CN110643591A - 一种用于污泥发酵产沼气的促进剂、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物发酵领域，具体涉及一种用于污泥发酵产沼气的促进剂、制备方法及应用。具体技术方案为：一种促进剂，包括A剂和B剂。所述A剂包括：按质量份数，1～1.5份角蛋白酶、1～1.5份脂肪酶、1～1.5份纤维素酶、1～1.5份溶菌酶、1～1.5份米曲霉菌剂。所述B剂中至少包括含有Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、W²⁺、Mo²⁺的化合物。将所述A剂放入活性污泥中，厌氧环境下，35～37℃下摇床3～5h，随后加入接种物，加水稀释，充分混匀后，再将所述B剂加入活性污泥中，充分混匀后，厌氧发酵即可。本发明提供了一种高效的专用于城市污泥发酵产沼气的促进剂及其制备方法。使用该促进剂，可将污泥沼气产气量提高25％以上，为提高污泥原料利用率提供了整体解决方案。

Description

一种用于污泥发酵产沼气的促进剂、制备方法及应用

技术领域

本发明属于生物发酵领域，具体涉及一种用于污泥发酵产沼气的促进剂、制备方法及应用。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，大规模的污水处理厂的兴建不断增加，城市污泥的产量随之大幅上升。城市污泥由活性污泥絮体脱水而成，含水率高，且含有抗生素、病原菌及虫卵等。这类成分复杂的污泥大部分被直接填埋或者焚烧，既浪费资源也污染环境。近年来，随着社会的发展和进步，环境问题越来越受到国家的关注，环保部明文规定污泥需要经过无害化处理后才能进入自然循环。而与其他技术相比，厌氧发酵是实现污泥无害化、资源化的有效方式。厌氧发酵产生的沼气可做能源物质，而产生的沼液、沼渣也可作为有机肥重回土壤，符合国家可持续发展的要求。

虽具有诸多好处，但厌氧发酵污泥产沼气技术并未在我国推广实施，甚至很多已建成的发酵厂也未能实际运转经营。究其原因是因为该方法存在技术壁垒，污泥原料的特殊理化性质使得该技术的推广受到了阻拦。城市污泥中虽然含有大量的有机质，但是它们却是以微生物难以直接利用的胞外聚合物(EPS)形态存在的，微生物需要在预处理的帮助下才能利用这部分有机质。目前的预处理技术包括但不限于：热水解、酸处理、碱处理、冻融、辐照、超声波等，存在能耗高、易造成二次污染等缺陷。相比于上述方法，生物强化法具有反应条件温和、能量需求少、没有二次污染的优势。事实上，生物强化法的发酵效率偏低，因此发酵时需要额外添加一定比例的促进剂，用于改善微生物发酵环境，促进污泥产气效率。虽然改善微生物发酵环境的促进剂种类繁多，但现有技术中，尚未出现专门针对城市污泥厌氧发酵的促进剂及配套工艺，这部分理论知识也属于空白区，具有较大的研究价值和应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于污泥发酵产沼气的促进剂、制备方法及应用方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种促进活性污泥发酵产沼气的促进剂，所述促进剂包括A剂，所述A剂的配方为：按质量份数，1～1.5份角蛋白酶、1～1.5份脂肪酶、1～1.5份纤维素酶、1～1.5份溶菌酶、1～1.5份米曲霉菌剂。

优选的，按酶活比例，所述角蛋白酶：脂肪酶：纤维素酶：溶菌酶＝1:1:1:1。

优选的，所述米曲霉购自中国工业微生物菌种保藏管理中心，编号为：CICC 2014。

优选的，所述A剂在活性污泥中的添加量为：300～500U/g Vs。

优选的，所述促进剂包括B剂，所述B剂中至少包括含有Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、W²⁺、Mo²⁺的化合物。

