CN108558129B - 一种易生化污水处理及高值化利用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种易生化污水处理及高值化利用的方法，包括以下步骤：发酵单元、碳链生物延长单元的厌氧反应器中分别引入厌氧污泥，分别作为水解酸化和碳链生物延长的启动菌剂；在碳链生物延长单元的厌氧反应器中，抑制产甲烷菌的代谢活动，驯化出进行碳链延长代谢的优势菌群；在碳链生物延长单元通入含醇污水，为碳链延长菌群构建还原性环境，提供碳链延长代谢过程所需电子；易生化污水依次通过发酵单元、碳链生物延长单元和产物分离单元，最终从产物分离单元获得出水、中碳链有机酸，从发酵单元获得废弃污泥。与现有技术相比，本发明工艺简单，在处理易生化污水的同时获取高值产物，可广泛推广应用于易生化污水的处理和资源化利用。

Description

一种易生化污水处理及高值化利用的方法
技术领域
本发明属于环境保护和资源综合利用领域，尤其是涉及一种易生化污水处理及高值化利用的方法。
背景技术
我国每年产生大量易生化污水，比如酒糟废水、餐厨垃圾挤压废水、屠宰废水、畜禽养殖废水、城市生活污水以及垃圾初期渗滤液等。这类污水浓度高(CODCr浓度可达20000mg/L以上)、性质和来源各异、成分复杂、对环境水体的污染程度大，增加了污水处理的难度，很难保证污水处理的稳定运行以及达标排放。另一方面，这类污水的可生化性好(BOD5/CODCr大于0.45)，有机物浓度高，能很容易被微生物转化，其转化产物(例如，能源气体—CH4、H2，短碳链有机酸—甲酸、乙酸、丙酸、乳酸和乙醇等)具有一定的经济性，可作为替代化石资源的可再生原料。因此，易生化污水的处理也相应具有两重性和双重效益，处理原则首要是无害化和减量化，控制其环境污染，其次尽可能采用转化技术实现其资源化和能源化利用。
目前，传统的易生化污水处理技术主要以污染控制为目的，不以获取终产物为目标，最终污水中的有机质被矿化为CO2和H2O，造成极大的资源浪费。少数厌氧技术以CH4、H2或者短碳链有机酸、醇最为目标产物。但是，这些产物存在能量密度低(如：标准状态下的甲烷能量密度仅为0.0375MJ/L，乙醇能量密度为20.9MJ/L)、分离纯化难(乙醇及挥发性脂肪酸与水混溶)、储存和输送不便、利用途径较窄和经济效益不突出等缺陷。
碳链生物延长技术，既是在厌氧消化的过程中，通过抑制产甲烷，阻断产酸过程产生的短碳链有机酸(如：甲酸、乙酸、丙酸和乳酸等)进一步氧化为CH4和CO2，并添加电子供体，把短碳链有机酸还原为中碳链有机酸(如己酸、庚酸和正辛酸)。【Cavalcante WDA,
Figure BDA0001600940050000021
RC,Gehring TA,Angenent LT,Santaella ST.Anaerobic fermentation for n-caproic acid production:A review.Process Biochemistry.2017,54,106-119.】中碳链有机酸相对于CH4、短碳链有机酸或者乙醇，具有能量密度高，疏水性好，便于储存和运输，应用面广和经济价值高等优点。【Angenent LT,Richter H,Buckel W,Spirito CM,Steinbusch KJJ.Chain elongation with reactor microbiomes:Open-culturebiotechnology to produce biochemicals.Environmental Science&Technology.2016,50,2796-2810.】例如，己酸和辛酸具有较高的经济效益，是有多种用途的化学品，也可以作为合成具有更高价值化学品的中间产物，它们可被用来制造香水、药品、润滑剂、橡胶和染料等产品，具有较高的能量密度使得它们也可以作为液体燃料的前驱物。
