申請日2015.06.10
公開(公告)日2015.09.16
IPC分類號C02F11/02; C02F11/12; C02F11/04
摘要
本發明涉及一種利用胞外聚合物裂解酶進行剩余污泥預處理的方法，包括以下步驟：(1)將剩余污泥的pH調節到4.0～5.0;(2)向經pH調節過的剩余污泥中，直接投放胞外聚合物裂解酶粉末，混合均勻，進行反應;(3)經酶預處理后的污泥直接進入脫水工序，或直接進行厭氧消化處理。與現有技術相比，本發明僅添加的少量胞外聚合物裂解酶就可以大幅提高污泥多糖的釋放率，形成糖類小分子，便于微生物利用;同時被糖類和類糖蛋白包裹的分子被釋放出來，也能提高污泥利用率，提高整體消化效率和脫水性能。酶處理前的酸化調理液還可以采用廢物發酵液，從而進一步降低處理成本。
摘要附圖
權利要求書
1.一種利用胞外聚合物裂解酶進行剩余污泥預處理的方法，其特征在于，包 括以下步驟：
(1)剩余污泥的酸化預調理：將剩余污泥的pH調節到4.0～5.0;
(2)酶預處理：向步驟(1)中經pH調節過的剩余污泥中，直接投放胞外聚 合物裂解酶粉末，混合均勻，進行反應;
(3)酶預處理后污泥的處理：經步驟(2)酶預處理后的污泥直接進入脫水工 序，或直接進行厭氧消化處理。
2.根據權利要求1所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進行剩余污泥預處理的 方法，其特征在于，步驟(1)中采用污泥、餐飲垃圾或生活垃圾廢物水解酸化后 生成的發酵液調節剩余污泥的pH。
3.根據權利要求1所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進行剩余污泥預處理的 方法，其特征在于，步驟(2)中，胞外聚合物裂解酶粉末添加量為31.5～38.5U/kg 干污泥。
4.根據權利要求1所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進行剩余污泥預處理的 方法，其特征在于，步驟(2)中，酶預處理的范圍溫度為20～60℃。
5.根據權利要求4所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進行剩余污泥預處理的 方法，其特征在于，步驟(2)中，酶預處理的范圍溫度為30～55℃。
6.根據權利要求5所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進行剩余污泥預處理的 方法，其特征在于，步驟(2)中，酶預處理的范圍溫度為30～40℃，此時酶預處 理的目的主要是改善脫水性能。
7.根據權利要求5所述的一種利用胞外聚合物裂解酶進行剩余污泥預處理的 方法，其特征在于，步驟(2)中，酶預處理的范圍溫度為50～55℃，此時酶預處 理的目的主要是改善厭氧消化性能。
說明書
一種利用胞外聚合物裂解酶進行剩余污泥預處理的方法
技術領域
本發明涉及一種對剩余污泥預處理方法，尤其是涉及一種利用胞外聚合物裂 解酶進行剩余污泥預處理的方法。
背景技術
污水廠剩余污泥是城市污水處理產生的主要二次污染物。目前中國的濕污泥 (含水率80%)產量已達3400萬噸/年。數量如此巨大的污泥如得不到妥善處置， 將對環境造成嚴重的二次污染。
剩余污泥的處理目標，是減少污泥處置量、提高污泥脫水率和降低污泥調理 劑用量。脫水性能和厭氧消化性能，是評價城市污水廠剩余污泥可處理性能的重要 指標。脫水是污泥處理的主要技術瓶頸，其費用可達污水廠年運行成本的 30%～50%，是污水廠運行管理的主要經濟指標。而厭氧消化是污泥穩定化、減量 化的常用技術，在削減揮發性固體和臭氣的同時，還可消滅污泥中的致病菌和寄生 蟲;厭氧消化產生的沼氣還能被作為可再生能源，生產熱能和電能，或替代汽油作 為運輸燃料;但目前污泥厭氧消化存在所需消化時間長、消化效率低、沼氣產量低 無法補償運行能耗等問題。
