CN105779516B - 一种零价铁促进调质污泥产l型乳酸的发酵方法 - Google Patents

一种零价铁促进调质污泥产l型乳酸的发酵方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法，具体为：将有机废物注入发酵反应器内，投加零价铁，进行第一阶段中温水解；向反应器二次投加零价铁，进行第二阶段高温厌氧发酵；向反应器中投加碱液，并调节发酵基质pH至7‑11，进行第三阶段高温调碱厌氧发酵；取发酵基质进行泥水分离，经离心后上清液即富含L型乳酸。本发明综合利用了剩余污泥中微生物的多样性、有机废物中的高有机质的特性以及零价铁的生物催化作用，产生了附加值高的L‑乳酸，是一种高效、低能耗的废物资源化方法。

Description

一种零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法
技术领域
本发明属于废物资源化技术领域，尤其涉及一种通过外加金属元素促进调质污泥高效产L型乳酸的发酵方法。
背景技术
活性污泥法是目前城市污水处理中使用极其广泛的污水生物处理技术。随着我国社会经济和城市化的不断发展，城市污水的产生量指数增长，会伴随生成大量的剩余污泥，其量大约占废水处理量的0.5％-1.0％。剩余污泥含有大量的有机质及丰富的微生物群体，是一种潜在的资源，若能合理利用，可从其中制得大量有机酸如乙酸、丙酸、丁酸、乳酸，甚至中链脂肪酸。L型乳酸合成的聚乳酸易被生物降解，是一种前景良好的原料，因此需要找到一种合理、高效的发酵方式制取。
剩余污泥同水之间亲和力强，沉降性、脱水性能差，故在剩余污泥中投加调理剂是一种改善的方法，如木屑、硫酸亚铁、鸡粪，有效重组污泥的胶体结构，厌氧发酵15d左右可达最大产乳酸量，约9.2g/L(刘伟，张晨，李亚宁.添加剂对剩余污泥厌氧产酸过程的影响[J].安全与环境学报，2013(06)：82-84.)。直接用剩余污泥发酵产乳酸会存在碳氮比例失衡的弊端，不利于微生物充分利用污泥中的有机质，产酸量较低。用餐厨垃圾对剩余污泥进行调质，即补充碳水化合物含量，同时调整pH、底物浓度、温度至最佳条件：pH＝9，底物浓度60g/L，温度20℃，得到L型乳酸产量为0.58g COD/g TCOD(唐诗璟.剩余污泥与碳水化合物联合发酵产L-乳酸的研究[D].同济大学，2014.)。但持续调控pH不仅增加了操作复杂程度，还提高了药剂投入，不适于大规模生产使用。
发明内容
本发明所要解决的是目前常用发酵产乳酸的方法在制备过程中须持续调控pH，操作复杂，药剂投入量大，不适用于大规模生产的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法，其特征在于，具体包含以下步骤：
(1)将有机废物注入发酵反应器内，投加零价铁，温度控制在25-40℃，进行第一阶段中温水解；
(2)第一阶段水解结束后，向反应器二次投加零价铁，温度控制在40-60℃，进行第二阶段高温厌氧发酵；
(3)第二阶段发酵结束后，向反应器中投加碱液，并调节发酵基质pH至7-11，温度控制在40-60℃，进行第三阶段高温调碱厌氧发酵；
(4)第三阶段发酵结束后，取发酵基质进行泥水分离，经离心后上清液即富含L型乳酸。
优选地，所述步骤(1)中的有机废物具体为：剩余污泥与餐厨垃圾按VSS比为1∶1-1∶10的比例混合得到的调质污泥。
更优选地，所述剩余污泥取自污水处理厂二沉池，经沉淀3-5h去除上清液。
更优选地，所述餐厨垃圾采用米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油和肉骨中的任意一种或几种的混合物，经机械打碎后过筛即可。
优选地，所述步骤(1)中第一阶段中温水解过程中须搅拌，搅拌转速为150-200rpm/min；水解1-4d。
优选地，所述步骤(1)中零价铁的投入量为0.2-2g/gvss。
优选地，所述步骤(2)中第二阶段高温厌氧发酵是在氮气条件下进行，且过程中须搅拌，搅拌转速为100-150rpm/min；发酵2-6d。
优选地，所述步骤(2)中零价铁的投入量为2-5g/gvss。
优选地，所述步骤(3)中投加的碱为1-4mol/lNaOH，pH调节剂为1-5mol/l HCL。
优选地，所述步骤(3)中的第三阶段高温调碱厌氧发酵是在氮气条件下进行，且过程中须搅拌，搅拌转速为100-150rpm/min，发酵1-4d。
优选地，所述步骤(4)中发酵混合液的泥水分离通过离心机离心完成，离心速度为1000-8000rpm/min，离心时间为5-20min。
本发明在餐厨垃圾调理剩余污泥碳氮比，使污泥更适合作为发酵基质的基础上，外加零价铁作为一种营养元素、反应催化剂，促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法，产出效率高于一般发酵方法，且投入低运行操作相对简单，实现12d左右得到0.35-0.58g/g vss的L型乳酸产量，光学纯度可至80％以上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
①本发明方法中，用餐厨垃圾调质剩余污泥，综合利用剩余污泥中的产乳酸菌及餐厨垃圾充足的碳水化合物，弥补了剩余污泥蛋白质较多，碳氮比失衡的不足，有利于微生物充分利用发酵基质。
