硫酸铜联合碱性pH促进剩余污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的方法

摘要

硫酸铜联合碱性pH促进剩余污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的方法属于环境保护技术领域。以城镇污水处理厂的剩余污泥为原料，首先投加硫酸铜，剩余污泥中的微生物发生破壁，然后淘洗剩余污泥去除铜离子，最后调节剩余污泥厌氧发酵的pH值为碱性。剩余污泥经过硫酸铜预处理后，厌氧发酵时水解速率提高，短链脂肪酸产量增加，另外碱性pH进一步促进剩余污泥中微生物破壁并有效抑制厌氧发酵过程中产甲烷菌的活性，最大程度的将剩余污泥中的有机物转化为短链脂肪酸，同时避免短链脂肪酸被转化为甲烷，使短链脂肪酸积累。本发明所采用的硫酸铜在较低的投加量下能有效地促进剩余污泥厌氧发酵产短链脂肪酸，同时达到污泥减量的效果。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及一种利用硫酸铜联合碱性pH促进 剩余污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的方法。

背景技术

目前城镇污水处理厂多采用活性污泥法处理污水。一方面，城镇生活 污水中碳源严重不足已成为当今污水处理厂能否进行深度脱氮除磷的主要 限制因素之一；另一方面，污水处理厂利用活性污泥法进行污水处理过程 中将会产生大量的剩余污泥，其处理处置费用较高。而剩余污泥中含有大 量的有机物如蛋白质、多糖等，可通过厌氧发酵技术将其转化为短链脂肪 酸，作为优质碳源供微生物脱氮除磷利用。

剩余污泥厌氧发酵主要分为三个阶段。第一阶段，在水解细菌的作用 下，将复杂的有机物质(包括碳水化合物、蛋白质、脂肪等)转化为单糖、 氨基酸、脂肪酸等；第二阶段，在产氢产乙酸菌的作用下，将第一阶段的 产物转化为氢、二氧化碳和乙酸；第三阶段，在产甲烷菌的作用下，将乙 酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等转化为甲烷、碳酸以及新的细胞物质。其 中水解过程相对缓慢，被认为是厌氧发酵的限速步骤，进一步研究中，学 者发现颗粒态有机物质的溶解是厌氧发酵产酸阶段的限速步骤。

本发明中涉及的铜离子被广泛应用于电镀、冶金、化工等方面，这些 工业排放的废水中含有铜离子，由此产生的污染问题亟待解决。然而，铜 离子可作为杀菌剂的原料之一，其作用原理是：铜离子主要与细菌细胞壁 的肽聚糖结构作用，使其蛋白质变性、沉淀，使酶失去活性，损伤细胞壁 而使细菌变性或杀伤细菌。结合以上两点，本发明利用“以废制废”的思 想，将工业含铜废水引入厌氧污泥发酵系统，联合碱性pH促进剩余污泥厌 氧发酵产短链脂肪酸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种促进剩余污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的方 法，将硫酸铜与碱性pH联合起来提高剩余污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的 量。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

本发明提出一种利用硫酸铜破壁联合碱性pH促进剩余污泥厌氧发酵 产短链脂肪酸的方法，以城镇污水处理厂产生的剩余污泥为原料，首先投 加硫酸铜对剩余污泥中的微生物进行破壁，使微生物细胞内大量有机物溶 出，然后淘洗剩余污泥去除铜离子，最后调节剩余污泥厌氧发酵的pH值为 碱性，进一步促进剩余污泥中的微生物破壁并有效抑制厌氧发酵过程中产 甲烷菌的活性，最大程度地将剩余污泥中的有机物转化为短链脂肪酸，同 时避免短链脂肪酸被转化为甲烷，使短链脂肪酸积累，该方法包括以下步 骤：

