城镇有机废物高值生物转化过程的有害物消减与控制方法

本发明属于城镇有机废物处理领域，具体涉及城镇有机废物高值生物转化过程的有害物消减与控制方法。

背景技术：

随着我国城镇化的快速发展，产生的城镇有机废物(包括餐厨垃圾及厨余垃圾等)的量显著增加。城镇有机废物中含有大量碳水化合物、蛋白类物质等，不经过处置直接排放到环境，将造成严重环境污染，并且浪费了有机资源。采用生物的方法将这些有机物转化为甲烷、氢气等能源物质，是提高有机废物利用价值的一个方向。与传统的将城镇有机废物转化为甲烷及氢气不同，利用生物的方法在开放系统中将城镇有机废物转化为乙酸、丙酸、乳酸等液体化学品，不但操作更加方便，产品更易储存和运输，对周围安全等级的要求更低，因此成为近年来国内外一个重要研究热点。

抗生素和重金属离子在城镇有机废物中的检出频率呈现不断增加的趋势。抗生素在造成环境的化学污染同时，能够诱导环境中的微生物发生突变，产生抗性基因并传播，危害人体健康；过量的重金属离子排放到环境，不仅对水体一水生植物一水生动物系统产生严重危害，还可能通过食物链影响到人类健康，导致痛风样综合症、关节痛、肾脏受损等病症。此外，在城镇有机废物高值生物转化系统中，过量抗生素及重金属离子的存在，也会对微生物活性产生明显的抑制作用。可见，研发同时消减抗生素和重金属对城镇有机废物高值生物转化不利影响及其去除的方法，对于提高城镇有机废物高值生物转化效果、减少有机废物残渣中的抗生素和重金属对环境的不利影响，具有重要意义。

目前，抗生素的处理方法主要有人工湿地法、土壤渗滤法、超声降解法、低温等离子法等；对于重金属离子的去除，使用的方法主要包括化学沉淀法、氧化还原处理、溶剂萃取分离、吸附法、膜分离法、离子交换法。如果能够考虑抗生素和重金属离子对城镇有机废物高值生物转化过程的抑制作用，并且研发消减抗生素和重金属对城镇有机废物高值生物转化不利影响及其去除的新方法，则对于提升城镇有机废物高值化利用水平和产品质量，减少固体或液体残余物中有害物质释放对环境造成的二次污染。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供城镇有机废物高值生物转化过程的有害物消减与控制方法，用于解决现有技术中存在的难题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。

本发明的目的之一在于提供城镇有机废物高值生物转化过程的有害物消减与控制方法，包括如下步骤：

1)驯化阶段：污泥、第一城镇有机废物、有机酸和水混合，驯化，获得驯化污泥；

2)生物转化第一阶段：所述驯化污泥和第二城镇有机废物混合，进行厌氧培养；

3)生物转化第二阶段：加入硝酸盐和细菌继续进行厌氧培养，获得有机酸。

优选地，所述污泥为污水处理厂的剩余污泥，所述污泥的ph为6.0～7.0、悬浮物浓度900mg/l～10400mg/l、碳与氮的摩尔比5.0～7.5；所述第一城镇有机废物和第二城镇有机废物的主要性质如下：ph为5.0～6.5、悬浮物浓度8000mg/l～81600mg/l、碳与氮的摩尔比18～27。本发明中，悬浮物测定参考《水和废水监测分析方法》中的规定。

