一种利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法
【专利摘要】本发明提供了一种利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，包括如下步骤：以污水处理所得污泥为原料，经自然静沉弃上清得到污泥样品，将该污泥样品与作为表面活性剂的烷基糖苷混合后在厌氧环境下发酵产生脂肪酸；本方法能够抑制污泥样品产甲烷的能力并且提高其产有机酸的能力，所得的有机酸可以继续应用在污水处理过程中，提高对污水进行脱氮除磷的效果，从而实现对污泥处理的减量化、无害化以及资源化。
【专利说明】一种利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境保护以及资源化【技术领域】，涉及一种脂肪酸的生产方法。
【背景技术】
[0002] 作为城市污水处理厂所采用的污水处理的重要工艺之一，生物处理法主要利用污 水处理系统中自身存在的微生物对污水中的有机污染物进行降解，以去除具有悬浮性或溶 解性且可生物降解的有机物，从而达到净化水质的要求。生物处理法因其处理效率高，运行 成本低，目前已经得到了广泛的应用。然而，该种污水生物处理工艺虽然去除了污水中的 某些有机物但也随之产生了大量的污泥。截止到2013年底，我国的污泥产量已达3000万 吨（按含水率80%计）。污泥中含有的大量恶臭物质、病原体、持久性有机物等污染物，如 不妥善处理将对环境产生严重污染。因此，对污泥进行有效地处理处置刻不容缓。与此同 时，作为污水处理厂污水处理后的废弃物，污泥自身也富含大量的蛋白质、多糖等容易被微 生物利用的有机物质，直接对其进行填埋、焚烧等方式的处理处置将造成极大的资源浪费。
[0003] 在污泥的厌氧发酵过程中，污泥中的大量有机物能够被降解并且转化为甲烷 (CH4)、氢气（H 2)等可再次利用的能源物质。包括乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸和异戊 酸等在内的短链脂肪酸是污泥厌氧发酵过程中的一类重要的中间产物，其应用范围广泛， 不仅是合成油漆、涂料以及化妆品等不可缺少的原料，而且能够为污水中脱氮除磷微生物 提供必不可少的有机碳源。研究证明，在污水强化生物除磷系统（EBPR)中，每去除lmg磷 需要消耗 6 ?9mg 的短链脂肪酸（Water Science and Technology, 1992, 25 (4-5) : 185-19 4)。然而，绝大部分情况下，污水中的短链脂肪酸的浓度低，尤其是在南方城市污水中，有机 碳源更加的不足，无法使污水中的磷浓度降低到排放标准以下，导致出水中磷含量过高，弓丨 起环境水体的富营养化，因此需要不断向生物处理系统中补充有机酸这种易被微生物利用 的碳源，提高了污水处理的成本。
[0004] 污泥的厌氧发酵主要分为三个阶段，即溶解和水解化、产酸和产甲烷阶段。污泥的 溶解和水解化速率较慢，是污泥发酵产酸的限速阶段。高温热处理，冻融处理，机械处理，超 声波处理，化学处理（包括pH的调节）等都能有效加快污泥溶解水解速率，提高短链脂肪 酸产量，从而缩短发酵系统的污泥停留时间，其基本原理均是使污泥中非溶解性颗粒态的 有机物分解转化为小分子的溶解性物质进而被微生物利用。然而，由于需要较高的投资和 运行费用，这些预处理方法的应用受到了极大的限制。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有技术的问题，目的在于提供一种利用污泥厌氧发酵生产脂肪 酸的方法，有利于实现污泥的减量化和资源化再利用。
[0006] 为达到上述目的，本发明的解决方案是：
[0007] -种利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，包括如下步骤：以污水处理所得污泥 为原料，经自然静沉弃上清得到污泥样品，将污泥样品与作为表面活性剂的烷基糖苷混合， 在厌氧环境下发酵，产生脂肪酸。
[0008] 上述烷基糖苷的重量与污泥样品的干重比为（0. 05?0. 50) :1，优选为（0. 10? 〇. 30) :1。静沉的时间为24h，静沉的温度为4°C。厌氧环境为氮气保护环境。发酵的温度 为（10?55)±1°C，优选为（20?35)±1°C。发酵的时间为4?8d，优选为4?6d。污泥 样品与烧基糖苷在厌氧环境下边搅拌边发酵，搅拌的转速为60?120rpm/min，优选为80? 100rpm/min〇
[0009] 由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
[0010] 本发明采用价格低廉的烷基糖苷作为污泥厌氧发酵的表面活性剂，能够大幅度提 高污泥的溶解效率和水解效率，有利于厌氧发酵系统中短链脂肪酸的积累，所产生的短链 脂肪酸可以继续投加到污水处理系统中作为脱氮除磷工艺的有机碳源而得到利用，因此， 本发明所提供的方法既能够缩短污泥厌氧发酵的时间，又能提高短链脂肪酸的产生量，还 实现了污泥的减量化、无害化以及资源化，在降低污泥中的有机污染物对环境的污染破坏 作用的同时又提高污水处理厂的脱氮除磷的效果，对改进、优化现有的污泥厌氧发酵系统， 降低投资和运行成本有重要的意义。
【具体实施方式】
[0011] 本发明提供了一种利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，该方法包括如下步骤： 以污水处理厂进行污水处理所得污泥为原料，经自然静沉，弃上清得到污泥样品，将所得污 泥样品在氮气保护下与作为表面活性剂的烷基糖苷混合，在厌氧环境下发酵，得到脂肪酸。
