一种强化剩余污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的方法与流程

1.本发明属于环境工程，涉及水处理技术领域，具体涉及一种利用磁铁矿提升城市剩余活性污泥产中链脂肪酸的方法。


背景技术：

2.随着人口和经济的不断增长以及各产业革命的不断深化，环境污染、资源和能源危机成为了人类共同面临的全球性问题。尤其在污水处理过程中，大量剩余活性污泥的产生如果不加以妥善处理与处置，将会对环境造成巨大的威胁。然而，剩余污泥中含有丰富的有机碳，据统计，2025年我国污泥年产量预计将突破9000万吨，面对如此庞大的城市剩余污泥，如果加以资源化利用，这将是一座巨大的碳源宝库。污泥生物资源化技术主要以厌氧消化产甲烷为主，然而随着甲烷能量密度低、运输和保存危险性高等主要弊端的显现，厌氧产酸发酵技术开始不断地发展并应用，主要产物是乙酸、丙酸等5个碳原子以下的挥发性脂肪酸(vfas)，这种产物便于运输，保存安全，是可降解塑料、生物质柴油的重要前驱物质。
3.然而，vfas具有高亲水性，如何将其经济高效地从水溶液中分离至今仍是一种挑战。鉴于此，生物碳链延伸技术应运而生。该技术可以将vfas通过链延伸微生物进一步转化为中链脂肪酸(mcfas)，即具有6
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10个碳原子的脂肪酸，例如己酸、辛酸等。与vfas相比，mcfas不仅具有更高的能量密度，而且易于分离，是很多食品添加剂、生物质燃料的主要物质。在反应过程中，需要添加乙醇、乳酸等向作为电子受体的vfas提供电子供体。因此，强化链延伸过程中电子的转移效率是强化mcfas产量的关键。目前，可以强化电子传递效率的材料已广泛运用在厌氧消化产甲烷技术中，包括投加磁铁矿、生物炭等。然而，只有中国专利cn110066082a公开了利用磁铁矿强化剩余污泥厌氧产挥发性脂肪酸的方法，具体步骤为：以剩余污泥为反应基质，投加磁铁矿并调节ph后进行厌氧发酵。但是，该发明的最终目标产物是5个碳原子以下的vfas，并不是具有6
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10个碳原子的mcfas。


