用污水处理厂剩余污泥制氢的热处理－发酵产氢方法

1、一种用污水处理厂剩余污泥制氢的热处理-发酵产氢方法，其特 征在于，是由污泥调理、预热处理和厌氧发酵三部分组成；是将剩余污泥 先进行浓度/pH调节，然后进行热预处理，最后通过厌氧发酵产生氢气；
即将取自污水处理系统的剩余污泥进行浓缩，调节浓度至3～20g/L， 调节其pH值至4.5～9.5，然后进行热预处理；热预处理温度为60～200 ℃，压力为1～1.5个标准大气压，处理时间为0.25～1.0小时；
将热预处理污泥经热交换器，调节其温度至40～50℃，然后进行厌氧 发酵产氢；厌氧发酵的温度为36～38℃，厌氧发酵产氢时间为10～40小 时。

技术领域\n本发明涉及一种生物制氢集成工艺与操作方法，是利用污水处理 厂剩余活性污泥经调理和热预处理后，再进行厌氧发酵生产氢气的集 成工艺与操作方法。\n背景技术\n目前，能源主要依靠化石燃料，但这种能源储量有限，不可再生， 且燃烧时产生CO2和NO、NO2、SO2等氮、硫的氧化物，这些物质排放 到大气中，会严重污染空气。为了实现可持续发展战略，促进经济和环 境的协调发展，开发可再生的清洁能源，是当务之急。可再生能源有太 阳能、水能、风能、生物质能、氢能等。其中氢能由于其氢气具有诸多 优点而备受关注，被认为是21世纪理想的清洁新能源。\n氢是宇宙中含量最丰富的元素，它以水的形式大量存在于地球上， 储量十分丰富。氢气的燃烧热值高，每千克氢燃烧后能放出142.35 kJ的 热量，为石油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氢气在燃烧过程中， 除释放出巨大的能量外，产生的废物只有水，不会造成环境污染，因而 又被称为“清洁燃料”，是真正的无污染的“绿色能源”；作为清洁能源， 氢气广泛应用于航天工业、化工工业；另外作为基本的化工原料，还广 泛应用于石油化工、化学制药、电子工业和金属高温加工等行业。\n目前常用的制氢方法主要包括纯水电解法、水煤气转化法、甲烷 裂化法和热解石油、天然气。这些方法需要消耗大量的电力或矿物资 源，生产成本普遍较高。生物制氢是利用微生物在常温常压下进行酶 催化反应制取氢气，其底物主要是各种碳水化合物、蛋白质等可再生 资源(另外，在各种有机废物中，这类物质的含量也很高)，成本较 低。\n生物制氢是1938年由M.Mickelson和C.H.Werkman提出来的。生 物制氢主要有光合细菌产氢与发酵细菌产氢两种方法，它们分别通过 光合细菌和发酵细菌的代谢过程进行产氢。从生理需求上看，光合细 菌产氢均需要光，因而不能在暗处进行，而发酵细菌不需要光。在能 力学上，发酵细菌产氢是十分有利的，它们能从产氢的反应中获得比 光合细菌更多的自由能，而且氢酶催化的产氢反应不需要ATP。发酵 细菌产生速率较高，例如，Enterobacter aerogens转化葡萄糖产氢的速 率最高为17mmol/g干细胞·h，而光合菌的产氢速率则低得多(大多数 为5mmolH2/g干细胞·h)。另外，发酵产氢所利用的产氢底物是可再生 的植物光合作用的产物，是太阳能的一种间接利用，其底物是可再生 的。发酵细菌产氢不仅可以利用有机废水和各种富含有机质的固体废 弃物产氢，还可同时有效地处理废弃物。因而，与利用光合细菌相比， 利用发酵细菌进行产氢具有明显优势。\n近年来，人们研究了发酵产氢的可行性物质，通常来说可以用于发 酵产氢的物质应该是具备以下几项特点：碳水化合物含量高；资源丰 富，廉价；具有较高的能量转化率等。目前，发酵产氢研究中所利用 的基质广泛，其中包括：\n1、单纯的碳水化合物，如葡萄糖，蔗糖、淀粉等；\n2、富含碳水化合物的有机废水，如糖蜜废水、制糖废水、酿酒废水 以及淀粉生产废水等；\n3、有机固体或半固体废弃物，如城市垃圾、农业固体废弃物、纤维 素以及剩余污泥、家畜粪便等。\n随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的产生及其数量在不断 增长，这些污水必须经过一定处理才能排放，否则会污染环境、破坏生 态平衡。生物法(如活性污泥法、生物膜法等)在处理污水的同时，也 产生了大量的剩余污泥，这些污泥必需经过适当的处理和处置，否则对 环境会造成二次污染。据统计，在污水处理厂的全部建设费用中，用于 处理污泥的费用约占20～50％，有的甚至高达70％。因此，污泥处理是 污水处理系统中的一个重要组成部分。