CN112661374A - 一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，包含以下步骤：S1：将市政污泥与厌氧污泥充分混合得到混合均匀的污泥混合物；所述污泥混合物中，市政污泥中的挥发性固体与厌氧污泥中的挥发性固体的质量比为0.5‑0.7；S2：调节步骤S1得到的污泥混合物pH值为6.5‑7.5，得到中性混合污泥；S3：将所述中性混合污泥注入反应容器中，向所述中性混合污泥中投加微塑料，持续充入惰性气体，排除氧气后，将反应容器密封；S4：将密封后的反应容器恒温振荡培养至少30天。本发明利用微塑料促进微生物挂膜生长，促进厌氧消化过程中有机物溶解释放，从而达到提高甲烷产量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程、污泥处理技术领域，具体是一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法。
背景技术
随着我国城镇化水平不断提高，污水处理设施建设快速发展，但污水处理厂的建设投运伴随着大量污泥的产生。厌氧消化是一种高效的污泥处理方法，具有污泥减量大、杀灭病原菌效果好、甲烷回收潜力大等优点，是污泥稳定化和减量化的重要方法。污泥厌氧消化过程一般可分为三个阶段四个步骤，第一阶段是水解酸化阶段，污泥中的大分子物质如蛋白质、糖类和脂质等被水解成小分子物质，如氨基酸、葡萄糖、脂肪酸，再经过酸化产生挥发性脂肪酸和醇类物质；第二阶段是产氢产乙酸阶段。挥发性脂肪酸和醇类物质在产乙酸菌的作用下生成乙酸、二氧化碳和氢气；第三阶段为产甲烷阶段，乙酸通过乙酸型产甲烷菌生成甲烷，氢气和二氧化碳也可通过同型产甲烷菌生成甲烷。除了以上三个阶段中包含的三个步骤，二氧化碳和氢气在同型产乙酸菌的作用下还可以生成乙酸。甲烷是一种化石燃料的替代能源，有助于减少污泥处理的成本，因而如何提高甲烷产量是厌氧消化技术的研究重点。
目前，污泥厌氧消化技术在工程化应用中依然存在以下问题：(1)参与厌氧消化的微生物世代周期较长，生长代谢速度缓慢；(2)厌氧微生物活性较低，对底物中有机质利用效率较低，甲烷产生含量有限；(3)厌氧污泥传质阻力较大，耐冲击能力较差。因此，污泥中的厌氧微生物活性成为制约甲烷产量和厌氧消化技术发展的重要因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，以提高污泥中厌氧微生物的活性，从而达到提高污泥厌氧消化产生甲烷含量的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，包含以下步骤：
S1：将市政污泥与厌氧污泥充分混合得到混合均匀的污泥混合物；所述污泥混合物中，市政污泥中的挥发性固体与厌氧污泥中的挥发性固体的质量比为 0.5-0.7；
S2：调节步骤S1得到的污泥混合物pH值为6.5-7.5，得到中性混合污泥；
S3：将所述中性混合污泥注入反应容器中，向所述中性混合污泥中投加微塑料，持续充入惰性气体，排除氧气后，将反应容器密封；
S4：将密封后的反应容器恒温振荡培养至少30天。
其中，所述挥发性固体(VS)为污泥固体物质在600℃时因灼烧而挥发所失去的重量，代表污泥中可通过生物降解的有机物含量水平。
作为本发明进一步的方案：所述市政污泥为城市污水处理的二沉池污泥、浓缩池污泥、初沉池污泥中的至少一种。
作为本发明进一步的方案：所述厌氧污泥为所述市政污泥经过35℃或55℃厌氧消化后产生的。
作为本发明进一步的方案：所述微塑料的化学成分为-(CH2-CHCl)n-。
作为本发明进一步的方案：所述微塑料为聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚乙烯醇或聚丙烯酸甲酯。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S3中微塑料的投加浓度为1-2.4g/g VS。
作为本发明进一步的方案：所述微塑料的密度为1-2g/cm3。
作为本发明进一步的方案：所述微塑料的粒径为2-4mm。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S4中振荡培养的温度保持在37±1℃或者55±1℃，振荡速度为100-300rpm。
作为本发明进一步的方案：所述密封反应容器体积为0.2-20L。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用微塑料促进微生物挂膜生长，促进厌氧消化过程中有机物溶解释放，从而达到提高甲烷产量的目的。微塑料作为一种在水环境中赋存时间较长的基质，能被多种微生物定殖生长，最终在微塑料表面生长出生物膜，形成水环境中独特的微生态系统，微塑料表面的生物膜形成后能对废水中的有机物起到吸附、降解作用，同时有利于保护增殖速率较低的厌氧微生物，抵抗外部环境的干扰；微塑料天然存在于污水处理厂中，无需人工投加，成本较低，本发明提供的一种提高污泥厌氧消化产甲烷的方法适用性广，工艺简单，能耗较低，易于操作。
附图说明
图1为实施例与对比例中甲烷日均产量与时间变化的曲线；
图2为实施例与对比例中甲烷累计产量与时间变化的曲线；
图3为实施例与对比例中对厌氧消化30天后对污泥S-EPS中有机物含量对比图；
图4为厌氧消化前的微塑料电镜扫描图；
图5为厌氧消化后的微塑料电镜扫描图；
具体实施方式
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。
实施例和对比例中的反应容器分别为第一血清瓶和第二血清瓶。
实施例
S1：将市政污泥与厌氧污泥充分混合得到混合均匀的污泥混合物；其中，所述市政污泥中的VS与厌氧污泥中的VS比值为1：2；取200mL污泥混合物加入到300mL的第一血清瓶中；