[0012] 上述步骤所采用的烷基糖苷是一种性能较全面的新型非离子表面活性剂，兼具普 通非离子和阴离子表面活性剂的特性，具有亲油性和亲水性，还有高表面活性、良好的生态 安全性和相溶性，易被生物降解而不会污染环境，并且价格低廉，是"绿色"功能性表面活性 齐IJ。烷基糖苷能够有效降低污泥的表面张力，促进污泥中有机物质的溶解，提高污泥的溶解 水解效率，促进发酵相关酶与底物的相互作用，并且能有效抑制甲烷菌的活性，从而能有效 地加速和提高污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的能力。因此，在上述步骤中，烷基糖苷被用作 表面活性剂来加快污泥的厌氧发酵，使得在预定的反应时间内整个污泥厌氧发酵系统内富 集更多的脂肪酸。
[0013] 烷基糖苷的作用原理如下：当烷基糖苷加入污泥中后，其连接于污泥表面的大分 子和水分子之间，并在外界机械搅拌力的作用下，有效地使污泥表面的大分子物质（主要 为多糖和蛋白质）脱离污泥颗粒，进入水相；同时，烷基糖苷具有很好的增溶作用，增强这 些大分子物质在水中的溶解度，使得这些大分子物质更容易被污泥厌氧发酵系统中的微生 物所产生的水解酶水解为分子量低，易被微生物利用的有机物，从而大幅度提高污泥的溶 解和水解效率，最后这些易被利用的小分子有机物被微生物吸收同化，进入产酸阶段，被转 化为脂肪酸。其中，较高级的脂肪酸将通过β生氧化机理进一步氧化，脂肪酸羧基末端的 两个碳原子逐步脱下，形成分子更小的脂肪酸和乙酸。对含有偶数个碳原子的脂肪酸，经逐 步降解后形成乙酸；对含有奇数个碳原子的脂肪酸，逐步降解后可产生丙酸。同时，由于甲 烷菌是一种比较敏感的微生物，对抗外界环境变化能力很弱，所以其活性能够被烷基糖苷 有效地抑制，故污泥厌氧发酵系统中产生的短链脂肪酸不再作为底物被甲烷菌利用而产生 甲烷，从而有利于污泥厌氧发酵系统中短链脂肪酸的富集。
[0014] 上述步骤得到的脂肪酸可以回加到污水中，作为污水处理系统中脱氮除磷工艺的 有机碳源而得到利用。虽然烷基糖苷对甲烷菌具有抑菌作用，但是其对脱氮除磷微生物的 抑制能力却不强，这不仅是因为脱氮除磷微生物本身的抗性较强，而且因为烷基糖苷在厌 氧发酵过程中以及在脱氮除磷过程中将逐渐被其它微生物降解转化，因此，烷基糖苷基本 不影响脱氮除磷微生物在污水处理过程中对短链脂肪酸的利用。
[0015] 在上述步骤中，为了控制污泥的厌氧发酵以积累较多的脂肪酸，对发酵产酸的条 件应进行严格的控制。这些条件为：烷基糖苷的投加比例、发酵温度、搅拌速度以及发酵时 间。
[0016] 其中，烷基糖苷的投加重量与污泥样品干重的比例可以为0. 05?0. 50:1。虽然烷 基糖苷的投加重量与污泥样品干重的比例在〇. 05?0. 50:1这个范围内都能促进污泥中的 有机物转化为目标脂肪酸，并且，在该范围内，随着烷基糖苷投加重量的增加，烷基糖苷对 污泥样品厌氧发酵产酸的促进作用越明显，短链脂肪酸的累积浓度越高，但是综合考虑烷 基糖苷的投加成本与短链脂肪酸的累积产量的关系，可以优选烷基糖苷的投加重量与污泥 样品干重的比例为〇. 10?0.30:1。
[0017] 厌氧发酵的温度可以控制在10?55°C。因为厌氧发酵温度将影响污泥的水解效 率以及污泥厌氧发酵系统中微生物的活性，从而影响短链脂肪酸的累积，所以厌氧发酵的 温度一般优选为20?35°C。
[0018] 发酵时间即污泥在厌氧发酵系统中的停留时间。因为发酵时间影响到短链脂肪酸 的累积，所以发酵时间一般可以控制在4?8d。一般认为当发酵时间小于8d时，产酸菌的 活性较高，有利于短链脂肪酸的累积，然而，随着发酵时间的延长，厌氧发酵系统的运行成 本会提高，故发酵时间优选为4?6d。
[0019] 污泥在厌氧发酵过程中需要进行搅拌，搅拌速度一般为60?120rpm/min。搅拌速 度对污泥中颗粒性C0D转化为溶解性C0D有一定的影响，搅拌速度越快，污泥受到的剪切力 等越大，更有利于污泥的破碎溶解，提高污泥厌氧发酵系统的SC0D浓度，但是如果搅拌速 度太快使得大气中的氧溶入，则不利于短链脂肪酸的生成，而搅拌速度太慢污泥没有混合 均勻，也会影响短链脂肪酸的生成，因此，搅拌速度优选为80?100rpm/min。
[0020] 在上述步骤中，静沉的时间为24h，所述静沉的温度为4°C，厌氧环境优选为氮气 保护环境。
[0021] 以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0022] 实施例1
[0023] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂对污水处理后排出的 活性污泥在4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为 厌氧发酵生产短链脂肪酸的底物；
[0024] (2)向有机玻璃反应器中投加烷基糖苷，其投加重量与污泥样品干重的比值为 0.05:1，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该有机玻璃反应器进行 发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，污泥样品中的有机物（主要为多 糖和蛋白质）被转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为25土TC，搅拌速度为100rpm/min， 发酵时间（即污泥在反应器中的停留时间）为4d，生产的短链脂肪酸的含量为1417. 05mg/ L (以化学需氧量计）。
[0025] 实施例2
[0026] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂对污水处理后排出的 活性污泥在4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需污泥样品，将该污泥样品作为厌 氧发酵生产短链脂肪酸的底物；
