CN1814764B - 一种利用表面活性剂促进污泥生产有机酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种以表面活性剂促进污泥生产有机酸的方法，以污水处理厂的初沉污泥、剩余污泥或两者的混合物为原料，通过表面活性剂以及所述污泥中微生物的作用将污泥中的非水溶解状态的污泥有机物转化为有机酸，表面活性剂的用量与污泥干重的比值在0.01∶1-0.3∶1，污泥在反应器中的停留时间为5小时-30天。本发明减少了污泥的体积及其对环境的污染，并对污泥进行了资源化利用，产生了具有较高应用价值的有机酸。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种利用表面活性剂促进污泥生产有机酸的方法。
背景技术
近年来生物法在城市污水的处理中得到了广泛的应用，然而在这种处理过程中却产生了大量的污泥(包括初沉污泥和剩余污泥)。据1996年对中国29家城市污泥处理厂的调查，每处理万吨废水，污泥的产生量为0.3-3.0吨(干重)。为了防止造成二次污染，这些污泥必须得到适当的处理以使其稳定。
厌氧消化由于可以产生甲烷(CH4)等能源物资，而成为污泥稳定化的一种常用方法。有机酸(特别是短链脂肪酸，包括乙酸、丙酸等)是在污泥厌氧消化过程中产生的十分重要的中间产物，它们不但可用于农药、油漆、涂料等化工原料的制备，在污水生物脱氮除磷过程中也是微生物必需的重要有机碳源。研究表明，在强化生物除磷系统中，每去除1mg的磷就需要6-9mg的短链脂肪酸。然而，在多数情况下，废水中的短链脂肪酸都不能够满足较低的出水磷浓度，尤其是南方城市污水中的有机物浓度更是不足，这就使得大量的磷排放到环境中，引发了水体的富营养化。为了使出水中的磷浓度达到污水排放标准，就需要在生物处理系统中投加有机酸这种易于生物利用的碳源。
在生物脱氮除磷系统中，一般通过两种方式来提高废水中短链脂肪酸的浓度。一是向废水中直接投加化学合成的短链脂肪酸，如乙酸、丙酸等，但这使得运行成本大幅度的增加。第二种方法则是利用生物处理系统中的内碳源来满足除磷脱氮微生物对有机物的需求，从而避免了额外的投加化学药剂的费用。目前，多数的研究都是采用初沉污泥或初沉污泥与剩余污泥的混合物进行发酵来生产有机酸(例如，文献Biotechnology andBioengineering，1994，44：7-13.；Water Science and Technology，1998，38(1)：265-273；2003，47(12)：141-148)。然而，初沉污泥是污水处理厂进水中的固体物质，它的量很有限而且其中的有机成分较低，显然利用初沉污泥生产的有机酸仍无法满足高效生物除磷的需要。
剩余污泥既是污水处理厂产生的废弃物质和环境污染物，又是很好的有机资源，其中有机物的含量在60％左右，生物易降解有机组分在40％以上。这些生物易降解有机物主要是蛋白质、多糖等，它们是微生物丰富的营养源，可以在一定的条件下经微生物的作用转化为有机酸。显然，如果将剩余污泥转化为有机酸，不仅减少了它对环境的污染，又可以生产出具有广泛用途的有机酸，这样就实现了剩余污泥的减量化、稳定化、资源化及减少环境污染的目的。本课题组的研究表明，在一定条件下，剩余污泥能够生物转化为有机酸(中国发明专利，申请号200410067292.7)。
污泥厌氧消化包括水解、酸化和产甲烷三个过程，其中水解速率较慢，是整个消化过程的速率控制步骤.从生产有机酸的角度来看，如果能够提高污泥的水解速率，就可以缩短系统的水力停留时间，提高生产效率，增加有机酸的产量.现有的几种用于提高污泥水解速率的方法有：热处理、热化学处理、机械处理、超声波处理及酶处理等，这些方法的基本原理都是使污泥中颗粒态的有机物分解为小分子溶解态的有机物，从而可以进一步被微生物利用.然而，由于需要较高的投资和运行费用，这些预处理方法的应用受到了很大的限制.
