专利名称：一种提高污泥生产有机酸产量的方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，涉及提高污泥生产有机酸产量的方法。
背景技术：
废水生物脱氮除磷工艺是防止水体富营养化的重要手段。在微生物去除氮、磷等营养物质的过程中，它们需要大量的溶解性有机化合物作为碳源，例如易生物降解的有机物(如甲醇、乙酸等)利于反硝化过程的进行，而短链脂肪酸(包括乙酸、丙酸等)则有利于聚磷菌进行强化生物除磷。然而，在多数情况下，废水中的短链脂肪酸都不能够满足微生物同时去除氮、磷的需求，尤其是南方城市污水中的有机物浓度更是不足。为了避免额外投加化学药剂的费用，多数的研究都是采用初沉污泥或初沉污泥与剩余污泥的混合物进行发酵来生产有机酸(例如，文献Biotechnology and Bioengineering，1994，447-13.；WaterScience and Technology，1998，38(1)265-273；2003，47(12)141-148.)，从而补充生物脱氮除磷系统中微生物所需的碳源。
污泥厌氧消化包括水解、酸化和产甲烷三个过程，发酵产酸属于前两阶段。一般来说，水解速率较慢，是整个消化过程的速率控制步骤。从生产有机酸的角度来看，如果能够提高污泥的水解速率，同时抑制产甲烷菌的活性，就可以在缩短系统水力停留时间的基础上使得有机酸大量的积累。现有的几种用于提高污泥水解速率的方法有热处理、热化学处理、机械处理、超声波处理及酶处理等，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很大的限制。
发明内容
本发明的研究表明，表面活性剂可以显著提高污泥中的蛋白质、多糖等有机物溶解于水中，从而为污泥发酵产酸提供丰富的溶于水的有机基质(WaterResearch，2001，35(11)2615-1620.)。此外，碱性pH值不但提高污泥中的非溶解状态有机物的水解速率，而且对产甲烷菌的活性有明显的抑制作用(Environmental Science and Technology，2006，402025-2029.)。因此，可以利用阴离子表面活性剂和碱性pH值条件联合作用来进一步提高污泥生物生产有机酸的产量。
本发明的目的在于提供一种利用阴离子表面活性剂和碱性pH值条件联合作用提高污泥生产有机酸产量的方法。
本发明提出的利用阴离子表面活性剂和碱性pH值条件联合作用提高污泥生产有机酸产量的方法，以污水处理厂产生的初沉污泥、剩余污泥或两者的混合物为原料，通过加入阴离子表面活性剂、控制碱性pH值条件以及所述污泥中微生物的作用将污泥中的非水溶解状态的污泥有机物(如多糖和蛋白质等)最大程度的转化为有机酸。
进一步，具体条件可为阴离子表面活性剂的用量与污泥干重的比值范围为0.01∶1-0.1∶1；微生物作用的pH值范围为8-12；污泥在反应器中的停留时间范围为5小时-30天。
本发明所述的阴离子表面活性剂，具体可以为十二烷基硫酸钠、十四烷基苯磺酸钠、α-烯基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠等。
本发明较好的实施条件是本发明中，阴离子表面活性剂的用量与污泥干重的比值范围为0.04∶1-0.07∶1。虽然所述阴离子表面活性剂的用量与污泥干重的比值在0.01-0.1的范围内都可以与碱性pH值条件联合作用进一步提高污泥生产有机酸的产量，并且在一定的时间范围内，随着阴离子表面活性剂用量的增加有机酸的产量也逐渐增加。综合考虑运行成本和有机酸的产量，故本发明采用的较合适的阴离子表面活性剂的用量为0.04-0.07倍的干污泥重量。
微生物作用的pH值为10。
本发明中，污泥在反应器中的停留时间范围为3-12天。
本发明采用阴离子表面活性剂和碱性pH值条件联合作用提高污泥产生有机酸产量的基本原理是污泥表面附着了大量的胞外多聚物，它们的主要成分为多糖和蛋白质。碱性pH值条件不但使污泥胞外多聚物的酸性基团解离，而且使胞外多聚物表面的负电荷互相排斥，导致污泥絮体解体，从而释放出大量的多糖和蛋白质。另一方面，阴离子表面活性剂的亲油和亲水性质使得它可以像一座桥梁一样，连接于污泥表面的大分子与水分子之间，在外界搅拌力的作用下，污泥表面的大分子物质(例如多糖和蛋白质)能够脱离污泥颗粒。同时，阴离子表面活性剂的增溶作用又可以使那些脱离污泥表面的大分子物质在水中的溶解度增加。这样在阴离子表面活性剂和碱性pH值条件的联合作用下，污泥的水解速率比它们二者中任何一方单独作用下都得到了进一步的提高。溶解性的多糖和蛋白质等大分子有机物在微生物的体外被微生物产生的水解酶进一步水解为低分子量的有机物。这一过程反复进行直到水解产物足够小，以至于可以被微生物细胞直接吸收同化。被微生物吸收的有机物进入酸化发酵阶段，最终被转化为脂肪酸。其中，较高级的脂肪酸将通过β-氧化机理进一步氧化，脂肪链羧基末端的两个碳原子脱下，形成分子更小的脂肪酸和乙酸。对于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，最终降解为丙酸。本发明所述的有机酸包括但不局限于乙酸、丙酸、小分子的脂肪酸及高级脂肪酸等。
阴离子表面活性剂和碱性pH值条件联合作用提高污泥生产有机酸产量的过程中，如果酸化时的发酵条件得不到很好的控制，酸化产物很容易进入产甲烷阶段。因此，合理控制酸化时的发酵条件，使生物转化后的产物成为需要的目的有机物是实现高效有机酸生产的关键。
为此，本发明中主要控制的发酵条件包括阴离子表面活性剂的用量、pH值以及污泥在反应器中的停留时间。本发明的研究表明，阴离子表面活性剂的用量与污泥干重的比值范围在0.01-0.1的范围内都可以促进污泥产生有机酸，并且在一定的时间范围内，随着阴离子表面活性剂用量的增加有机酸的产量也逐渐增加。综合考虑运行成本和有机酸的产量，本发明采用的较合适的阴离子表面活性剂的用量为0.04-0.07倍的干污泥重量。pH值在8-12之间对产甲烷菌的活性都有抑制作用，但在pH＝10时产甲烷菌的活性就几乎完全被抑制，而且过高的pH对反应设备的要求也高。此外，污泥在反应器中的停留时间对有机酸的合成也产生一定的影响。在本发明中污泥在反应器中的停留时间为5小时-30天，较合适的停留时间为3-12天。
本发明的有益效果是(1)利用城市污水处理厂的污泥生产有机酸，不仅实现了污泥减量化、稳定化、资源化以及减少污泥有机物污染环境的目的，同时生产了有价值的产物，是城市污水处理厂的一种循环经济模式。
