CN113511787B - 一种基于超高温体系的剩余污泥厌氧产酸发酵的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于超高温的剩余污泥厌氧产酸发酵的方法，通过构建超高温体系(70‑80℃)，调控产酸微生物的群落组成和功能走向，从而使得城市剩余污泥可以在产酸的同时，向乙酸组分定向转化，与传统中高温体系相比，乙酸产量和占比均得到了较大的提升。此外，该方法也缩短了反应器的启动时间和污泥停留时间，同时减少了甲烷、二氧化碳气体的生成。

Description

一种基于超高温体系的剩余污泥厌氧产酸发酵的方法
技术领域
本发明属于环境工程，涉及水处理技术领域，具体涉及一种在超高温条件下利用剩余活性污泥进行厌氧产酸发酵的方法。
背景技术
环境污染、资源和能源危机是人类共同面临的全球性问题，市政污水中富含丰富的有机碳源，尽管浓度相对较低，但处理规模较大，最终这些宝贵的碳资源会以剩余污泥的形式进行有效富集，因此，剩余污泥是一种具有较高资源回收价值的有机废弃物。据统计，2019年我国污泥产生量已超过6000万吨，预计2025年我国污泥年产量将突破9000万吨，具有巨大的应用潜力。厌氧发酵与消化工艺是目前主要的污泥生物资源化途径，产物以挥发性脂肪酸(VFAs)和生物甲烷为主。然而，与甲烷相比，VFAs具有更高的能量密度，储运也更加方便安全，同时它也可以作为中长链脂肪酸、生物柴油等能源物质的重要前驱物，是一种较高品质的碳源，具有重要的应用价值。
然而目前，厌氧产酸发酵过程除了需要提升产酸量，仍然面临着的主要问题如下：(1)以污泥等复杂有机物作为底物进行厌氧发酵生产的VFAs组分较为复杂，单一性相对不高，大多为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等多种羧酸混合物，并且组分占比往往相差不大，这将非常不利于某一特定VFAs组分的定向回收和利用；(2)反应器启动方式复杂并且所需时间较长；(3)污泥负荷或污泥停留时间(SRT)有待进一步改善；(4)反应过程中会有甲烷、二氧化碳等温室气体产生，同时也会造成系统中碳源的消耗。与传统中高温厌氧产酸发酵(30-60℃)相比，超高温体系(>60℃)可能会实现产酸微生物群落组成和功能的定向调控，从而强化VFAs进一步单一化。同时，这种超高温系统也会有效抑制产甲烷菌的活性，减少甲烷、二氧化碳等气体的产生。此外，根据阿伦尼乌斯公式，较高的温度体系会加快化学反应速率，可能会有利于实现污泥产酸负荷的有效提升。只有中国专利CN106242216A公开了基于65℃的超高温厌氧消化体系，其具体步骤为：超高温条件下的甲烷菌初次富集，二次富集，接种以及连续进料后完成启动。但是，该专利针对的目标底物为牛粪，并不是剩余活性污泥，另外，该专利的最终目标产物为甲烷，并不是挥发性脂肪酸。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种基于超高温的剩余污泥厌氧产酸发酵的方法，通过构建超高温体系(70-80℃)，调控产酸微生物的群落组成和功能走向，从而使得城市剩余污泥可以在产酸的同时，向乙酸组分定向转化，与传统中高温体系相比，乙酸产量和占比均得到了较大的提升。此外，该方法也缩短了反应器的启动时间和污泥停留时间，同时减少了甲烷、二氧化碳气体的生成。
本申请提供了一种基于超高温体系的剩余污泥厌氧产酸发酵的方法，包括富集超嗜热产酸菌的步骤，和超高温厌氧发酵步骤。
进一步地，富集超嗜热产酸菌的步骤中富集培养温度为70-80℃。
进一步地，超高温厌氧发酵步骤中反应温度为70-80℃。
进一步地，富集超嗜热产酸菌的步骤包括2次以上的富集。
进一步地，发酵底物为城市污水处理厂的废弃剩余活性污泥。
进一步地，发酵接种物为厌氧消化污泥。
进一步地，富集超嗜热产酸菌所用的培养基包括以下成分：
组分名称 浓度(g/L)
葡萄糖 6.0
酪蛋白胰腺消化物 12.5
酵母提出物 5.0
氯化钠 2.5
巯基乙酸盐 0.5
L-半胱氨酸 0.5
。
进一步地，所述方法提高了挥发性脂肪酸中的乙酸产量和占比。
进一步地，所述方法具体为：
