一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法与应用
1.本发明涉及污泥处理领域，特别是涉及一种andmbr耦合pe载体强化污泥厌氧发酵产酸的方法。
背景技术：
2.随着我国现代化建设水平的迅速发展，污水处理规模增大，副产物剩余污泥产量数字十分可观。厌氧发酵是目前污泥减量化、无害化和资源化的核心技术之一，短链脂肪酸(short chain fatty acids,scfas)是厌氧发酵产酸初始阶段的产物，主要包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等，其附加价值高、实际用途广泛。剩余污泥厌氧发酵产scfas具有反应时间短、能耗低、运行费用低及产品价值高等优点。
3.现有技术中，传统的厌氧处理技术通常需要较长的污泥停留时间以确保厌氧微生物的生长，因此反应器的体积较大；此外，采用微滤或超滤膜的厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor,anmbr)可实现污泥停留时间和水力停留时间的分离，然而anmbr具有通量低、资金和运行成本高、膜污染快、膜清洗能耗高等缺点，使其不便于大规模推广使用；现有技术中还包括厌氧动态膜生物反应器(anaerobic dynamic membrane bioreactor,andmbr)，其利用廉价粗孔材料作为支撑，污泥在支撑材料上原位形成的生物滤饼层(动态膜)可代替传统的微滤/超滤膜来实现固液分离的效果，成本低、通量高、易于控制污垢、能耗低，可以解决anmbr成本高及膜污染快等问题。但是，利用andmbr进行污泥厌氧发酵产酸仍处于初级阶段，即使现有技术中已经有利用吸附、絮凝作用以及利用微米颗粒对动态膜进行强化等方法来控制膜污染，但依然无法在对膜污染进行有效控制的同时对厌氧发酵性能进行强化，进而无法用于实际污泥处理当中。
4.因此，如何在减轻andmbr膜污染的同时提高产酸效率使本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现要素：
5.本发明的目的是提供一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法，在利用厌氧动态膜生物反应器对污泥进行厌氧发酵时，动态膜形成并稳定后，向所述厌氧动态膜生物反应器中投加pe载体。
8.优选的，具体包括以下步骤：
9.(1)将污泥投加至厌氧动态膜生物反应器中，充入氮气进行厌氧发酵；
10.(2)发酵系统稳定后，在挡板两侧放置动态膜组件进行固液分离，并利用水头差重力排出水，直至水的浊度小于2ntu；
11.(3)向所述厌氧动态膜生物反应器中投加pe载体，继续进行厌氧发酵。
12.有益效果：本发明提供的方法能够形成稳定的生物膜结构，增加生物停留时间和
生物量，减少反应器体积，增加产酸量。
13.优选的，所述动态膜组件的膜基材包括无纺布、尼龙网、聚酯和丝网中的任意一种。
14.优选的，所述膜基材孔径为20～100μm。
15.有益效果：本发明中使用的20～100μm的膜基材孔径能有效减缓跨膜压差的增长速率，同时实现微生物的有效截留，强化剩余污泥发酵系统的产酸效率。若孔径过大时动态膜形成时间长且出水浊度高，截留效果差；孔径过小膜通量较低，出料的延滞时间延长。
16.更为优选的，所述动态膜强度高、化学稳定性高、成本低以及附着性能较强，有利于发酵系统稳定运行。
17.优选的，所述动态膜组件出水水头为2.5～5cm。
18.有益效果：本发明中选择2.5～5cm的水头差有利于动态膜的迅速形成且有助于污泥胶团在动态膜基材表面附着。若高于5cm会增加动态膜的跨膜压差，造成膜污染，低于2.5cm不利于动态膜的迅速形成。
19.优选的，所述pe载体的直径为10
±
0.1mm，相对密度为0.96
±
0.1g/cm3，比表面积为350m2/m3，空隙率为85-95％。
20.有益效果：本发明中的pe载体具有高比表面积、耐久性、孔隙度高等特性，密度适中，易于悬浮，可固定微生物，保护微生物免受外界的冲刷。
21.优选的，所述pe载体的堆积体积与反应器工作容积比为(10～20)：100。
22.有益效果：本发明中使用10～20％的pe载体投加量明显促进发酵初期阶段污泥中有机物的释放，产生更多的水解产物，可供产酸微生物分解利用产生scfas。若当pe载体投加量超过20％后，其对水解产物的提高没有太大效果。
23.一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法在市政污泥厌氧发酵产酸中的应用。
