阅读说明：本技术 一种利用鼠李糖脂提高剩余污泥产生氢气的方法与装置 (Method and device for improving hydrogen generation of excess sludge by using rhamnolipid ) 是由 徐秋翔 倪丙杰 孙婧 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用鼠李糖脂提高剩余污泥产生氢气的方法及装置,包括：S1：取城市污水处理厂二沉池中产生的剩余活性污泥,经重力沉降排掉上清液后,得到厌氧发酵原料；S2：将所述厌氧发酵原料与鼠李糖脂混合,投入发酵反应器中,保持发酵反应器的厌氧环境,搅拌的同时进行厌氧发酵反应,产生氢气。与现有技术相比,本发明本直接利用城市污水处理厂二沉池的剩余污泥作为原料进行发酵产氢,并无电能的消耗,使用的鼠李糖脂利用产氢后的剩余污泥厌氧发酵液原位生产获得,避免了额外的处理成本,而且污泥不需要进行预处理,仅仅将鼠李糖脂加入到污泥中即可实现提高剩余污泥产生氢气的产量,整体操作流程简单,方便规模化的长期应用及推广。(The invention relates to a method and a device for improving hydrogen generation of excess sludge by using rhamnolipid, which comprises the following steps: s1: taking residual activated sludge generated in a secondary sedimentation tank of an urban sewage treatment plant, and obtaining an anaerobic fermentation raw material after discharging supernatant through gravity sedimentation; s2: mixing the anaerobic fermentation raw material with rhamnolipid, putting into a fermentation reactor, keeping the anaerobic environment of the fermentation reactor, and carrying out anaerobic fermentation reaction while stirring to generate hydrogen. Compared with the prior art, the method directly utilizes the excess sludge in the secondary sedimentation tank of the municipal sewage treatment plant as the raw material to carry out fermentation and hydrogen production without consuming electric energy, the used rhamnolipid is obtained by utilizing the in-situ production of the anaerobic fermentation liquid of the excess sludge after hydrogen production, the additional treatment cost is avoided, the sludge does not need to be pretreated, the yield of hydrogen produced by the excess sludge can be improved only by adding the rhamnolipid into the sludge, the whole operation process is simple, and the method is convenient for large-scale long-term application and popularization.)

一种利用鼠李糖脂提高剩余污泥产生氢气的方法与装置

技术领域

本发明涉及环境保护以及固体废弃物资源化利用领域，尤其是涉及一种利用鼠李糖脂提高剩余污泥产生氢气的方法与装置。

背景技术

当前，我国城镇污水处理厂数量及污水处理量均大幅增长。污水处理过程中会伴随着大量的剩余污泥产生。据统计，2013年我国剩余污泥产量已达3500万吨(含水量为80％)，且以每年20％的增长率上升。一方面，全球资源及能源危机的日趋加重。另一方面，污泥中含有丰富的可生物利用有机质，因此，污泥的资源化处理处置是当今被广泛关注的议题，在此过程中，污泥不仅能被有效减量化与无害化处理，而且能实现能源与资源的有效回收。

污泥厌氧发酵是一种常见的污泥资源化利用手段，在此过程中能够产生优质的清洁能源物质-氢气。然而，污泥中包含的大部分有机物主要分布在胞外聚合物以及被细胞壁包裹的胞内有机质中，难以被厌氧微生物直接利用，因此污泥裂解过程被认为是污泥厌氧发酵的限速步骤。此外，污泥厌氧发酵过程是多种微生物共同参与的生物过程，产氢微生物与耗氢微生物大量共存。产氢微生物产生的氢气会被耗氢微生物快速消耗，从而导致污泥产氢量低。

