CN104862346A - 一种酶碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种酶碱联合生物预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法。将剩余污泥在4℃静置24h后得到沉淀的浓缩污泥，向浓缩污泥中投加蛋白酶K至0.018-0.022U/gVSS，使其在35-37℃、搅拌速率120rpm的反应器中水解22-26h，然后接种10%厌氧颗粒污泥，将污泥pH值调至9.5-10.5，在35-37℃、搅拌速率120rpm的反应器中发酵4-6天，得到主要为乙酸、丙酸和丁酸的短链脂肪酸混合液，该混合液可作为高附加价值的化工原料和产甲烷基质。添加蛋白酶K提高了污泥的水解速率；碱性条件抑制了产短链脂肪酸，同时联合以上两种预处理手段使产酸微生物中的严格厌氧菌尤其是梭菌属得到了富集，而兼性微生物比例降低，提高了底物的产酸速率和产酸量。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种酶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
截止2013年，我国县级以上污水处理厂已达3500多座，伴随产生了大量的剩余污泥，全国污泥总产生量达到3000万吨（以含水率80 %计），预计到2020年污泥产量会突破6000万吨。由于污泥中含大量有机物质，污泥的能源化、资源化利用受到研究者们的广泛重视。由于可持续发展的社会需求和政府的政策扶持，如今固体废物处理的重点已从污染控制转向资源化利用。随着90年代厌氧消化反应器的工程化应用，厌氧消化处理固体废物得到广泛的关注。厌氧条件下，污泥几乎都可以被微生物转化为其他形式。厌氧消化器中，有多种的微生物种群降解有机废物，不但能获得生物气，同时也能产生其他一些富含能量的有机化合物。污泥厌氧消化过程产生的短链脂肪酸既能作为底物生产沼气等清洁能源，又能作为生物脱氮除磷的有机碳源
近年来研究者们提出了诸多提高污泥产短链脂肪酸的方法，主要在厌氧消化三阶段理论基础上，通过物理、化学或者生物的手段提高污泥水解速率和抑制产甲烷来提高污泥产短链脂肪酸的量，但是现有的热碱联合、超声波等预处理手段耗能较高，同时得到的产酸厌氧污泥种群容易发生改变，且随着运行时间活性降低，使得反应器不够稳定。
污泥中产酸微生物按照氧气的耐受程度可分为严格厌氧菌和兼性厌氧菌，有文献指出其中兼性厌氧菌在厌氧条件下活性较严格厌氧菌要低，本发明通过蛋白酶K和碱性条件的联合预处理可以驯化和富集更多的严格厌氧菌尤其是梭菌属，使得微生物种群结构更稳定，从而获得较高的短链脂肪酸的产量。
发明内容
本发明要解决剩余污泥产短链脂肪酸效率不高、产酸系统不稳定的技术问题，提供一种通过提高厌氧发酵过程中高效发酵菌—梭菌属（严格厌氧菌）比例，可显著促进剩余污泥生产短链脂肪酸的方法。
本发明的研究表明，剩余污泥经过蛋白酶K预处理后可以显著提高污泥中的蛋白质水解，为能以蛋白质为底物的梭菌属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，可以进一步提高微生物中严格厌氧菌（尤其梭菌属）的比例，并促进污泥溶解、水解并持续产生短链脂肪酸。因此，可以利用蛋白酶K预处理和初始碱性pH值条件联合作用提高剩余污泥水解、产酸效率。
本发明提出的酶碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法，具体步骤如下：
(1)以污水处理厂剩余活性污泥静置浓缩后为原料，向浓缩污泥中添加蛋白酶K至蛋白酶K浓度为0.004-0.04 U/gVSS；
(2)对步骤(1)所得产物进行水解反应，在30-40℃、搅拌速率为100-200rpm条件下的反应器内水解2-48h；向水解产物中接种厌氧颗粒污泥，厌氧颗粒污泥的接种量为浓缩污泥质量的8-15%；
(3)对步骤(2)所得产物进行污泥碱性预处理，调节初始pH值为8-12；
(4)对步骤(3)所得产物进行污泥厌氧发酵产酸，在30-40℃、搅拌速率为100-200rpm条件下继续厌氧发酵1-12天产短链脂肪酸。
本发明中，所述剩余污泥静置的时间为24h，温度为4℃。
本发明中，所述污泥蛋白酶K浓度为0.018-0.022 U/gVSS。
本发明中，步骤(2)中所述水解反应的时间为22-26h。
本发明中，步骤(2)中所述水解反应的温度为35-37℃。
本发明中，步骤(2)中所述水解反应的搅拌速率为120rpm。
本发明中，步骤(2)中所述厌氧颗粒污泥的接种量为浓缩污泥质量的10%。
本发明中，步骤(3)中所述污泥碱性预处理的初始pH值为9.5-10.5。
本发明中，步骤(4)中所述污泥厌氧发酵产酸的温度为35-37℃，搅拌速率为120rpm，发酵时间为4-6天。
本发明提出的利用蛋白酶K预处理和初始碱性pH值条件联合作用提高污泥生产短链脂肪酸的方法，以污水处理厂产生的剩余污泥为原料，通过蛋白酶K预处理、控制初始碱性pH值条件改变所述污泥中微生物的组成比例，将污泥中的非水溶状态的污泥有机物，如蛋白质和多糖等较多地转化为短链脂肪酸。
本发明的有益效果是：
(1) 在蛋白酶K预处理和初始碱性条件联合作用下，污泥产生甲烷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。
