CN110734933A - 提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，该方法利用城市污水处理厂的废弃活性污泥为发酵底物，加入电子供体，在厌氧反应器中添加零价铁粉末进行厌氧发酵生产中链脂肪酸。与现有技术相比，本发明选择的零价铁是一种丰富经济的金属材料，解决了常见污泥预处理技术需要额外输入大量能量和化学品的弊端，并且很大程度提高了中链脂肪酸的产量。在做到污泥资源化处置的基础上，还具有操作简单、成本较低、产酸量大等优势。

Description

提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法
技术领域
本发明属于固体废物污染控制和资源化领域，具体涉及一种利用零价铁(ZVI)加强废弃活性污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法。
背景技术
废弃活性污泥是来自污水处理厂的生物处理过程的副产物，一般需要采取浓缩、脱水、稳定和填埋等方式减少其二次污染。在中国，干污泥的年产量在1120万吨，它的处理成本约占污水处理厂总成本的50％-60％。但是另一方面，废弃活性污泥也是一种不可忽视的能源，它含有大量有机物质(如蛋白质和碳水化合物)，约占干重的40％-80％，可以作为能源回收，以补偿污水处理厂日益增加的能源消耗，因此厌氧发酵作为一种既可以处置污泥又可以回收资源的方法受到关注。在抑制甲烷菌的污泥厌氧发酵中，通过添加乙醇等电子供体，在短链脂肪酸(碳链数<6)上基于反向β氧化每次增加2个碳上去，从而获得中链脂肪酸，这一过程称为链延长。中链脂肪酸是指碳链数在6到12之间的饱和脂肪酸，由于它具有疏水性和高能量密度，易于从发酵液中进行提取和分离，并可以作为生物燃料的前体物质以及各种化学品。
废弃活性污泥的厌氧发酵生产中链脂肪酸包括增溶，水解，酸化和链延伸四个步骤。前三个步骤属于污泥降解过程，它可以获得碳链延伸的底物—短链脂肪酸，同时污泥降解也是厌氧发酵的限制阶段，会影响碳链延伸生产中链脂肪酸。通过一些预处理方法，如机械处理，热处理，酸处理，碱处理和超声波处理，可以瓦解污泥絮体并破坏细胞壁，从而提高污泥的降解率。然而，上述大多数预处理技术需要输入能量和添加化学物质，这会增加了污水处理厂的成本。
中国专利CN103343145B公开了一种促进污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的方法。该方法包括以下步骤：(1)将污泥放入容器中，然后排掉上清液体，获得污泥样品；(2)向污泥样品中投加还原铁粉，并且将反应器充氮驱氧，密封反应器，将反应体系物质混合均匀，控制发酵温度，进行厌氧发酵。该专利能够有效地对污泥进行减量化，减少对环境的污染，并且能够对污泥进行资源化利用，生产了大量具有较高利用价值的短链脂肪酸，但是该专利无法生产得到中链脂肪酸。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高中链脂肪酸的产量，并且不需要额外投加能源和化学品的提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，克服了常见预处理方法的不足。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，主要采用以下步骤：
从城市污水处理厂二沉池获得废弃活性污泥，进行重力浓缩去除上清液；
配制微生物生长培养基(包括生长基本元素、维生素以及甲烷抑制剂)；
按比例向厌氧反应器中加入污泥、微生物和电子供体；
向厌氧反应器中添加零价铁粉，并调节pH以适应微生物生长；
向反应器中通入高纯氮气，排出空气后迅速封闭，保证反应系统的厌氧环境；
将反应器放入恒温震荡培养箱中，按照微生物最适生长条件调节参数，持续运行可以获得一定量的中链脂肪酸。
进一步的，发酵初期需要接种含有能够生产中链脂肪酸的微生物。
进一步的，所述微生物取自厌氧消化/发酵反应器的污泥，含有Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物。
进一步的，上述微生物以接种污泥的形式，以1:2-2:1(接种污泥：废弃活性污泥)的质量比进行接种。
进一步的，加入的电子供体可以为乙醇、乳酸、甲醇和氢气等，促使反应向链延长方向进行，从而可以获得中链脂肪酸。
进一步的，加入40-200mM的电子供体，优选80-180mM的乙醇。
进一步的，在厌氧反应器中添加1-25g/L的零价铁粉末。
进一步的，厌氧发酵反应控制在pH＝5-6(该pH下可以更好的抑制产甲烷菌，避免与产中链脂肪酸菌竞争底物)，温度为35-40℃(大部分产中链脂肪酸菌是嗜中温菌，这是他们生长最适宜的温度范围)，转速为160-180rpm进行充分混合，运行25-30天。
进一步的，生产得到的中链脂肪酸包括正己酸、正庚酸或正辛酸。
由于在厌氧发酵系统中，添加ZVI可以增加废水的COD去除率，而且还可以促进污泥的脱水、降解以及增强SCFAs和甲烷的生产。ZVI具有还原性，它可以降低系统的氧化还原指数，为厌氧菌提供了更合适的环境。此外在厌氧环境中，ZVI在与水接触会缓慢释放氢气，高于0.03个标准大气压的氢分压可以抑制碳链延伸过程中的羧酸和乙醇的氧化，这有利于中链脂肪酸的积累。因此本发明通过添加零价铁，经济有效的促进了废弃活性污泥的降解和中链脂肪酸的生产。而且富含短链脂肪酸和二价铁的废弃发酵液还可以回流至污水处理厂的生物处理过程，改善污水的可生物降解性能和除磷效果。
与现有技术相比，本发明选择的零价铁是一种丰富经济的金属材料，解决了常见污泥预处理技术需要额外输入大量能量和化学品的弊端，并且很大程度提高了中链脂肪酸的产量，并且不需要额外投加能源和化学品。在做到污泥资源化处置的基础上，还具有操作简单、成本较低、产酸量大等优势。
