一種用于原位熱堿處理有機(jī)廢物以提高固體厭氧降解和生物氣生成的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的處理有機(jī)廢物的方法并提高生物厭氧消化系統(tǒng)中生物固體降解和生物氣生成。例如，本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的污泥處理方法以提高生物厭氧消化系統(tǒng)中生物固體降解和生物氣生成。
【背景技術(shù)】
[0002]本說明書在前公開的文件的列舉或討論并不一定被看作是承認(rèn)所述文件為現(xiàn)有技術(shù)的一部分或公知常識。
[0003]污水處理廠(WffTP)的污泥處理能夠消耗總運營成本的大約50%。許多污水處理廠應(yīng)用厭氧消化去降解污泥中的有機(jī)物并生成生物氣以便回收能量。有機(jī)污泥蒸氣發(fā)生水解，之后進(jìn)行產(chǎn)酸作用和產(chǎn)甲烷作用。產(chǎn)酸作用生成揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、二氧化碳(CO2)和少量的氫氣(H2)，同時產(chǎn)甲烷作用生成二氧化碳和甲烷(CH4)。在傳統(tǒng)的單級(singlestage)系統(tǒng)中，水解的pH為大約7，而傳統(tǒng)的兩相(2-phase)系統(tǒng)，pH值通常小于6。
[0004]雖然厭氧消化本質(zhì)上是分階段的，但在傳統(tǒng)的污泥消化過程中使用的厭氧消化器是典型的單級式。然而，盡管完全分階段的厭氧過程實際上是難以實現(xiàn)的，但如果成功了，很可能能夠?qū)崿F(xiàn)高百分比的轉(zhuǎn)化和高速率的有機(jī)物穩(wěn)定化及氣體生成。通常假設(shè)產(chǎn)酸作用在小于6.5的pH下是優(yōu)化的，而產(chǎn)甲燒作用主要為大約pH7。因此，在單相(single phase)系統(tǒng)中，生成了包括來自產(chǎn)酸作用的CO2與來自產(chǎn)甲烷作用的CO 2和CH 4的生物氣流。在這樣的系統(tǒng)中，系統(tǒng)PH必須謹(jǐn)慎控制，因為產(chǎn)甲烷作用對低pH值和高pH值均敏感，意味著pH需要維持在6.5到7.5的范圍內(nèi)。
[0005]兩相厭氧消化系統(tǒng)和/或方法已被用于將水解/產(chǎn)酸反應(yīng)與產(chǎn)乙酸/產(chǎn)甲烷反應(yīng)分開，允許每一反應(yīng)分別在較低的PH和低于8.0的中性pH下進(jìn)行。這一方法允許單獨地優(yōu)化產(chǎn)酸作用和產(chǎn)甲烷作用的操作條件，從而優(yōu)化條件以維持在物料到沼氣的不同轉(zhuǎn)化階段中所涉及的特定微生物。這兩個階段在兩個不同的反應(yīng)器中同時發(fā)生并且為產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌提供優(yōu)化的條件，從而提高整個系統(tǒng)的性能，包括有機(jī)物的降解，更具體地，包括甲烷生成和二氧化碳固定。然而，在實驗室和實體裝置中已經(jīng)注意的是，還未實現(xiàn)完全的階段分離(即產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段的完全分離)。這意味著來自產(chǎn)酸階段的氣體將含有少量的 CH4 ( < 20% ) ο
[0006]在產(chǎn)酸階段中，主要目標(biāo)是將可生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)。負(fù)責(zé)VFA轉(zhuǎn)化的產(chǎn)酸菌主要存在于產(chǎn)酸的污泥中，所述產(chǎn)酸菌包括:
[0007](I)發(fā)酵細(xì)菌，所述發(fā)酵細(xì)菌負(fù)責(zé)生成VFA ;
[0008](2)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌，所述產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將丙酸、其他VFA和乙醇代謝為乙酸鹽和H2;和
[0009](3)同型產(chǎn)乙酸菌，所述同型產(chǎn)乙酸菌利用112和CO 2產(chǎn)生乙酸鹽。
[0010]在產(chǎn)甲烷階段中，消耗產(chǎn)酸階段中生成的VFA以生成甲烷和二氧化碳。
[0011]污泥的厭氧消化通常受到大尺寸的有機(jī)物顆粒和微生物細(xì)胞壁(尤其是如果包含二次污泥的廚余垃圾)的阻礙。因此，污泥顆粒的水解能夠成為上述提及的單級或兩相反應(yīng)器中整個過程的整體限速步驟。為了提高水解動力學(xué)，已經(jīng)研宄了各種預(yù)處理方法以分解污泥和微生物細(xì)胞壁。這些方法包括超聲波處理、臭氧氧化、堿處理、芬頓法(Fentonprocess)和酶解處理。
[0012]與其他方法相比，堿處理具有若干優(yōu)勢，例如使用簡單的裝置、易于操作且效率高。在預(yù)處理中使用更大劑量的堿物質(zhì)會產(chǎn)生更高的固體消減和處理的污泥中更高的pH。然而，盡管在堿處理后VFA的含量能夠顯著增加，但處理的污泥的高pH能夠抑制后續(xù)的產(chǎn)甲烷步驟。堿處理后隨之發(fā)生的總?cè)芙夤腆w(TDS)的高濃度還會抑制微生物。通常做法是用酸去中和堿物質(zhì)并在將處理的污泥投入?yún)捬跸到y(tǒng)之前降低pH。這增加了污泥處理的成本。
