CN107384977B - 一种利用正电压增强污泥发酵有机废物产乳酸效能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用正电压增强污泥发酵有机废物产乳酸效能的方法，包括以下步骤，将污泥、发酵底物以及启动剂混合后放入发酵反应器中搅拌并进行厌氧发酵，利用电极在其反应环境中提供一定数值的正电压予以辅助激活污泥的特性。在发酵一定时间后测定发酵产物乳酸，可见乳酸的总产量将得到显著的提高。发酵液中的乳酸可通过一般方法提取，获得极高的价值。该方法辅助的药剂无毒，且流程、设备简单，效果显著。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用正电压增强污泥发酵有机废物产乳酸效能的方法，属于环境水处理技术领域。
背景技术
餐厨垃圾作为生活中常见的垃圾，具有有机物含量丰富、水分含量高、易腐烂等特点。在一般的水处理体系中，其作为有机垃圾被水中的微生物分解消化得以处理。该过程中一般会产生少量的中间产物，如各类长链酸以及烷烃等。而乳酸作为一种工业常用原料，具有极高的价值，其会在厌氧发酵过程中产生并被分解。
在一般的厨余垃圾的发酵体系中，乳酸的总产量较低，且在产生过程中极易被分解，无法保存以及提取。强化厌氧环境中微生物分解餐厨垃圾并得到大量的、有效的、可利用的产品，是对垃圾的剩余价值再提取的方法，是符合绿色发展理念的方法，是一个值得深入研究的课题。
目前的研究中认为，通过改变发酵体系的一些参数，能够在一定程度上增加乳酸总产量，但难以脱离附加带有一定环境污染性的物质或效果难以得到较大的突破。到目前为止，寻求一个高效的、无环境污染的方法来提取有机废物(如本例中的厨余垃圾)的剩余价值是一个难题。
发明内容
本发明的目的是：高效提高有机废物在厌氧发酵过程中乳酸的产量。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种利用正电压增强污泥发酵有机废物产乳酸效能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择多孔石墨电极，将其置于污泥体系中兼性培养一定时间；
(2)配置负极反应平衡体系、启动剂和平衡剂，启动剂将于发酵反应器启动时添加，平衡剂将于发酵反应器发酵过程中添加；
(3)配置有机废物作为发酵底物，按照一定比例将发酵底物、污泥以及自来水加入发酵反应器中，按照需求加入一定比例的启动剂，混合搅拌形成混合液；发酵反应器、平衡反应器上安装好电极，将混合液放置在可装电极、可搅拌、可保温的发酵反应器中，在发酵反应器和平衡反应器间用饱和氯化钾琼脂盐桥连接，将连接后的发酵反应器和平衡反应器的电极连接电源；
(4)启动发酵，开启发酵反应器的搅拌装置和保温装置，使发酵反应器中的体系在中温下保温以强化发酵，同时打开电源控制电压；
(5)在发酵阶段每天加入一定量平衡剂使体系保持在以平衡发酵体系及强化产物生成，发酵一定天数后可做乳酸的测定与提取。
优选地，所述的步骤(1)中的多孔石墨电极包括具有较大比表面积的石墨毡、多孔石墨棒、多孔石墨板，所述的污泥体系为城市生活污水厂二沉池的浓缩污泥，总悬浮固体TSS含量为5～15g/L，VSS/TSS在0.60以上，按C∶N∶P＝100∶5∶1的营养液中，在溶解氧为0～0.4mg/L的环境中培养0.5～3d。
优选地，所述的步骤(2)中负极反应平衡体系为20g/L的KCl溶液。
优选地，所述的步骤(2)中启动剂为特制的高浓度L型手性乳酸溶液，配置方法为在10.0～20.0g/L的NaOH中加入80％～90％的L型手性乳酸并搅拌，NaOH溶液和L型手性乳酸体积比例为1∶1～2∶1。
优选地，所述的步骤(2)中平衡剂为特制的NaOH浓溶液，配置方法为将NaCl和NaOH按物质的量之比为1∶10的比例溶解在的自来水中，其中NaOH的浓度为10.0～20.0g/L。
优选地，所述的步骤(3)中一般发酵底物为有机废物，，包括但不限定于厨余垃圾、食品加工废物等含碳水化合物较多的，该底物的总悬浮固体TSS含量为20～40g/L，VSS/TSS在0.8以上。
优选地，所述的步骤(3)中污泥为城市生活污水厂二沉池污泥，之后对其进行浓缩处理，总悬浮固体TSS含量为5～15g/L，VSS/TSS在0.60以上。
优选地，所述的步骤(3)中发酵底物、污泥以及去离子水在反应体系中配置比例为发酵底物VSS含量20～40g/L，污泥VSS含量4～10g/L，添加的启动剂的比例为0.1％～1.0％。
优选地，所述的步骤(4)中厌氧发酵中温保温的温度为25～60℃，所增加电压为100～1000mV。
优选地，所述的步骤(5)中添加的平衡剂量为每日0.1％～1.0％。
本发明同现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明方法使用的药剂和手段对水质没有危害，使用的污泥不需要特殊培养，操作过程安全。
(2)本发明方法中所采用的电极为石墨电极，价格低廉，且在使用过程中不会发生明显耗损；使用的正电压较低，且实际电流较小，是一个十分环保、低耗的方法。
(3)本发明方法能显著提高厨余垃圾在污泥厌氧发酵条件下乳酸的总产量。
具体实施方式
对体系检测指标包括污泥TSS与VSS、餐厨垃圾TSS与VSS、总乳酸浓度。具体测定方法见[水与废水检测分析方法(第四版)中国环境科学出版社，北京，2002]。
实施例1
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝12.0g/L，VSS＝7.8g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为45.5％，可挥发性有机物占总重比例为44.0％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置启动剂，将1.0g的NaOH溶解于10mL的去离子水中，后加入80％的L型手性乳酸10mL并搅拌混匀。
(4)配置平衡剂，将1.0g的NaCl和30.0g的NaOH溶解在100mL去离子水中。
(5)配置反应平衡罐体，将20g固体KC1溶解于1000mL的去离子水中，配成20g/L的KCl溶液。
(6)配置发酵液，在厌氧反应器中加入769.2mL的沉淀后的污泥，81.8g的用搅拌器打碎后的厨余垃圾，加入去离子水使总体积为1000mL，得到污泥TSS＝9.2g/L，VSS＝6.0g/L，餐厨垃圾TSS＝37.2g/L，VSS＝36.0g/L的发酵液。
