CN111705089A - 一种促进城市剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种促进城市剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，包括：(1)将从污水厂取回来的城市剩余污泥进行浓缩，然后将接种污泥和城市剩余污泥混合，装入六个发酵瓶，分别向发酵瓶中投加不同量的电石渣，以此调节发酵系统的碱性条件；(2)将发酵瓶充氮气使其保持厌氧环境，密封发酵瓶，每镉24小时投加电石渣调节发酵瓶的pH到需要的碱性条件，进行碱性发酵；(3)采用高速离心机将步骤(2)中的发酵液混合，在离心速度为10000r/min和离心温度为4℃条件下离心，离心后的上清液即为含有VFAs的城市污泥发酵液。本发明的方法可降低污泥发酵成本，生产的挥发性脂肪酸具有广阔的应用前景，且实现以废治废的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种促进城市剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，属于固体废弃物资源化技术领域。
背景技术
城市剩余污泥是污水处理厂的主要副产物，其中污泥的管理及处置费用占到污水厂总基建费和运行费用的1/3以上，随着人类社会和人民生活水平的提高，污水处理厂产生的污泥量越来越大。传统的污泥处置技术常见的主要包括焚烧、填埋等方式。污泥中含有大量的有机物(主要包括蛋白质和多糖等)。由于可持续发展的需求，污泥的处理开始向资源化利用转变，其中通过污泥厌氧发酵生产生能源及高价值化学产品越来越受到关注。相比发酵产甲烷和乙醇等，通过污泥发酵生产挥发性脂肪酸具有很大的优势，例如发酵时间缩短、产品附加值高、易于控制、操作简单、成本降低、效率高及更广泛的应用前景。
关于厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的技术，现有专利文献中，江南大学的陈坚等人发明的CN101314783公开了高固体浓度有机废弃物热-碱预处理后厌氧发酵产挥发性脂肪酸的方法，该方案以城市污泥作为模式底物采用热-碱预处理，然后接种热胁迫处理并驯化后的厌氧酸化污泥作为种泥进行厌氧发酵，处理的城市污泥固体质量浓度可为3.7％-12.0％，挥发性脂肪酸最高的产率可达0.23g 挥发性脂肪酸/g有机质，比未预处理污泥的发酵产酸提高20.1％-61.0％。
又有，哈尔滨工业大学的王爱杰等人发明的CN103194494B公开了一种双孢菇菌糠与剩余污泥共发酵生产挥发性脂肪酸的方法，以解决目前存在剩余污泥单独厌氧发酵酸化效能低及双孢菇菌糠的处置利用问题。方法：一、制备污泥样本；二、制备菌糠样本；三、投加菌糠样本；四、完成双孢菇菌糠与剩余污泥共发酵生产挥发性脂肪酸的方法。该方法中的采用双孢菇菌糠作为外加碳源对剩余污泥进行调质，通过提高剩余污泥系统的碳氮比，明显的提高了剩余污泥发酵过程中挥发酸的产量。
华中农业大学的黄家隆等人则提出了CN110452936A，一种负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，该方法对家庭或者餐厅的餐厨垃圾进行挤压、过滤处理，获得餐厨废水；取收集物并去除其中的污染物，然后置于厌氧环境条件下发酵6～8天；将前处理污泥置于高压蒸汽灭菌锅中高温灭菌，待温度降至30℃条件后；添加培养基然后在温度为37℃水浴锅中加热培养；得到厌氧污泥将厌氧污泥和餐厨废水置于发酵罐中，在使用N2排出发酵罐中的空气创造厌氧环境后，使用负压控制装置将发酵罐内的大气压降至0.02±0.005MPa，并将发酵罐置于水浴中进行厌氧发酵；得到上清液；即为挥发性脂肪酸。该方法可以使挥发性脂肪酸的产量增加20％～50％，并且使乙酸、丙酸和丁酸在挥发性脂肪酸中的比例提高4％～10％。
但是以上现有技术中均未考虑到如下方面：污泥厌氧发酵通常分三个阶段，即水解、酸化和产甲烷，水解阶段是整个发酵过程的限速步骤，挥发性脂肪酸产自酸化阶段。由于污泥中的大部分有机物被污泥絮状结构和细胞壁屏蔽作用限制，难以被释放出来，因此降低了发酵效率，进而降低了挥性脂肪酸的产量。为了提高污泥的水解，不同的预处理方法被应用到污泥处理中，主要包括化学预处理(碱、酸)、物理预处理(加热、高压均质)及生物预处理(酶、微生物)等，其中化学处理法中的碱具有很好的效果，它能打破污泥结构使得污泥中非溶解性颗粒态有机物快速分解为小分子的溶解性物质，继而被微生物利用。而传统的碱处理主要采用成本高的纯碱，比如氢氧化钠、氢氧化钙等，在规模化污泥厌氧发酵时，纯碱投加增加了污泥处理的成本。因此，找一种替代传统纯碱的碱性物质来处理污泥促进发酵产挥发性脂肪酸具有很重要的意义。