优选地，步骤1)中，所述污泥与第一城镇有机废物的干重比为1:(7～11)。

更优选地，所述污泥与第一城镇有机废物的干重比为1:(8～10)。

优选地，步骤1)中，所述驯化条件包括：ph值为4～11，驯化温度为5℃～80℃。

优选地，步骤1)中，所述酸为乙醇、丙酸或乳酸。

优选地，步骤1)中，混合形成的混合物中固体物含量的浓度2000mg/l～10000mg/l。本发明中，固体物含量测定参考《水和废水监测分析方法》中的规定。

优选地，步骤1)中，混合形成的混合物中酸的浓度为50mg/l～3000mg/l。

更优选地，所述酸为乙酸时，驯化条件为：ph值为8～10，温度24℃～26℃；乙酸的浓度为2000～2200mg/l。

进一步优选地，所述酸为乙酸时，驯化条件为：ph值为9，温度25℃；乙酸的浓度为2100mg/l。

更优选地，所述酸为丙酸时，驯化条件为：ph值为8～10，温度24℃～26℃；丙酸的浓度为1100～1300mg/l。

进一步优选地，所述酸为丙酸时，驯化条件为：ph值为8，温度25℃；丙酸的浓度为1200mg/l。

更优选地，所述酸为乳酸时，驯化条件为：ph值5.5～7.5，温度24℃～26℃；乳酸的浓度为500～700mg/l。

进一步优选地，所述酸为乳酸时，驯化条件为：ph值6.5，温度25℃；乳酸的浓度为600mg/l。

优选地，步骤2)中，所述驯化污泥和第二城镇有机废物的干重比为(0.5～30)：100。

更优选地，所述驯化污泥和第二城镇有机废物的干重比为(6～10)：100。

优选地，步骤2)中，混合形成的混合物中还包括水，所述混合物中固体物的浓度为5000mg/l～70000mg/l。

更优选地，所述混合物中固体物的浓度为5500mg/l～30000mg/l。

优选地，步骤2)中，所述厌氧培养的条件为：ph值为4～11，时间0.5d～6d，温度5℃～80℃。

更优选地，所述酸为乙酸时，所述厌氧培养的条件为：ph值为8～10，时间为5d～6d，温度为24℃～26℃。

进一步优选地，所述酸为乙酸时，所述厌氧培养的条件为：ph值为9，时间为6d，温度为25℃。

更优选地，所述酸为丙酸时，所述厌氧培养的条件为：ph值为7～9，时间为4d～6d，温度为24℃～26℃。

进一步优选地，所述酸为乙酸时，所述厌氧培养的条件为：ph值为8，时间为5d，温度为25℃。

更优选地，所述酸为乳酸时，所述厌氧培养的条件为：ph值为5.5～7.5，时间为3d～5d，温度为24℃～26℃。

进一步优选地，所述酸为乙酸时，所述厌氧培养的条件为：ph值为6.5，时间为4d，温度为25℃。

优选地，步骤3)中，所述继续厌氧培养的条件为：ph值4～11，时间0.5d～6d，温度5℃～80℃。

优选地，所述硝酸盐为硝酸钠或硝酸钾

更优选地，所述硝酸盐的加入量不超过50mg/l。

进一步优选地，以步骤2)中混合形成的混合物的体积为基准计，所述硝酸盐的浓度为20mg/l-24mg/l。

优选地，所述细菌包括反硝化细菌和产电细菌。

更优选地，所述反硝化细菌包括假单胞菌、脱氮副球菌，所述产电细菌包括希瓦氏菌、地杆菌。

更优选地，所述反硝化细菌与第二城镇有机废物的干重比为(0.001～20)：100，所述产电细菌与第二城镇有机废物的干重比为(0.001～20)：100。

进一步优选地，所述反硝化细菌与第二城镇有机废物的干重比为(0.2～0.6)：100，所述产电细菌与第二城镇有机废物的干重比为(0.5～1.5)：100。

优选地，所述有机酸包括乙酸、丙酸、乳酸；所述有害物包括重金属和抗生素，所述抗生素包括四环素和磺胺嘧啶，所述重金属包括铬和砷。

本发明在城镇有机废物生物转化过程引入微生物，通过微生物降解或氧化还原机制来实现抗生素和重金属等有害物的消除。其主要机理为，抗生素作为电子供体，重金属离子作为电子受体，在假单胞菌、脱氮副球菌等微生物作用下，将抗生素降解并彻底矿化，同时实现重金属离子还原解毒。由于产电细菌具有促进电子转移或传递的能力，因此在抗生素降解及重金属离子还原过程中，产电细菌的加入使得抗生素降解及重金属离子还原效率大幅度提高。此外，产酸细菌的代谢产物(例如乳酸)能够作为产电细菌生长和代谢需要的碳源。因此，本发明的使用显著促进了有害物消减效率，同时使得城镇有机废物高值厌氧生物转化的有机酸产物得率得到提高。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过使用生物的方法，降低了城镇有机废物生物转化为有机酸如乙酸、丙酸、乳酸等高值化学品过程中的抗生素及重金属离子的不利影响，有机酸的得率提高了3倍。