表面活性剂具有“两亲”性，即亲水和亲油的性质，而且还具有“增溶”作用，因此可以利用表面活性剂来提高污泥的水解速率，从而大幅度的提高污泥生产有机酸的量。到目前为止，有关利用表面活性剂促进污泥产酸的研究尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用表面活性剂促进污泥转化为有机酸的方法。
本发明提出的利用表面活性剂促进污泥转化为有机酸的方法，以污水处理厂产生的初沉污泥、剩余污泥或两者的混合物为原料，通过表面活性剂以及污泥自身所含微生物的作用，将非水溶解状态的污泥有机物(如多糖和蛋白质等)转化为有机酸，具体条件为：
表面活性剂的用量与污泥干重的比值为0.01∶1-0.3∶1，
污泥在反应器中的停留时间为5小时-30天，
表面活性剂可以是阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、两性表面活性剂的一种或任两至三种表面活性剂的混合物，
参与将污泥转化为有机酸的微生物是水解和发酵性细菌，具体包括专性厌氧的梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双歧杆菌属等。
本发明较好的条件是：
本发明中，表面活性剂的用量与污泥干重的比值为0.1∶1-0.2∶1。虽然所述表面活性剂的用量与污泥干重的比值在0.01-0.3的范围内都可以促进污泥产生有机酸，并且在一定的时间范围内，随着表面活性剂用量的增加有机酸的产量也逐渐增加。综合考虑运行成本和有机酸的产量，故本发明采用的较合适的表面活性剂的用量为0.1-0.2倍的干污泥重量。
本发明中，污泥在反应器中的停留时间为3-12天。
本发明中，所述非离子表面活性剂为聚氧乙烯类、脱水山梨醇脂肪酸酯类等之一种。
本发明中，所述的表面活性剂可以是阴离子表面活性剂(如十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、α-烯基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠等)，阳离子表面活性剂(如十二烷基苄基三甲基氯化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵、十六烷基二甲基氯化铵，十八烷基三甲基氯化铵等)，非离子表面活性剂可以采用聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸酯类(如吐温-80)、聚氧乙烯类(如聚氧乙烯硬脂酸酯)、脱水山梨醇脂肪酸酯类(如司盘-20)，两性表面活性剂(如2-烷基-N-羟乙基-N-羟丙基磺基咪唑啉、2-烷基-1-羟乙基-3-羟丙基咪唑啉磷酸钠、十二烷基二甲基甜菜碱、十二烷基二羟乙基甜菜碱等)。
发明采用表面活性剂促进污水处理厂污泥生产有机酸的基本原理是：表面活性剂的亲油和亲水性质使得它可以像一座桥梁一样，连接于污泥表面的大分子与水分子之间，在外界搅拌力的作用下，污泥表面的大分子物质(例如多糖和蛋白质)能够脱离污泥颗粒.同时，表面活性剂的增溶作用又可以使那些脱离污泥表面的大分子物质在水中的溶解度增加.这样污泥的水解速率就得到了大幅度的提高.溶解性的多糖和蛋白质等大分子有机物在微生物的体外被微生物产生的水解酶进一步水解为低分子量的有机物.这一过程反复进行直到水解产物足够小，以至于可以被微生物细胞直接吸收同化.被微生物吸收的有机物进入酸化发酵阶段，最终被转化为脂肪酸.其中，较高级的脂肪酸将通过β-氧化机理进一步氧化，脂肪链羧基末端的两个碳原子脱下，形成分子更小的脂肪酸和乙酸.对于偶数个碳原子的脂肪酸，经逐步降解后形成乙酸；对含有奇数个碳原子的脂肪酸，最终降解为丙酸.本发明所述的有机酸包括但不局限于乙酸、丙酸、小分子的脂肪酸及高级脂肪酸等.
表面活性剂促进污泥生产有机酸的过程中，如果酸化时的发酵条件得不到很好的控制，酸化产物很容易进入产甲烷阶段。因此，合理控制酸化时的发酵条件，使生物转化后的产物成为需要的目的有机物是实现高效有机酸生产的关键。
为此，本发明中主要控制的发酵条件包括：表面活性剂的用量及污泥在反应器中的停留时间。本发明的研究表明，表面活性剂的用量与污泥干重的比值在0.01-0.3的范围内都可以促进污泥产生有机酸，并且在一定的时间范围内，随着表面活性剂用量的增加有机酸的产量也逐渐增加。综合考虑运行成本和有机酸的产量，本发明采用的较合适的表面活性剂的用量为0.1-0.2倍的干污泥重量。此外，污泥在反应器中的停留时间对有机酸的合成也产生一定的影响。在本发明中污泥在反应器中的停留时间为5小时-30天，较合适的停留时间为3-12天。
本发明的有益效果是：
(1)利用城市污水处理厂的污泥生产有机酸，不仅实现了污泥减量化、稳定化、资源化以及减少污泥有机物污染环境的目的，同时生产了有价值的产物，是城市污水处理厂的一种循环经济模式。
(2)生产的有机酸可用于补充生物除磷脱氮工艺中碳源的不足，满足除磷脱氮微生物对碳源的需求，从而可以降低出水中氮、磷等营养元素的浓度，防止水体富营养化的发生。
(3)表面活性剂可以大幅度的提高污泥的水解速率，即缩短了污泥厌氧发酵的时间，这对改进、优化现有的污泥处理系统，降低投资和运行成本也具有一定指导意义。
具体实施方式
下面结合实施例作进一步详细说明本发明，应当理解下面所举的实施例只是为了解释说明本发明，并不包括本发明的所有内容。
实施例1
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.4％，pH＝6.84)作为发酵产酸的底物，在室温下，加入表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠，通过污泥自身所含微生物的作用，将非水溶解状态的污泥有机物转化为有机酸。其中，表面活性剂的用量与污泥干重的比值为0.15∶1，污泥在反应器中的停留时间为3天，制得有机酸180.76毫克/升(以化学需氧量计)。
实施例2
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.4％，pH＝6.84)作为发酵产酸的底物，在室温下，向反应器中投加阳离子表面活性剂十四烷基二甲基苄基氯化铵，通过表面活性剂以及污泥自身所含微生物的作用，将非水溶解状态的污泥有机物转化为有机酸.其中，表面活性剂的用量与污泥干重的比值为0.01∶1，污泥在反应器中的停留时间为3天.制得有机酸129.59毫克/升(以化学需氧量计).
