一种添加外源蛋白酶提高城市污泥发酵产酸的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于固废资源化利用领域。更具体地，本发明涉及一种通过添加外源蛋白酶提高城市污泥发酵产酸的方法。
【背景技术】
[0002]污泥发酵产酸为实现城市污泥减量化、资源化利用提供了一条新的思路。将污泥中的廉价有机质生产转化为高附加值生化产品，减少剩余污泥产量；而且，将厌氧消化系统的有机物转变为有机酸，而不是温室气体二氧化碳和甲烷，对实现碳减排有着重要的意义。目前碱性发酵过程中，沼渣中仍然残留大量的溶解性有机物，如:占总SCOD约30%的蛋白质；10%的碳水化合物，营养物质本身的可生物利用性可能是导致碱性发酵产率仍然较低的主要原因。污泥预处理是提高污泥可生化性的有效技术。如通常采用超声、热酸、热碱、酶法等预处理方法。超声-碱处理后SCOD的溶出可以提高52%，热碱和超声-碱预处理后VS的溶出超过60%，污泥热水解之后挥发性脂肪酸(VFAs)产量能提高2-5倍。热或者紫外预处理能提高蛋白质的利用率30% -40%。但前期关于污泥预处理的研究是针对污泥发酵前，破壁、提高营养物溶解等，使有机物充分释放溶解，可以被产酸微生物更容易的接触和利用。利用酶法预处理污泥提高污泥可生化性中，溶出的有机物量少，而且底物的转化率跟利用其他预处理方法的转化率相近。并且针对发酵后残留的难生物降解利用的蛋白质，碳水化合物等有机物进一步水解，利用还没有相关技术手段。
[0003]孙祥章等人(CN 102010109 A)利用生物酶使污泥中的重金属离子稳定化，并且将污泥中的大分子转化成小分子。本发明则是利用蛋白酶提高污泥发酵产酸的产量及底物的转化率。罗琨等人(CN 102211842 A)利用复合酶对城市污泥进行预处理，目的是溶出污泥中的有机物。本发明则是利用蛋白酶转化污泥厌氧发酵后残留的溶解性蛋白质从而进一步提高挥发性脂肪酸的产量。此污泥处理方法具有有机物利用率高，有机酸产量高，操作简单方便等特点；为最终实现剩余污泥的资源化、减量化和无害化，提供了一种新的方法和思路。
【发明内容】
[0004]本发明目的是提供一种通过添加外源蛋白酶提高城市污泥发酵产酸的方法，具体的方法内容为:将城市脱水污泥稀释到一定浓度后，调节PH至10-12，随后在70°C以上搅拌预处理Ih以上。随后将预处理的污泥转移到厌氧发酵罐中进行发酵产酸，维持发酵系统的pH为8-11。每天监测反应器中的蛋白质、多糖、脂肪酸。当反应器中的脂肪酸浓度增长缓慢时，直接向反应器中投加多10mg/L的蛋白酶，例如碱性蛋白酶或胰蛋白酶。或者把污泥离心去除后，在上清液中加入盐酸，将pH调节至酸性后再次离心，回收沉淀物，即为提取的残留有机物，然后用水溶解并加入多10mg/L的蛋白酶继续进行厌氧发酵产脂肪酸。
[0005]更具体地，本发明提供以下各项:
[0006]1.提高城市污泥发酵产脂肪酸的方法，所述方法包括:对剩余污泥进行热碱预处理；将预处理后的污泥转移到厌氧发酵罐中进行发酵产脂肪酸；以及，当所述发酵罐中的脂肪酸浓度增长缓慢时，直接向所述发酵罐投加蛋白酶，或者将所述发酵罐中的污泥离心后取上清液，将所述上清液的PH调节至酸性后再次离心，回收沉淀物，将所述沉淀物用水溶解并向其中加入蛋白酶继续进行厌氧发酵产脂肪酸。
[0007]2.第I项的方法，其中如下地进行所述热碱预处理:将稀释的城市脱水污泥pH调节至10-12，随后在70°C以上搅拌处理Ih以上。
[0008]3.第2项的方法，其中所述热碱预处理在pH 10-12、90°C进行。
[0009]4.第I项的方法，其中所述蛋白酶是碱性蛋白酶。
[0010]5.第I项的方法，其中所述蛋白酶是胰蛋白酶。
[0011]6.第I项的方法，其中以彡10mg/L(例如20mg/L)的浓度添加所述蛋白酶。
[0012]7.第I项的方法，其中在所述发酵产脂肪酸过程中维持pH为8-11、温度为37°C。
[0013]8.第I项的方法，其中在所述发酵产脂肪酸过程中维持pH为10。
[0014]9.第I项的方法，其中所述上清液的pH被调节至3.3。
[0015]10.第I项的方法，其中要进行所述热碱预处理的剩余污泥是稀释的脱水剩余污泥，所述稀释的脱水剩余污泥的浓度为75g/L。
【附图说明】
[0016]图1是预处理污泥碱性发酵底物情况图。
[0017]图2是提取的蛋白质等有机物投加酶后蛋白质以及底物发酵酸产量变化趋势图。
[0018]图3是投加水解酶之后产酸情况图及底物降解图。
【具体实施方式】
[0019]下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于此。
[0020]下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0021]本发明中使用的“剩余污泥(excess activated sludge) ”来自于活性污泥系统中从二次沉淀池(或沉淀区)排出系统外的活性污泥。热碱预处理后污泥有机物成分及含量见图1。
