申请日2017.02.24
公开(公告)日2017.06.20
IPC分类号C02F11/04; C02F103/16
摘要
本发明公开了一种赤泥联合瘤胃液处理污泥促进短链脂肪酸生成的方法。本发明利用赤泥联合瘤胃液处理剩余污泥，从而促进短链脂肪酸生成，提供了一种以废治废，赤泥、污泥、瘤胃内容物三者资源化利用的新方法。本发明原料易得，操作简单，水解酸化条件易于控制，具有较高的经济、社会和环境效益，具有大规模工业化运用的技术潜力。
权利要求书
1.一种赤泥联合瘤胃液处理污泥促进短链脂肪酸生成的方法，包括如下步骤：
(1)将赤泥投加到污泥中，混合均匀，静置密闭厌氧发酵1～3天，得到赤泥预处理后的污泥;
(2)取反刍动物瘤胃液，过滤，加入到步骤(1)的赤泥预处理后的污泥中;
(3)设置搅拌速率为80～120r/min，密闭厌氧发酵2～4天，得到富含短链脂肪酸的污泥厌氧消化液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，赤泥按终浓度为5～35g/L投加到污泥中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，赤泥按终浓度为10～30g/L投加到污泥中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，瘤胃液的添加量按瘤胃液与赤泥预处理后的污泥的体积比为1:(2～6)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，瘤胃液的添加量按瘤胃液与赤泥预处理后的污泥的体积比为1:(3～5)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述反刍动物为牛。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述瘤胃液为新鲜瘤胃液或废弃物瘤胃内容物滤液。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述过滤采用4～6层纱布过滤。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：厌氧发酵的温度控制为30～40℃。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的短链脂肪酸为C2～C5的有机酸。
说明书
一种赤泥联合瘤胃液处理污泥促进短链脂肪酸生成的方法
技术领域
本发明属于废弃物综合利用领域，更具体地，涉及一种赤泥联合瘤胃液处理污泥促进短链脂肪酸生成的方法。
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，由于污泥中含有大量微生物及有机质，如果不及时处理将会给环境带来二次污染。然而，污泥的含水率较高，这给处理带来了很大的困难，并且处理费用占据污水处理厂的全部建设费用的20～50%。因此，如何合理地将剩余污泥能源化、资源化是亟待解决的问题。
污泥资源化利用的手段之一是将污泥厌氧发酵产生短链脂肪酸(特别是乙酸、丙酸)，然后用于补充污水脱氮除磷工艺中碳源的不足，降低污水处理成本。然而，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，因此普遍存在产酸效率不高的问题。目前可通过热处理、酸处理、碱处理、超声处理、氧化处理等方法促进污泥水解，提高产酸效率，但是依然存在操作成本较高、产酸效率有限等缺点。因此，开发一种低成本、高效的促进污泥厌氧发酵产酸的方法具有重要的现实意义。
