一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法與應用
1.本發明涉及污泥處理領域，特別是涉及一種andmbr耦合pe載體強化污泥厭氧發酵產酸的方法。
背景技術：
2.隨著我國現代化建設水平的迅速發展，污水處理規模增大，副產物剩余污泥產量數字十分可觀。厭氧發酵是目前污泥減量化、無害化和資源化的核心技術之一，短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,scfas)是厭氧發酵產酸初始階段的產物，主要包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等，其附加價值高、實際用途廣泛。剩余污泥厭氧發酵產scfas具有反應時間短、能耗低、運行費用低及產品價值高等優點。
3.現有技術中，傳統的厭氧處理技術通常需要較長的污泥停留時間以確保厭氧微生物的生長，因此反應器的體積較大；此外，采用微濾或超濾膜的厭氧膜生物反應器(anaerobic membrane bioreactor,anmbr)可實現污泥停留時間和水力停留時間的分離，然而anmbr具有通量低、資金和運行成本高、膜污染快、膜清洗能耗高等缺點，使其不便于大規模推廣使用；現有技術中還包括厭氧動態膜生物反應器(anaerobic dynamic membrane bioreactor,andmbr)，其利用廉價粗孔材料作為支撐，污泥在支撐材料上原位形成的生物濾餅層(動態膜)可代替傳統的微濾/超濾膜來實現固液分離的效果，成本低、通量高、易于控制污垢、能耗低，可以解決anmbr成本高及膜污染快等問題。但是，利用andmbr進行污泥厭氧發酵產酸仍處于初級階段，即使現有技術中已經有利用吸附、絮凝作用以及利用微米顆粒對動態膜進行強化等方法來控制膜污染，但依然無法在對膜污染進行有效控制的同時對厭氧發酵性能進行強化，進而無法用于實際污泥處理當中。
4.因此，如何在減輕andmbr膜污染的同時提高產酸效率使本領域技術人員亟需解決的技術問題。
技術實現要素：
5.本發明的目的是提供一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法，以解決上述現有技術存在的問題。
6.為實現上述目的，本發明提供了如下方案：
7.一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法，在利用厭氧動態膜生物反應器對污泥進行厭氧發酵時，動態膜形成并穩定后，向所述厭氧動態膜生物反應器中投加pe載體。
8.優選的，具體包括以下步驟：
9.(1)將污泥投加至厭氧動態膜生物反應器中，充入氮氣進行厭氧發酵；
10.(2)發酵系統穩定后，在擋板兩側放置動態膜組件進行固液分離，并利用水頭差重力排出水，直至水的濁度小于2ntu；
11.(3)向所述厭氧動態膜生物反應器中投加pe載體，繼續進行厭氧發酵。
12.有益效果：本發明提供的方法能夠形成穩定的生物膜結構，增加生物停留時間和
生物量，減少反應器體積，增加產酸量。
13.優選的，所述動態膜組件的膜基材包括無紡布、尼龍網、聚酯和絲網中的任意一種。
14.優選的，所述膜基材孔徑為20～100μm。
15.有益效果：本發明中使用的20～100μm的膜基材孔徑能有效減緩跨膜壓差的增長速率，同時實現微生物的有效截留，強化剩余污泥發酵系統的產酸效率。若孔徑過大時動態膜形成時間長且出水濁度高，截留效果差；孔徑過小膜通量較低，出料的延滯時間延長。
16.更為優選的，所述動態膜強度高、化學穩定性高、成本低以及附著性能較強，有利于發酵系統穩定運行。
17.優選的，所述動態膜組件出水水頭為2.5～5cm。
18.有益效果：本發明中選擇2.5～5cm的水頭差有利于動態膜的迅速形成且有助于污泥膠團在動態膜基材表面附著。若高于5cm會增加動態膜的跨膜壓差，造成膜污染，低于2.5cm不利于動態膜的迅速形成。
19.優選的，所述pe載體的直徑為10
±
0.1mm，相對密度為0.96
±
0.1g/cm3，比表面積為350m2/m3，空隙率為85-95％。
20.有益效果：本發明中的pe載體具有高比表面積、耐久性、孔隙度高等特性，密度適中，易于懸浮，可固定微生物，保護微生物免受外界的沖刷。
21.優選的，所述pe載體的堆積體積與反應器工作容積比為(10～20)：100。
22.有益效果：本發明中使用10～20％的pe載體投加量明顯促進發酵初期階段污泥中有機物的釋放，產生更多的水解產物，可供產酸微生物分解利用產生scfas。若當pe載體投加量超過20％后，其對水解產物的提高沒有太大效果。
23.一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法在市政污泥厭氧發酵產酸中的應用。