(1)发酵底物与接种物：从城市污水处理厂获取废弃剩余活性污泥作为发酵底物，获取厌氧消化污泥作为接种物；
(2)配制厌氧微生物生长所需的营养培养基并灭菌保存；
(3)超嗜热产酸菌首次富集：将步骤(1)所得的厌氧消化污泥和步骤(2)所得的营养培养基按体积培养基/厌氧消化污泥V:V＝1:1的比例投加到厌氧反应器中，投加量占反应器有效容积的80％以上，用氮气将反应器中的空气吹出并密封连接气袋，以保证系统严格厌氧状态，将反应器置于摇床之中，温度调节至70-80℃，转速为120-180rpm/min，此期间反应器不进出料，运行时间为3-7天；
(4)超嗜热产酸菌第二次富集：将步骤(3)所得的菌液和步骤(2)所得的培养基按体积培养基/菌液V:V＝10:1的比例投加到厌氧反应器中，并重复步骤(3)的运行方式，每半天记录一次OD600nm数值，直到该值趋于稳定，停止反应；
(5)超嗜热产酸菌第三次富集：将步骤(4)所得的菌液和步骤(2)所得的培养基按体积培养基/菌液V:V＝50:1的比例投加到厌氧反应器中，并重复步骤(4)的运行方式，每半天记录一次OD600nm数值，直到该值趋于稳定，富集驯化工作结束；
(6)超高温厌氧反应的启动：将步骤(5)所得的菌液和步骤(1)所得的剩余污泥按体积污泥/菌液V:V＝1:1的比例投加到厌氧反应器中，反应器的运行参数为：反应温度为70-80℃，pH稳定控制在7.00-8.00，反应器每天连续均匀进出料，以5天为一个周期作为污泥停留时间(SRT)；在第二个SRT结束时，开始每天测定产气量、VFAs、VSS、SCOD以及氨氮等常规指标，当VFAs产量和乙酸组分含量上升并趋于稳定时，认为超高温反应启动；
(7)超高温厌氧反应器的污泥停留时间调整：根据实际生产需要，按步骤(7)中所述的参数继续运行反应器，仅调节SRT，调节范围为2-5天，并每天测定产气量、VFAs、VSS、SCOD以及氨氮等常规指标，当VFAs产量和乙酸组分含量趋于稳定时，认为超高温反应器污泥停留时间调整结束并开始稳定运行。
有益效果：
(1)乙酸组分含量占比高：根据本发明所生产的乙酸在总VFAs的占比可达50％-66％(gCOD/gCOD)，比传统厌氧产酸发酵工艺中的乙酸含量占比提高80％-120％(gCOD/gCOD)。
(2)反应器启动时间短：与传统厌氧产酸发酵工艺相比，由于基于前期超嗜热产酸菌的富集驯化，本发明所需的反应器启动时间可有效缩短至3-7天；
(3)反应器污泥停留时间短：传统厌氧产酸发酵工艺所需的SRT通常为8-10天，而本发明的SRT优选为2-5天；
(4)反应过程几乎不产生气体：反应过程中几乎不产生甲烷、二氧化碳等温室气体，不会造成系统中有机碳的大量流失。
附图说明
图1为本发明中实施例1和实施例2所使用的厌氧产酸发酵反应器的结构示意图；
图2为本发明中实施例1的乙酸浓度、总VFAs浓度和乙酸占比变化图；
图3为本发明中实施例2的乙酸浓度、总VFAs浓度和乙酸占比变化图。
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，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，仍然可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例中所使用的发酵底物为热解污泥，接种为厌氧消化污泥，均取自北京某污水处理厂。热解污泥和厌氧消化污泥的相关参数如表1所示。根据下面实例中所使用的连续型厌氧反应器的需求，热解污泥用水稀释至TS为4.5％，并过20目的筛网待用。
表1热解污泥、厌氧消化污泥相关参数
指标参数 热解污泥 厌氧消化污泥
TS(％) 8.86 6.78
VS(％) 5.60 3.31
TSS(％) 6.91 5.42
VSS(％) 4.35 2.65
以下实施例中所使用的营养培养基的主要成本包括碳源、氮源、微量元素以及除氧还原剂，具体配方如表2所示。
表2营养培养基配方
组分名称 浓度(g/L)
葡萄糖 6.0
酪蛋白胰腺消化物 12.5
酵母提出物 5.0
氯化钠 2.5
巯基乙酸盐 0.5
