專利名稱：表面活性劑和酶聯(lián)合處理剩余污泥的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理剩余污泥的方法，涉及一種化學(xué)物質(zhì)和一種生物制劑對(duì)剩余污泥的處理，具體涉及生物表面活性劑和酶聯(lián)合作用促進(jìn)剩余污泥水解和酸化的方法。
背景技術(shù)：
活性污泥法是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的污水生物處理技術(shù)之一，但是它會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥。目前，我國(guó)污泥產(chǎn)生量約為2500萬(wàn)噸/年(按含水率85%計(jì)算)，若不及時(shí)進(jìn)行妥善的處理與處置，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成直接或潛在的污染。污泥處理方面的投資可占整個(gè)污水處理廠總運(yùn)行費(fèi)用的25% -40%，甚至高達(dá)60%，費(fèi)用的急劇增加提高了污泥合理處置的難度。因此，采用先進(jìn)的技術(shù)減少污水處理廠的污泥排放量，是解決我國(guó)城市污水處理廠污泥處理問題的有效途徑之一。水解是污泥厭氧消化的限速步驟，而剩余污泥可降解性差又是制約其厭氧消化的瓶頸問題，因此研發(fā)提高污泥水解速率的技術(shù)具有重要意義。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外針對(duì)污泥水解做了大量研究，促進(jìn)污泥水解的方法有機(jī)械法、超聲波法、熱堿法和生物法等。酶處理技術(shù)是環(huán)境領(lǐng)域近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種經(jīng)濟(jì)高效的處理污泥的新技術(shù)，它可以縮短消化時(shí)間，改善污泥消化性能，而且經(jīng)濟(jì)高效，易控制，其產(chǎn)物對(duì)環(huán)境也無(wú)污染副作用。同時(shí)，表面活性劑具有“兩親性”和“增溶作用”，促使大量的碳水化合物和蛋白質(zhì)脫離污泥顆粒表面并溶解到液相中，同時(shí)原來(lái)潛藏在污泥基體內(nèi)部被束縛的各種酶類也被釋放出來(lái)。工業(yè)級(jí)的酶制品(中性蛋白酶和α -淀粉酶)是比較常見、容易獲得、價(jià)格低廉的生物制劑，且其可以針對(duì)占污泥含量80%以上的蛋白質(zhì)和碳水化合物進(jìn)行催化水解。十二烷基硫酸鈉也是一種比較常見、容易獲得、價(jià)格低廉的表面活性劑。目前，國(guó)內(nèi)外以研究表面活性劑和酶聯(lián)合處理纖維素制品的相關(guān)報(bào)道居多，而沒有有關(guān)表面活性劑和酶聯(lián)合強(qiáng)化污泥水解和酸化的報(bào)道。利用表面活性劑的增溶作用，可使大量的碳水化合物和蛋白質(zhì)脫離污泥顆粒表面并溶解到液相中，吸附和束縛在污泥內(nèi)部的酶得到了釋放，增加了有機(jī)物與酶制品(中性蛋白酶和α-淀粉酶)的接觸機(jī)會(huì)，從而加速了催化反應(yīng)進(jìn)程。這些都使聯(lián)合投加表面活性劑和酶來(lái)強(qiáng)化污泥水解和酸化成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種表面活性劑和酶聯(lián)合處理剩余污泥的方法，該方法經(jīng)濟(jì)高效，易控制，產(chǎn)物對(duì)環(huán)境也無(wú)污染，該方法拓寬了污泥處理的措施，從而可以充分利用污水處理廠廢棄物，使其具有更好的利用價(jià)值。本發(fā)明中表面活性劑和酶聯(lián)合處理剩余污泥方法的流程如圖1所示，具體步驟為(1)取污水處理廠二沉池剩余污泥沉淀4- 后去上清液，再將表面活性劑投加至剩余污泥中，其中表面活性劑與干污泥的質(zhì)量比為(0.08-0. 12) 1 ；
