CN107446961B - 一种硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以硫酸盐还原菌(SRB)为介导强化污泥碳源转化的方法。本发明要解决目前存在的传统污泥厌氧发酵水解过程受限、产氢产乙酸过程受氢累积和热力学限制而导致碳源转化效率低下的难点问题。方法:一、制备污泥样本;二、定向驯化和富集SRB功能菌群;三、投加过硫酸盐和SRB;四、进行厌氧发酵完成硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法。本发明方法中采用过硫酸盐预氧化污泥溶胞,提升水解过程速率,强化污泥嵌入式能源的释放,并为SRB代谢提供电子受体;构建SRB与产氢产乙酸菌(HPA)互营联合体系,通过代谢消耗氢气,解除HPA的热力学抑制,进而加速“厌氧生物链”的碳代谢循环,促进C3‑C5脂肪酸转化为乙酸,从而强化污泥碳源转化。

Description

一种硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法
技术领域
本发明涉及采用硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法。
背景技术
近年来伴随我国经济建设的发展,市政污水处理设施的日渐完善,快速高效处理污水的同时产生了大量剩余污泥。目前剩余污泥俨然成为污水处理过程中十分棘手的问题。厌氧消化技术相对于其它处理技术,可以实现污泥的稳定化、减量化,目前多数该研究均以生物能源为最终目标产物,消化周期比较长,且产物附加值低,因而很多研究不仅注重最终的生物能源,也开始关注厌氧消化过程的中间产物。短链挥发性脂肪酸作为一种高附加值的生物化学品,不仅是剩余污泥厌氧消化的重要中间代谢产物,亦可以作为有机碳源回用到污水处理过程中,强化脱硫、脱氮除磷效率。另一方面,剩余污泥在污水厂内部实现资源化利用可以节约运输等方面的成本。此外,这些脂肪酸经提取后还可作为原料用于合成很多重要化学物质如醋酸乙烯、聚羟基脂肪酸酯等,也可以用作生产生物能源如产电、产氢等。采用一些生物技术策略调控剩余污泥厌氧发酵过程从而提高挥发酸浓度,是实现污泥资源开发的一条具有广阔应用前景的途径。因此,如何通过厌氧微生物菌群间的协同作用实现氢气的种间转移,加速污泥“厌氧生物链”的碳代谢循环使有机碳化合物快速转化为乙酸是实现污泥能源转化的关键。
由于传统污泥厌氧发酵水解过程受限、产氢产乙酸过程受氢累积和热力学限制,导致碳源转化效率低。针对剩余污泥水解过程受限的难点问题,构建过硫酸盐预氧化污泥溶胞工艺。过硫酸盐具有高度活泼的可反应性,可以引起细胞壁和其他结构中多糖类和其他生化成分的氧化性破坏,用做剩余污泥的预处理手段,可以有效的促进胞内有机物的溶出和胞外聚合物的剥离,而且生成的硫酸盐也可为硫酸盐还原菌SRB提供电子最终受体,保证SRB的活性及竞争力。另外针对产氢产乙酸菌HPA代谢脂肪酸受氢累积和热力学限制的弊端,构建污泥厌氧SRB与HPA互营联合体系,利用SRB对厌氧生境中H2的消耗,解除HPA热力学限制,“拉动”产氢产乙酸进程,加快乙酸的产生为食乙酸产甲烷菌(AMB)提供最适底物,最终提高甲烷产量。种间互营是微生物之间物质交叉反馈机制,对厌氧反应来说,则是热力学上两个功能菌群相互依存的一种联合方式。作为产甲烷的上游产物,脂肪酸代谢过程的互营联合受到越来越广泛的关注。
发明内容
本发明要解决目前存在传统污泥厌氧发酵碳源转化效率低的问题,而提供的一种硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法。
本发明具体是按照以下步骤进行的:
一、制备污泥样本:在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降,沉降时间为24 h ~30 h,弃去上清液,得到污泥样本;
