CN101250564A - 一种提高污泥生产有机酸中丙酸含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种通过补充碳水化合物和控制反应时的pH值，以污水处理厂的剩余污泥和日常生活中产生的城市易腐有机废物的混合物为原料，在常温条件下利用剩余污泥中微生物的发酵作用提高所生产有机酸中丙酸含量的方法。微生物的作用pH值为5－9，混合物在反应器中的停留时间为12小时－12天。本发明不仅实现了剩余污泥和城市易腐有机废物的减量化、稳定化和资源化，减少了二者对环境的污染，同时产生了对污水生物除磷脱氮微生物有利的有机酸。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及提高污泥生产有机酸中丙酸含量的方法。
背景技术
短链脂肪酸(包括乙酸、丙酸等)是污水生物处理过程中除磷脱氮微生物所需的优先使用的重要有机碳源。由于其在于污水中(特别是中国南方地区)的含量较低，为了保持生物除磷脱氮过程的高效性和稳定性，常需要另外补充碳源。
发明人以往的研究表明，剩余污泥在碱性条件下发酵能产生大量短链脂肪酸(文献Environmental Science & Technology，2006，40，2025-2029)。将剩余污泥在碱性条件下发酵得到的有机酸用于增强生物除磷(EBPR)工艺，生物除磷效果可以得到显著地提高(文献Environmental Science & Technology，2007，41，7126-7130)。
发明人以往的研究表明，丙酸作为生物除磷的碳源比乙酸有更好的除磷效果(文献Water Research，2004 38，27-36)。但是，在剩余污泥碱性发酵研究中发现，由于污泥中的蛋白质含量较高而碳水化合物含量较低(前者约为后者的5倍)，致使所产有机酸中乙酸的比例高达45％(以COD计)，而丙酸仅为16％。因此，对污水处理厂来说，当应用剩余污泥发酵产生的有机酸作为补充碳源时，为了进一步提高污水生物除磷的效果，有必要研究出一种提高污泥生产有机酸中丙酸含量方法。鉴于剩余污泥中的氮和磷的含量高、碳的含量低，而城市易腐有机废物(例如餐厨垃圾和果蔬等)中碳水化合物含量较高，且其产量较大，因此，本发明提出了剩余污泥和城市易腐有机废物联合发酵，高效生产高丙酸含量有机酸的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高污泥生产有机酸中丙酸含量的方法，既满足污泥和城市易腐有机废物处理的需要，又能产生对污水增强生物除磷更加有利的有机酸。
本发明提出的提高污泥生产有机酸中丙酸含量的方法，具体步骤如下：在常温条件下，将污水处理厂产生的剩余污泥和城市易腐有机废物置于反应器中混合均匀，混合物通过非产甲烷菌属微生物(如梭菌属、枝杆菌属、丁酸弧菌属或真菌属等)，处于非溶解状态的有机物通过水解和酸化过程转化为有机酸。不溶性的有机物经过水解后，分子上原有的极性基团被水分子的羟基取代，使得有机物的极性和溶解度发生变化；溶解性的有机大分子化合物被微生物产生的水解酶进一步水解成低分子量的有机物；最终将混合物中的有机物转化为丙酸含量较高的有机酸，控制微生物作用的pH值为5-9，混合物在反应器中的停留时间为12小时-12天，剩余污泥与易腐有机废物的干重比为1∶3-3∶1。
本发明中，更佳的作用条件为：
微生物作用的pH值为6-8。
混合物在反应器中的停留时间时间为4天-10天。
本发明采用剩余污泥和城市易腐有机废物为原料，通过微生物的作用将其高效转化为丙酸含量较高的有机酸的基本原理是：处于非溶解状态的有机物通过水解和酸化过程转化为有机酸。不溶性的有机物经水解后，其自身的极性和溶解度都发生很大变化。溶解性的有机大分子化合物，如蛋白质和多糖，在微生物的体外被微生物产生的水解酶进一步水解为低分子量的有机物。这一过程反复进行直到水解产物足够小，以至于可以被微生物细胞直接吸收同化。被微生物吸收的有机物进入酸化发酵阶段，最终被转化为脂肪酸。其中，较高级的脂肪酸将通过β-氧化机理进一步氧化，脂肪链羧基末端的两个碳原子脱下，形成分子更小的脂肪酸和乙酸。对于偶数个碳原子的脂肪酸，经逐步降解后形成乙酸；对含有奇数个碳原子的脂肪酸，最终降解为丙酸。本发明所述的发酵过程所产有机酸中丙酸的含量之所以得到提高，是由于城市易腐有机废物的加入致使在发酵阶段形成了大量含有奇数个碳原子的脂肪酸，最终降解为丙酸。
