本发明涉及一种强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置与方法，属于污泥厌氧发酵产酸技术领域。所述方法涉及装置包括剩余污泥箱、SBR装置、排泥泵、进泥泵、药剂泵、pH测定仪、排泥箱、搅拌器、加药箱、加热棒。方法是：在25±1℃条件下，将淘洗后的剩余污泥先在强碱(pH＝12)SBR装置中厌氧发酵预处理一天，之后再泵入半连续流发酵SBR装置中进行碱性(pH＝10)厌氧发酵，控制半连续流发酵SBR装置的SRT为10天，从而提高发酵SBR装置中的乙酸含量。
1.一种强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置，其特征在于：
设有发酵序批式活性污泥反应器(1)，预处理序批式活性污泥反应器(2)，发酵排泥泵(3)，发酵碱泵(4)，预处理排泥泵(5)，预处理碱泵(6)，预处理进泥泵(7)，发酵pH测定仪(8)，发酵pH探头(9)，预处理pH测定仪(10)，预处理pH探头(11)，发酵排泥箱(12)，发酵搅拌器(13)，NaOH药箱(14)，剩余污泥箱(15)，磁力搅拌器(16)，发酵加热棒(17)，预处理加热棒(18)，发酵酸泵(19)和HCl药箱(20)；所述预处理序批式活性污泥反应器(2)底部设有磁力搅拌器(16)，预处理序批式活性污泥反应器(2)设有5个阀门，分别连接预处理pH探头(11)、预处理进泥泵(7)、预处理碱泵(6)、预处理排泥泵(5)和预处理加热棒(18)，剩余污泥箱(15)、NaOH药箱(14)和预处理pH测定仪(10)分别通过预处理进泥泵(7)、预处理碱泵(6)和预处理pH探头(11)与预处理序批式活性污泥反应器(2)相连；发酵序批式活性污泥反应器(1)中部设发酵搅拌器(13)，还设有6个阀门，分别连接发酵pH探头(9)、发酵碱泵(4)、发酵排泥泵(3)、预处理排泥泵(5)、发酵加热棒(17)和发酵酸泵(19)，NaOH药箱(14)、预处理序批式活性污泥反应器(2)、发酵pH测定仪(8)、发酵排泥箱(12)和HCl药箱(20)分别通过发酵碱泵(4)、预处理排泥泵(5)、发酵pH探头(9)、发酵排泥泵(3)和发酵酸泵(19)与发酵序批式活性污泥反应器(1)相连。
2.应用权利要求1所述强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置的进行乙酸生产的方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：
2.1用自来水淘洗中试序批式活性污泥反应器(SBR)的剩余污泥，将淘洗后的剩余污泥作为发酵序批式活性污泥反应器(1)的启动污泥及污泥预处理序批式活性污泥反应器(2)的进泥，经淘洗后剩余污泥指标为：混合液污泥浓度MLSS＝10000～12000mg/L、溶解性化学需氧量SCOD＝30～40mg/L、挥发性脂肪酸VFA＝1～2mgCOD/gMLVSS、pH＝7～8；COD为化学需氧量，MLVSS为单位体积生化池混合液所含干污泥中可挥发性物质的重量；
系统启动时一次性投加经淘洗后的剩余污泥于发酵序批式活性污泥反应器(1)中，同时启动发酵碱泵(4)将NaOH溶液泵入发酵序批式活性污泥反应器(1)中，启动发酵搅拌器(13)进行搅拌，使NaOH溶液和污泥混合均匀，控制发酵液pH＝10±0.1，启动发酵加热棒(17)保持装置内温度为25±1℃；系统中SCOD和SCFAs浓度保持稳定后即为启动成功；SCOD和SCFAs浓度的波动范围在300mg/L以内视为稳定；
用于污泥预处理序批式活性污泥反应器(2)的剩余污泥储存于剩余污泥箱(15)中，启动预处理进泥泵(7)将剩余污泥箱(15)中的剩余污泥打入预处理序批式活性污泥反应器(2)中，同时启动预处理碱泵(6)将NaOH溶液泵入预处理序批式活性污泥反应器(2)中，启动磁力搅拌器(16)进行搅拌，使NaOH溶液与污泥充分混合，控制混合液pH＝12±0.1，启动预处理加热棒(18)保持装置内温度为25±1℃，启动时间为1天；
