一種利用海娜植物生物質與剩餘汙泥共發酵產酸的方法

2023-09-22 21:47:55

一種利用海娜植物生物質與剩餘汙泥共發酵產酸的方法
【專利摘要】本發明公開一種利用海娜植物生物質與剩餘汙泥共發酵產酸的方法。該方法是將海娜植物生物質與剩餘汙泥混合均勻，得到海娜植物生物質粉末的乾重百分含量為5﹪～70﹪的混合料；然後將混合料放入發酵罐或厭氧反應器進行共發酵；共發酵條件如下：控制發酵溫度為15～55℃，利用磷酸鹽緩衝液、碳酸氫鈉緩衝液或鹼性溶液維持發酵系統pH值為6.0～11.0，氧化還原電位低於-150mV；採用潛流攪拌器，轉速設置為50～300轉/分鐘，發酵時間為1～30d。剩餘汙泥無需進行鹼、熱鹼或超聲預處理，可直接與海娜植物生物質混合，通過控制本發明所述的操作條件，就可高效產生揮發性脂肪酸。
【專利說明】一種利用海娜植物生物質與剩餘汙泥共發酵產酸的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於環境保護中汙水處理廠汙泥處理處置領域，具體地說是涉及一種利用海娜植物生物質與剩餘汙泥共發酵產酸的方法。
【背景技術】
[0002]汙水處理廠是實現汙染物減排、控制水體汙染、提升區域水環境質量的重要手段之一。然而，在處理汙水過程中會產生大量剩餘汙泥，經汙水廠內帶式壓濾機、離心脫水機或板框壓濾機脫水後形成含水率約為80 %的膠凝態物質，具有體積大、易腐敗、惡臭、高物理穩定性、有機物和氮、磷等營養物質含量高等基本特點。因此，必須對剩餘汙泥進行減量化、穩定化和無害化處理，並實現能量和物質的最大化回收。[0003]剩餘汙泥中含有大量有機物，其水解發酵過程不僅能實現汙泥減量，而且能夠產生乙酸、丙酸等揮發性脂肪酸(VFAs)。VFAs是進行城市汙水脫氮除磷和工業廢水中氧化態汙染物高效去除的重要碳源。我國剩餘汙泥有機物含量相對較低，導致厭氧消化技術在剩餘汙泥的處理處置中的應用率偏低。
[0004]海娜植物生物質成分複雜，主要成分為天然纖維素，還含有香豆素類、糖類、醌類(指甲花醌)等多種化學成分，其中指甲花醌的含量可高達1.5 %。厭氧發酵條件下，海娜植物生物質在水解酶和發酵菌的作用下可形成糖類、蛋白質及H2、VFAs等多種電子供體，同時可能發生指甲花醌(游離態)的溶出。指甲花醌是一種高效的氧化還原介體，可加速生物/化學反應過程，對有機物的發酵類型影響深刻，可顯著提高VFAs的產量。因此，海娜植物生物質如若同剩餘汙泥混合進行共發酵，不僅能同步產酸，還能提供指甲花醌，對剩餘汙泥的水解發酵產酸過程同樣可能具有反向調節作用。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是為克服我國汙水處理廠剩餘汙泥有機物含量少、產酸水平低的限制因子，提供一種利用海娜植物生物質與剩餘汙泥共發酵產酸的方法，提升汙水處理廠剩餘汙泥減量化和資源化技術的應用水平。該方法可以達到剩餘汙泥和天然植物生物質的同步減量化，實現其資源化利用。
[0006]本發明方法包括如下步驟:
步驟(1).將海娜植物生物質採用粉碎機粉碎，得到粒徑小於3 mm的海娜植物生物質粉末；將海娜植物生物質粉末於50~70°C下烘乾待用；
步驟(2).剩餘汙泥經濃縮、脫水後待用；
所述的剩餘汙泥來源於城市汙水處理廠、工業廢水處理廠生化工藝中的一種或多種，當為多種混合時，比例為任意比；
步驟(3).將步驟(1)烘乾後的海娜植物生物質粉末與步驟(2)濃縮脫水後的剩餘汙泥混合均勻，得到混合料；其中混合料中海娜植物生物質粉末的乾重百分含量為5 %~70% ;然後將混合料放入發酵罐或厭氧反應器進行共發酵；所述的共發酵條件如下:控制發酵溫度為15~55°C，利用磷酸鹽緩衝液、碳酸氫鈉緩衝液或鹼性溶液維持發酵系統PH值為6.0~11.0，氧化還原電位低於-150 mV ;採用潛流攪拌器，轉速設置為50~300轉/分鐘，發酵時間為I~30 d。
[0007]作為優選，所述的鹼性溶液為NaOH溶液、KOH溶液或Ca (OH) 2溶液；