(1)将剩余污泥沉淀浓缩；

(2)将硫酸铜溶解后投加到浓缩的剩余污泥中浸泡；

(3)将浸泡后的剩余污泥混合物进行淘洗；

(4)将淘洗后的剩余污泥作为底泥，接种水解发酵产酸种泥；

(5)将淘洗后的剩余污泥与水解发酵产酸种泥的混合物进行厌氧发 酵，并调节pH值为碱性；

(6)对发酵混合物进行固液分离得到含有短链脂肪酸的上清液。

步骤(1)所述的剩余污泥来源于采用生物法处理污水的城镇污水处理 厂，剩余污泥沉淀时间为6～12h。

步骤(2)所述的硫酸铜的投加剂量为0.25～2.50mgCu²⁺/gVSS，浓缩 的剩余污泥浸泡时间为8～48h。

步骤(3)所述的对浸泡后的剩余污泥进行淘洗，至泥水混合物中无铜 离子存在，避免铜离子在厌氧发酵过程中，与水解产酸菌的细胞壁作用， 使其蛋白质变性，酶失去活性，最终导致水解产酸菌细胞裂解失活。

步骤(4)所述的水解发酵产酸种泥取自30±2℃和pH＝10±0.5条件下 剩余污泥厌氧发酵混合物，厌氧发酵时间大于30d，经淘洗去除短链脂肪 酸，保留水解发酵产酸菌作为种泥；将步骤(3)中淘洗后的剩余污泥作为 底泥，接种水解发酵产酸种泥，增加水解产酸菌的量，促进厌氧污泥发酵 产短链脂肪酸，提高产短链脂肪酸的效率，底泥与种泥的体积比为1:1～5:1。

步骤(5)所述的对淘洗后的剩余污泥与水解发酵产酸种泥的混合物进 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，调节pH值为10±0.5，产甲烷菌对pH值要 求严格，碱性条件下能很好地抑制产甲烷菌的活性，使短链脂肪酸积累， 达到提高短链脂肪酸产量的目的，厌氧发酵时间为4～15d。

本发明主要是将硫酸铜破壁与碱性pH联合起来促进剩余污泥厌氧发 酵产短链脂肪酸。其基本原理如下：第一，剩余污泥微生物中含有大量由 蛋白质、多糖等组成的多聚物，由于细胞壁的存在，这些多聚物很难被水 解产酸菌所利用，从而转化为短链脂肪酸。当投加硫酸铜时，铜离子主要 与细胞壁的肽聚糖结构作用，致使蛋白质变性，酶失去活性，最终导致微 生物的结构性破坏，大量有机物被释放，为水解产酸菌提供厌氧发酵底物。 第二，将被硫酸铜浸泡过的泥水混合物进行淘洗，去除铜离子，避免铜离 子在厌氧发酵过程中对水解产酸菌造成破壁，保证水解产酸菌的活性。第 三，接种水解发酵产酸种泥，增加水解产酸菌的量，促进厌氧污泥发酵产 短链脂肪酸，提高产短链脂肪酸的效率。第四，调节剩余污泥厌氧发酵的 pH值为碱性，进一步促进剩余污泥中的微生物破壁，同时由于产甲烷菌对 pH值要求严格，在中性条件下具有较好的活性，而在碱性条件下能有效地 抑制厌氧发酵过程中产甲烷菌的活性，最大程度地将剩余污泥中的有机物 转化为短链脂肪酸，同时避免短链脂肪酸被转化为甲烷，使短链脂肪酸积 累。在较低硫酸铜投加量的情况下有效地促进剩余污泥厌氧发酵产短链脂 肪酸，同时达到污泥减量的效果。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：

(1)应用硫酸铜联合碱性pH，将城镇污水处理厂的剩余污泥进行厌 氧发酵产短链脂肪酸，不但实现了剩余污泥的减量化，而且极大程度地提 高了剩余污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的量，实现了剩余污泥资源化的目的。

(2)应用硫酸铜联合碱性pH，可以大大提高剩余污泥水解效率，缩 短剩余污泥厌氧发酵时间，并使剩余污泥减量，具有实际应用价值。

具体实施方式

本发明适用于促进采用生物法的城镇污水处理厂剩余污泥的厌氧发酵 产短链脂肪酸。实施例中的剩余污泥取自中试规模的SBR反应器，每天反 应2个周期，每个周期反应时间为10～12h，其中好氧段2.5～3.5h，缺氧段 1～2h，厌氧段4～6h，沉淀排水时间为2.5～4.5h，污泥龄为10～12d。