系统启动成功后，发酵序批式活性污泥反应器(1)每天通过发酵排泥泵(3)将发酵污泥排入发酵排泥箱(12)中，同时通过预处理排泥泵(5)泵入经预处理序批式活性污泥反应器(2)预处理一天的剩余污泥，启动发酵酸泵(19)将HCl药箱(20)中的HCl泵入发酵序批式活性污泥反应器(1)中，控制发酵液pH＝10±0.1；待预处理序批式活性污泥反应器(2)中预处理污泥泵入发酵序批式活性污泥反应器(1)后，启动预处理进泥泵(7)从剩余污泥箱(15)中泵入剩余污泥进行预处理，同时启动预处理碱泵(6)将NaOH溶液泵入预处理序批式活性污泥反应器(2)中，控制混合液pH＝12±0.1。
一种强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置与方法
技术领域：
[0001] 本发明涉及一种强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置与方法，属于污泥厌氧发酵产酸技术领域。剩余污泥经强碱(pH＝12)预处理后进行碱性(pH＝10)发酵，增加乙酸产量。背景技术：
[0002] 目前，我国城市生活污水中普遍存在碳源不足、C/N比较低的问题，为了提高污水处理厂的出水水质，需要向污水中投加大量的外碳源(如甲醇、乙酸钠等)以强化微生物的脱氮除磷能力，但是外碳源的投加将大大增加污水处理厂的处理成本。目前国内外城市污水处理厂主要以生物方法为处理工艺，采用生物方法在运行时会产生大量的剩余污泥，据不完全统计剩余污泥的处理成本占到污水处理厂运行成本的20％～50％，而且剩余污泥中含有大量的有毒有害物质，如病原微生物、多环芳烃和重金属等，因此如果不能妥善的处理处置剩余污泥，将会对环境造成二次污染。剩余污泥主要的处理处置方法为卫生填埋、焚烧和土地利用。这些处理处置方法各有缺点：卫生填埋不能彻底消除污染；焚烧方法的成本高、技术复杂；为防止二次污染环境，卫生填埋前必须经过无毒无害化处理。
[0003] 另一方面，剩余污泥中包含大量的有机物质(如蛋白质和多糖等)，这些有机物质可以被厌氧微生物发酵利用获得短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)、甲烷和氢气等有利用价值的物质。剩余污泥发酵过程中产生的SCFAs可作为强化微生物脱氮除磷的碳源，不仅减少或者避免外碳源投加，而且降低剩余污泥的处理费用，从而节约了污水处理厂的处理成本，因此国内外学者对剩余污泥内碳源提取方面进行了深入的研究。SCFAs中乙酸最好备微生物利用，很多研究发现，在碱性条件下(pH＝10)，剩余污泥发酵产酸最多，但产生的乙酸量很难进一步提升，因此需要继续加强对碱性条件下(pH＝10)进一步提高乙酸的产量的研究。
[0004] 研究表明，剩余污泥在pH＝12条件下发酵可以产生大量的SCOD、蛋白质和多糖，但SCFAs的产量比较低，蛋白质和多糖是酸化菌产生SCFAs的基质，且酸化菌可以较好地适应pH变化，因此剩余污泥经过pH＝12强碱处理后，再在pH＝10条件下发酵，酸化菌的可利用的基质增加，从而增加了乙酸的产量，同时达到污泥减量的效果。本方法可以在一定程度上解决城市污水处理厂活性污泥法的碳源缺乏问题及剩余污泥处理问题，减少城市污水处理厂外加碳源和污泥处理处置费用。发明内容：
[0005] 本发明针对碱性条件下剩余污泥发酵产乙酸量较低的问题，提出了一种强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置与方法。本方法借助两个序批式活性污泥反应器(SBR)装置，改变了传统的投碱控制单一pH值(pH＝10)提高污泥发酵的产酸量，而是先对剩余污泥进行强碱(pH＝12)预处理后进行碱性发酵(pH＝10)，解决了剩余污泥碱性发酵产乙酸量较低和剩余污泥处理处置的问题。
[0006] 一种强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置与方法，其特征在于设有发酵序批式活性污泥反应器1，预处理序批式活性污泥反应器2，发酵排泥泵3，发酵碱泵4，预处理排泥泵5，预处理碱泵6，预处理进泥泵7，发酵pH测定仪8，发酵pH探头9，预处理pH测定仪10，预处理pH探头11，发酵排泥箱12，发酵搅拌器13，NaOH药箱14，剩余污泥箱15，磁力搅拌器16，发酵加热棒17，预处理加热棒18，发酵酸泵19和HCl药箱20。