CN109554404A - 游离氨(fa)作为预处理手段强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪酸产量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用游离氨(FA)作为预处理手段强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪酸产量的方法，包括如下步骤：以城市污水厂剩余污泥为原料，经自然沉淀弃去上清液得到发酵底物，向发酵底物中加入氯化铵，在碱性环境下(pH＝9)进行预处理，预处理完成后进行厌氧发酵产生短链脂肪酸，最大短链脂肪酸的产量为271.86mg COD/g VSS。本发明能够以污水厂污泥为原料，通过控制体系中游离氨的浓度，预处理时间，促进污泥中有机物溶出以及抑制污泥产甲烷的能力来最大程度提高短链脂肪酸的产量，对污泥处理的减量化、无害化以及资源化，具有产酸产量高、制备方法简单、运行成本低等优势。

Description

游离氨(FA)作为预处理手段强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪 酸产量的方法

技术领域

本发明属于环境保护以及资源化技术领域，具体涉及一种游离氨作为预处理手段强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪酸产量的方法。

背景技术

在城市污水处理过程中产生大量的剩余污泥，据报道2015年中国产生约3400万吨剩余污泥，剩余污泥的处理与处置费用高。但剩余污泥中富含大量有机物能够被微生物所利用，直接对其进行填埋、焚烧等方式处理处置将造成极大的资源浪费。因此如何实现剩余污泥的资源化、无害化和减量化成为学者研究的重点。此外，我国南方城市污水处理厂普遍存在有机碳源不足的问题，这严重限制了污水处理厂中生物脱氮除磷的效果。若将污水处理过程中产生的大量剩余污泥进行厌氧发酵生产短链脂肪酸，再将其补给到生物脱氮除磷的过程中，不仅解决了生物脱氮除磷的过程中有机碳源不足的问题，而且也实现了剩余污泥的资源化、无害化和减量化。

污泥的厌氧发酵主要分为以下阶段，即溶解和水解、酸化和产甲烷阶段。短链脂肪酸的产生是在酸化阶段，短链脂肪酸将在产甲烷阶段被消耗生成甲烷和二氧化碳气体。因此，强化溶解、水解和酸化中的任一阶段，同时抑制产甲烷阶段是提高短链脂肪酸产量的关键。此前有学者用过多种预处理方法，如高温热处理，化学试剂预处理(碱、酸等)，生物处理等都能有效的加快污泥溶解水解速率，提高短链脂肪酸产量。然而，由于需要较高的投资和运行费用，并且运行不稳定，产酸量低，这些预处理方法的应用受到了极大的限制。因此亟待发明一种价格低廉、运行稳定且产酸量大的预处理手段。

游离氨是分子态的氨氮，对细胞的胞外聚合物及细胞自身有极强的破坏作用，进而可以释放胞内的物质，为水解、酸化提供更多可利用的物质。同时，其对污泥甲烷化有一定的抑制作用，这样就可以减少短链脂肪酸的消耗。然而，利用游离氨强化污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的研究至今尚未报道。此外，游离氨(FA)是污水处理厂的发酵液中原位产生的，可以直接获得，因此本发明在实现污泥原位生产短链脂肪酸的同时又节约了运行成本，提高了产酸效率。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中的问题，提供一种利用游离氨作为预处理手段强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪酸产量的方法，有利于实现污泥的减量化、资源化和无害化。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种利用游离氨(FA)作为预处理手段强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪酸产量的方法，包括如下步骤：以城市污水处理所得污泥为发酵原料，经自然沉淀弃去上清液得到发酵底物，向发酵底物中加入氯化铵，在碱性环境下(pH＝9)进行预处理，预处理完成后在厌氧环境下发酵生产短链脂肪酸。

根据上述所述的方法，本发明的具体实施步骤为：

(1)先将污泥在4℃下自然沉淀24h后，去除上清液得到发酵底物。

(2)向体系中投加氯化铵后，控制预处理阶段的pH＝9.0±0.1,控制游离氨的浓度为190 ±30mg/L。

(3)向体系中充入适量的氮气，为发酵提供厌氧环境。

(4)将反应置于20±1℃，120rpm/min的水浴振荡器中进行厌氧发酵。

(5)厌氧发酵体系运行的时间为4-8d。

(6)游离氨预处理的时间为72±1h。

与其他预处理方法相比，本发明的创新点在于：

游离氨(FA)是分子态的氨氮，对污泥中微生物的胞外聚合物及细胞自身均有较强的破坏作用，进而加速胞内物质的释放。游离氨对污泥厌氧发酵体系中产甲烷菌具有一定的抑制作用。本发明用游离氨作为预处理手段强化污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸，游离氨(FA)能够更好的促进蛋白质和多糖的溶出，进而被酸化阶段的产酸菌所利用，又因为游离氨抑制产甲烷菌的活性，减少了短链脂肪酸的消耗，进而促进了短链脂肪酸的积累。

此外，游离氨(FA)可以从污水处理厂的发酵液中直接获得，污水处理厂的发酵液中含有高浓度的氨氮，将其控制在碱性条件下可以产生一定浓度的游离氨，将其回流至厌氧发酵体系预处理污泥，从而提高短链脂肪酸的积累量，然后将生产的富含短链脂肪酸经过处理后回流到污水处理厂的进水作为外来有机碳源强化生物脱氮除磷的过程，提高污水的处理效率，实现能源的循环利用。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)向有机玻璃反应器中投加氯化铵，并调节pH为9.0±0.1，控制有机玻璃反应器中游离氨(FA)浓度为160mg/L。将有机玻璃反应器充氮气10min以去除其中的氧气，密封盖有机玻璃反应器进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与游离氨(FA)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为20±1℃，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为183.25mg COD/g VSS。

