CN117210512B - 等离子体耦合离子液体促进污泥产短链脂肪酸的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了等离子体耦合离子液体促进污泥产短链脂肪酸的应用，包括以下步骤：向污泥中加入离子液体，搅拌；待离子液体彻底溶解后，对污泥通过低温等离子体进行处理，得到处理后的污泥；将处理后的污泥输入厌氧发酵罐中在厌氧环境下发酵；在厌氧发酵的产酸阶段，将发酵液通过精馏回收得到短链脂肪酸。相较于现有技术，本发明利用离子液体耦合低温等离子体，能够促进污泥厌氧发酵产短链脂肪酸，显著提高产酸效率，且能够提高产物中乙酸的占比，产物的利用价值更高。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物处理处置及资源化技术领域，尤其涉及等离子体耦合离子液体促进污泥产短链脂肪酸的应用。
背景技术
市政污水处理会产生大量剩余污泥，剩余污泥中含有的碳水化合物、蛋白质等大量有机物被视为一种碳源，可作为生物能源进行回收。厌氧发酵技术在降低环境污染的同时可以回收能源，产生甲烷、短链脂肪酸(SCFAs)和氢气等再生利用资源，其中，SCFAs具有更高的经济价值和更广泛的应用途径，全球市场需求前景向好。相较于其他五种短链脂肪酸，乙酸是一种更加优质的碳源，有着更好的商业价值，在厌氧发酵产酸中不仅要致力于提高SCFAs总量，也要提高乙酸的占比。
厌氧发酵主要分为四个阶段：水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷阶段，其中，水解被认为是限速步骤，由于污泥絮体、胞外聚合物(EPS)和微生物细胞膜等刚性结构的阻碍，大多数有机化合物无法被直接利用，污泥厌氧发酵水解速率受限；在污泥厌氧发酵过程中，SCFAs产量偏低的问题一直存在，给其回收利用带来了麻烦，如果前三阶段得到促进，最后一个阶段被抑制，那么SCFAs的积累量将会增加。因此，需要采取合适的处理技术，一方面能够破除刚性结构，提高水解速率，提高产酸效率，另一方面，能够抑制产气，增加SCFAs的产量。
等离子体是物质的第四种状态，等离子体的作用机制主要是放电的过程中产生的大量的高能电子以及这些高能电子碰撞背景气体后激发产生的大量高活性粒子，同时放电会产生紫外光、热量等。这些强氧化性的物质及能量可以破坏污泥的半刚性结构，起到促进污泥液化和强化污泥厌氧发酵过程功能菌群代谢的作用。低温等离子体放电预处理已成功用于污泥的分解和生物降解，但是低温等离子体放电的处理效率和能耗限制了其大规模应用。有鉴于此，确有必要提出一种促进污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的方法，以解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供等离子体耦合离子液体促进污泥产短链脂肪酸的应用，用离子液体与等离子体联合处理污泥，促进污泥发酵产酸，以解决上述现有技术存在的问题。
技术方案：等离子体耦合离子液体促进污泥产短链脂肪酸的应用。
进一步地，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐([Emim]OTF)。
进一步地，所述污泥中离子液体的浓度为0.1-1g/gVSS。过大的DBD放电功率和过高的[Emim]OTF含量会向污泥中引入过多的活性物质和能量，导致部分联用处理促进污泥破胞产生溶解性多糖被降解，不利于产酸。
进一步地，所述污泥中离子液体的浓度优选为0.1g/gVSS。综合考虑成本和产酸效率，减少离子液体的用量具有重要的经济意义。
进一步地，所述等离子体是用低温等离子体处理；优选用介质阻挡放电式低温等离子体(DBD)处理。DBD具有能耗低，反应器结构简单，容易维护和操作，对操作环境要求低，不需要特殊的气氛或反应条件，具有良好的工艺适应性等优点，可进行规模化应用。
进一步地，所述污泥的TS值为5-30g/L。
进一步地，所述等离子体的放电功率为40-100W。
进一步地，所述等离子体处理的时间为10-60min。
进一步地，包括以下步骤：
