本發(fā)明屬于有機(jī)廢水剩余污泥的厭氧消化領(lǐng)域，尤其涉及一種投加鼠李糖脂提升剩余污泥厭氧消化甲烷產(chǎn)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、水處理過程中會產(chǎn)生大量的污泥，污泥的處理處置已成為不可回避的重要問題。在污泥減量化、無害化、資源化的大背景下，厭氧消化技術(shù)已成為研究熱點。污泥經(jīng)過厭氧消化處理一方面可以降低污泥中有機(jī)物含量，促進(jìn)污泥穩(wěn)定，另一方面消化產(chǎn)生的沼氣經(jīng)熱電聯(lián)產(chǎn)可實現(xiàn)污泥中能源回收，剩余污泥中富含大量的有機(jī)物(蛋白質(zhì)：40-60％；多糖：10-20％；脂肪：10％)，剩余污泥被認(rèn)為是一個巨大的可再生資源庫，應(yīng)該重復(fù)使用，以回收資源和能源、降低污水處理廠的運營成本。一方面，厭氧消化可以將剩余污泥中的各種有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可再生生物能源甲烷，同時回收用來替代化石燃料，減少碳排放，相比于干化焚燒，處理1噸有機(jī)固渣，厭氧消化可以減少82.69kg?co2的碳排放量，實現(xiàn)剩余污泥資源化利用。另一方面，厭氧消化可以減小剩余污泥的體積和重量，實現(xiàn)剩余污泥減量化。

2、但由于活性污泥的水解性較差，活性污泥厭氧消化的甲烷產(chǎn)量通常不能令人滿意。表面活性劑具有增溶特性，可以改變泥水界面的張力和性質(zhì)，促進(jìn)剩余污泥絮凝體的解離及有機(jī)物水解。鼠李糖脂是一種生態(tài)友好型生物表面活性劑，相比于化學(xué)表面活性劑，毒性更低、生物降解性更好是生物表面活性劑的優(yōu)勢。鼠李糖脂對剩余污泥絮凝體中顆粒有機(jī)物具有明顯的增溶作用。對于鼠李糖脂誘導(dǎo)的胞外聚合物釋放，細(xì)菌可以利用這些溶解物質(zhì)高效地產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸。

3、中國專利申請?zhí)?02410518668.9公開了一種利用焦亞硫酸鹽預(yù)處理剩余污泥、促進(jìn)剩余污泥進(jìn)行厭氧消化水解的方法。該方法要使剩余污泥自然沉降4-36h，要求ph的范圍為8.8-9.2，溫度要求為20℃-25℃，更適合揮發(fā)性固體的濃度為4.0g/l-12g/l的剩余污泥。然而，污泥預(yù)處理過程的增加會提高整個污泥處理工藝的操作復(fù)雜性，同時增加污泥處理工藝運行成本。中國專利號202410448609.9公開了一種利用β-環(huán)糊精促進(jìn)污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的方法，其利用β-環(huán)糊精來強(qiáng)化剩余污泥厭氧消化過程中生物甲烷的產(chǎn)生。該方法首先要利用pbs緩沖溶液對厭氧污泥進(jìn)行沖洗和重懸，還要將pbs溶液處理過的剩余污泥和投加β-環(huán)糊精的剩余污泥按1：10配置。該方法處理步驟相對復(fù)雜、工程量大，并且耗時較長，過程中頻繁使用化學(xué)藥劑可能會產(chǎn)生二次污染。因此，提供一種低能耗、高負(fù)荷、環(huán)境友好、容易操作的污泥厭氧消化方法具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，而提供一種低碳智能投加鼠李糖脂提升固體廢棄物資源化的方法及系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中污泥發(fā)酵產(chǎn)甲烷的低速率問題，同時簡化了流程，增強(qiáng)了自動控制效果，可實現(xiàn)工業(yè)化和智能化推廣。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實現(xiàn)。

