CN110819662A - 在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，选择厌氧反应器培养后的二沉池浓缩污泥作为底物，将接种物和底物混合，在厌氧环境下，加入乙醇和生物炭，产出高浓度的中链脂肪酸。与现有技术相比，本发明解决了现有污泥在厌氧发酵过程中有机质和电子传输利用率低，高浓度反应底物和产物对微生物造成毒性影响等问题，为污泥厌氧发酵处理工艺提供了新思路。
Description
技术领域
本发明属于环境工程，微生物发酵技术领域，具体涉及一种利用生物炭提高废弃活性污泥厌氧发酵中链脂肪酸产量的方法。
背景技术
由于人口数量的不断增长和工业革命的快速发展，化石能源逐渐枯竭并对环境问题造成了不利影响。另一方面，有机废弃物产量日益增多，处理困难，亟待解决。因此，如何将有机废弃物转化为可再生能源是当前社会关注和研究的热点。目前，通过厌氧消化产出的生物资源(甲烷，脂肪酸)将有机废弃物和化学需氧量(COD)有效转化结合在一起，吸引了众多科研工作者的注意。其中污水处理厂产出的主要副产物—废弃活性污泥，据统计，在2018年总量达到4646万吨，其中含有的COD值约为25～60g/L，具有巨大的应用价值。中链脂肪酸是污泥厌氧消化的产物之一，与目前研究最多的甲烷相比，中链脂肪酸具有能量密度高，运输方便，可作为能源燃料的前导物等优势，除此，甲烷是一种温室效应气体，导致温室效应的潜能是二氧化碳的30倍，因此，中链脂肪酸是一种更优越的污泥资源化产物。
目前，污泥厌氧发酵制备中链脂肪酸研究过程中，面临以下问题：(1)参与厌氧发酵产酸的微生物较为脆弱，易受到发酵底物和酸性产物的毒性影响，底物或产物浓度过高时，活性减弱，进一步影响中链脂肪酸的高浓度产出；(2)厌氧微生物代谢速率较为缓慢，对底物中的有机质电子传输效率低，造成反应产出的中链脂肪酸产量十分有限；(3)污泥底物消化一般经过溶解，水解，酸化，产甲烷化四个过程，当以中链脂肪酸为目标产物时，须采取有效的甲烷抑制方法。综上，提高微生物发酵活性，促进有机底物电子传递，抑制产甲烷化等因素对促进污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的反应起着关键作用。但是，在迄今为止有关污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的反应过程中，利用生物炭促进污泥厌氧发酵产中链脂肪酸产量的相关研究目前未见报道。只有中国专利CN106834365A公开了利用由污泥经水热方法制备的生物炭促进污泥厌氧发酵产生短链脂肪酸的方法，其具体方法包括以下步骤：以污水处理厂的剩余污泥作为厌氧发酵基质并外加一定量的由水热方法制备的生物炭，中温搅拌条件下进行厌氧发酵。但该反应只能利用污泥中的有机物作为反应底物进行厌氧发酵，其最终产物为短链脂肪酸。
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简易可行、效果优良的利用生物炭促进污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，以解决现有污泥在厌氧发酵过程中微生物活性差，有机物利用率较低，反应底物和酸性产物浓度低等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种采用生物炭促进污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，选用城市污水处理厂中的二沉池污泥作为底物，通过在厌氧微生物反应器中添加适量的生物炭，加入生物炭提高有机质和电子传输，并为反应底物和产物提供结合位点，避免对微生物产生毒性影响，促进中链脂肪酸的产出，提高了污泥厌氧发酵效率，促进城市污泥中的有机废弃物转化为中链脂肪酸形式的生化物质，实现资源化处理效率的提升。主要采用以下步骤实现：
(1)利用反应器对污泥进行驯化培养，反应器在接种污泥前用氮气吹扫，使反应器内部处于完全厌氧环境。反应器外型呈圆柱形，总体积为1.5L，外设水浴夹层，反应器上部设有排气口，进泥口，污泥经厌氧消化后从下部出泥口排出。反应器排气口连接湿式气体流量计，对产气量进行检测；
