CN113388648B - 四氧化三铁促进厌氧发酵产中链脂肪酸以及微生物种间电子传递效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种四氧化三铁促进厌氧发酵产中链脂肪酸以及微生物种间电子传递效率的方法，利用城市污水处理厂的废弃活性污泥为发酵底物，向厌氧反应器中加入电子供体和营养培养基，并加入四氧化三铁作为电子导管，使得铁氧化物在污泥发酵中产生异化铁还原反应，促进污泥中微生物的种间和细胞内电子传递，使得污泥水解酸化步骤提速。与现有技术相比，本发明解决了现有技术中污泥发酵产中链脂肪酸的产量低和速率慢问题，同时避免了外加能源和含能物质的加入，可实现工业化的大规模推广。
Description
技术领域
本发明涉及水污染控制和资源化领域，尤其是涉及通过添加一种四氧化三铁促进厌氧发酵产中链脂肪酸以及微生物种间电子传递效率的方法。
背景技术
随着污水处理厂的普及，每年产生上千万吨剩余污泥，据2019年报道,我国全年的污泥产量超过5×107t(以含水率80％计)，并且预计在2025年前超过6.5×107t。大量的病原菌和有机质会伴随着污泥的排放流入自然界，因此污泥处置问题需要我们迫切地关注和解决。但污泥中含有大量的有机物质(糖类和蛋白)和营养元素(氮和磷元素)，这些物质可以被微生物利用通过生化反应转化为能源，从而实现污泥的资源化和能源化。污泥资源化利用的手段之一是将污泥厌氧发酵产生脂肪酸。中链脂肪酸是污泥厌氧发酵中的一种新型产物，它可以通过微生物对污泥中已产生的短链脂肪酸进行碳链延长反应获得。与目前研究最多的短链脂肪酸相比，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，除此之外，中链脂肪酸的疏水性大大高于短链脂肪酸，解决了短链脂肪酸必须要依靠外力才能从发酵液中分离和纯化出来的难题。因此，中链脂肪酸是一种更优越的污泥资源化产物。
CN110819662A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。但产生的中链脂肪酸浓度不高，亟待进一步提升。
CN110734933A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。该技术方案虽然生产的中链脂肪酸的可观，但零价铁粉成本极高，且不稳定，难以实现工业化的推广。
因此，开发一种低成本、高效的促进污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的方法具有重要的现实意义。
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通过添加一种四氧化三铁促进厌氧发酵产中链脂肪酸以及微生物种间电子传递效率的方法，解决了现有技术中污泥发酵产中链脂肪酸的产量低和速率慢问题，同时避免了外加能源和含能物质的加入，可实现工业化的大规模推广。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的目的是保护一种四氧化三铁促进厌氧发酵产中链脂肪酸以及微生物种间电子传递效率的方法，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，向厌氧反应器中加入电子供体和营养培养基，并加入四氧化三铁作为电子导管，使得铁氧化物在污泥发酵中产生异化铁还原反应，促进污泥中微生物的种间电子传递和细胞内的电子传递，使得污泥水解酸化步骤提速。
进一步地，加入四氧化三铁的含量为2-5g/L。
进一步地，加入四氧化三铁的含量为5g/L。
进一步地，加入的电子供体为乙醇。
进一步地，加入的电子供体的含量为80-180mM。
进一步地，反应过程中保持发酵反应器厌氧状态，保持反应器中温度并辅以搅拌。
进一步地，所述厌氧反应器初始pH控制在6.8-7.2。
进一步地，反应后期无需控制pH值。
进一步地，所述厌氧反应器控制在温度为32-38℃，转速为170rpm，运行24-30天。
进一步地，保持厌氧反应器厌氧状态的过程为：加入反应物后使用氮气吹扫厌氧反应器3-5分钟后密闭，反应时避光，每次取样后用氮气吹扫厌氧反应器3-5分钟。
进一步地，所述中链脂肪酸为C6～C12饱和脂肪酸。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)四氧化三铁是一种成本较低廉，易获得的导电物质，能够作为电子导管，从而促进污泥中微生物的种间电子传递和细胞内的电子传递，加快了生物反应速率，缩短了产中链脂肪酸的周期。
2)四氧化三铁作为一种铁氧化物能在污泥发酵中产生异化铁还原反应，促进污泥水解酸化步骤，产生更多的短链脂肪酸以提供碳链延长反应的底物。
3)在污泥中添加四氧化三铁的工艺，操作简单，能耗值低，价格便宜，稳定性强，而且四氧化三铁可通过磁力分离后循坏使用，进一步降低了运行成本。
