專利名稱：熱堿聯(lián)合預處理提高剩余污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護技術領域，涉及一種熱堿聯(lián)合預處理提高剩余污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法。
背景技術：
活性污泥法是現(xiàn)階段運用最為廣泛的污水生物處理方式，但它在凈化污水的同時，會產(chǎn)生大量的剩余污泥。城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥里含有較多微生物、懸浮物、膠體以及氮、磷等物質(zhì)，若得不到妥善的處理與處置，就會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。由于剩余污泥中含有大量的有機物質(zhì)，使用污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，不但能夠回收利用其中的有機物質(zhì)，還可以有效解決污水處理廠產(chǎn)生過量剩余污泥的難題。有機固體的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程可分為四個階段，即溶解階段、水解階段、產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段。通常條件下，污泥的溶解和水解速率較慢,是有機物生物降解過程的限速步驟(例如，文獻Bioresour.Technol.2012，103, 415-424 ；Bioresour.Technol.2011, 102, 10849-10854)。因此，在發(fā)酵產(chǎn)酸過程中，如果能夠提高污泥的溶解和水解速率，那么就可以縮短系統(tǒng)的水力停留時間，提高有機物的去除率，且能夠為后續(xù)的產(chǎn)酸過程提供更多的溶解性發(fā)酵底物，進而提高甲烷產(chǎn)量。研究者們提出了諸多提高污泥溶解和水解速率的方法，這些方法的基本原理是促使污泥中顆粒態(tài)的有機物分解為溶解態(tài)的小分子有機物，從而提高這些有機物的生物降解性能。文獻較多地報道了各種預處理方法提高剩余污泥的溶解水解效率，而未對如何同時促進剩余污泥水解與產(chǎn)酸效率的方法進行研究。使用熱預處理剩余污泥的方法，就可以促進污泥的水解率，在得到較好的水解效率的基礎上應用堿性預處理的 方法，又可以促進產(chǎn)生短鏈脂肪酸的量。因此，通過熱堿聯(lián)合預處理剩余污泥的方法，可同時提高剩余污泥的水解階段和產(chǎn)酸階段效率，最終獲得最大化的短鏈脂肪酸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決剩余污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸效率不高的技術問題，提供一種熱堿聯(lián)合預處理剩余污泥顯著提高污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法。本發(fā)明的研究表明，剩余污泥經(jīng)過熱預處理后可以顯著提高污泥中的蛋白質(zhì)、多糖等有機物溶解于水中，從而為污泥發(fā)酵產(chǎn)酸提供豐富的可溶于水的有機基質(zhì)。同時，剩余污泥經(jīng)過初始堿性pH條件預處理后，可以進一步促進污泥溶解、水解并持續(xù)產(chǎn)生短鏈脂肪酸。此外，堿性pH值對產(chǎn)甲燒菌的活性有明顯的抑制作用(Environmental Science andTechnology, 2006, 40, 2025 -2029)，一定程度上阻止了生成的短鏈脂肪酸的消耗量。因此，可以利用熱預處理和堿性PH值條件聯(lián)合作用最大化地提高剩余污泥生物生產(chǎn)短鏈脂肪酸的產(chǎn)量。本發(fā)明提出的熱堿聯(lián)合預處理剩余污泥顯著提高污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，具體步驟為:以污水處理廠的剩余污泥為原料，通過熱預處理、控制微生物作用的初始pH值以及其中微生物的作用，促進剩余污泥中非溶解性的有機物溶解、水解轉(zhuǎn)化為溶解性的有機物，并使這些溶解性的有機物轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸；所述溶解性的有機物為蛋白質(zhì)或多糖中的一種以上，具體條件為:
熱預處理的溫度為60-120°C，時間為15-60min ；
微生物作用的初始PH值范圍為8-12 ；
熱預處理后，剩余污泥在反應器中的停留時間為1-12天，溫度為30-40°C。進一步:
熱預處理的溫度為98-102 °C，時間28-32min。雖然所述熱預處理的溫度條件在60-120°C與時間條件在15-60min的范圍內(nèi)，都可以與堿性pH值條件聯(lián)合作用進一步提高污泥生產(chǎn)短鏈脂肪酸的產(chǎn)量，并且在一定的時間范圍內(nèi)，隨著熱預處理溫度的上升短鏈脂肪酸的產(chǎn)量也逐漸升高。綜合考慮運行成本和短鏈脂肪酸的產(chǎn)量，故本發(fā)明采用的較合適的熱預處理溫度為98-102°C，時間為28-32min。微生物作用的初始pH值為10.5-11.5。污泥在反應器中的停留時間為6-7天，溫度為33_37°C。本發(fā)明采用熱預處理和初始堿性pH值條件聯(lián)合作用提高剩余污泥產(chǎn)生短鏈脂肪酸的基本原理是:污泥表面附著了大量的胞外多聚物(主要成分為蛋白質(zhì)和多糖等)，在熱預處理條件下，污泥表面的大分子物質(zhì)蛋白質(zhì)和多糖等就會受熱水解脫離污泥顆粒，溶解進入水溶液。與此同時，初始堿性PH值條件不但使污泥胞外多聚物的酸性基團解離，而且可以使污泥表面胞外多聚物的負電荷互相推斥，導致污泥絮體解體，從而釋放出大量的蛋白質(zhì)和多糖。