3、一種低碳智能投加鼠李糖脂提升固體廢棄物資源化的系統(tǒng)，包括投加系統(tǒng)(1)、反應(yīng)系統(tǒng)(2)、監(jiān)測系統(tǒng)(3)、智能控制系統(tǒng)(4)。其中，智能控制系統(tǒng)(4)同時連接投加系統(tǒng)(1)、反應(yīng)系統(tǒng)(2)、監(jiān)測系統(tǒng)(3)；監(jiān)測系統(tǒng)(3)連接投加系統(tǒng)(1)和反應(yīng)系統(tǒng)(2)；監(jiān)測系統(tǒng)(3)實時監(jiān)測投加系統(tǒng)和反應(yīng)系統(tǒng)的狀態(tài)，并通過電信號傳輸至智能控制系統(tǒng)(4)，智能控制系統(tǒng)(4)通過分析和擬合反作用于投加系統(tǒng)(1)和反應(yīng)系統(tǒng)(2)，輸入指令遠(yuǎn)端控制其電機(jī)功率，閥門開度

4、所述的投加系統(tǒng)外設(shè)驅(qū)動裝置a(1-1)；內(nèi)設(shè)電機(jī)a(1-5)、連接軸a(1-6)、轉(zhuǎn)動軸a(1-7)、攪拌槳(1-8)；電機(jī)a(1-5)連接至驅(qū)動裝置a(1-1)，電機(jī)a(1-5)作為動力源，由驅(qū)動裝置a(1-1)的智能控制器控制其功率，其通過連接軸a(1-6)將動力傳遞給轉(zhuǎn)動軸a(1-7)，進(jìn)而帶動攪拌槳(1-8)進(jìn)行攪拌作用，該投加系統(tǒng)用于鼠李糖的預(yù)處理；投加系統(tǒng)側(cè)壁設(shè)有取樣口a(1-2)、出料口連接反應(yīng)系統(tǒng)(2)，連接通道上設(shè)有閥門(1-3)、流量泵(1-4)，裝置側(cè)壁設(shè)置觀察口(1-5)，側(cè)面配備投加高度指示器(1-9)及投加量指示器(1-10)。

5、所述的反應(yīng)系統(tǒng)(2)包括厭氧發(fā)酵裝置和集氣裝置，厭氧發(fā)酵裝置頂部設(shè)有驅(qū)動裝置b(2-2)、加料口(2-1)、入料濾口(2-3)；側(cè)壁上部設(shè)有通氣孔(2-4)，側(cè)壁下部設(shè)有取樣孔b(2-5)，底部設(shè)有加熱裝置(2-6)；入料濾口(2-3)用于通入預(yù)處理后的活性污泥，加料口(2-1)用于藥劑的投加；厭氧發(fā)酵裝置產(chǎn)氣通過鼓風(fēng)機(jī)(2-7)連接至集氣裝置側(cè)下方；集氣裝置包括：集氣桶(5)、桶體設(shè)有取樣孔c(5-2)，在與厭氧發(fā)酵裝置的連接管道上設(shè)有止回閥(5-1)。

6、厭氧發(fā)酵裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括：電機(jī)b(2-8)、連接軸b(2-9)、轉(zhuǎn)動軸b(2-10)、固定架(2-11)、升料管(2-12)、螺旋攪拌葉片(2-13)、進(jìn)料孔(2-14)、斜坡(2-15)；其中，電機(jī)b(2-8)作為動力源，連接驅(qū)動裝置b(2-2)的智能控制器控制其功率，電機(jī)b通過連接軸b(2-9)連接轉(zhuǎn)動軸b(2-10)，轉(zhuǎn)動軸b上設(shè)有螺旋攪拌葉片(2-13)；螺旋攪拌葉片設(shè)置在升料管(2-12)中，混合原料通過螺旋攪拌葉片(2-13)攪動，在升料管(2-12)中抬升，從升料管上方涌出，在升料管外部的污泥由于葉片攪動作用和底部斜坡(2-15)的輸送，從升料管底部的進(jìn)料孔(2-14)再次進(jìn)入升料管(2-12)進(jìn)行攪拌和抬升，以此反復(fù)產(chǎn)生震蕩作用；