(2) 较单纯的碱处理不需一直维持反应器碱性条件，因此不需要在线监测pH并节省了碱的用量，节约了成本。
(3) 蛋白酶K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中严格厌氧菌尤其是梭菌属的所占比例，优化污泥水解、酸化的条件参数与产短链脂肪酸阶段的工艺条件参数，可显著提高剩余污泥的产短链脂肪酸量，尤其是乙酸，为之后的产甲烷或者除磷提供了更易降解的底物，同时驯化和富集后的微生物系统更加稳定。
(4) 利用城镇污水处理厂的剩余污泥生产短链脂肪酸，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。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明：
为促进剩余污泥产短链脂肪酸效率，本发明经过多次反复试验，发现采用下述本发明以酶碱联合预处理提高剩余污泥产短链脂肪酸的方法，能够显著提高短链脂肪酸产量。
实施例1
将13.2升浓缩后的剩余污泥平均加入到11个相同的2 升反应器中（反应器材质为有机玻璃，工作体积1.5L，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），向反应器中添加蛋白酶Ｋ至浓度为0-0.04U/g VSS，在温度为35-37℃、搅拌速率为120rpm条件下水解2-28h，测得最佳的酶浓度为0.018-0.022U/g VSS，时间为22-26h，获得的溶解性COD最多为250.97 mg COD/g VSS。以下实施例2-8均选取较优的水解条件：蛋白酶K浓度为0.018-0.022U/g VSS，时间为22-26h，温度为35-37℃，搅拌速率为120rpm。
实施例2
将1.2升剩余污泥加入到2升的反应器中（反应器材质为有机玻璃，工作体积1.5L，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），向反应器中添加蛋白酶Ｋ至浓度为0.018-0.022U/g VSS，在温度为35-37℃、搅拌速率为120rpm条件下水解22-26h，加入体积百分比为10%的厌氧颗粒污泥，调节初始pH值为8.5-9.5，厌氧发酵1-3天，短链脂肪酸的产量为250.47 mg COD/g VSS，通过16S rRNA寡核苷酸探针荧光原位杂交法测定，其梭菌属所占比例为28%。
实施例3
将1.2升剩余污泥加入到2升的反应器中（反应器材质为有机玻璃，工作体积1.5L，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），向反应器中添加蛋白酶Ｋ至浓度为0.018-0.022U/g VSS，在温度为35-37℃、搅拌速率为120rpm条件下水解22-26h，加入体积百分比为10%的厌氧颗粒污泥，调节初始pH值为9.5-10.5，厌氧发酵1-3天，短链脂肪酸的产量为292.49 mg COD/g VSS，通过16S rRNA寡核苷酸探针荧光原位杂交法测定，其梭菌属所占比例为32%。
实施例4
将1.2升剩余污泥加入到2升的反应器中（反应器材质为有机玻璃，工作体积1.5L，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），向反应器中添加蛋白酶Ｋ至浓度为0.018-0.022U/g VSS，在温度为35-37℃、搅拌速率为120rpm条件下水解22-26h，加入体积百分比为10%的厌氧颗粒污泥，调节初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵1-3天，短链脂肪酸的产量为154.08 mg COD/g VSS，通过16S rRNA寡核苷酸探针荧光原位杂交法测定，其梭菌属所占比例为25%。
实施例5
将1.2升剩余污泥加入到2升的反应器中（反应器材质为有机玻璃，工作体积1.5L，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），向反应器中添加蛋白酶Ｋ至浓度为0.018-0.022U/g VSS，在温度为35-37℃、搅拌速率为120rpm条件下水解22-26h，加入体积百分比为10%的厌氧颗粒污泥，调节初始pH值为8.5-9.5，厌氧发酵4-6天，短链脂肪酸的产量为267.27 mg COD/g VSS，通过16S rRNA寡核苷酸探针荧光原位杂交法测定，其梭菌属所占比例为30%。
实施例6
将1.2升剩余污泥加入到2升的反应器中（反应器材质为有机玻璃，工作体积1.5L，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），向反应器中添加蛋白酶Ｋ至浓度为0.018-0.022U/g VSS，在温度为35-37℃、搅拌速率为120rpm条件下水解22-26h，加入体积百分比为10%的厌氧颗粒污泥，调节初始pH值为9.5-10.5，厌氧发酵4-6天，短链脂肪酸的产量为352.91 mg COD/g VSS，通过16S rRNA寡核苷酸探针荧光原位杂交法测定，其梭菌属所占比例为42%。
实施例7