S2：向步骤S1得到的污泥混合物中加入5mol/L的盐酸溶液，调节其pH值为7，得到中性混合污泥；
S3：向步骤S2中的中性混合污泥中加入粒径为2-4mm的聚氯乙烯并充分混合，所述聚氯乙烯的投加浓度为2.4g/g VS；持续通入流量为1L/min的氮气保护气2min，排除氧气，然后密封第一血清瓶；
S4：将密封后的第一血清瓶放到转速为150rpm的摇床上振荡培养30天，摇床保持恒温37±1℃。
对比例
S1：将市政污泥与厌氧污泥充分混合得到混合均匀的污泥混合物；其中，所述市政污泥与厌氧污泥的挥发性固体物质比为1：2；取200mL污泥混合物加入到300mL的第二血清瓶中；
S2：调节步骤S1得到的污泥混合物pH值为7，得到中性混合污泥；
S3：向加入中性污泥的第二血清瓶中持续通入流量为1L/min的氮气保护气 2min，排除氧气，然后密封第二血清瓶；
S4：将密封后的第二血清瓶放到转速为150rpm的摇床上振荡培养30天，摇床保持恒温37±1℃。
甲烷产量的测算方法如下：
分别在第1、2、3、5、7、10、15、20、30天用压差计测量第一血清瓶和第二血清瓶内气压，利用气压与瓶内空间的关系计算生物气产量，测算公式为
其中：
P为气压，v为瓶内空间，R为理想气体常数，T为温度，V为生物气产量。
然后用5mL针头和橡胶管将气体收集于50mL气袋中后，用气相色谱仪热导检测器测量生物气中的甲烷含量并记录，从而得出甲烷日均产量与时间变化的曲线(如图1所示)；甲烷累计产量与时间变化的曲线(如图2所示)。
从图1可以看出，在10天后实施例的甲烷日产量明显多于对比例的日产量，说明此时厌氧微生物在微塑料上富集，使得厌氧产气效果进一步提高。从图2 可以看出，在厌氧消化30天后，实施例中的甲烷产量提高了21.5％。
有机物含量测量方法如下：
厌氧消化30天后对实施例和对比例中的污泥S-EPS中溶解性化学需氧量 (SCOD)、总有机碳(TOC)、多糖和蛋白质(如图3所示)分别用进行测量，其中SCOD多糖及蛋白质用分光光度法测定，TOC用分析仪AJ-analyzer multi N/C 2000测定。需要说明的是，胞外聚合物是一种高分子量生物聚合物，主要成分包括蛋白质、碳水化合物、核酸、脂质和腐殖酸等，其中可溶性胞外聚合物 (S-EPS)与细胞结合较弱或完全溶解在溶液中，显著影响污泥的厌氧消化性能。污泥S-EPS中溶解性有机物的含量越大，说明污泥中厌氧微生物的活性越高。
如图3所示，与对比例相比，实施例中污泥SCOD含量增加了28.6％，TOC 含量增加了22.9％，多糖含量增加了26.1％，蛋白质含量增加了4.5％，可以看出微塑料的添加使得污泥中厌氧微生物可利用的有机物含量增加，也就是说微塑料的添加使污泥厌氧消化反应的环境得到优化。
对厌氧消化前后的微塑料进行扫描电镜观察(如图4-5所示)，可以看到经过厌氧消化后，微塑料表面附着上了一层膜状物质，说明微塑料成为厌氧微生物形成生物膜的基质。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：将市政污泥与厌氧污泥充分混合得到混合均匀的污泥混合物；所述污泥混合物中，市政污泥中的挥发性固体与厌氧污泥中的挥发性固体的质量比为0.5-0.7；
S2：调节步骤S1得到的污泥混合物pH值为6.5-7.5，得到中性混合污泥；
S3：将所述中性混合污泥注入反应容器中，向所述中性混合污泥中投加微塑料，持续充入惰性气体，排除氧气后，将反应容器密封；
S4：将密封后的反应容器恒温振荡培养至少30天。
2.根据权利要求1所述的一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，其特征在于，所述市政污泥为城市污水处理的二沉池污泥、浓缩池污泥、初沉池污泥中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，其特征在于，所述厌氧污泥为所述市政污泥经过35℃或55℃厌氧消化后产生的。
4.根据权利要求1所述的一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，其特征在于，所述微塑料的化学成分为-(CH2-CHCl)n-。
5.根据权利要求1所述的一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，其特征在于，所述微塑料为聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚乙烯醇或聚丙烯酸甲酯。
6.根据权利要求1所述的一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，其特征在于，所述步骤S3中微塑料的投加浓度为1-2.4g/g VS。
7.根据权利要求1所述的一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，其特征在于，所述微塑料的密度为1-2g/cm3。
8.根据权利要求1所述的一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，其特征在于，所述微塑料的粒径为2-4mm。
9.根据权利要求1所述的一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，其特征在于，所述步骤S4中振荡培养的温度保持在37±1℃或者55±1℃，振荡速度为100-300rpm。
10.根据权利要求1所述的一种微塑料提高污泥厌氧消化过程中产甲烷量的方法，其特征在于，所述密封反应容器体积为0.2-20L。
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