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，平均每生产1吨氧化铝，附带产生1.0～2.0吨赤泥。由于赤泥含有氟、铝等多种杂质，且其结合的大量化学碱难以脱除，这对赤泥的无害化利用造成困难。我国每年排放的赤泥高达数百万吨，大量的赤泥不能被充分有效的利用，只能依靠大面积的堆场堆放，不仅占用了大量土地，也对环境造成了严重的污染。目前，赤泥综合化利用手段包括利用赤泥生产建筑材料、土壤改良剂，以及回收其中的金属等。如何多渠道实现赤泥资源化利用是当前一个开发热点。
瘤胃内容物是反刍家禽采食的饲料草在瘤胃微生物的作用下，发酵产生的营养丰富的食糜，含有未被消化的饲料草、微生物菌群、代谢产物及胃液。据统计，瘤胃内容物占宰前体重的10%左右，屠宰场每天会产生大量的瘤胃内容物，需要大量的人力物力去处理，如果直接排入污水，不仅影响卫生，还污染环境，目前多采用脱水干燥减量化及饲料化的手段实现瘤胃内容物的综合利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种赤泥联合瘤胃液处理污泥促进短链脂肪酸生成的方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种赤泥联合瘤胃液处理污泥促进短链脂肪酸生成的方法，包括如下步骤：
(1)将赤泥投加到污泥中，混合均匀，静置密闭厌氧发酵1～3天，得到赤泥预处理后的污泥;
(2)取反刍动物瘤胃液，过滤，加入到步骤(1)的赤泥预处理后的污泥中;
(3)设置搅拌速率为80～120r/min，密闭厌氧发酵2～4天，得到富含短链脂肪酸的污泥厌氧消化液。
作为本发明方法的改进，步骤(1)中，赤泥按终浓度为5～35g/L投加到污泥中。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(1)中，赤泥按终浓度为10～30g/L投加到污泥中。
作为本发明方法的改进，步骤(2)中，瘤胃液的添加量按瘤胃液与赤泥预处理后的污泥的体积比为1:(2～6)。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(2)中，瘤胃液的添加量按瘤胃液与赤泥预处理后的污泥的体积比为1:(3～5)。
作为本发明方法的改进，步骤(2)中，所述反刍动物为牛。
作为本发明方法的改进，步骤(2)中，所述瘤胃液为新鲜瘤胃液或废弃物瘤胃内容物滤液。
作为本发明方法的改进，步骤(2)中，所述过滤采用4～6层纱布过滤。
作为本发明方法的改进，厌氧发酵的温度控制为30～40℃。
作为本发明方法的改进，所述的短链脂肪酸为C2～C5的有机酸。
本发明的有益效果是：
本发明利用赤泥联合瘤胃液处理剩余污泥，促进短链脂肪酸生成，提供了一种以废治废，赤泥、污泥、瘤胃内容物三者资源化利用的新方法。本发明原料易得，操作简单，水解酸化条件易于控制，具有较高的经济、社会和环境效益，具有大规模工业化运用的技术潜力。
具体实施方式
一种赤泥联合瘤胃液处理污泥促进短链脂肪酸生成的方法，包括如下步骤：
(1)将赤泥投加到污泥中，混合均匀，静置密闭厌氧发酵1～3天，得到赤泥预处理后的污泥;
(2)取反刍动物瘤胃液，过滤，加入到步骤(1)的赤泥预处理后的污泥中;
(3)设置搅拌速率为80～120r/min，密闭厌氧发酵2～4天，得到富含短链脂肪酸的污泥厌氧消化液。
本发明赤泥的作用为：1)利用其高强碱性有效促进细胞壁的破裂及胞外聚合物的水解，增加反应体系内可溶性蛋白及多糖的含量，从而为酸化过程提供底物来源;2)赤泥中所含有的Ni、Co及Fe等元素是一氧化碳脱氢酶、乙酰辅酶A脱羰酶等水解酸化酶必须的辅助因子，可有效提高各类水解酸化酶的活性;3)赤泥的添加也能够为微生物提供载体，促进生物膜的生长固定，提高系统抗高浓度污染负荷的能力。
本发明瘤胃液的作用：1)利用瘤胃液中富含的特定微生物，加速污泥的水解;2)瘤胃液能提高水解酸化酶浓度，特别是能够有效缓解赤泥高碱性造成的酸化酶的减少，促进可溶性有机物向短链脂肪酸的快速高效转化。
作为本发明方法的改进，步骤(1)中，赤泥按终浓度为5～35g/L投加到污泥中;优选的，赤泥按终浓度为10～30g/L投加到污泥中。
