專利名稱：一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法及其應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于廢水生物處理領域，更加具體地說，主要涉及一種低強度超聲破解污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮以及污泥減量的方法及其應用。
背景技術：
富營養化問題是當今世界面臨的主要水污染問題之一，而氮、磷是引起水體富營養化的主要因素。隨著公眾環境意識的提高和國內外對氮、磷排放限制標準的日趨嚴格。生物脫氮技術是當前應用最為廣泛的污水脫氮技術，即通過硝化菌、反硝化菌作用實現氮的去除，充足的碳源是實現高效脫氮的關鍵。一般認為，當生物池進水C/N低于3. 4時，需要外加碳源來保證良好的生物脫氮效果，而我國大部分城市污水處理廠進入生物池的污水C/ N比均低于此值，污水中有機碳源不足導致生物脫氮效率低下。為提高生物脫氮效率，實現出水總氮(TN)達標排放，需要投加甲醇、乙醇補充有機碳源，這樣就增加了污水處理廠運行成本。可見，碳源問題的解決與否關系著生物脫氮效率的高低與城市污水處理廠運行成本的高低。剩余污泥內存在有機碳源，但是可轉化為揮發性脂肪酸(VFAs)被反硝化菌利用的數量較少，需要再尋找新的碳源形式。另外，我國每年有機垃圾(如餐廚垃圾、果蔬垃圾等)產量巨大，有機垃圾中有機物含量高，而且可以水解酸化為VFAs被反硝化菌作為碳源利用。如何利用有機垃圾中有機物提高生物脫氮效率，這對我國有機垃圾利用以及低碳氮比污水生物脫氮技術發展具有重要意義。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，針對剩余污泥中碳源不足的問題，本發明提供了一種污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法及其應用，解決目前污泥排放量大、有機垃圾未妥善處置、反硝化碳源外加成本高的問題。本發明的目的通過下述技術方案予以實現一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法，按照下述步驟進行首先(即步驟I)利用低強度超聲破解剩余污泥，然后(即步驟2)將超聲破解的剩余污泥與有機垃圾混合水解酸化，最后(即步驟3)將水解酸化液回流。所述步驟I中，破解預處理剩余污泥量為進水量(即沉砂池出水)的5% —10%，污泥濃縮至含固率為2-3wt%，超聲破解時間1-lOmin，優選3 — 8min ;破解所用超聲處理器形式為多探頭式(例如4一8個探頭)，超聲頻率為20— 40kHz，探頭直徑為20— 30mm，超聲聲能密度為 0. 2—0. 8kW/m3，優選 0. 5—0. 8kW/m3。所述步驟2中，破解后濃縮剩余污泥的含水率為97_98wt%，按照固液比為1:10—I 30 (有機垃圾質量剩余污泥體積)稱取有機垃圾與剩余污泥充分混合后進行水解酸化處理，經充分水解酸化，污泥與有機垃圾中慢速生物降解物質，如蛋白質、多糖、脂類等物質分解為揮發性脂肪酸類物質(VFAs)，如乙酸、丙酸、丁酸等，這類物質可作為反硝化所需碳源，實現生物反硝化脫氮；剩余污泥和有機垃圾混合后在水解酸化池最佳水力停留時間為12-60h ;其中有機垃圾可預先進行粉碎處理后再與剩余污泥進行混合。所述步驟3中，水解酸化后混合液回流至生物缺氧池前端，反硝化細菌利用其為碳源，將污水中硝酸鹽氮轉化為氮氣，實現生物脫氮，缺氧池最佳水力停留時間為2-4h。城市有機生活垃圾(organicfraction of municipal solid waste,OFMSW)又稱濕垃圾，是指城市生活垃圾中有機物成分的廢棄物，主要來源于居民生活小區，餐館食堂，農貿市場，公園街道，食果品加工廠等。按照現有技術記載(何品晶，馮肅偉，邵立明.城市固體廢物管理[M]，科學出版社，北京，2003，56)，具體分類如下I.有機垃圾廚余、果皮2.無機垃圾 3.廢品紙類、塑料、玻璃、金屬、布類等本發明的技術方案使用剩余污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的工藝，在挑選有機垃圾時從OFMSW中選取能夠水解酸化的垃圾種類，如以廚余為代表的餐廚垃圾和以果皮為代表的果蔬垃圾，不包括廢紙和塑料等廢品。