优选的，按质量分数，所述B剂中包括：98.67％铁盐、0.49％镍盐、0.20％钴盐、0.04％钨盐、0.56％钼盐、0.04％酵母粉。

优选的，所述B剂在活性污泥中的添加量为：0.31％～1.24％Vs。

相应的，所述促进剂在促进活性污泥发酵产沼气中的应用，将所述A剂放入活性污泥中，厌氧环境下，35～37℃下摇床3～5h，随后加入接种物，加水稀释，充分混匀后，厌氧发酵。

优选的，在待处理的活性污泥中加入接种物，加水稀释，加入所述B剂，充分混匀后，厌氧发酵。

优选的，先将所述A剂放入活性污泥中，厌氧环境下，35～37℃下摇床3～5h，随后加入接种物，加水稀释后，再放入B剂。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种高效的专用于城市污泥发酵产沼气的促进剂及其制备方法。使用该促进剂，可将污泥沼气产气量提高25％以上，为提高污泥原料利用率提供了整体解决方案。

2、本发明提供的促进剂制备流程工艺简单、用量少、成本低、效果显著且稳定。促进剂所用化学试剂均为常见化学物质，使用剂量低，所以不会对周围环境与生态平衡造成伤害，符合国家绿色可持续发展理念。

3、该技术原理为利用生物方法使污泥资源化，反应条件温和，利于规模化、工厂化生产，适用范围广泛。

具体实施方式

本发明提供了一种用于污泥发酵产沼气的促进剂及其制备方法。所述促进剂的配方由A剂、B剂组分，分别保存，结合使用。所述A剂为按一定比例混合的多种酶制剂与特定微生物的混合物，所述特定微生物为从中国工业微生物菌种保藏管理中心购买的米曲霉(Aspergillus oryzae，编号为：CICC 2014)。所述B剂为化学制剂，所述化学制剂至少包括含有Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、W²⁺、Mo²⁺的化合物。其中，W²⁺、Mo²⁺在帮助微生物将甲酸转化为氢气和二氧化碳方面具有重要作用，所述五种化合物间还可对微生物联合发挥未知的促生长作用。

其中，按质量份数，所述A剂中包括：1～1.5份角蛋白酶、1～1.5份脂肪酶、1～1.5份纤维素酶、1～1.5份溶菌酶、1～1.5份米曲霉菌剂。所述A剂中按各种酶最适缓冲溶液配置成饱和溶液，各类酶对应的缓冲溶液为成熟的现有技术，本领域技术人员可根据实际情况进行选择，此处不再赘述。将各酶溶液配制完成后，分别单独放置保存，待用。在使用时，按酶活比例，所述角蛋白酶：脂肪酶：纤维素酶：溶菌酶＝1:1:1:1。所述A剂在污泥中的总添加量为：300～500U/g Vs(污泥中每含1g有机质，即添加400U酶活的A剂)。

其中，污泥中有机质含量的测定方法为：新鲜污泥重量为m1，将新鲜污泥放入坩埚内，新鲜污泥与坩埚的总质量为m2；随后将坩埚放入马弗炉中，550℃灼烧2h取出，放入干燥器中，降到室温后称重，质量为m3。则污泥有机质含量(％)＝(m2-m3)/(m2-m1)×100％。

所述角蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶和溶菌酶可以直接市购，也可以发酵获得。本发明中使用的所述角蛋白酶由地衣芽孢杆菌发酵获得，所述纤维素酶由曲霉属真菌发酵获得，所述溶菌酶由鸡蛋清发酵获得，发酵方法为现有技术，在此不再赘述。

所述米曲霉菌剂的制备方法为：将购买米曲霉接种到土豆液体培养基(200g/L打碎的鲜土豆、20g/L葡萄糖，溶剂为水)中培养至培养基中长满白色菌丝体；再转移至扩大培养基(250g/L打碎的鲜土豆，溶剂为水，高压灭菌30min，冷却即得)中30℃培养3天至出现菌丝团，混合均匀即制成米曲霉菌剂，现配现用。