作为本发明方法的改进，步骤(2)中，瘤胃液的添加量按瘤胃液与赤泥预处理后的污泥的体积比为1:(2～6);优选的，瘤胃液的添加量按瘤胃液与赤泥预处理后的污泥的体积比为1:(3～5)。
作为本发明方法的改进，步骤(2)中，所述反刍动物为牛。
作为本发明方法的改进，步骤(2)中，所述瘤胃液为新鲜瘤胃液或废弃物瘤胃内容物滤液。
作为本发明方法的改进，步骤(2)中，所述过滤采用4～6层纱布过滤。
作为本发明方法的改进，厌氧发酵的温度控制为30～40℃。
作为本发明方法的改进，所述的短链脂肪酸为C2～C5的有机酸，主要包括乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、戊酸及异戊酸。
下面通过具体实例对本发明进一步阐述。
以下各实施例、对比例中所用的原料来源情况如下：
赤泥取自拜耳法工艺生产氧化铝后剩余的废渣，含水量为85%，pH为12;
钢渣取自炼钢厂，主要含有钙、铁、硅氧化物，pH为12;
牛瘤胃液取自屠宰场，从活牛上采集的瘤胃液;或用作为废弃物处理的牛瘤胃内容物，四层纱布滤得滤液，作为牛瘤胃液;采集到的牛瘤胃液通入CO2，4℃密封保存;
污泥取自污水处理厂剩余污泥，其基本理化指标为：TCOD(总化学需氧量)为18596mg/L，SCOD(溶解性化学需氧量)为1285mg/L，pH值为7，也可用初沉污泥替代。
实施例1
按10g/L的终浓度将赤泥投加到污泥中，混合均匀，装入厌氧发酵瓶中，用N2:CO2为80:20混合气吹扫厌氧发酵瓶0.5h，其中液面上吹扫15min，然后液面下吹扫15min，确保反应体系达到充分的厌氧条件，盖上硅胶盖并用压盖器压紧，置于35℃的恒温培养箱中静置厌氧培养2天;按牛瘤胃液与污泥体积比1:3向经赤泥预处理后的污泥厌氧发酵瓶中接种牛瘤胃液，处理温度35℃，搅拌转速100r/min，密闭厌氧发酵3天。
实施例2
按20g/L的终浓度将赤泥投加到污泥中，混合均匀，装入厌氧发酵瓶中，用N2:CO2为80:20混合气吹扫厌氧发酵瓶0.5h，其中液面上吹扫15min，然后液面下吹扫15min，确保反应体系达到充分的厌氧条件，盖上硅胶盖并用压盖器压紧，置于35℃的恒温培养箱中静置厌氧培养2天;按牛瘤胃液与污泥体积比1:3向经赤泥预处理后的污泥厌氧发酵瓶中接种牛瘤胃液，处理温度35℃，搅拌转速100r/min，密闭厌氧发酵3天。
实施例3
按30g/L的终浓度将赤泥投加到污泥中，混合均匀，装入厌氧发酵瓶中，用N2:CO2为80:20混合气吹扫厌氧发酵瓶0.5h，其中液面上吹扫15min，然后液面下吹扫15min，确保反应体系达到充分的厌氧条件，盖上硅胶盖并用压盖器压紧，置于35℃的恒温培养箱中静置厌氧培养2天;按牛瘤胃液与污泥体积比1:3向经赤泥预处理后的污泥厌氧发酵瓶中接种牛瘤胃液，处理温度35℃，搅拌转速100r/min，密闭厌氧发酵3天。
实施例4
按20g/L的终浓度将赤泥投加到污泥中，混合均匀，装入厌氧发酵瓶中，用N2:CO2为80:20混合气吹扫厌氧发酵瓶0.5h，其中液面上吹扫15min，然后液面下吹扫15min，确保反应体系达到充分的厌氧条件，盖上硅胶盖并用压盖器压紧，置于35℃的恒温培养箱中静置厌氧培养2天;按牛瘤胃液与污泥体积比1:4向经赤泥预处理后的污泥厌氧发酵瓶中接种牛瘤胃液，处理温度35℃，搅拌转速100r/min，密闭厌氧发酵3天。
实施例5
按20g/L的终浓度将赤泥投加到污泥中，混合均匀，装入厌氧发酵瓶中，用N2:CO2为80:20混合气吹扫厌氧发酵瓶0.5h，其中液面上吹扫15min，然后液面下吹扫15min，确保反应体系达到充分的厌氧条件，盖上硅胶盖并用压盖器压紧，置于35℃的恒温培养箱中静置厌氧培养2天;按牛瘤胃液与污泥体积比1:5向经赤泥预处理后的污泥厌氧发酵瓶中接种牛瘤胃液，处理温度35℃，搅拌转速100r/min，密闭厌氧发酵3天。