实施例2

(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)向有机玻璃反应器中投加氯化铵，并调节pH为9.0±0.1，控制有机玻璃反应器中游离氨(FA)浓度为160mg/L。将有机玻璃反应器充氮气10min以去除其中的氧气，密封盖有机玻璃反应器进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与游离氨(FA)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为20±1℃，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为8d，生产的短链脂肪酸的含量为254.21mg COD/g VSS。

实施例3

(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)向有机玻璃反应器中投加氯化铵，并调节pH为9.0±0.1，控制有机玻璃反应器中游离氨(FA)浓度为190mg/L。将有机玻璃反应器充氮气10min以去除其中的氧气，密封盖有机玻璃反应器进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与游离氨(FA)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为20±1℃，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为192.81mg COD/g VSS。

实施例4

(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)向有机玻璃反应器中投加氯化铵，并调节pH为9.0±0.1，控制有机玻璃反应器中游离氨(FA)浓度为190mg/L。将有机玻璃反应器充氮气10min以去除其中的氧气，密封盖有机玻璃反应器进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与游离氨(FA)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为20±1℃，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为8d，生产的短链脂肪酸的含量为271.86mg COD/g VSS。

实施例5

(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)向有机玻璃反应器中投加氯化铵，并调节pH为9.0±0.1，控制有机玻璃反应器中游离氨(FA)浓度为220mg/L。将有机玻璃反应器充氮气10min以去除其中的氧气，密封盖有机玻璃反应器进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与游离氨(FA)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为20±1℃，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为139.51mg COD/g VSS。

实施例6

(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)向有机玻璃反应器中投加氯化铵，并调节pH为9.0±0.1，控制有机玻璃反应器中游离氨(FA)浓度为220mg/L。将有机玻璃反应器充氮气10min以去除其中的氧气，密封盖有机玻璃反应器进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物与游离氨(FA)的共同作用，污泥样品中的有机物(主要为多糖和蛋白质)被转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为20±1℃，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为8d，生产的短链脂肪酸的含量为259.81mg COD/g VSS。

对比例1

(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)不投加氯化铵，不调节pH，将有机玻璃反应器充氮气10min以去除其中的氧气，密封盖有机玻璃反应器进行厌氧发酵。只通过污泥本身所含有的微生物作用，将污泥中的有机物(主要为多糖和蛋白质)转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为20±1℃，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为19.93mg COD/g VSS。

对比例2

(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)不投加氯化铵，不调节pH，将有机玻璃反应器充氮气10min以去除其中的氧气，密封盖有机玻璃反应器进行厌氧发酵。只通过污泥本身所含有的微生物作用，将污泥中的有机物(主要为多糖和蛋白质)转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为20±1℃，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为8d，生产的短链脂肪酸的含量为28.87mg COD/g VSS。

对比例3

(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)不投加氯化铵，调节pH为9.0±0.1，将有机玻璃反应器充氮气10min以去除其中的氧气，密封盖有机玻璃反应器进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物在碱性条件下将污泥中的有机物(主要为多糖和蛋白质)转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为20±1℃，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为4d，生产的短链脂肪酸的含量为162.33mgCOD/g VSS。

对比例4

(1)在工作容积为5.0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂后排出的剩余污泥在4℃下自然沉淀24h,弃去上清液后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物。

(2)不投加氯化铵，调节pH为9.0±0.1，将有机玻璃反应器充氮气10min以去除其中的氧气，密封盖有机玻璃反应器进行厌氧发酵。通过污泥样品中微生物在碱性条件下将污泥中的有机物(主要为多糖和蛋白质)转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为20±1℃，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间(即污泥在反应器中的停留时间)为8d，生产的短链脂肪酸的含量为176.67mgCOD/g VSS。

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使用本发明。虽然本发明已以较佳的实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，熟悉本领域技术的人员可以对本发明技术方案做出许多可能的修改，或者修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是不脱离本发明范畴所做任何简单的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

附图说明

图1为游离氨作为预处理手段强化污泥的溶出图；

图2为游离氨作为预处理手段强化污泥所提高的短链脂肪酸含量。

Claims (3)

1.一种强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪酸产量的预处理方法，其特征在于：以游离氨(FA)作为预处理手段促进有机物质的溶出，提高短链脂肪酸的产量。

2.一种强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪酸产量的预处理方法，其特征在于，按以下条件控制：

(1)投加适量氯化铵，调节pH＝9.0±0.1，使体系中游离氨的浓度在190±30mg/L.

(2)以厌氧发酵体系生产短链脂肪酸。

3.一种强化污泥厌氧发酵提高短链脂肪酸产量的预处理方法，其特征在于，按如下步骤进行：

(1)先将污泥在4℃下自然沉淀24h后，去除上清液得到发酵底物。

(2)向体系中投加氯化铵后，控制预处理阶段的pH＝9.0±0.1,控制游离氨的浓度为190±30mg/L。

(3)向体系中充入适量的氮气，为发酵提供厌氧环境。

(4)将反应置于20±1℃，120rpm/min的水浴振荡器中进行厌氧发酵。

(5)厌氧发酵体系运行的时间为4-8d。

(6)游离氨预处理的时间为72±1h。