這樣在熱預處理和初始堿性PH值條件的聯(lián)合作用下，污泥的水解速率比以上二者中任何一方單獨作用時 都要高。溶解性的蛋白質(zhì)和多糖等大分子有機物在微生物的體外被微生物產(chǎn)生的水解酶進一步水解為較低分子量的有機物。這一過程往復進行直到水解產(chǎn)物變得足夠小，以至可被微生物細胞直接吸收同化。被微生物吸收的有機物進入產(chǎn)酸發(fā)酵階段，最終被轉(zhuǎn)化為脂肪酸。熱預處理和初始堿性pH值條件聯(lián)合作用提高剩余污泥生產(chǎn)短鏈脂肪酸產(chǎn)量的過程中，如果不能很好控制污泥水解階段的條件，那么就無法獲得較多的溶解性有機物。此夕卜，如果酸化時的發(fā)酵條件得不到很好的控制，酸化產(chǎn)物很容易進入產(chǎn)甲烷階段。因此，合理控制水解、酸化時的發(fā)酵條件，使生物轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物成為需要的目的有機物是實現(xiàn)高效生產(chǎn)有機酸的關鍵。本發(fā)明中主要控制的發(fā)酵條件是:熱預處理的溫度、時間、污泥發(fā)酵時的pH值以及在反應器中的停留時間。本發(fā)明的研究表明，熱預處理的溫度范圍在60-120°C內(nèi)，時間范圍在15-60min內(nèi)，都可以促進污泥生產(chǎn)短鏈脂肪酸，并且在一定的時間范圍內(nèi)，隨著熱預處理溫度的上升短鏈脂肪酸的產(chǎn)量也逐漸升高。綜合考慮運行成本和短鏈脂肪酸的產(chǎn)量，故本發(fā)明采用的較合適的熱預處理溫度為98-102°C，時間為28-32min。本發(fā)明微生物作用的初始pH值范圍為8-12，優(yōu)選的初始pH值為10.5-11.5。此外，污泥在反應器中的停留時間為1-12天、溫度為30-40°C，優(yōu)選為6-7天、33-37°C。本發(fā)明的有益效果是:
(I) 在熱預處理和初始堿性PH值條件聯(lián)合作用下，污泥產(chǎn)生短鏈脂肪酸的產(chǎn)量顯著高于以上兩者中任何一方單獨作用于污泥所產(chǎn)生的短鏈脂肪酸的量。
(2) 熱預處理和初始堿性pH值條件聯(lián)合作用可以較好地提高污泥的水解速率，同時提高污泥的產(chǎn)酸速率，從而縮短污泥厭氧發(fā)酵的時間，這對改進和優(yōu)化現(xiàn)有污泥處理系統(tǒng)，節(jié)能降耗、減少運行成本具有一定意義。(3) 生產(chǎn)的短鏈脂肪酸可用于生產(chǎn)甲烷等清潔能源，補充污泥厭氧發(fā)酵末期碳源的不足，從而最大限度的降解剩余污泥中的有機物質(zhì)。(4) 利用城鎮(zhèn)污水處理廠的剩余污泥生產(chǎn)有機酸，不僅實現(xiàn)了污泥減量化、穩(wěn)定化、資源化以及減少污泥有機物污染環(huán)境的目的，同時產(chǎn)生了有利用價值的有機酸。
具體實施例方式 下面通過實施例作進一步詳細說明。實施例1
將16升剩余污泥平均加入到4個相同的6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度分別為60-120°C，時間為13_17min。污泥在反應器中的停留時間為1-2天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得污泥熱預處理的較佳條件為98_102°C,短鏈脂肪酸產(chǎn)量為268.6暈克每升(以化學需氧量計)。實施例2
將16升剩余污泥平均加入到4個相同的6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間分別為15_60min。污泥在反應器中的停留時間為1-2天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得污泥熱預處理的較佳條件為98-102°C、時間28-32min，短鏈脂肪酸產(chǎn)量為358.2毫克每升(以化學需氧量計)。實施例3
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為
7.5-8.5，污泥在反應器中的停留時間為1-2天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為897.3毫克每升(以化學需氧量計)。實施例4
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為
8.5-9.5，污泥在反應器中的停留時間為1-2天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為993.1毫克每升(以化學需氧量計)。實施例5
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為
9.5-10.5，污泥在反應器中的停留時間為1-2天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為1379.5毫克每升(以化學需氧量計)。實施例6
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為10.5-11.5，污泥在反應器中的停留時間為1-2天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為1582.9毫克每升(以化學需氧量計)。實施例7
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為
11.5-12.5，污泥在反應器中的停留時間為1-2天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為1371.6毫克每升(以化學需氧量計)。實施例8
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為10.5-11.5，污泥在反應器中的停留時間為3-4天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為2361.4毫克每升(以化學需氧量計)。實施例9