(2)厌氧发酵罐驯化后的污泥作为接种物接种到反应血清瓶中，并在血清瓶中加入上述反应器培养后的二沉池浓缩污泥作为底物，加入乙醇以及生物炭，充入氮气，调节pH，对血清瓶进行密封，并加塞密封，放入恒温震荡箱中培养，对气体成分和液体产物进行检测。每种反应条件设置3个平行样。
按照上述步骤进行操作，连续培养和观测30-120天后，能够发现添加了适量生物炭的血清瓶内中链脂肪酸产量的提高，有机质转化效率更高，证实生物炭的添加促进了有机质降解，提高了污泥厌氧发酵能力。
使用的污泥为城市污水处理厂的二沉池中的污泥。
反应器对其中的污泥进行搅拌处理，搅拌方式为周期正转，搅拌频率为20.0Hz，搅拌周期内，搅拌时间为3分钟，静置时间为10分钟，反应器内物料仓和水浴层温度均设置为35℃。
将厌氧消化污泥加入反应器中，污泥总体积设定为1.3L，首先对厌氧污泥进行恢复活性培养。每日向反应器内添加二沉池污泥作为底物，泥龄设置为20天，进出泥量为65mL，对反应器内产气情况进行观测，在厌氧反应器日产气量达到稳定后，完成接种微生物的驯化培养。
生物炭为城市污水处理厂得到的二沉池污泥热解得到。首先，二沉池污泥在80℃条件下干燥24h，然后，将干燥后的污泥放入陶瓷坩埚中，缺氧环境下在马弗炉中高温灼烧2h，得到的剩余残渣冷却至室温，研磨成0.05～15mm的颗粒。用超纯水对生物炭颗粒反复冲洗几次，干燥后得到待用生物炭。
底物和接种物的质量比为1:2-2:1。
加入乙醇在体系中的浓度为20-300mmol/L,加入的生物炭在体系中的浓度为5-40g/L。
血清瓶内调节pH值不大于7.5。
所述恒温振荡器的温度设定为37±1℃，振荡频率为100-170rpm。
本发明采用高温热解污泥制得的生物炭，是一种稳定的多孔性材料，其表面含有的缝隙为微生物提供了遮挡物，并为毒性物质(发酵底物和酸性产物)提供结合位点，进一步缓解了反应体系中的物质对微生物产生的不利影响。
本发明采用更高的温度(600℃)对污泥热解制备生物炭，并加入乙醇作为电子供体，促进污泥厌氧发酵产出的短链脂肪酸进一步延伸为中链脂肪酸，提高了产物价值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)生物炭表面含有的孔洞和缝隙能够与厌氧微生物形成复合体，促进微生物的电子转移，从而提高传质效率，促进厌氧发酵代谢过程；
(2)生物炭能够为反应底物和产物提供结合位点，进一步缓和浓度过高而对微生物产生的不利影响。
(3)在污泥中添加生物炭的工艺，操作简单，能耗值低，价格便宜，稳定性强。而且所用生物炭来自于污泥高温热解，增多了污泥处理方式，提高了产物产出效率，促进了污泥资源化利用效率。
附图说明
图1为实施例1使用的接种物驯化反应器的结构示意图；
图2为实施例1使用的污泥厌氧发酵反应容器的结构示意图。
图中，1-进水口；2-进泥口；3-搅拌器；4-排气口；5-出泥口；6-排水口；7-气体流量计；8-混合溶液；9-丁基橡胶塞加铝帽；10-生物炭。
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。
实施例1
一种采用生物炭促进污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，采用以下步骤：
使用的接种物驯化反应器的结构如图1所示，为半连续流式厌氧消化反应器，用于培养厌氧消化微生物。反应器呈圆柱形，总体积为1.5L，包括内部的物料仓，物料仓外的水浴仓，位于物料仓内的搅拌器3，反应器上部设有进水口1、进泥口2，并且通过上部的排气口4经管道与气体流量计7连接，对产气量进行监测。在反应器的下部设有出泥口5以及排水口6，污泥经厌氧消化后从下部的出泥口5排出，水域仓内的水从下部的排水口6排出。
反应器运行：在搅拌器3的搅拌下，反应器自动对物料仓内污泥进行搅拌，搅拌方式为周期正转，搅拌频率为20.0Hz，一个搅拌周期内，搅拌时间为3分钟，间隔时间为10分钟。反应器内物料仓和水浴仓温度均设置为35±1℃。
污泥接种：将厌氧消化污泥加入反应器内，污泥总体积设定为1.3L。
