本發明涉及一種調控污泥液態發酵產酸效果并在線脫氮除磷的方法，屬于有機固體廢棄物資源化領域。

背景技術：

城市剩余污泥厭氧發酵生產揮發性脂肪酸(vfas)作為一種污泥資源化利用的途徑，在污水廠的應用日益引起關注。污泥液態發酵是一種高效的產酸方法，具有發酵強度大、vfas產量高和運行能耗低等優勢。然而，該方法也存在一些問題：一方面，發酵過程中由于蛋白質類物質逐漸被消耗產生大量氨氮，氨氮濃度可達1000mg/l以上，氨氮轉化為游離氨不斷積累而嚴重抑制微生物的活性，因此造成厭氧發酵效率偏低；另一方面，發酵液的氮磷含量偏高，遠超污水廠排放限值，并且不能作為碳源直接投入污水廠，發酵液往往需要經過脫氮除磷工藝才可以作為外加碳源。鑒于這些問題，污泥液態發酵產vfas技術的應用目前存在一定阻礙。

目前，有研究將污泥發酵后富含vfas的混合物進行離心分離，得到的離心發酵液繼續進行化學脫氮除磷，po4^3--p的質量濃度從104.8mg/l降至6.2mg/l，回收率為94.1％；nh4⁺-n的質量濃度由379.6mg/l降至142.9mg/l，回收率為62.3％，發酵液中的氮磷得到了高效回收。這種方式也普遍用于處理豬糞或者禽畜糞便經厭氧消化后的廢水。然而，由于需要對污泥發酵后的物質進行固液分離和化學脫氮除磷，增加了發酵液的后續處理步驟，并不利于整個工藝的運行和管理，同時，現有研究都為序批式操作，污泥厭氧發酵和脫氮除磷總周期相對較長、效率較低，能耗偏大。

技術實現要素：

為了解決上述問題，基于之前本實驗室關于污泥液態發酵技術的研究成果，本申請在污泥水解液化并且連續投入高負荷厭氧反應器的基礎上，將化學脫氮除磷裝置與污泥液態發酵同步運行。該耦合工藝通過控制厭氧發酵裝置的有機負荷與化學脫氮除磷裝置中的回流比等參數，在發酵過程中在線可以去除高濃度的氮磷，大幅度降低發酵中氨氮的抑制效應，緩解游離氨濃度過高而造成的微生物毒害，強化產酸微生物的活性，進而提高vfas的產率。同時，考慮到不同產酸微生物對游離氨的耐受程度不同，降低游離氨濃度會明顯促進某些特定微生物活性，從而實現定向產酸。另一方面，該耦合工藝還可以在發酵過程中形成鳥糞石這種優質化肥，實現氮磷的同步回收，減少了發酵液脫氮除磷的后續處理過程，簡化了整個污泥厭氧發酵的工藝流程，發酵液可以直接作為外加碳源應用在污水廠中，有利于污泥厭氧發酵的工業化應用。

本發明的第一個目的是提供一種剩余污泥處理與資源回收的方法，所述方法是將uasb反應器與脫氮除磷裝置進行耦合，脫氮除磷裝置接收來自uasb污泥液態發酵的發酵液，按鳥糞石生成比例投加溶解性鎂鹽，經過脫氮除磷的液體回流至uasb，生成的鳥糞石沉淀從脫氮除磷裝置底部移除。

本發明的第二個目的是提供一種提高uasb污泥液態發酵的vfas產率的方法，所述方法是將uasb反應器與脫氮除磷裝置進行耦合，脫氮除磷裝置接收來自uasb污泥液態發酵的發酵液，經過脫氮除磷的液體回流至uasb。

本發明的第三個目的是提供一種提高uasb污泥液態發酵的發酵液中乙酸和/或丙酸占比的方法，所述方法是將uasb反應器與脫氮除磷裝置進行耦合，脫氮除磷裝置接收來自uasb污泥液態發酵的發酵液，經過脫氮除磷的液體回流至uasb。

本發明的第四個目的是提供一種降低污泥液態發酵的發酵液中氮磷濃度并回收鳥糞石的方法，所述方法是將uasb反應器與脫氮除磷裝置進行耦合，脫氮除磷裝置接收來自uasb污泥液態發酵的發酵液，經過脫氮除磷的液體回流至uasb。