(2)生产的有机酸可用于补充生物除磷脱氮工艺中碳源的不足，满足除磷脱氮微生物对碳源的需求，从而可以降低出水中氮、磷等营养元素的浓度，防止水体富营养化的发生。
(3)在阴离子表面活性剂和碱性pH值条件联合作用下，污泥产生有机酸的量明显高于它们二者中任何一方单独作用于污泥所产生的有机酸的量。
(4)阴离子表面活性剂和碱性pH值条件联合作用可以大幅度的提高污泥的水解速率，即缩短了污泥厌氧发酵的时间，这对改进、优化现有的污泥处理系统，降低投资和运行成本也具有一定指导意义。
具体实施例方式
下面结合实例作进一步详细说明实施例1在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃(本发明适用于任何常规温度，这里仅以21±1℃为例，以下实施例同)，通过污泥自身所含微生物的作用，将非水溶解状态的污泥有机物转化为有机酸。污泥在反应器中的停留时间为3天，制得有机酸62.43毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例2在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，通过阴离子表面活性剂以及污泥自身所含微生物的作用，将非水溶解状态的污泥有机物转化为有机酸。其中，阴离子表面活性剂的用量与污泥干重的比值为0.01∶1，污泥在反应器中的停留时间为5小时。制得有机酸48.23毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例3在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。将反应器中污泥的pH值调节为8，通过碱性pH值以及污泥自身所含微生物的作用，将非水溶解状态的污泥有机物转化为有机酸。污泥在反应器中的停留时间为5小时。制得有机酸71.42毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例4在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其与污泥干重的比值为0.01∶1，并将反应器中污泥的pH值调节为8，通过阴离子表面活性剂、碱性pH值以及污泥自身所含微生物的作用，将非水溶解状态的污泥有机物转化为有机酸。污泥在反应器中的停留时间为5小时。制得有机酸106.87毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例5在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其用量与污泥干重的比值为0.01∶1，污泥在反应器中的停留时间为3天。制得有机酸123.48毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例6在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。将反应器中污泥的pH值调节为8，污泥在反应器中的停留时间为3天。制得有机酸631.23毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例7在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其与污泥干重的比值为0.01∶1，并将反应器中污泥的pH值调节为8，污泥在反应器中的停留时间为3天。制得有机酸967.77毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例8在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其用量与污泥干重的比值为0.07∶1，污泥在反应器中的停留时间为8天。制得有机酸1094.7毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例9在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。将反应器中污泥的pH值调节为10，污泥在反应器中的停留时间为8天。制得有机酸2987.21毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例10在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其与污泥干重的比值为0.07∶1，并将反应器中污泥的pH值调节为10，污泥在反应器中的停留时间为8天。制得有机酸4163.02毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例11在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其用量与污泥干重的比值为0.1∶1，污泥在反应器中的停留时间为8天。制得有机酸1376.08毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例12在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其与污泥干重的比值为0.1∶1，并将反应器中污泥的pH值调节为10，污泥在反应器中的停留时间为8天。制得有机酸4685.35毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例13在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十四烷基苯磺酸钠，其用量与污泥干重的比值为0.04∶1，污泥在反应器中的停留时间为12天。制得有机酸465.19毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例14在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。将反应器中污泥的pH值调节为12，污泥在反应器中的停留时间为12天。