剩余活性污泥在厭氧消化前的超聲波處理與酶預(yù)處理聯(lián)用
【專利說明】剩余活性污泥在厭氧消化前的超聲波處理與酶預(yù)處理聯(lián)用
【背景技術(shù)】
[0001] 本說明書中對先前所公開的文獻(xiàn)的列舉或討論不應(yīng)被看作是承認(rèn)該文獻(xiàn)為現(xiàn)有 技術(shù)或公知常識的一部分。
[0002] 在活性污泥處理期間會產(chǎn)生大量的剩余的生物污泥。污泥處理及處置所涉及的費 用可能會高達(dá)污水處理設(shè)備總的生產(chǎn)費用的50 %。厭氧消化通常被認(rèn)為是一種穩(wěn)定污泥以 安全處置并利用的理想方法。其優(yōu)勢為提供了低生物產(chǎn)量和高度的穩(wěn)定性，還生成了甲烷 氣體。已知剩余活性污泥（WAS，Waste Activated Sludge)中易消化的有機(jī)組分在傳統(tǒng)厭 氧處理中僅為總生物質(zhì)的約30% -45% (w/w)，同時還已知通過使用化學(xué)或機(jī)械破碎方法 來分解WAS中的細(xì)胞以釋放胞內(nèi)有機(jī)物（例如化學(xué)物質(zhì)和酶）可顯著提高甲烷生成。
[0003] WAS主要由完整的微生物及其分泌物構(gòu)成，共同形成了不會直接被微生物吸收的 大于0.1 ym的顆粒。微生物的細(xì)胞溶解是處理過程的限速步驟，因為它限制了水解速率， 而水解速率限制了整個厭氧處理過程的速率。此外，在活性污泥處理期間，細(xì)菌細(xì)胞形成了 絮凝體，胞外聚合物（EPS)增強(qiáng)了絮凝體的結(jié)構(gòu)。這些絮凝體保護(hù)微生物不被降解并使細(xì) 胞溶解更加困難。
[0004] WAS的預(yù)處理已被證實能破壞污泥結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致有機(jī)物溶解并促進(jìn)后續(xù)厭氧消化。
[0005] 生物處理包括很多可以包括需氧處理和厭氧處理的處理過程。生物預(yù)處理旨在 在主要消化過程之前、在額外階段中強(qiáng)化提高水解過程。其中一種預(yù)處理方法為需要嗜熱 (約55°C )或者超嗜熱（60°C到70°C之間）條件的厭氧或需氧生物方法，這通常導(dǎo)致水解 活性的增加以及可生物降解COD的增加和病原體的破壞。
[0006] 已經(jīng)出現(xiàn)了許多經(jīng)測試的配置，包括在嗜溫消化前的短時預(yù)處理、雙池消化器：嗜 熱和嗜溫、單級消化器以及最近的溫度共相（temperature co-phase)處理過程。嗜熱條件 通常導(dǎo)致由于水解活性增加的有機(jī)固體破壞率的增加，如下方表1所述。
[0007] CN 105189366 A ^ ^ 貝
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[0009] 表1生物預(yù)處理方法
[0010] 為了提高難降解有機(jī)物質(zhì)的降解，已對需氧處理進(jìn)行了評估，因為有一些物質(zhì)能 夠在需氧（但不能在厭氧）條件下降解。超嗜熱需氧處理也是一個選擇。通過聯(lián)合傳統(tǒng)市 政活性污泥處理過程與嗜熱需氧污泥消化器（65°C、HRT為2. 8天）在全工況下可以得到剩 余活性污泥中75%有機(jī)固體的破壞率。然而，根據(jù)污泥的類型（初級、二級或者兩者的混 合），處理這一類型的停留時間一般是2天或更長。
[0011] 超嗜熱需氧微生物已被識別為屬于嗜熱脂肪土芽孢桿菌（GeobaciIIus stearothermophiIus)為主的桿菌。這些微生物是分泌蛋白酶的細(xì)菌，存在于未處理的污泥 中并且能夠在厭氧嗜溫條件下生存。因此，提高性能的潛力是污泥自身固有的。使用超嗜 熱需氧反應(yīng)器作為雙池處理過程（具有厭氧消化器作為第二級）的第一級觀察到生物氣產(chǎn) 量增加了 50%。