电石渣一种强碱性工业废渣，主要成分是氧化钙，溶于水形成氢氧化钙，本发明将其应用到污泥发酵中，可形成类似传统碱性预处理条件促进污泥的水解，使更多的有机物质被释放，为微生物提供更多的发酵底物，促进污泥发酵产挥发性脂肪酸。电石渣预处理是替代传统碱预处理的好选择，降低碱预处理的碱成本，实现以废治废的同时生产高价值化学产品，这是目前及未来污泥处置的思考和发展方向，这将对有机废物资源化利用新技术的研究提供一定的理论依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将电石渣预处理作为污泥发酵的预处理方法，促进污泥水解释放有机物，提高污泥发酵挥发性脂肪酸的产量，实现电石渣和城市剩余污泥的减量化和资源化。通过本发明的方法可降低污泥发酵成本，生产的挥发性脂肪酸具有广阔的应用前景，且实现以废治废的目的。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种以电石渣投加为污泥的预处理技术，在碱性条件下发酵城市剩余污泥生产VFAs，具体方法包括以下步骤：
步骤(1)发酵底物准备：将从污水厂取回来的城市剩余污泥进行浓缩，然后将接种污泥和城市剩余污泥混合，装入六个发酵瓶，分别向发酵瓶中投加不同量的电石渣，以此调节发酵系统的碱性条件；
步骤(2)城市剩余污泥发酵阶段：将发酵瓶充氮气使其保持厌氧环境，密封发酵瓶，每镉24小时投加电石渣调节发酵瓶的pH到需要的碱性条件，进行碱性发酵；
步骤(3)含VFAs上清液获取：采用高速离心机将步骤(2)中的发酵液混合，在离心速度为10000r/min和离心温度为4℃条件下离心，离心后的上清液即为含有VFAs的城市污泥发酵液。
步骤(3)中所有发酵瓶含有VFAs的城市污泥发酵液中VFAs主要由乙酸和丙酸组成(占总的VFAs比例大于63％)，电石渣投加的发酵瓶中VFAs的浓度可高达330.54mg COD/gVSS，相比对照，提高了8.4倍。
本发明的创新点及所产生的有益效果：
本发明采用的电石渣是一种低成本的强碱性废弃物，溶于水形成碱性条件，当电石渣投加到城市剩余污泥和接种污泥混合的发酵瓶后，电石渣形成的污泥碱性环境能够打破污泥絮体结构及破解污泥细胞，使得有机物被释放到发酵液中，为产酸微生物发酵产酸提供更多的发酵底物，定期投加电石渣可以防止因发酵产生的VFAs降低发酵瓶的pH值而抑制产酸菌活性，且碱性条件可抑制产甲烷的活性，降低VFAs的消耗。本发明同时利用到了两种废弃物(城市剩余污泥和电石渣)，向城市剩余污泥发酵系统中投加电石渣，促进污泥厌氧发酵产VFAs，实现了城市剩余污泥的减量化和资源化，同时扩大了电石渣的应用，降低发酵生产VFAs的成本。更重要的是生产的VFAs是一种重要的平台物质，其应用价值较广，可作为外加碳源补充污水脱氮除磷过程中碳源的不足，还能够进一步转化为能源物质，比如甲烷、乙醇等，也可以用来合成长链脂肪酸、油漆以及其他化工产品等，这进一步实现了城市剩余污泥的资源化利用。本发明为实现城市剩余污泥减量化、资源化提供了一种新的途径，也为拓宽电石渣的应用提供思路，本发明具有巨大的社会和环境效益，符合节约型社会可持续发展的要求。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中的电石渣等材料和VFAs测定等仪器均为市售。其中电石渣购于湖南衡阳永捷科技有限责任公司，粉碎后过325目的筛网，经X射线荧光光谱仪(AXIOS，荷兰)测定，其主要成分为CaO(70.06％)。接种污泥为颗粒污泥，购于山东某颗粒污泥制造厂。城市剩余污泥取自北京市海淀区永丰污水处理厂的二沉池，下述各实施例中的城市剩余污泥均为自水厂取回来后4℃冰箱沉淀24小时，然后去除上清液后的污泥作为发酵底物，该污泥的特征包括：pH为 7.30±0.04，TSS为17853.33±249.87mg/L，VSS为12183.337±165.03mg/L，SCOD 为290.87±17.38mg/L，溶解性蛋白质为8.40±0.77mg/L，溶解性多糖为4.86±0.22 mg/L。
实施例1：
用250ml的血清瓶作为发酵瓶，按VSS 1:1的比例加入城市剩余污泥和接种污泥，不投加任何量的电石渣，发酵瓶先充氮气5min，将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为120r/min，定期取样测定VFAs含量，发酵天数为10d，发酵周期结束时，搅拌停止，将发酵液经高速离心机离心过滤，测定上清液中VFAs含量。结果显示污泥发酵过程中VFAs产量最多可达到39.33mg COD/g VSS。
实施例2：
用250ml的血清瓶作为发酵瓶，按VSS 1:1的比例加入城市剩余污泥和接种污泥，投加一定量的电石渣使得发酵系统的pH为8，发酵瓶先充氮气5min，将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为120r/min，定期取样测定VFAs含量，发酵天数为10d，发酵周期结束时，搅拌停止，将发酵液经高速离心机离心过滤，测定上清液中VFAs含量。结果显示VFAs的产量最多可达到66.07mg COD/g VSS，比实施例1中的最高VFAs产量提高了1.68倍。
实施例3：
