一种利用茶皂素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用茶皂素(TS，Tea?Saponin)促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法。目前化学表面活性剂对剩余污泥厌产酸效果的提高不够显著，且化学表面活性剂生物可降解性较差、容易造成二次污染，而通过微生物代谢合成的生物表面活性剂成本较高。本发明采用茶皂素是一种植物提取物，对剩余污泥厌氧发酵产酸的促进效果显著，产酸量高，对环境无二次污染，原料来源广泛，成本低廉，适合于在剩余污泥厌氧发酵产酸过程中的规模化应用。
【专利说明】一种利用茶皂素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用茶皂素(TS，Tea Saponin)促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法。
【背景技术】
[0002]目前生活污水处理厂多采用活性污泥法进行污水处理，然而活性污泥法会产生大量的剩余污泥，其处理处置成本较高，且处置不当会给环境带来严重影响。污泥的厌氧消化是当前应用较为广泛的污泥稳定化与资源化的方法，而由于污泥中含有大量的有机物如蛋白质和多糖等，近年来也有研究者利用污泥中的这些生物质资源通过厌氧发酵的方式制取挥发性脂肪酸(VFAs)，该产物可作为制取生物高分子材料(PHA)或污水处理厂生物脱碳、除磷的优质碳源。
[0003]剩余污泥的厌氧发酵过程主要可分为四个步骤，即颗粒态有机物的溶解、水解、酸化和甲烷化，其中颗粒态有机物的溶解及水解是污泥厌氧过程的主要限速步骤。为了提高污泥厌氧发酵速率，常采用一些物理或化学方法对剩余污泥进行预处理，如超声、微波、加热、酶解、加酸、加碱等。近年来有研究者发现剩余污泥中化学表面活性剂的存在可以提高剩余污泥的水解速率并提高短链脂肪酸的产量，然而多数化学合成的表面活性剂生物可降解性较差，会对环境带来不利的影响，且仅使用化学表面活性剂(如十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠)对剩余污泥厌氧产酸效果的提高不够显著。此外，也有研究者利用微生物代谢合成的鼠李糖脂促进剩余污泥厌氧发酵产酸，但微生物发酵的成本较高，与化学表面活性剂相比不具有经济性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用茶皂素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006](I)将剩余污泥沉淀浓缩；
[0007](2)将茶皂素溶解后投加到经步骤(1)浓缩后的剩余污泥中；
[0008](3)对剩余污泥进行厌氧发酵；
[0009](4)对步骤(3)的发酵液进行固液分离得到含有挥发性脂肪酸的清液。
[0010]步骤(1)所述的剩余污泥来源于采用生物法处理污水的污水处理厂，剩余污泥沉淀时间为12~24h，经沉淀浓缩后污泥干重为10~20g/L。
[0011]步骤⑵所述的茶皂素的投加剂量为0.02~0.1Og (茶皂素)/g(干污泥)。
[0012]步骤(3)所述的对剩余污泥进行厌氧发酵，在发酵开始前向厌氧反应器中通入氮气至反应器中无氧气存在，对剩余污泥进行厌氧发酵的发酵温度为28~30°C，发酵时进行搅拌，混合搅拌的速度为100~120rpm,发酵时间为5~12天。
[0013]步骤(4)所述的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5000~lOOOOg，离心时间为20min。
[0014]本发明采用的茶皂素来源于茶树籽的提取物。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0016]1.所采用的茶皂素为植物提取物，具有低毒、易生物降解且在较大的温度、pH等范围内均可保持良好表面活性的特点，对环境无二次污染。
[0017]2.对剩余污泥厌氧发酵产酸的促进效果显著，产酸量最高可较不投加表面活性剂的对照组提高近4倍。
[0018]3.茶皂素的工业提取方法简单，原料来源广泛，与一般的通过生物发酵制取的生物表面活性剂相比成本低廉，适合于在剩余污泥厌氧发酵产酸过程中的规模化应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为实施例1~3及对比实施例中，发酵液清液中挥发性脂肪酸的浓度随发酵时间变化的关系图；其中“代表对比实施例中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化，
代表实施例1中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化，“f”.代表实施例2中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化，代表实施例3中挥发性脂肪酸随发酵时间的变化；
[0020]图2为实施例1~3及对比实施例中，发酵液清液中挥发性脂肪酸含量达到最高时的浓度；
[0021]图3为实施例1~3及对比实施例中，累积甲烷产量随发酵时间变化的关系图；其中代表对比实施例中累积甲烷产量随发酵时间的变化，“ O夂代表实施例1中累积甲烷产量随发酵时间的变化`，“ + 代表实施例2中累积甲烷产量随发酵时间的变化，“4-”代表实施例3中累积甲烷产量随发酵时间的变化。
【具体实施方式】
[0022]本发明采用的茶皂素来源于茶树籽的提取物。
[0023]本发明适用于促进采用生物法的污水处理厂剩余污泥的厌氧产酸。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A/A/0(Anaerobic-Anoxic-0xic,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(BOD5)/(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。
[0024]实施例1
[0025]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10~20g/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；
[0026]用上一步得到的上清液将茶皂素溶解并配制成40g/L的浓度；
[0027]根据浓缩污泥的实际浓度按照0.02g (茶皂素)/g(干污泥)的剂量向发酵罐中投加茶皂素，并快速混合均匀；
[0028]向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭；
[0029]发酵过程中维持发酵罐中的温度在28~30°C之间，混合搅拌的速度在100~120rpm之间，发酵反应共进行12天；
[0030]发酵过程中每天取样10mL，在5000~1000Og的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至1000Og)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
