申请日2014.05.09
公开(公告)日2016.03.16
IPC分类号C10G1/00; C02F11/00
摘要
本发明公开了一种利用活性污泥制备生物柴油的方法，步骤包括脱水、破壁处理、油脂提取、甲酯化及萃取。活性污泥经脱水后，用盐酸法或超声法进行破壁处理，释放胞内脂质，再以体积比为2∶1的二氯甲烷-甲醇溶剂提取油脂，并水浴蒸干油脂，接着以酸为催化剂进行油脂甲酯化反应，最后采用正己烷萃取脂肪酸甲酯。本发明将微生物破壁后提取油脂并干化，然后进行甲酯化，使普通酸催化酯化反应由5h缩短至1.5h，提高了反应速率以及脂肪酸甲酯产量。从活性污泥制备生物柴油的整个过程看，反应条件温和，利于操作。本发明以活性污泥为原料，优化了生物柴油制备方案，提高产量、降低成本，并且有利于实现污水处理厂剩余污泥资源化。
权利要求书
1.一种利用活性污泥制备生物柴油的方法，其特征在于，步骤和条件如下：
(1)脱水：将活性污泥在转速为5000r/min的条件下离心5min，弃去上清液;
(2)破壁处理：将脱水后的活性污泥采用盐酸法进行破壁处理;
(3)油脂提取：在经过预处理的活性污泥中，加入二氯甲烷-甲醇溶剂进行油脂提取;
(4)甲酯化及萃取：在提取的油脂中加入硫酸甲醇溶液，在高温下发生甲酯化反应;然后采用正己烷溶剂萃取脂肪酸甲酯，即得生物柴油;其中，
所述步骤(2)中用于破壁处理的盐酸法是按照脱水后活性污泥质量(g)与4mol/L盐酸体积(mL)的配比为1:10加入盐酸，涡旋振荡后静置，在95℃的条件下水浴加热10min后，静置在-20℃条件下冷却;
用于提取污泥油脂的溶剂二氯甲烷-甲醇体积比为2:1，与破壁处理后的活性污泥充分混匀，在转速为150r/min的摇床中振荡30min后，继续离心15min，转速为5000r/min，将二氯甲烷-甲醇体系中的下层液体取出，置于50℃的水浴锅加热至恒重，得到干化的油脂;
活性污泥中微生物油脂的甲酯化反应是在提取的固态油脂中按照脱水后活性污泥质量(g)与5%(v/v)硫酸甲醇体积(mL)的配比为1:5加入体积为V的5%(v/v)硫酸甲醇溶液，在75℃条件下水浴加热1.5h后，加入相同体积V的饱和氯化钠溶液，以正己烷溶剂重复3次提取脂肪酸甲酯，再加入相同体积V的2%碳酸氢钠溶液中和酸性，振荡并离心3min，转速为3000r/min，最后加入4-5倍于脱水后活性污泥质量的无水硫酸钠吸水，振荡后静置，取上层液体，在80℃条件下蒸干。
2.根据权利要求1所述的一种利用活性污泥制备生物柴油的方法，其特征在于：所采用的活性污泥是处理市政污水或含糖工业废水污水处理厂的好氧活性污泥。
说明书
一种利用活性污泥制备生物柴油的方法
技术领域
本发明属于生物柴油制备领域，具体涉及一种利用活性污泥制备生物柴油的方法，其中活性污泥可来自市政污水或含糖工业废水污水处理厂的好氧活性污泥。
背景技术
能源与环境是关系国家长远发展和全局性的战略问题。虽然我国能源工业持续发展，为经济发展做出了积极的贡献，但是目前能源与环境的总体状况仍不容乐观，能源严重短缺和环境污染问题日益凸显。在探索解决能源和环境问题的过程中，生物质能，因其具有可再生性和环境友好性而备受关注。其中，生物柴油作为一种清洁的可再生能源，不仅可作为代用燃料直接燃烧，而且还可以作为柴油清洁燃烧的添加剂。它是以任何天然的油(或脂)为原料，包括植物油脂、动物油脂和微生物油脂，与甲醇(或乙醇)经过化学反应加工而成的一种液体燃料。
以动植物油脂为原料生产生物柴油，其成本较高，不利于与石油基产品竞争。而微生物油脂因其生产不受气候、地区的限制，周期短，不占用大量土地，避免“与人争粮，与粮争地”，可利用大量有机废弃物等，是降低生物柴油生产成本的途径之一。近来，研究者对利用微生物油脂制备生物柴油进行了许多研究，尤其是纯菌方面。例如，公开号为CN102787082A的发明专利《一种处理造纸废水并产微生物油脂的方法及其专用菌株》以红球菌处理造纸废水并产微生物油脂;公开号为CN101974371A的发明专利《一种利用微生物油脂制备生物柴油的方法》，以玉米皮渣为原料，深黄被孢霉为菌株发酵生产微生物油脂制备生物柴油;公开号为CN101724679A的发明专利《一种利用餐厨垃圾生产生物柴油的方法》在餐厨垃圾匀浆中接种红冬孢酵母和皮状丝孢酵母获得微生物油脂作为制备微生物柴油的原料。这些方法集中在以某种废水或有机固体废物为培养基，接种合适的纯菌以获得微生物油脂，但对于直接利用自然的微生物群落(如污水处理厂活性污泥等)制备生物柴油的研究才刚刚起步。StephenDufreche等在文献《JournaloftheAmericanOilChemistsSociety，2007，84：181-187》的“ExtractionofLipidsfromMunicipalWastewaterPlantMicroorganismsforProductionofBiodiesel”文中报道了市政和工业废水处理厂的活性污泥因其产量大且含有相当数量的油脂(高达干重的25%以上)，是生产生物柴油的理想原料;并且还可以减少污泥处置能源消耗以及资源浪费的问题。