[0012] 最近，耦合至傳統(tǒng)嗜溫消化器（HRT為21和42天）的、聯(lián)用的需氧超嗜熱（AHT) 處理過程（65°C，HRT為1天）已經(jīng)示出了污泥的固有生物降解率在20%到40%之間增加。 AHT共處理允許在42天的整個處理停留時間內(nèi)COD去除率增加30%。然而，該COD在需氧 階段被氧化了，因而甲烷產(chǎn)率沒有提高。與傳統(tǒng)嗜溫消化器相比，HRT為21天經(jīng)AHT處理與 HRT為42天未經(jīng)AHT處理相比降解了相同量的C0D。因此，AHT處理能夠減少一半的HRT或 消化器體積。在這些條件下還觀察到了釋放的可溶性無機(jī)組分的增加（從6%到10%)。 [0013] 與充氣污泥處理過程聯(lián)用的工業(yè)過程Biolysis? E由昂帝歐-得利滿 (Ondeo-DegremontK蘇伊士）商業(yè)化了。將增厚的污泥引入嗜熱反應(yīng)器中，在反應(yīng)器中， 利用特定的微生物（嗜熱脂肪芽孢桿菌（Bacillus stearothermophillus))產(chǎn)生酶（蛋白 酶、淀粉酶、脂肪酶）。根據(jù)公司所述，這一過程允許剩余污泥的產(chǎn)量降低了 40%到80%，且 不影響廢水水質(zhì)。
[0014] WAS的酶預(yù)處理還可以增加厭氧氣體產(chǎn)量。已報道兩種糖苷酶的混合物使生物氣 日產(chǎn)量增加10%~20%。通過向厭氧消化器中添加 α-淀粉酶或β-葡聚糖酶還可以實 現(xiàn)超過50%的生物氣日增量。然而，酶預(yù)處理有其自身的限制。由于WAS的復(fù)雜性，酶的添 加可能不總會達(dá)到所期望的性能。水解酶的最佳溫度為約50°C，因此在嗜溫條件下可能不 會獲得酶的最佳性能。
[0015] WAS中大部分有機(jī)物質(zhì)（30-85% )由不能直接被微生物吸收的大于0. 1 μπι的顆 粒形成。這些微生物通過產(chǎn)生被釋放到介質(zhì)中的水解酶來降解這些有機(jī)物質(zhì)。然而，已證 明的是，存在于液相中的游離酶的活性幾乎可以忽略不計，因為游離酶通常通過離子作用 和疏水作用被固定在絮凝體（連接到胞外聚合物）上或粘附到細(xì)胞壁。因此，物理處理被 用于破壞絮凝體并釋放酶。
[0016] 已經(jīng)研究了使用攪拌來破壞剩余污泥，并且發(fā)現(xiàn)在蛋白酶、淀粉酶、葡糖苷酶、月旨 肪酶和脫氫酶中，蛋白酶具有最高的活性。通過使用硫酸銨進(jìn)行蛋白沉淀可恢復(fù)幾乎69% 的蛋白酶活性，而回收的酶溶液在_20°C下保存1個月后損失了 32%的蛋白酶活性。在回 收蛋白酶后，作者使用牛奶為模型研究了蛋白酶的適用性。對于市政污水污泥應(yīng)用來說， 報道了在50°C下的最大蛋白酶活性為2210±308U/g混合液懸浮固體（MLSS)，而對于實驗 培養(yǎng)的污泥來說，在75°C下最大活性為3450±124U/g MLSS。這表明每一種污泥具有不同 的微生物群體，因此具有不同的蛋白酶活性和最佳溫度。還發(fā)現(xiàn)使用聚乙二醇辛基苯基醚 (Triton) (0. 5% )從WAS中提取的酶可以獲得約4000U/g MLSS的蛋白酶活性。通過使用玻 璃珠進(jìn)行攪拌來破壞實驗培養(yǎng)的WAS報道了以每總碳量中溶解的總有機(jī)碳（TOC)所限定的 高WAS溶出率為約53%。使用由一級破壞動力學(xué)（first-order disruption kinestics) 構(gòu)成的動力學(xué)模型成功分析了通過連續(xù)攪拌破壞的WAS溶解過程。