7、所述的監(jiān)測系統(tǒng)包括：溫度傳感器、氣壓傳感器、液位傳感器；其中，投加系統(tǒng)(1)上設(shè)置溫度傳感器，反應(yīng)系統(tǒng)(2)上設(shè)置溫度傳感器和液位傳感器，集氣桶(5)上設(shè)置氣壓傳感器；監(jiān)測系統(tǒng)檢測的參數(shù)通過電信號傳輸至智能控制系統(tǒng)的輸入模塊(4-1)，經(jīng)過擬合與分析，輸出至輸出模塊(4-2)和預(yù)警模塊(4-3)，遠(yuǎn)端控制閥門和裝置，并進(jìn)一步指導(dǎo)投料和反應(yīng)進(jìn)度，確保反應(yīng)的安全高效運行。

8、一種低碳智能投加鼠李糖脂提升固體廢棄物資源化的方法，原料鼠李糖脂經(jīng)過預(yù)處理后，由投加系統(tǒng)(1)送進(jìn)反應(yīng)系統(tǒng)(2)，與預(yù)處理后的剩余污泥混合發(fā)酵進(jìn)行產(chǎn)氣，氣體由集氣設(shè)備(5)收集，過程經(jīng)監(jiān)測系統(tǒng)(3)反應(yīng)，智能控制系統(tǒng)分析并輸出正確程序指令，高效安全完成投加和反應(yīng)階段。具體步驟如下：

9、步驟一：取固體廢棄物，經(jīng)預(yù)處理后，按最佳配比進(jìn)行混合，得到厭氧發(fā)酵原料；取某制藥公司鼠李糖脂原料，并通入自動投加裝置(1)，在投加裝置中，原料通過溫度傳感器和取樣口a(1-2)的數(shù)據(jù)收集反映并輸入到模塊(4-1)，系統(tǒng)根據(jù)原料溫度和流動性狀態(tài)判斷是否達(dá)到通入反應(yīng)系統(tǒng)要求，若溫度低于25℃，并且原料流動性不佳則將信號輸入至輸出模塊(4-2)，打開驅(qū)動裝置a(1-1)進(jìn)行攪拌，增加鼠李糖脂原料流動性便于投加；為控制嚴(yán)格厭氧環(huán)境，保護(hù)反應(yīng)物不受氧化。智能控制系統(tǒng)(4)于通氣孔(2-4)通入氮氣排除反應(yīng)器中的空氣，防止空氣中的水分和雜質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)器，從而保證反應(yīng)的純度和穩(wěn)定性，并打開取樣口c(5-2)，進(jìn)行反應(yīng)系統(tǒng)的氮氣吹掃預(yù)處理，歷時3-5分鐘。

10、步驟二：反應(yīng)階段將經(jīng)過預(yù)處理的厭氧發(fā)酵原料從入料濾口(2-3)投入反應(yīng)系統(tǒng)(2)中，從加料口(2-1)投入鼠李糖脂，從加料口(2-1)投入ph調(diào)節(jié)劑，在反應(yīng)系統(tǒng)中發(fā)生厭氧反應(yīng)，生成甲烷氣體，氣體被輸送集氣桶中；保持反應(yīng)器ph濃度6.5-7.2，反應(yīng)器溫度為32-36℃，并以150-200rpm轉(zhuǎn)速每隔4-6小時攪拌一次，每次攪拌60-90分鐘。

11、步驟三：調(diào)控階段，根據(jù)傳感器信息和取樣分析信息，控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并通過電信號輸入至輸入模塊(4-1)，再將信號輸入至輸出模塊(4-2)遠(yuǎn)端控制裝置重新進(jìn)行投加量優(yōu)化。

12、借助投加系統(tǒng)側(cè)壁的高度指示器(1-9)顯示投加系統(tǒng)中鼠李糖脂的實時高度ht，并通過計算得出流量泵輸送流量q1，顯示在投加量指示器(1-10)上