XiaoleiZhang等在《RenewableEnergy，2013，55：392-403》的“Energybalanceandgreenhousegasemissionsofbiodieselproductionfromoilderivedfromwastewaterandwastewatersludge”文中也报道了利用活性污泥生产生物柴油的诸多优点，不仅可以实现生产每吨生物柴油产能29.7GJ以上，还能减少温室气体排放。利用活性污泥制备生物柴油在国内鲜有报道，有一项公开号为CN102268303A的发明专利《利用城市污水厂污泥制取生物柴油的方法》，提出对污泥进行生物强化水解3-4天后，取上清液进行酯化制取生物柴油。该专利提出的方法虽然省去了污泥离心干化的步骤，但获得污泥水解液的用时过长。
总得来说，虽然已有的关于利用纯菌产油脂制备生物柴油的研究较多，方法各异，对利用活性污泥混合菌群制备生物柴油也有一定参考价值，但还需要有专门针对混合菌群进一步的研究，以优化活性污泥制备生物柴油的效率。现有的文献尚未有专门针对混合菌群的破壁方法，对活性污泥进行破壁预处理后提取油脂制备生物柴油的专利也未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用活性污泥制备生物柴油的方法。活性污泥产量大且含有一定量的油脂，利用活性污泥制备生物柴油不仅降低了成本，也减少了污泥处理处置的能源消耗和资源浪费。预处理时采用盐酸处理，对于后续的微生物油脂溶剂提取最有利;超声法减少了化学药剂的使用，同时对提高油脂的溶剂提取效果也有显著的作用。从活性污泥制备生物柴油的整个过程看，反应条件温和，利于操作。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
所述利用活性污泥制备生物柴油的方法包括以下步骤：
(1)脱水：将活性污泥在转速为5000r/min的条件下离心5min，弃去上清液;
(2)破壁处理：将脱水后的活性污泥采用盐酸法或超声法进行破壁处理;
(3)油脂提取：在经过预处理的活性污泥中，加入二氯甲烷-甲醇溶剂进行油脂提取;
(4)甲酯化及萃取：在提取的油脂中加入硫酸甲醇溶液，在高温下发生甲酯化反应;然后采用正己烷溶剂萃取脂肪酸甲酯，即得生物柴油。
对上述技术方案进一步的详细说明：所采用的活性污泥是处理市政污水或含糖工业废水污水处理厂的好氧活性污泥。
对上述技术方案进一步的详细说明：用于破壁处理的盐酸法是按照脱水后活性污泥质量(g)与4mol/L盐酸体积(mL)的配比为1∶10加入盐酸，斡旋振荡后静置，在95℃的条件下水浴加热10min后，静置在-20℃条件下冷却;破壁处理的超声法则采用功率1000W，工作4s，间隙4s，总时长为5min。
对上述技术方案进一步的详细说明：用于提取污泥油脂的溶剂二氯甲烷-甲醇体积比为2∶1，与破壁处理后的活性污泥充分混匀，在转速为150r/min的摇床中振荡30min后，继续离心15min(转速为5000r/min)，将二氯甲烷-甲醇体系中的下层液体取出，置于50℃的水浴锅加热至恒重，得到干化的油脂。
对上述技术方案进一步的详细说明：活性污泥中微生物油脂的甲酯化反应是在提取的固态油脂中按照脱水后活性污泥质量(g)与5%(v/v)硫酸甲醇体积(mL)的配比为1∶5加入体积为V的5%(v/v)硫酸甲醇溶液，在75℃条件下水浴加热1.5h后，加入相同体积V的饱和氯化钠溶液，以正己烷溶剂重复3次提取脂肪酸甲酯，再加入相同体积V的2%碳酸氢钠溶液中和酸性，振荡并离心3min(转速为3000r/min)，最后加入4-5倍于脱水后活性污泥质量的无水硫酸钠吸水，振荡后静置，取上层液体，在80℃条件下蒸干。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
1.作为制备生物柴油原料的活性污泥产量大且含有相当数量的油脂，满足生物柴油原料成本低廉、可持续供应的要求;同时也为污泥处理与处置减轻了压力，为污泥的资源化利用找到一个新思路。
2.对活性污泥采用盐酸法或超声法进行破壁处理，微生物细胞壁受损，使细胞内物质释放出来，有利于后续的油脂提取。其中盐酸法最有利于油脂提取，超声法则减少了化学药剂的使用，对提高油脂提取效果也有明显的作用。
3.将提取出的微生物油脂干化后进行甲酯化反应，使反应进行得更充分，提高了反应速率，使普通酸催化酯化反应由5h缩短至1.5h。
4.相较于原位酯化法，采用本发明方法从活性污泥制备生物柴油，可提高脂肪酸甲酯产量。