CN110668665A - 一种剩余污泥处理剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种剩余污泥处理剂的制备方法，制备出的处理剂用于剩余污泥前处理，将所述的剩余污泥高压破碎后取其上清液投加复合菌剂进行培养产酶，该复合菌剂包括地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌，投加复合菌剂时同时加入Ca²⁺和Mg²⁺中的一种或两种。本发明将剩余污泥高压破碎并取上清液进行利用，结果表明前期最大蛋白酶活力和最大淀粉酶活力分别可达252.31±1.40U/mL、266.86±8.40U/mL。新引入金属离子：Ca²⁺和Mg²⁺中的一种或两种，能屏蔽污泥中的腐殖酸类抑制剂，在整个水解过程中提高并维持水解酶活力的稳定性。

Description

一种剩余污泥处理剂的制备方法

技术领域

本发明属于剩余污泥资源化技术领域，具体涉及一种剩余污泥处理剂的制备方法。

背景技术

城市污水处理厂或生活污水处理厂通常采用活性污泥法处理污水，其产生的富含有机质的剩余污泥需进行进一步处理，目前工程上多采用厌氧消化法处理，处理前一般还需进行预处理。酶法预处理是其中一种方法，其中需要用到酶制剂，但通常酶制剂采用人工培养基生产，生产成本过高。

目前并无经济适用的酶法预处理方法用以预处理剩余污泥，因此带来处理成本过高的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种剩余污泥处理剂的制备方法，解决酶法预处理剩余污成本过高的技术问题。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案来实现：

一种剩余污泥处理剂的制备方法，该方法包括如下步骤：

将所述的剩余污泥高压破碎后取其上清液投加复合菌剂进行培养产酶，所得产物即为处理剂，该复合菌剂包括地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌，投加复合菌剂时同时加入Ca²⁺和Mg²⁺中的一种或两种。

优选的，培养产酶的初始条件为：

上清液pH值为8；

地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌的配比为2:1；

按体积比，复合菌剂的投加量为剩余污泥的30％；

优选的，Ca²⁺和Mg²⁺的投加量分别为为0.03mol/L、0.03mol/L-0.06mol/L。

优选的，其中高压破碎条件为140-180kpa，0-4℃。

本发明的有益效果是：

(1)本发明针对目前酶法预处理剩余污泥成本过高问题，提出剩余污泥处理的新思路，研发出新的剩余污泥处理剂，处理成本低，既可实现剩余污泥的资源化利用，同时又能降低厌氧消化生物预处理用酶制剂成本。

(2)本发明利用剩余污泥培养复合菌剂，对剩余污泥的利用不同于现有的直接利用原泥技术，而是将剩余污泥高压破碎并取上清液进行利用，结果表明前期最大蛋白酶活力和最大淀粉酶活力分别可达252.31±1.40U/mL、266.86±8.40U/mL，对剩余污泥的高效酶预处理效果即可预见。

(3)虽然采用高压破碎提高了前期的酶活力，但是出现后期水解酶活力下降问题，本发明新引入金属离子：Ca²⁺和Mg²⁺中的一种或两种，屏蔽污泥中的腐殖酸类抑制剂，能在整个水解过程中提高并维持水解酶活力的稳定性，能够保证预处理剩余污泥时的稳定产气量。

(4)本发明采用的是地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌的复合菌剂，两种菌具有协同产酶的效果。

上述几点效果共同作用保证了本发明剩余污泥处理剂的高效处理污泥效果，其中，利用剩余污泥产酶进行处理以及处理工艺，均是本发明的创新之处。

附图说明

图1是不同初始pH地衣芽孢杆菌23-25h时的相对酶活力图；

图2是不同初始pH下蜡状芽孢杆菌23-25h时的相对酶活力图；

图3是不同菌剂复配比条件下污泥蛋白酶活力的变化图；

图4是不同菌剂复配比条件下污泥淀粉酶活力的变化图；

图5是不同加菌量条件下污泥蛋白酶活力的变化图；

图6是不同加菌量条件下污泥中淀粉酶活力的变化图；

图7是高压破碎三种培养基下蛋白酶活力的变化图；

图8是高压破碎三种培养基下淀粉酶活力的变化图；

图9是添加不同浓度Ca²⁺、Mg²⁺条件下污泥蛋白酶活力变化图；

图10是添加不同浓度Ca²⁺、Mg²⁺条件下污泥淀粉酶活力变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

