一种利用碳酸氢铵提升污泥厌氧消化产甲烷量的方法

技术领域

本发明涉及一种利用碳酸氢铵提升污泥厌氧消化产甲烷量的方法，属于污泥处理与资源化技术领域。

背景技术

在城镇污水处理领域，活性污泥法是目前应用最广泛的生物处理技术，在削减污水中绝大部分污染物的同时，活性污泥法也会产生大量剩余污泥。随着污水处理量和污泥产量的日益增加，传统的污泥填埋由于其空间局限性已无法满足当下对污泥处理减量化、资源化、无害化的要求，而厌氧消化作为一种可行的污泥资源化能源化技术，正逐渐得到重视。厌氧消化就是在厌氧条件下，利用微生物将复杂有机物转化成甲烷和二氧化碳的降解过程。市政污泥经厌氧消化后，大幅减少其体积的同时也能产生沼气，实现污泥减量并回收生物质能。目前将厌氧消化过程主要分为四阶段，即水解、发酵酸化、产氢产乙酸和产甲烷阶段。然而在厌氧消化的实际运用中，由于温度、pH、碳氮比、营养等各种因素的制约，常常会出现微生物活性受到抑制从而造成甲烷产率降低的现象。对于市政污泥的厌氧消化来说，经脱水后的高含固污泥溶解速率较慢，一般认为水解过程是其主要的限速步骤。针对这一问题，目前研究开发了多种方法促进污泥水解并提升甲烷产量的技术，包括超声波预处理、酸碱预处理、热水解技术等。

在预处理技术方面，中国专利公开CN109553254A公开了一种提高剩余污泥胞内物质溶出的预处理方法，该方法利用过氧化钙和氯化铵联合预处理，调节pH至8.4-8.6之间，使游离氨浓度为145-155mg/L，可提高剩余污泥颗粒有机物的溶出，将溶解性化学需氧量(SCOD)和溶解性蛋白质分别提高了近3倍和5倍。中国专利公开CN108821530A公开了一种联合预处理提高剩余污泥有机质溶出的方法，其利用超声波和氯化铵进行联合预处理，并调节pH至8.8-9.2之间，使游离氨浓度为40-240mg/L，同样可显著提高SCOD、溶解性蛋白质和溶解性多糖的含量。中国专利公开CN110656133A公开了促进废弃活性污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的预处理方法，此方法中通过投加氯化铵并调节pH进行游离氨预处理，在控制pH＝10，温度为25℃，初始游离氨浓度为255mg/L时，厌氧消化29天后的正己酸浓度为2739-3390mg COD/L，与空白组的587-839mg COD/L相比有明显提升。中国专利公开CN109554399A公开了一种提高剩余活性污泥厌氧发酵产氢效率的预处理方法，该方法也通过投加氯化铵并调节pH进行游离氨预处理，不仅能促使污泥中有机物的溶出，还充分抑制同型产乙酸菌和产甲烷菌等耗氢微生物活性，在控制pH＝9，温度为37℃，初始游离氨浓度为300mg/L时，产氢率可达14.65mL H

上述各类方法均是利用游离氨进行预处理，从而促进污泥厌氧消化中的水解、产酸或产氢过程，一方面，上述各类方法未提及长期厌氧消化后的产甲烷情况，对实际生产中污泥厌氧消化的指导意义不够完整。另一方面，上述各类方法均通过投加氯化铵来实现游离氨的预处理，但氯化铵作为酸性物质，对pH影响较大，为保证达到预期的游离氨浓度必须额外投加氢氧化钠等碱性物质来控制体系的pH范围在碱性(9-10)，不仅使得体系成分更复杂，稳定性更难控制，还会增加实际运行的成本投入，而且该pH范围不利于甲烷菌的生长。此外，在厌氧消化系统中，过高的氨氮浓度一般会对微生物活性造成影响，最终表现为甲烷产量的下降，有研究显示，当氨氮浓度在1500-7000mg/L时，都有可能抑制厌氧消化的产甲烷过程，所以一般会将高氨氮环境作为厌氧消化的抑制因素。