剩余污泥和城市易腐有机废物联合发酵生产丙酸含量较高有机酸的过程中，如果酸化时的发酵条件得不到很好的控制，酸化产物很容易进入产甲烷阶段。因此，合理控制酸化时的发酵条件，使生物转化后的产物成为需要的目的有机物是实现高效有机酸生产的关键。
本发明中主要控制的发酵条件包括反应时的pH值和混合物在反应器中的停留时间。本发明的研究表明，反应时的pH值在5-9的范围内都可保持产生的有机酸中丙酸的含量较高；有机酸的产量在一定的温度范围内随温度的升高而增加。综合考虑，本发明采用的较合适的pH值为6-8。此外，混合物在反应器中的停留时间也对丙酸含量较高有机酸的合成产生一定的影响。本发明中，混合物在反应器中的停留时间为12小时-12天，较为合适的停留时间为4天-10天。
本发明中，底物是城市污水处理厂产生的剩余污泥和城市易腐有机废物。产酸微生物利用混合物中的有机物作为其生长、代谢及产生各种有机酸的碳源。对于处于非溶解状态的有机物，因为不能被微生物所直接利用，需要微生物细胞外水解酶的作用使其水解为溶于水的小分子有机物，再被微生物细胞利用并转化为丙酸含量较高的有机酸。此外，作为本发明的底物之一的剩余污泥中还含有氮、磷以及一些微量元素，它们也是微生物生长代谢所必需的营养物质。
本发明的有益效果是：
(1)利用城市污水处理厂的剩余污泥和城市易腐有机废物联合发酵生产丙酸含量较高的有机酸，不仅同时对两种废物进行了处理，减少了它们对环境的污染，而且产生了有较高附加值的有机酸。
(2)产生的高丙酸含量的有机酸可用于补充污水厂生物除磷脱氮工艺中碳源的不足，满足除磷脱氮微生物，尤其是除磷微生物对碳源的需求，从而可以降低出水中氮、磷等营养元素的浓度，防止水体富营养化的发生。
(3)在剩余污泥和城市易腐有机废物的联合发酵作用下，产生的有机酸中的丙酸含量明显高于单独由剩余污泥产生的有机酸中的丙酸含量。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入A/O法产生的剩余污泥(其含水率为99.3％，pH＝6.8)作为发酵产酸的底物，反应温度为20±1℃(本发明适用于任何常规温度，这里仅以20±1℃为例，以下实施例同)。将反应器中污泥的pH值调节为10，通过微生物的作用，将非水溶解状态的污泥有机物转化为有机酸。剩余污泥在反应器中的停留时间为8天，制得有机酸2708.1毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为45.8％，丙酸为16.5％。
实施例2
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，以干重比2∶1加入A/O法产生的剩余污泥和日常生活中产生的城市易腐有机废物作为发酵产酸的底物，反应温度为20±1℃。将反应器中污泥的pH值调节为5，通过微生物的作用，将非水溶解状态的有机物转化成有机酸。混合物在反应器中的停留时间为12小时，值得有机酸402.1毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为38.3％，丙酸为25.7％。
实施例3
实施例3的操作步骤如实施例2所述，将反应器中混合物的pH值调节为6，通过微生物的作用，将非水溶解状态的有机物转化成有机酸。混合物在反应器中的停留时间为6天，值得有机酸6477.7毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为33.5％，丙酸为32.9％。
实施例4
实施例4的操作步骤如实施例2所述，将反应器中混合物的pH值调节为7，通过微生物的作用，将非水溶解状态的有机物转化成有机酸。混合物在反应器中的停留时间为6天，值得有机酸6801.1毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为29.7％，丙酸为34.9％。
实施例5
实施例5的操作步骤如实施例2所述，将反应器中混合物的pH值调节为8，通过微生物的作用，将非水溶解状态的有机物转化成有机酸。混合物在反应器中的停留时间为6天，值得有机酸9369.3毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为32.8％，丙酸为33.7％。