剩余污泥主要是生物质，其中富 含大量的有机物质，比如多糖类，蛋白质和脂肪类等。这些有机物可以 通过以回收能源的方式加以有效地稳定化、无害化和资源化利用。厌氧 消化是常用的污泥处理方法，这种方法能够减少污泥的体积和质量，并 以甲烷的形式回收污泥中的生物质能。而氢气仅是污泥厌氧消化过程中 的一种中间代谢产物，通常不稳定，会很快为甲烷菌等耗氢菌所利用。 因此，要获得稳定的产氢效率，需要解决两个关键问题：一是污泥的熔 胞；二是抑制耗氢菌。\n发明内容\n本发明的目的在于提供一种物理与生物技术有机结合的集成工艺，可 高效率地利用剩余污泥制氢。本发明是为了解决污水处理厂剩余污泥处 理、处置问题，同时以氢气的形式回收污泥中的生物质能。\n一种污泥制氢的热处理-发酵产氢集成方法，它是由污泥调理、预 热处理和厌氧发酵三部分组成；操作方法是将剩余污泥先进行浓度/pH调 节，然后进行热预处理，最后通过厌氧发酵产生氢气。\n所述的污泥制氢的热处理-发酵产氢集成方法，其是将取自污水处 理系统的剩余污泥进行浓缩，调节浓度至DS 3～20 g/L，调节其pH 值至4.5～9.5，然后进行热预处理；热预处理温度为60～200℃，压 力为1～1.5个标准大气压(atm)，处理时间为0.25～1.0小时。\n所述的污泥制氢的热处理-发酵产氢集成方法，其是将热预处理污 泥经热交换器，调节其温度至40～50℃，然后进行厌氧发酵产氢。厌 氧发酵的温度为36～38℃，厌氧发酵产氢时间为10～40小时。\n本发明的发明的特点在于，是以污水处理厂剩余污泥作原料，将污 泥进行调理、物理预处理和厌氧发酵集成在一个工艺内进行高效制氢。 污泥浓度调节可使污泥浓度控制在最佳范围以减少能耗和后续反应器的 容积；污泥pH值调节可使污泥热预处理时效果更佳；热预处理可使污 泥熔胞，释放有机质和杀灭耗氢菌；厌氧发酵可生产氢气。\n本发明的积极效果是：本发明具有潜在的显著经济效益、社会效益和 环境效益，在清洁能源生产、废弃资源再生、污泥处理、处置等方面具 有巨大的市场和潜力，实验证明剩余污泥的最大产氢能力达19.42 ml/gVS 以上，剩余污泥经热处理、厌氧发酵后，其脱水性得到明显改善，污泥 量减少。\n附图说明\n图1是本发明方法流程图。\n具体实施方式\n本发明的目的是这样实现的：本发明方法包括以下步骤：\n1)污水处理系统的剩余污泥首先进入污泥调节池1，通过沉淀浓缩 将污泥浓度调节到3-20g/L，然后再将污泥pH值调节到4.5～9.5。\n2)经调理后的污泥经热交换器2预热，然后进入热预处理池3，热 预处理温度为60～200℃，压力为1-1.5 atm，预处理时间为0.25～1.0小 时(h)。\n3)经热预处理的污泥进入热交换器4使污泥温度降至40～50℃， 用搅拌器将其搅拌均匀，然后进入发酵罐5中，在中温(36～38℃)条件下 进行厌氧发酵。制氢反应器中制备得到的生物气，通过气体分离器6进 行分离、纯化，获得纯氢气。\n4)污泥经厌氧发酵后，排出发酵罐5，一部分污泥(约10％)作为 种泥回流到发酵罐5中，剩余污泥可以直接用于厌氧消化。\n5)在热交换器4中，污泥的热量传递到传热介质-水中，该介质 循环到热交换器2，对污泥进行预热升温，使系统中热能得到充分利用。\n实施例1：\n将取自污水处理系统的剩余污泥调节到DS 9.93 g/L(VS 6.23g/L)在80 ℃、1个标准大气压(atm)下预处理1小时，然后于室温下冷却至50～ 60℃，用机械搅拌器将热预处理污泥搅拌均匀，取150 ml预处理污泥加 入到310ml的厌氧发酵罐中，用高纯氮(99.99％)对污泥鼓泡2分钟、 置换并排除发酵罐气相与液相中的氧气，然后密封，置于空气浴摇床中， 避光搅拌保温(140～150 rpm×37.0±1.0℃)。经厌氧发酵后得到的生物 氢中氢气的最大浓度达50.2％，生物气同样也没有检测到甲烷。污泥的 氢产摔在17小时左右达到最大(7.67 ml/gVS)，此后发生耗氢。\n实施例2：\n将剩余污泥的浓度调节到DS 11.71 g/L(VS 7.81 g/L)，在121℃、1.5 个标准大气压(atm)下预处理0.5小时，此后的操作与实施例1相同。 经厌氧发酵后得到的生物气中氢气的最大浓度为47.0％，没有检测到甲 烷存在。污泥的氢产率在32小时左右达到最大(19.42 ml/gVS)，此后由 于耗氢菌的生长，发酵罐气相的氢气开始被消耗。