與一般剩余污泥水解酸化補充反硝化碳源工藝相比，本發明的優點在于彌補了剩余污泥中水解酸化碳源不足的問題，充分利用了剩余污泥與有機垃圾中的碳源，無需外加碳源，提高了生物脫氮效率。本發明可以應用于厭氧-缺氧-好氧(A20)與缺氧-好氧(A0工藝)污水處理廠生物處理工藝升級改造、新建生物除磷脫氮工藝等，經推廣后可以提高生物脫氮效率，減少污泥產量，實現污泥與有機垃圾資源化，降低運行費用，產生顯著的環境效益和經濟效益。


圖I為本發明應用于厭氧一缺氧一好氧生物除磷脫氮工藝的流程圖，其中二沉池中回流部分污泥至厭氧池的前端，好氧池出口的硝化液回流至缺氧池的前端；剩余污泥經濃縮和低強度超聲波破解后參與有機垃圾的混合和水解后水解液回流至缺氧池的前端。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明。采用如附圖I所示的厭氧一缺氧一好氧生物脫氮工藝的流程，其中二沉池中回流部分污泥至厭氧池的前端，以保證系統中污泥的使用量，好氧池出口的硝化液回流至缺氧池的前端，以保證系統中硝化液的使用量；二沉池中部分剩余污泥經過濃縮和破解后，參與有機垃圾的混合和水解后，水解液回流至缺氧池的前端；二沉池中部分剩余污泥則予以排放。沉砂池出水量，即為系統的進水量Q0實施例I6%Q (Q為進水流量)的污泥經重力濃縮至含固率為2. 3%，經污泥泵輸送至8個探頭式超聲波處理器進行破解，超聲反應器頻率為20kHz，探頭直徑為20mm，聲能密度為
0.38kff/m3,破解時間為3min。破解后污泥液相中TCOD提高2363mg/L，污泥液相中主要水解酶α -葡萄糖苷酶活性較破解前提高2倍，蛋白酶活性提高3倍。除油粉碎后餐廚垃圾(采用垃圾處理中常用的除油和粉碎方式)與破解的剩余污泥混合液，固液比為1:15 (有機垃圾質量剩余污泥體積)。兩者進入水解酸化池進行水解酸化反應24h，反應后混合液中VFAs可達5735mg/L (其中90%為乙酸)，之后混合液回流至缺氧池前端，補充反硝化所需碳源，缺氧池水力停留時間為4h。整個工藝于夏季連續運行3個月，反硝化效果穩定。監測數據發現，進水化學需氧量(COD) 100-200mg/L，總氮(TN) 40-50mg/L, 二沉池出水 C0D40_50mg/L，TN 8_12mg/L，出水達到一級 A 標準(GB18918-2002 )，而且減少了剩余污泥排放量，實現了污泥減量。實施例28%Q(Q為進水流量)的污泥經重力濃縮至含固率為2%，經污泥泵輸送至4個探頭式超聲波處理器進行破解，超聲反應器頻率為28kHz，探頭直徑為25mm，聲能密度為0. 52kff/m3,破解時間為4min。破解后污泥液相中TCOD提高2546mg/L,污泥液相中主要水解酶a -葡萄糖苷酶活性較破解前提高2. 3倍，蛋白酶活性提高3. 5倍。 除油粉碎后餐廚垃圾(采用垃圾處理中常用的除油和粉碎方式)與破解的剩余污泥混合液，固液比為1:20 (有機垃圾質量剩余污泥體積)。兩者進入水解酸化池進行水解酸化反應30h，反應后混合液中VFAs可達7146mg/L (其中92%為乙酸)，之后混合液回流至缺氧池前端，補充反硝化所需碳源，缺氧池水力停留時間為2h。整個工藝于秋季連續運行3個月，反硝化效果穩定。監測數據發現，進水化學需氧量(C0D) 100-200mg/L，總氮(TN) 30-45mg/L, 二沉池出水 C0D40_50mg/L，TN 10_12mg/L，出水達到一級 A 標準(GB18918-2002)。實施例310%Q (Q為進水流量)的污泥經重力濃縮至含固率為2. 5%，經污泥泵輸送至6個探頭式超聲波處理器進行破解，超聲反應器頻率為28kHz，探頭直徑為25mm，聲能密度為0. 68kff/m3,破解時間為9min。破解后污泥液相中TCOD提高3078mg/L，污泥液相中主要水解酶a -葡萄糖苷酶活性較破解前提高2. 6倍，蛋白酶活性提高3. 8倍。粉碎后果蔬垃圾(采用垃圾處理中常用的粉碎方式)與破解的剩余污泥混合液，固液比為1:25(有機垃圾質量剩余污泥體積)。