用250ml的血清瓶作为发酵瓶，按VSS 1:1的比例加入城市剩余污泥和接种污泥，投加一定量的电石渣使得发酵系统的pH为9，发酵瓶先充氮气5min，将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为120r/min，定期取样测定VFAs含量，发酵天数为10d，发酵周期结束时，搅拌停止，将发酵液经高速离心机离心过滤，测定上清液中VFAs含量。结果显示VFAs的产量最多可达到186.49mg COD/g VSS，比实施例1中的最高VFAs产量提高了4.74倍。
实施例4：
用250ml的血清瓶作为发酵瓶，按VSS 1:1的比例加入城市剩余污泥和接种污泥，投加一定量的电石渣使得发酵系统的pH为10，发酵瓶先充氮气5min，将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为120r/min，定期取样测定VFAs含量，发酵天数为10d，发酵周期结束时，搅拌停止，将发酵液经高速离心机离心过滤，测定上清液中VFAs含量。结果显示VFAs的产量最多可达到268.21mg COD/g VSS，比实施例1中的最高VFAs产量提高了6.82倍。
实施例5：
用250ml的血清瓶作为发酵瓶，按VSS 1:1的比例加入城市剩余污泥和接种污泥，投加一定量的电石渣使得发酵系统的pH为11，发酵瓶先充氮气5min，将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为120r/min，定期取样测定VFAs含量，发酵天数为10d，发酵周期结束时，搅拌停止，将发酵液经高速离心机离心过滤，测定上清液中VFAs含量。结果显示VFAs的产量最多可达到330.54mg COD/g VSS，比实施例1中的最高VFAs产量提高了8.4倍。
实施例6：
用250ml的血清瓶作为发酵瓶，按VSS 1:1的比例加入城市剩余污泥和接种污泥，投加一定量的电石渣使得发酵系统的pH为12，发酵瓶先充氮气5min，将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为120r/min，定期取样测定VFAs含量，发酵天数为10d，发酵周期结束时，搅拌停止，将发酵液经高速离心机离心过滤，测定上清液中VFAs含量。结果显示VFAs的产量仅为29.04mg COD/g VSS，比实施例1中的VFAs产量降低了26.17％。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种促进城市剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(1)发酵底物准备：将从污水厂取回来的城市剩余污泥进行浓缩，然后将接种污泥和城市剩余污泥混合，装入六个发酵瓶，分别向发酵瓶中投加不同量的电石渣，以此调节发酵系统的碱性条件；
步骤(2)城市剩余污泥发酵阶段：将发酵瓶充氮气使其保持厌氧环境，密封发酵瓶，每隔24小时投加电石渣调节发酵瓶的pH到需要的碱性条件，进行碱性发酵；
步骤(3)含VFAs上清液获取：采用高速离心机将步骤(2)中的发酵液混合，用离心机离心，上清液即为含有VFAs的污泥发酵液。
2.根据权利要求1所述的促进城市剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：所述的剩余污泥取自水处理厂的二沉池污泥，取回来先在冰箱4℃条件下静置24小时，去除上清液后得到的污泥即为发酵底物。
3.根据权利要求1所述的促进城市剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：步骤(1)所述的接种污泥为颗粒污泥，含有变形菌、拟杆菌和厚壁菌在内的微生物。
4.根据权利要求1所述的促进城市剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：按VSS计，步骤(1)中城市剩余污泥与接种污泥混合比例是1:1，电石渣投加对应的pH分别为8、9、10、11和12，不添加电石渣的发酵瓶作为对照组。
5.根据权利要求1所述的促进城市剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：步骤(2)的发酵条件为发酵瓶先充氮气5-10min，然后将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为120r/min，发酵天数为10d。
6.根据权利要求1所述的促进城市剩余污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：步骤(3)的离心条件是离心速度为10000r/min和离心温度为4℃下离心，离心后的上清液即为含有VFAs的城市污泥发酵液。
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