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為10.5-11.5，污泥在反應器中的停留時間為6-7天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為4361.4毫克每升(以化學需氧量計)。實施例10
將4升剩余污泥加入到I個 6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為10.5-11.5，污泥在反應器中的停留時間為8-9天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為4161.4毫克每升(以化學需氧量計)。實施例11
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為10.5-11.5，污泥在反應器中的停留時間為10-11天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為4130.9毫克每升(以化學需氧量計)。實施例12
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為10.5-11.5，污泥在反應器中的停留時間為12-3天，厭氧發(fā)酵溫度為28-32°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為4026.9毫克每升(以化學需氧量計)。實施例13
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為10.5-11.5，污泥在反應器中的停留時間為6-7天，厭氧發(fā)酵溫度為33-37°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為4958.2毫克每升(以化學需氧量計)。實施例14
將4升剩余污泥加入到I個6升反應器中(反應器材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)徑150mm、高350mm，呈圓柱型)，熱預處理的溫度為98_102°C，時間為28_32min。調(diào)節(jié)污泥初始pH值為
10.5-11.5，污泥在反應器中的停留時間為6-7天，厭氧發(fā)酵溫度為38-42°C。測得短鏈脂肪酸產(chǎn)量為4574.3毫克每升(以化學需氧量計)。上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種熱堿聯(lián)合預處理提高剩余污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在于具體步驟為:以污水處理廠的剩余污泥為原料，通過熱預處理、控制微生物作用的初始pH值以及其中微生物的作用，促進剩余污泥中非水溶解性的有機物溶解、水解轉(zhuǎn)化為溶解性的有機物，并使這些溶解性的有機物轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸；所述溶解性的有機物為蛋白質(zhì)或多糖中一種以上，具體條件為: 熱預處理的溫度為60-120°C，時間為15-60min ； 微生物作用的初始PH值范圍為8-12 ； 熱預處理后，剩余污泥在反應器中的停留時間為1-12天，溫度為30-40°C。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱堿聯(lián)合預處理提高剩余污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在于:熱預處理的溫度為98-102°C，時間為28-32min。
3.根據(jù)權利要求1所述的熱堿聯(lián)合預處理提高剩余污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在于:微生物作用的初始pH值為10.5-11.5。
4.根據(jù)權利要求1所述的熱堿聯(lián)合預處理提高剩余污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在于:污泥在反應器中的停留時間為6-7天。
5.根據(jù)權利要求1所述的熱堿聯(lián)合預處理提高剩余污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在于:污泥在反應器中的溫度為33-37°C。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境保護技術領域，涉及一種熱堿聯(lián)合預處理提高剩余污泥產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法。本發(fā)明以污水處理廠的剩余污泥為原料，通過熱預處理、控制初始堿性pH值條件以及其中微生物的作用，不但可以促進污泥中非水溶解性的有機物溶解、水解轉(zhuǎn)化為溶解性的有機物，而且可以使這些溶解性的蛋白質(zhì)和多糖等有機物更充分的轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸，減少污泥對環(huán)境的污染。其中，熱預處理的溫度為60-120℃，時間為15-60min，微生物作用的初始pH值范圍為8-12，污泥在反應器中的停留時間為1-12天，溫度為30-40℃。
文檔編號C12P7/40GK103160546SQ20131006653
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權日2013年3月4日
發(fā)明者張棟, 高鵬, 賈舒婷, 董濱, 戴曉虎 申請人:同濟大學