兩者進入水解酸化池進行水解酸化反應48h，反應后混合液中VFAs可達8614mg/L (其中88%為乙酸)，之后混合液回流至缺氧池前端，補充反硝化所需碳源，缺氧池水力停留時間為3h。整個工藝于冬季連續運行3個月，反硝化效果穩定。監測數據發現，進水化學需氧量(COD) 100-200mg/L，總氮(TN) 30_45mg/L，二沉池出水 C0D40-50mg/L，TN 10_15mg/L，出水達到一級 A 標準(GB18918-2002)。實施例49%Q (Q為進水流量)的污泥經重力濃縮至含固率為2. 8%，經污泥泵輸送至8個探頭式超聲波處理器進行破解，超聲反應器頻率為40kHz，探頭直徑為20mm，聲能密度為
0.76kff/m3,破解時間為lOmin。破解后污泥液相中TCOD提高4572mg/L，污泥液相中主要水解酶a -葡萄糖苷酶活性較破解前提高2. 5倍，蛋白酶活性提高3. 6倍。粉碎后果蔬垃圾(采用垃圾處理中常用的粉碎方式)與破解的剩余污泥混合液，固液比為1:30(有機垃圾質量剩余污泥體積)。兩者進入水解酸化池進行水解酸化反應60h，反應后混合液中VFAs可達9541mg/L (其中89%為乙酸)，之后混合液回流至缺氧池前端，補充反硝化所需碳源，缺氧池水力停止時間為4h。整個工藝于冬季連續運行3個月，反硝化效果穩定。監測數據發現，進水化學需氧量(COD) 100-200mg/L，總氮(TN) 30_45mg/L，二沉池出水 C0D40-50mg/L，TN 10_15mg/L，出水達到一級 A 標準(GB18918-2002)。實施例55%Q(Q為進水流量)的污泥經重力濃縮至含固率為2. 8%，經污泥泵輸送至8個探頭式超聲波處理器進行破解，超聲反應器頻率為40kHz，探頭直徑為30mm，聲能密度為O. 8kff/m3，破解時間為lmin。破解后污泥液相中TCOD提高3572mg/L，污泥液相中主要水解酶α -葡萄糖苷酶活性較破解前提高I. 5倍，蛋白酶活性提高I. 6倍。粉碎后果蔬垃圾(采用垃圾處理中常用的粉碎方式)與破解的剩余污泥混合液，固液比為1:30(有機垃圾質量剩余污泥體積)。兩者進入水解酸化池進行水解酸化反應60h，反應后混合液中VFAs可達9541mg/L (其中89%為乙酸)，之后混合液回流至缺氧池前端，補充反硝化所需碳源，缺氧池水力停止時間為4h。整個工藝于冬季連續運行3個月，反硝化效果穩定。監測數據發現，進水化學需氧量(COD) 100-200mg/L，總氮(TN) 30_45mg/L，二沉池 出水 C0D40-50mg/L，TN 10_15mg/L，出水達到一級 A 標準(GB18918-2002)。實施例68%Q(Q為進水流量)的污泥經重力濃縮至含固率為2%，經污泥泵輸送至4個探頭式超聲波處理器進行破解，超聲反應器頻率為28kHz，探頭直徑為25mm，聲能密度為O. 5kW/m3，破解時間為5min。破解后污泥液相中TCOD提高2546mg/L,污泥液相中主要水解酶α -葡萄糖苷酶活性較破解前提高2. 3倍，蛋白酶活性提高3. 5倍。除油粉碎后餐廚垃圾(采用垃圾處理中常用的除油和粉碎方式)與破解的剩余污泥混合液，固液比為1:20 (有機垃圾質量剩余污泥體積)。兩者進入水解酸化池進行水解酸化反應12h，反應后混合液中VFAs可達3146mg/L (其中92%為乙酸)，之后混合液回流至缺氧池前端，補充反硝化所需碳源，缺氧池水力停留時間為2h。整個工藝于秋季連續運行3個月，反硝化效果穩定。監測數據發現，進水化學需氧量(COD) 100-200mg/L，總氮(TN) 30-45mg/L, 二沉池出水 C0D40_50mg/L，TN 10_12mg/L，出水達到一級 A 標準(GB18918-2002)。實施例78%Q(Q為進水流量)的污泥經重力濃縮至含固率為3%，經污泥泵輸送至4個探頭式超聲波處理器進行破解，超聲反應器頻率為28kHz，探頭直徑為25mm，聲能密度為O. 52kff/m3,破解時間為4min。破解后污泥液相中TCOD提高2546mg/L,污泥液相中主要水解酶α -葡萄糖苷酶活性較破解前提高2. 3倍，蛋白酶活性提高3. 5倍。除油粉碎后餐廚垃圾(采用垃圾處理中常用的除油和粉碎方式)與破解的剩余污泥混合液，固液比為1:30 (有機垃圾質量剩余污泥體積)。