專利名稱：一種快速培養(yǎng)厭氧產(chǎn)氫顆粒污泥的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快速培養(yǎng)厭氧產(chǎn)氫顆粒污泥的方法，屬于生物制氫技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
厭氧發(fā)酵法生物制氫技術(shù)是通過控制較短的水力停留時(shí)間和較低的pH值條件， 使有機(jī)廢水厭氧水解酸化過程中在改善其可生化性的同時(shí)，獲得可再生清潔能源-氫氣， 國內(nèi)外投入了大量的人力物力進(jìn)行研究。但是，該技術(shù)目前還存在一些問題，如反應(yīng)器效 率低、底物轉(zhuǎn)化效率低、產(chǎn)生的發(fā)酵氣體中氫氣的含量和產(chǎn)量不高，因此難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生 產(chǎn)。但該技術(shù)具有開發(fā)新能源、節(jié)省能源消耗及凈化污水等優(yōu)點(diǎn)，可以從高濃度有機(jī)廢水中 通過生物代謝作用生產(chǎn)氫氣，同時(shí)還可為減少溫室氣體排放做貢獻(xiàn)，能為社會(huì)帶來顯著的 社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境生態(tài)效益。 要解決反應(yīng)器和底物轉(zhuǎn)化效率低的問題，首先是反應(yīng)器中要持有足夠的產(chǎn)酸_產(chǎn) 氫微生物，其次是這些微生物形成的絮體應(yīng)易于泥水分離并能及時(shí)返回到生化反應(yīng)區(qū)域。 但是，傳統(tǒng)的厭氧生物制氫方法一般都是生成絮狀活性污泥，微生物絮體結(jié)構(gòu)松散，沉降性 相對(duì)較差。研究表明，生成顆粒污泥是提高污泥停留時(shí)間、增加反應(yīng)器的生物持有量、提高 反應(yīng)器效率、避免在運(yùn)行中傳統(tǒng)絮狀污泥固有缺陷的最具有發(fā)展前景的方向。目前培養(yǎng)產(chǎn) 氫顆粒污泥的方法是直接采用厭氧污泥作為種泥，但由于厭氧污泥中存在大量的產(chǎn)甲烷細(xì) 菌，水解酸化過程中產(chǎn)生的氫氣大都被其利用，因此很多時(shí)候會(huì)導(dǎo)致氫氣的產(chǎn)率很低；另 外，強(qiáng)化產(chǎn)氫過程一般都要降低pH值，在這過程中大量的厭氧細(xì)菌會(huì)受到抑制甚至?xí)劳?造成大量的污泥上浮，使反應(yīng)器難以持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)上述存在的問題，開發(fā)了一種利用 城市污水處理廠剩余污泥經(jīng)缺氧培養(yǎng)后作為種泥快速培養(yǎng)厭氧產(chǎn)氫顆粒污泥的方法。本發(fā) 明將污水處理和能源再生利用有效的結(jié)合在一起。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種快速培養(yǎng)厭氧產(chǎn)氫顆粒污泥 的方法，其特點(diǎn)是以城市污水廠剩余活性污泥為種泥，預(yù)培養(yǎng)后采用陽離子型聚丙烯酰胺 混凝處理，以蔗糖廢水為主要底物在厭氧產(chǎn)氫反應(yīng)器中培養(yǎng)厭氧產(chǎn)氫顆粒污泥的方法。