本发明中剩余污泥的主要来源：来自城市污水处理厂或生活污水处理厂采用活性污泥法处理污水后的产物，通常为污水处理系统中从二次沉淀池(或沉淀区)排出系统外的活性污泥。在生化处理过程中，活性污泥中的微生物不断地消耗着废水中的有机物质。被消耗的有机物质中，一部分有机物质被氧化以提供微生物生命活动所需的能量，另一部分有机物质则被微生物利用以合成新的细胞质，从而使微生物繁衍生殖，微生物在新陈代谢的同时，又有一部分老的微生物死亡，故产生了剩余污泥。

本发明中剩余污泥的主要成分：包含微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质，微生物群体主要包括细菌，原生动物和藻类等。剩余污泥微生物细胞中含有大量有机质，可以作为生物能源物质，若能利用剩余污泥中丰富的有机质作为微生物培养基，培养水解菌产酶，产出的酶可用于其它工业生产用酶，也可用于污泥厌氧消化酶法预处理过程，从而既可实现剩余污泥的资源化利用，同时又能降低厌氧消化生物预处理用酶制剂成本。

以下实施例中用到的剩余污泥取自西安第四污水处理厂二沉池，需要说明的是，在实施本发明的技术方案时，只要是城市污水或生活污水经污水处理厂处理后得到的剩余污泥均可(不包括工业废水)，最好是取自经污水处理厂处理后的二沉池，，上述剩余污泥的具体来源，并不影响本方案的技术再现性，关键是本发明的剩余污泥处理技术或者处理方法或者处理剂，采用上述来源的剩余污泥并利用本发明的方案均能达到本发明的处理效果。

本发明的复合菌剂包括地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌，其中，地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)和蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)均从土壤中分离并经16SrRNA鉴定得到，在制备复合菌剂时，地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌也可以直接采用已经公开的菌种进行活化，不影响本发明技术方案的公开。两种菌的配比是分别配成同OD值的菌悬液，然后取体积比1：1或2：1。

本发明高效产酶结果的保证，需要同时满足产酶最佳初始条件、剩余污泥利用技术以及高酶活力及稳定维持这三点。针对这三点，发明人前期进行了大量研究：

(1)关于剩余污泥培养地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌组成的复合菌剂产酶初始条件的确定：

该初始条件包括确定污泥产酶最佳初始pH、菌剂复配比、加菌量(纯菌液体积/剩余污泥体积)。所用剩余污泥浓度为1400-1600mg/L,121℃灭菌30min，所用菌液是取OD₆₀₀＝1.4-1.6时进行离心，无菌水清洗3次后加至污泥中。考虑了pH分别为6、7、8、9时地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌的产酶效果，菌剂复配比分别为地衣芽孢杆菌：蜡状芽孢杆菌＝2:1、1:1时的污泥产酶效果，加菌量分别为10％、30％、50％时的污泥产酶效果。确定污泥产酶最佳初始条件。

(2)剩余污泥利用技术：

本发明对剩余污泥的利用，并不是直接利用原泥，而是在原泥基础上加以改进措施，采取的改进措施不能过于复杂，必须适合现场使用，也不能大幅增加生产成本，同时还要保证不影响酶活力

(3)高酶活力及稳定维持：

本发明采用高压破碎技术和加入Ca²⁺、Mg²⁺提高水解菌产酶效果是协同的，单一采用高压破碎技术会降低后期酶活力，加入适量金属离子可以提高并保证酶活力的稳定性。

实施例1

本实施例提供一种利用剩余污泥培养复合菌剂产酶的方法，该方法包括如下步骤：将所述的剩余污泥高压破碎后取其上清液投加复合菌剂进行培养产酶，该复合菌剂包括地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌，投加复合菌剂时同时加入Ca²⁺和Mg²⁺中的一种或两种。