实施例3
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.4％，pH＝6.84)作为发酵产酸的底物，在室温下，向反应器中投加非离子表面活性剂吐温-80，其用量与污泥干重的比值为0.1∶1，污泥在反应器中的停留时间为5小时。制得有机酸87.02毫克/升(以化学需氧量计)。
实施例4
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.4％，pH＝6.84)作为发酵产酸的底物，在室温下，向反应器中投加阴离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠，其用量与污泥干重的比值为0.2∶1，污泥在反应器中的停留时间为12天。制得有机酸1283.55毫克/升(以化学需氧量计)。
实施例5
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.4％，pH＝6.84)作为发酵产酸的底物，在室温下，向反应器中投加两性表面活性剂2-烷基-N-羟乙基-N-羟丙基磺基咪唑啉，其用量与污泥干重的比值为0.3∶1，污泥在反应器中的停留时间为30天。制得有机酸472.39毫克/升(以化学需氧量计)。
实施例6
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.4％，pH＝6.84)作为发酵产酸的底物，在室温下，向反应器中投加等量的十二烷基硫酸钠与吐温-80的混合物，其总用量与污泥干重的比值为0.1∶1，污泥在反应器中的停留时间为6天。制得有机酸662.21毫克/升(以化学需氧量计)。
实施例7
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.4％，pH＝6.84)作为发酵产酸的底物，在室温下，向反应器中投加等量的α-烯基磺酸钠、吐温-80以及2-烷基-N-羟乙基-N-羟丙基磺基咪唑啉的混合物，其总用量与污泥干重的比值为0.1∶1，污泥在反应器中的停留时间为6天。制得有机酸673.13毫克/升(以化学需氧量计)。
实施例8
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入初沉污泥(其含水率为94.7％，pH＝6.75)作为发酵产酸的底物，在室温下，向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其用量与污泥干重的比值为0.2∶1，污泥在反应器中的停留时间为12天。制得有机酸2031.18毫克/升(以化学需氧量计)。
实施例9
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入初沉污泥(其含水率为94.7％，pH＝6.75)作为发酵产酸的底物，在室温下，向反应器中投加等量的十二烷基硫酸钠、司盘-20以及十二烷基二甲基甜菜碱的混合物，其总用量与污泥干重的比值为0.1∶1，污泥在反应器中的停留时间为6天.制得有机酸1181.72毫克/升(以化学需氧量计).
实施例10
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入初沉污泥与剩余污泥等比例的混合污泥(其含水率为96.9％，pH＝6.80)作为发酵产酸的底物，向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其用量与污泥干重的比值为0.2∶1，污泥在反应器中的停留时间为12天。制得有机酸1659.08毫克/升(以化学需氧量计)。
实施例11
在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入初沉污泥与剩余污泥等比例的混合污泥(其含水率为96.9％，pH＝6.80)作为发酵产酸的底物，向反应器中投加等量的十二烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯硬脂酸酯以及2-烷基-1-羟乙基-3-羟丙基咪唑啉磷酸钠的混合物，其总用量与污泥干重的比值为0.1∶1，污泥在反应器中的停留时间为6天。制得有机酸850.61毫克/升(以化学需氧量计)。
从实施例1-实施例11可见，由于在污泥中添加了表面活性剂，使污泥中的有机物得到了很好的利用，产生了具有较高应用价值的有机酸。
Claims (4)
1.一种利用表面活性剂促进污泥生产有机酸的方法，其特征在于以污水处理厂产生的初沉污泥、剩余污泥或两者的混合物为原料，通过表面活性剂以及污泥自身所含微生物的作用，将非水溶解状态的污泥有机物转化为有机酸，具体条件为：
表面活性剂的用量与污泥干重的比值为0.01∶1-0.3∶1，
污泥在反应器中的停留时间为5小时-30天，
表面活性剂是阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、两性表面活性剂之一种或任两至三种表面活性剂的混合物；
参与将污泥转化为有机酸的微生物是水解和发酵性细菌。
2.根据权利要求1所述的利用表面活性剂促进污泥生产有机酸的方法，其特征在于表面活性剂的用量与污泥干重的比值为0.1∶1-0.2∶1。
3.根据权利要求1所述的利用表面活性剂促进污泥生产有机酸的方法，其特征在于污泥在反应器中的停留时间为3-12天。
4.根据权利要求1所述的利用表面活性剂促进污泥生产有机酸的方法，其特征在于所述非离子表面活性剂为聚氧乙烯类、脱水山梨醇脂肪酸酯类之一种。
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