兩者進入水解酸化池進行水解酸化反應60h，反應后混合液中VFAs可達8146mg/L (其中92%為乙酸)，之后混合液回流至缺氧池前端，補充反硝化所需碳源，缺氧池水力停留時間為2h。整個工藝于秋季連續運行3個月，反硝化效果穩定。監測數據發現，進水化學需氧量(C0D) 100-200mg/L，總氮(TN) 30-45mg/L, 二沉池出水 C0D40_50mg/L，TN 10_12mg/L，出水達到一級 A 標準(GB18918-2002)。以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法，其特征在于，按照下述步驟進行首先(即步驟I)利用低強度超聲破解剩余污泥，然后(即步驟2)將超聲破解的剩余污泥與有機垃圾混合水解酸化，最后(即步驟3)將水解酸化液回流。
2.根據權利要求I所述的一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法，其特征在于，所述步驟I中，破解預處理剩余污泥量為進水量的5%—10%，污泥濃縮至含固率為2-3wt%，超聲破解時間I-IOmin ;破解所用超聲處理器形式為多探頭式，超聲頻率為20— 40kHz，探頭直徑為20— 30mm，超聲聲能密度為O. 2—0. 8kW/m3。
3.根據權利要求2所述的一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法，其特征在于，所述步驟I中，超聲破解時間為3—8min ;破解所用超聲處理器形式為4一8個探頭的多探頭式，超聲聲能密度為O. 5—0. 8kW/m3。
4.根據權利要求I所述的一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法，其特征在于，所述步驟2中，破解后濃縮剩余污泥的含水率為97-98wt%，按照固液比有機垃圾質量剩余污泥體積為1:10 — I :30稱取有機垃圾與剩余污泥充分混合后進行水解酸化處理，經充分水解酸化，污泥與有機垃圾中慢速生物降解物質分解為揮發性脂肪酸類物質；剩余污泥和有機垃圾混合后在水解酸化池最佳水力停留時間為 12-60h。
5.根據權利要求I所述的一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法，其特征在于，所述步驟2中，有機垃圾可預先進行粉碎處理后再與剩余污泥進行混合。
6.根據權利要求I所述的一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法，其特征在于，所述步驟3中，水解酸化后混合液回流至生物缺氧池前端，反硝化細菌利用其為碳源，將污水中硝酸鹽氮轉化為氮氣，實現生物脫氮，缺氧池最佳水力停留時間為2-4h。
7.根據權利要求I所述的一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法，其特征在于，所述有機垃圾為餐廚垃圾或者果蔬垃圾。
8.如權利要求I所述的一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法在厭氧-缺氧-好氧、缺氧-好氧污水處理工藝中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種低強度超聲預處理污泥與有機垃圾水解酸化補充碳源促進生物脫氮的方法及其應用，首先利用低強度超聲破解剩余污泥，然后將剩余污泥有機垃圾混合水解酸化，最后將水解酸化液回流。本發明的優點在于彌補了剩余污泥中水解酸化碳源不足的問題，充分利用了剩余污泥中存在的水解酶，提高了水解酸化效果，彌補了剩余污泥中水解酸化碳源不足的問題，充分利用了剩余污泥與有機垃圾中的碳源，無需外加碳源，提高了生物脫氮效率。本發明可以應用于厭氧-缺氧-好氧與缺氧-好氧污水處理廠生物處理工藝升級改造，提高生物脫氮效率，減少污泥產量，實現污泥與有機垃圾資源化。
文檔編號C02F3/30GK102718318SQ20121017885
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月1日 優先權日2012年6月1日
發明者姜曉剛, 季民, 王芬 申請人:天津大學