本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)，其中所述C0D濃度、反應(yīng)器負(fù)荷及水力停留 時(shí)間除特殊說明外均為重要參數(shù)。 快速培養(yǎng)產(chǎn)氫顆粒污泥的方法包括以下步驟 (1)選取城市污水廠剩余活性污泥，加廢蔗糖使混合液中C0D濃度為1000mg/L，在 缺氧狀態(tài)下培養(yǎng)7天，添加陽離子型聚丙烯酰胺使混合液中混凝劑濃度為60 100mg/L，攪 拌1 3min備用； (2)將步驟(1)中處理好的污泥加入配有三相分離器和循環(huán)系統(tǒng)的厭氧產(chǎn)氫反應(yīng)
器，通過控制污泥加入量使反應(yīng)器中揮發(fā)性污泥濃度為12 25g/L ; (3)在步驟(2)所述的反應(yīng)器中，以C0D濃度為4000mg/L，溫度控制在34 35°C
3連續(xù)進(jìn)出水。運(yùn)行過程中每3 5天投加一次氮、磷、鐵、鈷、鎳營養(yǎng)元素和微量元素，其中
濃度比例為coD : n : p = 300 : 5 : i，微量元素Fe : Co : Ni = io : i : i，配制好
的溶液中微量元素濃度0. 005 0. 2g/L ; (4)控制上述反應(yīng)器的總水力停留時(shí)間，從最初15h逐漸降低到3. 5h，有機(jī)容積負(fù)
荷從6 10kgC0D/m3 d以步幅5kgC0D/m3 d的速度逐漸增加到30kgC0D/m3 d以上，每
次提高負(fù)荷以C0D去除率在15%穩(wěn)定5 20個(gè)水力停留時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)； (5)在7 15天之內(nèi)，反應(yīng)器中可生成外觀直徑為0. 5 2. 5mm、沉降速度30
80m/h的以梭狀芽孢桿菌為主的少量絲狀菌和球菌共存的規(guī)則橢球型顆粒污泥，即厭氧產(chǎn)
氫顆粒污泥。 性能測(cè)試 采用配置有熱導(dǎo)檢測(cè)器的島津GC-9A氣相色譜儀分析氫氣、二氧化碳和甲烷含 量，LMF-1濕式防腐氣體流量計(jì)計(jì)量氣體產(chǎn)量，配置有標(biāo)尺的0LMPUS-DP70顯微鏡測(cè)試顆粒 直徑，1L量筒測(cè)試顆粒沉降速度。 測(cè)試結(jié)果為在7 15天之內(nèi)，反應(yīng)器中可生成外觀直徑為0. 5 2. 5mm、沉降速度 30 80m/h的以梭狀芽孢桿菌為主的少量絲狀菌和球菌共存的規(guī)則橢球型顆粒污泥，顆粒 污泥出現(xiàn)后可連續(xù)產(chǎn)生發(fā)酵氣體，產(chǎn)量在10 16L/L&MS. d，其中氫氣含量為44% 56% 。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) 1、采用城市污水處理廠剩余污泥經(jīng)缺氧培養(yǎng)后作為種泥快速形成厭氧產(chǎn)氫顆粒
污泥，解決了傳統(tǒng)生物制氫啟動(dòng)時(shí)間較長、污泥容易流失、效率不高等問題； 2、提高了反應(yīng)器的氫氣產(chǎn)率、底物轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，是一種適用于
處理高濃度有機(jī)含糖廢水的生物制氫方法，為剩余污泥有效利用提供了一條新思路。
具體實(shí)施例方式
以下通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于 對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員 可以根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實(shí)施例1 : 1、污泥預(yù)處理取城市污水廠剩余活性污泥投加廢蔗糖1000mg/L進(jìn)行培養(yǎng)，每小 時(shí)定期攪拌5 10分鐘，每天經(jīng)沉淀后換水50% ，連續(xù)培養(yǎng)一周左右，投加陽離子型聚丙烯 酰胺使混合液中混凝劑濃度為80mg/L，攪拌2分鐘使其混合均勻，生成棕褐色、沉降性能良 好的絮體； 2、向反應(yīng)器中投加步驟1的污泥作為種泥，反應(yīng)器中揮發(fā)性污泥濃度為14. 