[0013]因此，為了提供預(yù)期的更好性能，典型的兩相厭氧系統(tǒng)需要嚴(yán)格的pH控制(用低pH過程產(chǎn)生上述中性pH過程)以將產(chǎn)酸過程與產(chǎn)甲烷過程分開。然后在產(chǎn)甲烷作用之前，堿預(yù)處理將需要用酸中和以將PH降下來。
[0014]污泥熱處理已被示出有效地作為預(yù)處理。文獻(xiàn)中已報道了 60至270°C范圍內(nèi)的各種溫度。在這樣的處理下，污泥的蛋白質(zhì)和碳水化合物在達(dá)到60°C之前將被釋放，超過60°C時，進(jìn)一步的釋放將受到限制。
[0015]目前具有用于廢棄污泥的熱堿預(yù)處理的方法。這些方法是化學(xué)方法且在非常高的pH值(10-12)和溫度下應(yīng)用，以提高污泥降解的效率。然后在將預(yù)處理的污泥投入至厭氧消化器之前，需要額外的化學(xué)試劑去中和PH，產(chǎn)生了增加的原料和能量成本。
[0016]鑒于上述內(nèi)容，仍有必要提供改進(jìn)的用于污水處理的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]出人意料地，在傳統(tǒng)的兩相厭氧系統(tǒng)中使用的嚴(yán)格pH控制對于處理有機(jī)廢物是不必要的，例如處理含油污泥、含油污水、廚余垃圾、工業(yè)污泥、污水污泥和尤其是污水(即來自污水處理的污泥)中產(chǎn)生的有機(jī)廢物。與兩相系統(tǒng)中典型的主要反應(yīng)器相比，在堿性條件下運行兩級(2-stage)系統(tǒng)的主要反應(yīng)器產(chǎn)生更好的固體消減性能、更穩(wěn)定的014生成和增加VFA生成。
[0018]所述兩級系統(tǒng)在預(yù)處理污泥后只需要很小的pH調(diào)整，因此降低了與使用額外的化學(xué)試劑有關(guān)的成本。在本發(fā)明的兩級方法中使用更低的PH值和溫度是可能的，因為所述方法將化學(xué)反應(yīng)與生物酶解反應(yīng)相結(jié)合以實現(xiàn)水解和后續(xù)的產(chǎn)酸作用。這些溫和的條件允許第一級的排放物/流出物在較小或沒有pH校正且沒有溫度校正的情況下投入至第二主要產(chǎn)甲烷反應(yīng)器。第一反應(yīng)器中具有的溫和操作條件可以使產(chǎn)甲烷菌群在該反應(yīng)器內(nèi)存活并利用產(chǎn)酸步驟中生成的代謝物(例如H2、C0#PVFA)生成CH4。第一反應(yīng)器中存在的這一產(chǎn)甲烷菌群可以通過將H2、C0#P VFA的濃度控制在一定水平下以提高產(chǎn)酸步驟中代謝物的生成，而該水平不會進(jìn)一步抑制所述代謝物的生成，且這種產(chǎn)甲烷菌的存在還可以通過將4和CO 2轉(zhuǎn)化為CH 4來提高第一級的甲烷生成。
[0019]因此，在本發(fā)明第一方面中，提供了用于處理有機(jī)廢物的方法，包括如下步驟:將包括有機(jī)廢物的進(jìn)料流引入第一反應(yīng)器；由第一反應(yīng)器生成流出物；和將第一反應(yīng)器中的所述流出物提供至第二反應(yīng)器，其中，所述第一反應(yīng)器維持在PH大約6.5到大約10.0下。
[0020]在本發(fā)明的實施例中，將第一反應(yīng)器提供在第二反應(yīng)器的上游。
[0021]在本發(fā)明的再一實施例中，第一反應(yīng)器維持在大約7.0到大約9.0的pH下。例如，第一反應(yīng)器可以維持在大約7.5到大約8.5的pH下，例如大約8.0o
[0022]在本發(fā)明的另一實施例中，第一反應(yīng)器主要是水解/產(chǎn)酸反應(yīng)器。在本發(fā)明的又一實施例中，第二反應(yīng)器主要是產(chǎn)甲烷反應(yīng)器或是單級厭氧反應(yīng)器。
[0023]在本發(fā)明的又一實施例中，更具體地，第二反應(yīng)器或第一反應(yīng)器在大約35°C到大約60°C的溫度下運行。例如，更具體地，第二反應(yīng)器或第一反應(yīng)器可以在大約50°C到大約60°C的溫度下運行?？蛇x的或供選擇的，更具體地，第一反應(yīng)器或第二反應(yīng)器可以在大約35到大約49°C的溫度下運行。
[0024]在本發(fā)明的又一實施例中，第一反應(yīng)器可以在大約2小時到大約5天的水力停留時間下運行。例如，第一反應(yīng)器在大約3天到大約5天的水力停留時間下運行。在又一實施例中，固體/污泥停留時間可以為大約2天到大約5天。
[0025]在本發(fā)明的某些實施例中，第二反應(yīng)器可以在超過10天的水力停留時間下運行。
[0026]在又一實施例中，第二反應(yīng)器在大約6.5到大約7.9的pH下運行。例如，第二反應(yīng)器可以在大約6.8到大約7.4的pH下運行，例如大約7.10
[0027]在本發(fā)明實施例中，進(jìn)料為包括可生物降解固體的有機(jī)廢物。例如，有機(jī)廢物可以是污泥，例如廢棄污泥或二次污泥?？蛇x地，有機(jī)廢物可以是任何其它類型的有機(jī)廢物，例如有機(jī)物含量高的含油污泥、工業(yè)污泥、污水污泥、廚余垃圾、含油廢物、固體廢物，或它們的任意組合。
[0028]在又一實施例中，第一和第二反應(yīng)器進(jìn)一步包括pH、氧化還原電勢(ORP)和溫度控制器。例如，在所述方法的實施例中，一旦方法