实施例

将剩余污泥在常温(20～25℃)下静置沉淀6h，调节下层浓缩污泥的 总悬浮固体浓度(mixed liquid suspended solids，MLSS)为10098mg/L， 取1L泥水混合物至体积为1L的烧杯中静置10min，取10mL上清液；

用上一步得到的上清液将硫酸铜溶解后投加至烧杯，硫酸铜的投加剂 量为0.62mgCu²⁺/gVSS，常温下搅拌浸泡24h，混合搅拌转速为100～120 rpm；

用去离子水淘洗经硫酸铜搅拌浸泡过的剩余污泥，至无铜离子存在；

取200mL在30±2℃和pH＝10±0.5条件下长期培养的剩余污泥厌氧发 酵混合物，厌氧发酵时间大于60d，污泥停留时间为8～10d，该碱性pH 条件通过投加5M NaOH进行控制，用去离子水淘洗去除短链脂肪酸，保 留水解发酵产酸菌作为种泥，调节体积为200mL；

取淘洗后的剩余污泥800mL作为底泥投加至厌氧发酵反应器中，接种 200mL淘洗后的水解发酵产酸种泥，底泥与种泥体积比为4:1，向厌氧发 酵反应器中通入10倍反应器体积的氮气以去除反应器中的氧气，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反应器的密 闭；

厌氧发酵过程中维持厌氧发酵反应器中的温度为常温，通过投加5M NaOH控制pH值在10±0.5，该碱性pH条件混合搅拌速度为100～120rpm， 反应共进行10d；

厌氧发酵过程中每两天取样10mL，在转速4000rpm情况下离心10 min，通过40μm滤膜抽滤得到厌氧发酵上清液，对上清液中的短链脂肪酸 浓度进行测定；

对比实施例

将剩余污泥在常温(20～25℃)下静置沉淀6h，调节下层浓缩污泥的 MLSS为10098mg/L，取1L泥水混合物至体积为1L的烧杯中；

发酵反应器中不投加硫酸铜，常温下搅拌24h；

用去离子水淘洗搅拌过的剩余污泥，淘洗方法与实施例中相同；

取200mL在30±2℃和pH＝10±0.5条件下长期培养的剩余污泥厌氧发 酵混合物，厌氧发酵时间大于60d，污泥停留时间为8～10d，该碱性pH 条件通过投加5M NaOH进行控制，用去离子水淘洗去除短链脂肪酸，保 留水解发酵产酸菌作为种泥，调节体积为200mL；

取淘洗后的剩余污泥800mL作为底泥投加至厌氧发酵反应器中，接种 200mL淘洗后的水解发酵产酸种泥，底泥与种泥体积比为4:1，向厌氧发 酵反应器中通入10倍反应器体积的氮气以去除反应器中的氧气，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反应器的密 闭；

厌氧发酵过程中维持厌氧发酵反应器中的温度为常温，通过投加5M NaOH控制pH值在10±0.5，混合搅拌速度为100～120rpm，反应共进行10 d；

厌氧发酵过程中每两天取样10mL，在转速4000rpm情况下离心10 min，通过40μm滤膜抽滤得到厌氧发酵上清液，对上清液中的短链脂肪酸 浓度进行测定。

实施例和对比实施例中，投加硫酸铜联合碱性pH可以提高剩余污泥水 解速率，抑制产甲烷菌活性，增加短链脂肪酸产量，其中未投加硫酸铜的 对比实施例中短链脂肪酸的最大浓度出现在厌氧发酵的第8天，之后趋于 稳定，短链脂肪酸最大产量为613.8mg/L；而投加了硫酸铜的实施例中短 链脂肪酸的最大浓度出现在厌氧发酵的第4天，之后趋于稳定，短链脂肪 酸的最大产量增加至824.5mg/L，是对比实施例中短链脂肪酸最大产量的 1.34倍。