污泥驯化培养：首先对厌氧污泥进行恢复培养，以上海市城市污水处理厂二沉池污泥为底物，对厌氧污泥进行驯化培养，污泥泥龄设置为20天。每日向反应器内添加二沉池污泥作为反应底物，进出泥量均为65mL，采用气体湿式流量计对反应器内产气情况进行观测。在厌氧反应器日产气量达到稳定后，完成接种微生物的驯化培养。
采用体积为120mL的血清瓶作为污泥厌氧发酵反应容器，如图2所示，实验接种泥和底物的比例设置为2:1。取接种泥30g和底物30g加入到血清瓶中，加入100mM乙醇促进碳原子数较多的中链脂肪酸产出，然后在所获得的混合溶液8中加入20g/L的生物炭10。溶液混合完全后，调节血清瓶内的pH为6.0±0.2，用氮气将瓶内空气排除，保证厌氧环境。封盖采用丁基橡胶塞加铝帽9密封。装瓶完成后，采用一次性针头排出血清瓶内多于气体，平衡气压。随后将全部血清瓶放入恒温震荡培养箱内，振荡频率170rpm，培养温度为37±0.5℃。在相同操作条件下，设置未添加生物炭的血清瓶作为空白对照。每种反应条件下设置3个平行样。
定期对污泥厌氧发酵的液体测样，每次取样后，调节反应瓶内的pH值，保证反应在恒定pH条件下运行。液体样本中的中链脂肪酸含量用气相色谱测定，反应运行60天，添加生物炭的反应瓶中，乙酸，丁酸，己酸，辛酸的最高浓度分别达到1.3g COD/L，2.6g COD/L，6.4g COD/L，3.6g COD/L；空白对照瓶中，乙酸，丁酸，己酸，辛酸的最高浓度分别达到1.2gCOD/L，1.8g COD/L，4.8g COD/L，2.6g COD/L。累积总中链脂肪酸产量由7.4g COD/L增加至10.0g COD/L，提高了35％。因此在反应器内添加适量生物炭，提高了污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的能力，是一种操作较为简易，有效增强污泥回收利用的一种优化方法。
实施例2
一种采用生物炭促进污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，采用以下步骤：
利用反应器对污泥进行驯化培养，使用的反应器外型呈圆柱形，外设水浴夹层，反应器上部设有排气口，进泥口，污泥经厌氧消化后从下部出泥口排出。反应器排气口连接湿式气体流量计，对产气量进行检测。反应器在接种污泥前用氮气吹扫，使反应器内部处于完全厌氧环境。反应器对其中的污泥进行搅拌处理，搅拌方式为周期正转，搅拌频率为20.0Hz，搅拌周期内，搅拌时间为3分钟，静置时间为10分钟，反应器内物料仓和水浴层温度均设置为35℃；
厌氧发酵罐驯化后的污泥作为接种物接种到反应血清瓶中，并在血清瓶中加入上述反应器培养后的二沉池浓缩污泥作为底物，底物和接种物的质量比为1:2，加入乙醇以及生物炭，加入乙醇在体系中的浓度为20mmol/L,加入的生物炭在体系中的浓度为5g/L。使用的生物炭为城市污水处理厂得到的二沉池污泥热解得到。首先，二沉池污泥在80℃条件下干燥24h，然后，将干燥后的污泥放入陶瓷坩埚中，缺氧环境下在马弗炉中高温灼烧2h，得到的剩余残渣冷却至室温，研磨成0.05mm的颗粒。用超纯水对生物炭颗粒反复冲洗几次，干燥后得到待用生物炭充入氮气，调节pH不大于7.5，对血清瓶进行密封，并加塞密封，放入恒温震荡箱中培养，恒温振荡器的温度设定为37℃，振荡频率为100rpm对气体成分和液体产物进行检测。每种反应条件设置3个平行样。
在相同操作条件下，设置未添加生物炭的血清瓶作为空白对照。每种反应条件下设置3个平行样。定期对污泥厌氧发酵的液体测样，每次取样后，调节反应瓶内的pH值，保证反应在恒定pH条件下运行。液体样本中的中链脂肪酸含量用气相色谱测定，反应运行60天，添加生物炭的反应瓶中，乙酸，丁酸，己酸，辛酸的最高浓度分别达到1050mg COD/L，325mgCOD/L，800mg COD/L，450mg COD/L；空白对照瓶中，乙酸，丁酸，己酸，辛酸的最高浓度分别达到987mg COD/L，180mg COD/L，680mg COD/L，325mg COD/L。累积总中链脂肪酸产量由1.0g COD/L增加至1.25g COD/L，提高了25％。因此在反应器内添加适量生物炭，提高了污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的能力，是一种操作较为简易，有效增强污泥回收利用的一种优化方法。