中国发明专利“一种高悬浮物易生化废水处理方法”(申请号CN201410110027.6)采用固液分离、厌氧兼氧分解、MBR分解、消毒杀菌的工艺来处理易生化污水。
中国发明专利“电促碳链生物延伸方法及其装置”(申请号CN201510019239.8)采用外加电流作为电子供体来促进碳链生物延伸反应。但是电是额外添加的清洁能源，成本较高，且该方法处理规模较小，对进料及运行条件控制要求高。
中国发明专利“一种提高碳链生物延伸产物合成浓度的方法”(申请号CN2016102111063.0)采用添加导电性炭基材料促进碳链生物延伸反应。
发明内容
本发明针对易生化污水有机物浓度高，可生化性好的特点，以资源化利用其有机成分，获得高值产物为目标，开发了一种易生化污水处理及高值化利用的方法。
本发明方法以碳链生物延长为核心，充分利用易生化污水水解酸化得到的短碳链有机酸以及含醇污水所含的乙醇等醇类，在菌剂作用下将其转化为己酸、庚酸和辛酸等中碳链有机酸。本发明在处理易生化污水的同时，可以获取高值产物，具有显著的经济、社会和环境效益。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种易生化污水处理及高值化利用的方法，包括以下步骤：
(1)发酵单元的厌氧反应器、碳链生物延长单元的厌氧反应器中分别引入厌氧污泥，分别作为水解酸化和碳链生物延长的启动菌剂；
(2)在碳链生物延长单元的厌氧反应器中，抑制产甲烷菌的代谢活动，驯化出进行碳链延长代谢的优势菌群；
(3)在碳链生物延长单元通入含醇污水，为碳链延长菌群构建还原性环境，提供碳链延长代谢过程所需电子；
(4)易生化污水依次通过发酵单元、碳链生物延长单元和产物分离单元，最终从产物分离单元获得出水、中碳链有机酸，从发酵单元获得废弃污泥。
优选地，碳链生物延长单元出水部分回流至发酵单元。
优选地，产物分离单元出水部分回流至发酵单元。
碳链生物延长单元、产物分离单元回流出水，回流比控制10-50％，回流的好处在于降低处理污水的浓度、提高系统稳定性、水量不足时补充水量维持运行以及在系统调试或长期停运后，重新启动时通过调节回流比，逐渐提高负荷。
优选地，所述易生化污水指BOD5/CODCr大于0.45的废水，包括酒糟废水、餐厨垃圾挤压废水、屠宰废水、畜禽养殖废水、城市生活污水以及垃圾初期渗滤液等。
优选地，所述厌氧污泥包括：污水处理产生的厌氧污泥、垃圾厌氧消化产生的沼渣、水体底泥、石油污染土壤或酿造残渣。
优选地，在碳链生物延长单元的厌氧反应器中，抑制产甲烷菌的代谢活动，驯化出进行碳链延长代谢的优势菌群的方法包括添加产甲烷抑制剂或调控pH＝5～6。
优选地，所述产甲烷抑制剂包括2-溴乙烷磺酸钠。
优选地，所述含醇污水包括酿造业产生的酒糟废水、啤酒废水、化工业产生的含醇废水等。其所含醇主要是乙醇、甲醇和丁醇。
优选地，所述发酵单元的厌氧反应器操作参数为：菌剂接种量4～10g VS/L，反应温度30～50℃，pH 5.5～7，水力停留时间大于等于5天。
优选地，所述碳链生物延长单元的厌氧反应器操作参数为：菌剂接种量4～10gVS/L，反应温度30～50℃，pH 5.5～7，水力停留时间大于等于5天。
优选地，所述产物分离单元为膜分离单元。所述产物分离方法包括膜渗透萃取、纳滤膜萃取、离子交换膜萃取等膜分离方法。
优选地，所述发酵单元即为用于水解酸化作用的厌氧反应器。所述碳链生物延长单元即为用于碳链生物延长作用的厌氧反应器。
针对易生化污水，本发明通过微生物作用，把易生化污水的有机碳生物转化为己酸、庚酸和辛酸等疏水性的中碳链有机酸，并实时分离出来，从而达到去除易生化污水的有机碳污染的目的。中碳链有机酸是高附加值的化学品，具有能量密度高，疏水性好，便于储存和运输，应用面广和经济价值高等优点。本发明工艺简单，在处理易生化污水的同时获取高值产物，可广泛推广应用于易生化污水的处理和资源化利用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及效果：