13、

14、其中，q1為流量泵輸送流量，單位為m3/h；

15、s1為投加系統(tǒng)(1)裝置的底面積，單位為m2；

16、t1為氣動閥(1-3)的開啟時間，單位為s；

17、固體廢棄物包括城市污水處理廠的剩余污泥、餐廚垃圾以及畜禽養(yǎng)殖場的畜禽糞便，其預(yù)處理方式及要求分別為：

18、剩余污泥：使用前先用2.0mm不銹鋼篩網(wǎng)將污泥過濾，去除其中的大顆粒物質(zhì)，然后在4℃下自然沉降24h，去除上清進(jìn)行濃縮，并使用ph調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)ph值。預(yù)處理后的剩余污泥應(yīng)滿足：總懸浮物(tss)≤30.00g/l，揮發(fā)性懸浮物(vss)≤15.00g/l；ph濃度6.5-7.2；

19、餐廚垃圾：使用壓濾機(jī)將其粉碎成漿液，并使用ph調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)ph值。預(yù)處理后的餐廚垃圾應(yīng)滿足：總懸浮物(tss)濃度為15.00-20.00g/l，揮發(fā)性懸浮物(vss)濃度為10.00-15.00g/l；ph濃度為6.0-6.5；

20、畜禽糞便：使用不銹鋼篩網(wǎng)將污泥過濾，去除其中的大顆粒物質(zhì)，并使用ph調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)ph值。預(yù)處理后的預(yù)處理后的餐廚垃圾應(yīng)滿足：揮發(fā)性懸浮物(vss)濃度為25～35g/l，ph濃度為7.0-8.0。

21、在正式運行前，三種固體廢棄物的最優(yōu)投加比例首先通過預(yù)運行確定，具體步驟為：

22、記剩余污泥的投加比例為m1、餐廚垃圾的投加比例為m2、畜禽糞便的投加比例為m3，三者滿足m1+m2+m3＝1。采用中心復(fù)合設(shè)計(central?composite?design,ccd)確定最佳m1、m2及m3配比，設(shè)置m1、m2及m3投加量的五個水平分別為0、0.2、0.4、0.6和0.8，預(yù)運行所采用的投加比矩陣如下表所示：

23、

24、其中，批次1-3為頂點實驗、批次4-6為邊中點實驗、批次7為中心點實驗、批次8-12為其他實驗點。

25、各批次實驗均運行10天，監(jiān)測系統(tǒng)(3)記錄從反應(yīng)開始至第10天每天的累積產(chǎn)甲烷量…，采用修正的gompertz方程模擬，得到各批次實驗最大甲烷生產(chǎn)潛力pm。以各批次實驗最大甲烷生產(chǎn)潛力pm為響應(yīng)值，使用r軟件建立響應(yīng)面模型，以確定剩余污泥、餐廚垃圾及畜禽糞便的最佳投加比例，依次為和

26、步驟一中，鼠李糖脂預(yù)處理過程，根據(jù)溫度傳感器a(3-1)監(jiān)測溫度低于25℃，智能控制系統(tǒng)(4)將打開驅(qū)動裝置a(1-1)進(jìn)行攪拌，增加鼠李糖脂原料流動性便于投加；保持發(fā)酵反應(yīng)器的厭氧環(huán)境的方法為向發(fā)酵反應(yīng)器中通入氮氣10～20min。

27、步驟二中，反應(yīng)階段鼠李糖脂的投加量依據(jù)根據(jù)產(chǎn)甲烷量實時調(diào)整，具體調(diào)整方式為：

28、1)從反應(yīng)開始階段，監(jiān)測系統(tǒng)(3)每天實時監(jiān)測集氣桶(5)中的產(chǎn)氣量以及甲烷濃度，第t天，監(jiān)測得到每小時氣體產(chǎn)生量其中，t為反應(yīng)的天數(shù)；同時監(jiān)測每小時氣體中甲烷的濃度計算得到第t天的產(chǎn)氣量gt：