[0027] (2)向有机玻璃反应器中投加烷基糖苷，其投加重量与污泥样品干重的比值为 0. 10:1，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该有机玻璃反应器进行 发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，将污泥样品中有机物被转化为短 链脂肪酸。其中，发酵温度为25±1°C，搅拌速度为lOOrpm/min，发酵时间为4d，生产的短链 脂肪酸的含量为2156. 66mg C0D/L (以化学需氧量计）。
[0028] 实施例3
[0029] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的活性污泥在 4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需的污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生 产短链脂肪酸的底物；
[0030] (2)向有机玻璃反应器中投加烷基糖苷，其投加重量与污泥样品干重的比值为 0. 20:1，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该有机玻璃反应器进行 发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，将污泥样品中有机物被转化为短 链脂肪酸。其中，发酵温度为25±1°C，搅拌速度为lOOrpm/min，发酵时间为4d，生产的短链 脂肪酸的含量为2357. 46mg C0D/L (以化学需氧量计）。
[0031] 实施例4
[0032] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的活性污泥在 4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产 短链脂肪酸的底物；
[0033] (2)向有机玻璃反应器中投加烷基糖苷，其投加重量与污泥样品干重的比值为 0.30:1，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该有机玻璃反应器进行 发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，污泥样品中有机物被转化为短链 脂肪酸。其中，发酵温度为25±1°C，搅拌速度为lOOrpm/min，发酵时间为4d，生产的短链脂 肪酸的含量为2888. 05mg COD/L (以化学需氧量计）。
[0034] 实施例5
[0035] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的活性污泥在 4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产 短链脂肪酸的底物；
[0036] (2)向有机玻璃反应器中投加烷基糖苷，其投加重量与污泥样品干重的比值为 0. 50:1，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该有机玻璃反应器进行 发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，污泥样品中有机物被转化为短链 脂肪酸。其中，发酵温度为25±1°C，搅拌速度为lOOrpm/min，发酵时间为4d，生产的短链脂 肪酸的含量为3106. 56mg COD/L (以化学需氧量计）。
[0037] 实施例6
[0038] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的活性污泥在 4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产 短链脂肪酸的底物；
[0039] (2)向有机玻璃反应器中投加烷基糖苷，其投加重量与污泥样品干重的比值为 0. 30:1，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该有机玻璃反应器进行 发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，污泥样品中有机物被转化为短链 脂肪酸。其中，发酵温度为l〇±l°C，搅拌速度为lOOrpm/min，发酵时间为8d，生产的短链脂 肪酸的含量为1348. 46mg COD/L (以化学需氧量计）。
[0040] 实施例7
[0041] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的活性污泥在 4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产 短链脂肪酸的底物；
[0042] (2)向有机玻璃反应器中投加烷基糖苷，其投加重量与污泥样品干重的比值为 0. 30:1，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该有机玻璃反应器进行 发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，污泥样品中有机物被转化为短链 脂肪酸。其中，发酵温度为35±1°C，搅拌速度为lOOrpm/min，发酵时间为4d，生产的短链脂 肪酸的含量为3884. 46mg COD/L (以化学需氧量计）。
[0043] 实施例8