24.本發明公開了一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法及其應用。首先，本發明中使用pe載體耦合動態膜分離具有協同增強的效應，通過改變不同功能菌的結構和豐度，使氨基酸和碳水化合物的代謝功能豐度大大提高，有利于scfas產量的增加。其次，本發明通過改變pe載體投加量并輔助調節攪拌強度，耦合pe載體可有效緩解動態膜污染，減少膜組件清洗或更換的次數。另外，本發明中使用的厭氧動態膜生物反應器裝置簡易，占地面積小，且動態膜支撐材料和pe載體成本低廉，可操作性強。
附圖說明
25.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
26.圖1為實施例2中厭氧動態膜發酵生物反應器結構的主視圖；
27.其中，1為進泥口；2為排泥口；3為動態膜組件；4為攪拌棒；5為泵；6為流量計；7為pe載體；8為電機；9為氣袋；10為擋板；11為出水管；
28.圖2為實施例2中厭氧動態膜發酵生物反應器結構的俯視圖；
29.其中，1為進泥口；2為排泥口；3為動態膜組件；4為攪拌棒；5為泵；6為流量計；7為
pe載體；11為出水管；12為蓋子。
具體實施方式
30.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
31.為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
32.本發明以下實施例中使用的污泥為北京碧海環境科技有限公司永豐污水處理廠的剩余污泥；
33.pe載體的直徑為10mm，相對密度為0.96g/cm3，比表面積為350m2/m3，空隙率為90％。
34.實施例1
35.一種厭氧動態膜生物反應器耦合pe載體強化污泥厭氧發酵產酸的方法，包括以下步驟：
36.1.確定pe載體的最佳投加量，包括如下步驟：
37.設置pe載體的投加梯度分別為錐形瓶工作容積的10％、20％、和30％，同等條件設置兩個錐形瓶。將405ml稀釋污泥和45ml接種污泥的混合液各自分別加入3個錐形瓶內，再將3個梯度的pe載體分別加入。氮氣吹掃5min以去除溶解氧氣，使用4mol/l的氫氧化鈉溶液將發酵體系中的ph調節為9，保持厭氧發酵，并對體系中碳水化合物、蛋白質及scfas含量進行檢測，同時記錄峰值。
38.結果表明，當pe載體投加量超過20％后，其對水解產物的提高沒有太大效果。其中碳水化合物的峰值分別約為130mg/l(pe投加量為10％)、190mg/l(pe投加量為20％)和180mg/l(pe投加量為30％)。蛋白質的峰值分別約為477.92
±
4.55mg/l(pe投加量為10％)、612.37
±
7.28mg/l(pe投加量為20％)和564.77
±
1.82mg/l(pe投加量為30％)。從產酸積累效能來看，總scfas的峰值分別約為1529.64
±
7.39mg/l(pe投加量為10％)、1657.07
±
9.14mg/l(pe投加量為20％)和1693.32
±
14.07mg/l(pe投加量為30％)。基于對污泥溶解和水解過程的促進作用并考慮工藝經濟性，10～20％的pe投加量是促進污泥堿性發酵產酸效果的一個較優條件。因此確定投加pe載體的堆積體積為反應器工作容積的10～20％。
39.實施例2
40.一種厭氧動態膜生物反應器耦合pe載體強化污泥厭氧發酵產酸的方法，采用圖1和2所示的厭氧動態膜生物反應器處理污泥，其中，厭氧動態膜生物反應器發酵區內部設有攪拌裝置，膜分離區設有豎向擋板，可在擋板兩側放置兩個動態膜組件，且厭氧動態膜生物反應器有效容積為5l。具體包括如下步驟：
41.(1)向厭氧動態膜生物反應器內加入5000ml污泥，其中，污泥中的固含量為14g/l，熱堿預處理污泥的vs量:接種污泥的vs量＝9:1，隨后往反應器中充氮氣30min后蓋上蓋子密封，進行厭氧發酵；
42.其中，熱堿預處理的步驟為：
43.將冰箱中取出的脫水剩余污泥進行稀釋，按照去離子水與剩余污泥為1:5的比例稀釋為12～14g vs/l的稀釋污泥，隨后使用4mol/l的氫氧化鈉溶液調節稀釋污泥的ph為9，并在90℃的水浴鍋中加熱60min。
44.接種污泥取自實驗室長期運行的厭氧發酵反應器，vs為12.1
±
2.1g/l；
45.(2)在發酵過程中，由攪拌裝置4和8提供攪拌動力，攪拌速率設定160rpm進行持續攪拌。發酵系統穩定運行一個srt(12d)后，在膜分離區的擋板10兩側放置動態膜組件3進行固液分離，出水管與動態膜組件連接。其中，動態膜組件3采用無紡布組件，孔徑為50μm，有效過濾面積為0.59m2，支撐結構為長方體形，支撐結構材質為pvc。每天從進泥口1和排泥口2進出泥維持發酵系統的穩定運行。膜出水利用水頭差重力排出，水頭差設置為2.5cm，出水濁度小于2ntu為厭氧動態膜形成的標志；
46.(3)厭氧動態膜形成后，向反應器中投加pe載體7，pe載體投加量為反應器有效容積的20％。