附图说明
图1为发明中利用四氧化三铁提高剩余污泥产生中链脂肪酸装置的原理及结构示意简图。
具体实施方式
本技术方案的构思过程中，发现由于污泥厌氧发酵产酸是一个极其复杂的过程，不同发酵阶段既相互联系又相互影响，其厌氧发酵速率易受多种因素限制。
在污泥发酵中水解酸化往往被认为是是限速步骤，而同时微生物种间电子转移效率低也会导致的中链脂肪酸的产量低、选择性低和发酵周期长的缺点，大大限制了该技术的发展。
因此本技术方案创造性的采用四氧化三铁这种成本较低廉，易获得的导电物质，作为电子导管促进污泥中微生物的种间和细胞内电子传递，在污泥发酵中产生异化铁还原反应，促进污泥水解酸化步骤，产生更多的短链脂肪酸以提供碳链延长反应的底物。目前将四氧化三铁利用在污泥发酵产饱和中链酸的应用还未被研究，该物质在环境中的应用值得进一步探究和开发。
本领域人员在实施过程中需要注意的是，CN104529116A、CN104556371A中通过纳米四氧化三铁提高厌氧消化产甲烷菌活性与甲烷效率的方法实质与本技术方案完全不同，其四氧化三铁起到的实质性作用其实与本技术方案完全不同，该技术方案中将纳米四氧化三铁添加至连续流厌氧反应器中，可促进微生物利用污水中的有机质生成甲烷，其并非是用于异化铁还原反应，促进污泥水解酸化步骤，本领域人员在实施过程中需予以领悟。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
在多个工作体积为160mL的反应器中加入经过浓缩后活性剩余污泥和2g/L的四氧化三铁，参见图1，之后加入营养培养基(适量常规生长培养基)和乙醇(80mM)。最后，在用橡胶塞密封前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至7.0±0.1，并用高纯氮气吹脱空气3分钟左右。将反应器置于35℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。
运行30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，最终中链饱和酸(碳链数为6-8)的浓度为8252-9040mg COD/L(稳定后的取样的范围)。
实施例2
在多个工作体积为160mL的反应器中加入经过浓缩后活性剩余污泥和3g/L的四氧化三铁，之后加入营养培养基和乙醇。最后，在用橡胶塞密封前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至7.0±0.1，并用高纯氮气吹脱空气3分钟左右。将反应器置于35℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。
运行30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，最终中链饱和酸(碳链数为6-8)的浓度为8885-9358mg COD/L。
实施例3
在多个工作体积为160mL的反应器中加入经过浓缩后活性剩余污泥和5g/L的四氧化三铁，之后加入营养培养基和乙醇。最后，在用橡胶塞密封前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至7.0±0.1，并用高纯氮气吹脱空气3分钟左右。将反应器置于35℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。
运行30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，最终中链饱和酸(碳链数为6-8)的浓度为9472-11580mg COD/L。
对比例1
在多个工作体积为160mL的反应器中加入经过浓缩后活性剩余污泥、营养培养基和乙醇，不添加四氧化三铁。最后，在用橡胶塞密封前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至7.0±0.1，并用高纯氮气吹脱空气3分钟左右。将反应器置于35℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。
运行30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，最终中链饱和酸(碳链数为6-8)的浓度为5393-6031mg COD/L，其产量明显小于上述实施例。
对比例2
在多个工作体积为160mL的反应器中加入经过浓缩后活性剩余污泥和7g/L的四氧化三铁，之后加入营养培养基和乙醇。最后，在用橡胶塞密封前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至7.0±0.1，并用高纯氮气吹脱空气3分钟左右。将反应器置于35℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。
