CN105886559A - 一种利用剩余污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用剩余污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法。本发明公开了一种利用Mg²⁺促进剩余污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法。该方法为了解决剩余污泥发酵过程中短链脂肪酸积累不足及发酵后污泥脱水性能差的问题，采用在污泥发酵初始投加MgCl₂·6H₂O的方法，利用Mg²⁺在发酵过程中与污泥中其它金属离子进行交换的特性，促使污泥絮体紊乱，释放大量微生物可利用的有机物，从而提高产酸量；同时Mg²⁺能够改变污泥中微生物群落的组成，改善污泥中微生物的多样性及物种总数。本方法采用价廉易得的MgCl₂·6H₂O，提高了污泥的短链脂肪酸的产量，与此同时污泥的脱水性能也得到改善，有利于污泥的后续处理，有效地实现了污泥的资源化及减量化。

Description

一种利用剩余污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化技术领域，涉及一种利用剩余污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法，具体涉及一种利用Mg²⁺促进污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法。

背景技术

活性污泥法处理污水过程中产生大量的剩余污泥。剩余污泥是微生物在污水中进行有机物代谢，由于细胞自身增殖而形成，含有大量可溶性糖和蛋白。如何有效利用剩余污泥中的有机物并实现污泥的减量化是一个亟待解决的问题。

污泥厌氧消化技术成本较低，生物质产出率高，致病菌破坏率高，可产生甲烷，是最常用的污泥生物处理方法。污泥厌氧消化利用厌氧微生物分解作用，使污泥中的有机物分解并趋于稳定。水解酸化过程能够有效的实现污泥的减量，同时回收酸化产物中的短链脂肪酸。

目前结合污泥厌氧消化技术进行污泥处理的方法日益增多。文献1(Aijuan Zhou etal，Biochemical Engineering Journal，2013，77，240–245)报道了生物表面活性剂鼠李糖脂对污泥发酵产酸的促进作用，虽然产酸效果显著，但鼠李糖脂成本太高难以进行推广使用。文献2(P.J.Strong et al，Waste Management，2012，32，1669–1677)采用了热处理和热化学处理对污泥发酵产乙酸以及产甲烷进行了研究，发现热处理能够有效地破坏污泥和微生物结构，促进甲烷的产量，但是热处理能量消耗较高，大大增加了剩余污泥处理成本。文献3(Gaoqiang Su et al，Journal of Bioscience and Bioengineering，2015，121(3)，293-298)采用投加NaCl的方式促进剩余污泥厌氧产酸，结果表示，Na⁺通过与污泥中的二价金属离子(Ca²⁺、Mg²⁺)发生交换，促进污泥水解过程，大量有机物溶出，同时NaCl的加入抑制了产甲烷菌的活性，产酸量因此提高，但是在Na⁺与Ca²⁺、Mg²⁺发生交换的过程中，释放有机物的同时释放了大量的氨氮、磷，不利于积累的短链脂肪酸的直接应用。

因此，进一步开发剩余污泥的处理方法，对环境保护及固体废弃物资源化具有十分重要的现实意义。

发明内容

针对现有的剩余污泥发酵过程中短链脂肪酸积累不足及发酵后污泥脱水性能差的问题，本发明提供了一种工艺成本低、产酸量提高、污泥脱水性能改善、后处理简单的利用剩余污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法。该方法利用Mg²⁺与污泥中的金属离子发生交换的特性，促使污泥絮体紊乱，进而增加了微生物可利用的有机物的含量，同时Mg²⁺能够增加污泥中细菌的多样性，抑制产甲烷菌，促进短链脂肪酸的积累，另外Mg²⁺作为二价金属离子能够显著改善发酵污泥的脱水性能，同时去除部分的磷及氨氮。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种利用剩余污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法，包括以下步骤：将剩余污泥加入厌氧反应器中，投加0.05～0.2mol/L的MgCl₂·6H₂O，充分混合后充氮去氧，恒温振荡下进行厌氧发酵。

优选地，所述的发酵温度为20～50℃，发酵时间为9～16天。

Mg²⁺能与污泥絮体中含有的大量的Ca²⁺以及少量的Fe³⁺、Mn²⁺、K⁺等金属离子发生交换，促使污泥絮体紊乱，有效地破坏了污泥絮体结构，使微生物可利用的有机物得到大量释放，发酵产生的短链脂肪酸随之增加。同时发明人发现，Mg²⁺的加入改变了污泥中微生物群落的结构与组成，提高了污泥中微生物的多样性，使产酸菌的比例增加，进而提高了产酸量。Mg²⁺作为正二价金属离子，可提高污泥的氧化还原电位，抑制产甲烷菌的活性，从而减少了短链脂肪酸的消耗，促进短链脂肪酸的积累。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)有效改善了发酵后污泥的脱水性能，有利于后续处理，节省人力物力；