(2)本发明在不需要使用化学药剂的前提下，减少了抗生素及重金属离子在城镇有机废物生物转化后的残余量，有利于高质量有机酸等产品的获得，显著降低城镇有机废物处理后的残余物对环境造成的二次污染。

附图说明

图1显示为本发明城镇有机废物高值生物转化过程的有害物消减与控制方法流程示意图

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

本发明中城镇有机废物生物转化中有害物的消减与控制如图1所示，具体包括如下步骤：

1)驯化阶段：污泥、第一城镇有机废物、酸和水混合，驯化，获得驯化污泥；具体地，所述污泥与第一城镇有机废物的干重比为1:(7～11)，所述酸为乙酸、丙酸或乳酸，所述混合物中固体物含量的浓度为2000mg/l～10000mg/l，述混合物中酸的浓度为50mg/l～3000mg/l，所述驯化条件为：ph值为4～11，温度为5℃～80℃。

2)生物转化第一阶段：所述驯化污泥和第二城镇有机废物混合，进行厌氧培养；具体地，所述驯化污泥和第二城镇有机废物的干重比为(0.5～30)：100，所述混合物中还包括水，所述混合物中固体物的浓度为5000mg/l～70000mg/l，所述厌氧培养条件为：ph值4～11，时间0.5d～6d，温度5℃～80℃。

3)生物转化第二阶段：加入硝酸盐和细菌继续进行厌氧培养，获得有机酸；具体地，硝酸盐为硝酸钠或硝酸钾，细菌包括反硝化细菌和产电细菌，继续培养，培养条件为：ph值4～11，时间0.5d～6d，温度5℃～80℃。

作为本发明实施例中优选的一个方案，反硝化细菌包括假单胞菌、脱氮副球菌，产电细菌包括希瓦氏菌、地杆菌。

作为本发明实施例中优选的一个方案，反硝化细菌与第二城镇有机废物的干重比为(0.001～20)：100，产电细菌与第二城镇有机废物的干重比为(0.001～20)：100。

实施例1

本实施例中城镇有机废物高值生物转化过程的有害物消减与控制方法，包括如下步骤：

1)驯化阶段：将污水处理厂的剩余污泥、第一城镇有机废物、乙酸和水置于生物驯化反应器中混合均匀，其中，污泥与第一城镇有机废物的干重比为1：9，混合物中固体物含量的浓度为10000mg/l，混合物中乙酸的添加浓度为3000mg/l；维持驯化反应器内的ph值为11，温度为80℃，每天测定驯化反应器中的乙酸浓度；当反应器中的乙酸浓度不再随时间而明显增加时，再次按照上述同样操作进行；经过51d的驯化，获得驯化污泥(vs-a)。

2)生物转化第一阶段：将第二城镇有机废物与驯化污泥(vs-a)加入到生物转化反应器中混合均匀，其中，vs-a与第二城镇有机废物的干重比为30：100；加入水至生物转化器中固体物的浓度为70000mg/l；向生物转化反应器中添加磺胺嘧啶、四环素、重铬酸钾和砷酸钠各10mg/l，控制ph值为11，培养温度为80℃，在厌氧条件下搅拌6天。

3)生物转化第二阶段：向生物转化后的产物中加入硝酸钾至50mg/l，其中，假单胞菌与第二城镇有机废物的干重比为0.001:100，希瓦氏菌与第二城镇有机废物的干重比为0.001:100；再继续搅拌6天后，进行固液分离，分析液相中的乳酸、四环素、磺胺嘧啶、铬离子和砷离子的浓度，分析固相中四环素、磺胺嘧啶、铬离子和砷离子的浓度。

