一种快速培养厌氧颗粒污泥并高效生产丙酸和戊酸的方法与流程

本发明涉及环境微生物技术领域，具体涉及一种快速培养厌氧颗粒污泥并高效生产丙酸和戊酸的方法。

背景技术：

厌氧消化技术是微生物在缺氧的环境下，将有机物转化为甲烷和二氧化碳的一系列过程。它具有能耗低、能够产生资源化产品等优点，在高浓度废水及固体废弃物处理等领域得到广泛应用。厌氧消化处理技术主要分为三个阶段：水解、酸化和产甲烷阶段，其产生的挥发性脂肪酸(vfa)，包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，属于短链羧酸类。这些短链羧酸盐类是有机化工行业的重要生产原料，其附加值远大于甲烷，在生物塑料的合成、生物能源的生产和废水的脱氮除磷等方面有着广泛的应用潜力。为此国际上提出了“羧酸盐平台”，目前厌氧发酵产酸已成为废物资源化的研究方向之一。

高效“羧酸盐平台”不仅需要更高的羧酸盐产率、更少的化学品投入，而且发酵产物的控制同样十分重要。因为vfa的生产必须同后续利用结合，不同的vfa组分对于后续产物的类型和品质具有不同的影响。由于乙酸化学势能较低，在发酵过程中乙酸型发酵最为常见，往往不需要特别调控就可以获得乙酸为主要产物的发酵液。例如，与乙酸型发酵相比，利用丙酸和戊酸为原料前体，生产的聚羟基脂肪酸酯具有更好的材料性能及更高的商业价值。但是，目前关于发酵过程产物控制的研究并不多见，绝大多数研究均围绕通过预处理技术或共发酵方法等提升vfa产率。目前少量关于发酵产物调控的研究也仅限于乙酸为主要产物的发酵系统，而建立以丙酸和戊酸为主要产物的发酵系统的报道并不多见。因此，探究如何建立更多厌氧发酵产酸类型及其过程控制，对于生产、利用发酵vfa，建立完整的“羧酸盐平台”具有十分重要的实际意义。

厌氧颗粒污泥通过微生物自凝聚作用形成，可以提高反应器中污泥浓度，增大有机负荷，最大程度的提高反应效率，同时由于具有较好的沉降性，更容易实现泥水分离，能缩短沉降时间和减少污泥流失。但厌氧颗粒污泥的启动时间相对较长，在实际工程中增加了成本。此外，目前的厌氧颗粒污泥更多的是用于产甲烷过程，由于产酸菌时代周期短，相比于产甲烷过程，水解酸化颗粒污泥更难以形成稳定的颗粒化污泥。因此，如何快速的培养水解酸化颗粒污泥并高效生产丙酸和戊酸对于实现高效“羧酸盐平台”具有重要的意义。而到目前为止，文献中尚未有关于该方面的报道研究。

技术实现要素：

1.发明目的

针对当前开放体系内难以建立以丙酸和戊酸为主要产物，厌氧颗粒污泥启动慢等难题，本发明提供一种快速培养厌氧颗粒污泥生产丙酸和戊酸为主要发酵产物的方法。

2.技术方案

本发明提供一种快速培养厌氧颗粒污泥并高效生产丙酸和戊酸的方法，包括以下方面：

(1)反应器：本发明使用厌氧序批式反应器(asbr)。反应器高1.6m，直径约10cm，其中内径6.5cm，有效体积约5.6l。

(2)接种物：接种物取自某屠宰场牛粪，过80目筛网去除大颗粒残渣，接种前保存至4℃冰箱。

(3)人工配水成分：培养颗粒污泥过程使用人工配水，其主要组分包括：c3h8no2scl·h2o0.118g/l,酵母0.05g/l,葡萄糖5.6g/l,磷酸氢二钾0.967g/l；微量元素：nh4cl0.967g/l；k2hpo4·3h2o0.25g/l；mgso4·7h2o0.111g/l；nacl0.039g/l；edta0.066g/l；zncl20.00085g/l；cocl2·6h2o0.00083g/l；mncl2·4h2o0.00017g/l；nicl2·6h2o0.0002g/l；cucl2·2h2o0.00067g/l；fecl2·4h2o0.0062g/l；na2seo30.00107g/l；hbo30.000056g/l；(nh4)6mo7o24·4h2o0.0015g/l；nawo4·2h2o0.000044g/l；cacl2·2h2o0.125g/l。配水中其他成分和微量元素单独装置于塑料桶中，于4℃保存。其中其他成分溶液用2mhcl酸化至ph2.0-2.5。

(4)厌氧颗粒污泥的培养过程在(1)所述的反应器中进行，取(2)所述的接种污泥100-200ml加入该反应器，通过调节，使反应器进水cod为2.3-2.5g/l，循环周期设定1h(进水：1min；反应阶段：52min；沉淀：6min；排水：1min)，水力停留时间(hrt)2h。