制得有机酸3572.58毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例15在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率为99.2％，pH＝6.76)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十四烷基苯磺酸钠，其与污泥干重的比值为0.04∶1，并将反应器中污泥的pH值调节为12，污泥在反应器中的停留时间为12天。制得有机酸4486.03毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例16在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入初沉污泥(其含水率为94.5％，pH＝6.68)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其用量与污泥干重的比值为0.02∶1，污泥在反应器中的停留时间为5小时。制得有机酸73.38毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例17在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入初沉污泥(其含水率为94.5％，pH＝6.68)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。将反应器中污泥的pH值调节为9，污泥在反应器中的停留时间为5小时。制得有机酸160.85毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例18在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入初沉污泥(其含水率为94.5％，pH＝6.68)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其与污泥干重的比值为0.02∶1，并将反应器中污泥的pH值调节为9，污泥在反应器中的停留时间为5小时。制得有机酸267.51毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例19在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入初沉污泥与剩余污泥等比例的混合污泥(其含水率为96.6％，pH＝6.71)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其用量与污泥干重的比值为0.1∶1，污泥在反应器中的停留时间为30天。制得有机酸624.55毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例20在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入初沉污泥与剩余污泥等比例的混合污泥(其含水率为96.6％，pH＝6.71)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。将反应器中污泥的pH值调节为10，污泥在反应器中的停留时间为30天。制得有机酸717.67毫克每升(以化学需氧量计)。
实施例21在有机玻璃制成的工作容积为5升的反应器中，加入初沉污泥与剩余污泥等比例的混合污泥(其含水率为96.6％，pH＝6.71)作为发酵产酸的底物，反应温度为21±1℃。向反应器中投加阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，其与污泥干重的比值为0.1∶1，并将反应器中污泥的pH值调节为10，污泥在反应器中的停留时间为30天。制得有机酸1006.82毫克每升(以化学需氧量计)。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种提高污泥生产有机酸产量的方法，其特征在于以污水处理厂产生的初沉污泥、剩余污泥或两者的混合物为原料，通过加入阴离子表面活性剂、控制碱性pH值条件以及污泥自身所含微生物的作用，将非水溶解状态的污泥有机物最大程度的转化为有机酸。
2.根据权利要求1所述的提高污泥生产有机酸产量的方法，其特征在于具体条件为阴离子表面活性剂的用量与污泥干重的比值为0.01∶1-0.1∶1，微生物作用的pH值为8-12，污泥在反应器中的停留时间为5小时-30天。
3.根据权利要求1所述的提高污泥生产有机酸产量的方法，其特征在于阴离子表面活性剂的用量与污泥干重的比值为0.04∶1-0.07∶1。
4.根据权利要求1所述的提高污泥生产有机酸产量的方法，其特征在于pH值为10。
5.根据权利要求1至4中任一所述的提高污泥生产有机酸产量的方法，其特征在于污泥在反应器中的停留时间为3-12天。
6.根据权利要求1至4中任一所述的提高污泥生产有机酸产量的方法，其特征在于所述的阴离子表面活性剂，包括十二烷基硫酸钠、十四烷基苯磺酸钠、α-烯基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠。
7.根据权利要求5所述的提高污泥生产有机酸产量的方法，其特征在于所述的阴离子表面活性剂，包括十二烷基硫酸钠、十四烷基苯磺酸钠、α-烯基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠。
全文摘要
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种以加入阴离子表面活性剂和控制碱性pH值条件联合作用提高污泥生产有机酸产量的方法，以污水处理厂的初沉污泥、剩余污泥或两者的混合物为原料，通过加入阴离子表面活性剂、控制碱性pH值条件以及所述污泥中微生物的作用将污泥中的非水溶解状态的污泥有机物最大程度的转化为有机酸，其中，阴离子表面活性剂的用量与污泥干重的比值范围可在0.01∶1－0.1∶1，微生物作用的pH值范围可为8－12，污泥在反应器中的停留时间范围可为5小时－30天。本发明在对污泥进行资源化利用、减少其对环境污染的基础上，进一步提高了污泥生产有机酸的量。
文档编号C02F11/02GK101085997SQ20061002752
公开日2007年12月12日 申请日期2006年6月9日 优先权日2006年6月9日
发明者陈银广, 姜苏, 张礼平, 周琪, 顾国维 申请人:同济大学