因此，亟需寻找一种无需对污泥进行长时间预处理、无需额外调整pH的促进污泥水解产酸以及提升甲烷产量的方法。

发明内容

本发明为了克服上述各类技术存在的缺陷，不对污泥进行预处理，而是采用在厌氧消化过程中直接投加碳酸氢铵的方法，在不调节pH的情况下(初期pH范围在7–8)，不仅同样能促进污泥的水解产酸，还能提升污泥厌氧消化的甲烷产量，是一种更经济环保的方法。本发明简单易行，能有效实现污泥的资源化、无害化和减量化，具有工程应用前景。

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用碳酸氢铵提升污泥厌氧消化产甲烷量的方法，所述方法包括：

取污水处理厂的污泥作为消化底物加入至厌氧消化罐，投加碳酸氢铵溶液，使得初始氨氮浓度为2000-7000mg/L；将厌氧消化罐密封进行厌氧消化，设置厌氧消化温度为30-40℃，厌氧消化时间为30-80d。

在本发明的一种实施方式中，所述污水处理厂为城镇污水处理厂。

在本发明的一种实施方式中，所述污水处理厂的污泥指标如下：污泥浓度为3-15g/L，初始pH为6.8-7.0，初始氨氮浓度为20-100mg/L，重金属含量低于0.0001μg/L，其对厌氧消化过程中的微生物活性不造成影响。

在本发明的一种实施方式中，所述厌氧消化罐的体系内无需调节体系的pH。

在本发明的一种实施方式中，所述碳酸氢铵溶液的浓度为0.15-0.25mg/L。

在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括：取城镇污水处理厂的污泥作为消化底物，将其置于厌氧消化罐内；向上述消化底物中投加碳酸氢铵溶液，不调节体系pH，使得初始氨氮浓度为2000-7000mg/L；将厌氧消化罐密封进行厌氧消化，设置温度为30-40℃，时间为30-80d，收集并检测甲烷产量。

本发明还提供了一种城镇污水处理的方法，所述方法利用活性污泥法处理城市污水，并利用上述方法处理剩余污泥。

本发明还提供了上述方法在环境领域的应用。

本发明的有益效果是：

1.本发明在污泥中投加碳酸氢铵，可以促进污泥中有机物溶解，释放出更多可利用底物，本发明与污泥单独厌氧消化相比，SCOD提高3-5倍

2.本发明在污泥中投加碳酸氢铵，可增加污泥厌氧消化的甲烷产量，本发明与污泥单独厌氧消化相比，甲烷产量提高10％-25％。

3.目前市售工业级碳酸氢铵和氯化铵的均价分别在1900元/吨和3500元/吨，经计算，在污泥中每投加1公斤的氨氮，碳酸氢铵和氯化铵的成本分别约为10.7元和13.3元；本发明在污泥中直接投加碳酸氢铵且不调节pH，相比之前各类利用氯化铵并调节pH的预处理方法，不仅操作简单，还可降低成本，具有工程应用前景。

附图说明

图1碳酸氢铵提升污泥厌氧消化产甲烷量的工艺方法示意图。

图2为本发明实施例1～3在污泥厌氧消化过程中SCOD的变化图。

图3为本发明实施例1～3在污泥厌氧消化过程中甲烷的累积产量图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。但本发明的实施方式不限于此。

氨氮浓度测定方法：采用《城镇污水水质标准检验方法(CJ/T 51-2018)》中推荐的纳氏试剂分光光度法。

SCOD测定方法：采用哈希快速消解分光光度法，将样品在DRB200智能消解仪上消解2小时后，利用DR3900可见光分光光度计测定SCOD。

甲烷测定方法：采用气相色谱法，利用Agilent GC 6890气相色谱仪测定沼气中的各类气体组分，并根据标准曲线计算得出甲烷产量。

市政污泥取自上海市某污水处理厂，污泥浓度为10g/L，初始pH为6.97，初始氨氮浓度为50mg/L。

实施例1

取脱水后含固率约为12％的市政污泥200g加入厌氧消化罐，投加浓度为0.25g/mL的碳酸氢铵溶液13mL，使得厌氧消化罐内的氨氮浓度为3g/L，将厌氧消化罐密封后放入恒温振荡培养箱内，设置温度为35℃，振荡速度为200rpm，时间为80d进行厌氧消化。同时，将同样来源的市政污泥在相同条件下单独进行厌氧消化(不投加碳酸氢铵)，以此作为空白对照组。