所述预处理序批式活性污泥反应器2底部设有磁力搅拌器16，预处理序批式活性污泥反应器2设有5个阀门，分别连接预处理pH探头11、预处理进泥泵7、预处理碱泵6、预处理排泥泵5和预处理加热棒18，剩余污泥箱15、NaOH药箱14和预处理pH测定仪10分别通过预处理进泥泵7、预处理碱泵6和预处理pH探头11与预处理序批式活性污泥反应器2相连；发酵序批式活性污泥反应器1中部设发酵搅拌器13，还设有6个阀门，分别连接发酵pH探头9、发酵碱泵4、发酵排泥泵3、预处理排泥泵5、发酵加热棒17和发酵酸泵19，NaOH药箱14、预处理序批式活性污泥反应器2、发酵pH测定仪8、发酵排泥箱12和HCl药箱20分别通过发酵碱泵4、预处理排泥泵5、发酵pH探头9、发酵排泥泵3和发酵酸泵19与发酵序批式活性污泥反应器1相连。
[0007] 在本发明装置中，剩余污泥强碱预处理促进产乙酸的流程如下：首先将剩余污泥泵入预处理序批式活性污泥反应器2中进行强碱(pH＝12)预处理，提供大量的SCODs和EPS等物质；之后排泥被泵入发酵序批式活性污泥反应器1中进行碱性发酵(pH＝10)，产生大量的乙酸。
[0008] 本发明提供了一种强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置与方法，其特征在于包括以下步骤：
[0009] 1用自来水淘洗中试序批式活性污泥反应器(SBR)的剩余污泥，将淘洗后的剩余污泥作为发酵序批式活性污泥反应器1的启动污泥及污泥预处理序批式活性污泥反应器2的进泥，经淘洗后剩余污泥指标为：混合液污泥浓度MLSS＝10000～12000mg/L、溶解性化学需氧量SCOD＝30～40mg/L、挥发性脂肪酸VFA＝1～2mgCOD/gMLVSS、pH＝7～8；COD为化学需氧量，MLVSS为单位体积生化池混合液所含干污泥中可挥发性物质的重量；
[0010] 2系统启动阶段：
[0011] 系统启动时一次性投加经淘洗后的剩余污泥于发酵序批式活性污泥反应器1中，同时启动发酵碱泵4将NaOH溶液泵入发酵序批式活性污泥反应器1中，启动发酵搅拌器13进行搅拌，使NaOH溶液和污泥混合均匀，控制发酵液pH＝10±0.1，启动发酵加热棒17保持装置内温度为25±1℃；系统中SCOD和SCFAs浓度保持稳定后即为启动成功。一般SCOD和SCFAs浓度的波动范围在300mg/L以内即可视为稳定；
[0012] 用于污泥预处理序批式活性污泥反应器2的剩余污泥储存于剩余污泥箱15中，启动预处理进泥泵7将剩余污泥箱15中的剩余污泥打入预处理序批式活性污泥反应器2中，同时启动预处理碱泵6将NaOH溶液泵入预处理序批式活性污泥反应器2中，启动磁力搅拌器16进行搅拌，使NaOH溶液与污泥充分混合，控制混合液pH＝12±0.1，启动预处理加热棒18保持装置内温度为25±1℃，启动时间为1天。
[0013] 3系统稳定运行阶段：
[0014] 系统启动成功后，发酵序批式活性污泥反应器1每天通过发酵排泥泵3将发酵污泥排入发酵排泥箱12中，同时通过预处理排泥泵5泵入经预处理序批式活性污泥反应器2预处理一天的剩余污泥，启动发酵酸泵19将HCl药箱20中的HCl泵入发酵序批式活性污泥反应器1中，控制发酵液pH＝10±0.1；待预处理序批式活性污泥反应器2中预处理污泥泵入发酵序批式活性污泥反应器1后，启动预处理进泥泵7从剩余污泥箱15中泵入剩余污泥进行预处理，同时启动预处理碱泵6将NaOH溶液泵入预处理序批式活性污泥反应器2中，控制混合液pH＝12±0.1。
[0015] 技术原理：
[0016] 一种强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置与方法的技术原理是通过强碱(pH＝12)预处理经淘洗后的剩余污泥，再将预处理污泥进行碱性(pH＝10)厌氧发酵，实现乙酸产量的增加，同时实现剩余污泥减量。
[0017] 本发明一种强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置与方法与传统剩余污泥碱性厌氧发酵工艺相比有如下优点：
[0018] 1.剩余污泥经强碱预处理后产生大量的SCODs和EPS等物质，增加产酸菌的基质。
[0019] 2.厌氧发酵过程中，整个系统的乙酸产量获得较大的提高。附图说明：
[0020] 图1为本方法的实验装置结构示意图。