(7)在发酵液中装好石墨电极装置，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为+400±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(8)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中总乳酸的产量相比于不通正电压不加入启动剂和平衡剂的一般发酵体系提高了87.9％。
实施例2
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝15.5g/L，VSS＝10.2g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为45.2％，可挥发性有机物占总重比例为43.9％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置启动剂，将1.0g的NaOH溶解于10mL的去离子水中，后加入80％的L型手性乳酸10mL并搅拌混匀。
(4)配置平衡剂，将1.0g的NaC1和30.0g的NaOH溶解在100mL去离子水中。
(5)配置反应平衡罐体，将20g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成20g/L的KCl溶液。
(6)配置发酵液，在厌氧反应器中加入586.5mL的沉淀后的污泥，82.0g的用搅拌器打碎后的厨余垃圾，加入去离子水使总体积为1000mL，得到污泥TSS＝9.1g/L，VSS＝6.0g/L，餐厨垃圾TSS＝37.1g/L，VSS＝36.0g/L的发酵液。
(7)在发酵液中装好石墨电极装置，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为+400±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(8)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中总乳酸的产量相比于不通正电压不加入启动剂和平衡剂的一般发酵体系提高了96.6％。
实施例3
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝18.9g/L，VSS＝12.2g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为46.8％，可挥发性有机物占总重比例为45.0％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置启动剂，将1.0g的NaOH溶解于10mL的去离子水中，后加入80％的L型手性乳酸10mL并搅拌混匀。
(4)配置平衡剂，将1.0g的NaCl和30.0g的NaOH溶解在100mL去离子水中。
(5)配置反应平衡罐体，将20g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成20g/L的KCl溶液。
(6)配置发酵液，在厌氧反应器中加入491.8mL的沉淀后的污泥，80.0g的用搅拌器打碎后的厨余垃圾，加入去离子水使总体积为1000mL，得到污泥TSS＝9.3g/L，VSS＝6.0g/L，餐厨垃圾TSS＝37.4g/L，VSS＝36.0g/L的发酵液。
(7)在发酵液中装好石墨电极装置，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为+400±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(8)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中总乳酸的产量相比于不通正电压不加入启动剂和平衡剂的一般发酵体系提高了135.9％。
实施例4
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝12.7g/L，VSS＝7.6g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为45.2％，可挥发性有机物占总重比例为44.3％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置启动剂，将1.0g的NaOH溶解于10mL的去离子水中，后加入80％的L型手性乳酸10mL并搅拌混匀。
(4)配置平衡剂，将1.0g的NaCl和30.0g的NaOH溶解在100mL去离子水中。
(5)配置反应平衡罐体，将20g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成20g/L的KCl溶液。
(6)配置发酵液，在厌氧反应器中加入789.5mL的沉淀后的污泥，81.3g的用搅拌器打碎后的厨余垃圾，加入去离子水使总体积为1000mL，得到污泥TSS＝10.0g/L，VSS＝6.0g/L，餐厨垃圾TSS＝36.7g/L，VSS＝36.0g/L的发酵液。
(7)在发酵液中装好石墨电极装置，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为+400±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(8)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中总乳酸的产量相比于不通正电压不加入启动剂和平衡剂的一般发酵体系提高了170.1％。
实施例5
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝20.1g/L，VSS＝12.3g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为46.2％，可挥发性有机物占总重比例为45.5％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置启动剂，将1.0g的NaOH溶解于10mL的去离子水中，后加入80％的L型手性乳酸10mL并搅拌混匀。
(4)配置平衡剂，将1.0g的NaCl和30.0g的NaOH溶解在100mL去离子水中。
(5)配置反应平衡罐体，将20g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成20g/L的KCl溶液。
(6)配置发酵液，在厌氧反应器中加入487.8mL的沉淀后的污泥，79.1g的用搅拌器打碎后的厨余垃圾，加入去离子水使总体积为1000mL，得到污泥TSS＝9.8g/L，VSS＝6.0g/L，餐厨垃圾TSS＝36.5g/L，VSS＝36.0g/L的发酵液。