[0017] 還研究了用于減少剩余污泥的簡單的熱處理過程（取700ml在IL的錐形瓶中在 60°C、120rpm下培養(yǎng)24小時）。這一處理過程示出了嗜熱菌群體在熱處理的早期階段快速 增加且出現(xiàn)了分泌蛋白酶的細(xì)菌。變性梯度凝膠電泳（DGGE)的非培養(yǎng)分析揭露了包括大 部分嗜熱菌的桿菌，該桿菌通過處理成為了該群落的主要類別。在熱處理1小時后，污泥上 清液中蛋白酶活性立即增加了，這被認(rèn)為是蛋白酶通過細(xì)胞溶解從微生物細(xì)胞中釋放出來 了。蛋白酶活性的演替與微生物演替有關(guān)，并且還與熱處理期間MLSS以及TOC濃度的變化 有關(guān)，表明了蛋白酶活性在熱處理誘發(fā)的溶胞-隱性生長（Lysis-cryptic growth)中起重 要作用。在3小時后，TOC快速增長至最大值（355mg/L)，隨后在處理末期逐漸減少至146mg/ L。與嗜熱蛋白酶處理聯(lián)用的熱處理在日本已經(jīng)應(yīng)用到工程過程。然而，對熱處理誘發(fā)的污 泥基質(zhì)的生物響應(yīng)的理解卻是不足的。
[0018] 通過熱處理的剩余污泥的減少是由污泥溶解以及進(jìn)一步隱性生長（溶胞-隱性生 長）所誘發(fā)的。在溶胞-隱性生長中，由于分解代謝消耗了一部分的溶解酶并最終作為CO2被排出，實現(xiàn)了污泥減少。因此，污泥中的微生物群落演替應(yīng)發(fā)生在熱處理期間。蛋白酶的 肽鍵的溶蛋白性裂解被認(rèn)為是消化或剩余污泥溶解的主要酶反應(yīng)。因此，污泥中的蛋白酶 活性應(yīng)是熱處理期間影響污泥減少效率的重要因素。
[0019] 在另一研究中，使用超聲（24kHz，3. 9W/cm2,30分鐘，冰水浴5°C )與非離子型去污 劑（Triton X100)聯(lián)用從WAS中提取了蛋白酶和脂肪酶。有人提出過從污泥中回收的附加 值產(chǎn)品能夠用于污泥自身降解，但這還未被嘗試過。在該研究中，還發(fā)現(xiàn)活性污泥罐中胞外 蛋白酶的活性要遠(yuǎn)小于胞內(nèi)蛋白酶的活性。
[0020] 之前已經(jīng)使用超聲波處理（ULS)通過減少其數(shù)量、實現(xiàn)更好的脫水能力、增加可 溶性化學(xué)需氧量以及破壞絮凝體來處理活性污泥。除了這些，單獨使用超聲波處理或與去 污劑或離子交換樹脂聯(lián)用是允許回收這些酶并維持其活性的方法之一。已經(jīng)進(jìn)行了一些研 究以在生活廢水或工業(yè)廢水的厭氧消化之前評估酶預(yù)處理步驟的影響。該結(jié)果示出有可能 在厭氧消化期間去除固體、降低COD水平并提高生物氣產(chǎn)量。ULS期間由空化氣泡產(chǎn)生的巨 大的水力-機(jī)械剪切力被認(rèn)為是污泥分解的主要作用。ULS是一種相當(dāng)快速的導(dǎo)致胞外物 質(zhì)和胞內(nèi)物質(zhì)都被溶解的方法。WAS中的微生物通過產(chǎn)生被釋放到介質(zhì)中的水解酶來降解 有機(jī)物質(zhì)。因此，諸如ULS的物理處理應(yīng)被用于破壞絮凝體、釋放酶同時提高嗜熱酶的預(yù)處 理，但有關(guān)將這兩種預(yù)處理聯(lián)用的信息在文獻(xiàn)中仍是很少的。由于超聲波處理是一種能量 密集型過程，因此其主要缺點在于很高的能量消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 本發(fā)明一方面提供了一種預(yù)處理有機(jī)廢物的方法，該方法包括以下步驟：
[0022] (a)提供有機(jī)廢物；
[0023] (b)使所述有機(jī)廢物經(jīng)受超聲波處理；和，
[0024] (c)使所述超聲波處理的有機(jī)廢物在35°C到85°C的溫度下經(jīng)受熱處理步驟。
[0025] 在某些實施例中，將步驟（a)的有機(jī)廢物分為第一部分和第二部分，僅使第一 部分經(jīng)受步驟（b)，然后與所述第二部分