在本实施例中，关于初始培养条件的确认，选择两株高效产酶菌—地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌分别作为产蛋白酶和淀粉酶菌株，进行剩余污泥培养水解菌产酶研究。通过对剩余污泥培养水解菌产酶的培养基初始pH、菌剂复配比及加菌量等条件进行优化。具体包括如下步骤：

1、地衣芽孢杆菌的生长及产酶最适初始pH研究：在上述牛肉膏蛋白胨固体培养基上挑取一个地衣芽孢杆菌菌落接种至盛有150mL牛肉膏蛋白胨液体培养基的250mL锥形瓶中，25℃-35℃、150r/min条件下摇床培养至菌液吸光度(OD₆₀₀)为0.8-1.2左右。然后分别吸取1mL菌液加至调整pH为6、7、8、9的150mL牛肉膏蛋白胨液体培养基的250mL锥形瓶中，25℃-35℃、150r/min摇床培养，每种pH条件的实验组设置两个平行，分别在6h、17h、24h时无菌条件下取样测定菌液吸光度(OD₆₀₀)，取23-25h时的菌液，10000r/min条件下离心获得粗酶液，测定蛋白酶活力，并以地衣芽孢杆菌产蛋白酶最适初始pH下的酶活力为单位1，根据酶活力测定结果计算出其他pH条件下的相对蛋白酶活力，绘制不同初始pH下地衣芽孢杆菌23-25h时的相对酶活力折线图。

2、蜡状芽孢杆菌的生长及产酶最适初始pH研究：实验步骤与不同初始pH条件下地衣芽孢杆菌的生长及产酶实验相同。取23-25h时的菌液，10000r/min条件下离心获得粗酶液，测定淀粉酶活力，并以蜡状芽孢杆菌产淀粉酶最适初始pH下的酶活力为单位1，计算出其他pH条件下的相对淀粉酶活力，绘制不同初始pH下蜡状芽孢杆菌23-25h时的相对酶活力折线图。

3、剩余污泥培养水解菌产酶菌剂复配比优化实验：实验设置3组，每组两个平行样，每个平行样取灭菌剩余污泥150mL加至250mL锥形瓶。具体分组及操作如下：

空白组：只加入150mL灭菌剩余污泥，不加菌。

实验组1：地衣芽孢杆菌：蜡状芽孢杆菌＝1：1(7.5mL：7.5mL)；该组具体操作为取经液体培养基分别培养至OD₆₀₀为1.4-1.6的地衣芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌菌液各7.5mL，在10000r/min下离心10min弃去上清液，用无菌水重悬清洗3次，弃去上清液以去除牛肉膏蛋白胨培养基的影响，用5-8mL无菌水重悬加至上述灭菌污泥中。

实验组2：地衣芽孢杆菌：蜡状芽孢杆菌＝2：1(10mL：5mL)；该组具体操作与实验组1相似，只是最初所取的地衣芽孢杆和蜡状芽孢杆菌菌液体积不同，分别取10mL、5mL。

三组中灭菌污泥和加菌操作均完成后，塞上透气无菌塞，在25℃～35℃、150r/min转速下进行摇床培养，并分别在第0、1、2、3、5、7天取样测定污泥上清液蛋白酶活力及淀粉酶活力。

4、剩余污泥培养水解菌产酶加菌量(纯菌液体积/污泥体积)优化实验：该实验设置如下6组，每组两个平行样，具体分组如下：

实验组1(pH＝7，加菌量10％)：取初始pH为7的灭菌污泥150mL至250mL锥形瓶中，再取牛肉膏蛋白胨液体培养基分别培养至OD₆₀₀为1.4-1.6左右的地衣芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌菌液分别10mL、5mL，在10000r/min下离心10min弃去上清液，用无菌水重悬清洗3次，弃去上清液以去除牛肉膏蛋白胨培养基的影响，用5-8mL无菌水重悬加至该灭菌污泥中。