24.本发明公开了一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法及其应用。首先，本发明中使用pe载体耦合动态膜分离具有协同增强的效应，通过改变不同功能菌的结构和丰度，使氨基酸和碳水化合物的代谢功能丰度大大提高，有利于scfas产量的增加。其次，本发明通过改变pe载体投加量并辅助调节搅拌强度，耦合pe载体可有效缓解动态膜污染，减少膜组件清洗或更换的次数。另外，本发明中使用的厌氧动态膜生物反应器装置简易，占地面积小，且动态膜支撑材料和pe载体成本低廉，可操作性强。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为实施例2中厌氧动态膜发酵生物反应器结构的主视图；
27.其中，1为进泥口；2为排泥口；3为动态膜组件；4为搅拌棒；5为泵；6为流量计；7为pe载体；8为电机；9为气袋；10为挡板；11为出水管；
28.图2为实施例2中厌氧动态膜发酵生物反应器结构的俯视图；
29.其中，1为进泥口；2为排泥口；3为动态膜组件；4为搅拌棒；5为泵；6为流量计；7为
pe载体；11为出水管；12为盖子。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
32.本发明以下实施例中使用的污泥为北京碧海环境科技有限公司永丰污水处理厂的剩余污泥；
33.pe载体的直径为10mm，相对密度为0.96g/cm3，比表面积为350m2/m3，空隙率为90％。
34.实施例1
35.一种厌氧动态膜生物反应器耦合pe载体强化污泥厌氧发酵产酸的方法，包括以下步骤：
36.1.确定pe载体的最佳投加量，包括如下步骤：
37.设置pe载体的投加梯度分别为锥形瓶工作容积的10％、20％、和30％，同等条件设置两个锥形瓶。将405ml稀释污泥和45ml接种污泥的混合液各自分别加入3个锥形瓶内，再将3个梯度的pe载体分别加入。氮气吹扫5min以去除溶解氧气，使用4mol/l的氢氧化钠溶液将发酵体系中的ph调节为9，保持厌氧发酵，并对体系中碳水化合物、蛋白质及scfas含量进行检测，同时记录峰值。
38.结果表明，当pe载体投加量超过20％后，其对水解产物的提高没有太大效果。其中碳水化合物的峰值分别约为130mg/l(pe投加量为10％)、190mg/l(pe投加量为20％)和180mg/l(pe投加量为30％)。蛋白质的峰值分别约为477.92
±
4.55mg/l(pe投加量为10％)、612.37
±
7.28mg/l(pe投加量为20％)和564.77
±
1.82mg/l(pe投加量为30％)。从产酸积累效能来看，总scfas的峰值分别约为1529.64
±
7.39mg/l(pe投加量为10％)、1657.07
±
9.14mg/l(pe投加量为20％)和1693.32
±
14.07mg/l(pe投加量为30％)。基于对污泥溶解和水解过程的促进作用并考虑工艺经济性，10～20％的pe投加量是促进污泥碱性发酵产酸效果的一个较优条件。因此确定投加pe载体的堆积体积为反应器工作容积的10～20％。
39.实施例2
40.一种厌氧动态膜生物反应器耦合pe载体强化污泥厌氧发酵产酸的方法，采用图1和2所示的厌氧动态膜生物反应器处理污泥，其中，厌氧动态膜生物反应器发酵区内部设有搅拌装置，膜分离区设有竖向挡板，可在挡板两侧放置两个动态膜组件，且厌氧动态膜生物反应器有效容积为5l。具体包括如下步骤：
41.(1)向厌氧动态膜生物反应器内加入5000ml污泥，其中，污泥中的固含量为14g/l，热碱预处理污泥的vs量:接种污泥的vs量＝9:1，随后往反应器中充氮气30min后盖上盖子密封，进行厌氧发酵；
42.其中，热碱预处理的步骤为：
43.将冰箱中取出的脱水剩余污泥进行稀释，按照去离子水与剩余污泥为1:5的比例稀释为12～14g vs/l的稀释污泥，随后使用4mol/l的氢氧化钠溶液调节稀释污泥的ph为9，并在90℃的水浴锅中加热60min。
44.接种污泥取自实验室长期运行的厌氧发酵反应器，vs为12.1
±
2.1g/l；
45.(2)在发酵过程中，由搅拌装置4和8提供搅拌动力，搅拌速率设定160rpm进行持续搅拌。发酵系统稳定运行一个srt(12d)后，在膜分离区的挡板10两侧放置动态膜组件3进行固液分离，出水管与动态膜组件连接。其中，动态膜组件3采用无纺布组件，孔径为50μm，有效过滤面积为0.59m2，支撑结构为长方体形，支撑结构材质为pvc。每天从进泥口1和排泥口2进出泥维持发酵系统的稳定运行。膜出水利用水头差重力排出，水头差设置为2.5cm，出水浊度小于2ntu为厌氧动态膜形成的标志；
46.(3)厌氧动态膜形成后，向反应器中投加pe载体7，pe载体投加量为反应器有效容积的20％。