技术实现要素：

4.本发明针对上述问题，提出了一种利用磁铁矿提升剩余活性污泥产中链脂肪酸的方法，通过利用磁铁矿强化厌氧发酵过程中的电子传递，可以大幅提升污泥发酵液中的中链脂肪酸产量以及组分占比，提升了污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的能力，是一种污泥资源化的有效强化手段。
5.本技术提供了一种强化剩余污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，其特征在于，在发酵过程中投加磁铁矿以强化生物链延伸过程中电子的传递能力。
6.进一步地，所述磁铁矿为磁铁矿粉或磁铁矿颗粒，主要成分为四氧化三铁。
7.进一步地，所述磁铁矿投加量为0.05
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1.20g/g vss污泥挥发性悬浮固体质量。
8.进一步地，其中发酵的底物为污水处理厂的剩余活性污泥或者剩余活性污泥经过酸化处理后得到的污泥酸化液。
9.进一步地，其中发酵的接种物为污水处理厂的厌氧消化污泥。
10.进一步地，其中所述反应器接种所需的厌氧消化污泥与剩余活性污泥或者所述污泥酸化液的质量比为1：2
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2：1。
11.进一步地，其中所述方法包括向发酵反应器中加入电子供体和甲烷抑制剂。
12.进一步地，其中所述电子供体选自乙醇、甲醇或乳酸；或者，所述甲烷抑制剂为2
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溴乙基磺酸钠
13.进一步地，所述方法具体为：
14.(1)发酵底物获取：从城市污水处理厂获取废弃剩余活性污泥作为发酵底物，如果厂区有污泥预酸化工艺，也可采用污泥酸化液作为发酵底物；
15.(2)接种物获取：从城市污水处理厂获取厌氧消化污泥；
16.(3)向厌氧反应器中加入剩余活性污泥或污泥产酸发酵液以及厌氧消化污泥，厌氧消化污泥与剩余活性污泥或者所述污泥酸化液的质量比为1：2
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2：1；
17.(4)向厌氧反应器中加入电子供体和甲烷抑制剂，加入的电子供体为乙醇、甲醇或乳酸；
18.(5)将反应器内的初始ph值调节至5.50
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7.50；
19.(6)在反应器中加入0.05
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1.20g/g vss污泥挥发性悬浮固体质量的磁铁矿，用氮气将反应器中的空气吹出并密封连接气袋，以保证系统严格厌氧状态；
20.(7)反应器启动：反应温度为30
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40℃，搅拌或回旋震荡转速为150
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180rpm/min，进出料模式采用连续流、半连续流以及序批式；
21.(8)针对反应器出料，可采用膜过滤、离心的形式将磁铁矿粉和微生物从发酵液中分离，既可以回收材料，也不会造成链延伸微生物的大量流失。
附图说明
22.图1为本发明中实施例1
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3和对比例1所使用的厌氧产酸发酵反应器的结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，仍然可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
24.以下实施例中所使用的发酵底物为热解污泥高温发酵液，接种物为厌氧消化污泥，均取自北京某污水处理厂。热解污泥高温发酵液和厌氧消化污泥的相关参数如表1所示。
25.表1热解污泥发酵液、厌氧消化污泥相关参数
26.指标参数热解污泥发酵液厌氧消化污泥ts(g/l)38.667.8vs(g/l)21.833.1tss(g/l)30.754.2vss(g/l)17.326.5
27.实施例1
28.(1)用于厌氧发酵产中链脂肪酸的反应器结构示意图如图1所示，有效体积为500ml，采用机械搅拌的混合方式，控温模式为水浴加热。向该反应器中加入热解污泥发酵液200g，加入厌氧消化污泥200g；
29.(2)向厌氧反应器中加入240mm的乙醇，加入5g/l的2
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溴乙基磺酸钠(甲烷抑制剂)；
30.(3)利用2m的盐酸溶液，将反应器初始ph调节至6.5；
31.(4)在反应器中加入5g/l，200目的磁铁矿粉(主要成分为四氧化三铁)，并用氮气将反应器中的空气吹脱10min，并密封连接集气袋，以保证系统严格厌氧状态；
32.(5)发酵反应温度为35℃，机械搅拌桨转速为150rpm/min，采用序批式进出料模式，20天之后，利用气相色谱对发酵液中的vfas和mcfas进行测定，其中己酸为mcfas的主要成分，浓度为12.16g cod/l，在总溶解性cod中占比可达到33％(g cod/g cod)；
33.(6)反应结束后，发酵液通过离心完成固液分离，离心机转速为500g，离心沉淀物将用于下一批厌氧发酵的接种物。
34.实施例2
35.(1)向厌氧发酵反应器中加入热解污泥发酵液200g，加入厌氧消化污泥200g；
36.(2)向厌氧反应器中加入240mm的乙醇，加入5g/l的2
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溴乙基磺酸钠(甲烷抑制剂)；
37.(3)利用2m的盐酸溶液，将反应器初始ph调节至6.5；
38.(4)在反应器中加入10g/l，200目的磁铁矿粉(主要成分为四氧化三铁)，并用氮气将反应器中的空气吹脱10min，并密封连接集气袋，以保证系统严格厌氧状态；
39.(5)发酵反应温度为35℃，机械搅拌桨转速为150rpm/min，采用序批式进出料模式，20天之后，利用气相色谱对发酵液中的vfas和mcfas进行测定，其中己酸为mcfas的主要成分，浓度为12.51g cod/l，在总溶解性cod中占比可达到36％(g cod/g cod)；
40.(6)反应结束后，发酵液通过离心完成固液分离，离心机转速为500g，离心沉淀物将用于下一批厌氧发酵的接种物。
41.实施例3
42.(1)向厌氧发酵反应器中加入热解污泥发酵液200g，加入厌氧消化污泥200g；
43.(2)向厌氧反应器中加入240mm的乙醇，加入5g/l的2
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溴乙基磺酸钠(甲烷抑制剂)；
44.(3)利用2m的盐酸溶液，将反应器初始ph调节至6.5；
45.(4)在反应器中加入20g/l，200目的磁铁矿粉(主要成分为四氧化三铁)，并用氮气将反应器中的空气吹脱10min，并密封连接集气袋，以保证系统严格厌氧状态；
46.(5)发酵反应温度为35℃，机械搅拌桨转速为150rpm/min，采用序批式进出料模式，20天之后，利用气相色谱对发酵液中的vfas和mcfas进行测定，其中己酸为mcfas的主要成分，浓度为13.28g cod/l，在总溶解性cod中占比可达到36％(g cod/g cod)；
47.(6)反应结束后，发酵液通过离心完成固液分离，离心机转速为500g，离心沉淀物将用于下一批厌氧发酵的接种物。
48.对比例1
49.(1)向厌氧发酵反应器中加入热解污泥发酵液200g，加入厌氧消化污泥200g；
50.(2)向厌氧反应器中加入240mm的乙醇，加入5g/l的2
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溴乙基磺酸钠(甲烷抑制剂)；
51.(3)利用2m的盐酸溶液，将反应器初始ph调节至6.5；
52.(4)在反应器中加入5g/l相同粒径和体积的惰性石英砂作为对照，并用氮气将反应器中的空气吹脱10min，并密封连接集气袋，以保证系统严格厌氧状态；
53.(5)发酵反应温度为35℃，机械搅拌桨转速为150rpm/min，采用序批式进出料模式，20天之后，利用气相色谱对发酵液中的vfas和mcfas进行测定，其中己酸为mcfas的主要成分，浓度仅为8.31g cod/l，在总溶解性cod中占比仅为23％(g cod/g cod)，产量和占比均低于3个实施例。
54.总结
55.综合实施例1
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3和对比例1可得出，本发明提出的利用磁铁矿强化剩余污泥厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，在相同条件下，可以将产酸发酵液中的mcfas产量提高46％
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60％，组分占比提高43％
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56％，提升了污泥厌氧发酵产mcfas的能力，是一种污泥资源化的有效强化手段。
56.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
57.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。