在本發明的一種實施方式中，所述污泥為取自城市污水廠的二沉池、濃縮池的剩余污泥，或者為脫水污泥，經過uasb液態發酵后的發酵液含固率低于1％，并且其溶解性化學需氧量(scod)、總磷和氨氮濃度分別高于10g/l，500mg/l和300mg/l。

在本發明的一種實施方式中，所述發酵液是有機負荷為4.0-10.0kgcod/m³/d的uasb在35-37℃、ph9-11條件下液態發酵的發酵液。

在本發明的一種實施方式中，所述發酵液以回流比為0.6-0.8進入脫氮除磷裝置，脫氮除磷裝置的溫度和ph保持在與uasb相同的水平。

在本發明的一種實施方式中，所述脫氮除磷裝置的水力停留時間(hrt)為2-12h。

在本發明的一種實施方式中，所述的脫氮除磷裝置為上流式，中部設置隔板；uasb反應器的上部與脫氮除磷裝置的下部通過管路聯通，脫氮除磷裝置的上部與uasb反應器的下部通過管路聯通；污泥發酵液從脫氮除磷裝置底部進入，經過脫氮除磷的液體從上部回流至uasb的底部。

本發明的有益效果

本發明將上流式脫氮除磷裝置與uasb耦合同步，以達到脫氮除磷并提高vfas產率和定向產酸的目的，并最終回收鳥糞石沉淀。本發明方法在環境領域中的應用所帶來的有益效果如下：

1、從剩余污泥中回收高附加值產品(vfas和鳥糞石)，實現污泥的資源化利用；

2、采用與uasb液態發酵相耦合的脫氮除磷裝置，可以有效降低發酵液中的氨氮濃度，緩解由于uasb中游離氨抑制導致的微生物活性降低，進而提高vfas產率；同時，實現污泥液態發酵的定向產乙酸和丙酸，生成更優質的碳源。

3、本發明將脫氮除磷裝置耦合到uasb液態發酵的工藝中，發酵液中氨氮和總磷濃度得到有效降低，相較未同步脫氮除磷裝置的uasb工藝，減少了發酵液脫氮除磷的后續處理過程，簡化了整個污泥厭氧發酵的工藝流程。

附圖說明

圖1：在uasb中耦合脫氮除磷裝置的工藝流程圖；

圖2：未添加和添加脫氮除磷裝置的uasb液態發酵的發酵液中氨氮和總磷濃度變化(uasb的有機負荷為8kgcod/m³/d)；

圖3：未添加和添加脫氮除磷裝置的uasb液態發酵的總揮發性脂肪酸(tvfa)產率及組成變化；

圖4：脫氮除磷裝置耦合uasb液態發酵工藝與傳統污泥發酵工藝的發酵液中氮磷濃度以及tvfa產率比較。

具體實施方案

下面是對本發明的具體描述。

下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。

種泥的馴化：原始種泥取自無錫檸檬酸廠uasb反應器的顆粒污泥，靜置12h后去除上清液，將顆粒污泥在105℃加熱2h，殺滅產甲烷菌；取經加熱后的顆粒污泥加入到實驗室uasb反應器中進行馴化，以葡萄糖為底物(cod約為20000mg/l)的模擬廢水進行馴化，馴化時間15d。

氨氮和總磷的測定：氨氮的測定采用納氏試劑比色法(gb7479-87)，總磷的測定采用鉬酸銨分光光度法(gb11893-89)。

vfas的測定：采用氣相色譜法測定。測量儀器為島津公司生產的2010型氣相色譜，主要配置為：aoc-20i自動進樣器；fid檢測器；peg-20m色譜柱(30m×0.32mm×0.5μm，大連中北分析儀器)。采用階段升溫程序，初溫80℃，保持3min，然后以15℃/min的速率上升至200℃，保持2min。載氣為n2，吹尾流量30ml/min。進樣室(spl)和檢測器(fid)的溫度都設為250℃。

