一种强化污泥厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸的联合预处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种联合游离亚硝酸和十二烷基苯磺酸钠预处理污泥生产短链挥发性脂肪酸及其制备方法
【背景技术】
[0002]剩余污泥作为污水厂运行中产生的副产物，其含有大量的有机物。与此同时，剩余污泥的处理与处置费用一般占到整个污水厂运行和管理总费用的50-60%。因此如何实现污泥的资源化、稳定化与减量化是学者的研究重点。此外，污水处理厂在进行生物脱氮除磷的过程中普遍存在碳源不足的问题，严重限制了生物脱氮除磷的效果。若是能够污水厂产生的污泥进行厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸，再用生产的短链挥发性脂肪酸补给，一方面解决了碳源不足的问题，同时也实现了污泥的资源化利用。
[0003]污泥厌氧发酵包括水解、酸化和产甲烷三个连续过程，短链挥发性脂肪酸是酸化过程的产物，并作为产甲烷的底物在甲烷化过程中被消耗产生甲烷，二氧化碳等气体。为了提高短链挥发性脂肪酸在此过程中的积累量，前两个反应步骤应得到强化，最后一个反应步骤应得到抑制。以前的促进污泥厌氧发酵的预处理包括:热处理，机械预处理(微波，超声，高压等)，化学试剂预处理(碱，酸等)和生物预处理(酶，接种细菌等)。上述方法随能提高污水的水解速率和降解程度，但是存在资金投入大，运行不稳定和产酸效果低下等缺点。因此亟待发明一种价格低廉(最后污水厂原位生产)，运行可靠稳定且产酸效率较高的预处理手段。
[0004]游离亚硝酸(亚硝酸盐的质子化形态)对细胞的胞外聚合物及细胞壁均有极强的破坏作用，进而可以释放胞内的物质，加速污泥厌氧的水解速率。但是其破坏程度仍存在一定的限制。同时，十二烷基苯磺酸钠也是污水厂中常用的发泡剂与乳化剂，其在污泥中具有一定的含量，十二烷基苯磺酸钠对污泥甲烷化均具有严重的抑制作用，这样就可以减少短链挥发性脂肪酸的消耗。然而利用游离亚硝酸和十二烷基苯磺酸钠强化污泥厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸的研究至今尚未报道。此外，游离亚硝酸和十二烷基苯磺酸钠都能在污水厂中原位获得，因此本发明可以实现污泥原位生产短链会发想脂肪酸，该发明具有运行成本低廉，产酸效率高，反应时间段等优点。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是克服现有技术中短链挥发性脂肪酸效率产量有限且发酵时间长等缺陷，提供一种产物产量高、制备方法简单、节能降耗、运行成本低，利用游离亚硝酸和十二烷基苯磺酸钠联合预处理强化厌氧发酵处理污泥生产短链挥发性脂肪酸的方法。
[0006]本发明提供了一种利用游离亚硝酸和十二烷基苯磺酸钠联合预处理强化污泥厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸的方法。其具体步骤如下:
[0007](1)采用城市污水处理厂二沉池污泥做为发酵基物；
[0008](2)向发酵基物中接种厌氧活性污泥作为接种物；
[0009](3)向发酵体系中投加亚硝酸盐和十二烷基苯磺酸钠并控制反应pH = 6.0进行2天预处理。
[0010](4)预处理完成后，调节pH = 7.0进行厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸。
[0011]上述的制备方法，优选的，步骤(1)中将污泥在4°C下自然沉淀24h后，去除上清液得到发酵基物；污泥主要为城市污水处理厂二沉池的剩余污泥。
[0012]上述的制备方法，优选的，步骤(2)中接种污泥取自长沙某UASB反应器中的接种污泥，该污泥中富含厌氧发酵微生物，接种污泥与发酵基物的质量比为1:9。
[0013]上述的制备方法，优选的，步骤(3)中，向发酵基物中加入亚硝酸钠后，控制游离亚硝酸的浓度为0?3.08mg HN02-N/L，pH为6±0.1。十二烷基苯磺酸钠的质量控制在0.02g/g DS.游离亚硝酸的投加量是该系统中污泥发酵的重点参数，当游离亚硝酸的浓度控制在0-1.54mgHN02-N/L时，污泥发酵液中短链挥发性脂肪酸的含量随着游离亚硝酸的量增大而增大。当游离亚硝酸的浓度超过1.54mg HN02-N/L时，发酵液中短链挥发性脂肪酸的含量随着游离亚硝酸浓度的增加而降低。因此该联合预处理中最佳游离亚硝酸的投加量为 1.54mgHN02-N/Lo
[0014]上述的制备方法，优选的，步骤(3)中预处理步骤为将发酵基物，接种物，游离亚硝酸和十二烧基苯磺酸钠机械均勾搅拌48h，并控制转速为100?130rpm/min，更进一步确定转速为120rpm/min。
[0015]上述的制备方法，优选的，搅拌温度为20±0.1°C。
[0016]上述的制备方法，优选的，厌氧发酵的温度为30?40°C，进一步的，厌氧发酵的温度为33?37°C。
[0017]上述的制备方法，优选的，厌氧发酵的时间为3?8d。
[0018]本发明的创新点在于:
[0019]游离亚硝酸是亚硝酸盐(N02 )的质子化形态，其对污泥中微生物的胞外聚合物及细胞壁均有较强的破坏作用，进而加速胞内物质的释放。而十二烷基苯磺酸钠是一种化学类的表面活性剂，其对污泥厌氧发酵体系中产甲烷菌具有极强的抑制作用，能够抑制产甲烷菌的生长是亚硝酸盐在水体的质子化形态，且十二烷基苯磺酸钠本身在污泥中就存在一定的含量。本发明联合游离亚硝酸和十二烷基苯磺酸钠来强化短链挥发性脂肪酸的积累。游离亚硝酸与十二烷基苯磺酸钠的联合能够更好的促进蛋白质及多糖的溶出，进而被产酸菌所利用，又因为十二烷基苯磺酸钠能够抑制产甲烷菌的活性，减少了短链挥发性脂肪酸的消耗。进而使得短链挥发性脂肪酸得到积累，且缩短了发酵时间。联合作用要不单独FNA和单独十二烷基苯磺酸钠预处理产生的短链挥发性脂肪的量都要大。
[0020]此外，游离亚硝酸和十二烷基苯磺酸钠都可以从污水厂中得到。游离亚硝酸可以从污泥发酵液中回收，而十二烷基苯磺酸钠被常用于发泡剂和乳化剂，进而十二烷基苯磺酸钠会转移到污泥体系中。利用游离亚硝酸和十二烷基苯磺酸钠强化污泥厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸可以实现污泥的资源化利用，此外生产的富含短链挥发性脂肪酸经过处理之后可以回流到污水处理厂的进水作为外碳源强化生物脱氮除磷，提高污水的处理效率，实现能源的循环利用。
[0021]在本发明中游离亚硝酸主要起到破坏污泥的胞外聚合物及细胞壁，进而加速污泥的水解过程，游离亚硝酸的浓度进而会影响短链挥发性脂肪酸的积累。实验结果表明当游离亚硝酸的浓度在0-1.54mg HN02-N/L时，随着游离亚硝酸浓度的升高，短链挥发性脂肪酸的积累量也会升高，但当游离亚硝酸的浓度超过1.54mg HN02-N/L时，游离亚硝酸会对短链挥发性脂肪酸的积累有抑制作用。在本联合发明中十二烷基苯磺酸钠的量选取0.02g/gDS,两者的联合产生课协同效果，大大增加了短链挥发性脂肪酸的积累。且最大短链挥发性脂肪酸的产量为334.5mg COD/g VSS，最佳发酵时间为4天。
[0022]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0023](1)本发明利用利用污水厂运行过程中红的副产物污泥为发酵基质进行厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸，实现了污泥的资源化、减量化与稳定化。此外污泥发酵生产的短链挥发性脂肪酸可以应用到进水中提高进水有机碳的含量。该发明是城市污水处理厂的一种循环经济模式。
[0024](2)本发明采用游离亚硝酸和十二烷基苯磺酸钠联合预处理污泥来制备短链挥发性脂肪酸。联合作用下制备的短链挥发性脂肪酸的最大含量明显高于两者各自制备。且联合作用下最佳发酵时间也明显短于两者单独发酵。
[0025](3)游离亚硝酸和十二烷基苯磺酸钠这两种物质均可在污水厂中获取，不用额外投加，应用改联合发酵技术对改进和优化现有污泥处理系统，有一定指导意义。
【具体实施方式】
[0026]以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0027]实施例
[0028]以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。污泥取自长沙市第二污水处理厂二沉池的剩余污泥。接种厌氧污泥中含有蛋白菌(Proteobacteria)，拟杆菌(Bacteroidetes)和放线菌(Actinobateria)等微生物。
[0029]实施例1
[0030](1)制备发酵基物:取污水处理厂的剩余污泥(含水率为98.9%，pH = 7.0)放置在实验室4°C的冰箱中自然沉淀24h。排出上层液体后得到剩余污泥作为发酵基物。
[0031](2)预处理:向步骤(1)中得到的发酵基物中投加亚硝酸钠和十二烷基苯磺酸钠，控制游离亚硝酸的浓度为0.51mg HN02-N/L，十二烷基苯磺酸钠的浓度为0.02g/g DS, pH =6.0并维持2d，期间温度控制在20±0.1°C，污泥机械搅拌的转速为120rpm/min。
[0032](3)厌氧发酵:在发酵第3d，将反应器中pH调至7.0，并充氮气驱氧15min，温度控制在35土 1°C进行厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸。当总时间在第4天时，生产的短链挥发性脂肪酸的量达到最大且为284.lmg C0D/g VSS。
[0033]实施例2
[0034](1)制备发酵基物:取污水处理厂的剩余污泥(含水率为98.9%，pH = 7.0)放置在实验室4°C的冰箱中自然沉淀24h。排出上层液体后得到剩余污泥作为发酵基物。
[0035](2)预处理:向步骤(1)中得到的发酵基物中投加亚硝酸钠和十二烷基苯磺酸钠，控制游离亚硝酸的浓度为0.77mg HN02-N/L，十二烷基苯磺酸钠的浓度为0.02g/g DS，pH =6.0并维持2d，期间温度控制在20±0.1°C，污泥机械搅拌的转速为120rpm/min。
[0036](3)厌氧发酵:在发酵第3d，将反应器中pH调至7.0，并充氮气驱氧15min，温度控制在35土 1°C进行厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸。当总时间在第4天时，生产的短链挥发性脂肪酸的量达到最大且为308.2mg COD/g VSS。
[0037]实施例3
[0038](1)制备发酵基物:取污水处理厂的剩余污泥(含水率为98.9%，pH = 7.0)放置在实验室4°C的冰箱中自然沉淀24h。排出上层液体后得到