7g/L ; 使用的厭氧產(chǎn)氫反應(yīng)器直徑10cm，總?cè)莘e8L，其中反應(yīng)區(qū)容積3L，回流區(qū)2L，反應(yīng)區(qū)和回流 區(qū)都計(jì)為反應(yīng)器有效反應(yīng)區(qū)域，沉淀區(qū)3L ; 3、合成有機(jī)廢水的配制向自來水中投加4g/L的廢蔗糖，同時(shí)每3 5天按 COD : N : P為300 : 5 : l投加尿素和KH2P04，配制好的廢水C0D濃度在4000mg/L左右； 投加小蘇打控制pH值在7.5 8.5，每3 5天定期投加鐵、鈷、鎳微量元素，鐵鈷鎳比
例為io : i : i，配制好的溶液中微量元素濃度o. 2g/L; 4、將步驟3配制的合成有機(jī)廢水用計(jì)量泵連續(xù)泵入反應(yīng)器中。反應(yīng)器初始水力停留時(shí)間控制在15h，初始有機(jī)容積負(fù)荷約8. 5kgC0D/m3 d，在進(jìn)水的同時(shí)啟動(dòng)反應(yīng)器溫控系 統(tǒng)使系統(tǒng)溫度以3 5°C /h的速度逐步上升至35°C ，系統(tǒng)內(nèi)pH值穩(wěn)定在4 5之間；從加 入污泥第二天開始反應(yīng)器就開始生產(chǎn)氫氣，氫氣含量在50%左右；每次負(fù)荷增加以COD去 除率在15%穩(wěn)定5 20個(gè)水力停留時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，以步幅5kgC0D/m3 d的速度將有機(jī)容積 負(fù)荷逐漸增加到30kgC0D/m3 d以上； 5、經(jīng)過12天的培養(yǎng)，就可以生成規(guī)則的顆粒污泥，顆粒污泥內(nèi)梭狀芽孢桿菌為主 的少量絲狀菌和球菌共存、外觀直徑為0. 5 2mm、沉降速度40 60m/h、呈規(guī)則橢球型。 污泥體積占反應(yīng)區(qū)的80 %左右，發(fā)酵氣體中氫氣含量在45 % 56 %之間，發(fā)酵氣體產(chǎn)量 13. 4L/L. d左右，產(chǎn)氫效率達(dá)到2. 9molH2/mol蔗糖。
實(shí)施例2 : 1、污泥預(yù)處理取城市污水廠剩余活性污泥投加廢蔗糖1000mg/L進(jìn)行培養(yǎng)，每小 時(shí)定期攪拌5 10分鐘，每天經(jīng)沉淀后換水50% ，連續(xù)培養(yǎng)一周左右，將培養(yǎng)的活性污泥加 熱煮沸預(yù)處理40min，加陽離子型聚丙烯酰胺使混合液中混凝劑濃度為60mg/L，攪拌3分鐘 使其混合均勻，生成棕褐色、沉降性能良好的絮體。 2、向反應(yīng)器中投加經(jīng)步驟1預(yù)處理好的種泥，控制反應(yīng)器中揮發(fā)性污泥濃度為 24. 6g/L ;使用的厭氧產(chǎn)氫反應(yīng)器直徑10cm，總?cè)莘e8L，其中反應(yīng)區(qū)容積3L，回流區(qū)2L，反應(yīng) 區(qū)和回流區(qū)都計(jì)為反應(yīng)器有效反應(yīng)區(qū)域，沉淀區(qū)3L ; 3、合成有機(jī)廢水的配制向自來水中投加4g/L的廢蔗糖，同時(shí)每3 5天按 COD : N : P為300 : 5 : l投加尿素和KH2P04，配制好的廢水C0D濃度在4000mg/L左右； 投加小蘇打控制pH值在7.5 8.5，每3 5天定期投加鐵、鈷、鎳微量元素，鐵鈷鎳比