二、定向驯化和富集SRB功能菌群:以二碳以上脂肪酸(丙酸、正/异丁酸和正/异戊酸)为三种碳源,以污水处理厂剩余活性污泥为分离接种源,在厌氧条件下,富集和驯化以乙酸和二氧化碳为末端产物的降解脂肪酸菌液。利用传统的连续传代富集,每隔 3d 以10%的接种量转接到相同富集培养基中;培养基每升各组成成分含量为硫酸铵0.6875g、微量元素10mL,另按1000gCOD换算分别投加三种碳源,用10%稀硫酸或1mol/L氢氧化钠调pH至6.5,于空气浴摇床120rpm、33℃下培养,连续转接 10+2次,得到三种不同类型SRB,将其按VSS比为1:1:1均匀混合后,采用离心法获得浓缩SRB菌液;
三、投加过硫酸盐和SRB:将过硫酸盐和步骤二制得的SRB菌液投加到步骤一所制得的污泥样本中,混合均匀后放入反应瓶中,其中SRB菌液与污泥的投加比例为VSS污泥:VSS菌液=100:1,过硫酸盐投加量为1.2m mol/g-VSS;
四、进行厌氧发酵:将反应瓶驱氧充氮10 min后,密封反应瓶,放入空气浴摇床中以110 rpm ~120 rpm转速,进行厌氧发酵,发酵温度为30℃~35 ℃、发酵时间为1 d ~10 d,完成硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法。
本发明的有益效果是:
本发明方法采用过硫酸盐处理剩余污泥溶胞,强化污泥嵌入式能源的释放,其还原产物硫酸盐可为SRB提供电子最终受体,保证SRB的活性及竞争力;SRB 对二碳以上脂肪酸的利用过程,不仅产生乙酸(HAc),而且产生质子和电子用于还原硫酸盐,在此过程中需要消耗氢气,从而使厌氧环境保持在低氢分压,解除 HPA 产氢产乙酸的热力学抑制, 进而继续“拉动”产氢产乙酸进程,明显的提高了剩余污泥发酵过程中挥发酸的浓度,且提高乙酸在总挥发酸中的占比。当过硫酸盐投加量为1.2m mol/g-VSS,发酵时间为72h时,与剩余污泥单独厌氧发酵和过硫酸盐预处理的剩余污泥厌氧发酵实验组相比,投加过硫酸盐及SRB实验组的挥发酸浓度分别提高了4.36倍及1.40倍,乙酸浓度分别提高了6.78倍及1.35倍。说明投加硫酸盐还原菌后对污泥厌氧发酵过程中碳源的转化有明显的促进作用。本发明方法对实现强化剩余污泥厌氧发酵过程中碳源的高效转化具有重要的理论价值和现实意义。本发明用于以硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化。
附图说明
图1为实施例一和对比实验一、对比实验二的挥发酸浓度与发酵时间的关系图。
图2为实施例一和对比实验一、对比实验二的各挥发酸浓度与发酵方式的关系图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式,还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一:本实施方式硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法具体是按照以下步骤进行的:
一、制备污泥样本:在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降,沉降时间为24 h ~30 h,弃去上清液,得到污泥样本;
二、定向驯化和富集SRB功能菌群:以二碳以上脂肪酸(丙酸、正/异丁酸和正/异戊酸)为碳源,以污水处理厂剩余活性污泥为分离接种源,在厌氧条件下,富集和驯化以乙酸和二氧化碳为末端产物的降解脂肪酸菌液。利用传统的连续传代富集,每隔3d以10%的接种量转接到相同富集培养基中。培养基每升各组成成分含量为硫酸铵0.6875g、微量元素10mL,另按1000gCOD换算分别投加三种碳源,用10%稀硫酸或1mol/L氢氧化钠调pH至6.5,于空气浴摇床120rpm、33℃下培养,连续转接 10 次左右,得到三种不同类型SRB,将其按VSS比为1:1:1均匀混合后,采用离心法获得浓缩SRB菌液。
三、投加过硫酸盐和SRB:将过硫酸盐和步骤二制得的SRB菌液投加到步骤一所制得的污泥样本中,混合均匀后放入反应瓶中,其中SRB菌液与污泥的投加比例为VSS污泥:VSS菌液=100:1,过硫酸盐投加量为1.2m mol/g-VSS。
