CN103540619A - 一种定向调控木薯酒精废水厌氧发酵产酸组分的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于废水资源化领域，具体涉及一种定向调控木薯酒精废水厌氧产酸组分的方法。本发明利用木薯酒精废水碳水化合物含量高，氮磷含量相对低的特性，采用厌氧发酵制备挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，作为废水处理碳源或者其他化工原料。通过改变发酵系统pH的调控频次，实现定向控制发酵产物挥发酸主要组分的目的。
Description
技术领域
本发明属于废水资源化领域，具体涉及一种定向调控木薯酒精废水厌氧产酸组分的方法。
背景技术
挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids, VFAs）长久以来被认为是厌氧发酵过程中的高附加值生物化学品。以挥发酸作为平台，可进一步开发生物燃料如甲烷，生物氢，生物柴油等，以及其他生物化学品，如生物塑料聚羟基脂肪酸脂（PHA）等。另外，VFAs本身作为脱氮除磷外碳源时，具有反硝化效率高，容易被微生物利用，且容易通过有机废水或污泥等有机质厌氧发酵获得等优点。最近几年，有报道表明剩余污泥酸化发酵液可以用作污水厂补充碳源，但是存在发酵液含有较高浓度的氨氮及磷需要进一步预处理，同时污泥酸化产生的碳源不足以供给污水厂所需的外碳源。此外，基于某些城市有机质碳水化合物含量高，而氮磷含量少的特性，很多研究的焦点转移到利用城市有机质如食品废物，酒糟，淀粉废水等发酵产生的VFAs作为外加碳源。因此，如何最大限度的提高有机质向VFAs的转化率有重要的意义，若进一步将VFAs作为原料生产其他化工产品时，则对VFAs组分有更严格的要求。研究表明，pH作为影响厌氧发酵过程的关键因素之一，不仅对发酵液中挥发酸的浓度有较大影响，在很大程度上也影响挥发酸的组成。但是这些研究主要集中在不同的发酵pH之间的横向比较。本发明提出通过控制pH的调节频率，进而定向调控VFA主要组分，同时提高产物中VFAs的浓度。
发明内容
本发明的目的在于以木薯酒精废水作为厌氧发酵基质，通过对pH调节方式的改变，达到提高发酵液中VFAs的浓度，以及定向调控产物中挥发酸组分分布的目的。所产生的发酵液为反硝化提供一种快速可利用的外加碳源新类型，也为木薯酒精废水提供一条新的资源化利用途径。同时为定向调控厌氧发酵过程中挥发酸的组成提供一种新思路。
本发明操作方便，在中温条件和碱性范围内（8-9），通过提高pH的调节频率，提高木薯酒精废水中VFAs的浓度，并在一定程度上控制各类挥发酸的比例。
本发明提出的一种定向调控木薯酒精废水厌氧产酸组分的方法，具体步骤如下：
启动发酵，将木薯酒精废水与接种污泥混合，调节混合液的pH值为8-9，在30-40oC条件下低速搅拌进行厌氧发酵，促进有机质定向转化为以丁酸或者乙酸/丙酸为主要组分的挥发性脂肪酸；控制水力停留时间为2.5-3.5小时；木薯酒精废水与接种污泥体积比为9:1~6:1，接种污泥浓度VSS为10~13g/L。
本发明中，所述的木薯酒精废水指的是酒精厂蒸馏出水分离的上清液，SCOD为32-48g/L，其碳水化合物含量为8-12g/L，蛋白质为3-8g/L，乳酸含量为5-10g/L。
本发明中，所述接种污泥来自某造纸厂UASB反应器底部的颗粒污泥，颗粒污泥120-180g/L，VS为90-120g/L。
本发明中，所述pH值调节方式为下述三种中任一种：
(1）仅调节初始pH，其后不再调节；
(2）每隔12h调节pH至设定值，用NaOH或其他碱性溶液调节；
(3）自动控制设备保持系统pH恒定至设定值。
本发明中，低速搅拌的搅拌速度为100~120r/min。
本发明中，酒精厂蒸馏出水分离的上清液，用NaOH或废碱液调节pH为碱性，调节频率分别为仅调节初始pH为8（或9），间隔12h调节至8（或9），恒定控制pH8（9），接种颗粒污泥，在中温厌氧条件下发酵，发酵3天后，发酵液中的优质碳源产率由0.27（仅调节初始pH8）提高到0.47（间隔12h调节pH至8）和0.67（恒定控制pH为8）。pH为9的条件下也有相似的规律，VFA产率由0.26（仅调节初始pH9）提高到0.68（间隔12h调节pH9）和0.81（恒定控制pH9）。发酵液中挥发酸的种类由以正丁酸为主（仅调节初始pH），转变为以乙酸和丙酸为主要产物的发酵类型（间隔调节pH和恒定控制pH方式）。
本发明的有益效果是：
(1) 为生物法脱氮除磷处理城镇废水和工业废水提供了一种获得优质的快速外加碳源的工艺方法。
(2) 通过pH调节方式的改变提高产物中VFAs的浓度，为提高有机质厌氧发酵产挥发酸以及定向调控挥发酸组成提供了一种新思路。
附图说明
图1 不同初始pH条件下木薯酒精废水厌氧产酸浓度。
图2 不同pH控制方式对木薯酒精废水厌氧产酸浓度的影响。
图3 不同pH控制方式对木薯酒精废水厌氧产酸组成的影响。
具体实施方式
下面结合一些发酵实施例对此工艺方法进行说明。
实施例1
