一种污泥厌氧消化添加剂及其促进产甲烷的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于固体废物资源化领域，涉及一种污泥厌氧消化添加剂及其促进产甲烷 的方法，尤其是涉及一种造纸白泥添加剂促进污泥厌氧消化产甲烷的方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国污水处理能力的快速提高，污泥产生量也同步大幅增加。目前，全国设市 城市、县累计建成污水处理厂约3700座，污水处理能力约1.5~1.6亿立方米/日，年产生含 水量80~90%的污泥3500~4000万吨，且以每年10%的速度递增。厌氧消化是指在厌氧条 件下，利用兼性菌和专性厌氧菌分解有机物使之转化为甲烷和和二氧化碳的生物化学过 程。厌氧消化处理污泥技术可以实现污泥减量化、稳定化、无害化与资源化的目标，避免污 泥处置不当而引起的二次污染。
[0003] 在众多的污泥处理方法中，厌氧消化具有高效的能量回收和较低的环境影响的优 势，它是目前国际上应用最为广泛的污泥稳定化和资源化的处理方法。厌氧消化可以使污 泥中挥发性组分(VS)减少30%~50%，从而达到污泥稳定的目的和有利于后续资源化利 用。经厌氧消化后的污泥含有丰富的无机与有机肥效成分，适用于土地利用;经脱水过的厌 氧消化污泥残留物还可以作为发电厂或水泥厂的辅助燃料。污泥厌氧消化后得到甲烷，可 以用来发电以补充厌氧消化或污水厂内其他工艺用电需要，还可以作为动力燃料。因此厌 氧消化技术可以显著提高污泥资源化综合利用的水平。
[0004] 污泥厌氧消化过程可以分为三个阶段，即水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。污泥 水解速率较慢，是污泥消化的限速步骤。因此，在厌氧消化过程中，如果能够提高污泥水解 速率，则可为后续阶段提高更多的溶解性底物，从而提高产甲烷速率和反应过程的稳定性， 缩短厌氧消化时间。研究者们提出了诸多提高污泥水解速率的方法，包括酸碱、超声、水热 和臭氧等预处理方法。比如中国发明专利（申请号201110008876.7)利用二氧化氯/超声波 耦合技术处理污泥，该技术首先采用二氧化氯处理污泥，经快速搅拌后送入超声波反应器 中进行超声处理。这种利用物化方式对污泥进行减量化，提高污泥处理效率，降低3~20% 的能耗；中国发明专利（申请号201310129043.5)采用一种蒸汽爆破预处理污泥厌氧消化产 甲烷的方法，可以明显增加污泥可生化性，有利于厌氧微生物降解，提高污泥利用率和甲烷 产率；中国发明专利（申请号201210032615.3)通过联合投加中性蛋白酶和乙二胺四乙酸二 钠盐，并调节污泥pH和温度，使污泥菌胶团破裂，污泥中的有机物得到最大程度的释放和优 质转化，例如污泥的溶解性化学需氧量、多糖浓度和蛋白质浓度分别提高了 18~20、11~13 和1.5~2.5倍；中国发明专利（申请号201010266174.4)首先利用电化学氧化技术破坏污泥 絮体，实现对污泥的化学水解，其次在污泥厌氧酸化阶段，控制微生物菌群以产酸菌为主， 使水解后的污泥酸化发酵，在最后的产甲烷阶段，通过调控厌氧消化系统的pH值选择优势 产甲烷菌群，提高甲烷产率；中国发明专利（申请号201110409702.1)利用压力为1.0 ± 0.1 MP和温度为184±2°C的热蒸汽对污泥进行热水解，水解后的污泥进行高温厌氧消化。中 国发明专利（申请号200710002949)向污泥中加入0.001~5 %的有效微生物制剂，在常温和 兼氧条件下消化2小时~30天，使污泥减量化，并除去污泥中的有害微生物及臭味，稳定重 金属离子。消化后的污泥和上清液可部分或全部返回污水生化处理系统，使整个污水生化 处理系统不产生或少产生剩余污泥。本发明相对传统的污泥厌氧消化系统，系统处理能力 提高了 1.5~3倍，厌氧消化时间减少15~25 %，甲烷产率提高40~80 %。其中，造纸白泥能 高效破坏污泥菌胶团，加速细胞内有机质溶出、液化，为厌氧菌提供丰富、适宜的消化底物， 显著提高厌氧消化效率:相对于其他方法，本发明具有有机物溶出率高、操作简单、无需专 用设备和成本低等优势。
