[发明专利]一种预处理和电化学强化污泥厌氧发酵产氢方法

说明书

技术领域

本发明属于废水处理领域，特别涉及污水处理厂剩余污泥处理产氢方法。

背景技术

生物处理法(好氧处理)是处理城市污水、保证对水环境影响最小的有效方法，但是也存在不足，即在处理污水过程中产生污泥。污水在处理过程中会产生大量污泥，据估计，实际运行的污水处理厂剩余污泥产率能达到0.89-0.99kgSS/kgBOD₅。目前世界各国的污泥产量都十分巨大，例如，据文献报道，英国每年产生1.0×10⁶吨干污泥，瑞士每年产生4.2×10⁶吨干污泥，原联邦德国每年产生5.0×10⁷吨干污，而新加坡每年产生1.7×10⁵吨干污泥。据统计，到2008年3月底，污泥年产量已达2.66×10⁷吨(含水率80％)；根据“十一五”规划，预计2010年将达到2.85×10⁷吨(含水率80％)以上。随着污水处理厂的继续兴建和更加严格的环境标准，污泥的产量还将进一步增加。污泥富集许多污染物，处理费用很高。基本上处理1吨污水可能产生100克污泥，但处理100克污泥的费用比处理1吨污水还要高。尤其在规定严格的欧洲，可能要花费处理污水2倍的费用处理所产生的污泥。因此，解决污泥处理处置问题十分紧迫。

厌氧消化是一种常用的污泥处理方法，在减少污泥体积和质量的同时，还可以甲烷的形式回收污泥中的部分生物质能。氢气是污泥厌氧消化过程中的一种中间产物，这种中间产物会由于迅速被污泥中大量存在的嗜氢菌(主要是产甲烷菌)所消耗而难以获得。与甲烷相比，氢气在很多方面都更有优势。例如，氢气的燃烧值为1.43×10⁸KJ/Kg，而甲烷仅5.56×10⁴KJ/Kg；氢气在燃烧过程中，除释放出巨大的能量外，产生的废物只有水，不会造成环境污染，因而又被称为“清洁燃料”，是真正的无污染的“绿色能源”，而甲烷在燃烧过程中，除产生水外，还会产生二氧化碳；氢气的重量和密度都比甲烷轻，更便于运送和携带，容易储藏；另外，氢气的用途更为广泛。因此，研究人员考虑如何从污泥的厌氧消化过程中获得氢气，从而提出了污泥厌氧发酵产氢的概念。

然而，与利用碳水化合物相比，利用污泥进行厌氧发酵产氢相对更困难一些，因为污泥中的有机物大多为微生物的细胞物质，为细胞壁所包裹，以不溶性状态存在。这些物质要被微生物利用必须首先水解细胞壁、从细胞壁的包裹中释放出来，由不溶性物质转化为溶解性物质，然后才能为微生物所利用，这一过程是一个十分缓慢的过程。另外污泥本身是多种微生物的混合体，产氢微生物和嗜氢微生物(如甲烷菌)共存，在产氢微生物产氢的同时，很可能伴随着嗜氢微生物的耗氢。因此，利用污泥进行发酵产氢时，一方面必须加速污泥细胞物质的释放，另一方面必须保证产氢微生物生长的同时，最大限度地控制嗜氢微生物的生长。鉴于污泥的独特性，部分研究都采用了预处理(如煮沸处理、碱处理)来提高污泥厌氧发酵的氢产率，另外，有部分研究采用在厌氧发酵过程中添加嗜氢菌抑制剂的方法，来提高氢产率。例如，伍峰等发表于《环境科学与技术杂志》2008年第五期的文章”超声技术在污泥生物产氢中的应用研究”，利用超声技术对污泥进行预处理，发现污泥的平均氢产率可提到3.9倍，达到21.6ml/g VS，蔡木林等发表于《环境科学杂志》2005年第2期的文章”污泥厌氧发酵产氢的影响因素”，利用碱处理进行污泥厌氧发酵产氢的强化，将污泥的产氢率提高了1.8倍，达16.6ml/g DS，肖本益等发表于《过程工程学报杂志》2009年第一期的文章“污水处理厂剩余污泥热处理发酵产氢的影响因素”，利用热处理进行污泥厌氧发酵产氢的强化，将污泥产氢率提高47.1倍，达11.77ml/g DS)，而谢波等发表于《环境科学杂志》2008年第四期的文章“Pseudomonas sp.GL1利用不同预处理污泥产氢及其底物变化研究”，研究了纯菌(Pseudomonas sp.GL1)利用灭菌、微波和超声预处理污泥发酵产氢的效果，产氢量最高可达到30.07ml/g。然而，尽管采用了这些预处理手段，污泥厌氧发酵的氢产率仍然不高，污泥厌氧发酵产氢的效益仍然不高。如果污泥厌氧发酵产氢要得到实际应用，其氢产率还需要进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运行费用低、工艺简单、操作方便、能耗低、更提高污泥厌氧发酵氢产率的方法。本发明是为了克服目前污泥厌氧发酵产氢中氢产率不高的缺点，结合预处理与电化学技术，通过预处理、厌氧发酵和电化学的协同作用，提高污泥厌氧发酵产氢的氢产率。