CN111334533A - 纤维素酶促进办公废纸和污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维素酶促进办公废纸和污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，包括将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；将所得纸浆与城市污水处理厂二沉池浓缩污泥混合，获得发酵底物；加入纤维素酶；充氮驱氧10min，密封反应器，控制反应温度，利用恒温摇床将反应体系物质混合均匀，进行厌氧发酵产酸等步骤，本发明不仅能够实现污泥和办公废纸的资源化利用，有效提升短链脂肪酸的生产效率，同时能够实现污泥和废弃纸张的无害化和减量化，减轻对环境的污染。
Description
技术领域
本发明属于环境保护以及资源化技术领域，涉具体涉及纤维素酶促进办公废纸和污泥厌 氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展和城镇化不断加快，社会各行各业所产生的排放污水总量逐年 增多。目前，我国城市污水处理率超过90％，与此同时，作为污水处理的副产物，预测2020 年污泥的产量每年将超过6000万吨(80％含水率计)。一方面，剩余污泥中富含大量的有机 碳源，污泥固相中有机质组分在30-70％左右，可回收利用潜力巨大。另一方面，当前剩余污 泥的处理成本占到污泥处理工艺总成本的20-50％。如何妥善处理污泥，使其实现稳定化、无 害化、减量化、资源化，成为环境污染治理中亟待解决的问题。
厌氧生物处理是当前剩余污泥资源化处理处置的有效途径之一。该方法主要是在厌氧条 件下，通过兼性厌氧和厌氧微生物群体将有机物转化为为甲烷(CH4)、氢气(H2)和挥发性 脂肪酸(Volatile fatty acids，VFAs)等能源物质。其中VFAs(包括乙酸、丙酸、异丁酸、 正丁酸、异戊酸和正戊酸等)是一类极具研究价值的重要中间产物，它们不仅可用于合成油 漆、涂料、可生物降解塑料等，也可作为污水处理过程中微生物脱氮除磷的有机碳源。故利 用厌氧发酵手段获取大量的VFAs，在促进污泥减量化和无害化的同时，也能实现污泥的资源 化，提高污水处理厂的脱氮除磷的效果，同时能获得环境和经济效益。但是，其转化效率往 往受到污泥体系中有机质含量不足和C/N比失调等限制。
与此同时，当今社会中纸张已是办公和家庭广泛使用的材料，在给人们的工作和生活带 来便利的同时，纸张的回收利用问题也愈加严重。联合国粮食及农业组织估计，自2010年以 来，全世界每年生产的纸张产品约40万吨。目前，废纸的主要处理方式有回收、燃料和农牧 业生产等。但由于废纸市场不甚规范，缺乏相应的回收标准，且废纸质量不高，废纸回收利 用步伐还比较缓慢；同时，固体废纸燃料的使用会使锅炉的热效率降低，放出硫氧化物产生 二次污染，因此废纸不宜作燃料；而利用废纸生产动物饲料，过程较繁琐，不易推广，对废 纸利用的价值较低。所以，目前废纸多被作为纸张使用后的废弃物，也成为了城市固体废物 的主要组成部分。但是，废纸富含的大量纤维素和木质素等碳水化合物能够有效调节污泥厌 氧发酵系统中C/N的平衡，增强污泥系统的缓冲性能，提高微生物的活性。但是，废纸中含 有大量植物纤维素等大分子物质，不易于被厌氧发酵微生物等直接利用转化为VFAs。已有研 究报道，碱性预处理能够有效改变农作物秸秆(主要成分包含纤维素等)的结构，提高其可 生物利用性，但作用有限。而纤维素酶是一类能将纤维素转化为葡萄糖的活性酶，广泛存在 于多种生物体中，并在纺织、食品、造纸、可再生资源的利用等领域得到了普遍应用。但是， 截至目前，尚无有关利用纤维素酶处理强化污泥与办公废纸联合发酵产VFAs的研究，其关键 影响因素以及作用机制也尚不明确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用纤维素酶联合作用强化剩余污泥与办公废纸生产挥发性 脂肪酸的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
利用纤维素酶处理办公废纸和污泥厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，包括以下步 骤：
(1)将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；
(2)将纸浆与城市污水处理厂二沉池浓缩污泥混合，获得发酵底物；
(3)加入不同浓度的纤维素酶；
(4)充氮驱氧10min，密封反应器，控制反应温度，利用恒温摇床将反应体系物质混合 均匀，进行厌氧发酵产酸。
优选地，所述的步骤(2)中，污泥与纸浆的混合体积比例为3：1或1：3，以总悬浮性固体TSS计。
