CN103757062A - 一种利用表面活性素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用脂肽类生物表面活性剂——表面活性素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法。目前化学表面活性剂对剩余污泥厌产酸效果的提高不够显著，且化学表面活性剂生物可降解性较差、容易造成二次污染。本发明所采用的表面活性素为微生物发酵产物，具有低毒、易生物降解且在较大的温度、pH等范围内均可保持良好表面活性的特点，对环境无二次污染，对剩余污泥厌氧发酵产酸的促进效果显著，产酸量高，在较低的投加量下即可对剩余污泥厌氧发酵产酸具有良好的促进效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用脂肽类生物表面活性剂——表面活性素(Surfactin)促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法。
背景技术
目前生活污水处理厂多采用活性污泥法进行污水处理，然而活性污泥法会产生大量的剩余污泥，其处理处置成本较高，且处置不当会给环境带来严重影响。污泥的厌氧消化是当前应用较为广泛的污泥稳定化与资源化的方法，而由于污泥中含有大量的有机物如蛋白质和多糖等，近年来也有研究者利用污泥中的这些生物质资源通过厌氧发酵的方式制取挥发性脂肪酸(VFAs)，该产物可作为制取生物高分子材料(PHA)或污水处理厂生物脱碳、除磷的优质碳源。
剩余污泥的厌氧发酵过程主要可分为四个步骤，即颗粒态有机物的溶解、水解、酸化和甲烷化，其中颗粒态有机物的溶解及水解是污泥厌氧过程的主要限速步骤。为了提高污泥厌氧发酵速率，常采用一些物理或化学方法对剩余污泥进行预处理，如超声、微波、加热、酶解、加酸、加碱等。近年来有研究者发现剩余污泥中化学表面活性剂的存在可以提高剩余污泥的水解速率并提高短链脂肪酸的产量，然而多数化学合成的表面活性剂生物可降解性较差，会对环境带来不利的影响，且仅使用化学表面活性剂(如十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠)对剩余污泥厌氧产酸效果的提高不够显著。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种脂肽类生物表面活性剂——表面活性素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，同时为脂肽类生物表面活性剂在环境领域的应用提供一条新的途径。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
(1)将剩余污泥沉淀浓缩；
(2)将表面活性素溶解后投加到经步骤(1)浓缩后的剩余污泥中；
(3)对剩余污泥进行厌氧发酵；
(4)对步骤(3)的发酵液进行固液分离得到含有挥发性脂肪酸的清液。
步骤(1)所述的剩余污泥来源于采用生物法处理污水的污水处理厂，剩余污泥沉淀时间为12～24h，经沉淀浓缩后污泥干重为10～20g/L。
步骤(2)所述的表面活性素的投加剂量为0.01～0.30g(表面活性素)/g(干污泥)。
步骤(3)所述的对剩余污泥进行厌氧发酵，在发酵开始前向厌氧反应器中通入氮气至反应器中无氧气存在，厌氧发酵过程中控制发酵温度在28～30℃之间，混合搅拌的速度为100～120rpm，发酵时间为4～12d。
步骤(4)所述的对发酵液进行固液分离所采用的方式为离心，离心分离的离心力为5000～10000g，离心时间为20min。
本发明采用的表面活性素来源于一株枯草芽孢杆菌(ATCC21332)的发酵产物。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明所采用的表面活性素为微生物发酵产物，具有低毒、易生物降解且在较大的温度、pH等范围内均可保持良好表面活性的特点，对环境无二次污染。
2.对剩余污泥厌氧发酵产酸的促进效果显著，产酸量最高可较不投加表面活性剂的对照组提高近5倍。
3.在较低的投加量下即可对剩余污泥厌氧发酵产酸具有良好的促进效果，在投加浓度为0.05g(表面活性素)/g(干污泥)时即可使产算量较对照组提高4.1倍。
附图说明
图1为实施例1～6及对比实施例中，发酵液清液中挥发性脂肪酸的浓度随发酵时间变化的关系图：其中
代表对比实施例中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化，
代表实施例1中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化，
代表实施例2中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化，
代表实施例3中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化，代表对实施例4中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化，代表实施例5中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化，
代表实施例6中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化；
图2为实施例1～6及对比实施例中，发酵液清液中挥发性脂肪酸含量达到最高时的浓度；
图3为实施例1～6及对比实施例中，累积甲烷产量随发酵时间变化的关系图；其中
代表对比实施例中累积甲烷产量随发酵时间的变化，
代表实施例1中累积甲烷产量随发酵时间的变化，