L-半胱氨酸 0.5
实施例1
(1)超嗜热产酸菌首次富集：取有效容积为100mL的厌氧血清瓶，并注入40mL营养培养基，并在使用前置于灭菌锅中，在120℃下灭菌10min。向血清瓶内菌注入40mL厌氧消化污泥，用氮气将瓶中的空气吹出并密封。将血清瓶置于摇床之中，温度调节至70℃，转速为120rpm/min，此期间不进出料，运行时间为7天。
(2)超嗜热产酸菌第二次富集：取有效容积为100mL的厌氧血清瓶，并注入80mL营养培养基，并在使用前置于灭菌锅中，在120℃下灭菌10min。取首次富集的菌液8mL于营养培养基中，用氮气将瓶中的空气吹出并密封。将血清瓶置于摇床之中，温度调节至70℃，转速为120rpm/min，此期间不进出料，每半天记录一次OD600nm数值，5天后，OD600nm稳定在0.130，停止反应。
(3)超嗜热产酸菌第三次富集：取有效容积为4.5L的血清瓶，并注入4L营养培养基，并在使用前置于灭菌锅中，在120℃下灭菌10min。取第二次富集的菌液80mL于营养培养基中，用氮气将瓶中的空气吹出并密封连接气袋。将血清瓶置于摇床之中，温度调节至70℃，转速为120rpm/min，此期间不进出料，每半天记录一次OD600nm数值，4天后，OD600nm稳定在0.146，富集驯化工作结束。
(4)超高温厌氧反应器的启动：用于超高温厌氧产酸发酵的反应器结构如图1所示，罐体采用不锈钢材质，总有效容积为6L，外部设有水浴加热夹层。在该反应器中同时加入2.5L经过稀释过筛的热解污泥和2.5L经过三次富集的超嗜热产酸菌液。反应器运行：温度设为70℃，利用2M氢氧化钠溶液和2M盐酸溶液将pH稳定控制在7.50，搅拌器转速为150rpm/min，蠕动泵连续进出料的流量设置为695μL/min，即SRT为5天。此后开始每天测定产气量、VFAs、VSS、SCOD以及氨氮等常规指标。如图3所示，VFAs和乙酸的产量在5天后保持稳定，分别为248±18gCOD/kgVSS和154±10gCOD/kgVSS，乙酸平均占比为66％(gCOD/gCOD)。
(5)超高温厌氧反应器的SRT调整：反应器启动15天后，将动泵连续进出料的流量设置为1157μL/min，即SRT为3天。此后开始每天测定产气量、VFAs、VSS、SCOD以及氨氮等常规指标。如图3所示，VFAs和乙酸的产量在在SRT调整后的第5天趋于稳定，分别为379±14gCOD/kgVSS和210±6gCOD/kgVSS，乙酸平均占比为55％(gCOD/gCOD)。
实施例2
(1)超嗜热产酸菌首次富集：取有效容积为100mL的厌氧血清瓶，并注入40mL营养培养基，并在使用前置于灭菌锅中，在120℃下灭菌10min。向血清瓶内菌注入40mL厌氧消化污泥，用氮气将瓶中的空气吹出并密封。将血清瓶置于摇床之中，温度调节至70℃，转速为120rpm/min，此期间不进出料，运行时间为7天。
(2)超嗜热产酸菌第二次富集：取有效容积为100mL的厌氧血清瓶，并注入80mL营养培养基，并在使用前置于灭菌锅中，在120℃下灭菌10min。取首次富集的菌液8mL于营养培养基中，用氮气将瓶中的空气吹出并密封。将血清瓶置于摇床之中，温度调节至70℃，转速为120rpm/min，此期间不进出料，每半天记录一次OD600nm数值，5天后，OD600nm稳定在0.125，停止反应。
(3)超嗜热产酸菌第三次富集：取有效容积为4.5L的血清瓶，并注入4L营养培养基，并在使用前置于灭菌锅中，在120℃下灭菌10min。取第二次富集的菌液80mL于营养培养基中，用氮气将瓶中的空气吹出并密封连接气袋。将血清瓶置于摇床之中，温度调节至70℃，转速为120rpm/min，此期间不进出料，每半天记录一次OD600nm数值，4天后，OD600nm稳定在0.137，富集驯化工作结束。