对比例1、钢渣联合瘤胃液处理组
按20g/L的终浓度将钢渣投加到污泥中，混合均匀，装入厌氧发酵瓶中，用N2:CO2为80:20混合气吹扫厌氧发酵瓶0.5h，其中液面上吹扫15min，然后液面下吹扫15min，确保反应体系达到充分的厌氧条件，盖上硅胶盖并用压盖器压紧，置于35℃的恒温培养箱中静置厌氧培养2天;按牛瘤胃液与污泥体积比1:3向经赤泥预处理后的污泥厌氧发酵瓶中接种牛瘤胃液，处理温度35℃，搅拌转速100r/min，密闭厌氧发酵3天。
对比例2、赤泥单独处理组
按20g/L的终浓度将赤泥投加到污泥中，混合均匀，装入厌氧发酵瓶中，用N2:CO2为80:20混合气吹扫厌氧发酵瓶0.5h，其中液面上吹扫15min，然后液面下吹扫15min，确保反应体系达到充分的厌氧条件，盖上硅胶盖并用压盖器压紧，处理温度35℃，先静置厌氧发酵2天，随后以100r/min搅拌密闭厌氧发酵3天。
对比例3、瘤胃液单独处理组
按牛瘤胃液与污泥体积比1:3向污泥中接种牛瘤胃液，混合均匀，装入厌氧发酵瓶中，用N2:CO2为80:20混合气吹扫厌氧发酵瓶0.5h，其中液面上吹扫15min，然后液面下吹扫15min，确保反应体系达到充分的厌氧条件，盖上硅胶盖并用压盖器压紧，处理温度35℃，先静置厌氧发酵2天，随后以100r/min搅拌密闭厌氧发酵3天。
对比例4、空白对照组
将污泥装入厌氧发酵瓶中，用N2:CO2为80:20混合气吹扫厌氧发酵瓶0.5h，其中液面上吹扫15min，然后液面下吹扫15min，确保反应体系达到充分的厌氧条件，盖上硅胶盖并用压盖器压紧，处理温度35℃，先静置厌氧发酵2天，随后以100r/min搅拌密闭厌氧发酵3天。
实验例1
对实施例1～5及对比例1～3发酵过程进行监测，检测指标包括可溶性蛋白、可溶性多糖、短链脂肪酸的含量;其中可溶性蛋白的浓度采用考马斯亮蓝法测定，可溶性多糖的浓度采用蒽酮法测定，短链脂肪酸(包括乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、戊酸及异戊酸)的浓度采样气相色谱仪测定。为了统一单位进行比较，将可溶性蛋白、可溶性多糖及短链脂肪酸与COD之间进行换算，换算关系为：1.5g-COD/g蛋白，1.06g-COD/g多糖，1.07g-COD/g乙酸，1.51g-COD/g丙酸，1.82g-COD/g丁酸，2.04g-COD/g戊酸(参考Water research,46(4),1015-1026)。所测的水解酸化酶包括蛋白酶、脱氢酶、酸性磷酸酶及α-葡萄糖苷酶，水解酸化酶的酶活性的测定方法参考文献Water Research,32(7),2081-2088。
表1各例可溶性蛋白、可溶性多糖、短链脂肪酸的含量(mg COD/L)
结果如表1所示，与对比例4(空白对照组)相比，实施例1～5生产的短链脂肪酸含量均显著高于对比例4，可见采用赤泥联合瘤胃液处理污泥可有效促进短链脂肪酸生成。其中，赤泥预处理投加量为20g/L，瘤胃液与污泥体积比为1:3时，最终短链脂肪酸的含量提高到1523.3mg COD/L，显著优于钢渣联合瘤胃液处理组(对比例1)，亦显著优于赤泥单独作用组(对比例2)和瘤胃液单独作用组(对比例3)的情况，可见赤泥可与瘤胃液协同促进短链脂肪酸生成。
进一步分析，从实施例1～3可以看出，随着赤泥预处理投加量从终浓度10g/L提高到30g/L，可溶性蛋白、可溶性多糖含量提高，为酸化过程提供底物来源，进入促进短链脂肪酸生成。
进一步分析，从实施例2、4～5可以看出，随着瘤胃液的添加量从按瘤胃液与污泥体积比为1:3降低到1:5，发酵完成后剩余的可溶性蛋白、可溶性多糖含量提高，说明在一定范围内提高瘤胃液的添加量能够增加体系水解酸化酶活性，促进可溶性有机物向短链脂肪酸的快速高效转化。经检测，实施例1～5的发酵过程中各类水解酸化酶的活性提高了43.38%～77.21%。