(7)在发酵液中装好石墨电极装置，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为+400±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(8)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中总乳酸的产量相比于不通正电压不加入启动剂和平衡剂的一般发酵体系提高了91.2％。
实施例6
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝16.8g/L，VSS＝11.6g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为43.5％，可挥发性有机物占总重比例为42.2％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置启动剂，将1.0g的NaOH溶解于10mL的去离子水中，后加入80％的L型手性乳酸10mL并搅拌混匀。
(4)配置平衡剂，将1.0g的NaCl和30.0g的NaOH溶解在100mL去离子水中。
(5)配置反应平衡罐体，将20g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成20g/L的KCl溶液。
(6)配置发酵液，在厌氧反应器中加入517.2mL的沉淀后的污泥，86.7g的用搅拌器打碎后的厨余垃圾，加入去离子水使总体积为1000mL，得到污泥TSS＝8.7g/L，VSS＝6.0g/L，餐厨垃圾TSS＝37.1g/L，VSS＝36.0g/L的发酵液。
(7)在发酵液中装好石墨电极装置，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为+400±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(8)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中总乳酸的产量相比于不通正电压不加入启动剂和平衡剂的一般发酵体系提高了75.9％。
对比例1传统餐厨垃圾厌氧反应方法：
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝14.5g/L，VSS＝9.1g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为43.1％，可挥发性有机物占总重比例为42.5％。
(2)配置发酵液，在厌氧反应器中加入659.3mL的沉淀后的污泥，84.7g的用搅拌器打碎后的厨余垃圾，加入去离子水使总体积为1000mL，得到污泥TSS＝9.6g/L，VSS＝6.0g/L，餐厨垃圾TSS＝36.5g/L，VSS＝36.0g/L的发酵液。
(3)将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(4)每24小时对厌氧反应器内溶液取样。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。
从上述实施例和对比例的检测结果可知，与餐厨垃圾厌氧反应方法相比，按照本发明方法对污泥进行厌氧发酵处理后，副产物总乳酸的产量会得到显著的提高。
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 (7)
1.一种利用正电压增强污泥发酵有机废物产乳酸效能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选择多孔石墨电极，将其置于污泥体系中兼性培养一定时间；
（2）配置负极反应平衡体系、启动剂和平衡剂，启动剂将于发酵反应器启动时添加，平衡剂将于发酵反应器发酵过程中添加；
启动剂为高浓度L型手性乳酸溶液，配置方法为在10.0～20.0g/L的NaOH中加入80%～90%的L型手性乳酸并搅拌，NaOH溶液和L型手性乳酸体积比例为1:1～2:1；
平衡剂为NaOH浓溶液，配置方法为将NaCl和NaOH按物质的量之比为1:10的比例溶解在自来水中，其中NaOH的浓度为10.0～20.0g/L；
（3）配置有机废物作为发酵底物，按照一定比例将发酵底物、污泥以及去离子水加入发酵反应器中，按照需求加入一定比例的启动剂，混合搅拌形成混合液；发酵反应器、平衡反应器上安装好电极，将混合液放置在可装电极、可搅拌、可保温的发酵反应器中，在发酵反应器和平衡反应器间用饱和氯化钾琼脂盐桥连接，将连接后的发酵反应器和平衡反应器的电极连接电源；
（4）启动发酵，开启发酵反应器的搅拌装置和保温装置，使发酵反应器中的体系在中温下保温以强化发酵，同时打开电源控制电压，设定加热温度为45±1℃，实际电压为+400±10mV；
（5）在发酵阶段每24小时加入一定量平衡剂使体系保持在平衡发酵体系以及强化产物生成，发酵一定天数后做乳酸的测定与提取。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（1）中的多孔石墨电极选自多孔石墨棒或多孔石墨板，所述的污泥体系为城市生活污水厂二沉池的浓缩污泥，总悬浮固体TSS含量为5～15g/L，VSS/TSS在0.60以上，按C:N:P=100:5:1的营养液中，在溶解氧为0～0.4mg/L的环境中培养0.5～3d。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（2）中负极反应平衡体系为20g/L的KCl溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（3）中发酵底物为有机废物，该底物的总悬浮固体TSS含量为20～40g/L，VSS/TSS在0.8以上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（3）中污泥为城市生活污水厂二沉池污泥，之后对其进行浓缩处理，总悬浮固体TSS含量为5～15g/L，VSS/TSS在0.60以上。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（3）中发酵底物、污泥以及去离子水在反应体系中配置比例为发酵底物VSS含量20～40g/L，污泥VSS含量4～10g/L，添加的启动剂的比例为0.1%～1.0%。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（5）中添加的平衡剂量为每日0.1%～1.0%。
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