(5)发酵过程中反应温度为37℃，ph维持在5.6-6.0，但进水阶段不进行ph调控。反应器顶部通入co2和n2混合气，保证运行过程中反应器顶空co2浓度占总气体含量的35％以上，反应器中液体通过气体循环泵进行搅拌，流速为2.0-2.5l/min。

3.本发明的有益效果

本发明在asbr反应器中快速培养的厌氧水解酸化颗粒污泥运行稳定，解决了传统水解酸化池占地面积大、污泥含量低、特别是产酸菌生长速率快，不宜形成稳定颗粒化污泥等难题。厌氧颗粒污泥经30天左右形成，污泥体积指数(svi)为15.6-25.8ml/gvss，颗粒化平均粒径0.57-0.72mm。水解酸化液中vfa浓度(以cod计)最高可达2.05g/l，vfa产率(以cod计)达到0.72-0.81gcod/gcod。水解酸化液中以丙酸和戊酸为主，含量达到68％-73％。该方法能够快速培养厌氧水解酸化颗粒污泥，并形成以丙酸和戊酸为主要产物的发酵系统，能够提高水解酸化反应器的运行负荷、产酸效率和运行稳定性，并降低svi，是一种可广泛适用于污水生物处理的工艺方法，发酵产物可用于合成高附加值生物塑料，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是水解酸化颗粒污泥照片(放大20倍)。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进一步做详细说明。

本发明所用到的仪器和材料均为市售。其中牛粪作为接种物取自北京市某屠宰场。

实施例1：

(1)牛粪首先用80目筛网过滤，取150ml作为接种污泥加入asbr反应器(1.6m，直径约10cm，其中内径6.5cm，有效体积约5.6l)。

(2)通过蠕动泵向反应器中投加cod浓度为2.5g/l的葡萄糖模拟废水，设定循环周期为1h(进水：1min；反应阶段：52min；沉淀：6min；排水：1min)，hrt为2h。

(3)控制反应温度为37℃，反应阶段ph维持在6.0左右，进水阶段不进行ph控制，进水阶段完成后系统内ph约为4.7。反应器顶部以200nml/min通入50％：50％co2和n2混合气，在进水和反应阶段从反应器底部通入反应器顶部气体循环，流速为2.0l/min。

(4)经过33天的培养，肉眼可见反应器中生成浅黄色椭圆球形颗粒污泥，见图1所示。颗粒平均粒径0.58mm，svi为15.7ml/gvss。反应器出水中vfa平均浓度(以cod计)为1.91gcod/l，丙酸和戊酸占总vfa含量的69.2％，出水vss为0.86g/l。

实施例2：

(1)牛粪首先用80目筛网过滤，取150ml作为接种污泥加入asbr反应器(1.6m，直径约10cm，其中内径6.5cm，有效体积约5.6l)。

(2)通过蠕动泵向反应器中投加cod浓度为2.5g/l的葡萄糖模拟废水，设定循环周期为1h(进水：1min；反应阶段：52min；沉淀：6min；排水：1min)，hrt为2h。

(3)控制反应温度为37℃，反应阶段ph维持在5.9左右，进水阶段不进行ph控制，进水阶段完成后系统内ph约4.3。反应器顶部以200nml/min通入50％：50％co2和n2混合气，在进水和反应阶段从反应器底部通入反应器顶部气体循环，流速为2.0l/min。

(4)反应器运行一周后，可观察到经过污泥黏附在反应器壁上。经过共约27天的培养，肉眼可见反应器中生成浅黄色椭圆球形颗粒污泥。颗粒平均粒径0.64mm，svi为17.3ml/gvss。反应器出水中vfa平均浓度(以cod计)为1.83gcod/l，丙酸和戊酸占总vfa含量的70.6％，出水vss为0.92g/l。

实施例3：

(1)牛粪首先用80目筛网过滤，取150ml作为接种污泥加入asbr反应器(1.6m，直径约10cm，其中内径6.5cm，有效体积约5.6l)。

(2)通过蠕动泵向反应器中投加cod浓度为2.5g/l的葡萄糖模拟废水，设定循环周期为1h(进水：1min；反应阶段：52min；沉淀：6min；排水：1min)，hrt为2h。

(3)控制反应温度为37℃，反应阶段ph维持在5.8左右，进水阶段不进行ph控制，进水阶段完成后系统内ph约4.6。反应器顶部以200nml/min通入50％：50％co2和n2混合气，在进水和反应阶段从反应器底部通入反应器顶部气体循环，流速为2.0l/min。

(4)反应器运行一周后，可观察到经过污泥黏附在反应器壁上。经过共约30天的培养，肉眼可见反应器中生成浅黄色椭圆球形颗粒污泥。颗粒平均粒径0.66mm，svi为20.4ml/gvss。反应器出水中vfa平均浓度(以cod计)为1.86gcod/l，丙酸和戊酸占总vfa含量的71.2％，出水vss为0.93g/l。

上述各实施例中，厌氧颗粒污泥的颗粒粒径分布采用配置有标尺的keyence显微镜测定；水样中的挥发酸浓度采用安捷伦气相色谱仪7890a测定。