优选地，所述的步骤(2)中，加入纤维素酶，浓度梯度设为加入纤维素酶的浓度梯度为 15mg/g TSS-60mg/g TSS，其中15mg/g TSS、30mg/g TSS、45mg/g TSS、60mg/g TSS 分别为优选实施例。
优选地，所述的步骤(3)中，污泥样品在反应器中厌氧发酵温度为25或35℃。
优选地，所述的步骤(4)中，污泥样品在反应器中厌氧发酵天数为6～8天。
本发明中利用纤维素酶与促进办公废纸和污泥厌氧共发酵高效生产挥发性脂肪酸的基本 原理是：
底物的种类对厌氧水解发酵过程影响显著。厌氧微生物利用有机底物优先次序为碳水化 合物(多糖)>蛋白质>脂肪。剩余污泥有机物含量相对较低，同时其C/N低(蛋白类物质含 量高)，导致单独厌氧消化弊端较多。通过向剩余污泥发酵系统投加含高碳水化合物的办公 废纸，使其联合发酵，可增强发酵体系的缓冲性能，提高厌氧发酵系统的C/N比，解决传统 工艺中C/N比含量较低的问题，从而促进微生物的活性与活力，提高反应系统中VFAs的积累。 但是由于废纸由大量的木质纤维素等组成，其直接被微生物利用转化的难度较大。
碱性预处理能够通过化学作用有效破坏废纸中纤维素和木质素等分子结构，在一定程度 上提高其可生物利用性。同时，纤维素酶通过生化作用能够进一步大幅提高转化分解纤维素 等结构的效率，改善纤维形态、物理性能和柔软度，降低纤维含量，提高溶解浆的反应性能， 进一步提高厌氧微生物利用有机底物的速率，大大提升产VFAs效率。此外，在厌氧发酵过程 中，发酵条件也是极其重要的因素。通过控制合理污泥与废纸混合比例，有效实现发酵底物 与微生物量之间的有效平衡，本研究中污泥与废纸样品的适宜的混合比例在3:1-1:3(以总 悬浮性固体TSS计)，选取污泥与废纸的混合比例分别为3:1和1:3进行对比试验，选出最 佳混合比例。运行温度将影响发酵污泥的水解效率以及系统中微生物的活性，适当提高发酵 温度能够有效提高微生物剂相关酶的活性，有利于VFAs的累积，本研究中较为理想的发酵反 应温度为25～35℃，本研究中选取25℃和35℃进行对比研究，选取最佳反应温度。另外，污 泥在反应器中的停留时间也会影响VFAs的累积。一般而言，厌氧发酵过程中产酸微生物需要 一定的时间将有机底物转化为VFAs等目标产物，但是发酵时间过长，将更有利于产甲烷菌的 活动，使得产酸阶段的产物VFAs进一步转化为甲烷，不利于VFAs的积累，同时发酵时间的 延长将进一步增大运行成本。
本发明的有益效果在于：
1.利用剩余污泥和办公废纸作为原料生产VFAs，不仅实现了污泥的减量化和无害化， 为废纸的综合开发利用提供一种新思路，更重要的是产VFAs具有很高的利用价值，实现污泥 的资源化利用，符合可持续发展观。
2.通过废纸与污泥的联合发酵，可以解决传统工艺中C/N较低问题，明显提高VFAs的 生成速率和产量，有效地缩短发酵产酸的时间，大大降低运行成本、提高了运行效率。
3.产VFAs是污泥厌氧发酵一类重要的中间产物，其应用广泛，具有很高的利用价值。 它不仅是合成油漆、涂料以及化妆品等不可缺少的原料，而且能够为污水厂有效补充脱氮除 磷过程中所必需的碳源，以“废”治“污”，有效解决了脱氮除磷工艺中有机碳源不足的问 题。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
(1)将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；然后将污泥与获得的纸浆液混合，体积混合比例为3:1(以总悬浮性固体TSS计)，即240ml:80ml，得到总 体积为320ml的混合溶液；
(2)在加入剩余污泥和废纸纸浆样品的有机玻璃反应器中，加入15mg/g TSS纤维素 酶；
(3)将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀。 通过纤维素酶促进剩余污泥与废纸的联合发酵，将有机物转化为VFAs。其中控制 发酵反应温度为35±1℃，不再控制发酵pH值；
(4)在第6天VFAs积累量达到最大值，VFAs的含量为3690.2mg COD/L。
实施例2
(1)将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；然后将污泥与获得的纸浆液混合，混合体积比例为3:1(以总悬浮性固体TSS计)，即240ml:80ml，得到总 体积为320ml的混合溶液；
(2)在加入剩余污泥和废纸纸浆样品的有机玻璃反应器中，加入30mg/g TSS纤维素 酶；
(3)将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀。 通过纤维素酶促进剩余污泥与废纸的联合发酵，将有机物转化为VFAs。其中控制 发酵反应温度为35±1℃，不再控制发酵pH值；
