[发明专利]一种碱解耦合超声促进高浓度污泥厌氧发酵的预处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及高浓度污泥厌氧发酵产甲烷领域，具体涉及一种低投碱量与低功率密度超声组合应用的高浓度污泥强化预处理方法。

背景技术

厌氧发酵技术是实现污泥减量化、稳定化、无害化和资源化的有效途径并得到了普遍应用。传统污泥厌氧发酵工艺中污泥浓度一般为2％～4％，在高浓度厌氧发酵工艺中，污泥浓度可以提高到8％～12％，可以有效解决发酵设施体积大、单位容积产气量低等问题，成为当前污泥厌氧发酵技术发展的一个重要趋势。关于高浓度污泥厌氧发酵的研究指出，在有效提高污泥容积产气率的同时，有机质降解率却降低了。一般认为，污泥水解是厌氧发酵的限速步骤，提高水解效率的主要方法之一就是对污泥进行预处理，破坏细胞结构和细胞壁，使更多的胞内有机物转移到液相中，实现微生物对有机物的降解。目前污泥的预处理技术主要包括物理、化学和生物三种方法。常用的手段有热处理、机械预处理、超声处理、酸碱预处理以及几种方法的组合应用等。其中，从操作方便、设施简单、能耗低等角度考虑，碱解和超声预处理具有较好的应用前景。

碱处理是一种非常有效且常用的方法。在污泥中投入一定浓度的碱，可以有效的将污泥细胞内的物质转化成溶解性有机物，释放到水相中，增加生物可降解性。美国的Rajan等首先提出碱解预处理技术，在消化前加入NaOH或Ca(OH)₂，可以使45％以上的总COD(TCOD)溶解，同时消化过程中的产气率以及挥发性悬浮固体(VSS)去除率也随之提高。超声波是频率在20kHz到100MHz范围内的声波，通过空化作用机理，在不添加化学变性剂、酶以及其他物质的情况下，破碎细胞壁，有效破坏污泥絮体结构，从而提高有机物的溶解性，减小颗粒的大小。超声预处理有成本低、可以实现自动化操作、改善污泥的脱水性能，且不会影响污泥后续处理、无二次污染等优点。但是它也存在着在促进细胞破碎后固体碎屑的水解作用比碱解处理弱的问题。因此碱解处理与超声预处理组合应用是一种高效且节能的方法。

目前，关于碱解耦合超声预处理的研究大部分都是作用于低浓度污泥，而针对高浓度污泥的预处理研究比较少。为促进高浓度污泥厌氧发酵产甲烷的效果，需要探究一种低能耗、高效率、易于操作的预处理方法。

发明内容

本发明针对现有的高浓度污泥厌氧发酵中存在的有机质降解率低的问题，提供一种直接作用高浓度污泥(TS＝7％～9％)，对污泥有明显破解作用，可以提高污泥厌氧发酵产气性能，缩短反应周期，且能耗低、易于操作的组合强化预处理方法。

本发明提出的一种碱解耦合超声促进高浓度污泥厌氧发酵的预处理方法，包括以下步骤：

步骤一、将脱水污泥配制成固体浓度TS＝7％～9％的污泥，按照0.01g/g-TS的浓度加入氧化钙粉末，搅拌均匀；

步骤二、将步骤一得到的加入有氧化钙粉末的污泥倒入槽式超声发生器中进行超声处理，超声处理的工艺条件是：频率为20kHz，功率密度为0.15kW/L，处理时间为30min。

上述经过步骤一和步骤二处理后的污泥可以直接用作进行厌氧发酵产甲烷的基质泥。污泥中溶解性COD浓度比未经预处理的污泥增加了94.8％，溶解性多糖浓度增加了9.9倍；经过预处理后污泥进行厌氧发酵反应25d，其甲烷累积产率比未经处理时提高了55.1％。

本发明的基本原理如下：

首先，碱解预处理和超声预处理的原理是通过化学与物理途径作用于污泥，从而破坏污泥的细胞结构及细胞壁，使更多的胞内有机物转移到液相中，表现为污泥溶解性有机物的增多；经过预处理的污泥其絮体结构发生变化，细胞内的物质溶出，进入液相，在胞外酶的作用下快速水解成小分子化合物，提高厌氧发酵速率。

其中，碱解处理对污泥细胞的破解作用比较明显，单独碱解对污泥的破解效果要优于单独超声的效果；同时所用的碱量越大，其破解效果越好，胞内有机物溶出越多，即污泥中溶解性COD的溶出就越多。但是，随着碱量的增多，污泥的pH值也随之增加，过高的pH值会影响后续的厌氧发酵反应；而且增大投碱量相应的处理成本也随之变大。综合考虑处理效果与成本的因素，采取超声与碱解组合应用的方式。在本发明中，将这两种方法组合应用，综合各自的优点，也互相弥补各自存在的问题。