29、

30、并通過統(tǒng)計得出第t天的實際累積產(chǎn)氣量

31、

32、2)同時監(jiān)測系統(tǒng)(3)對從反應(yīng)開始至第t-1天的累積產(chǎn)氣量采用修正的gompertz方程模擬，以考察甲烷產(chǎn)生情況。

33、

34、擬合得到第t-1天的最大產(chǎn)甲烷速率以及最大甲烷生產(chǎn)潛力并根據(jù)擬合出的結(jié)果計算第t天的預(yù)計累積產(chǎn)氣量計算得到實際累積產(chǎn)氣量與預(yù)計累積產(chǎn)氣量之比此外，對從反應(yīng)開始至第t天的累積產(chǎn)氣量也采用修正的gompertz方程模擬，得到第t天的最大產(chǎn)甲烷速率以及最大甲烷生產(chǎn)潛力

35、3)投加系統(tǒng)對第t-1天的鼠李糖脂投加量進(jìn)行修正，得到第t天的投加量

36、

37、式中，xt、xt-1分別為第t天及第t-1天的鼠李糖脂投加量；

38、k1為產(chǎn)氣擬合修正系數(shù)，k2為甲烷速率修正系數(shù)，k3為產(chǎn)甲烷潛力修正系數(shù)；其中，k1取值滿足：

39、

40、反應(yīng)系統(tǒng)(2)根據(jù)計算結(jié)果修正從加料口(2-1)投入鼠李糖脂的投加量。智能控制系統(tǒng)模擬甲烷產(chǎn)量yx在不同鼠李糖脂投加量下與天數(shù)的關(guān)系：

41、yx＝∫0taxt2+bxt+cx

42、其中，x為鼠李糖脂投加量。

43、優(yōu)選的，其中發(fā)酵天數(shù)t應(yīng)滿足32d≤t≤36d最佳；

44、智能控制系統(tǒng)模擬氫氣產(chǎn)量y2和鼠李糖脂投加量x的關(guān)系：

45、y2＝∫0tb2x+c2

46、其中發(fā)酵天數(shù)t應(yīng)滿足2d≤t≤14d；系數(shù)1.5≤b2≤2.0。

47、所述氣體含量是通過采用agilent?7820a型氣相色譜儀檢測，智能控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)模擬選擇最佳產(chǎn)量并控制鼠李糖脂最佳投加量。

48、特別的，為保持系統(tǒng)安全，檢測控制程序如下：

49、

50、當(dāng)p≥0.85pm時，開啟通氣孔c(5-2)接入下一個集氣桶；當(dāng)p≥0.95pm時，智能控制系統(tǒng)預(yù)警模塊(4-3)遠(yuǎn)端關(guān)閉氣動閥(1-3)、流量泵(1-4)和鼓風(fēng)機(jī)(2-7)。確保反應(yīng)安全進(jìn)行。

51、其中，pm是集氣桶能承受的最大內(nèi)壓；

52、σ是材料的許用應(yīng)力，可以根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度和安全系數(shù)確定；

53、ν是材料的泊松比；

54、r是集氣桶或反應(yīng)系統(tǒng)的內(nèi)半徑。

55、每次厭氧消化結(jié)束后，智能控制系統(tǒng)均記錄下甲烷產(chǎn)量與天數(shù)的擬合參數(shù)ax、bx、cx，并與先前的記錄比較，修正得到下一次鼠李糖脂的初始投加量x0，具體過程如下：

56、第n次反應(yīng)后，智能控制系統(tǒng)依據(jù)擬合結(jié)果得到本次反應(yīng)的產(chǎn)甲烷動力參數(shù)和并與前n-1次的結(jié)果進(jìn)行比較，得到：

57、

58、其中，

59、智能控制系統(tǒng)計算得到第n+1次鼠李糖脂的初始投加量

60、

61、有益效果：本發(fā)明通過在剩余污泥中投加鼠李糖脂，對剩余污泥的產(chǎn)甲烷過程均促進(jìn)效果。該研究結(jié)果為優(yōu)化鼠李糖脂對污水廠、餐廚垃圾和畜禽糞便成分下的剩余污泥在厭氧消化中的使用提供了一條新途徑。