申请日2013.03.04
公开(公告)日2013.06.19
IPC分类号C12P7/40
摘要
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种热碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法。本发明以污水处理厂的剩余污泥为原料，通过热预处理、控制初始碱性pH值条件以及其中微生物的作用，不但可以促进污泥中非水溶解性的有机物溶解、水解转化为溶解性的有机物，而且可以使这些溶解性的蛋白质和多糖等有机物更充分的转化为短链脂肪酸，减少污泥对环境的污染。其中，热预处理的温度为60-120℃，时间为15-60min，微生物作用的初始pH值范围为8-12，污泥在反应器中的停留时间为1-12天，温度为30-40℃。
权利要求书
1.一种热碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法，其特征在于具体步骤为：以污水处理厂的剩余污泥为原料，通过热预处理、控制微生物作用的初始pH值以及其中微生物的作用，促进剩余污泥中非水溶解性的有机物溶解、水解转化为溶解性的有机物，并使这些溶解性的有机物转化为短链脂肪酸;所述溶解性的有机物为蛋白质或多糖中一种以上，具体条件为：
热预处理的温度为60-120℃，时间为15-60min;
微生物作用的初始pH值范围为8-12;
热预处理后，剩余污泥在反应器中的停留时间为1-12天，温度为30-40℃。
2.根据权利要求1所述的热碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法，其特征在于：热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。
3.根据权利要求1所述的热碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法，其特征在于：微生物作用的初始pH值为10.5-11.5。
4.根据权利要求1所述的热碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法，其特征在于：污泥在反应器中的停留时间为6-7天。
5.根据权利要求1所述的热碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法，其特征在于：污泥在反应器中的温度为33-37℃。
说明书
热碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种热碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法。
背景技术
活性污泥法是现阶段运用最为广泛的污水生物处理方式，但它在净化污水的同时，会产生大量的剩余污泥。城镇污水处理厂产生的剩余污泥里含有较多微生物、悬浮物、胶体以及氮、磷等物质，若得不到妥善的处理与处置，就会对环境产生二次污染。由于剩余污泥中含有大量的有机物质，使用污泥厌氧发酵产沼气，不但能够回收利用其中的有机物质，还可以有效解决污水处理厂产生过量剩余污泥的难题。有机固体的厌氧发酵产甲烷过程可分为四个阶段，即溶解阶段、水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。通常条件下，污泥的溶解和水解速率较慢，是有机物生物降解过程的限速步骤(例如，文献Bioresour. Technol. 2012, 103, 415-424;Bioresour. Technol. 2011, 102, 10849-10854)。因此，在发酵产酸过程中，如果能够提高污泥的溶解和水解速率，那么就可以缩短系统的水力停留时间，提高有机物的去除率，且能够为后续的产酸过程提供更多的溶解性发酵底物，进而提高甲烷产量。研究者们提出了诸多提高污泥溶解和水解速率的方法，这些方法的基本原理是促使污泥中颗粒态的有机物分解为溶解态的小分子有机物，从而提高这些有机物的生物降解性能。文献较多地报道了各种预处理方法提高剩余污泥的溶解水解效率，而未对如何同时促进剩余污泥水解与产酸效率的方法进行研究。
使用热预处理剩余污泥的方法，就可以促进污泥的水解率，在得到较好的水解效率的基础上应用碱性预处理的方法，又可以促进产生短链脂肪酸的量。因此，通过热碱联合预处理剩余污泥的方法，可同时提高剩余污泥的水解阶段和产酸阶段效率，最终获得最大化的短链脂肪酸。
发明内容
本发明要解决剩余污泥产短链脂肪酸效率不高的技术问题，提供一种热碱联合预处理剩余污泥显著提高污泥产短链脂肪酸的方法。
本发明的研究表明，剩余污泥经过热预处理后可以显著提高污泥中的蛋白质、多糖等有机物溶解于水中，从而为污泥发酵产酸提供丰富的可溶于水的有机基质。同时，剩余污泥经过初始碱性pH条件预处理后，可以进一步促进污泥溶解、水解并持续产生短链脂肪酸。此外，碱性pH值对产甲烷菌的活性有明显的抑制作用(Environmental Science and Technology, 2006, 40, 2025 -2029)，一定程度上阻止了生成的短链脂肪酸的消耗量。因此，可以利用热预处理和碱性pH值条件联合作用最大化地提高剩余污泥生物生产短链脂肪酸的产量。
本发明提出的热碱联合预处理剩余污泥显著提高污泥产短链脂肪酸的方法，具体步骤为：以污水处理厂的剩余污泥为原料，通过热预处理、控制微生物作用的初始pH值以及其中微生物的作用，促进剩余污泥中非溶解性的有机物溶解、水解转化为溶解性的有机物，并使这些溶解性的有机物转化为短链脂肪酸;所述溶解性的有机物为蛋白质或多糖中的一种以上，具体条件为：
热预处理的温度为60-120℃，时间为15-60min;
微生物作用的初始pH值范围为8-12;
热预处理后，剩余污泥在反应器中的停留时间为1-12天，温度为30-40℃。
进一步：
热预处理的温度为98-102℃，时间28-32min。虽然所述热预处理的温度条件在60-120℃与时间条件在15-60min的范围内，都可以与碱性pH值条件联合作用进一步提高污泥生产短链脂肪酸的产量，并且在一定的时间范围内，随着热预处理温度的上升短链脂肪酸的产量也逐渐升高。综合考虑运行成本和短链脂肪酸的产量，故本发明采用的较合适的热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min。
微生物作用的初始pH值为10.5-11.5。
污泥在反应器中的停留时间为6-7天，温度为33-37℃。
本发明采用热预处理和初始碱性pH值条件联合作用提高剩余污泥产生短链脂肪酸的基本原理是：污泥表面附着了大量的胞外多聚物(主要成分为蛋白质和多糖等)，在热预处理条件下，污泥表面的大分子物质蛋白质和多糖等就会受热水解脱离污泥颗粒，溶解进入水溶液。与此同时，初始碱性pH值条件不但使污泥胞外多聚物的酸性基团解离，而且可以使污泥表面胞外多聚物的负电荷互相推斥，导致污泥絮体解体，从而释放出大量的蛋白质和多糖。这样在热预处理和初始碱性pH值条件的联合作用下，污泥的水解速率比以上二者中任何一方单独作用时都要高。溶解性的蛋白质和多糖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较低分子量的有机物。这一过程往复进行直到水解产物变得足够小，以至可被微生物细胞直接吸收同化。被微生物吸收的有机物进入产酸发酵阶段，最终被转化为脂肪酸。
热预处理和初始碱性pH值条件联合作用提高剩余污泥生产短链脂肪酸产量的过程中，如果不能很好控制污泥水解阶段的条件，那么就无法获得较多的溶解性有机物。此外，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，合理控制水解、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生产有机酸的关键。