为了提高污泥厌氧发酵产氢效果，一些污泥处理方法如酸碱法，热处理法，高级氧化法以及联合处理方法被应用于促进污泥裂解及同步抑制发酵过程耗氢微生物活性，不仅使污泥中有机物大量释放，给产氢微生物提供大量可利用基质而且显著降低氢气的消耗，从而实现氢气产量的大幅提升。但是上述方法操作流程复杂，且需要外加化学物质或能量，难以实现长期规模化应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用鼠李糖脂提高剩余污泥产生氢气的方法与装置，解决了现有技术中污泥发酵产氢的速率问题，同时避免了外加能源和含能物质的加入，同时简化了流程，可实现工业化的大规模推广。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中利用鼠李糖脂提高剩余污泥产生氢气的方法，包括以下步骤：

S1：取城市污水处理厂二沉池中产生的剩余活性污泥，经重力沉降排掉上清液后，得到厌氧发酵原料；

S2：将所述厌氧发酵原料与鼠李糖脂混合，投入发酵反应器中，保持发酵反应器的厌氧环境，搅拌的同时进行厌氧发酵反应，产生氢气。本发明中加入鼠李糖脂促进污泥溶出，同时促进污泥产氢的水解微生物活性，以此抑制氢气消耗过程(甲烷化过程)，并促进氢气产生有抑制氢气消耗，所以强化了氢气的累积产量。

进一步地，S1中所述重力沉降的环境温度为4℃，沉降时间为24h。

进一步地，S1中所述鼠李糖脂的投加剂量为0.02～0.10g/g TSS。

进一步地，S1中所述鼠李糖脂的投加剂量为0.06～0.08g/g TSS。

进一步地，S2之后还包括鼠李糖脂的发酵生产过程，产生的鼠李糖脂供S2中使用；

所述鼠李糖脂的发酵生产过程为：以S2中产氢后的剩余活性污泥厌氧发酵液为原料，利用其中的假单胞菌与溶解性有机物在环境温度为25-35℃条件下生产鼠李糖脂。

进一步地，S2中保持发酵反应器的厌氧环境的方法为向发酵反应器中通入氮气10～20min。

进一步地，S2中厌氧发酵反应的温度为20～38℃，厌氧发酵反应时间为2～8d。

进一步地，S2中厌氧发酵反应的温度为25～35℃。

本发明中厌氧发酵产氢装置，包括沉淀池、搅拌容器、第一发酵反应器、第二发酵反应器。

沉淀池将城市污水处理厂二沉池中产生的剩余活性污泥沉降，得到厌氧发酵原料；

搅拌容器与所述沉淀池连接，将鼠李糖脂和所述厌氧发酵原料搅拌均匀，得到发酵反应原料；

第一发酵反应器与所述搅拌容器连接，利用所述发酵反应原进行厌氧发酵反应，产生氢气；

第二发酵反应器输入端与所述的第一发酵反应器连接，其输出端与所述搅拌容器连接，第二发酵反应器利用第一发酵反应器中产氢后的剩余活性污泥发酵产生鼠李糖脂，并将产生的鼠李糖脂输送至第一发酵反应器中。

进一步地，所述第一发酵反应器与第二发酵反应器之间还设有鼠李糖脂分离提纯设备和第二输送泵；

所述搅拌容器与第一发酵反应器之间设有第一输送泵；

所述发酵反应器为间歇或连续式发酵反应器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明利用剩余污泥进行厌氧发酵产氢，不但使污泥的体积显著减少，降低了处理处置成本，并且在此过程中产生的氢气是一种清洁高热值的能源，实现了污泥的资源化利用，有助于缓解全球能源短缺问题。

2)现有技术如酸碱法，热处理法，高级氧化法以及联合处理方法不仅预处理时间长而且操作流程复杂，更重要的是需要添加大量外源化学物质或者消耗大量能量，这大幅增加了污泥的处理成本。而本发明使用的鼠李糖脂利用产氢后的污泥厌氧发酵液原位生产获得，避免了额外的处理成本，而且污泥不需要进行预处理，仅仅将鼠李糖脂加入到污泥中即可实现提高剩余污泥产生氢气的产量，整体操作流程简单，方便规模化的长期应用及推广。