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所述表面活性劑為十二烷基硫酸鈉；(2)再將磷酸緩沖液溶解的復(fù)合酶溶液投至剩余污泥中，使復(fù)合酶與干污泥的質(zhì)量比為(0. 05-0. 07) 1 ；所述復(fù)合酶溶液為蛋白酶溶液與淀粉酶溶液的混合物，其中使得復(fù)合酶溶液中蛋白酶與淀粉酶的質(zhì)量比為3:1;(3)在厭氧條件下，在50°C的水浴溫度下振蕩水解4- ；其中，所述干污泥是指不含水的污泥，具體是指經(jīng)105°C烘干的不含水的污泥。上述蛋白酶溶液的配制過(guò)程為取Ig蛋白酶溶解于20mL pH為7. 2的磷酸緩沖溶液中，于45°C -50°C下攪拌溶解，離心得上清液，即為蛋白酶溶液。上述淀粉酶溶液的配制過(guò)程為取Ig淀粉酶溶解于19mL pH為6. 8磷酸緩沖溶液中，再加入ImL 0. 3%氯化鈉溶液，作為淀粉酶的激活劑，于45°C -50°C下攪拌溶解，離心得上清液，即為淀粉酶溶液。上述方法處理剩余污泥后得到的水解液具有作為微生物燃料電池燃料的用途。下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的解釋說(shuō)明。污泥從污水處理廠的二沉池取回的污泥，經(jīng)過(guò)4h沉淀，棄去上清液，再經(jīng)0. 71mm 的篩網(wǎng)過(guò)濾去除雜質(zhì)后，4 °C冰箱中保存?zhèn)溆?。酶溶液配制取Ig蛋白酶溶解于20mLpH為7. 2的磷酸緩沖溶液中，于45°C 50°C 下加溫?cái)嚢枞芙?。因?yàn)槊钢泻s質(zhì)較多，溶解效果不佳，離心處理后，取上清液，得到蛋白酶溶液。淀粉酶溶解于19mL pH為6. 8的磷酸緩沖溶液中，再加入ImL 0. 3%氯化鈉溶液，作為淀粉酶的激活劑，其它處理如蛋白酶。先投加表面活性劑SDS 0. 10g/g干污泥，表面活性劑具有“兩親性”和“增溶作用”，促使大量的碳水化合物和蛋白質(zhì)脫離污泥顆粒表面并溶解到液相中，同時(shí)潛藏、吸附和束縛在污泥基體內(nèi)部的各種酶類也被釋放出來(lái)。此時(shí)污泥的PH值為7. 0左右，在兩種酶的最適PH值范圍內(nèi)。然后再投加由磷酸緩沖液溶解的復(fù)合酶(質(zhì)量比蛋白酶淀粉酶= 3 l)0.06g/g干污泥，其對(duì)pH值的影響不大，污泥液仍在兩種酶的最適pH值范圍內(nèi)。通入氮?dú)饧s細(xì)in以驅(qū)除殘留空氣，在厭氧條件下，置于50°C水浴振蕩器(lOOr/min)上反應(yīng) 4h，此時(shí)的揮發(fā)性固體污泥(VSS)、溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)等指標(biāo)趨近平衡，可以認(rèn)為水解過(guò)程基本完成。此時(shí)的水解液可以有以下兩種不同的后處理方式a作為微生物燃料電池(MFC)的燃料來(lái)提高發(fā)電效率；b直接用于沉降脫水過(guò)程，減量化污泥。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于l、50um的掃描電鏡下觀察原污泥和各種處理后的污泥的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)表面活性劑和酶聯(lián)合處理后的污泥結(jié)構(gòu)變得更為疏松，污泥片層變得更稀薄，絮體大小變得更細(xì)， 說(shuō)明污泥中占主要成分的胞外物質(zhì)(EPS)在水解過(guò)程中逐漸被水解，脫離污泥顆粒表面并溶解到液相中。2、經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析可知，其聯(lián)合作用極大地促進(jìn)了剩余污泥水解和酸化效率，且兩者共同處理的效果明顯優(yōu)于單獨(dú)處理。表面活性劑和酶聯(lián)合水解酸化過(guò)程中SC0D/TC0D可由原污泥的1. 3%提高到54. 3%，溶解性蛋白質(zhì)和溶解性糖類的含量較空白組可分別提高 4. 10和5. 06倍，短鏈脂肪酸(SCFAs)的含量較空白組提高了 2. 37倍，大大增加了溶液中溶解性有機(jī)物的含量，且表面活性劑和酶聯(lián)合處理的效果比其單獨(dú)處理效果更佳。