四、进行厌氧发酵:将反应瓶驱氧充氮10 min后,密封反应瓶,放入空气浴摇床中以110 rpm ~120 rpm转速,进行厌氧发酵,发酵温度为30℃~35 ℃、发酵时间为1 d ~10 d,完成硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中沉降时间为25 h ~29 h。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是:步骤四中空气浴摇床的转速为112 rpm ~118 rpm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤四中发酵温度为33 ℃~34 ℃、发酵时间为3 d ~10 d。其它与具体实施方式一相同。
采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果:
实施例一:
本实施例硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法具体是按照以下步骤进行的:
一、制备污泥样本:在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降,沉降时间为24 h,然后排掉上清液,得到污泥样本,其中污泥样本TSS为19.204 g/L,VSS为11.145g/L;
二、定向驯化和富集SRB功能菌群:以二碳以上脂肪酸(丙酸、正/异丁酸和正/异戊酸)为碳源,以污水处理厂剩余活性污泥为分离接种源,在厌氧条件下,富集和驯化以乙酸和二氧化碳为末端产物的降解脂肪酸菌液。利用传统的连续传代富集,每隔3d以10%的接种量转接到相同富集培养基中。培养基每升各组成成分含量为硫酸铵0.6875g、微量元素10mL,另按1000gCOD换算分别投加三种碳源,用10%稀硫酸或1mol/L氢氧化钠调pH至6.5,于空气浴摇床120rpm、33℃下培养,连续转接10次左右,得到三种不同类型SRB,将其按VSS比为1:1:1均匀混合后,采用离心法获得浓缩SRB菌液。
三、投加过硫酸盐和SRB:用500 mL血清瓶作为反应瓶,将步骤二制得的SRB菌液和过硫酸盐投加到步骤一制得的污泥样本中,混合均匀后量取300 mL污泥样本放入反应瓶中,其中SRB菌液与污泥的投加比例为VSS污泥:VSS菌液=100:1,过硫酸盐投加量为1.2m mol/g-VSS。
四、进行厌氧发酵:将反应瓶驱氧充氮10 min后,密封反应瓶,放入空气浴摇床中以110 rpm ~120 rpm转速,进行厌氧发酵,发酵温度为30℃~35 ℃、发酵时间为1 d ~10 d,完成硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法。
其中剩余污泥取自晋中市正阳污水厂二沉池。
对比实验一:
本对比实验剩余污泥单独厌氧发酵的方法具体是按照以下步骤进行的:
一、制备污泥样本:在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降,沉降时间为24 h,然后排掉上清液,得到污泥样本,其中污泥样本TSS为19.204 g/L,VSS为11.145g/L;
二、量取污泥样本:用500 mL血清瓶作为反应瓶,量取300 mL污泥样本放入反应瓶中;
三、进行厌氧发酵:将反应瓶驱氧充氮10 min后,密封反应瓶,放入空气浴摇床中以120 rpm转速,进行厌氧发酵,发酵温度为30℃~35 ℃、发酵时间为1 d ~10 d,完成剩余污泥单独厌氧发酵的方法。
其中剩余污泥取自晋中市正阳污水厂二沉池。
对比实验二:
本对比实验过硫酸盐预处理的剩余污泥厌氧发酵的方法具体是按照以下步骤进行的:
一、制备污泥样本:在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降,沉降时间为24 h,然后排掉上清液,得到污泥样本,其中污泥样本TSS为19.204 g/L,VSS为11.145g/L;
二、投加过硫酸盐:用500 mL血清瓶作为反应瓶,将过硫酸盐投加到步骤一制得的污泥样本中,混合均匀后量取300 mL污泥样本放入反应瓶中,其中过硫酸盐投加量为1.2mmol/g-VSS。