3)本发明中使用的鼠李糖脂能增强水解微生物的活性且增加其相对丰度，但显著抑制耗氢微生物的活性并降低其相对丰度，因此显著提高产氢的速率并大幅降低氢气的消耗，从而促进污泥厌氧发酵生产氢气的产量。

附图说明

图1为本发明中利用鼠李糖脂提高剩余污泥产生氢气装置的结构示意图。

图中：1、沉淀池，2、搅拌容器，3、第二发酵反应器，4、第一发酵反应器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

(1)将取自城市污水处理厂二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中，在4℃下重力沉降24h，排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品，以下实施例同)。

(2)取0.7L(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中，并向反应器中加入0.02g/g TSS的鼠李糖脂。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气，将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。利用鼠李糖脂与污泥中功能微生物实现污泥厌氧发酵产氢。其中，控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min，反应器发酵温度为25±1℃，发酵反应时间为4d，生产的氢气的产量3.52mL/g VSS。

本实施例中的数据均通过小试的实验室规模去模拟，具体生产时，只要将实施例所用的实验装置进行放大设计即可。

具体进行放大生产时：通过沉淀池1将城市污水处理厂二沉池中产生的剩余活性污泥沉降，得到厌氧发酵原料，搅拌容器2与沉淀池1连接，将鼠李糖脂和厌氧发酵原料搅拌均匀，得到发酵反应原料；第一发酵反应器4与搅拌容器2连接，利用发酵反应原进行厌氧发酵反应，产生氢气；第二发酵反应器3输入端与的第一发酵反应器4连接，其输出端与搅拌容器2连接，第二发酵反应器3利用第一发酵反应器4中产氢后的剩余活性污泥发酵产生鼠李糖脂，并将产生的鼠李糖脂输送至第一发酵反应器4中。第一发酵反应器4与第二发酵反应器3之间还设有鼠李糖脂分离提纯设备和第二输送泵；搅拌容器2与第一发酵反应器4之间设有第一输送泵。具体运行时，发酵反应器4为间歇或连续式发酵反应器。

实施例2

(1)将取自城市污水处理厂二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中，在4℃下重力沉降24h，排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品，以下实施例同)。

(2)取0.7L(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中，并向反应器中加入0.02g/g TSS的鼠李糖脂。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气，将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。利用鼠李糖脂与污泥中功能微生物实现污泥厌氧发酵产氢。其中，控制振荡器的搅拌速度为180rpm/min，反应器发酵温度为35±1℃，发酵反应时间为6d，生产的氢气的产量4.15mL/g VSS。

实施例3

(1)将取自城市污水处理厂二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中，在4℃下重力沉降24h，排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品，以下实施例同)。

(2)取0.7L(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中，并向反应器中加入0.02g/g TSS的鼠李糖脂。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气，将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。利用鼠李糖脂与污泥中功能微生物实现污泥厌氧发酵产氢。其中，控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min，反应器发酵温度为25±1℃，发酵反应时间为8d，生产的氢气的产量4.63mL/g VSS。

实施例4

(1)将取自城市污水处理厂二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中，在4℃下重力沉降24h，排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品，以下实施例同)。

(2)取0.7L(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中，并向反应器中加入0.04g/g TSS的鼠李糖脂。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气，将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。利用鼠李糖脂与污泥中功能微生物实现污泥厌氧发酵产氢。其中，控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min，反应器发酵温度为25±1℃，发酵反应时间为4d，生产的氢气的产量6.07mL/g VSS。

实施例5

(1)将取自城市污水处理厂二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中，在4℃下重力沉降24h，排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品，以下实施例同)。

(2)取0.7L(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中，并向反应器中加入0.04g/g TSS的鼠李糖脂。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气，将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。利用鼠李糖脂与污泥中功能微生物实现污泥厌氧发酵产氢。其中，控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min，反应器发酵温度为25±1℃，发酵反应时间为8d，生产的氢气的产量7.53mL/g VSS。