按质量分数，所述B剂中包括：98.67％铁盐、0.49％镍盐、0.20％钴盐、0.04％钨盐、0.56％钼盐、0.04％酵母粉。所述B剂的制备方法为：称取对应重量的铁盐、镍盐、钴盐、钨盐、钼盐，加入蒸馏水制成饱和溶液。所述B剂在污泥中的添加量为：0.31％～1.24％Vs(即污泥中有机质总重量的0.31％～1.24％)。所述化学制剂需充分溶入到水中，可以使用长时间搅拌、超声振荡等方式促进药品溶解。

本发明还提供了所述促进剂的使用方法，具体为：将A剂按比例加入城市污泥(含水量＜80％，即我国污水处理厂中的现行标准含水量)中，37℃低速搅拌反应4小时后，装入反应器，控制厌氧发酵的总固体含量为8％。加入成熟运行的沼气池的沼液做接种物后，加水稀释后再加入B剂。混合均匀，在35～37℃下进行厌氧发酵，连续发酵情况下，每次投加新污泥前，均需再次用同样的方法，先用A剂和B剂对污泥进行预混处理。所述沼液优选来自于养殖场的废弃物沼气发酵罐/池。所述成熟运行的沼液具体标准为：使用废弃物进行连续发酵，发酵至沼液的产气量中，产甲烷量＞60％(v/v)。使用所述沼液作为接种物时，添加量为总工作体积(总装样量)的30～50％，优选为40％。下述实施例中，沼液来自成都某养猪场，添加量均为工作体积的40％。

下面结合具体实施例对本发明进行进一步阐释。

实施例一：制备A剂、B剂

1、制备A剂。

将1.0148g角蛋白酶溶于100ml浓度为0.1mol/L的tris溶液(三羟甲基氨基甲烷溶液)中，制备成酶溶液，4℃保存待用。将0.23625g脂肪酶溶于100ml超纯水中，4℃保存待用。将2.3625g纤维素酶溶于pH＝4.5～6.5的100ml乙酸钠缓冲溶液中，4℃保存待用。将0.5mg溶菌酶溶于100ml超纯水中，混匀待用。

将米曲霉在土豆液体培养基中培养至培养基中长满白色菌丝体；再转移100ml菌液于200ml扩大培养基中培养3天，至出现菌丝团，菌液与扩大培养基一通作为米曲霉菌剂，现配现用。

将上述各酶液分别保存，使用时按最适酶浓度分别添加入原料中。

2、制备B剂。

称取2.052g硫酸亚铁，剩余微量元素称取0.024g，所述剩余微量元素的具体组成为：酵母粉0.22mg，氯化镍10.97mg，氯化钼7.9mg，氯化钴4.5mg，钨酸钠0.4mg。将上述组分共同溶于30ml水中，超声溶解后，即获得B剂。

实施例二：单独使用A剂促进污泥厌氧发酵产沼气的效果展示

取四川遂宁市城南污水处理厂2019年2月份的脱水剩余污泥作为待处理污泥。将采集的污泥放入500ml玻璃锥形瓶中，加入用70ml纯水溶解的A剂，所述A剂的添加量为400U/g Vs。添加完成后，用PE膜封住瓶口，放入37℃摇床中，转速150rpm保持4h后取出，得反应底物。将所述反应底物装入反应瓶中，放入接种物后，原料固体物含量＞20％。补水稀释至固体物含量为8％，充分混匀后，在35℃下厌氧发酵21d，作为处理组。同时直接将等量待处理污泥与等量接种物混合，不加入A剂，其余条件与处理组相同，作为对照组。每组设置3个平行。

结果如表1所示。处理组的累计沼气产量为74.63ml/g Ts。单独使用A剂时，沼气产量比对照组提高了20.4％。

表1A剂效果展示

组别	最高甲烷体积分数/％	产甲烷量/ml·g<sup>-1</sup>Ts
			处理组	75.72％	74.63
对照组	70.96％	61.97

实施例三：单独使用B剂促进污泥厌氧发酵产沼气的效果展示

取四川遂宁市城南污水处理厂2019年2月份的脱水剩余污泥。将采集的污泥放入反应瓶中，放入接种物后，补水稀释至固体物含量为8％，再分别加入污泥中有机质质量0.31％、1.24％的B剂，充分混匀后，在35℃下厌氧发酵21d，分别作为处理组1、处理组2。同时直接将等量待处理污泥与等量接种物混合，不加入B剂，其余条件与处理组相同，作为对照组。每组设置3个平行。