三、进行厌氧发酵:将反应瓶驱氧充氮10 min后,密封反应瓶,放入空气浴摇床中以110 rpm ~120 rpm转速,进行厌氧发酵,发酵温度为30℃~35 ℃、发酵时间为1 d ~10 d,完成过硫酸盐预处理的剩余污泥厌氧发酵的方法。
其中剩余污泥取自晋中市正阳污水厂二沉池。
图1为实施例一和对比实验一、对比实验二的挥发酸浓度与发酵时间的关系图。从图中可以看出,与剩余污泥单独厌氧发酵和过硫酸盐预处理的剩余污泥厌氧发酵产生的挥发酸浓度相比,投加过硫酸盐与SRB实验组,挥发酸浓度有明显的提高,说明SRB的投加对剩余污泥发酵产酸效能有明显的促进作用。发酵时间为72 h时,投加过硫酸盐与SRB的实验组的挥发酸浓度为3269.7739 mg COD/L,比剩余污泥单独厌氧发酵和过硫酸盐预处理的剩余污泥厌氧发酵产生的挥发酸浓度分别提高了4.36倍及1.40倍。
图2为实施例一和对比实验一、对比实验二在72h时各挥发酸浓度与发酵方式的关系图。从图中可以看出,投加过硫酸盐与SRB实验组的各挥发酸浓度相比剩余污泥单独厌氧发酵和过硫酸盐预处理的剩余污泥厌氧发酵都有很大提高,单乙酸浓度(1984.2964mgCOD/L)来看,相比对照组一、二分别提高了6.78倍及1.35倍。
综上所述,在剩余污泥中投加过硫酸盐与SRB,挥发酸浓度有明显的提高,与剩余污泥单独厌氧发酵和过硫酸盐预处理的剩余污泥厌氧发酵实验组相比,72 h时挥发酸浓度分别提高了4.36倍及1.40倍;乙酸浓度分别提高了6.78倍及1.35倍,可见投加SRB可明显促进污泥小分子碳源的转化。结果表明,以SRB为介导强化污泥碳源转化具有可行性,解决了剩余污泥单独厌氧发酵所存在的限制问题。

Claims (4)

1.一种硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法,其特征在于该方法按以下步骤进行:
一、制备污泥样本:在温度为4 ℃的条件下将剩余污泥进行自然沉降,沉降时间为24 h~30 h,弃去上清液,得到污泥样本;
二、定向驯化和富集硫酸盐还原菌功能菌群即SRB功能菌群:以丙酸、正/异丁酸以及正/异戊酸为三种碳源,以污水处理厂剩余活性污泥为分离接种源,在厌氧条件下,富集和驯化以乙酸和二氧化碳为末端产物的降解脂肪酸菌液;利用传统的连续传代富集,每隔3d以10%的接种量转接到相同富集培养基中;培养基每升各组成成分含量为硫酸铵0.6875g、微量元素10mL,另按1000gCOD换算分别投加三种碳源,用浓度为10%稀硫酸或1mol/L氢氧化钠调pH至6.5,于空气浴摇床120rpm、33℃下培养,连续转接10+2次,得到三种不同类型SRB,将其按VSS比为1:1:1均匀混合后,采用离心法获得浓缩SRB菌液;
三、投加过硫酸盐和SRB:将步骤二制得的SRB菌液和过硫酸盐投加到步骤一制得的污泥样本中,混合均匀后放入反应瓶中,其中SRB菌液投加比例为VSS污泥:VSS菌液=100:1,过硫酸盐投加量为1.2m mol/g-VSS;
四、进行厌氧发酵:将反应瓶驱氧充氮10 min后,密封反应瓶,放入空气浴摇床中以110rpm ~120 rpm的转速,进行厌氧发酵,发酵温度为30℃~35 ℃、发酵时间为1 d ~10 d,完成硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法。
2.根据权利要求1所述一种硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法,其特征在于步骤一中沉降时间为25 h ~29 h。
3.根据权利要求1所述一种硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法,其特征在于步骤四中空气浴摇床的转速为112 rpm ~118 rpm。
4.根据权利要求1所述一种硫酸盐还原菌为介导强化污泥碳源转化的方法,其特征在于步骤四中发酵温度为33 ℃~34 ℃、发酵时间为3 d ~10 d。
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