[0022]实施例1
[0023]将脱水剩余污泥(来自无锡新城污水处理厂)的浓度用水稀释到75g/L后用盐酸或氢氧化钠/氢氧化钙调节PH至12，随后在90°C搅拌预处理2h。随后将处理后的污泥加入3L厌氧发酵罐(Pr-，镇江东方生物工程设备技术有限责任公司)，发酵过程中调节并维持PH为10、温度为37°C，每天监测反应器中蛋白质、多糖、脂肪酸的浓度，当挥发性有机酸的浓度增长缓慢时(发酵7天后，挥发性有机酸的浓度维持在11895mg/L)(图2)，进行三组实验，分别是:向发酵系统中投加20mg/L碱性蛋白酶(1mill1n U/g, Amano EnzymeManufacturing C0., Ltd., Japan)并调整pH = 10 ;向发酵系统中投加20mg/L胰蛋白酶(5mill1n U/g, Amano Enzyme Manufacturing C0., Ltd., Japan)并调整 pH = 8;以及，空白实验(不添加蛋白酶，调整PH= 10) ο继续发酵产酸6天，前两组的有机酸浓度分别为18540和13500mg/L。该实例结果显示，添加碱性蛋白酶和胰蛋白酶分别使得污泥厌氧发酵的蛋白质转化率比对照组提高了 44.4%和75%，污泥水解液中VFA产量分别提高了 55.7%和 133.7%o
[0024]实施例2
[0025]将脱水剩余污泥(来自无锡新城污水处理厂)的浓度用水稀释到75g/L后用盐酸或氢氧化钠/氢氧化钙调节PH至12，随后在90°C搅拌预处理2h。随后将处理后的污泥加入3L厌氧发酵罐(Pr-，镇江东方生物工程设备技术有限责任公司)，发酵过程中调节并维持PH 10、温度37°C。每天监测反应器中蛋白质、多糖、脂肪酸的浓度，当有机酸的浓度增长缓慢时(发酵7天后，有机酸的浓度增长至11895mg/L)，1000 X g离心发酵污泥30min，取上清液并用盐酸或氢氧化钠/氢氧化钙将其PH调节至3.3，搅拌30分钟后1000X g离心，取沉淀用水溶解并向其中加入20mg/L喊性蛋白酶(1mill1n U/g, Amano Enzyme ManufacturingC0., Ltd., Japan)并调整 pH = 10，或者加入胰蛋白酶(5mill1n U/g, Amano EnzymeManufacturing C0.，Ltd.，Japan)并调整pH = 8，或者在没有发酵所需的有机物情况下，调整pH = 10 (作为空白实验)，继续进行发酵产酸5-6天，VFAs浓度分别为8000和7292，1000mg/Lo如图3所示，实施这种方法后，蛋白质转化率分别提高到了 77%和79.9%，污泥水解液中VFA产量分别提高了 67.3%和61.3%。
[0026]虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
【主权项】
1.提高城市污泥发酵产脂肪酸的方法，所述方法包括:对剩余污泥进行热碱预处理；将预处理后的污泥转移到厌氧发酵罐中进行发酵产脂肪酸；以及，当所述发酵罐中的脂肪酸浓度增长缓慢时，直接向所述发酵罐投加蛋白酶，或者将所述发酵罐中的污泥离心后取上清液，将所述上清液的pH调节至酸性后再次离心，回收沉淀物，将所述沉淀物用水溶解并向其中加入蛋白酶继续进行厌氧发酵产脂肪酸。2.权利要求1的方法，其中如下地进行所述热碱预处理:将稀释的城市脱水污泥pH调节至10-12，随后在70°C以上搅拌处理Ih以上。3.权利要求2的方法，其中所述热碱预处理在pH10-12、90°C进行。4.权利要求1的方法，其中所述蛋白酶是碱性蛋白酶。5.权利要求1的方法，其中所述蛋白酶是胰蛋白酶。6.权利要求1的方法，其中以多10mg/L(例如20mg/L)的浓度添加所述蛋白酶。7.权利要求1的方法，其中在所述发酵产脂肪酸过程中维持pH为8-11、温度为37°C。8.权利要求1的方法，其中在所述发酵产脂肪酸过程中维持pH为10。9.权利要求1的方法，其中所述上清液的pH被调节至3.3。10.权利要求1的方法，其中要进行所述热碱预处理的剩余污泥是稀释的脱水剩余污泥，所述稀释的脱水剩余污泥的浓度为75g/L。
【专利摘要】本发明公开了一种提高城市污泥发酵产脂肪酸的方法，所述方法包括：对稀释的脱水剩余污泥进行热碱预处理；将预处理后的污泥转移到厌氧发酵罐中进行发酵产脂肪酸；以及，当所述发酵罐中的脂肪酸浓度增长缓慢时，直接向所述发酵罐投加蛋白酶，或者将所述发酵罐中的污泥离心后取上清液，将所述上清液的pH调节至酸性后再次离心，回收沉淀物，将所述沉淀物用水溶解并向其中加入蛋白酶继续进行厌氧发酵产脂肪酸。
【IPC分类】C12P7/40
【公开号】CN105177061
【申请号】
【发明人】刘和, 刘宏波, 殷波, 符波, 王元元, 马惠君
【申请人】江南大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月23日