(2)促进了微生物可利用的有机物的释放，提高了污泥中产酸菌的比例，显著提高了产酸量；

(3)抑制了污泥中产甲烷菌的活性，从而减少了短链脂肪酸的消耗，促进短链脂肪酸的积累；

(4)Mg²⁺能够与污泥中的PO₄ ^3-结合形成沉淀，去除部分PO₄ ^3-，有利于污泥的脱氮除磷。

附图说明

图1是不同剂量Mg²⁺处理后的污泥厌氧消化产酸量的结果图。

图2是不同剂量Mg²⁺处理后的污泥在发酵初始和结束时的脱水性能结果图。

图3是不同剂量Mg²⁺处理后的污泥上清液中的Ca²⁺的含量图。

图4是不同剂量Mg²⁺处理后的污泥上清液中的其它金属离子的含量图。

图5是污泥中细菌及古菌的香农指数图。

图6是Mg²⁺投加量为0、0.025mol/L及0.2mol/L的污泥中的古菌的门的分类及所占比例图。

图7是Mg²⁺投加量为0、0.025mol/L及0.2mol/L的污泥中的细菌的门的分类及所占比例图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例1

取400mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中，分别加入0mol/L、0.01mol/L、0.025mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L的MgCl₂·6H₂O，发酵初期充氮去氧，发酵温度为25℃，在反应器中停留时间为16天。

使用离子色谱测量各组的短链脂肪酸产量，结果如图1所示。由图1可知，在Mg²⁺投加量较低(0.01、0.025mol/L)时，短链脂肪酸的产量并没有提高；随着Mg²⁺投加量的加大(0.05、0.1、0.2mol/L)，短链脂肪酸的产量明显增加。当Mg²⁺投加量大于0.025mol/L时，能够明显促进污泥厌氧发酵短链脂肪酸的产量。

实验过程中，使用CST毛细吸水时间测试仪测定了发酵第1d和第10d的毛细抽吸时间(数值越小，污泥脱水性能越好)，如图2所示。从图中空白组可知，污泥发酵过程中，脱水性能下降。投加MgCl₂·6H₂O实验组相较于空白组，脱水性能得到一定程度的改善；随着MgCl₂·6H₂O投加量的加大，污泥的脱水性能有轻微下降，因为在高投加量的实验组中，金属离子之间的交换更为剧烈，形成了更为紊乱的污泥絮体。

使用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)测定了整个发酵过程中污泥上清液中Ca、Al、Fe、Mn、K、Ti、Zn的变化，如图3、4所示。由图可知，随着MgCl₂·6H₂O投加量的增加，污泥上清液中的Ca、Fe、Mn、K也随之增加，从而可推测，Mg²⁺可与污泥中的Ca、Fe、Mn、K发生交换，从而促进污泥絮体的紊乱，有利于污泥中有机物的溶出以及产酸过程。

使用Miseq高通量测序方法对污泥中的细菌及古菌种群进行了鉴定，图6、图7分别为古菌和细菌所含有的门分类及所占比例，其中古菌和细菌的物种多样性可用香农(shannon)指数表征，如图5所示。由图5可知，当Mg²⁺投加量为0.2mol/L时，污泥中古菌和细菌的shannon指数均高于空白组，说明高投加量的Mg²⁺丰富了污泥中的细菌和古菌多样性，有利于整个污泥系统的稳定；当Mg²⁺投加量为0.025mol/L时，降低污泥中细菌的多样性，丰富了古菌多样性，进一步说明Mg²⁺的加入能够改变污泥中微生物群落的结构和组成。由图6可知，Mg²⁺为0.025、0.2mol/L的实验组中，广古菌门的比例均呈现下降的趋势，其中广古菌门中主要包括产甲烷菌属，说明Mg²⁺的加入能够抑制污泥中产甲烷菌的活性。图7中Mg²⁺投加量为0.2mol/L的实验组相较于空白组，厚壁菌门所占的比例明显增多，厚壁菌门中的厌氧梭菌纲能够将糖、蛋白等有机物水解为短链脂肪酸，有利于污泥产酸过程的进行。因此Mg²⁺投加量为0.2mol/L时，改变了污泥中微生物的结构和组成，抑制产甲烷菌，促进了整个污泥厌氧发酵过程的进行。

实施例2

取400mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸，剩余污泥中加入0.2mol/L MgCl₂·6H₂O，发酵初期充氮去氧。反应温度为20℃，在反应器中停留时间为9天。

实施例3

取400mL剩余污泥(含水率97％，pH＝6.87)加入厌氧反应器中进行发酵产酸，剩余污泥中加入0.05mol/L MgCl₂·6H₂O，发酵初期充氮去氧。反应温度为50℃，在反应器中停留时间为16天。

Claims (3)

1.一种利用剩余污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：将剩余污泥加入厌氧反应器中，投加0.05～0.2mol/L的MgCl₂·6H₂O，充分混合后充氮去氧，恒温振荡下进行厌氧发酵。

2.根据权利要求1所述的利用剩余污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法，其特征在于，所述的发酵温度为20～50℃。

3.根据权利要求1所述的利用剩余污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法，其特征在于，发酵时间为9～16天。