例為io : i : 1，配制好的溶液中微量元素濃度o.oo5g/L;同時(shí)加入營養(yǎng)液[營養(yǎng)液成分
為(g/L)據(jù)122. 5， MgS0420 . 33， MnS043. 69， FeCl32. 46， CuS042 . 44， NH4HC0337， CoCl2l. 06， ZnCl20.42，KI 6.25， (NH4) 6Mo70240. 035]; 4、然后將步驟3配制的合成有機(jī)廢水用計(jì)量泵連續(xù)泵入反應(yīng)器中。反應(yīng)器初始水 力停留時(shí)間控制在15h，初始有機(jī)容積負(fù)荷約8. 5kgC0D/m3 d，在進(jìn)水的同時(shí)啟動(dòng)反應(yīng)器溫 控系統(tǒng)使系統(tǒng)溫度以3 5°C /h的速度逐步上升至35t:，系統(tǒng)內(nèi)pH值穩(wěn)定在4 5之間。 反應(yīng)器從加入污泥第二天開始就開始生產(chǎn)氫氣，氫氣含量在46% 56%之間；
5、經(jīng)過8天的培養(yǎng)，生成規(guī)則的顆粒污泥，顆粒污泥內(nèi)梭狀芽孢桿菌為主的少量 絲狀菌和球菌共存、外觀直徑為0. 5 2mm、沉降速度40 70m/h、呈規(guī)則橢球型。污泥體 積占反應(yīng)區(qū)的68%左右。此時(shí)發(fā)酵氣體產(chǎn)量10. 2L/L. d左右，氫氣含量52%左右，產(chǎn)氫效 率達(dá)到2. 6molH2/mol蔗糖，未檢測(cè)到CH4，后續(xù)最高產(chǎn)氣量達(dá)到15. 8L/L. d，產(chǎn)氫效率達(dá)到 3. lmolH2/mol蔗糖。
實(shí)施例3: 1、污泥預(yù)處理取城市污水廠剩余活性污泥投加廢蔗糖1000mg/L進(jìn)行培養(yǎng)，每小 時(shí)定期攪拌5 10分鐘，每天經(jīng)沉淀后換水50% ，連續(xù)培養(yǎng)一周左右，將培養(yǎng)的活性污泥在 密封條件下存儲(chǔ)一個(gè)月，取出后加陽離子型聚丙烯酰胺使混合液中混凝劑濃度為100mg/L， 攪拌1. 0分鐘使其混合均勻，生成棕褐色、沉降性能良好的絮體； 2、向反應(yīng)器中投加經(jīng)步驟1預(yù)處理好的種泥，控制反應(yīng)器中揮發(fā)性污泥濃度為 18. 7g/L ;使用的厭氧產(chǎn)氫反應(yīng)器直徑10cm，總?cè)莘e8L，其中反應(yīng)區(qū)容積3L，回流區(qū)2L，反應(yīng)
5區(qū)和回流區(qū)都計(jì)為反應(yīng)器有效反應(yīng)區(qū)域，沉淀區(qū)3L ; 3、合成有機(jī)廢水的配制向自來水中投加4g/L的廢蔗糖，同時(shí)每3 5天按 C0D : N : P為300 : 5 : l投加尿素和KH2P04，配制好的廢水C0D濃度在4000mg/L左右； 投加小蘇打控制pH值在7.5 8.5，每3 5天定期投加鐵、鈷、鎳微量元素，鐵鈷鎳為
io : i : i，配制好的溶液中微量元素濃度o. lg/L ; 4、將步驟3配制的合成有機(jī)廢水用計(jì)量泵連續(xù)泵入反應(yīng)器中。反應(yīng)器初始水力停 留時(shí)間控制在15h，初始有機(jī)容積負(fù)荷約8. 5kgC0D/m3 d，在進(jìn)水的同時(shí)啟動(dòng)反應(yīng)器溫控系 統(tǒng)使系統(tǒng)溫度以3 5°C /h的速度逐步上升至35°C，系統(tǒng)內(nèi)pH值穩(wěn)定在4 5之間。反 應(yīng)器從加入污泥第四天開始就開始生產(chǎn)氫氣，氫氣含量在44% 53%之間；