[0005] 造纸白泥来源于硫酸盐法制浆造纸的苛化工序，它是一种无机碱渣。造纸白泥粒 径范围为1~lOOym、比表面积为2.3~4.7m 2/g、密度为2620~2660kg/m3、pH为11~13。造纸 白泥的主要元素组成如下：35~39%Ca、2.5~3.5%Si、0.3~0.5%Al、1.5~2.5%Mg、1.0 ~1.5%Fe、0.1~0.3%Cu、4.0~5.0%Na、0.1~0.3%K、0.4~0.6%Mn、0.3~0.5%P、0.2 ~0.4%S、13~16%C、20~34%0。造纸白泥易造成土壤、水体和大气的立体污染，目前多以 填埋为主处理造纸白泥，其次作为建材使用，但因其产品附加值低、成本高和材料力学性能 差而导致资源化水平较低。
[0006]造纸白泥的表面特性使其能够作为微生物生长的载体和厌氧反应的场所;造纸白 泥的碱性能作为碱处理剂使用，协同微生物水解污泥;造纸白泥含有的无机矿物和微量元 素又可满足微生物生长所必要的无机营养盐需求。 目前，已经有研究利用造纸白泥作为暗发酵的碱性添加剂强化餐厨垃圾发酵产氢，如 中国发明专利（申请号201110333252.2)通过添加造纸白泥显著提高了餐厨垃圾发酵过程 的稳定性和氢气产率，提高了产氢菌活性;但这类废物发酵产氢后的残留物占发酵底物的 70~85%，导致原料利用率低;此外，发酵残留物经固液分离后的固体渣(发酵渣)制成生物 炭工艺存在能耗高的缺陷。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种污泥厌氧消化添加剂及其产甲烷的方法。将制浆造纸产生的无 机碱渣(造纸白泥)应用于厌氧消化产甲烷过程。一方面可以消除或减少造纸白泥的环境污 染;另一方面，利用造纸白泥作为碱性添加剂，为污泥厌氧消化系统的微生物提供生长代谢 的载体和消化反应场所、补充无机盐和微量元素、协同微生物提高污泥水解效率，提高产甲 烷菌活性、甲烷产气率和厌氧过程的稳定性。利用造纸白泥定向调控污泥水解酸化与甲烷 化的动态平衡过程。
[0008] 本发明是通过以下措施来实现的：一种污泥厌氧消化添加剂，其特征在于，所述污 泥厌氧消化添加剂为造纸白泥，造纸白泥的粒径范围为1~100μπι、比表面积为2.3~4.7m 2/ g、密度为2620~2660kg/m3、pH为11~13。造纸白泥的主要元素质量百分比组成如下：35~ 39%的Ca、2.5~3.5%的Si、0.3~0.5%的Α1、1·5~2.5%的Mg、1.0~1.5%的Fe、0.1~ 0.3%的(：11、4.0~5.0%的他、0.1~0.3%的1(、0.4~0.6%的]\111、0.3~0.5%的？、0.2~ 0.4%的S、13~16%的C、20~34%的0,上述各成分的总和为100%。
[0009] 本发明还提供造纸白泥的新用途，用于污泥厌氧消化。优选上述造纸白泥用于污 泥厌氧消化生产甲烷。造纸白泥不但可以加速污泥碱性水解速率，提供生化反应场所，补充 无机营养盐，而且定向调控污泥水解酸化与甲烷化的动态平衡过程，提高污泥甲烷产率。
[0010] 所述造纸白泥来源于硫酸盐法制浆造纸的苛化工序，是一种无机碱渣，以Ca⑶3为 主要成分。造纸白泥粒径范围为1.0~100μL?、比表面积为2.3~4.7m 2/g、密度为2620~ 26601^/1113、？!1为11~13，主要元素组成如下：35~39%〇3、2.5~3.5%51、0.3~0.5%八1、 1.5~2.5%Mg、1.0~1.5%Fe、0.1~0.3%Cu、4.0~5.0%Na、0.1~0.3%K、0.4~0.6%Mn、 0.3~0.5%?、0.2~0.4%5、13~16%(：、20~34%0，上述各成分的总和为100%。
[0011] 本发明还提供一种污泥厌氧消化添加剂促进产甲烷的方法，其特征是： (1) 按质量百分数计，将0.1~1.0%干燥的造纸白泥投加到污泥中，充分混合物料并用 水调节混合物料的pH值为7.5~8.0、固含量为5~15% ; (2) 将混合物料置入密闭的厌氧反应器内，在35~38 °C或53~55 °C与搅拌条件下对污 泥进行厌氧消化产甲烷。
[0012] 所述的造纸白泥可以干燥后使用，也可以不经干燥直接使用。干燥的造纸白泥添 加量为污泥质量的0.1~1.0%;也可以采用没有干燥过的造纸白泥，但造纸白泥添加量需 要折合成上述相应的干基质量百