实施例6

(1)将取自城市污水处理厂二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中，在4℃下重力沉降24h，排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品，以下实施例同)。

(2)取0.7L(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中，并向反应器中加入0.06g/g TSS的鼠李糖脂。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气，将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。利用鼠李糖脂与污泥中功能微生物实现污泥厌氧发酵产氢。其中，控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min，反应器发酵温度为35±1℃，发酵反应时间为8d，生产的氢气的产量7.97mL/g VSS。

实施例7

(1)将取自城市污水处理厂二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中，在4℃下重力沉降24h，排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品，以下实施例同)。

(2)取0.7L(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中，并向反应器中加入0.08g/g TSS的鼠李糖脂。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气，将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。利用鼠李糖脂与污泥中功能微生物实现污泥厌氧发酵产氢。其中，控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min，反应器发酵温度为25±1℃，发酵反应时间为8d，生产的氢气的产量8.32mL/g VSS。

实施例8

(1)将取自城市污水处理厂二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中，在4℃下重力沉降24h，排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品，以下实施例同)。

(2)取0.7L(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中，并向反应器中加入0.10g/g TSS的鼠李糖脂。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气，将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。利用鼠李糖脂与污泥中功能微生物实现污泥厌氧发酵产氢。其中，控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min，反应器发酵温度为25±1℃，发酵反应时间为8d，生产的氢气的产量8.25mL/g VSS。

对比例1

(1)将取自城市污水处理厂二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中，在4℃下重力沉降24h，排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品，以下实施例同)。

(2)取0.7L(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中，不加入鼠李糖脂。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气，将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。利用污泥中功能微生物实现污泥厌氧发酵产氢。其中，控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min，反应器发酵温度为25±1℃，发酵反应时间为8d，生产的氢气的产量2.03mL/g VSS。

实施案例和对比例的氢气产量如表1所示：

表1

从表中可以看出，实施例1至实施例8的氢气产量较对比例1的氢气产量显著提高，尤其是，最优条件下的实施例7的氢气产量较对比例1的氢气产量提高最显著。

对比例2

本对比例中的案例取自CN106977065A中，该技术方案公开了一种鼠李糖脂强化污泥预处理耦合微生物电解产氢的方法，包括：(1)将二沉池的剩余污泥浓度调节至10～20g/L备用，投加鼠李糖脂0.04～0.10g/g VSS，冷藏待用；(2)将经过鼠李糖脂预处理后的污泥曝氮气，除去其中的氧气，再置于30℃～37℃恒温发酵，发酵后将污泥取出进行固液分离，取上清液为发酵液备用；(3)以步骤(2)固液分离后的污泥接种启动单极室MEC反应器，外加0.6V～1.2V电压，外接10Ω电阻，电极距离为0.5～2.0cm。

虽然该技术方案也采用了鼠李糖脂作为添加剂在发酵之前混合加入，但对比例2(CN106977065A)中的技术方案将鼠李糖脂加到污泥中，促进有机物溶出，然后将其固液分离，让MEC利用得到的液体部分产氢。而本发明中加入鼠李糖脂促进污泥溶出，同时促进污泥产氢的水解微生物活性，以此抑制氢气消耗过程(甲烷化过程)，并促进氢气产生有抑制氢气消耗，所以强化了氢气的累积产量。

对比例2中的技术方案相比，本技术方案直接利用城市污水处理厂二沉池的剩余污泥作为原料进行发酵产氢，并无电能的消耗，使用的鼠李糖脂利用产氢后的污泥厌氧发酵液原位生产获得，避免了额外的处理成本，而且污泥不需要进行预处理，仅仅将鼠李糖脂加入到污泥中即可实现提高剩余污泥产生氢气的产量，整体操作流程简单，方便规模化的长期应用及推广。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。