1)向污泥中加入离子液体，搅拌；
2)待离子液体彻底溶解后，对污泥通过低温等离子体进行处理，得到处理后的污泥；
3)将处理后的污泥输入厌氧发酵罐中在厌氧环境下发酵；
4)在厌氧发酵的产酸阶段，将发酵上清液通过精馏回收得到短链脂肪酸。
进一步地，步骤1)中，在向污泥中加入离子液体前先进行预处理，包括对污泥进行破碎均一化。
进一步地，步骤3)中，在将处理后的污泥输入厌氧发酵罐后，向厌氧发酵罐内充入氮气。
进一步地，步骤3)中，将处理后的污泥与厌氧发酵菌种混合均匀后加入厌氧发酵罐中，污泥在厌氧发酵罐中在35℃的恒温环境下厌氧发酵。
进一步地，步骤4)中，先进行固液分离，然后通过精馏得到短链脂肪酸。
有益效果：
1)利用离子液体耦合低温等离子体，二者有显著的协同作用，可产生一系列的电子、活性氧自由基、活性氮自由基对污泥细胞结构进行破坏，使其释放大量的有机物，提高水解阶段的速率，强化产酸微生物的代谢，从而促进污泥厌氧发酵产酸，提高产酸效率；
2)离子液体/低温等离子体联用处理能够使污泥在细菌方面富集产酸的厚壁菌门、拟杆菌门、拟杆菌纲和梭状芽孢杆菌纲，降低消耗有机酸的变形菌门、变形菌纲和变形杆纲的相对丰度；在古菌方面，能够降低消耗有机酸产甲烷的广古菌门和巴氏甲烷八叠球菌纲的相对丰度，从而有利于发酵阶段SCFAs的积累，抑制产气，有效提高SCFAs的产量；
3)离子液体/低温等离子体联用在改善从污泥中回收的SCFAs品质方面显示出优于单独离子液体和单独低温等离子体处理的特点，在产生的SCFAs中获得了最高的乙酸浓度，发酵产物的利用价值更高；
4)本发明使用的[Emim]OTF作为一种短链烷基咪唑类离子液体，可被土壤中特定的微生物降解，不会污染环境，对环境友好。
附图说明
图1为实施例1和对比例1-3污泥厌氧发酵过程中短链脂肪酸的积累量曲线；
图2为实施例1和对比例1-3污泥厌氧发酵第7天产物SCFAs的组成比较图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
以下各实施例和对比例中，如无特别说明原料或处理技术，则表明所采用的均为本领域的常规市售原料产品或常规处理技术。
以下实施例和对比例中所使用的剩余污泥均取自上海市某市政污水处理厂的二沉池。采用A2/O除磷工艺，取回的污泥沉淀10小时后，将上清液虹吸并存储，将浓缩污泥通过钢制筛网过筛。测定浓缩过滤后的污泥的挥发性悬浮固体浓度(VSS)，并用上清液稀释调节至10g/L。污泥的TS值为18.1g/L。这种经浓度控制统一的污泥作为以下实施例和对比例中的原污泥。
以下实施例和对比例中使用的仪器设备型号如下：
等离子体电源CTP-2000K南京苏曼
磁力搅拌器84-1A上海司乐
实施例1
取污泥420mL，加入[Emim]OTF，污泥中[Emim]OTF的浓度为0.1g/gVSS，使用磁力搅拌器搅拌2h，然后对污泥进行DBD处理，DBD放电功率为75.2W，处理时间30min，得到处理后的污泥，将处理后的污泥与60mL原污泥接种，混合均匀后，加入厌氧发酵罐中，在35℃的恒温环境中厌氧发酵。
对比例1
取污泥480mL，加入厌氧发酵罐中，在35℃的恒温环境中厌氧发酵。
对比例2
取污泥420mL，加入[Emim]OTF，污泥中[Emim]OTF的浓度为0.1g/gVSS，使用磁力搅拌器搅拌2h，得到处理后的污泥，将处理后的污泥与60mL原污泥接种，混合均匀后，加入厌氧发酵罐中，在35℃的恒温环境中厌氧发酵。
对比例3
取污泥420mL，对污泥进行DBD处理，DBD放电功率为75.2W，处理时间30min，得到处理后的污泥，将处理后的污泥与60mL原污泥接种，混合均匀后，加入厌氧发酵罐中，在35℃的恒温环境中厌氧发酵。
以上实施例和对比例中，在厌氧发酵过程中定期对发酵污泥进行取样(第1、2、3、5、7、10、13和20天)，监测厌氧发酵过程中污泥产生的短链脂肪酸的总量。为保证整个厌氧发酵过程的无氧环境，每次取样后均需向厌氧发酵罐中充入氮气。
通过测定实施例1(Control)和对比例1(IL)、对比例2(DBD)、对比例3(IL/DBD)在发酵第1、2、3、5、7、10、13和20天短链脂肪酸的积累量，得到图1。
