一种利用剩余污泥发酵产酸并合成微生物油脂的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种剩余污泥的处理方法，尤其是涉及一种利用剩余污泥发酵产酸并合成微生物油脂的方法，属于污泥资源化处理领域，同时也涉及微生物油脂合成领域。
【背景技术】
[0002]剩余污泥是城市污水处理厂的主要副产物，其处理处置成本较高且不当处理会对环境带来严重不良影响，而另一方面，剩余污泥中含有大量有机物等微生物生长的营养物质，具有潜在的资源化利用价值。利用剩余污泥生产生物柴油，实际上是从剩余污泥中获得能够合成生物柴油的原料一一油脂，油脂经进一步加工转化合成新型可再生能源一一生物柴油。从剩余污泥中获得油脂有两个主要途径:一种是直接提取剩余污泥中含有的油脂，这些油脂主要来源于活性污泥细菌细胞内油脂及其表面吸附的污水中的废弃油脂，但是直接提取的油脂中不可皂化成分(烷烃、固醇类等)含量高，生物柴油产率一般仅为3?6% (%污泥干重)；另外一种是利用剩余污泥所含有机物和营养元素作为底物培养产油微生物，获得高油脂含量(大于20%)的微生物细胞后进一步提取油脂。与其他产油微生物相比，产油酵母细胞内积累油脂含量更高且提取出的微生物油脂中可皂化油脂含量高，是更为理想的生物柴油原料。
[0003]在以剩余污泥为基质进行的产油酵母的培养中，已有研究采用超声破碎、酸碱水解和水力空化等方法对剩余污泥进行预处理，释放污泥絮体中的有机物和营养物质，而后应用于培养产油酵母合成微生物油脂。但在这些研究中，预处理不彻底导致污泥中没有足够的可供产油酵母利用的碳源，因此以单纯剩余污泥为基质培养产油酵母的效果都较差，需要额外投加碳源等主要营养物质才能够获得较高的微生物油脂产量。
[0004]有研究利用常规物理、化学方法对剩余污泥进行预处理后，用于产油酵母的培养过程，但由于有机物释放和存在形式不适合酵母菌利用，所以油脂产量较低。
【发明内容】
[0005]针对污泥发酵产酸上清液中碳源含量低、氨氮含量高的特点，本发明提供一种利用剩余污泥发酵产酸并合成微生物油脂的方法，该方法利用鸟粪石沉淀结合原创序批式培养的方法，实现污泥发酵产生的挥发性脂肪酸向微生物油脂的资源化转化。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]—种利用剩余污泥发酵产酸并合成微生物油脂的方法，包括以下步骤:
[0008](I)以剩余污泥为原料，常温条件下加入茶皂素进行厌氧发酵获得上清液；
[0009](2)采用鸟粪石沉淀法去除步骤(I)所得上清液中的氨氮，得到富含挥发性脂肪酸的溶液；
[0010](3)以步骤(2)所得的溶液为培养基，采用序批式培养方式(Sequencing batch)培养产油酵母；
[0011](4)以步骤(3)培养结束得到的酵母菌细胞为原料，提取得到微生物油脂。
[0012]步骤(I)所述的剩余污泥来源于采用生物法处理城市生活污水的污水处理厂。
[0013]步骤(I)所述的厌氧发酵过程中，污泥浓度为15?20g/L，投加茶皂素0.lg/gTSS，搅拌速度为100?150rpm，发酵温度25?30°C，发酵pH为7?9，发酵时间为6?7天。
[0014]步骤(2)所述的鸟粪石沉淀法具体为:向步骤(I)所得上清液中投加磷酸氢二钠固体和氯化镁高浓度母液，使溶液中N: P:Mg摩尔比为1: 2.2:2.2，沉淀过程控制pH为9.0?9.5，离心分离获取上清液，离心力优选为5000 X g，离心时间优选为5min。
[0015]步骤(3)所述的采用序批式培养方式培养产油酵母具体操作方式为，将酵母菌种子培养液以5%?10% (v/v)接入到步骤(2)得到的富含挥发性脂肪酸的溶液中进行培养，定期监测培养过程中酵母菌的生物量，当酵母菌不再生长时排出发酵液保留酵母菌菌体，然后以步骤(2)得到的溶液作为新鲜培养基补充进去进入下一个周期的培养，共进行3?5个周期。
[0016]发酵培养过程中，初始pH为6.0，转速150?200rpm，培养温度为29.5-30.5°C。