②本发明方法中，一阶段水解过程中采用中温条件，中温是大部分微生物最适宜的温度，有利于微生物的快速适应环境，并对发酵基质进行水解。
③本发明方法中，一阶段水解中搅拌速度为150-200rpm/min，在开放式环境中，会使体系中溶解部分溶解氧，更有利于大部分微生物的繁殖，促进一阶段的水解作用。
④本发明方法中，一阶段水解体系中投加零价铁0.2-2g/gvss，微量的零价铁在一阶段水解中能促进水解菌的活性，促进一阶段的水解作用。
⑤本发明方法中，二阶段发酵中采用高温厌氧发酵，高温50℃能显著促进发酵体系中乳酸的产生，大部分产乳酸菌为厌氧菌，高温厌氧条件为菌种筛选提供环境。
⑥本发明方法中，二阶段发酵体系中投加零价铁2-5g/gvss，零价铁是酶的激活剂，能显著提高乳酸脱氢酶的活性，促进发酵体系产乳酸。
⑦本发明方法中，三阶段发酵中继续采用高温厌氧发酵，投加碱调节发酵基质pH为7-11，在该pH范围内，D乳酸脱氢酶失活，D乳酸转化为丙酮酸进而转化为L型乳酸，提高L型乳酸产量及纯度。
⑧本发明方法中，有目的性地分阶段发酵效率明显高于单一方式的发酵。
附图说明
图1为本发明提供的零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1-4中采用的NaOH、HCl、还原铁粉均购自国药集团；乳酸检测方法采用液相色谱法。
实施例1
一种零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法：
①取城镇污水厂二沉池污泥，沉淀4h去除上清液；餐厨垃圾机械打碎；分别测定剩余污泥及餐厨垃圾的VSS，按照餐厨垃圾VSS∶剩余污泥VSS＝1∶1的比例混合，总VSS 45g/L；
②取1L调质污泥注入发酵反应器，温度调至25℃，投加0.2g/gvss零价铁，搅拌器转速调至100rpm，发酵2d；
③第一次发酵结束后将反应器温度调至40℃，补加5g/gvss零价铁，发酵液通10min高纯度氮气以保证后续的厌氧发酵环境，搅拌器转速100rpm，发酵3d；
④2M NaOH溶液作为pH调节剂，调整发酵液pH至9，搅拌器转速100rpm，温度维持40℃，发酵时间4d；
⑤发酵完成后，转速8000r，离心发酵液10min，所得上清液过滤分离微生物，检测乳酸含量。
经检测，上清液中L型乳酸含量为0.42g/gvss，光学纯度97％。
实施例2
一种零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法：
①取城镇污水厂二沉池污泥，沉降4h去除上清液；餐厨垃圾机械打碎；按照餐厨垃圾VSS∶剩余污泥VSS＝5∶1的比例混合得调质污泥，总VSS 38g/L；
②取900mL调质污泥注入发酵反应器，温度调至35℃，投加2g/gvss零价铁，搅拌器转速100rpm，中温条件下水解1d；
③第一阶段水解结束后将反应器温度调至55℃，二次投加2g/gvss零价铁，反应器通10min高纯度氮气以保证后续的厌氧发酵环境，搅拌器转速100rpm，发酵5d；
④4M NaOH溶液作为pH调节剂，调整发酵液pH至7，搅拌器转速100rpm，温度维持55℃，发酵时间1d；
⑤发酵完成后，转速8000r，离心发酵液10min，所得上清液过滤分离微生物，检测乳酸含量。
经检测，上清液中L型乳酸含量为0.54g/gvss，光学纯度95％。
实施例3
一种零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法：
①取城镇污水长二沉池污泥，沉淀4h去除上清液；餐厨垃圾米饭、肉骨等机械打碎；按照餐厨垃圾VSS∶剩余污泥VSS＝7∶1的比例混合，总VSS 52g/L；
②取1L混合调质污泥于发酵反应器，温度调至40℃，投加1.5g/gvss零价铁，搅拌器转速100rpm，发酵4d；
③第一阶段水解结束后将反应器温度调至60℃，补加3g/gvss零价铁，发酵体系通10min高纯度氮气以保证后续的厌氧发酵环境，搅拌器转速100rpm，发酵6d；
④4M NaOH溶液作为pH调节剂，调整发酵液pH至11，搅拌器转速100rpm，温度维持60℃，发酵时间2d；
⑤发酵完成后，转速8000r，离心发酵液10min，所得上清液过滤分离微生物，检测乳酸含量。
经检测，上清液中L型乳酸含量为0.37g/gvss，光学纯度98％。
实施例4
一种零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法：
①取城镇污水长二沉池污泥，沉淀4h去除上清液；餐厨垃圾米饭、肉骨等机械打碎；按照餐厨垃圾VSS∶剩余污泥VSS＝10∶1的比例混合，总VSS 52g/L；
②取1L混合调质污泥于发酵反应器，温度调至30℃，投加1.0g/gvss零价铁，搅拌器转速100rpm，发酵3d；
③第一阶段水解结束后将反应器温度调至50℃，补加4g/gvss零价铁，发酵体系通10min高纯度氮气以保证后续的厌氧发酵环境，搅拌器转速100rpm，发酵2d；
④4M NaOH溶液作为pH调节剂，调整发酵液pH至10，搅拌器转速100rpm，温度维持50℃，发酵时间4d；
⑤发酵完成后，转速8000r，离心发酵液10min，所得上清液过滤分离微生物，检测乳酸含量。
经检测，上清液中L型乳酸含量为0.27g/gvss，光学纯度90％。