為了改善污泥的厭氧消化性能和脫水性能，可以采用各類預處理方法來縮短 污泥厭氧消化時間、提高厭氧消化效率、提高脫水效率，包括物理法、化學法和生 物法等三大類預處理方法。比如，申請號為200910227265.4的中國發明專利采用 的是“超聲—磁場”耦合的物理法破解污泥使污泥減量;申請號為201010562436.1 的中國發明專利利用“超聲波”物理法預處理改善污泥消化性能;申請號為 201210086018.9的中國發明專利利用“臭氧和磁場”強化污泥的好氧消化降解;申 請號為201110064020.1的中國發明專利采用“高溫和高壓”物理化學法對污泥進 行改性預處理然后再進行厭氧消化。堿解法、臭氧氧化法、氯氧化法是較常見的化 學預處理法。添加化學調理劑(如氯化鐵，石灰，聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚合 硅酸鋁等無機高分子絮凝劑、聚丙烯酰胺等有機高分子絮凝劑)是目前用于改善污 泥脫水性能的主要方法，但這些化合物會殘留在脫水污泥中，給脫水污泥的后續土 地利用帶來不確定的生態風險。而生物預處理法就是加入酶或者是接種生物菌，加 快污泥中有機物的降解。物理法和化學法存在產生三氯甲烷副產物、梅拉德反應抑 制后續生物降解、基建和運行費用大、能耗高、存在安全隱患等問題。相比而言。 生物預處理法的能耗、污染和成本都較低，安全性也更高，而越來越受到人們的重 視。
申請號為201110445557.2的中國發明專利采用“中性蛋白酶和α-淀粉酶” 強化剩余污泥的減量;申請號為201110262277.8的中國發明專利采用“蛋白酶、 淀粉酶、漆酶、纖維素酶等”多種生物酶制成復合生物酶制劑用于污泥的處理;申 請號為201210262361.4的中國發明專利也是采用“蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶” 等生物酶法加速污泥的好氧降解。Kopplow等(Enzymatic,mechanical and thermal pre-treatment of surplus sludge.Advances in Environmental Research,2003,7, 715–720)采用“碳水化合物水解酶”用于剩余污泥消化處理;陳偉等(胞外多聚 物對酶催化污泥厭氧水解的影響研究.環境科學,2011,32,8,2334-2339)采用“溶 菌酶、纖維素酶、蛋白酶”用于污泥的厭氧消化;Chee Wee Teo等(Enzyme augmentation of an anaerobic membrane bioreactor treating sewage containing organic particulates,Water Research,2014,48,335-344)采用“蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶” 復合生物酶制劑用于污泥的膜處理厭氧消化;Hui Huang等(Aging biofilm from a full-scale moving bed biofilm reactor:Characterization and enzymatic treatment study. Bioresource Technology,2014,154,122-130)采用“蛋白酶、淀粉酶”用于消化處理 老化生物膜。但已有的這些文獻表明應用于污泥消化的酶添加劑量大且酶處理針對 性不高，應用效果一般。另外，鮮見利用酶法提高污泥脫水性能的報道。
有機物，特別是污泥絮體胞外的生物大分子聚合有機物，是影響剩余污泥厭 氧降解和脫水的主要因素(Degradation of Extracellular Polymeric Substances(EPS) in anaerobic digestion of dewatered sludge.Procedia Environmental Sciences,2013,18, 515-521)。胞外聚合物對微生物細胞起保護作用，從而阻礙了厭氧微生物對有機基 質的利用;而且，胞外聚合物的高粘度會阻礙污泥的脫水，水分子通過靜電作用和 氫鍵與污泥胞外聚合物結合，胞外聚合物蛋白質和多糖中數量眾多的羧基和羥基基 團增強了胞外聚合物對水分的束縛力，這種結合作用受水分含量影響，并隨聚合物 含量的增加而增強。因此，胞外聚合物的去除會釋放結合的水分子，從而提高脫水 性能;會解除對污泥微生物細胞的束縛，從而提高厭氧消化性能。