结果表明，投加碳酸氢铵的污泥在厌氧消化过程中最高释放出的SCOD为7265g/mL，是空白组的3.15倍(见图2)。投加碳酸氢铵的污泥厌氧消化80d后的累积产甲烷量为242.51mL/g VS，比空白组提高了24.27％(见图3)。

实施例2

取脱水后含固率约为12％的市政污泥200g加入厌氧消化罐，投加浓度为0.25g/mL的碳酸氢铵溶液22mL，使得厌氧消化罐内的氨氮浓度为5g/L，将厌氧消化罐密封后放入恒温振荡培养箱内，设置温度为35℃，振荡速度为200rpm，时间为80d进行厌氧消化。同时，将同样来源的市政污泥在相同条件下单独进行厌氧消化，以此作为空白对照组。

结果表明，投加碳酸氢铵的污泥在厌氧消化过程中最高释放出的SCOD为8810g/mL，是空白组的4.03倍(见图2)。投加碳酸氢铵的污泥厌氧消化80d后的累积产甲烷量为231.64mL/g VS，比空白组提高了18.70％(见图3)。

实施例3

取脱水后含固率约为12％的市政污泥200g加入厌氧消化罐，投加浓度为0.25g/mL的碳酸氢铵溶液31mL，使得厌氧消化罐内的氨氮浓度为7g/L，将厌氧消化罐密封后放入恒温振荡培养箱内，设置温度为35℃，振荡速度为200rpm，时间为80d进行厌氧消化。同时，将同样来源的市政污泥在相同条件下单独进行厌氧消化，以此作为空白对照组。

结果表明，投加碳酸氢铵的污泥在厌氧消化过程中最高释放出的SCOD为10185g/mL，是空白组的4.82倍(见图2)。投加碳酸氢铵的污泥厌氧消化80d后的累积产甲烷量为215.14mL/g VS，比空白组提高了10.25％(见图3)。

对比例1

取脱水后含固率约为12％的市政污泥200g加入厌氧消化罐，投加浓度为0.25g/mL的碳酸氢铵溶液4mL，使得厌氧消化罐内的氨氮浓度为1g/L，将厌氧消化罐密封后放入恒温振荡培养箱内，设置温度为35℃，振荡速度为200rpm，时间为80d进行厌氧消化。同时，将同样来源的市政污泥在相同条件下单独进行厌氧消化，以此作为空白对照组。

结果表明，投加碳酸氢铵的污泥在厌氧消化过程中最高释放出的SCOD为2815g/mL，仅比空白组提高了60％。投加碳酸氢铵的污泥厌氧消化80d后的累积产甲烷量为199.55mL/g VS，仅比空白组提高了2.05％。与实施例1-3相比，当额外投加氨氮浓度低于2g/L时，碳酸氢铵对污泥厌氧消化产甲烷的促进作用不太明显。

同时，污泥厌氧消化中的高氨氮条件一般会对产甲烷造成抑制，但是本发明的相关实验结果表明在特定的高氨氮浓度下产甲烷反而有所上升，其原因是碳酸氢铵的加入促进了污泥的水解酸化，释放出了更多的可利用底物，同时影响了微生物群落的构成和代谢机制，实现了甲烷产量的上升。

对比例2

取含固率约为2％的市政污泥200mL加入厌氧消化罐，投加浓度为0.3g/mL的氯化铵溶液7mL，使得厌氧消化罐内的氨氮浓度为3g/L，将厌氧消化罐密封后放入恒温振荡培养箱内，设置温度为35℃，振荡速度为200rpm，时间为30d进行厌氧消化。同时，将同样来源的市政污泥在相同条件下单独进行厌氧消化，以此作为空白对照组。

结果表明，投加氯化铵后污泥的pH范围在6.6-6.8，空白组的pH范围在6.8-7.0；投加氯化铵后的累积产甲烷量为70.03mL/g VS，空白组的累积产甲烷量为68.84mL/g VS，且30天后无法继续进行厌氧消化，说明单独投加氯化铵容易造成厌氧消化条件的酸化，对促进污泥厌氧消化产甲烷的作用不大。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。