[0031]发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
[0032]实施例2
[0033]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10~20g/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；
[0034]用上一步得到的上清液将茶皂素溶解并配制成40g/L的浓度；
[0035]根据浓缩污泥的实际浓度按照0.05g (茶皂素)/g(干污泥)的剂量向发酵罐中投加茶皂素，并快速混合均匀；
[0036]向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭；
[0037]发酵过程中维持发酵罐中的温度在28~30°C之间，混合搅拌的速度在100~120rpm之间，发酵反应共进行12天；
[0038]发酵过程中每天取 样10mL，在5000~1000Og的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至1000Og)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
[0039]发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
[0040]实施例3
[0041]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10~20g/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；
[0042]用上一步得到的上清液将茶皂素溶解并配制成40g/L的浓度；
[0043]根据浓缩污泥的实际浓度按照0.1Og (茶皂素)/g (干污泥)的剂量向发酵罐中投加茶皂素，并快速混合均匀；
[0044]向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭；
[0045]发酵过程中维持发酵罐中的温度在28~30°C之间，混合搅拌的速度在100~120rpm之间，发酵反应共进行12天；
[0046]发酵过程中每天取样10mL，在5000~1000Og的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至1000Og)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
[0047]发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
[0048]对比实施例
[0049]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10~20g/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；
[0050]向发酵罐中通入10倍罐体积的氮气以去除罐中的氧气，随后开始对剩余污泥进行厌氧发酵，并在厌氧发酵过程中始终保持发酵罐的密闭；
[0051]发酵过程中维持发酵罐中的温度在28~30°C之间，混合搅拌的速度在100~120rpm之间，发酵反应共进行12天；
[0052]发酵过程中每天取样10mL，在5000~1000Og的条件下(离心力的选择视固液分离的难易程度而定，发酵初期为5000g，随着发酵的进行逐渐升高至1000Og)离心20min得到发酵清液，对清液中的VFAs浓度进行测定；
[0053]发酵过程中每天对发酵罐中的甲烷产量进行测定。
[0054]实施例1~3及对比实施例中对VFAs的日监测结果如图1，各实施例中VFAs的最高浓度如图2。投加茶皂素可以显著提高污泥厌氧产酸的效果，其中未投加茶皂素的对照组最高的VFAs浓度出现在发酵的第5天，产酸量为54mg/g DS (Dry Sludge，干污泥)；投加了 0.02~0.10&茶皂素)/& DS)的各组实施例最高的VFAs浓度同样出现在第5天，而产酸量分别提高至74~207mg/g DS，相比于对照组最高提高了近4倍，且随着投加剂量的提高，对污泥厌氧发酵产酸的促进效果逐渐增强。
[0055]实施例1~3及对比实施例中 对甲烷的日监测结果如图3。该结果显示投加茶皂素对剩余污泥厌氧发酵过程的甲烷产量没有显著影响，各组实施例的甲烷产量在整个发酵过程中均与对照组相近。说明投加茶皂素在显著促进剩余污泥厌氧发酵产酸的同时并没有对甲烷的产生进行抑制，因此可以同时实现对甲烷进行回收和利用。
【权利要求】
1.一种利用茶皂素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)将剩余污泥沉淀浓缩； (2)将茶皂素溶解后投加到浓缩的剩余污泥中； (3)对剩余污泥进行厌氧发酵； (4)对发酵液进行固液分离得到含油挥发性脂肪酸的清液。
2.根据权利要求1所述的一种利用茶皂素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(1)所述的剩余污泥来源于采用生物法处理污水的污水处理厂。
3.根据权利要求1所述的一种利用茶皂素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(1)所述的剩余污泥沉淀时间为12~24h，经沉淀浓缩后污泥干重为10~20g/L0
4.根据权利要求1所述的一种利用茶皂素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(2)所述的茶皂素的投加剂量为0.02~0.1Og (茶皂素)/g(干污泥)。
5.根据权利要求1所述的一种利用茶皂素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(3)所述的对剩余污泥进行厌氧发酵，在发酵开始前向厌氧反应器中通入氮气至反应器中无氧气存在。
6.根据权利要求1所述的一种利用茶皂素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(3)所述的对剩余污泥进行厌氧发酵的发酵温度为28~30°C，发酵时进行搅拌，混合搅拌的速度为100~120rpm,发酵时间为5~12天。
7. 根据权利要求1所述的一种利用茶皂素促进剩余污泥厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，步骤(4)所述的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5000~lOOOOg，离心时间为20min。
【文档编号】C12P7/40GK103773817SQ201410012111
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】黄翔峰, 陆丽君, 刘佳, 申昌明 申请人:同济大学