实施例3
一种采用生物炭促进污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，采用以下步骤：
利用反应器对污泥进行驯化培养，使用的反应器外型呈圆柱形，外设水浴夹层，反应器上部设有排气口，进泥口，污泥经厌氧消化后从下部出泥口排出。反应器排气口连接湿式气体流量计，对产气量进行检测。反应器在接种污泥前用氮气吹扫，使反应器内部处于完全厌氧环境。反应器对其中的污泥进行搅拌处理，搅拌方式为周期正转，搅拌频率为20.0Hz，搅拌周期内，搅拌时间为3分钟，静置时间为10分钟，反应器内物料仓和水浴层温度均设置为35℃；
厌氧发酵罐驯化后的污泥作为接种物接种到反应血清瓶中，并在血清瓶中加入上述反应器培养后的二沉池浓缩污泥作为底物，底物和接种物的质量比为1:1，加入乙醇以及生物炭，加入乙醇在体系中的浓度为120mmol/L,加入的生物炭在体系中的浓度为20g/L。使用的生物炭为城市污水处理厂得到的二沉池污泥热解得到。首先，二沉池污泥在80℃条件下干燥24h，然后，将干燥后的污泥放入陶瓷坩埚中，缺氧环境下在马弗炉中高温灼烧2h，得到的剩余残渣冷却至室温，研磨成5mm的颗粒。用超纯水对生物炭颗粒反复冲洗几次，干燥后得到待用生物炭充入氮气，调节pH不大于7.5，对血清瓶进行密封，并加塞密封，放入恒温震荡箱中培养，恒温振荡器的温度设定为36℃，振荡频率为150rpm对气体成分和液体产物进行检测。每种反应条件设置3个平行样。
在相同操作条件下，设置未添加生物炭的血清瓶作为空白对照。每种反应条件下设置3个平行样。定期对污泥厌氧发酵的液体测样，每次取样后，调节反应瓶内的pH值，保证反应在恒定pH条件下运行。液体样本中的中链脂肪酸含量用气相色谱测定，反应运行60天，添加生物炭的反应瓶中，乙酸，丁酸，己酸，辛酸的最高浓度分别达到1.5g COD/L，2.8gCOD/L，6.6g COD/L，3.8g COD/L；空白对照瓶中，乙酸，丁酸，己酸，辛酸的最高浓度分别达到1.3g COD/L，1.6g COD/L，4.7g COD/L，2.4g COD/L。累积总中链脂肪酸产量由7.1g COD/L增加至10.4g COD/L，提高了46％。因此在反应器内添加适量生物炭，提高了污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的能力，是一种操作较为简易，有效增强污泥回收利用的一种优化方法。
实施例4
一种采用生物炭促进污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，采用以下步骤：
利用反应器对污泥进行驯化培养，使用的反应器外型呈圆柱形，外设水浴夹层，反应器上部设有排气口，进泥口，污泥经厌氧消化后从下部出泥口排出。反应器排气口连接湿式气体流量计，对产气量进行检测。反应器在接种污泥前用氮气吹扫，使反应器内部处于完全厌氧环境。反应器对其中的污泥进行搅拌处理，搅拌方式为周期正转，搅拌频率为20.0Hz，搅拌周期内，搅拌时间为3分钟，静置时间为10分钟，反应器内物料仓和水浴层温度均设置为35℃；
厌氧发酵罐驯化后的污泥作为接种物接种到反应血清瓶中，并在血清瓶中加入上述反应器培养后的二沉池浓缩污泥作为底物，底物和接种物的质量比为2:1，加入乙醇以及生物炭，加入乙醇在体系中的浓度为300mmol/L,加入的生物炭在体系中的浓度为40g/L。使用的生物炭为城市污水处理厂得到的二沉池污泥热解得到。首先，二沉池污泥在80℃条件下干燥24h，然后，将干燥后的污泥放入陶瓷坩埚中，缺氧环境下在马弗炉中高温灼烧2h，得到的剩余残渣冷却至室温，研磨成15mm的颗粒。用超纯水对生物炭颗粒反复冲洗几次，干燥后得到待用生物炭充入氮气，调节pH不大于7.5，对血清瓶进行密封，并加塞密封，放入恒温震荡箱中培养，恒温振荡器的温度设定为38℃，振荡频率为170rpm对气体成分和液体产物进行检测。每种反应条件设置3个平行样。