如图1所示，图1示出了实施例1和对比例1-3在发酵第1、2、3、5、7、10、13和20天时短链脂肪酸的积累量，可知，单独[Emim]OTF、单独DBD和[Emim]OTF/DBD联用处理后，SCFAs产量分别达峰值3837、2816和4847mgCOD/L，相较于对照组的1204mgCOD/L，分别增长了2.2倍、1.3倍和3.0倍。与单独[Emim]OTF、单独DBD处理相比，[Emim]OTF/DBD联用处理对污泥产酸显示出最显著的促进作用，证实等离子体与离子液体联用可促进污泥厌氧发酵产短链脂肪酸。
通过测定实施例1和对比例1-3在发酵第7天产物短链脂肪酸的组成，得到图2。
如图2所示，图2示出了实施例1和对比例1-3污泥在厌氧发酵第7天时产物SCFAs的组成，根据数据计算得到：单独[Emim]OTF处理、单独DBD处理和[Emim]OTF/DBD处理污泥厌氧发酵产物SCFAs中乙酸的占比分别为38.7％、38.9％、49.7％，相较于对照组发酵产物SCFAs中的乙酸占比31.6％，[Emim]OTF/DBD联用处理获得了最高的乙酸占比。
本发明上述实施方式相对于现有技术获得了如下有益效果：
1)利用离子液体耦合低温等离子体，二者有显著的协同作用，可产生一系列的电子、活性氧自由基、活性氮自由基对污泥细胞结构进行破坏，使其释放大量的有机物，提高水解阶段的速率，强化产酸微生物的代谢，从而促进污泥厌氧发酵产酸，提高产酸效率；
2)离子液体/低温等离子体联用处理能够使污泥在细菌方面富集产酸的厚壁菌门、拟杆菌门、拟杆菌纲和梭状芽孢杆菌纲，降低消耗有机酸的变形菌门、变形菌纲和变形杆纲的相对丰度；在古菌方面，能够降低消耗有机酸产甲烷的广古菌门和巴氏甲烷八叠球菌纲的相对丰度，从而有利于发酵阶段SCFAs的积累，抑制产气，有效提高SCFAs的产量；
3)离子液体/低温等离子体联用在改善从污泥中回收的SCFAs品质方面显示出优于单独离子液体和单独低温等离子体处理的特点，在产生的SCFAs中获得了最高的乙酸浓度，发酵产物的利用价值更高；
4)本发明使用的[Emim]OTF作为一种短链烷基咪唑类离子液体，可被土壤中特定的微生物降解，不会污染环境，对环境友好。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。
Claims (6)
1.等离子体耦合离子液体促进污泥产短链脂肪酸的应用，其特征在于，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐；所述污泥中离子液体的浓度为0.1g/gVSS；所述等离子体是低温等离子体；所述等离子体的放电功率为75.2W；所述等离子体处理的时间为30min。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：
1）向污泥中加入离子液体，搅拌；
2）待离子液体彻底溶解后，对污泥通过低温等离子体进行处理，得到处理后的污泥；
3）将处理后的污泥输入厌氧发酵罐中在厌氧环境下发酵；
4）在厌氧发酵的产酸阶段，将发酵上清液通过精馏回收得到短链脂肪酸。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，步骤1）中，在向污泥中加入离子液体前先进行预处理，包括对污泥进行破碎均一化。
4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，步骤3）中，在将处理后的污泥输入厌氧发酵罐后，向厌氧发酵罐内充入氮气。
5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，步骤3）中，将处理后的污泥与厌氧发酵菌种混合均匀后加入厌氧发酵罐中，在厌氧发酵罐中在35℃的恒温环境下厌氧发酵。
6.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，步骤4）中，先进行固液分离，然后通过精馏得到短链脂肪酸。
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