Claims (6)

1.一种零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法，其特征在于，具体包含以下步骤：
(1)将有机废物注入发酵反应器内，投加零价铁，温度控制在25-40℃，进行第一阶段中温水解；
(2)第一阶段水解结束后，向反应器二次投加零价铁，温度控制在40-60℃，进行第二阶段高温厌氧发酵；
(3)第二阶段发酵结束后，向反应器中投加碱液，并调节发酵基质pH至7-11，温度控制在40-60℃，进行第三阶段高温调碱厌氧发酵；
(4)第三阶段发酵结束后，取发酵基质进行泥水分离，经离心后上清液即富含L型乳酸；
所述步骤(1)中的有机废物具体为：剩余污泥与餐厨垃圾按VSS比为1:1-1:10的比例混合得到的调质污泥；所述餐厨垃圾采用米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油和肉骨中的任意一种或几种的混合物，经机械打碎后过筛即可；所述剩余污泥取自污水处理厂二沉池，经沉淀3-5h去除上清液；
所述步骤(1)中零价铁的投入量为0.2-2g/gvss；
所述步骤(2)中零价铁的投入量为2-5g/gvss。
2.如权利要求1所述的零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法，其特征在于，所述步骤(1)中第一阶段中温水解过程中须搅拌，搅拌转速为150-200rpm/min；水解1-4d。
3.如权利要求1所述的零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法，其特征在于，所述步骤(2)中第二阶段高温厌氧发酵是在氮气条件下进行，且过程中须搅拌，搅拌转速为100-150rpm/min；发酵2-6d。
4.如权利要求1所述的零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法，其特征在于，所述步骤(3)中投加的碱为1-4mol/L NaOH，调节发酵基质pH的试剂为1-5mol/L HCl 。
5.如权利要求1所述的零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法，其特征在于，所述步骤(3)中的第三阶段高温调碱厌氧发酵是在氮气条件下进行，且过程中须搅拌，搅拌转速为100-150rpm/min，发酵1-4d。
6.如权利要求1所述的零价铁促进调质污泥产L型乳酸的发酵方法，其特征在于，所述步骤(4)中发酵基质的泥水分离通过离心机离心完成，离心速度为1000-8000rpm/min，离心时间为5-20min。
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