结果如表2所示。单独使用0.31％的B剂时，沼气产量比对照组提高了5.2％；单独使用1.24％的B剂时，沼气产量比对照组提高了14.8％。

表2不同用量的B剂效果展示

组别	最高甲烷体积分数/％	产甲烷量/ml·g<sup>-1</sup>Ts
			处理组1	76.49％	59.63
处理组2	74.20％	65.09
			对照组	74.90％	56.70

实施例四：联合使用A剂和B剂促进污泥厌氧发酵产沼气的效果展示

取四川遂宁市城南污水处理厂2019年2月份的脱水剩余污泥。将采集的污泥放入500ml玻璃锥形瓶中，加入用70ml纯水溶解的A剂，所述A剂的添加量为400U/g Vs。用PE膜封住瓶口，放入37℃摇床中，转速150rpm反应4h后取出，得反应底物。将所述反应底物装入反应瓶中(1L)，放入接种物后，补水稀释至固体物含量为8％，加入污泥Vs质量1.24％质量的B剂(实例一)，充分混匀后，在35℃下厌氧发酵21d，作为处理组。同时直接将等量待处理污泥与等量接种物混合，不加入A、B剂，其余条件与处理组相同，作为对照组。每组设置3个平行。

结果如表3所示。处理组累计沼气产量为77.95ml/g Ts。处理组的甲烷产量较对照组提高25.8％。

表3促进剂效果展示表

组别	甲烷最高体积分数/％	产甲烷量/ml·g<sup>-1</sup>Ts
			处理组	80.48％	77.95
对照组	70.96％	61.97

Claims (10)

1.一种促进活性污泥发酵产沼气的促进剂，其特征在于：所述促进剂包括A剂，所述A剂的配方为：按质量份数，1～1.5份角蛋白酶、1～1.5份脂肪酶、1～1.5份纤维素酶、1～1.5份溶菌酶、1～1.5份米曲霉菌剂。

2.根据权利要求1所述的促进剂，其特征在于：按酶活比例，所述角蛋白酶：脂肪酶：纤维素酶：溶菌酶＝1:1:1:1。

3.根据权利要求1所述的促进剂，其特征在于：所述米曲霉购自中国工业微生物菌种保藏管理中心，编号为：CICC 2014。

4.根据权利要求1所述的促进剂，其特征在于：所述A剂在活性污泥中的添加量为：300～500U/g Vs。

5.根据权利要求1所述的促进剂，其特征在于：所述促进剂包括B剂，所述B剂中至少包括含有Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、W²⁺、Mo²⁺的化合物。

6.根据权利要求5所述的促进剂，其特征在于：按质量分数，所述B剂中包括：98.67％铁盐、0.49％镍盐、0.20％钴盐、0.04％钨盐、0.56％钼盐、0.04％酵母粉。

7.根据权利要求5所述的促进剂，其特征在于：所述B剂在活性污泥中的添加量为：0.31％～1.24％Vs。

8.权利要求1～4任意一项所述促进剂在促进活性污泥发酵产沼气中的应用，其特征在于：将所述A剂放入活性污泥中，厌氧环境下，35～37℃下摇床3～5h，随后加入接种物，加水稀释，充分混匀后，厌氧发酵。

9.权利要求5～8任意一项所述的促进剂在促进活性污泥发酵产沼气中的应用，其特征在于：在待处理的活性污泥中加入接种物，加水稀释，加入所述B剂，充分混匀后，厌氧发酵。

10.根据权利要求9所述的促进剂在促进活性污泥发酵产沼气中的应用，其特征在于：先将所述A剂放入活性污泥中，厌氧环境下，35～37℃下摇床3～5h，随后加入接种物，加水稀释后，再放入B剂。