运行30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，最终中链饱和酸(碳链数为6-8)的浓度为6977-7254mg COD/L，其产量明显小于上述实施例。
对比例3
在多个工作体积为160mL的反应器中加入经过浓缩后活性剩余污泥和9g/L的四氧化三铁，之后加入营养培养基和乙醇。最后，在用橡胶塞密封前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至7.0±0.1，并用高纯氮气吹脱空气3分钟左右。将反应器置于35℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。
运行30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，最终中链饱和酸(碳链数为6-8)的浓度为6556-6935mg COD/L，其产量明显小于上述实施例。
对比例4
在多个工作体积为160mL的反应器中加入经过浓缩后活性剩余污泥和1g/L的四氧化三铁，之后加入营养培养基和乙醇。最后，在用橡胶塞密封前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至7.0±0.1，并用高纯氮气吹脱空气3分钟左右。将反应器置于35℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。
运行30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，最终中链饱和酸(碳链数为6-8)的浓度为6513-6868mg COD/L，其产量明显小于上述实施例。
对比例5
在多个工作体积为160mL的反应器中加入经过浓缩后活性剩余污泥和0.5g/L的四氧化三铁，之后加入营养培养基和乙醇。最后，在用橡胶塞密封前，用HCl和NaOH溶液将pH调节至7.0±0.1，并用高纯氮气吹脱空气3分钟左右。将反应器置于35℃和170rpm的恒温旋转培养箱中。
运行30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，最终中链饱和酸(碳链数为6-8)的浓度为6124-6447mg COD/L，其产量明显小于上述实施例。
由此可以看出，四氧化三铁的添加实施例1至实施例3的中链脂肪酸随着添加四氧化三铁剂量的增加显著提高，但四氧化三铁剂量计量增加至7g/L时，虽然整体的微生物的种间电子传递和细胞内的电子传递有所促进，但过量的四氧化三铁对污泥中微生物产生毒害，因而降低了其产中链脂肪酸的性能，甚至增加至9g/L时，微生物的毒害作用更加明显，但将四氧化三铁加入量降低至1g/L甚至是0.5g/L，则表现出明显的促进效果不明显的情况，因此本技术方案中四氧化三铁的含量为2-5g/L的范围设定是极为重要的。
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 (4)
1.一种四氧化三铁促进厌氧发酵产中链脂肪酸以及微生物种间电子传递效率的方法，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，向厌氧反应器中加入电子供体和营养培养基，并加入四氧化三铁作为电子导管，使得铁氧化物在污泥发酵中产生异化铁还原反应，促进污泥中微生物的种间电子传递和细胞内的电子传递，使得污泥水解酸化步骤提速；
加入四氧化三铁的含量为2-5g/L，加入的电子供体为乙醇，加入的电子供体的含量为80-180mM；
所述厌氧反应器初始pH控制在6.8-7.2；
所述厌氧反应器控制在温度为32-38℃，转速为170rpm，运行24-30天；
所述中链脂肪酸为C6~C8饱和脂肪酸。
2.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁促进厌氧发酵产中链脂肪酸以及微生物种间电子传递效率的方法，其特征在于，加入四氧化三铁的含量为5g/L。
3.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁促进厌氧发酵产中链脂肪酸以及微生物种间电子传递效率的方法，其特征在于，反应过程中保持发酵反应器厌氧状态，保持反应器中温度并辅以搅拌。
4.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁促进厌氧发酵产中链脂肪酸以及微生物种间电子传递效率的方法，其特征在于，保持厌氧反应器厌氧状态的过程为：加入反应物后使用氮气吹扫厌氧反应器3-5分钟后密闭，反应时避光，每次取样后用氮气吹扫厌氧反应器3-5分钟。
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