所述的厭氧反應器為厭氧序批式反應器(ASBR)或厭氧消化池；
所述的厭氧反應器採用汙泥循環泵設置內回流，回流比設為100 %~200 %，保障系統內水流素動，提聞傳質效果；
所述的海娜植物生物質為天然海娜植物生物質的花、莖、葉、種子中的一種或多種，當為多種混合時，比例為任意比。
[0008]本發明的有益效果是:採用天然海娜植物生物質作為剩餘汙泥共發酵基質，通過厭氧發酵系統，海娜植物生物質除了其本身可以產生揮發性脂肪酸(VFAs)外，其溶出的游離態指甲花醌或生物質表面的附著態指甲花醌均可顯著提高發酵產酸量。本發明的技術優點在於:剩餘汙泥無需進行鹼、熱鹼或超聲預處理，可以直接與海娜植物生物質混合，通過控制本發明所述的操作條件，就可高效產生VFAs，與剩餘汙泥單一發酵系統相比，共發酵系統中VFAs的產生量可提高2.11~3.87倍。本發明技術具有良好的環境和經濟效益，可實現汙水廠剩餘汙泥及海娜植物生物質的同步減量化，並能產生高品質的碳源。
【具體實施方式】
[0009]以下結合具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明的保護範圍並不限於此。
[0010]實施例1
所用的海娜植物生物質來源於安徽省某地，選用其葉子組分，粉碎機粉碎後過20目篩選取篩下物，50°C烘乾待用；剩餘汙泥來源於浙江省杭州市某城市汙水處理廠剩餘汙泥(脫水後)，揮發性懸浮固體(VSS)含量為138 g/L。
[0011]在發酵罐(有效容積3.0 L)中投加84 g海娜植物生物質和261 mL剩餘汙泥，然後用蒸餾水補足3.0 L0此時，混合液中VSS總量為40 g/L，其中海娜植物生物質乾重百分含量為70 %。在剩餘汙泥單一發酵系統對照組中投加870 mL剩餘汙泥；在海娜植物生物質單一發酵系統中投加120 g海娜植物生物質和20 mL剩餘汙泥。發酵罐中控制發酵溫度恆定為35°C，利用碳酸氫鈉緩衝液維持系統pH為8.0，氧化還原電位控制在-150~-220mV之間；發酵罐中轉速設置為150轉/分鐘，發酵時間設置為10 d。採用上述方法處理後，在共發酵系統中，發酵液中VFAs的產量可高達28000 mg SCOD L—1，分別為剩餘汙泥單一發酵系統中的3.53倍和海娜植物生物質單一發酵系統中的2.40倍。
[0012]實施例2
所用的海娜植物生物質來源於安徽省某地，選用其莖組分，粉碎機粉碎後過10目篩選取篩下物，50°C烘乾待用；所述剩餘汙泥來源於浙江省杭州市某城市汙水處理廠剩餘汙泥(脫水後)，VSS含量為138 g/L。
[0013]在發酵罐(有效容積3.0 L)中投加18g海娜植物生物質和522 mL剩餘汙泥，然後用蒸餾水補足3.0 L0此時，混合液中VSS總量為30 g/L，其中海娜植物生物質乾重百分含量為20 %。在剩餘汙泥單一發酵系統對照組中投加652 mL剩餘汙泥；在海娜植物生物質單一發酵系統中投加90 g海娜植物生物質和15 mL剩餘汙泥。發酵罐中控制發酵溫度恆定為15°C，利用NaOH溶液維持系統pH為11.0，氧化還原電位控制在-200~-230 mV之間；發酵罐中轉速設置為50轉/分鐘，發酵時間設置為I d。採用上述方法處理後，在共發酵系統中，發酵液中VFAs的產量可高達8600 mg SCOD L—1，分別為剩餘汙泥單一發酵系統中的3.06倍和海娜植物生物質單一發酵系統中的1.94倍。
[0014]實施例3
所用的海娜植物生物質來源於新疆某地，選用花作為使用組分，粉碎機粉碎後過50目篩選取篩下，70°C烘乾待用；所述剩餘汙泥為浙江省杭州市某城市汙水處理廠剩餘脫水汙泥和杭州市某澱粉廠汙水處理站生化處理工藝剩餘汙泥的混合物，兩種剩餘汙泥的體積配比為1:1，VSS含量為86 g/L。