實施例1

(1)第一階段(未添加脫氮除磷裝置的uasb液態發酵)：用去離子水調節剩余污泥(無錫碩放污水廠，江蘇)的總固體濃度(ts)至75g/l，并用naoh溶液調節其ph為12，密封后置于90-105℃條件下緩慢攪拌12h進行預處理。將預處理水解液離心分離，分離液(有機負荷為8kgcod/m³/d)連續通入5l的uasb反應器(接種種泥所占體積為20％)進行發酵。發酵期間，反應器內溫度控制在35±2℃，ph控制在9-10，其氨氮、總磷、tvfa產率如圖2、3中的第一階段所示。平穩運行時氨氮和總磷濃度分別為991.60±3.23mg/l，532.16±1.59mg/l，vfas產率達到292.91±0.32mg/gvs，其中，乙酸和丙酸占總vfas的百分比分別為58.06±0.15％和13.43±0.17％。

(2)第二階段(添加脫氮除磷裝置的uasb液態發酵)：當第一階段運行平穩后耦合脫氮除磷裝置(圖1所示)，uasb的發酵液以0.8的回流比進入脫氮除磷裝置，并保持hrt為4.0h。第二階段發酵期的有機負荷、ph以及溫度與第一階段相同。脫氮除磷裝置中保持mg²⁺投加濃度為1000±5.0mg/l，溫度和ph同uasb。在化學脫氮除磷裝置中添加隔板，可以增強反應器內流體的紊流程度，使混合更均勻。平穩運行時氨氮濃度為219.16±1.35mg/l，比第一階段減少了78.09±0.30％，總磷濃度為31.86±0.40mg/l，比第一階段減少了94.61±0.51％，并且回收鳥糞石晶體1.52±0.04g/gpo4^3-。同時，tvfa產率達到348.77±2.43mg/gvs，比第一階段提高了18.96±0.32％，同時，乙酸和丙酸占比分別提高到66.76±0.23％和16.54±0.17％。

實施例2：

添加脫氮除磷裝置的uasb液態發酵：

用去離子水調節剩余污泥(無錫碩放污水廠，江蘇)的總固體濃度(ts)至75g/l，并用naoh溶液調節其ph為12，密封后置于95℃條件下緩慢攪拌12h進行預處理。將預處理水解液離心分離，分離液(有機負荷為8kgcod/m³/d)連續通入5l的uasb反應器(接種種泥所占體積為20％)進行發酵。發酵期間，反應器內溫度控制在35±2℃，ph控制在9-10。其中uasb的發酵液以0.8的回流比，hrt為2.0h進入脫氮除磷裝置，脫氮除磷裝置中保持mg²⁺投加濃度為1000±5.0mg/l，溫度和ph同uasb。平穩運行時氨氮濃度為218.25±1.20mg/l，總磷濃度為34.22±0.35mg/l，并且回收鳥糞石晶體1.50±0.03g/gpo4^3-。同時，tvfa產率達到343.50±1.89mg/gvs。

對照例1

用去離子水調節剩余污泥(無錫碩放污水廠，江蘇)的ts至75g/l，并用naoh溶液調節其ph為12，密封后置于90-105℃條件下緩慢攪拌2h進行預處理，以模擬現有普遍污泥厭氧發酵生產vfas工藝的預處理過程。將預處理后的污泥直接加入到有效容積為5l的全混式機械攪拌厭氧反應器，并加入反應器體積20％的種泥，發酵期間不進泥和不排泥并且保持不間斷攪拌，以模擬普遍現有的污泥厭氧發酵工藝生產vfas的發酵過程。反應器內溫度控制在35±2℃，ph控制在9-10。平穩運行時發酵液中總磷濃度、氨氮濃度和vfa產率如圖4所示，分別為522.74±14.27mg/l、1043.45±27.47mg/l、297.00±17.5mg/gvs。該傳統污泥發酵工藝相較于本發明工藝，發酵液中的總磷和氨氮濃度以及vfas產率約為實施例1中的添加脫氮除磷裝置的uasb液態發酵工藝的發酵液的16倍、5倍和0.85倍。

雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但其并非用以限定本發明，任何熟悉此技術的人，在不脫離本發明的精神和范圍內，都可做各種的改動與修飾，因此本發明的保護范圍應該以權利要求書所界定的為準。