1、针对其他以处理为目的、将有机碳转化为CO2或CH4的高浓度易生化污水处理方法，本发明提供了一种碳链生物延长的方法，将易生化污水中的有机碳转化为高产物价值、易分离的中碳链有机酸，目标不仅是去除有机物，而是将污水中的有机物转化成高经济价值的有机物。利用该方法能很好地无害化处理该类污水，缓解其污染环境的现状，并获取高值化产物，大幅降低污水处理成本。
2、本发明利用污水中的有机物作为碳源，醇类作为电子供体，避免了额外电能的输入，更加经济环保。
3、本发明分别设置发酵单元和碳链生物延长单元，保证两个单元的优势菌群能在各自最适宜的环境下生长而互不影响。能提高处理效率、对不同性质进料的耐受性及系统稳定性。针对中碳链有机酸疏水性更强的特点增设产物分离单元，能更高效分离产物而不会因为pH的变化影响碳链延长反应。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
参考图1，一种易生化污水处理及高值化利用的方法，包括以下步骤：
(1)发酵单元的厌氧反应器、碳链生物延长单元的厌氧反应器中分别引入厌氧污泥，分别作为水解酸化和碳链生物延长的启动菌剂；
(2)在碳链生物延长单元的厌氧反应器中，抑制产甲烷菌的代谢活动，驯化出进行碳链延长代谢的优势菌群；
(3)在碳链生物延长单元通入含醇污水，为碳链延长菌群构建还原性环境，提供碳链延长代谢过程所需电子；
(4)易生化污水依次通过发酵单元、碳链生物延长单元和产物分离单元，最终从产物分离单元获得出水、中碳链有机酸，从发酵单元获得废弃污泥。
其中，碳链生物延长单元出水部分回流至发酵单元。产物分离单元出水部分回流至发酵单元。
其中，所述易生化污水指BOD5/CODCr大于0.45的废水，包括酒糟废水、餐厨垃圾挤压废水、屠宰废水、畜禽养殖废水、城市生活污水以及垃圾初期渗滤液等。
其中，所述厌氧污泥包括：污水处理产生的厌氧污泥、垃圾厌氧消化产生的沼渣、水体底泥、石油污染土壤或酿造残渣。
其中，在碳链生物延长单元的厌氧反应器中，抑制产甲烷菌的代谢活动，驯化出进行碳链延长代谢的优势菌群的方法包括添加产甲烷抑制剂或调控pH＝5～6。所述产甲烷抑制剂包括2-溴乙烷磺酸钠。
其中，所述含醇污水包括酿造业产生的酒糟废水、啤酒废水、化工业产生的含醇废水等。其所含醇主要是乙醇、甲醇和丁醇。
其中，所述发酵单元的厌氧反应器操作参数为：菌剂接种量4～10g VS/L，反应温度30～50℃，pH 5.5～7，水力停留时间大于等于5天，所述碳链生物延长单元的厌氧反应器操作参数为：菌剂接种量4～10g VS/L，反应温度30～50℃，pH 5.5～7，水力停留时间大于等于5天。
其中，所述产物分离单元为膜分离单元。所述产物分离方法包括膜渗透萃取、纳滤膜萃取、离子交换膜萃取等膜分离方法。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
处理对象为某造纸厂产生的造纸废水，CODCr约为25000～30000mg/L。发酵单元及碳链生物延长单元的厌氧反应器中引入该厂厌氧污水处理的厌氧颗粒污泥作为启动菌剂，接种量为10g VS/L。碳链延长反应器中通过添加50mM的2-BES(2-溴乙烷磺酸钠)抑制产甲烷菌的代谢活动，驯化出进行碳链延长代谢的优势菌群，反应温度35±1℃，pH 7±0.2，水力停留时间等于6天。碳链延长单元通入啤酒废水(其含乙醇5～6％)提供电子供体电子。利用液液渗透萃取分离正己酸。
在120天的运行时间里，正己酸的平均产率约为5.32g/L/d，最大产率为7.09g/L/d，COD去除率大于83％。
实施例2
