CN113481245B - 一种基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，包括以下步骤：(1)向污泥中加入碳水化合物，然后调节pH值至3.5‑4，在40‑55℃温度和厌氧条件下搅拌反应4‑6d，得发酵液一；(2)将污泥调节pH值至10‑12，然后在35‑40℃和厌氧条件下搅拌反应4‑6d，得发酵液二；(3)将步骤(1)所得发酵液一和步骤(2)所得发酵液二混合，调节pH值至5.5‑6，然后在35‑40℃和厌氧条件下搅拌反应7‑10d，得含有己酸和庚酸的发酵液。本发明利用剩余污泥获取己酸和庚酸，充分利用了污水处理所得污泥，有效解决了在污泥制中链脂肪酸过程中完全利用乙醇作为电子供体物质而造成的高昂生产成本等问题。

Description

一种基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法
技术领域
本发明涉及有机废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法。
背景技术
为满足人类人口增长、经济发展和环保保护的要求，基于活性污泥法的污水处理厂已经在城镇全面普及，由此也产生了大量难以处理的剩余污泥。中国2020年的剩余污泥产生量已超过六千万吨，其处理处置成本已经占到污水处理厂总运行成本的40％。当前污泥的主要处理处置工艺为干化+焚烧，此过程会将污泥有机物完全氧化为二氧化碳，是一种高碳排工艺，不仅会造成污泥有机资源的大量浪费，更不符合我国以“碳中和”为目标的低碳经济发展背景。因此，当前亟需探索以节能降耗及资源能源回收为目标的新型污泥处理处置技术，助力于提升我国水处理行业的碳减排水平。
污泥具有废物和资源的双重属性，其处理处置需兼顾减量化、无害化和资源化三重目标。厌氧生物技术是一种最常用和备受认可的废弃有机物资源化利用平台，除厌氧消化产沼气外，废弃有机物也可在相应功能微生物作用下转化为液体生物能源/化学品，包括乙醇、丁醇、乳酸、短链/中链脂肪酸等。其中，利用新兴的微生物碳链增长技术生产的中链脂肪酸具有极高的利用价值，既可直接用作抗菌剂、食品添加剂、润滑油等，也可被加工成塑料、橡胶、生物柴油和航空燃料等，可替代众多的石油衍生产品。此外，中链脂肪酸在水中的溶解度极低，使得其分离提取成本比其他液体生物能源显著更低，因而颇受化学和加工制造业的欢迎和重视。当前中链脂肪酸的市场价格高达3750-4400美元/吨，预计到2023年，中链脂肪酸的市场规模将达到80亿美元。为了降低中链脂肪酸的生产成本，国外已尝试利用废弃有机物作为生产原料。据悉，利用纽约乳酪厂的乳清废弃物每年可生产约8620吨中链脂肪酸，至少获得3200万美元的收益。
可见，利用废弃有机物生产中链脂肪酸有望减轻化工产业对化石资源的依赖、减少碳排放，同时缓解废弃有机物对环境的污染。剩余污泥可在碱性条件下发生水解酸化获得以短链脂肪酸为主的酸化液。短链脂肪酸是中链脂肪酸的前体物质，因此耦联污泥酸化与碳链增长技术是实现污泥向中链脂肪酸转化的基本思路，此过程中需要电子供体物质的参与。现有生产方法一般投加乙醇作为电子供体，并且乙醇的投量需要远高于短链脂肪酸含量，这就大大提高了中链脂肪酸的生产成本。因此，若能利用剩余污泥来产生电子供体，进而减少外源电子供体物质的投加量，则能大大提高此技术的经济效益。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，利用剩余污泥获取己酸和庚酸，充分利用了污水处理所得污泥，有效解决了在污泥制中链脂肪酸过程中完全利用乙醇作为电子供体物质而造成的高昂生产成本等问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，包括以下步骤：
(1)向污泥中加入碳水化合物，然后调节pH值至3.5-4，在40-55℃温度和厌氧条件下搅拌反应4-6d，得发酵液一；
(2)将污泥调节pH值至10-12，然后在35-40℃和厌氧条件下搅拌反应4-6d，得发酵液二；