代表实施例2中累积甲烷产量随发酵时间的变化，代表实施例3中累积甲烷产量随发酵时间的变化，
代表对实施例4中累积甲烷产量随发酵时间的变化，
代表实施例5中累积甲烷产量随发酵时间的变化，代表实施例6中累积甲烷产量随发酵时间的变化。
具体实施方式
本发明采用的surfactin来源于一株枯草芽孢杆菌(ATCC21332)的发酵产物。
本发明适用于促进采用生物法的污水处理厂剩余污泥的厌氧产酸。实施例中的污泥采用上海市某污水处理厂二沉池剩余污泥，该污水处理厂进水主要为生活污水，采用A/A/O(Anaerobic-Anoxic-Oxic，厌氧-缺氧-好氧法)工艺，其中厌氧段停留时间1.5h、缺氧段1.5h、好氧段4.7h，污泥泥龄8～10d，污泥负荷0.2kg(BOD5)/(kgMLSS·d)。实施例中污泥的MLVSS(挥发性悬浮固体浓度，Mixed Liquor VolatileSuspended Solids)/MLSS(总悬浮固体浓度，Mixed Liquid Suspended Solids)为0.67～0.7。
实施例1
将剩余污泥在4℃下静置沉淀12～24h至下层浓缩污泥的浓度在10～20g/L之间，移除上清液，取300mL浓缩污泥至1L体积的厌氧发酵罐中；
用上一步得到的上清液将surfactin溶解并配制成40g/L的浓度；
根据浓缩污泥的实际浓度按照0.01g(表面活性素)/g(干污泥)的剂量向发酵罐中投加surfactin，并快速混合均匀；
向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭；
发酵过程中维持发酵罐中的温度在28～30℃之间，混合搅拌的速度在100～120rpm之间，发酵反应共进行12天；
发酵过程中每天取样10mL，在5000～10000g的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至10000g)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
实施例2
将剩余污泥在4℃下静置沉淀12～24h至下层浓缩污泥的浓度在10～20g/L之间，移除上清液，取300mL浓缩污泥至1L体积的厌氧发酵罐中；
用上一步得到的上清液将surfactin溶解并配制成40g/L的浓度；
根据浓缩污泥的实际浓度按照0.02g(表面活性素)/g(干污泥)的剂量向发酵罐中投加surfactin，并快速混合均匀；
向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭；
发酵过程中维持发酵罐中的温度在28～30℃之间，混合搅拌的速度在100～120rpm之间，发酵反应共进行12天：
发酵过程中每天取样10mL，在5000～10000g的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至10000g)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
实施例3
将剩余污泥在4℃下静置沉淀12～24h至下层浓缩污泥的浓度在10～20g/L之间，移除上清液，取300mL浓缩污泥至1L体积的厌氧发酵罐中；
用上一步得到的上清液将surfactin溶解并配制成40g/L的浓度；
根据浓缩污泥的实际浓度按照0.05g(表面活性素)/g(干污泥)的剂量向发酵罐中投加surfactin，并快速混合均匀；
向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭；
发酵过程中维持发酵罐中的温度在28～30℃之间，混合搅拌的速度在i00～120rpm之间，发酵反应共进行12天；
发酵过程中每天取样10mL，在5000～10000g的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至10000g)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
实施例4
将剩余污泥在4℃下静置沉淀12～24h至下层浓缩污泥的浓度在10～20g/L之间，移除上清液，取300mL浓缩污泥至1L体积的厌氧发酵罐中；
用上一步得到的上清液将surfactin溶解并配制成40g/L的浓度：
根据浓缩污泥的实际浓度按照0.10g(表面活性素)/g(干污泥)的剂量向发酵罐中投加surfactin，并快速混合均匀；
向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭；
发酵过程中维持发酵罐中的温度在28～30℃之间，混合搅拌的速度在100～120rpm之间，发酵反应共进行12天；
发酵过程中每天取样10mL，在5000～10000g的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至10000g)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
实施例5
将剩余污泥在4℃下静置沉淀12～24h至下层浓缩污泥的浓度在10～20g/L之间，移除上清液，取300mL浓缩污泥至1L体积的厌氧发酵罐中；
用上一步得到的上清液将surfactin溶解并配制成40g/L的浓度；
根据浓缩污泥的实际浓度按照0.20g(表面活性素)/g(干污泥)的剂量向发酵罐中投加surfactin，并快速混合均匀；
向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭：
发酵过程中维持发酵罐中的温度在28～30℃之间，混合搅拌的速度在100～120rpm之间，发酵反应共进行12天；