(4)在第6天VFAs积累量达到最大值，VFAs的含量为3878.9mg COD/L。
实施例3
(1)将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；然后将污泥与获得的纸浆液混合，混合体积比例为3:1(以总悬浮性固体TSS计)，即240ml:80ml，得到总 体积为320ml的混合溶液；
(2)在加入剩余污泥和废纸纸浆样品的有机玻璃反应器中，加入45mg/g TSS纤维素 酶；
(3)将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀。 通过纤维素酶促进剩余污泥与废纸的联合发酵，将有机物转化为VFAs。其中控制 发酵反应温度为35±1℃，不再控制发酵pH值；
(4)在第6天VFAs积累量达到最大值，VFAs的含量为4101.9mg COD/L。
实施例4
(1)将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；然后将污泥与获得的纸浆液混合，混合体积比例为3:1(以总悬浮性固体TSS计)，即240ml:80ml，得到总 体积为320ml的混合溶液；
(2)在加入剩余污泥和废纸纸浆样品的有机玻璃反应器中，加入60mg/g TSS纤维素 酶；
(3)将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀。 通过纤维素酶促进剩余污泥与废纸的联合发酵，将有机物转化为VFAs。其中控制 发酵反应温度为35±1℃，不再控制发酵pH值；
(4)在第4天VFAs累积量达到3490.2mg COD/L。
实施例5
(1)将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；然后将污泥与获得的纸浆液混合，混合体积比例为3:1(以总悬浮性固体TSS计)，即240ml:80ml，得到总 体积为320ml的混合溶液；
(2)在加入剩余污泥和废纸纸浆样品的有机玻璃反应器中，加入60mg/g TSS纤维素 酶；
(3)将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀。 通过纤维素酶促进剩余污泥与废纸的联合发酵，将有机物转化为VFAs。其中控制 发酵反应温度为35±1℃，不再控制发酵pH值；
(4)在第6天VFAs积累量达到最大值，VFAs的含量为4548.9mg COD/L。
实施例6
(1)将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；然后将污泥与获得的纸浆液混合，混合体积比例为1:3(以总悬浮性固体TSS计)，即80ml:240ml，得到总 体积为320ml的混合溶液；
(2)在加入剩余污泥和废纸纸浆样品的有机玻璃反应器中，加入60mg/g TSS纤维素 酶；
(3)将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀。 通过纤维素酶促进剩余污泥与废纸的联合发酵，将有机物转化为VFAs。其中控制 发酵反应温度为35±1℃，不再控制发酵pH值；
(4)在第8天VFAs积累量达到最大值，VFAs的含量为3956.8mg COD/L。
实施例7
(1)将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；然后将污泥与获得的纸浆液混合，混合比例为3:1(以总悬浮性固体TSS计)，即240ml:80ml，得到总体积 为320ml的混合溶液；
(2)在加入剩余污泥和废纸纸浆样品的有机玻璃反应器中，加入60mg/g TSS纤维素 酶；
(3)将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀。 通过纤维素酶促进剩余污泥与废纸的联合发酵，将有机物转化为VFAs。其中控制 发酵反应温度为25±1℃，不再控制发酵pH值；
(4)在第8天VFAs积累量达到最大值，VFAs的含量为3532.2mg COD/L。
对比例1
(1)将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；然后将污泥与获得纸浆液混合，混合比例为3:1(以总悬浮性固体TSS计)，即240ml:80ml，得到总体积为 320ml的混合溶液；
(2)将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀。 通过剩余污泥与废纸的联合发酵，将有机物转化为VFAs。其中控制发酵反应温度 为35±1℃，不再控制发酵pH值；
