一種利用剩余污泥厭氧發酵生產短鏈脂肪酸的方法
【專利摘要】一種利用剩余污泥厭氧發酵生產短鏈脂肪酸的方法。本發明公開了一種利用Mg2+促進剩余污泥厭氧發酵生產短鏈脂肪酸的方法。該方法為了解決剩余污泥發酵過程中短鏈脂肪酸積累不足及發酵后污泥脫水性能差的問題，采用在污泥發酵初始投加MgCl2·6H2O的方法，利用Mg2+在發酵過程中與污泥中其它金屬離子進行交換的特性，促使污泥絮體紊亂，釋放大量微生物可利用的有機物，從而提高產酸量；同時Mg2+能夠改變污泥中微生物群落的組成，改善污泥中微生物的多樣性及物種總數。本方法采用價廉易得的MgCl2·6H2O，提高了污泥的短鏈脂肪酸的產量，與此同時污泥的脫水性能也得到改善，有利于污泥的后續處理，有效地實現了污泥的資源化及減量化。
【專利說明】
一種利用剩余污泥厭氧發酵生產短鏈脂肪酸的方法
技術領域
[0001] 本發明屬于固體廢棄物資源化技術領域，涉及一種利用剩余污泥厭氧發酵生產短 鏈脂肪酸的方法，具體涉及一種利用Mg2+促進污泥厭氧發酵生產短鏈脂肪酸的方法。
【背景技術】
[0002] 活性污泥法處理污水過程中產生大量的剩余污泥。剩余污泥是微生物在污水中進 行有機物代謝，由于細胞自身增殖而形成，含有大量可溶性糖和蛋白。如何有效利用剩余污 泥中的有機物并實現污泥的減量化是一個亟待解決的問題。
[0003] 污泥厭氧消化技術成本較低，生物質產出率高，致病菌破壞率高，可產生甲烷，是 最常用的污泥生物處理方法。污泥厭氧消化利用厭氧微生物分解作用，使污泥中的有機物 分解并趨于穩定。水解酸化過程能夠有效的實現污泥的減量，同時回收酸化產物中的短鏈 脂肪酸。
[0004]目前結合污泥厭氧消化技術進行污泥處理的方法日益增多。文獻1 (Aijuan Zhou et al，Biochemical Engineering Journal，2013,77,240_245)報道了生物表面活性劑鼠 李糖脂對污泥發酵產酸的促進作用，雖然產酸效果顯著，但鼠李糖脂成本太f高難以進行 推廣使用。文獻2(P.J.Strong et al，Waste ]\&1仙8611161^，2012,32，1669-1677)采用了熱處 理和熱化學處理對污泥發酵產乙酸以及產甲烷進行了研究，發現熱處理能夠有效地破壞污 泥和微生物結構，促進甲烷的產量，但是熱處理能量消耗較高，大大增加了剩余污泥處理成 本。文南犬3(Gaoqiang Su et al，Journal of Bioscience and Bioengineering,2015,121 (3)，293-298)采用投加似(：1的方式促進剩余污泥厭氧產酸，結果表示，似 +通過與污泥中的 二價金屬離子(Ca2+、Mg2+)發生交換，促進污泥水解過程，大量有機物溶出，同時NaCl的加入 抑制了產甲烷菌的活性，產酸量因此提高，但是在Na+與Ca 2+、Mg2+發生交換的過程中，釋放有 機物的同時釋放了大量的氨氮、磷，不利于積累的短鏈脂肪酸的直接應用。
[0005] 因此，進一步開發剩余污泥的處理方法，對環境保護及固體廢棄物資源化具有十 分重要的現實意義。
【發明內容】
[0006] 針對現有的剩余污泥發酵過程中短鏈脂肪酸積累不足及發酵后污泥脫水性能差 的問題，本發明提供了一種工藝成本低、產酸量提高、污泥脫水性能改善、后處理簡單的利 用剩余污泥厭氧發酵生產短鏈脂肪酸的方法。該方法利用Mg 2+與污泥中的金屬離子發生交 換的特性，促使污泥絮體紊亂，進而增加了微生物可利用的有機物的含量，同時Mg 2+能夠增 加污泥中細菌的多樣性，抑制產甲烷菌，促進短鏈脂肪酸的積累，另外Mg2+作為二價金屬離 子能夠顯著改善發酵污泥的脫水性能，同時去除部分的磷及氨氮。
