CN109355319A - 一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法 - Google Patents

一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，包括以下步骤：S01，向反应器中加入白酒废水与剩余污泥，混合得到发酵底物；S02，将反应器充氮驱氧，密封反应器；S03，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。本发明的一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法,通过白酒废水和剩余污泥的联合发酵，可以调节发酵底物C/N平衡，增强发酵体系的缓冲性能，减弱有毒物质对发酵微生物的抑制，协同促进有机质的溶出、水解和酸化等厌氧代谢过程，提高SCFAs的生成速率和产量，有效地缩短发酵产酸的时间，减少处理系统的容积，降低运行成本。

Description

一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法
技术领域
本发明涉及一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，属于环境保护以及资源化技术领域。
背景技术
白酒行业作为我国的特色产业之一，近年来发展迅速。2016年我国的白酒产量已高达1360万吨。与此同时，白酒废水作为白酒生产过程的主要副产物，产量极大。据统计，每生产1t 65％vol白酒，将产生约48t的废水，对环境产生巨大危害，因此白酒废水的处理处置任务艰巨。目前白酒废水的处理主要在于降低其中的污染物浓度，实现达标排放，但是酒业废水的处理设施工艺复杂，调试时间长，管理要求和处理成本高，导致其整体处理程度及效果较低，逐渐成为白酒行业大力发展面临的“环保瓶颈”。
白酒废水含有大量有机物(糖和蛋白质等)，其生化性较高，其作为一种可有效回收利用的资源物质的功能被忽略。因此，如何从白酒废水高效回收能广泛应用于实际生产的资源物质对其处理处置意义重大，不仅减低白酒废水对环境的危害，同时实现废物的资源化利用。
短链脂肪酸(SCFAs，包括乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸和异戊酸等)是目前广受关注的资源物质。它应用范围广泛，不仅是合成油漆、涂料、可生物降解塑料等重要原料，也是污水处理过程中微生物脱氮除磷必不可少的有机碳源。我国污水处理厂进水碳源普遍不足，以SCFAs为代表的碳源物质需求较大。
SCFAs可通过厌氧发酵，利用发酵微生物的代谢作用从有机质中转化获取。目前已有大量研究利用污水厂的剩余污泥作为发酵底物生产SCFAs，以期获得污泥的减量化、资源化和无害化的处理效果，实现污水处理厂能源的内部循环与自给。但是，剩余污泥厌氧发酵无法回避有机质含量低和C/N比失调等问题，对最终SCFAs的积累和组成产生不利影响，导致其产量较低，无法真正有效地大规模应用于污水厂的碳源补给。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种能够将白酒废水的资源化利用，同时能够提高剩余污泥的短链脂肪酸生成能力的利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，包括以下步骤：
S01，向反应器中加入白酒废水与剩余污泥，混合得到发酵底物；
S02，将反应器充氮驱氧，密封反应器；
S03，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。
S01中，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，都能够有效促进SCFAs的生成，但是在厌氧发酵产SCFAs 的过程中，发酵底物和微生物量的共平衡更有利于SCFAs的积累，因此白酒废水与剩余污泥的混合比例优选为2:1～1:2。
pH作为发酵过程中最重要的非生物因子之一，不但影响有机底物发酵的水解效率以及系统中微生物的活性，而且决定着发酵类型。本发明中，白酒废水与剩余污泥混合物在反应器中厌氧发酵pH值控制在4～10，优选的pH值范围为6～9。
酵底物在反应器中的停留时间也会影响SCFAs的累积，一般认为发酵时间越长，将更有利于产甲烷菌的活动，使得产酸阶段的产物 SCFAs进一步转化为甲烷，不利于SCFAs的积累，同时发酵时间的延长将进一步增大运行成本。本发明中白酒废水与剩余污泥发酵底物的厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天。
S03中，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。
本发明的有益效果：
1、利用白酒废水和剩余污泥作为原料生产SCFAs，不仅实现了白酒废水的资源化，而且能有效促进剩余污泥的减量化和无害化，为城市有机废弃物的综合开发利用提供一种新思路。
2、通过白酒废水和剩余污泥的联合发酵，可以调节发酵底物C/N 平衡，增强发酵体系的缓冲性能，减弱有毒物质对发酵微生物的抑制，协同促进有机质的溶出、水解和酸化等厌氧代谢过程，提高SCFAs 的生成速率和产量，有效地缩短发酵产酸的时间，减少处理系统的容积，降低运行成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
由于剩余污泥中含有大量的活性微生物，能够参与到厌氧发酵过程中，有效实现有机底物的转化。本发明提供一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，利用剩余污泥中微生物来实现白酒废水中有机质的资源化利用。本发明实施例中采用的剩余污泥来源于南京某污水厂二沉池污泥，白酒废水来源于南京某白酒工厂生产过程中产生的废水。
具体实施例1
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为4:1，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10。优选为6～9，这里具体为7。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为8天。以CODcr计，在第8天SCFAs积累量为2006mg/L。
具体实施例2
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为2:1，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10。优选为6～9，这里具体为7。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为4天。以CODcr计，在第4天SCFAs积累量为2900mg/L。
具体实施例3
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为1:1，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10。优选为6～9，这里具体为7。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为8天。以CODcr计，在第8天SCFAs积累量为3809mg/L。
具体实施例4
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为1:2，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10。优选为6～9，这里具体为7。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为4天。以CODcr计，在第4天SCFAs积累量为3148mg/L。
具体实施例5
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为1:4，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10。优选为6～9，这里具体为7。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为3天。以CODcr计，在第3天SCFAs积累量为1536mg/L。
具体实施例6