取木薯酒精废水360mL，接种40mL颗粒污泥，调节初始pH分别为4，5，6，7，8，9，10，11，置于转速为120r/min.的水浴摇床中，保持中温条件下厌氧发酵3d，挥发酸的含量分别为4873.7 ±277.1mg/L, 7855.9±239.0 mg/L, 7797.7±428.4 mg/L, 9243.2±1.4 mg/L, 9077.1±31.7 mg/L, 8917.0±504.5 mg/L, 8758.0±305.5 mg/L, 9279.0 ± 9.1 mg/L。中性和碱性条件下挥发酸的含量高于酸性条件，产物中挥发酸均以正丁酸（占70%-80%）为主。此后的讨论主要集中在碱性范围内（8和9）。
实施例2
取木薯酒精废水360mL，接种40mL颗粒污泥，调节初始pH=8，置于转速为120r/min的水浴摇床中，保持中温条件下厌氧发酵3d，挥发酸的产率为0.27 （gVFAs/g初始SCOD），挥发酸以正丁酸，乙酸和丙酸为主要组成，其中乙酸512mg/L,丙酸764mg/L，正丁酸7121mg/L，丙酸+乙酸含量达到24%，正丁酸含量为76%。
实施例3
按照实施例2相同的基质与接种污泥条件，调节初始发酵pH=9，（中温条件下35oC），厌氧发酵3d后，挥发酸的产率为0.26（gVFAs/g初始SCOD），其中乙酸2084mg/L, 丙酸958mg/L，正丁酸7860mg/L。正丁酸含量占VFAs总量的72%左右，乙酸和丙酸含量达到28%。发酵结束时，总挥发酸含量（以COD计）占SCOD的38%。
实施例4
以木薯酒精废水为基质，在和实施例2中的基质与颗粒污泥量相同的条件下，将pH的调整频率调整为每隔12h将pH调节至pH=8，保持转速和发酵温度与实施例2一致，厌氧发酵3d后，挥发酸产率可提高至0.47（gVFAs/g初始SCOD）。乙酸，正丁酸和丙酸为主要成分，其中乙酸7532mg/L，丙酸4980mg/L，正丁酸5502mg/L，并有少量的异丁酸和异戊酸，丙酸和乙酸的含量占总挥发酸的43%，挥发酸总量比实施例2中仅调节初始pH8提高了近0.8倍，组成上乙酸和丙酸含量提高，正丁酸含量降低。
实施例5
以木薯酒精废水为基质，除了将pH调整策略改变为每隔12h将pH调节至pH=9外，其他条件保持与实施例3相同，厌氧发酵3d后，挥发酸产率达到0.68（gVFAs/g初始SCOD）。其中乙酸8902mg/L，丙酸4847 mg/L, 正丁酸9763 mg/L，乙酸和丙酸的含量占总挥发酸含量的56%。挥发酸产率相比实施例3中仅调节初始pH为9提高了1.6倍。
实施例6
以上述木薯酒精废水为基质，将pH恒定控制为8，保持和实施例2相同的发酵温度和转速，控制HRT=3d，稳定运行一段时间后，挥发酸的产率保持在0.67（gVFAs/g初始SCOD）。产物中以乙酸和丙酸为主，约占总挥发酸的87.5%，正丁酸含量仅为10%。相比于实施例2仅调节初始pH8方式下，挥发酸产率提高了近1.5倍。
实施例7
以上述木薯酒精废水为基质，将pH恒定控制为9，保持和实施例3相同的发酵温度和转速，控制HRT=3d，稳定运行一段时间后，挥发酸的产率保持在0.81（gVFAs/g初始SCOD），产物以乙酸为主。相比于实施例3仅调节初始pH9的方式下，挥发酸产率提高了近2.1倍。产物中乙酸，丙酸和正丁酸的含量分别为53%，40%和5%。
上述对实施例的描述是为了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例做出各种修改，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 (5)
1.一种定向调控木薯酒精废水厌氧产酸组分的方法，其特征在于具体步骤如下：
启动发酵，将木薯酒精废水与接种污泥混合，调节混合液的pH值为8-9，在30-40oC条件下低速搅拌进行厌氧发酵，促进有机质定向转化为以丁酸或者乙酸/丙酸为主要组分的挥发性脂肪酸；控制水力停留时间为2.5-3.5小时；木薯酒精废水与接种污泥体积比为9:1~6:1，接种污泥浓度VSS为10~13g/L。
2.根据权利要求1所述的定向调控木薯酒精废水厌氧产酸组分的方法，其特征在于所述的木薯酒精废水指的是酒精厂蒸馏出水分离的上清液，SCOD为32-48g/L，其碳水化合物含量为8-12g/L，蛋白质为3-8g/L，乳酸含量为5-10g/L。
3.根据权利要求1所述的定向调控木薯酒精废水厌氧产酸组分的方法，其特征在于所述接种污泥来自某造纸厂UASB反应器底部的颗粒污泥，颗粒污泥TS为120-180g/L，VS为90-120g/L。
4.根据权利要求1所述的定向调控木薯酒精废水厌氧产酸组分的方法，其特征在于所述pH值调节方式为下述三种中任一种：
(1)仅调节初始pH，其后不再调节；
(2)每隔12h调节pH至设定值，用NaOH或碱性溶液调节；
(3)自动控制设备保持系统pH恒定至设定值。
5.根据权利要求1所述的定向调控木薯酒精废水厌氧产酸组分的方法，其特征在于低速搅拌的搅拌速度为100~120r/min。
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