[0007] 為實現上述目的，本發明的技術解決方案如下：
[0008] -種利用剩余污泥厭氧發酵生產短鏈脂肪酸的方法，包括以下步驟:將剩余污泥 加入厭氧反應器中，投加0.05~0.2mol/L的MgCl2 · 6H2O,充分混合后充氮去氧，丨旦溫振蕩下 進行厭氧發酵。
[0009] 優選地，所述的發酵溫度為20~50°C，發酵時間為9~16天。
[0010] Mg2+能與污泥絮體中含有的大量的Ca2+以及少量的Fe3+、Mn 2+、K+等金屬離子發生交 換，促使污泥絮體紊亂，有效地破壞了污泥絮體結構，使微生物可利用的有機物得到大量釋 放，發酵產生的短鏈脂肪酸隨之增加。同時發明人發現，Mg 2+的加入改變了污泥中微生物群 落的結構與組成，提高了污泥中微生物的多樣性，使產酸菌的比例增加，進而提高了產酸 量。Mg 2+作為正二價金屬離子，可提高污泥的氧化還原電位，抑制產甲烷菌的活性，從而減少 了短鏈脂肪酸的消耗，促進短鏈脂肪酸的積累。
[0011] 與現有技術相比，本發明具有以下顯著優點：
[0012] (1)有效改善了發酵后污泥的脫水性能，有利于后續處理，節省人力物力；
[0013] (2)促進了微生物可利用的有機物的釋放，提高了污泥中產酸菌的比例，顯著提高 了產酸量；
[0014] (3)抑制了污泥中產甲烷菌的活性，從而減少了短鏈脂肪酸的消耗，促進短鏈脂肪 酸的積累；
[0015] (4)Mg2+能夠與污泥中的P0A結合形成沉淀，去除部分P04 3'有利于污泥的脫氮除 磷。
【附圖說明】
[0016] 圖1是不同劑量Mg2+處理后的污泥厭氧消化產酸量的結果圖。
[0017] 圖2是不同劑量Mg2+處理后的污泥在發酵初始和結束時的脫水性能結果圖。
[0018] 圖3是不同劑量Mg2+處理后的污泥上清液中的Ca2+的含量圖。
[0019]圖4是不同劑量Mg2+處理后的污泥上清液中的其它金屬離子的含量圖。
[0020] 圖5是污泥中細菌及古菌的香農指數圖。
[0021] 圖6是Mg2+投加量為0、0.025mol/L及0.2mol/L的污泥中的古菌的門的分類及所占 比例圖。
[0022]圖7是Mg2+投加量為0、0.025mol/L及0.2mol/L的污泥中的細菌的門的分類及所占 比例圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合實施例和附圖對本發明作進一步詳述。
[0024] 實施例1
[0025] 取400mL剩余污泥(含水率97%，pH=6.87)加入厭氧反應器中，分別加入Omol/L、 0 · 01mol/L、0 · 025mol/L、0 · 05mol/L、0 · lmol/L、0 · 2mol/L的MgCl2 · 6H2O,發酵初期充氮去 氧，發酵溫度為25°C，在反應器中停留時間為16天。
[0026] 使用離子色譜測量各組的短鏈脂肪酸產量，結果如圖1所示。由圖1可知，在Mg2+投 加量較低（〇.〇l、〇.〇25mol/L)時，短鏈脂肪酸的產量并沒有提高；隨著Mg 2+投加量的加大 (0.05、0.1、0.2mol/L)，短鏈脂肪酸的產量明顯增加。當Mg2+投加量大于0.025mol/L時，能夠 明顯促進污泥厭氧發酵短鏈脂肪酸的產量。