结果显示，液相中的乙酸浓度为3241mg/l，液相和固相中总的磺胺嘧啶、四环素、六价铬和五价砷的去除率分别为39％、36％、41％和41％。

实施例2、实施例3、实施例4和对比例1的具体参数见下表，其他同实施例1，参数和检测结果详见下表：

实施例5

本实施例中城镇有机废物高值生物转化过程的有害物消减与控制新方法，包括如下步骤：

1)驯化阶段：将污水处理厂的剩余污泥、第一城镇有机废物、丙酸和水置于生物驯化反应器中混合均匀，其中，污泥与第一城镇有机废物的干重比为1：9，混合物中固体物含量的浓度为10000mg/l，混合物中丙酸的浓度为3000mg/l；维持驯化反应器内的ph值为11，温度为80℃，每天测定驯化反应器中的丙酸浓度；当反应器中的丙酸浓度不再随时间而明显增加时，再次按照上述同样操作进行；经过49d的驯化，获得驯化污泥(vs-p)。

2)生物转化第一阶段：将第二城镇有机废物与驯化污泥(vs-p)置于生物转化反应器混合均匀，其中，vs-p与第二城镇有机废物的干重比为30：100；加入水至生物转化器中固体物的浓度为70000mg/l；向生物转化反应器中添加磺胺嘧啶、四环素、重铬酸钾和砷酸钠各10mg/l，控制ph值11，培养温度为80℃，在厌氧条件下搅拌6天。

3)生物转化第二阶段：向生物转化后的产物中加入硝酸钾50mg/l，再加入假单胞菌及希瓦氏菌，其中，假单胞菌与第二城镇有机废物的干重比为0.001:100，希瓦氏菌与第二城镇有机废物的干重比为0.001:100；再继续搅拌6天后，进行固液分离，分析液相中的乳酸、四环素、磺胺嘧啶、铬离子和砷离子的浓度，分析固相中四环素、磺胺嘧啶、铬离子和砷离子的浓度。

结果显示，液相中的丙酸浓度为1394mg/l，液相和固体残渣中总的磺胺嘧啶、四环素、六价铬和五价砷的去除率分别为31％、33％、44％和45％。

实施例6、实施例7、实施例8和对比例2的具体参数见下表，其他同实施例5，参数和检测结果见下表：

实施例9

本实施例中城镇有机废物高值生物转化过程的有害物消减与控制新方法，包括如下步骤：

1)驯化阶段：将污水处理厂的剩余污泥、第一城镇有机废物、乳酸和水置于生物驯化反应器中混合均匀，其中，污泥与第一城镇有机废物的干重比为1：9，混合物中固体物含量的浓度为10000mg/l，混合物中乳酸的浓度为3000mg/l；维持驯化反应器内的ph值为11，温度为80℃，每天测定驯化反应器中的乳酸浓度；当反应器中的乳酸浓度不再随时间而明显增加时，再次按照上述同样操作进行；经过46d的驯化，获得驯化污泥(vs-l)。

2)生物转化第一阶段：将第二城镇有机废物与驯化污泥(vs-l)置于生物转化反应器中混合均匀，其中vs-l与第二城镇有机废物的干重比为30：100；加入水至生物转化器中固体物的浓度为70000mg/l；向生物转化反应器中添加磺胺嘧啶、四环素、重铬酸钾和砷酸钠各10mg/l，控制ph值11，培养温度为80℃，在厌氧条件下搅拌6天。。

3)生物转化第二阶段：向生物转化后的产物中加入硝酸钾50mg/l，再加入假单胞菌及希瓦氏菌，其中，假单胞菌与第二城镇有机废物的干重比为0.001:100，希瓦氏菌与第二城镇有机废物的干重比为0.001:100；再继续搅拌6天后，进行固液分离，分析液相中的乳酸、四环素、磺胺嘧啶、铬离子和砷离子的浓度，分析固相中四环素、磺胺嘧啶、铬离子和砷离子的浓度。

结果显示，液相中的乳酸浓度为1071mg/l，液相和固相中总的磺胺嘧啶、四环素、六价铬和五价砷的去除率分别为43％、36％、48％和50％。

实施例10、实施例11、实施例12、实施例13、实施例14和对比例3的具体参数见下表，其他同实施例9，参数和检测结果见下表：

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。