胞外聚合物主要是由蛋白質和多糖構成的，因此，上述專利和文獻中利用到 的蛋白酶可以作用于蛋白質，淀粉酶和纖維素酶可以作用于多糖。但由于剩余污泥 的胞外聚合物總量一般在200～500mg/g-VS之間，即污泥有機質的20%～50%分布 在胞外，這意味著需要添加大量的蛋白酶、淀粉酶和纖維素酶才能水解去除聚合物， 從而大幅提高了處理成本。
因此，有必要尋找出一種生物酶，其少劑量投加就能使得污泥胞外聚合物產 生裂解(而不是整體有機物發生水解)，從污泥微生物細胞體上剝離下來，從而改 善污泥脫水性能和厭氧消化性能。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種利用胞外聚 合物裂解酶進行剩余污泥預處理的方法，以顯著改善剩余污泥得脫水性能和消化效 率。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種利用胞外聚合物裂解酶進行剩余污泥預處理的方法，包括以下步驟：
(1)剩余污泥的酸化預調理：將剩余污泥的pH調節到4.0～5.0，然后靜置 1～2hr;
(2)酶預處理：向步驟(1)中經pH調節過的剩余污泥中，直接投放胞外聚 合物裂解酶粉末，混合均勻，進行反應;
(3)酶預處理后污泥的處理：經步驟(2)酶預處理后的污泥直接進入脫水工 序，或直接進行厭氧消化處理。
優選地，步驟(1)中采用污泥、餐飲垃圾或生活垃圾廢物水解酸化后生成的 發酵液調節剩余污泥的pH，這些發酵液主要含乙酸、丙酸和丁酸。
優選地，步驟(2)中，胞外聚合物裂解酶粉末添加量為31.5～38.5U/kg干污 泥。
優選地，步驟(2)中，酶預處理的范圍溫度為20～60℃，更優選為30～55℃， 反應時間2～5hr。
步驟(2)中酶預處理的反應溫度范圍與污泥處理目的相對應。如果酶預處理 的目的主要是改善脫水性能，則最優反應溫度控制在30～40℃;如果酶預處理的目 的主要是改善厭氧消化性能，則最優反應溫度控制在50～55℃。
本發明利用一種胞外聚合物裂解酶來去除污泥胞外聚合物中存在的微量聚半 乳糖醛酸(一種維持胞外聚合物結構的有機物)，促進污泥胞外聚合物裂解成小分 子，從污泥微生物細胞體上迅速剝離下來，從而大大改善污泥的消化性能和脫水性 能，彌補現有酶預處理法的不足。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
1、本發明針對剩余污泥添加的胞外聚合物裂解酶可以大大提高污泥多糖的釋 放率，形成糖類小分子，便于微生物利用;同時被糖類和類糖蛋白包裹的分子被釋 放出來，也能提高污泥利用率，提高整體消化效率。
2、本發明添加的酶的目標底物是污泥胞外聚合物中存在的微量聚半乳糖醛 酸，而不是污泥的大宗有機物蛋白質和多糖，從而能大幅減少酶的使用量，而得到 較好的預處理效果。
3、胞外聚合物裂解酶的添加可以在污泥消化反應器中進行，不需要另外設置 處理單元，從而降低了處理成本，節約了運行時間。
4、胞外聚合物裂解酶的目標物也是細胞壁的組成成分，細胞壁的被破壞同時 可以增加消化過程中細胞的裂解，促進胞內物質的釋放，供其他微生物代謝利用， 加快污泥菌群代謝周期，持續提高污泥消化效率。
5、用于調節pH的酸性溶劑源于生物可降解廢物，而胞外聚合物裂解酶本身 都是生物可降解的，在厭氧消化階段會被去除、轉化成沼氣，因而降低了化學添加 劑殘留的風險，還能增加沼氣產量。
6、胞外聚合物裂解酶添加后促進污泥胞外聚合物結構的裂解，能大大提高污 泥的脫水性能，減少污泥減量化處理的經濟成本，具有明顯的經濟價值。