(3)将步骤(1)所得发酵液一和步骤(2)所得发酵液二按体积比1:1混合，调节pH值至5.5-6，然后在35-40℃和厌氧条件下搅拌反应7-10d，得含有己酸和庚酸的发酵液。
进一步，步骤(1)和(2)中，污泥为污水处理厂二沉池的剩余活性污泥。
进一步，步骤(1)中，污泥中固体浓度为5-15g/L。
进一步，步骤(2)中，污泥中固体浓度为15-20g/L。
进一步，步骤(1)中，碳水化合物为葡萄糖和/或蔗糖。
进一步，碳水化合物浓度为8-15g/L。
进一步，步骤(1)中，采用1-3M浓度的盐酸溶液调节pH值至3.5-4。
进一步，步骤(2)中，采用1-3M浓度的氢氧化钠溶液调节pH值至10-12。
进一步，步骤(1)-(3)中，均在连续搅拌式厌氧反应器中进行，并向反应器中通入高纯氮气5min以去除反应器中的空气，加盖，保持厌氧条件。
进一步，步骤(1)-(3)中，搅拌速度为100-120rpm。
制备时，直接利用污泥中的微生物发酵，污泥中富含水解酸化等各种功能的菌种，因此不需要再添加。污泥中含有特别丰富的菌类，在不同条件下活跃的菌类型不同，都不额外添加菌，但是由于pH和底物不同，起作用的菌就不同，因此产生了不同的反应和产物。详细说：步骤(1)，此时主要是产乙醇发酵菌起作用；步骤(2)主要是产乙酸发酵菌作用；步骤(3)则是碳链增长菌的作用。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明通过调控反应过程的pH来利用剩余污泥生产己酸和庚酸，既资源化利用了污水处理后的副产物污泥，也有效解决了当前在污泥制中链脂肪酸过程中完全利用乙醇作为电子供体物质而造成的高昂生产成本等问题。
2、剩余污泥中富含各类微生物，在酸性条件下，产酸菌受抑制，而产乙醇菌活跃，其可有效地转化污泥中的碳水化合物为乙醇，基于此特点，本发明将pH控制为3.5-4，促使污泥中碳水化合物全部被转化为乙醇，同时通过投加少量碳水化合物(葡萄糖或蔗糖)来提高产乙醇菌的活性，这也进一步提高了发酵液中乙醇的含量。而在pH为碱性时，污泥中的产酸菌活跃，其可将污泥中的有机物(包括碳水化合物、蛋白质、脂类)转化为短链脂肪酸。由此分别利用污泥获得了合成中链脂肪酸的原料物质，将它们混合后pH偏中性，以少量HCl将pH调为弱酸性(5.5-6)，此时产甲烷菌会被抑制，而碳链增长功能菌会以乙醇和短链脂肪酸为底物合成中链脂肪酸(己酸和庚酸)。此发明主要以污泥为原料，不需额外投加菌种，只需调控pH和投入少量碳水化合物，因而操作过程简便，成本低廉，可实施性和应用性极强。
具体实施方式
实施例1
一种基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，包括以下步骤：
(1)向污泥中加入碳水化合物(葡萄糖和/或蔗糖，浓度为12g/L)，然后采用2M浓度的盐酸溶液调节pH值至4，在50℃温度和厌氧条件下搅拌反应5d，搅拌速度为120rpm，得发酵液一；污泥为污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，固体浓度为10g/L；
(2)采用2M浓度的氢氧化钠溶液将污泥调节pH值至10，然后在37℃和厌氧条件下搅拌反应5d，搅拌速度为120rpm，得发酵液二；
(3)将步骤(1)所得发酵液一和步骤(2)所得发酵液二按体积比1:1混合，调节pH值至5.8，然后在37℃和厌氧条件下搅拌反应8d，搅拌速度为120rpm，得含有己酸和庚酸的发酵液。
实施例2
一种基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，包括以下步骤：
(1)向污泥中加入碳水化合物(葡萄糖和/或蔗糖，浓度为15g/L)，然后采用2M浓度的盐酸溶液调节pH值至4，在50℃温度和厌氧条件下搅拌反应5d，搅拌速度为120rpm，得发酵液一；污泥为污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，固体浓度为10g/L；