本发明通过增加了添加电子供体这一项，并且调节pH＝5-6(更好的抑制产甲烷菌，避免与产中链脂肪酸菌竞争底物)，最终可以将短链脂肪酸进一步转化为中链脂肪酸。和短链脂肪酸相比，中链脂肪酸具有更高的能量密度，可以作为生物燃料的前体物质。此外几乎与水混溶的短链脂肪酸很难提取成单一化学品，而中链脂肪酸具有较高的疏水性，达到溶解度既可从水中分离，商业利用价值更高。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，采用以下步骤：
(1)从城市污水处理厂二沉池获得废弃活性污泥，进行重力浓缩去除上清液，得到发酵底物；
(2)配制微生物生长培养基(包括生长基本元素、维生素以及甲烷抑制剂)；
(3)按比例向厌氧反应器中加入污泥、微生物和电子供体，其中，加入的微生物取自厌氧消化/发酵反应器的污泥，含有Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物，微生物以接种污泥的形式，以1:2-2:1(接种污泥：废弃活性污泥)的质量比进行接种，加入的电子供体主要目的是为了促使反应向链延长方向进行，可以采用乙醇、乳酸、甲醇和氢气等，加入量为40-200mM，优选加入80-180mM的乙醇；
(4)向厌氧反应器中添加1-25g/L零价铁粉，并调节pH为5-6以适应微生物生长；
(5)向反应器中通入高纯氮气，排出空气后迅速封闭，保证反应系统的厌氧环境；
(6)将反应器放入恒温震荡培养箱中，按照微生物最适生长条件调节参数，控制pH＝5-6，温度为35-40℃，转速为160-180rpm，运行25-30天持续运行可以获得一定量的中链脂肪酸，例如正己酸、正庚酸和正辛酸。
以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。
实施例1：
在多个工作体积为120ml的反应器中加入经过浓缩的废弃活性污泥，生长培养基和乙醇，然后接种富含能够产生中链脂肪酸的微生物的污泥。最后加入1g/L的零价铁，在用橡胶塞和铝盖封闭之前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至5.5，并用高纯氮气吹脱空气1分钟左右。将反应器置于37℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。运行了27天，每隔2-3天用气相检测器测定中链脂肪酸的浓度，等反应稳定后，最终正己酸(碳链数为6，属于中链脂肪酸)的浓度为803-1215mgCOD/L。
实施例2：
在多个工作体积为120ml的反应器中加入经过浓缩的废弃活性污泥，生长培养基和乙醇，然后接种富含能够产生中链脂肪酸的微生物的污泥。最后加入4g/L的零价铁，在用橡胶塞和铝盖封闭之前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至5.5，并用高纯氮气吹脱空气1分钟左右。将反应器置于37℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。运行了27天，每隔2-3天用气相检测器测定中链脂肪酸的浓度，等反应稳定后，最终正己酸(碳链数为6，属于中链脂肪酸)的浓度为1802-2520mgCOD/L。
实施例3：
在多个工作体积为120ml的反应器中加入经过浓缩的废弃活性污泥，生长培养基和乙醇，然后接种富含能够产生中链脂肪酸的微生物的污泥。最后加入20g/L的零价铁，在用橡胶塞和铝盖封闭之前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至5.5，并用高纯氮气吹脱空气1分钟左右。将反应器置于37℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。运行了27天，每隔2-3天用气相检测器测定中链脂肪酸的浓度，等反应稳定后，最终正己酸(碳链数为6，属于中链脂肪酸)的浓度为8679-11600mgCOD/L。
实施例4：
在多个工作体积为120ml的反应器中加入经过浓缩的废弃活性污泥，生长培养基和乳酸，然后接种富含能够产生中链脂肪酸的微生物的污泥，其中，采用的微生物取自厌氧消化/发酵反应器的污泥，含有Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物，微生物以接种污泥的形式，以1:2(接种污泥：废弃活性污泥)的质量比进行接种，乳酸的加入量为40mM。最后加入2g/L的零价铁，在用橡胶塞和铝盖封闭之前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至5.5，并用高纯氮气吹脱空气1分钟左右。将反应器置于35℃和160rpm的恒温旋转培养箱中。运行了25天，每隔2-3天用气相检测器测定中链脂肪酸的浓度，等反应稳定后，最终正辛酸(碳链数为8，属于中链脂肪酸)的浓度为700-930mgCOD/L。
实施例5：
在多个工作体积为120ml的反应器中加入经过浓缩的废弃活性污泥，生长培养基和甲醇，然后接种富含能够产生中链脂肪酸的微生物的污泥，其中，采用的微生物取自厌氧消化/发酵反应器的污泥，含有Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物，微生物以接种污泥的形式，以1:1(接种污泥：废弃活性污泥)的质量比进行接种，甲醇的加入量为200mM。最后加入10g/L的零价铁，在用橡胶塞和铝盖封闭之前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至5.5，并用高纯氮气吹脱空气1分钟左右。将反应器置于40℃和180rpm的恒温旋转培养箱中。运行了25天，每隔2-3天用气相检测器测定中链脂肪酸的浓度，等反应稳定后，最终正辛酸(碳链数为8，属于中链脂肪酸)的浓度为750-980mgCOD/L。