3、將水解產(chǎn)物作為微生物燃料電池(MFC)的燃料來(lái)提高發(fā)電效率，經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知最大輸出功率密度可提高2. 73倍，從而實(shí)現(xiàn)了廢棄物的資源化利用。水解后的揮發(fā)性懸浮物 (VSS)含量可減少45%，大幅度降低了污泥固體中有機(jī)顆粒物的含量，一定程度上使污泥無(wú)害化和減量化。4、本發(fā)明的污泥處理工藝，與機(jī)械法、超聲波法、熱堿法等促進(jìn)污泥水解的方法相比，消化時(shí)間縮短，過(guò)程易控制，耗電量低，其產(chǎn)物對(duì)環(huán)境也無(wú)污染副作用。十二烷基硫酸鈉是一種比較常見、容易獲得、價(jià)格低廉的表面活性劑。工業(yè)級(jí)的酶制品(蛋白酶和α-淀粉酶)是比較常見、容易獲得、價(jià)格低廉的生物制劑。這兩種物質(zhì)的聯(lián)合可起到攜同作用，從而強(qiáng)化了污泥水解，并進(jìn)一步強(qiáng)化了污泥酸化。


圖1是SDS+酶水解用于剩余污泥處理的工藝流程圖；圖2是剩余污泥經(jīng)各種不同處理后在掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)圖，a為空白對(duì)照試驗(yàn)；b為SDS處理；c為復(fù)合酶處理；d為SDS+復(fù)合酶處理；圖3是剩余污泥經(jīng)SDS+酶水解后蛋白質(zhì)的溶出效果；圖4是剩余污泥經(jīng)SDS+酶水解后糖類的溶出效果；圖5是剩余污泥經(jīng)SDS+酶水解后短鏈脂肪酸的溶出效果。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但不意味著限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1(一 )表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDQ和酶強(qiáng)化剩余污泥水解污水處理廠二沉池的剩余污泥，經(jīng)過(guò)4h沉淀，棄去上清液。測(cè)定上述剩余污泥的各項(xiàng)指標(biāo)為pH 6. 74 士0. 15，總化學(xué)需氧量 (TCOD) 8似6 士 25%ig/L，溶解性化學(xué)需氧量(SCOD) 120 士 10mg/L，總懸浮固體 (TSS)88M士200mg/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS) 6050士80mg/L，溶解性糖類 590士65mg/L，蛋白質(zhì) 556士185mg/L。然后向剩余污泥中投加表面活性劑SDS 0. 10g/g干污泥，此時(shí)污泥的pH值為7. 0 左右，在兩種酶的最適PH值范圍內(nèi)。然后再投加由磷酸緩沖液溶解的復(fù)合酶(質(zhì)量比為蛋白酶淀粉酶=3 l)0.06g/g干污泥。水解酸化池中維持厭氧條件，并加熱至50°C，使污泥進(jìn)行厭氧水解，反應(yīng)4h后，取水解液進(jìn)行測(cè)定。在50um的掃描電鏡下圖(圖2)中可以看到，經(jīng)表面活性劑和酶聯(lián)合處理后的污泥結(jié)構(gòu)變得更為疏松，污泥片層變得更薄，絮體大小變得更細(xì)，水解液中的有機(jī)物含量大大提高(圖3、圖4)。( 二)資源化利用污泥水解液污泥水解液中含有豐富的溶解性有機(jī)物，可以作為MFC的燃料。MFC反應(yīng)器采用的無(wú)膜單室微生物燃料電池為一圓柱形玻璃容器，內(nèi)裝250mL污泥水解液。陽(yáng)極(面積為 12cm2)為片狀石墨電極；陰極為普通桿狀石墨電極(未做包括鍍Pt等任何處理)，使其一側(cè)暴露于空氣處于懸浮狀態(tài)。兩極之間用銅導(dǎo)線連接，外電路接500Ω電阻(除測(cè)極化曲線外)作為負(fù)載。采用USB-1208LS型電壓數(shù)字采集卡(美國(guó)Measurement Computing公司)采集輸出電壓并輸入電腦，頻率為每Imin記錄一次。經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，相比于空白組，最大輸出功率密度可提高2. 73倍。