(3)在第6天VFAs积累量达到最大值，VFAs的含量为2183.4mg COD/L。
附表1酒糟对污泥厌氧发酵产VFAs的影响
厌氧发酵的结果主要是根据VFAs的积累量来评判的。而发酵与底物的浓度、纤维素酶投 加量与纤维素酶的活性有一定的关系。通过改变污泥与纸浆混合比例、纤维素酶投加量与发 酵温度，VFAs的积累量也会有所不同，接下来，我们对各实施例的实验数据进行比较分析， 进一步了解对于纤维素酶促进办公废纸和污泥厌氧共发酵高效生产挥发性脂肪酸的影响因 素。
实施例5与实施例6中污泥/纸浆混合比例不同，分别为3：1与1：3，在其余条件相同的情况下培养，实施例5在第6天达到其VFAs最大积累量点，实施例6在第8天达到其VFAs 最大积累量点，与此同时，实施例5的VFAs最大积累量为4548.9(mg COD/L)，大于实施 例6的VFAs最大积累量3956.8(mg COD/L)，由此可得出3：1的污泥/纸浆混合比例更加 有利于厌氧发酵生产挥发性脂肪酸；
实施例5与实施例7的发酵温度分别为35±1℃和25±1℃，在其余条件相同的情况下培 养，实施例5的VFAs最大积累量为4548.9(mg COD/L)，大于实施例7的VFAs最大积累量3532.2(mg COD/L)，由此可得出在35±1℃下纤维素酶的活性更高，其促进厌氧发酵的效率也更高；
对比例1、实施例1、实施例2、实施例3与实施例5中纤维素酶投加量分别为0(mg/g)、 15(mg/g)、30(mg/g)、45(mg/g)、60(mg/g)，在其余条件相同的情况下培养(35±1℃，污泥 /纸浆混合比例＝3：1)，VFAs的最大积累量分别为2183.4(mg COD/L)、3690.2(mg COD/L)、 3878.9(mg COD/L)、4101.9(mg COD/L)和4548.9(mg COD/L)，对比例1与实施例1相比，仅仅投进15(mg/g)纤维素酶，两者VFAs积累量相差达1506.8(mg COD/L)，可以看出 纤维素酶投加对于污泥与纸浆混合液的厌氧发酵具有明显的促进作用；并且，对比实施例2、实施例3、实施例5，随着纤维素酶投入量的不断增加，其VFAs的最大积累量也不断增大， 且实施例5与实施例1的VFAs积累量相差858.7(mg COD/L)，即证明随着纤维素酶的投加 量的增加可以明显提升厌氧发酵的效率.
由以上对实验数据的分析，我们可以得出结论，向污泥与纸浆的混合发酵液中添加纤维 素酶可以大幅度提高VFAs的积累量，且在浓度梯度15mg/g TSS-60mg/g TSS的情况下，厌 氧发酵效率与纤维素酶的投加量成正相关；对比25±1℃和35±1℃，可知35±1℃对厌氧发 酵更加有利；对比污泥/纸浆混合比例1:3和3:1，可知混合比例为3:1时，纤维素酶促进办 公废纸和污泥厌氧共发酵高效生产挥发性脂肪酸的效率最高。
上述的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应用本发明。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，本发明不限于这里的实施例，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 (5)
1.纤维素酶促进办公废纸和污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将办公废纸用pH10碱液浸泡处理4h，获得纸浆液；
(2)将步骤(1)所得纸浆与城市污水处理厂二沉池浓缩污泥混合，获得发酵底物；
(3)加入纤维素酶；
(4)充氮驱氧10min，密封反应器，控制反应温度，利用恒温摇床将反应体系物质混合均匀，进行厌氧发酵产酸。
2.根据权利要求1所述的纤维素酶促进办公废纸和污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，污泥与纸浆的混合体积比例为3：1或1：3。
3.根据权利要求2所述的纤维素酶促进办公废纸和污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，加入纤维素酶的浓度梯度为15mg/g TSS-60mg/g TSS。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，污泥样品在反应器中厌氧发酵温度为25或35℃。
5.根据权利要求1所述的纤维素酶促进办公废纸和污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，污泥样品在反应器中厌氧发酵天数为6～8天。
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