[0044] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的活性污泥在 4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产 短链脂肪酸的底物；
[0045] (2)向有机玻璃反应器中投加烷基糖苷，其投加重量与污泥样品干重的比值为 0. 30:1，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该有机玻璃反应器进行 发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，污泥样品中有机物被转化为短链 脂肪酸。其中，发酵温度为55±1°C，搅拌速度为lOOrpm/min，发酵时间为4d，生产的短链脂 肪酸的含量为2673. 46mg COD/L (以化学需氧量计）。
[0046] 实施例9
[0047] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的活性污泥在 4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产 短链脂肪酸的底物；
[0048] (2)向有机玻璃反应器中投加烷基糖苷，其投加重量与污泥样品干重的比值为 0. 30:1，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该有机玻璃反应器进行 发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，污泥样品中有机物被转化为短链 脂肪酸。其中，发酵温度为25±1°C，搅拌速度为60rpm/min，发酵时间为4d，生产的短链脂 肪酸的含量为2019. 30mg COD/L (以化学需氧量计）。
[0049] 实施例10
[0050] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的活性污泥在 4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产 短链脂肪酸的底物；
[0051] (2)向有机玻璃反应器中投加烷基糖苷，其投加重量与污泥样品干重的比值为 0. 30:1，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该有机玻璃反应器进行 发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，污泥样品中有机物被转化为短链 脂肪酸。其中，发酵温度为25±1°C，搅拌速度为120rpm/min，发酵时间为4d，生产的短链脂 肪酸的含量为2508. 56mg COD/L (以化学需氧量计）。
[0052] 对比例1
[0053] (1)在工作容积为5. 0L的有机玻璃反应器中，将污水处理厂排出的活性污泥在 4°C下自然静沉24h，弃去上清液体后得到所需污泥样品，将该污泥样品作为厌氧发酵生产 短链脂肪酸的底物；
[0054] (2)不投加烷基糖苷，将有机玻璃反应器充氮气lOmin以去除其中的氧气，密封该 有机玻璃反应器进行发酵。通过污泥样品中的微生物与烷基糖苷的共同作用，污泥样品中 有机物被转化为短链脂肪酸。其中，发酵温度为25土1°C，搅拌速度为lOOrpm/min，发酵时 间为6d，生产的短链脂肪酸的含量为578. 14mg COD/L(以化学需氧量计）。
[0055] 实施例和对比例的短链脂肪酸的含量如表1所示：
[0056] 表1实施例和对比例的发酵比较表
[0057]
[0058] -从表中可以看出，实施例1至实施例
【权利要求】
1. 一种利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，其特征在于，包括如下步骤： 以污水处理所得污泥为原料，经自然静沉弃上清得到污泥样品，将所述污泥样品与作 为表面活性剂的烷基糖苷混合，在厌氧环境下发酵，产生脂肪酸。
2. 根据权利要求1所述的利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述烷 基糖苷的重量与所述污泥样品的干重比为（〇. 05?0. 50) : 1，优选为（0. 10?0. 30) : 1。
3. 根据权利要求1所述的利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述静 沉的时间为24h。
4. 根据权利要求1所述的利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述静 沉的温度为4°C。
5. 根据权利要求1所述的利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述厌 氧环境为氮气保护环境。
6. 根据权利要求1所述的利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述发 酵的温度为（10?55) ±1°C，优选地，所述发酵的温度为（20?35) ±1°C。
7. 根据权利要求1所述的利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述发 酵的时间为4?8d，优选为4?6d。
8. 根据权利要求1所述的利用污泥厌氧发酵生产脂肪酸的方法，其特征在于：所述污 泥样品与所述烧基糖苷在厌氧环境下边搅拌边发酵，搅拌的转速为60?120rpm/min，优选 为 80 ?100rpm/min。
【文档编号】C12P7/64GK104099380SQ201410301105
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】冯雷雨, 罗景阳, 孙寒, 刘鹏, 陈银广 申请人:同济大学