[0015]在發酵罐(有效容積3.0 L)中投加5.25 g海娜植物生物質和2168 mL剩餘汙泥，然後用蒸餾水補足3.0 L0此時，混合液中VSS總量為35 g/L，其中海娜植物生物質乾重百分含量為5 %。在剩餘汙泥單一發酵系統對照組中投加1220 mL剩餘汙泥；在海娜植物生物質單一發酵系統中投 加105 g海娜植物生物質和20 mL剩餘汙泥。發酵罐中控制發酵溫度恆定為30°C，利用磷酸鹽緩衝液維持系統pH為6.0，氧化還原電位控制在-250~-280mV之間；發酵罐中轉速設置為200轉/分鐘，發酵時間設置為30 d。採用上述方法處理後，在共發酵系統中，發酵液中VFAs的產量可高達27800 mg SCOD L—1，分別為剩餘汙泥單一發酵系統中的2.36倍和海娜植物生物質單一發酵系統中的2.11倍。
[0016]實施例4
所用的海娜植物生物質來源於新疆某地，選用其種子作為使用組分，粉碎機粉碎後過20目篩選取篩下，60°C烘乾待用；所述剩餘汙泥來源於杭州市某澱粉廠汙水處理站生化處理工藝剩餘汙泥，VSS含量為65 g/L。
[0017]在發酵罐(有效容積3.0 L)中投加60 g海娜植物生物質和1385 mL剩餘汙泥，然後用蒸餾水補足3.0 L0此時，混合液中VSS總量50 g/L，其中海娜植物生物質乾重百分含量為40 %。在剩餘汙泥單一發酵系統對照組中投加2308 mL剩餘汙泥；在海娜植物生物質單一發酵系統中投加150 g海娜植物生物質和20 mL剩餘汙泥。發酵罐中控制發酵溫度恆定為55°C，利用KOH溶液維持系統pH為8.5，氧化還原電位控制在-210~-240 mV之間；發酵罐中轉速設置為300轉/分鐘，發酵時間設置為12 d。採用上述方法處理後，在共發酵系統中，發酵液中VFAs的產量可高達32400 mg SCOD L—1，分別為剩餘汙泥單一發酵系統中的4.21倍和海娜植物生物質單一發酵系統中的2.25倍。
[0018]實施例5
所用的海娜植物生物質來源於新疆某地，選用其種子作為使用組分，粉碎機粉碎後過20目篩選取篩下物，60°C烘乾待用；所述剩餘汙泥來源於杭州市某城市汙水處理廠剩餘脫水汙泥，VSS含量為138 g/L。
[0019]在ASBR反應器(有效容積5.0 L)中投加18.75 g海娜植物生物質和770 mL剩餘汙泥，然後用蒸餾水補足5.0 L0此時，混合液中VSS總量為25 g/L，其中海娜植物生物質乾重百分含量為15%。在剩餘汙泥單一發酵系統對照組中投加906 mL剩餘汙泥；在海娜植物生物質單一發酵系統中投加121.6 g海娜植物生物質和25 mL剩餘汙泥。發酵罐中控制發酵溫度恆定為25°C，利用Ca(OH)2溶液維持系統pH為7.5，氧化還原電位控制在-220~-270 mV之間；發酵罐中轉速設置為150轉/分鐘，發酵時間設置為15 d。採用上述方法處理後，在共發酵系統中，發酵液中VFAs的產量可高達36800 mg SCOD L—1，分別為剩餘汙泥單一發酵系統中的3.32倍和海娜植物生物質單一發酵系統中的2.45倍。
[0020]實施例6
所用的海娜植物生物質來源於新疆某地，選用其莖作為使用組分，粉碎機粉碎後過10目篩選取篩下，50°c烘乾待用；所述剩餘汙泥來源於杭州市某城市汙水處理廠剩餘汙泥(脫水)，VSS含量為138 g/L。按海娜植物生物質乾重百分含量為16.7 %的比例配置海娜植物生物質和剩餘汙泥混合物，並將混合物稀釋至20 g VSS/L後，4°C保存待用；同時將脫水剩餘汙泥稀釋至20 g VSS /L後作為對照組進泥。
[0021]採用厭氧消化池(有效容積5.0 L)作為厭氧發酵系統，利用碳酸氫鈉緩衝溶液調節稀釋後的混合物(剩餘汙泥+海娜植物生物質)和單一剩餘汙泥的pH值為8.0，設置其在厭氧消化池中的停留時間為10 d，即混合物流量控制為500 mL Cf1 ;採用汙泥泵設置厭氧消化池內循環比為150 %。反應器在35°C條件下連續運行兩個月。期間，發酵液中檢測到的VFAs含量可高達16700 mg SCOD L—1，為剩餘汙泥單一發酵系統中的3.34倍。
[0022]實施例7