(4)超高温厌氧反应器的启动：用于超高温厌氧产酸发酵的反应器结构如图1所示，罐体采用不锈钢材质，总有效容积为6L，外部设有水浴加热夹层。在该反应器中同时加入2.5L经过稀释过筛的热解污泥和2.5L经过三次富集的超嗜热产酸菌液。反应器运行：温度设为70℃，利用2M氢氧化钠溶液和2M盐酸溶液将pH稳定控制在7.50，搅拌器转速为150rpm/min，蠕动泵连续进出料的流量设置为695μL/min，即SRT为5天。此后开始每天测定产气量、VFAs、VSS、SCOD以及氨氮等常规指标。如图3所示，VFAs和乙酸的产量在SRT调整后的第6天趋于稳定，分别为266±19gCOD/kgVSS和168±11gCOD/kgVSS，乙酸平均占比为64％(gCOD/gCOD)。
(5)超高温厌氧反应器的SRT调整：反应器启动15天后，将动泵连续进出料的流量设置为1736μL/min，即SRT为2天。此后开始每天测定产气量、VFAs、VSS、SCOD以及氨氮等常规指标。如图3所示，VFAs和乙酸的产量在SRT调整后的第6天开始趋于稳定，分别为419±12gCOD/kgVSS和217±5gCOD/kgVSS，乙酸平均占比为52％(gCOD/gCOD)。
总结
综合实施例1-2可得出，本发明提出的基于超高温体系的厌氧产酸发酵的工艺方法可以在较短的SRT条件下(2-5天)，使得乙酸产量达到210-217gCOD/kgVSS，乙酸在VFAs中占比达到52％-66％(gCOD/gCOD)，实现了乙酸产量和占比的大幅提升，此外，本发明将反应器启动时间缩短至3-7天，同时减少了甲烷和二氧化碳的生成。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种基于超高温体系的剩余污泥厌氧产酸发酵的方法，其特征在于，所述方法包括富集超嗜热产酸菌的步骤和超高温厌氧发酵步骤；其中发酵底物为城市污水处理厂的废弃剩余活性污泥；发酵接种物为厌氧消化污泥；超高温厌氧发酵步骤中反应温度为70-80℃；富集超嗜热产酸菌的步骤中富集培养温度为70-80℃；富集超嗜热产酸菌的步骤包括2次以上的富集；其中富集超嗜热产酸菌所用的培养基包括以下成分：葡萄糖 6.0g/L、酪蛋白胰腺消化物 12.5 g/L、酵母提取物 5.0 g/L、氯化钠 2.5 g/L、巯基乙酸盐 0.5 g/L、L-半胱氨酸 0.5 g/L；
所述方法的步骤为：
（1）发酵底物与接种物：从城市污水处理厂获取废弃剩余活性污泥作为发酵底物，获取厌氧消化污泥作为接种物；
（2）配制富集超嗜热产酸菌所用的培养基并灭菌保存；
（3）超嗜热产酸菌首次富集：将步骤（1）所得的厌氧消化污泥和步骤（2）所得的培养基按1:1的培养基：厌氧消化污泥体积比例投加到厌氧反应器中，投加量占反应器有效容积的80%以上，用氮气将反应器中的空气吹出并密封连接气袋，以保证系统严格厌氧状态，将反应器置于摇床之中，温度调节至70-80℃，转速为120 -150rpm，此期间反应器不进出料，运行时间为3-7天；
（4）超嗜热产酸菌第二次富集：将步骤（3）所得的菌液和步骤（2）所得的培养基按10:1的培养基：菌液体积比例投加到厌氧反应器中，并重复步骤（3）的运行方式，每半天记录一次OD600nm数值，直到该值趋于稳定，停止反应；
（5）超嗜热产酸菌第三次富集：将步骤（4）所得的菌液和步骤（2）所得的培养基按50:1的培养基：菌液体积比例投加到厌氧反应器中，并重复步骤（4）的运行方式，每半天记录一次OD600nm数值，直到该值趋于稳定，富集驯化工作结束；
（6）超高温厌氧反应的启动：将步骤（5）所得的菌液和步骤（1）所得的剩余污泥按1:1的剩余污泥：菌液体积比例投加到厌氧反应器中，反应器的运行参数为：反应温度为70-80℃，pH稳定控制在7.00-8.00，反应器每天连续均匀进出料，以5天为一个周期作为污泥停留时间SRT；在第二个SRT结束时，开始每天测定产气量、VFAs、VSS、SCOD以及氨氮指标，当VFAs产量和乙酸组分含量上升并趋于稳定时，认为超高温反应启动；
（7）超高温厌氧反应器的污泥停留时间调整：根据实际生产需要，按步骤（6）中所述的参数继续运行反应器，仅调节SRT，调节范围为2-5天，并每天测定产气量、VFAs、VSS、SCOD以及氨氮指标，当VFAs产量和乙酸组分含量趋于稳定时，认为超高温反应器SRT调整结束并开始稳定运行。
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