本发明中主要控制的发酵条件是：热预处理的温度、时间、污泥发酵时的pH值以及在反应器中的停留时间。本发明的研究表明，热预处理的温度范围在60-120℃内，时间范围在15-60min内，都可以促进污泥生产短链脂肪酸，并且在一定的时间范围内，随着热预处理温度的上升短链脂肪酸的产量也逐渐升高。综合考虑运行成本和短链脂肪酸的产量，故本发明采用的较合适的热预处理温度为98-102℃，时间为28-32min。本发明微生物作用的初始pH值范围为8-12，优选的初始pH值为10.5-11.5。此外，污泥在反应器中的停留时间为1-12天、温度为30-40℃，优选为6-7天、33-37℃。
本发明的有益效果是：
(1) 在热预处理和初始碱性pH值条件联合作用下，污泥产生短链脂肪酸的产量显著高于以上两者中任何一方单独作用于污泥所产生的短链脂肪酸的量。
(2) 热预处理和初始碱性pH值条件联合作用可以较好地提高污泥的水解速率，同时提高污泥的产酸速率，从而缩短污泥厌氧发酵的时间，这对改进和优化现有污泥处理系统，节能降耗、减少运行成本具有一定意义。
(3) 生产的短链脂肪酸可用于生产甲烷等清洁能源，补充污泥厌氧发酵末期碳源的不足，从而最大限度的降解剩余污泥中的有机物质。
(4) 利用城镇污水处理厂的剩余污泥生产有机酸，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，同时产生了有利用价值的有机酸。
具体实施方式
下面通过实施例作进一步详细说明。
实施例1
将16升剩余污泥平均加入到4个相同的6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度分别为60-120℃，时间为13-17min。污泥在反应器中的停留时间为1-2天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得污泥热预处理的较佳条件为98-102℃，短链脂肪酸产量为268.6 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例2
将16升剩余污泥平均加入到4个相同的6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间分别为15-60min。污泥在反应器中的停留时间为1-2天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得污泥热预处理的较佳条件为98-102℃、时间28-32min，短链脂肪酸产量为358.2 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例3
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为7.5-8.5，污泥在反应器中的停留时间为1-2天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得短链脂肪酸产量为897.3 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例4
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为8.5-9.5，污泥在反应器中的停留时间为1-2天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得短链脂肪酸产量为993.1 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例5
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为9.5-10.5，污泥在反应器中的停留时间为1-2天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得短链脂肪酸产量为1379.5 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例6
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为10.5-11.5，污泥在反应器中的停留时间为1-2天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得短链脂肪酸产量为1582.9 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例7
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为11.5-12.5，污泥在反应器中的停留时间为1-2天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得短链脂肪酸产量为1371.6 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例8
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为10.5-11.5，污泥在反应器中的停留时间为3-4天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得短链脂肪酸产量为2361.4 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例9
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为10.5-11.5，污泥在反应器中的停留时间为6-7天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得短链脂肪酸产量为4361.4 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例10
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为10.5-11.5，污泥在反应器中的停留时间为8-9天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得短链脂肪酸产量为4161.4 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例11
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为10.5-11.5，污泥在反应器中的停留时间为10-11天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得短链脂肪酸产量为4130.9 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例12
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为10.5-11.5，污泥在反应器中的停留时间为12-3天，厌氧发酵温度为28-32℃。测得短链脂肪酸产量为4026.9 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例13
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为10.5-11.5，污泥在反应器中的停留时间为6-7天，厌氧发酵温度为33-37℃。测得短链脂肪酸产量为4958.2 毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例14
将4升剩余污泥加入到1个6 升反应器中(反应器材质为有机玻璃，内径150mm、高350mm，呈圆柱型)，热预处理的温度为98-102℃，时间为28-32min。调节污泥初始pH值为10.5-11.5，污泥在反应器中的停留时间为6-7天，厌氧发酵温度为38-42℃。测得短链脂肪酸产量为4574.3 毫克每升(以化学需氧量计)。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。