发酵过程中每天取样10mL，在5000～10000g的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至10000g)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
实施例6
将剩余污泥在4℃下静置沉淀12～24h至下层浓缩污泥的浓度在10～20g/L之间，移除上清液，取300mL浓缩污泥至1L体积的厌氧发酵罐中；
用上一步得到的上清液将surfactin溶解并配制成40g/L的浓度；
根据浓缩污泥的实际浓度按照0.30g(表面活性素)/g(干污泥)的剂量向发酵罐中投加surfactin，并快速混合均匀；
向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭；
发酵过程中维持发酵罐中的温度在28～30℃之间，混合搅拌的速度在100～120rpm之间，发酵反应共进行12天；
发酵过程中每天取样10mL，在5000～10000g的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至10000g)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
对比实施例
将剩余污泥在4℃下静置沉淀12～24h至下层浓缩污泥的浓度在10～20g/L之间，移除上清液，取300mL浓缩污泥至1L体积的厌氧发酵罐中；
向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭；
发酵过程中维持发酵罐中的温度在28～30℃之间，混合搅拌的速度在100～120rpm之间，发酵反应共进行12天；
发酵过程中每天取样10mL，在5000～10000g的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至10000g)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
实施例1～6及对比实施例中对VFAs的日监测结果如图1，各实施例中VFAs的最高浓度如图2。投加surfactin可以显著提高污泥厌氧产酸的效果，其中未投加surfactin的对照组最高的VFAs浓度出现在发酵的第5天，产酸量为54mg/g DS(DrySludge，干污泥)；而投加了0.01～0.3g(表面活性素)/g(干污泥)的各组实施例，其最高的VFAs浓度均出现在发酵的第4天，产酸量也分别提高至97～263mg/g DS，相比于对照组均有提高。在surfactin投加浓度为0.05g(表面活性素)/g(干污泥)时，VFAs的最高浓度便可达到221mg/g DS，是对比实施例中对照组的4.1倍，而进一步提高surfactin的投加剂量，其对产酸促进效果的提高较小，最高可达对照实验组的近5倍。
实施例1～6及对比实施例中对甲烷的日监测结果如图3。投加surfactin在发酵初期对甲烷的产生有一定抑制作用，在发酵的前5天投加了surfactin的各组实施例中甲烷的产量均低于或接近未投加surfactin的对照组，而随着发酵的进一步进行，各组的甲烷产量逐渐上升，在发酵结束时(发酵的第12天)仅实施例6的甲烷累积产量低于对照组，其他各组的甲烷产量均略高于或接近对照组。说明投加surfactin在显著促进剩余污泥厌氧发酵产酸的同时对产甲烷的抑制作用较小，因此可以同时对甲烷进行回收和利用。
Claims (7)
1.一种利用表面活性素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将剩余污泥沉淀浓缩：
(2)将表面活性素溶解后投加到浓缩的剩余污泥中；
(3)对剩余污泥进行厌氧发酵；
(4)对发酵液进行固液分离得到含有挥发性脂肪酸的清液。
2.根据权利要求1所述的一种利用表面活性素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(1)所述的剩余污泥来源于采用生物法处理污水的污水处理厂。
3.根据权利要求1所述的一种利用表面活性素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(1)所述的剩余污泥沉淀时间为12～24h，经沉淀浓缩后污泥干重为10～20g/L。
4.根据权利要求1所述的一种利用表面活性素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(2)所述的表面活性素的投加剂量为0.01～0.30g(表面活性素)/g(干污泥)。
5.根据权利要求1所述的一种利用表面活性素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(3)所述的对剩余污泥进行厌氧发酵，在发酵开始前向厌氧反应器中通入氮气至反应器中无氧气存在。
6.根据权利要求1所述的一种利用表面活性素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(3)所述的对剩余污泥进行厌氧发酵的发酵温度为28～30℃，混合搅拌的速度为100～120rpm，发酵时间为4～12d。
7.根据权利要求1所述的一种利用表面活性素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(4)所述的对发酵液进行固液分离所采用的方式为离心，离心分离的离心力为5000～10000g，离心时间为20min。
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