47.步驟(1)和(2)在反應器運行過程中，膜通量逐漸下降，經步驟(3)加入pe載體后，未對膜組件進行更換和清洗，膜通量先上升到大約15l/m2/h，隨后又降至7.5～8l/m2/h左右，并保持了40天左右，動態膜組件沒有發生明顯堵塞現象。由此看出，本發明加入pe載體可以有效延緩膜通量的下降，降低更換動態膜組件的頻率。且pe載體和動態膜組件耦合之后的運行中，反應器內scfas濃度最高達到3500mg/l，是pe載體強化產酸工藝的兩倍。在屬水平上分析微生物相對豐度的差異發現，屬于firmicutes門clostridia綱的christensenellaceae_r-7_group，proteiniclasticum和proteocatella三個屬(涉及蛋白質和碳水化合物的轉化)相對豐度上升。說明本發明中添加pe載體和動態膜組件的耦合作用通過改變不同功能菌的結構和豐度，有效促進了scfas的積累。
48.對比例1
49.一種動態膜生物反應器強化污泥厭氧發酵產酸的方法，與實施例1不同的是：
50.不添加pe載體，其余步驟及參數均與實施例1相同。
51.結果表明，其溶解性碳水化合物的峰值為130mg/l，溶解性蛋白質的峰值為472.14
±
5.46mg/l，總scfas的峰值為1462.76
±
29.83mg/l。上述三個指標均低于實施例1中的pe載體投加量為10％、20％和30％時的數值。對比發現20％的pe投加量提高scfas濃度是不添加pe組的1.16倍。
52.對比例2
53.一種動態膜生物反應器強化污泥厭氧發酵產酸的方法，與實施例2不同的是：
54.不添加pe載體，其余步驟及參數均與實施例2相同。
55.結果表明，反應器內scfas濃度從1400mg/l上升到1800mg/l左右，大約是傳統厭氧發酵工藝的1.27倍，說明動態膜組件的加入提高了有機物(碳水化合物和蛋白質)和產酸微生物在反應器內的濃度，從而提高了scfas的濃度。對比來看，將pe載體與動態膜結合(實施例2)明顯優于單純添加動態膜組件(對比例2)的產酸效率。
56.以上所述的實施例僅是對本發明的優選方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。
技術特征：
1.一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于，在利用厭氧動態膜生物反應器對污泥進行厭氧發酵時，動態膜形成并穩定后，向所述厭氧動態膜生物反應器中投加pe載體。2.根據權利要求1所述的一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于，具體包括以下步驟：(1)將污泥投加至厭氧動態膜生物反應器中，充入氮氣進行厭氧發酵；(2)發酵系統穩定后，在擋板兩側放置動態膜組件進行固液分離，并利用水頭差重力排出水，直至水的濁度小于2ntu；(3)向所述厭氧動態膜生物反應器中投加pe載體，繼續進行厭氧發酵。3.根據權利要求2所述的一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于，步驟(2)中所述動態膜組件的膜基材包括無紡布、尼龍網、聚酯和絲網中的任意一種。4.根據權利要求3所述的一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于，所述膜基材孔徑為20～100μm。5.根據權利要求2所述的一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于，步驟(2)中所述動態膜組件出水水頭為2.5～5cm。6.根據權利要求2所述的一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于，步驟(3)中所述pe載體的直徑為10
±
0.1mm，相對密度為0.96
±
0.01g/cm3，比表面積為350m2/m3，空隙率為85-95％。7.根據權利要求2所述的一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法，其特征在于，步驟(3)中所述pe載體的堆積體積與反應器工作容積比為(10～20)：100。8.如權利要求1-7任一項所述的一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法在市政污泥厭氧發酵產酸中的應用。
技術總結
本發明公開了一種強化污泥厭氧發酵產酸的方法與應用，屬于污泥處理技術領域，具體包括以下步驟：在利用厭氧動態膜生物反應器對污泥進行厭氧發酵時，動態膜形成并穩定后，向所述厭氧動態膜生物反應器中投加PE載體。本發明中使用PE載體耦合動態膜分離具有協同增強的效應，有利于SCFAs產量的增加，且能夠有效緩解動態膜污染，減少膜組件清洗或更換的次數。另外，本發明中使用的厭氧動態膜生物反應器裝置簡易，占地面積小，且動態膜支撐材料和PE載體成本低廉，可操作性強。可操作性強。可操作性強。