将1.2升剩余污泥加入到2升的反应器中（反应器材质为有机玻璃，工作体积1.5L，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），向反应器中添加蛋白酶Ｋ至浓度为0.018-0.022U/g VSS，在温度为35-37℃、搅拌速率为120rpm条件下水解22-26h，加入体积百分比为10%的厌氧颗粒污泥，调节初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵4-6天，短链脂肪酸的产量为314.03 mg COD/g VSS，通过16S rRNA寡核苷酸探针荧光原位杂交法测定，其梭菌属所占比例为36%。
实施例8
将1.2升剩余污泥加入到2升的反应器中（反应器材质为有机玻璃，工作体积1.5L，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），向反应器中添加蛋白酶Ｋ至浓度为0.018-0.022U/g VSS，在温度为35-37℃、搅拌速率为120rpm条件下水解22-26h，加入体积百分比为10%的厌氧颗粒污泥，调节初始pH值为8.5-9.5，厌氧发酵7-10天，短链脂肪酸的产量为238.86 mg COD/g VSS，通过16S rRNA寡核苷酸探针荧光原位杂交法测定，其梭菌属所占比例为26%。
实施例9
将1.2升剩余污泥加入到2升的反应器中（反应器材质为有机玻璃，工作体积1.5L，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），向反应器中添加蛋白酶Ｋ至浓度为0.018-0.022U/g VSS，在温度为35-37℃、搅拌速率为120rpm条件下水解22-26h，加入体积百分比为10%的厌氧颗粒污泥，调节初始pH值为9.5-10.5，厌氧发酵7-10天，短链脂肪酸的产量为300.82 mg COD/g VSS，通过16S rRNA寡核苷酸探针荧光原位杂交法测定，其梭菌属所占比例为34%。
实施例10
将1.2升剩余污泥加入到2升的反应器中（反应器材质为有机玻璃，工作体积1.5L，内径100mm、高260mm，呈圆柱型），向反应器中添加蛋白酶Ｋ至浓度为0.018-0.022U/g VSS，在温度为35-37℃、搅拌速率为120rpm条件下水解22-26h，加入体积百分比为10%的厌氧颗粒污泥，调节初始pH值为10.5-11.5，厌氧发酵7-10天，短链脂肪酸的产量为341.25 mg COD/g VSS，通过16S rRNA寡核苷酸探针荧光原位杂交法测定，其梭菌属所占比例为38%。
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。
Claims (9)
1.一种酶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如下：
(1)以污水处理厂剩余活性污泥静置浓缩后为原料，向浓缩污泥中添加蛋白酶K至蛋白酶K浓度为0.004-0.04 U/gVSS；
(2)对步骤(1)所得产物进行水解反应，在30-40℃、搅拌速率为100-200rpm条件下的反应器内水解2-48h；向水解产物中接种厌氧颗粒污泥，厌氧颗粒污泥的接种量为浓缩污泥质量的8-15%；
(3)对步骤(2)所得产物进行污泥碱性预处理，调节初始pH值为8-12；
(4)对步骤(3)所得产物进行污泥厌氧发酵产酸，在30-40℃、搅拌速率为100-200rpm条件下继续厌氧发酵1-12天产短链脂肪酸。
2.根据权利要求1所述的酶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，所述剩余污泥静置的时间为24h，温度为4℃。
3.根据权利要求1所述的酶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，所述污泥蛋白酶K浓度为0.018-0.022 U/gVSS。
4.根据权利要求1所述的酶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，步骤(2)中所述水解反应的时间为22-26h。
5.根据权利要求1所述的酶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，步骤(2)中所述水解反应的温度为35-37℃。
6.根据权利要求1所述的酶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，步骤(2)中所述水解反应的搅拌速率为120rpm。
7.根据权利要求1所述的酶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，步骤(2)中所述厌氧颗粒污泥的接种量为浓缩污泥质量的10%。
8.根据权利要求1所述的酶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，步骤(3)中所述污泥碱性预处理的初始pH值为9.5-10.5。
9.根据权利要求1所述的酶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，步骤(4)中所述污泥厌氧发酵产酸的温度为35-37℃，搅拌速率为120rpm，发酵时间为4-6天。
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