所用的海娜植物生物質來源於新疆某地，選用其莖-葉混合物作為使用組分，莖-葉混合物中各成份的質量配比均為50 %，粉碎機粉碎後過10目篩選取篩下，50°C烘乾待用；所述剩餘汙泥來源於杭州市某城市汙水處理廠剩餘汙泥(脫水)，VSS含量為138 g/L。按海娜植物生物質乾重百分含量為30 %的比例配置海娜植物生物質和剩餘汙泥混合料，並將混合料稀釋至20 g VSS/L後，4°C保存待用；同時將脫水剩餘汙泥稀釋至20 g VSS /L後作為對照組進泥。
[0023]採用厭氧消化池(有效容積5.0 L)作為厭氧發酵系統，利用碳酸氫鈉緩衝溶液調節稀釋後的混合料(剩餘汙泥+海娜植物生物質)和單一剩餘汙泥的pH值為6.0，設置其在厭氧消化池中的停留時間為20 d，即混合料流量控制為250 mL Cf1 ;採用汙泥泵設置厭氧消化池內循環比為100 %。反應器在35°C條件下連續運行三個月。期間，發酵液中檢測到的VFAs含量可高達21800 mg SCOD L—1，為剩餘汙泥單一發酵系統中的3.54倍。
[0024]實施例8
所用的海娜植物生物質來源於新疆某地，選用其莖-花-種子混合物作為使用組分，莖-花-種子混合物中各成份的質量配比分別為40 %，40 %和20 %，粉碎機粉碎後過10目篩選取篩下，50°C烘乾待用；所述剩餘汙泥來源於杭州市某城市汙水處理廠剩餘汙泥(脫水)，VSS含量為138 g/L。按海娜植物生物質乾重百分含量為50 %的比例配置海娜植物生物質和剩餘汙泥混合料，並將混合料稀釋至20 g VSS/L後，4°C保存待用；同時將脫水剩餘汙泥稀釋至20 g VSS /L後作為對照組進泥。
[0025]採用厭氧消化池(有效容積5.0 L)作為厭氧發酵系統，利用碳酸氫鈉緩衝溶液調節稀釋後的混合料(剩餘汙泥+海娜植物生物質)和單一剩餘汙泥的pH值為10.0，設置其在厭氧消化池中的停留時間為30 d，即混合料流量控制為167 mL Cf1 ;採用汙泥泵設置厭氧消化池內循環比為200 %。反應器在25°C條件下連續運行四個月。期間，發酵液中檢測到的VFAs含量可高達24000 mg SCOD L_\為剩餘汙泥單一發酵系統中的3.87倍。
[0026]上述實施例並非是對於本發明的限制，本發明並非僅限於上述實施例，只要符合本發明要求，均屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種利用海娜植物生物質與剩餘汙泥共發酵產酸的方法，其特徵在於該方法包括以下步驟: 步驟(1).將海娜植物生物質採用粉碎機粉碎，得到粒徑小於3 mm的海娜植物生物質粉末；將海娜植物生物質粉末於50~70°C下烘乾待用； 所述的海娜植物生物質為天然海娜植物生物質的花、莖、葉、種子中的一種或多種，當為多種混合時，比例為任意比； 步驟(2).剩餘汙泥經濃縮、脫水後待用； 所述的剩餘汙泥來源於城市汙水處理廠、工業廢水處理廠生化工藝中的一種或多種，當為多種混合時，比例為任意比； 步驟(3).將步驟(1)烘乾後的海娜植物生物質粉末與步驟(2)濃縮脫水後的剩餘汙泥混合均勻，得到混合料；其中混合料中海娜植物生物質粉末的乾重百分含量為5 %~70% ;然後將混合料放入發酵罐或厭氧反應器進行共發酵； 所述的共發酵條件如下:控制發酵溫度為15~55°C，利用磷酸鹽緩衝液、碳酸氫鈉緩衝液或鹼性溶液維持發酵系統PH值為6.0~11.0，氧化還原電位低於-150 mV ;採用潛流攪拌器，轉速設置為50~300轉/分鐘，發酵時間為I~30 d； 所述的厭氧反應器為厭氧序批式反應器或厭氧消化池； 所述的厭氧反應器採用汙泥循環泵設置內回流，回流比設為100 %~200 %。
2.如權利要求1所述的一種利用海娜植物生物質與剩餘汙泥共發酵產酸的方法，其特徵在於鹼性溶液為NaOH溶液、KOH溶液或Ca (OH) 2溶液。
【文檔編號】C12P7/40GK103952446SQ201410147502
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月14日 優先權日:2014年4月14日
【發明者】黃進剛, 姚志通, 陳建軍, 韓偉 申請人:杭州電子科技大學