(2)采用2M浓度的氢氧化钠溶液将污泥调节pH值至10，然后在37℃和厌氧条件下搅拌反应5d，搅拌速度为120rpm，得发酵液二；
(3)将步骤(1)所得发酵液一和步骤(2)所得发酵液二按体积比1:1混合，调节pH值至5.8，然后在38℃和厌氧条件下搅拌反应8d，搅拌速度为120rpm，得含有己酸和庚酸的发酵液。
实施例3
一种基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，包括以下步骤：
(1)向污泥中加入碳水化合物(葡萄糖和/或蔗糖，浓度为10g/L)，然后采用2M浓度的盐酸溶液调节pH值至4，在50℃温度和厌氧条件下搅拌反应5d，搅拌速度为120rpm，得发酵液一；污泥为污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，固体浓度为10g/L；
(2)采用2M浓度的氢氧化钠溶液将污泥调节pH值至10，然后在39℃和厌氧条件下搅拌反应5d，搅拌速度为120rpm，得发酵液二；
(3)将步骤(1)所得发酵液一和步骤(2)所得发酵液二按体积比1:1混合，调节pH值至5.8，然后在37℃和厌氧条件下搅拌反应8d，搅拌速度为120rpm，得含有己酸和庚酸的发酵液。
对比例1
对比例1和实施例1的区别在于，对比例1以乙醇作为电子供体，具体为：将20mL纯乙醇溶于1L水中，使乙醇浓度约为15g/L。
对比例2
对比例2和实施例1的区别在于，对比例2不添加电子供体，即不含有发酵液一。
将实施例1-3和对比例1-2所得发酵液通过气相色谱仪测定其主要成分，其结果见表1。
表1发酵液主要成分测定结果统计表
由表1可知，本发明利用污泥联合外源碳水化合物产生的以乙醇为主的发酵液作为电子供体，与直接采用乙醇作为电子供体所得发酵液的己酸和庚酸含量相差不大；本发明有效利用了污水处理后产生的剩余污泥，并投加少量的碳水化合物，将其与污泥在碱性条件下的水解酸化液混合，来产生以六碳的己酸和七碳的庚酸为主的中链脂肪酸；避免了直接完全使用乙醇作为电子供体，降低了生产成本，还促进了资源的回收利用。
虽然本发明的具体实施方式对本发明进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）向污泥中加入碳水化合物，然后调节pH值至3.5-4，在40-55℃温度和厌氧条件下搅拌反应4-6d，得发酵液一；所述污泥为污水处理厂二沉池的剩余活性污泥；所述碳水化合物为葡萄糖和/或蔗糖；所述污泥中固体浓度为5-15g/L；所述碳水化合物浓度为8-15g/L；
（2）将污泥调节pH值至10-12，然后在35-40℃和厌氧条件下搅拌反应4-6d，得发酵液二；所述污泥中固体浓度为15-20g/L；
（3）将步骤（1）所得发酵液一和步骤（2）所得发酵液二按体积比1:1混合，调节pH值至5.5-6，然后在35-40℃和厌氧条件下搅拌反应7-10d，得含有己酸和庚酸的发酵液。
2.如权利要求1所述的基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，其特征在于，步骤（1）中，采用1-3M浓度的盐酸溶液调节pH值至3.5-4。
3.如权利要求1所述的基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，其特征在于，步骤（2）中，采用1-3M浓度的氢氧化钠溶液调节pH值至10-12。
4.如权利要求1所述的基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，其特征在于，步骤（1）-（3）中，均在连续搅拌式厌氧反应器中进行，并向反应器中通入高纯氮气5min以去除反应器中的空气，加盖，保持厌氧条件。
5.如权利要求1所述的基于pH调控的污泥生产己酸和庚酸的方法，其特征在于，步骤（1）-（3）中，搅拌速度为100-120rpm。
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