5、經(jīng)過14天的培養(yǎng)，生成規(guī)則的顆粒污泥，顆粒污泥內(nèi)梭狀芽孢桿菌為主的少量 絲狀菌和球菌共存、外觀直徑為0. 5 2. 5mm、沉降速度40 80m/h、呈規(guī)則橢球型。污泥 體積占反應(yīng)區(qū)的78%左右。此時(shí)發(fā)酵氣體產(chǎn)量12. 1L/L. d左右，氫氣含量48%左右，未檢 測(cè)到CH4，產(chǎn)氫效率達(dá)到2. 8molH2/mol蔗糖。
權(quán)利要求
一種快速培養(yǎng)厭氧產(chǎn)氫顆粒污泥的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)選取城市污水廠剩余活性污泥，加廢蔗糖使混合液中COD濃度為1000mg/L，在缺氧狀態(tài)下培養(yǎng)7天，添加陽離子型聚丙烯酰胺使混合液中混凝劑濃度為60～100mg/L，攪拌1～3min備用；(2)將步驟(1)中處理好的污泥加入配有三相分離器和循環(huán)系統(tǒng)的厭氧產(chǎn)氫反應(yīng)器，通過控制污泥加入量使反應(yīng)器中揮發(fā)性污泥濃度為12～25g/L；(3)在步驟(2)的反應(yīng)器中，以COD濃度為4000mg/L的蔗糖廢水為底物，溫度控制在34～35℃連續(xù)進(jìn)出水，運(yùn)行過程中每3～5天投加一次氮、磷、鐵、鈷、鎳營養(yǎng)元素和微量元素，其中營養(yǎng)元素濃度比例為COD∶N∶P＝300∶5∶1，微量元素Fe∶Co∶Ni＝10∶1∶1，配制好的溶液中微量元素濃度0.005～0.2g/L；(4)控制上述反應(yīng)器的總水力停留時(shí)間，從最初15h逐漸降低到3.5h，有機(jī)容積負(fù)荷從6～10kgCOD/m3.d以步幅5kgCOD/m3.d的速度逐漸增加到30kgCOD/m3.d左右，每次提高負(fù)荷以COD去除率在15％穩(wěn)定5～20個(gè)水力停留時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)；(5)在7～15天之內(nèi)，反應(yīng)器中可生成外觀直徑為0.5～2.5mm、沉降速度30～80m/h的以梭狀芽孢桿菌為主的少量絲狀菌和球菌共存的規(guī)則橢球型顆粒污泥，即厭氧產(chǎn)氫顆粒污泥。
全文摘要
一種快速培養(yǎng)厭氧產(chǎn)氫顆粒污泥的方法。其特點(diǎn)是向反應(yīng)器中加入經(jīng)過培養(yǎng)并用陽離子型聚丙烯酰胺60～100mg/L預(yù)處理的剩余活性污泥，使反應(yīng)器內(nèi)初始污泥濃度為12-25g/L，在中溫(34～35℃)條件下，以含糖廢水為底物，進(jìn)水生化需氧量(COD)4000mg/L，pH值7.5～8.5，反應(yīng)器總水力停留時(shí)間從最初15h逐漸降低到3.5h，有機(jī)容積負(fù)荷從6～10kgCOD/m3.d逐漸增加到30kgCOD/m3.d以上，可以在7d～15d內(nèi)形成以梭狀芽孢桿菌為主體、少量絲狀菌和球菌共存的污泥總體積占反應(yīng)器總?cè)莘e25％～40％的厭氧產(chǎn)氫顆粒污泥。裝填該種顆粒污泥的反應(yīng)器可以連續(xù)生產(chǎn)氫氣含量為44％～56％的發(fā)酵氣體，氣體產(chǎn)率為10～16m3/m3反應(yīng)器.d，產(chǎn)氫效率可以達(dá)到3.1molH2/mol蔗糖。
文檔編號(hào)C02F3/28GK101767873SQ20101002808
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者劉敏, 陳瀅 申請(qǐng)人:四川大學(xué)