实验组2(pH＝8，加菌量10％)：取初始pH为8的灭菌污泥150mL至250mL锥形瓶中，加菌方法同pH＝7加菌10％组。

实验组3(pH＝7，加菌量30％)：取初始pH为7的灭菌污泥150mL至250mL锥形瓶中，再取培养至OD₆₀₀为1.4-1.6左右的地衣芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌菌液分别30mL、15mL，离心、重悬清洗3次，弃去上清液，重悬加至该灭菌污泥中。

实验组4(pH＝8，加菌量30％)：取初始pH为8的灭菌污泥150mL至250mL锥形瓶中，加菌方法同pH＝7加菌30％组。

实验组5(pH＝7，加菌量50％)：取初始pH为7的灭菌污泥150mL至250mL锥形瓶中，再取分别培养至OD₆₀₀为1.4-1.6左右的地衣芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌菌液分别50mL、25mL，离心、重悬清洗3次，弃去上清液，用5-8mL无菌水重悬加至该灭菌污泥中。

实验组6(pH＝8，加菌量50％)：取初始pH为8的灭菌污泥150mL至250mL锥形瓶中，加菌方法同pH＝7加菌50％组。

完成上述加菌操作后，将6组的锥形瓶塞上无菌透气塞，在25℃～35℃、150r/min转速下进行摇床培养，在第0、1、2、3、5、7天取样并10000r/min离心10min，取上清液测定蛋白酶活力、淀粉酶活力，并同时测定上清液三维荧光光谱。

结果表明，剩余污泥培养地衣芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌两类水解菌产酶最佳初始条件为初始pH＝8，最佳菌剂复配比为地衣芽孢杆菌：蜡状芽孢杆菌＝2:1、最佳加菌量为30％(纯菌液体积/污泥体积)。

在本实施例中，关于产酶效果的保证，包括剩余污泥利用技术和高酶活力及稳定技术。

1、剩余污泥利用技术

对污泥进行高压破碎处理，可以提高污泥中溶解性有机物比例，给微生物提供更多易利用的能源物质。实验比较原灭菌污泥、高压破碎污泥及高压破碎污泥的上清液作为培养基培养水解菌的产酶效果，以探索合适的产酶有机物条件。具体步骤如下：

不同培养基培养水解菌产酶效果实验：本实验设置如下三组即空白组、高压破碎污泥组、高压破碎后上清液组。

(a)空白组：向装有250mL上述灭菌原泥的锥形瓶中加复合菌剂，在25～35℃、150r/min条件下摇床培养；

(b)高压破碎污泥组：向装有250mL上述高压破碎预处理污泥的锥形瓶中加入复合菌剂，在25℃-35℃、150r/min条件下摇床培养；

(c)高压破碎污泥上清液组：向装有250mL上述高压破碎预处理污泥上清液的锥形瓶中加入复合菌剂，在25℃-35℃、150r/min条件下摇床培养；

在第0、1、2、3、5、7天取样测定蛋白酶活力、淀粉酶活力；第0、7天测污泥上清液三维荧光光谱，以探索灭菌原泥、高压破碎污泥、高压破碎污泥上清液三种培养基下分别对培养水解菌产酶的影响。

实验结果表明，高压破碎污泥的上清液培养水解菌产酶效果最佳，该组中最大蛋白酶活力和最大淀粉酶活力分别可达252.31±1.40U/mL、266.86±8.40U/mL；高压破碎预处理组产酶效果次之，空白组产酶效果最差。

但是，后期的研究进一步发现：后期水解酶活力出现下降，多次试验研究分析可能是灭菌污泥和破碎污泥在水解过程中会产生更多的腐殖酸，从而造成水解酶活力下降。

2、高酶活力及稳定技术

经研究发现，添加金属离子可以屏蔽污泥中的腐殖酸类抑制剂，实验研究添加不同浓度Ca²⁺、Mg²⁺分别对提高剩余污泥培养水解菌产酶效果的影响，以探索添加合适浓度的金属离子提高产酶效果。具体步骤如下：

Ca²⁺对剩余污泥培养水解菌产酶效果的影响实验：设置如下3组即空白组、0.03mol/LCa²⁺组、0.06mol/LCa²⁺组，其中，Ca²⁺来源于无水CaCl₂。