实施例6
实施例6的操作步骤如实施例2所述，将反应器中混合物的pH值调节为9，通过微生物的作用，将非水溶解状态的有机物转化成有机酸。混合物在反应器中的停留时间为6天，值得有机酸6203.5毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为36.0％，丙酸为29.0％。
实施例7
实施例7的操作步骤如实施例2所述，将反应器中混合物的pH值调节为8，通过微生物的作用，将非水溶解状态的有机物转化成有机酸。混合物在反应器中的停留时间为8天，值得有机酸9520.7毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为33.6％，丙酸为32.7％。
实施例8
实施例8的操作步骤如实施例2所述，将反应器中混合物的pH值调节为8，通过微生物的作用，将非水溶解状态的有机物转化成有机酸。混合物在反应器中的停留时间为10天，值得有机酸9625.3毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为32.5％，丙酸为32.4％。
实施例9
实施例9的操作步骤如实施例2所述。将反应器中混合物的pH值调节为9，通过微生物的作用，将非水溶解状态的有机物转化成有机酸。混合物在反应器中的停留时间为12天，值得有机酸9250.4毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为28.7％，丙酸为33.8％。
实施例10
实施例10的操作步骤如实施例2所述。以干重比3∶1加入A/O法产生的剩余污泥和日常生活中产生的城市易腐有机废物作为发酵产酸的底物，将反应器中混合物的pH值调节为8，通过微生物的作用，将非水溶性的有机物转化为有机酸。混合物在反应器中的停留时间为6天，值得有机酸7601.4毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为40.2％，丙酸为22.5％。
实施例11
实施例11的操作步骤如实施例2所述。以干重比1∶3加入A/O法产生的剩余污泥和日常生活中产生的城市易腐有机废物作为发酵产酸的底物，将反应器中混合物的pH值调节为8，通过微生物的作用，将非水溶性的有机物转化为有机酸。混合物在反应器中的停留时间为6天，值得有机酸8437.2毫克每升(以化学需氧量计)，其中乙酸所占比例为39.2％，丙酸为32.6％。
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应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施做出各种修改，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，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1. 一种提高污泥生产有机酸中丙酸含量方法，其特征在于：在常温条件下，将污水处理厂产生的剩余污泥和城市易腐有机废物置于反应器中混合均匀，混合物通过非产甲烷菌属微生物的作用，处于非溶解状态的有机物通过水解和酸化过程转化为有机酸，不溶性的有机物经过水解后，分子上原有的极性基团被水分子的羟基取代，使得有机物的极性和溶解度都发生变化。溶解性的有机大分子化合物被微生物产生的水解酶进一步水解成低分子量的有机物；最终将混合物混合物中的有机物转化为丙酸含量较高的有机酸，控制微生物作用的pH值为5-9，混合物在反应器中的停留时间为12小时-12天，剩余污泥与易腐有机废物的干重比为1∶3-3∶1。
2. 根据权利要求1所述的一种提高污泥生产有机酸中丙酸含量方法，其特征在于所述微生物作用的pH值为6-8。
3. 根据权利要求1所述的一种提高污泥生产有机酸中丙酸含量方法，其特征在于所述混合物在反应器中的停留时间时间为4天-10天。
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