[0017]步骤(4)中酵母菌细胞收集采用离心法，离心力优选为4000Xg，离心时间优选为5min，生理盐水离心清洗一次。
[0018]步骤(4)中油脂提取采用物理研磨破碎+有机溶剂提取的方法，具体为:加0.5mm直径的玻璃珠3500rpm高速研磨5?10s，用甲醇氯仿体积比为1:1的有机溶剂提取两次，离心后抽取并合并两次提取的下层溶液，再以质量分数为0.15%的NaCl溶液离心清洗一次，抽取下层溶液，45-55°C条件下采用氮吹法挥发有机溶剂获得微生物油脂。
[0019]本发明适用于所有能以VFAs为碳源合成微生物油脂的酵母菌株，即所述的酵母菌包括Cryptococcus curvatus MUCL 29819nCryptococcus curvatus ATCC 20509、Rhodosporidium toruloides AS 2.1389、Cryptococcus albidus ATCC 10672或Yarrowialipolytica MUCL 2884等。
[0020]挥发性脂肪酸是可以被酵母菌直接利用的碳源，并且与葡萄糖相比，其向油脂的转化途径更短、理论转化效率更高。本发明中，剩余污泥通过厌氧发酵将有机物转化为挥发性脂肪酸作为碳源进行产油酵母的培养，一方面实现了剩余污泥的资源化，另一方面也降低了微生物油脂的合成成本。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果:
[0022]1、以污泥产酸发酵上清液为培养基，不需要外加任何营养物质，微生物油脂生产成本低。
[0023]2、本发明以鸟粪石沉淀法进行溶液中氨氮和总磷的回收，以合成微生物油脂进行污泥中有机物的转化利用，提供了一条高效实现剩余污泥资源化的新途径。
[0024]3、采用鸟粪石结合序批式培养的方式，使酵母菌油脂含量从10%提高至40%，促产效果显著。
[0025]4、鸟粪石结合序批式培养的模式适用于一般氨氮含量高而VFAs碳源含量低的溶液，为低浓度VFAs溶液的资源化提供了一条符合实际应用的新思路。
【附图说明】
[0026]图1为采用序批式培养的实施例发酵结果；
[0027]图2为采用常规培养的对比实施例发酵结果。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0029]以下实施例中采用的产油酵母菌为Cryptococcus curvatus MUCL 29819，购买自日本技术与评估国家研究所生物资源中心(B1logical Resource Center ,Nat1nalInstitute of Technology and Evaluat1n,Tokyo,Japan)0
[0030]本发明适用于采用生物法的污水处理厂剩余污泥厌氧发酵产酸培养产油酵母。实施例中的污泥采用上海市某污水处理厂二沉池剩余污泥，该污水处理厂进水主要为生活污水，采用4/^/0(4肪61"013；[0-411(?;[0-(^;[0，厌氧-缺氧-好氧法)工艺，其中厌氧段停留时间1.5h、缺氧段1.5h、好氧段4.7h，污泥泥龄8?10d，污泥负荷0.2kg(B0D5)/(kg MLSS.d)。实施例中污泥的MLVSS(挥发性悬浮固体浓度，Mixed Liquor Volatile Suspended Solids)/MLSS(总悬浮固体浓度,Mixed Liquid Suspended Solids)为0.67?0.7。
[0031]实施例1
[0032](I)厌氧发酵:将剩余污泥在4°C下静置沉淀12?24h至下层浓缩污泥的浓度在15?20g/L之间，移除上清液，取300mL浓缩污泥至IL体积的厌氧发酵罐中，按照0.lg/gTSS的浓度加入茶皂素，厌氧条件下进行污泥的厌氧发酵，发酵PH为9，温度30±0.5°C，搅拌速度120rpm，厌氧发酵时间为7天。对发酵液进行固液分离所采用的方式为离心，离心分离的离心力为10000 X g，离心时间为20min，获得产酸上清液。
[0033](2)