎，液相中總化學需氧量(TCOD) 進一步增加 2000-5000mg/L。
3.根據權利要求I所述的一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸杆混合發酵的方法，其特徵在於，低強度超聲破解剩餘汙泥的條件為汙泥含固率(質量百分數)2-4%，，破解時間為Ι-lOmin，優選3-8min;破解所用超聲處理器形式為多探頭式(例如4-8個探頭)，超聲頻率為20-40kHz，探頭直徑為20-30mm，超聲聲能密度為O. 2-0. 8kff/ m3，優選 O. 5-0. 8kW/m3。
4.根據權利要求I所述的一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸杆混合發酵的方法，其特徵在於，所述秸杆可以選用農作物秸杆，利用機械粉碎機將其粉碎，粉碎後過篩子，篩分後的秸杆存放在通風乾燥處保存備用，秸杆粉末尺寸優選20 50目。
5.根據權利要求I所述的一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸杆混合發酵的方法，其特徵在於，預處理酸解液來自水解酸化階段所產生的發酵液，固液比(秸杆質量與發酵液體積比)為I : 10 I : 20，預處理時間為8 36h，優選15-25小時，預處理後農作物秸杆液相中總化學需氧量(TCOD)增加3000-10000mg/L，且液相中纖維素等物質顯著增加。
6.根據權利要求I所述的一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸杆混合發酵的方法，其特徵在於，預處理後農作物秸杆與汙泥混合，混合質量比為 1:1-1: 2. 5，優選為I : I. 4 I : 2. 5，進入水解酸化池進行水解酸化，經過發酵液處理秸杆和低強度超聲破解剩餘汙泥後，兩者混合物的水解酸化速度與效率大大加快，經水解酸化後，產生大量揮發性脂肪酸，使發酵液PH值降至2-5，此階段水力停留時間為20-50h， 優選24-48小時，更加優選30-40小時。
7.如權利要求I所述的混合發酵方法在改善中溫兩相厭氧消化中的應用，其特徵在於，將水解酸化後汙泥與秸杆的混合物進入產甲烷池，進入產甲烷階段，此階段水力停留時間為120-200小時。
8.根據權利要求7所述的混合發酵方法在改善中溫兩相厭氧消化中的應用，其特徵在於，產甲烷階段的水力停留時間優選140-180小時，更加優選150-170小時。
全文摘要
本發明公開了一種低強度超聲波破解汙泥與發酵液預處理農作物秸稈混合發酵的方法及其在改善中溫兩相厭氧消化中的應用，將汙泥與秸稈混合後進行水解酸化，其中汙泥經過低強度超聲波預處理，汙泥與秸稈混合後水解酸化的發酵液回流處理秸稈，經過發酵液處理的秸稈再與汙泥混合後進行水解酸化。本發明改善汙泥的中溫兩相厭氧消化性能，提高汙泥的產氣量和穩定性，縮短厭氧消化時間。
文檔編號C12P5/02GK102604996SQ20121001750
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月19日 優先權日2012年1月19日
發明者季民, 王拓, 王芬 申請人:天津大學