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为1:1，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10，这里具体为4。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为 4天。以CODcr计，在第4天SCFAs积累量为2158mg/L。
具体实施例7
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为1:1，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10，这里具体为5。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为 4天。以CODcr计，在第4天SCFAs积累量为3062mg/L。
具体实施例8
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为1:1，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10，这里具体为6。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为 6天。以CODcr计，在第6天SCFAs积累量为3666mg/L。
具体实施例9
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为1:1，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10，这里具体为8。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为 4天或者8天。以CODcr计，在第4天SCFAs积累量为5400mg/L，在第8天SCFAs积累量为3926mg/L。
具体实施例10
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为1:1，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10，这里具体为9。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为 4天。以CODcr计，在第4天SCFAs积累量为4043mg/L。
具体实施例11
步骤一，向工作容积为600mL有机玻璃反应器中加入白酒废水与剩余污泥，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为 4:1～1:4，优选为1:1，混合得到发酵底物。
步骤二，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器。
步骤三，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。其中，厌氧发酵pH值控制在4～10，这里具体为10。控制发酵反应温度为35±1℃。厌氧发酵的时间为1～8天，优选为4～8天，这里具体为4天。以CODcr计，在第4天SCFAs积累量为3107mg/L。
对比例1
(1)在工作容积为600mL有机玻璃反应器中，加入白酒废水。
(2)将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀。通过厌氧发酵，将有机物转化为SCFAs。其中，机械搅拌转速为150-180rpm/min；控制发酵pH值为7，控制发酵反应温度为35±1℃，在第4天SCFAs积累量达到最大值，SCFAs 的含量为900mg/L。(以CODcr计)
对比例2
(1)在工作容积为600mL有机玻璃反应器中，加入剩余污泥。
(2)将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀。通过剩余污泥发酵，将有机物转化为SCFAs。其中，机械搅拌转速为150-180rpm/min；控制发酵pH值为7，控制发酵反应温度为35±1℃，在第6天SCFAs积累量达到最大值，SCFAs 的含量为473mg/L。(以CODcr计)
表1酒糟对污泥厌氧发酵产SCFAs的影响
表1汇总了实施例1到实施例11以及对比例1和2中参数和 SCFAs测定结果。相比单一添加白酒废水或者剩余污泥，白酒废水和剩余污泥混合可以明显提高SCFAs积累量。通过白酒废水和剩余污泥的共同发酵，可以有效促进SCFAs的积累，实现对白酒废水和剩余污泥的资源化处理和利用。
剩余污泥与白酒废水联合发酵，在混合比例为1:1，pH为6-9，发酵温度为35℃，发酵时间为4～8天的条件下，可以较大程度地促进SCFAs生产，提高SCFAs的生成速率，为本工艺的优选条件。其主要原因在于适当的混合比例能够有效调控发酵微生物(剩余污泥) 以及发酵底物(白酒废水)之间的平衡，调节发酵体系中得C/N比等，强化微生物的代谢活力与活性；同时白酒废水中的腐殖酸能够有效促进产酸微生物间的电子传递，调控水解和酸化酶的活性，同时抑制甲烷菌的活性。因此，在混合比例为1:1，pH 8，发酵温度为35℃，发酵时间为4d的条件下，SCFAs的产生量高达5400mg COD/L。
本发明中通过接种剩余污泥高效利用白酒废水生产SCFAs的基本原理如下：底物的种类对厌氧水解发酵过程影响显著。微生物会选择性的优先代谢容易被利用的发酵底物。最常见的三大营养物质：多糖、蛋白质、脂肪，其利用速率依次下降。白酒废水中含有大量可被微生物有效利用的有机底物(包括碳水化合物等)，可作为发酵产酸的底物。剩余污泥虽然有机物含量相对较低，C/N比低(蛋白类物质含量高)，可生化性差等缺点，导致厌氧发酵效率低，但是其含有大量活性微生物，可以作为利用白酒废水生产SCFAs的重要微生物来源。同时，白酒废水中含有大量有机底物可有效改善污泥系统中的 C/N比，增强发酵体系的缓冲性能，减弱有毒物质对发酵微生物的抑制，进一步促进微生物的活性与活力，提高反应系统中SCFAs的积累。
同时，白酒废水中含有的钙、镁、钾等微量元素，能够有效地提高产酸阶段许多关键酶及功能微生物的活性。此外，废水中还含有大量的腐殖酸类物质，可作为电子传递体参与微生物代谢过程中的电子转移，促进微生物的代谢活动，加快底物水解酸化速率，促进SCFAs 的生成(Environmental Science&Technology,2015,49(8),4929.)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，向反应器中加入白酒废水与剩余污泥，混合得到发酵底物；
S02，将反应器充氮驱氧，密封反应器；
S03，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，控制发酵pH值和时间，进行厌氧发酵。
2.根据权利要求1所述的一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，其特征在于：S01中，以总CODcr计，白酒废水与剩余污泥的混合比例为4:1～1:4。
3.根据权利要求2所述的一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，其特征在于：白酒废水与剩余污泥的混合比例为2:1～1:2。
4.根据权利要求1所述的一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，其特征在于：S03中，厌氧发酵pH值控制在4～10。
5.根据权利要求4所述的一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，其特征在于：厌氧发酵pH值控制在6～9。
6.根据权利要求1所述的一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，其特征在于：S03中，厌氧发酵的时间为1～8天。
7.根据权利要求6所述的一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，其特征在于：S03中，厌氧发酵的时间为4～8天。
8.根据权利要求1所述的一种利用白酒废水高效生产短链脂肪酸的方法，其特征在于：S03中，机械搅拌的频率为150～180rpm/min。
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