处理对象为某啤酒厂产生的啤酒废水，CODCr约为20000～25000mg/L。发酵单元及碳链生物延长单元的厌氧反应器中引入生活污水处理产生的厌氧污泥作为启动菌剂，接种量为8g VS/L。碳链延长反应器中通过控制pH＝5.5来抑制产甲烷菌的代谢活动，驯化出进行碳链延长代谢的优势菌群，反应温度30±1℃，pH 5.5，水力停留时间等于5天。该污水本身含乙醇5～6％，无需额外添加含醇污水。利用中空纤维膜萃取分离正己酸。
在550天的运行时间里，正己酸的平均产率为3.38±0.42g/L/d，COD去除率大于85％。
实施例3
处理对象为合成气厌氧发酵液，CODCr约为15000～20000mg/L，含乙醇11.4g/L，乙酸2.3g/L。发酵单元及碳链生物延长单元的厌氧反应器中引入生活污水处理产生的厌氧污泥作为启动菌剂，接种量为6g VS/L。碳链延长反应器中通过控制pH＝5.5来抑制产甲烷菌的代谢活动，驯化出进行碳链延长代谢的优势菌群，反应温度30±1℃，pH 5.5～6.5，水力停留时间等于8天。该污水本身含乙醇，无需额外添加含醇污水。利用离子交换膜萃取分离正己酸。
在550天的运行时间里，正己酸的平均产率约为1.7g/L/d，正丁酸的平均产率约为20g/L/d。COD去除率大于80％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。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，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种易生化污水处理及高值化利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）发酵单元的厌氧反应器、碳链生物延长单元的厌氧反应器中分别引入厌氧污泥，分别作为水解酸化和碳链生物延长的启动菌剂；
（2）在碳链生物延长单元的厌氧反应器中，抑制产甲烷菌的代谢活动，驯化出进行碳链延长代谢的优势菌群；
（3）在碳链生物延长单元通入含醇污水，为碳链延长菌群构建还原性环境，提供碳链延长代谢过程所需电子；
（4）易生化污水依次通过发酵单元、碳链生物延长单元和产物分离单元，最终从产物分离单元获得出水、中碳链有机酸，从发酵单元获得废弃污泥；
所述易生化污水指BOD5/CODCr大于0.45的废水；
在碳链生物延长单元的厌氧反应器中，抑制产甲烷菌的代谢活动，驯化出进行碳链延长代谢的优势菌群的方法包括添加产甲烷抑制剂或调控pH = 5~6；
所述发酵单元的厌氧反应器操作参数为：菌剂接种量4~10 g VS/L，反应温度30~50 °C，pH 5.5~7，水力停留时间大于等于5天；
所述碳链生物延长单元的厌氧反应器操作参数为：菌剂接种量4~10 g VS/L，反应温度30~50 °C，pH 5.5~7，水力停留时间大于等于5天；
所述发酵单元为用于水解酸化作用的厌氧反应器，所述碳链生物延长单元为用于碳链生物延长作用的厌氧反应器；
所述中碳链有机酸包括己酸、庚酸和辛酸；所述产物分离单元为膜分离单元；
碳链生物延长单元出水部分回流至发酵单元，产物分离单元出水部分回流至发酵单元；
所述含醇污水包括酿造业产生的酒糟废水、啤酒废水、化工业产生的含醇废水。
2.根据权利要求1所述的一种易生化污水处理及高值化利用的方法，其特征在于，所述易生化污水包括酒糟废水、餐厨垃圾挤压废水、屠宰废水、畜禽养殖废水、城市生活污水以及垃圾初期渗滤液。
3.根据权利要求1所述的一种易生化污水处理及高值化利用的方法，其特征在于，所述厌氧污泥包括：污水处理产生的厌氧污泥、垃圾厌氧消化产生的沼渣、水体底泥、石油污染土壤或酿造残渣。
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