(a)空白组：向装有上述250mL灭菌原泥的500mL锥形瓶中投加复合菌剂，塞上无菌透气塞后在25℃-35℃、150r/min条件下摇床培养。

(b)0.03mol/LCa²⁺组：向灭菌污泥中投加复合菌剂和0.03mol/LCa²⁺，其他具体操作步骤同该实验空白组。

(c)0.06mol/LCa²⁺组：向灭菌污泥中投加复合菌剂和0.06mol/LCa²⁺，其他具体操作步骤同该实验空白组。

Mg²⁺对剩余污泥自培养产酶效果的影响实验：设置如下3组即空白组、0.03mol/LMg²⁺组、0.06mol/LMg²⁺组，其中，Mg²⁺来源于无水MgCl₂。

(a)空白组：与Ca²⁺对剩余污泥自培养产酶效果的影响实验中空白组相同。

(b)0.03mol/LMg²⁺组：向灭菌污泥中投加复合菌剂和0.03mol/LMg²⁺，其他具体操作步骤同该实验空白组。

(c)0.06mol/LMg²⁺组：向灭菌污泥中投加复合菌剂和0.06mol/LMg²⁺，其他具体操作步骤同该实验空白组。

在第0、1、2、3、5、7天取样测定蛋白酶活力、淀粉酶活力；第0、7天测污泥上清液三维荧光光谱、污泥傅里叶红外光谱，以探索不同浓度Ca²⁺、Mg²⁺对灭菌污泥水解及产酶效果的影响。

实验结果表明，不同浓度Ca²⁺、Mg²⁺对污泥培养水解菌产酶效果的影响呈现如下规律：空白组的水解酶活力均呈现先快速上升后快速下降的趋势，即蛋白酶和淀粉酶分别在第一天上升至最大值216.69±9.09U/mL、231.04±6.23U/mL，随之下降并在第七天分别降至79.00±14.37U/mL、64.63±8.56U/mL。而加0.03mol/LCa²⁺组的蛋白酶活力呈现在第1天先快速上升至246.14±9.09U/mL，后持续上升并在第七天时酶活力达最大值340.07±5.87U/mL的变化，相对于空白组的最大蛋白酶活力增加了53.94％；淀粉酶活力呈现第1天快速上升至351.02±12.39U/mL然后快速下降，在第七天酶活力达70.79±7.23U/mL的趋势，其中最大淀粉酶活力相对于空白组增加了51.93％。添加0.03mol/LCa²⁺可以提高灭菌污泥培养水解菌产酶效果，添加Mg²⁺不能提高产酶效果，但能在整个水解过程中维持水解酶活力的稳定性。

3、本发明所得处理剂对剩余污泥预处理效果的说明

本发明的处理剂，属于生物法预处理中的一种，处理时，在剩余污泥中分别加入0.01-0.15mL/g不同量的处理剂，搅拌均匀，室温放置8h，最后进行厌氧发酵，以未经任何处理的剩余污泥作为对照。结果表明，由于处理剂中酶活力高，稳定性好，剩余污泥经处理剂预处理后，相同时间比对照组累积的产气量高，与对照组相比，有显著性差异。

Claims (4)

1.一种剩余污泥处理剂的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

将所述的剩余污泥高压破碎后取其上清液投加复合菌剂进行培养，所得产物即为所述的剩余污泥处理剂；

该复合菌剂包括地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌，投加复合菌剂时同时加入Ca²⁺和Mg²⁺中的一种或两种。

2.如权利要求1所述的剩余污泥处理剂的制备方法，其特征在于，培养的初始条件为：

上清液pH值为8；

地衣芽孢杆菌菌悬液和蜡状芽孢杆菌菌悬液的体积比为2:1；

按体积比，复合菌剂的投加量为剩余污泥的30％。

3.如权利要求1或2所述的剩余污泥处理剂的制备方法，其特征在于，Ca²⁺和Mg²⁺的投加量均为0.03mol/L-0.06mol/L。

4.如权利要求1或2所述的剩余污泥处理剂的制备方法，其特征在于，其中高压破碎条件为140-180kpa，0-4℃。

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