[0021] 图1中：1—发酵序批式活性污泥反应器，2—预处理序批式活性污泥反应器，3—发酵排泥泵，4—发酵碱泵，5—预处理排泥泵，6—预处理碱泵，7—预处理进泥泵，8—发酵pH测定仪，9—发酵pH探头，10—预处理pH测定仪，11—预处理pH探头，12—发酵排泥箱，13—发酵搅拌器，14—NaOH药箱，15—剩余污泥箱，16—磁力搅拌器，17—发酵加热棒，18—预处理加热棒，19—发酵酸泵，20—HCl药箱。
[0022] 图2为本装置运行后的乙酸产量图。具体实施方式：
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：如图1所示，一种强碱预处理强化剩余污泥碱性发酵产乙酸的装置与方法，其特征在于：设有发酵序批式活性污泥反应器1，预处理序批式活性污泥反应器2，发酵排泥泵3，发酵碱泵4，预处理排泥泵5，预处理碱泵
6，预处理进泥泵7，发酵pH测定仪8，发酵pH探头9，预处理pH测定仪10，预处理pH探头11，发酵排泥箱12，发酵搅拌器13，NaOH药箱14，剩余污泥箱15，磁力搅拌器16，发酵加热棒17，预处理加热棒18，发酵酸泵19和HCl药箱20。所述预处理序批式活性污泥反应器2底部设有磁力搅拌器16，预处理序批式活性污泥反应器2设有5个阀门，分别连接预处理pH探头11、预处理进泥泵7、预处理碱泵6、预处理排泥泵5和预处理加热棒18，剩余污泥箱15、NaOH药箱14和预处理pH测定仪10分别通过预处理进泥泵7、预处理碱泵6和预处理pH探头11与预处理序批式活性污泥反应器2相连；发酵序批式活性污泥反应器1中部设发酵搅拌器13，还设有6个阀门，分别连接发酵pH探头9、发酵碱泵4、发酵排泥泵3、预处理排泥泵5、发酵加热棒17和发酵酸泵19，NaOH药箱14、预处理序批式活性污泥反应器2、发酵pH测定仪8、发酵排泥箱12和HCl药箱20分别通过发酵碱泵4、预处理排泥泵5、发酵pH探头9、发酵排泥泵3和发酵酸泵19与发酵序批式活性污泥反应器1相连。
[0024] 剩余污泥取北京工业大学中试序批式活性污泥反应器(SBR)，用自来水淘洗3遍，经自来水淘洗后剩余污泥指标为MLSS＝10000～12000mg/L、SCOD＝30～40mg/L、VFA＝1～2mgCOD/gMLVSS、pH＝7～8。发酵序批式活性污泥反应器1有效体积为10L，预处理序批式活性污泥反应器2的有效体积为1L。
[0025] 具体操作方法如下：
[0026] 1.系统启动阶段：
[0027] 1.1配置2～4mol/L的NaOH溶液于NaOH药箱14中，配置体积分数为10％的盐酸于HCl药箱20中；系统启动时一次性投加10L经淘洗后的剩余污泥于发酵序批式活性污泥反应器1中，同时启动发酵碱泵4将NaOH溶液泵入发酵序批式活性污泥反应器1中，启动发酵搅拌器13以35rmp/min的速度搅拌，使NaOH溶液和污泥混合均匀，控制发酵液pH＝10±0.1，启动发酵加热棒17保持装置内温度为25±1℃，启动时间为10天。
[0028] 1.2用于污泥预处理序批式活性污泥反应器2的剩余污泥储存于剩余污泥箱15中，启动预处理进泥泵7将剩余污泥箱15中的剩余污泥打入预处理序批式活性污泥反应器2中，打入体积为1L，同时启动预处理碱泵4将NaOH溶液泵入预处理序批式活性污泥反应器2中，启动磁力搅拌器16以400rmp/min转速进行搅拌，使NaOH溶液与污泥充分混合，控制混合液pH＝12±0.1，启动预处理加热棒18保持装置内温度为25±1℃，启动时间为1天。
[0029] 2.系统稳定运行阶段：
[0030] 系统启动成功后，发酵序批式活性污泥反应器1每天通过发酵排泥泵3将1L发酵液排入发酵排泥箱12中，同时通过预处理排泥泵5泵入1L经预处理序批式活性污泥反应器2预处理一天的剩余污泥，启动发酵酸泵19将HCl药箱20中的HCl泵入发酵序批式活性污泥反应器1中，控制发酵液pH＝10±0.1；待预处理序批式活性污泥反应器2中预处理污泥全部泵入发酵序批式活性污泥反应器1后，启动预处理进泥泵7从剩余污泥箱15中泵入1L的剩余污泥进行预处理，同时启动预处理碱泵4将NaOH溶液泵入预处理序批式活性污泥反应器2中，控制混合液pH＝12±0.1。
[0031] 连续试验结果表明：系统稳定运行后，序批式活性污泥反应器(SBR)装置1的乙酸产量为130±10mgCOD/gMLVSS，与传统碱性厌氧(pH＝10)发酵相比，乙酸产量提高了45％。