在相同操作条件下，设置未添加生物炭的血清瓶作为空白对照。每种反应条件下设置3个平行样。定期对污泥厌氧发酵的液体测样，每次取样后，调节反应瓶内的pH值，保证反应在恒定pH条件下运行。液体样本中的中链脂肪酸含量用气相色谱测定，反应运行60天，添加生物炭的反应瓶中，乙酸，丁酸，己酸，辛酸的最高浓度分别达到1.6g COD/L，3.0gCOD/L，8.4g COD/L，5.8g COD/L；空白对照瓶中，乙酸，丁酸，己酸，辛酸的最高浓度分别达到1.5g COD/L，2.6g COD/L，5.6g COD/L，3.8g COD/L。累积总中链脂肪酸产量由9.4g COD/L增加至14.2g COD/L，提高了51％。因此在反应器内添加适量生物炭，提高了污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的能力，是一种操作较为简易，有效增强污泥回收利用的一种优化方法。
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 (10)
1.在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，其特征在于，选择厌氧反应器培养后的二沉池浓缩污泥作为底物，将接种物和底物混合，在厌氧环境下，加入乙醇和生物炭，产出高浓度的中链脂肪酸。
2.根据权利要求1所述的在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
将污泥高温热解反应生成生物炭，研磨至粒径大小为0.05～15mm；
以厌氧反应器培养的二沉池浓缩污泥作为底物，以厌氧发酵罐驯化后的污泥作为接种物接种到血清瓶中；
加入乙醇以及研磨得到的生物炭，通入氮气排除氧气，保证厌氧反应环境，调节pH值，对血清瓶进行密封，恒温震荡培养，发酵制备得到中链脂肪酸。
3.根据权利要求2所述的在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，其特征在于，所述生物炭为在600℃高温灼烧污泥后得到的污泥残渣。
4.根据权利要求2所述的在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，其特征在于，厌氧反应器培养二沉池浓缩污泥采用以下方法：厌氧反应器在接种二沉池污泥前用氮气吹扫使反应器内部处于完全厌氧环境，然后加入污水处理厂二沉池污泥进行驯化培养20天，得到二沉池浓缩污泥作为底物。
5.根据权利要求2所述的在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，其特征在于，厌氧发酵罐内采用周期正转的搅拌方式，搅拌频率为20.0Hz，搅拌周期内，搅拌时间为3分钟，静置时间为10分钟。
6.根据权利要求2所述的在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，其特征在于，厌氧发酵罐为半连续流运行方式，需每天进出等量的污泥。
7.根据权利要求1或2所述的在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，其特征在于，所述底物和接种物的质量比为1:2-2:1。
8.根据权利要求1或2所述的在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，其特征在于，加入乙醇在体系中的浓度为20-300mmol/L，加入的生物炭在体系中的浓度为5-40g/L。
9.根据权利要求2所述的在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，其特征在于，血清瓶内调节pH值不大于7.5。
10.根据权利要求2所述的在厌氧反应体系中添加生物炭促进中链脂肪酸产出的方法，其特征在于，恒温震荡的温度设定为37±1℃，振荡频率为100-170rpm。
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