[发明专利]一种快速评价剩余污泥厌氧生物转化产甲烷的方法

说明书

本发明提供了一种快速评价剩余污泥厌氧生物转化产甲烷的方法，该方法基于剩余污泥的结构特点，利用分形维数表征污泥结构的紧密与疏松程度，发现了污泥分形维数与厌氧生物转化产甲烷潜势存在显著的负相关；基于污泥颗粒表面结合位点的概念，发现了污泥颗粒表面位点密度与污泥厌氧生物转化产甲烷速率存在显著的正相关；因此，结合分形维数和表面位点密度构建了判定方程来评价污泥产甲烷的潜势与速率；与现有评价方法相比，本发明方法无需通过长时间生化产甲烷潜势实验来评价剩余污泥的厌氧生物转化产甲烷效率，避免了繁琐的实验流程和较长的测定周期，丰富了当前表征污泥性质的指标体系，在污泥厌氧生物处理的研究与实践中有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于污泥厌氧生物处理技术领域，具体涉及一种快速评价剩余污泥厌氧生物转化产甲烷的方法。

背景技术

随着活性污泥法在污水处理厂的普及应用，大量废弃的污泥产生。据不完全统计，2018年，我国污泥年产量已突破6000万吨(以80％含水率计算)。污泥中含有大量的污染物质，如不妥善的处理处置将会引起严重的二次污染。厌氧消化技术能够在处理污染物质的同时回收能源(如甲烷)，是实现污泥资源化综合利用的主流技术。甲烷产生速率常数(k)和净累积甲烷产量(NCMP)是评价污泥厌氧生物转化产甲烷的主要指标，k值越大，说明污泥有机质厌氧生物转化为甲烷越快；NCMP值越大，说明污泥有机质越容易厌氧生物转化产甲烷。但获得k和NCMP值通常需要超过20天的生化产甲烷潜势(BMP)测试实验，实验周期长(20天)且易失败，极大限制了污泥厌氧生物转化产甲烷的研究效率。因此，迫切需要一种能够通过分析污泥理化结构和性质快速评价其厌氧生物转化产甲烷效率(主要用于表征污泥产甲烷速率和潜势)的方法。

基于表征大自然中不规则物体的分形理论，研究者们提出了污泥结构的基本形貌具有自相似性，适用于分形理论。分形维数(D_f)越高，污泥内部颗粒间的结合越密实，结构越紧凑；分形维数(D_f)越低，则污泥结构越疏松。实际上，污泥有机质是一种重要的污泥结构组分，污泥厌氧生物转化产生的甲烷主要来源于污泥有机质，因此，污泥的甲烷产量与污泥结构必然存在着内在联系，即用于表征污泥结构的D_f可以表征污泥有机质的厌氧生物转化产甲烷潜势。

基于对污泥颗粒的表面酸度和表面静电性质的研究，研究者们揭示了羧基是影响污泥表面性质的主要官能团，同时发现污泥表面位点主要由一元弱酸盐的形式构成，能结合H质子。一方面，在污泥厌氧生物转化产甲烷过程中，酶分子和厌氧微生物主要通过与污泥表面位点接触进行厌氧生化反应，另一方面，污泥有机质从固态颗粒的溶出和水解也取决于污泥颗粒表面性质。污泥颗粒表面位点密度(SSD)是基于污泥表面总位点浓度构建，计算得到的SSD直接与酶分子结合位点关联，酶分子的结合位点关乎酶催化反应的效率，而酶催化反应的效率则直接影响着污泥厌氧生物转化产甲烷效率，尤其直接决定污泥有机质的产甲烷速率。

综合上述，通过整合D_f和SSD可构建一种通过分析污泥理化结构和性质快速评价其厌氧生物转化产甲烷效率(主要用于表征污泥产甲烷速率和潜势)的方法。

发明内容

针对现有技术中评价污泥厌氧生物转化产甲烷性能的指标存在测定周期长、易失败和实验繁琐的问题，构建了以污泥分形维数(D_f)和污泥颗粒表面位点密度(SSD)为基础的污泥厌氧消化效率判定方程，提出了一种快速的评价剩余污泥厌氧生物转化产甲烷的方法。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种快速评价剩余污泥厌氧生物转化产甲烷的方法，其包括如下步骤：

(1)、基于污泥结构基本形貌的自相似性，运用分形理论，通过激光粒度分析仪获得散射角q和散射光强I，通过瑞利散射公式计算得到污泥颗粒的分形维数(D_f)；