[0027] 實驗過程中，使用CST毛細吸水時間測試儀測定了發酵第Id和第10d的毛細抽吸時 間（數值越小，污泥脫水性能越好），如圖2所示。從圖中空白組可知，污泥發酵過程中，脫水 性能下降。投加 MgCl2 · 6H20實驗組相較于空白組，脫水性能得到一定程度的改善；隨著 MgCl2 · 6H20投加量的加大，污泥的脫水性能有輕微下降，因為在高投加量的實驗組中，金屬 離子之間的交換更為劇烈，形成了更為紊亂的污泥絮體。
[0028]使用電感耦合等離子體發射光譜（ICP-0ES)測定了整個發酵過程中污泥上清液中 〇&、六1{6、111、1(、11、211的變化，如圖3、4所示。由圖可知，隨著1%(：12*6!1 20投加量的增加，污 泥上清液中的〇3小6、]?11、1(也隨之增加，從而可推測，]\%2+可與污泥中的〇3、？6、]\111、1(發生交 換，從而促進污泥絮體的紊亂，有利于污泥中有機物的溶出以及產酸過程。
[0029] 使用Miseq高通量測序方法對污泥中的細菌及古菌種群進行了鑒定，圖6、圖7分別 為古菌和細菌所含有的門分類及所占比例，其中古菌和細菌的物種多樣性可用香農 (shannon)指數表征，如圖5所示。由圖5可知，當Mg 2+投加量為0.2mo 1 /L時，污泥中古菌和細 菌的shannon指數均高于空白組，說明高投加量的Mg2+豐富了污泥中的細菌和古菌多樣性， 有利于整個污泥系統的穩定；當Mg 2+投加量為0.025mol/L時，降低污泥中細菌的多樣性，豐 富了古菌多樣性，進一步說明Mg2+的加入能夠改變污泥中微生物群落的結構和組成。由圖6 可知，Mg2+為0.025、0.2mol/L的實驗組中，廣古菌門的比例均呈現下降的趨勢，其中廣古菌 門中主要包括產甲烷菌屬，說明Mg 2+的加入能夠抑制污泥中產甲烷菌的活性。圖7中Mg2+投 加量為0.2mol/L的實驗組相較于空白組，厚壁菌門所占的比例明顯增多，厚壁菌門中的厭 氧梭菌綱能夠將糖、蛋白等有機物水解為短鏈脂肪酸，有利于污泥產酸過程的進行。因此 Mg2+投加量為0.2mol/L時，改變了污泥中微生物的結構和組成，抑制產甲烷菌，促進了整個 污泥厭氧發酵過程的進行。
[0030] 實施例2
[0031] 取400mL剩余污泥(含水率97%，pH = 6.87)加入厭氧反應器中進行發酵產酸，剩余 污泥中加入〇.2mol/L MgCl2 · 6H20,發酵初期充氮去氧。反應溫度為20°C，在反應器中停留 時間為9天。
[0032] 實施例3
[0033] 取400mL剩余污泥(含水率97%，pH = 6.87)加入厭氧反應器中進行發酵產酸，剩余 污泥中加入0.05mol/L MgCl2 · 6H20,發酵初期充氮去氧。反應溫度為50°C，在反應器中停留 時間為16天。
【主權項】
1. 一種利用剩余污泥厭氧發酵生產短鏈脂肪酸的方法，其特征在于，包括以下步驟:將 剩余污泥加入厭氧反應器中，投加0.05~0.2mol/L的MgCl 2 · 6H20,充分混合后充氮去氧，恒 溫振蕩下進行厭氧發酵。2. 根據權利要求1所述的利用剩余污泥厭氧發酵生產短鏈脂肪酸的方法，其特征在于， 所述的發酵溫度為20~50°C。3. 根據權利要求1所述的利用剩余污泥厭氧發酵生產短鏈脂肪酸的方法，其特征在于， 發酵時間為9~16天。
【文檔編號】C02F11/04GK105886559SQ201610294614
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月5日
【發明人】孫秀云, 劉聰聰, 王連軍, 黃誠, 沈錦優, 李健生, 韓衛清, 劉曉東, 李 瑞
【申請人】南京理工大學