实施例6：
在多个工作体积为120ml的反应器中加入经过浓缩的废弃活性污泥，生长培养基和乙醇，然后接种富含能够产生中链脂肪酸的微生物的污泥，其中，采用的微生物取自厌氧消化/发酵反应器的污泥，含有Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物，微生物以接种污泥的形式，以1:1(接种污泥：废弃活性污泥)的质量比进行接种，乙醇的加入量为85mM。最后加入10g/L的零价铁，在用橡胶塞和铝盖封闭之前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至5.5±0.1，并用高纯氮气吹脱空气1分钟左右。将反应器置于40℃和180rpm的恒温旋转培养箱中。运行了25天，每隔2-3天用气相检测器测定中链脂肪酸的浓度，等反应稳定后，最终正己酸(碳链数为6，属于中链脂肪酸)的浓度为2430-3100mgCOD/L。
实施例7：
在多个工作体积为120ml的反应器中加入经过浓缩的废弃活性污泥，生长培养基和乙醇，然后接种富含能够产生中链脂肪酸的微生物的污泥，其中，采用的微生物取自厌氧消化/发酵反应器的污泥，含有Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物，微生物以接种污泥的形式，以2:1(接种污泥：废弃活性污泥)的质量比进行接种，乙醇的加入量为180mM。最后加入25g/L的零价铁，在用橡胶塞和铝盖封闭之前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至5.5±0.1，并用高纯氮气吹脱空气1分钟左右。将反应器置于40℃和180rpm的恒温旋转培养箱中。运行了25天，每隔2-3天用气相检测器测定中链脂肪酸的浓度，等反应稳定后，最终正己酸(碳链数为6，属于中链脂肪酸)的浓度为5060-7800mgCOD/L。
对比例1：
在多个工作体积为120ml的反应器中加入经过浓缩的废弃活性污泥，生长培养基和乙醇，然后接种富含能够产生中链脂肪酸的微生物的污泥。不添加零价铁，在用橡胶塞和铝盖封闭之前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至5.5±0.1，并用高纯氮气吹脱空气1分钟左右。将反应器置于37℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。运行了27天，每隔2-3天用气相检测器测定中链脂肪酸的浓度，等反应稳定后，最终正己酸(碳链数为6，属于中链脂肪酸)的浓度为483-680mgCOD/L，其产量明显小于上述实施例。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
上述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 (9)

1.提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，其特征在于，该方法利用城市污水处理厂的废弃活性污泥为发酵底物，加入电子供体，在厌氧反应器中添加零价铁粉末进行厌氧发酵生产中链脂肪酸。
2.根据权利要求1所述的提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，其特征在于，发酵初期需要接种含有能够生产中链脂肪酸的微生物。
3.根据权利要求2所述的提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，其特征在于，所述微生物取自厌氧消化/发酵反应器的污泥，包括含有Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属或Ruminococcaceae科与链延长相关的微生物。
4.根据权利要求3所述的提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，其特征在于，接种的污泥与废弃活性污泥的质量比为1:2-2:1。
5.根据权利要求1所述的提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，其特征在于，加入的电子供体为乙醇、乳酸、甲醇或氢气，促使反应向链延长方向进行获得中链脂肪酸。
6.根据权利要求1或5所述的提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，其特征在于，加入的电子供体的含量为40-200mM，优选80-180mM的乙醇。
7.根据权利要求1所述的提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，其特征在于，在厌氧反应器中添加1-25g/L的零价铁粉末。
8.根据权利要求1所述的提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，其特征在于，厌氧发酵反应控制在pH＝5-6，温度为35-40℃，转速为160-180rpm，运行25-30天。
9.根据权利要求1所述的提高废弃活性污泥厌氧发酵的中链脂肪酸产量的方法，其特征在于，生产得到的中链脂肪酸包括正己酸、正庚酸或正辛酸。
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