權(quán)利要求
1.一種表面活性劑和酶聯(lián)合處理剩余污泥的方法，其具體步驟為(1)取污水處理廠二沉池剩余污泥沉淀4- 后去上清液，再將表面活性劑投加至剩余污泥中，其中表面活性劑與干污泥的質(zhì)量比為(0.08-0. 12) 1 ；所述表面活性劑為十二烷基硫酸鈉；(2)再將磷酸緩沖液溶解的復(fù)合酶溶液投至剩余污泥中，使復(fù)合酶與干污泥的質(zhì)量比為(0. 05-0. 07) 1 ；所述復(fù)合酶溶液為蛋白酶溶液與淀粉酶溶液的混合物，其中復(fù)合酶溶液中蛋白酶與淀粉酶的質(zhì)量比為3:1;(3)在厭氧條件下，在50°C的水浴溫度下振蕩水解4- ；其中，所述干污泥是指不含水的污泥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述表面活性劑和酶聯(lián)合處理剩余污泥的方法，其特征是，所述干污泥是指經(jīng)105°C烘干不含水的污泥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述表面活性劑和酶聯(lián)合處理剩余污泥的方法，其特征是，所述加入表面活性劑處理后的剩余污泥的PH值為6. 8-7. 2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述表面活性劑和酶聯(lián)合處理剩余污泥的方法，其特征是，所述蛋白酶溶液的配制過(guò)程為取Ig蛋白酶溶解于20mL pH為7.2的磷酸緩沖溶液中，于 45°C -50°C下攪拌溶解，離心得上清液，即為蛋白酶溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述表面活性劑和酶聯(lián)合處理剩余污泥的方法，其特征是，所述淀粉酶溶液的配制過(guò)程為取Ig淀粉酶溶解于19mL pH為6. 8磷酸緩沖溶液中，再加入ImL 0. 3%氯化鈉溶液，作為淀粉酶的激活劑，于45°C -50°C下攪拌溶解，離心得上清液，即為淀粉酶溶液。
6.如權(quán)利要求1所述方法處理剩余污泥后得到的水解液，其特征是，該水解液具有作為微生物燃料電池燃料的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及處理剩余污泥的方法，具體提供了一種表面活性劑和酶聯(lián)合處理剩余污泥的方法，技術(shù)方案為向剩余污泥中投加表面活性劑十二烷基硫酸鈉和酶(質(zhì)量比蛋白酶∶淀粉酶為3∶1的復(fù)合酶)共同強(qiáng)化剩余污泥水解和酸化，其中表面活性劑與干污泥的質(zhì)量比為(0.08-0.12)∶1，酶與干污泥的質(zhì)量比為(0.05-0.07)∶1。結(jié)果表明，其聯(lián)合作用極大地促進(jìn)了剩余污泥水解和酸化效率，且兩者共同處理的效果明顯優(yōu)于單獨(dú)處理。溶解性化學(xué)需氧量/總化學(xué)需氧量(SCOD/TCOD)可由原污泥的1.3％提高到54.3％，溶解性蛋白質(zhì)和溶解性糖類的含量較空白組可分別提高4.10和5.06倍，短鏈脂肪酸(SCFAs)的積累量提高了2.37倍。該方法不僅拓寬了污泥無(wú)害化處理的途徑，同時(shí)也可以資源化利用污泥，使污泥有更好的處理和利用價(jià)值。
文檔編號(hào)C02F11/00GK102211842SQ20111009806
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者曾光明, 李小明, 楊麒, 羅琨, 鄭偉 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)