47.步骤(1)和(2)在反应器运行过程中，膜通量逐渐下降，经步骤(3)加入pe载体后，未对膜组件进行更换和清洗，膜通量先上升到大约15l/m2/h，随后又降至7.5～8l/m2/h左右，并保持了40天左右，动态膜组件没有发生明显堵塞现象。由此看出，本发明加入pe载体可以有效延缓膜通量的下降，降低更换动态膜组件的频率。且pe载体和动态膜组件耦合之后的运行中，反应器内scfas浓度最高达到3500mg/l，是pe载体强化产酸工艺的两倍。在属水平上分析微生物相对丰度的差异发现，属于firmicutes门clostridia纲的christensenellaceae_r-7_group，proteiniclasticum和proteocatella三个属(涉及蛋白质和碳水化合物的转化)相对丰度上升。说明本发明中添加pe载体和动态膜组件的耦合作用通过改变不同功能菌的结构和丰度，有效促进了scfas的积累。
48.对比例1
49.一种动态膜生物反应器强化污泥厌氧发酵产酸的方法，与实施例1不同的是：
50.不添加pe载体，其余步骤及参数均与实施例1相同。
51.结果表明，其溶解性碳水化合物的峰值为130mg/l，溶解性蛋白质的峰值为472.14
±
5.46mg/l，总scfas的峰值为1462.76
±
29.83mg/l。上述三个指标均低于实施例1中的pe载体投加量为10％、20％和30％时的数值。对比发现20％的pe投加量提高scfas浓度是不添加pe组的1.16倍。
52.对比例2
53.一种动态膜生物反应器强化污泥厌氧发酵产酸的方法，与实施例2不同的是：
54.不添加pe载体，其余步骤及参数均与实施例2相同。
55.结果表明，反应器内scfas浓度从1400mg/l上升到1800mg/l左右，大约是传统厌氧发酵工艺的1.27倍，说明动态膜组件的加入提高了有机物(碳水化合物和蛋白质)和产酸微生物在反应器内的浓度，从而提高了scfas的浓度。对比来看，将pe载体与动态膜结合(实施例2)明显优于单纯添加动态膜组件(对比例2)的产酸效率。
56.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
技术特征：
1.一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，在利用厌氧动态膜生物反应器对污泥进行厌氧发酵时，动态膜形成并稳定后，向所述厌氧动态膜生物反应器中投加pe载体。2.根据权利要求1所述的一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)将污泥投加至厌氧动态膜生物反应器中，充入氮气进行厌氧发酵；(2)发酵系统稳定后，在挡板两侧放置动态膜组件进行固液分离，并利用水头差重力排出水，直至水的浊度小于2ntu；(3)向所述厌氧动态膜生物反应器中投加pe载体，继续进行厌氧发酵。3.根据权利要求2所述的一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(2)中所述动态膜组件的膜基材包括无纺布、尼龙网、聚酯和丝网中的任意一种。4.根据权利要求3所述的一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，所述膜基材孔径为20～100μm。5.根据权利要求2所述的一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(2)中所述动态膜组件出水水头为2.5～5cm。6.根据权利要求2所述的一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(3)中所述pe载体的直径为10
±
0.1mm，相对密度为0.96
±
0.01g/cm3，比表面积为350m2/m3，空隙率为85-95％。7.根据权利要求2所述的一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(3)中所述pe载体的堆积体积与反应器工作容积比为(10～20)：100。8.如权利要求1-7任一项所述的一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法在市政污泥厌氧发酵产酸中的应用。
技术总结
本发明公开了一种强化污泥厌氧发酵产酸的方法与应用，属于污泥处理技术领域，具体包括以下步骤：在利用厌氧动态膜生物反应器对污泥进行厌氧发酵时，动态膜形成并稳定后，向所述厌氧动态膜生物反应器中投加PE载体。本发明中使用PE载体耦合动态膜分离具有协同增强的效应，有利于SCFAs产量的增加，且能够有效缓解动态膜污染，减少膜组件清洗或更换的次数。另外，本发明中使用的厌氧动态膜生物反应器装置简易，占地面积小，且动态膜支撑材料和PE载体成本低廉，可操作性强。可操作性强。可操作性强。
