申请日2009.11.23
公开(公告)日2010.05.05
IPC分类号C12P7/54
摘要
一种将市政污泥转化为乙酸的pH控制工艺，属于废物资源化领域。本发明是在产氢产酸/耗氢产乙酸耦合系统中，对两相进行不同的pH控制方式。产氢产乙酸相(A相)发酵前12天不控制pH，从第13天开始，将pH值维持在9-10;耗氢产乙酸相(H相)发酵过程中pH维持在6.5。18天后结束发酵，A相乙酸浓度为7.53g/L，H相乙酸浓度为1.45g/L，A相SCOD指标下降了56.7%。本发明在解决市政污泥对环境污染的问题的同时，得到了高附加值产品乙酸，并且排出的污水易于处理(SCOD指标低)，具有操作方便，成本低，效果明显等优点。
权利要求书
1.一种将市政污泥转化为乙酸的pH控制工艺，其特征在于，在产氢产乙酸/耗氢产乙酸耦合系统中，以经过预处理的市政污泥作为原料，分别在两相中接入不同浓度的活化后种泥，采用不同的pH控制方法分别控制产氢产乙酸相与耗氢产乙酸相发酵过程中的pH值，具体方法如下：
(1)产氢产乙酸相：初始pH调为9-10，发酵前期不控制pH值，从发酵第13天开始每天调一次pH，pH调为9-10;
(2)耗氢产乙酸相：发酵过程中每天调节pH一次，使pH值始终维持在6.5。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产氢产乙酸相产生乙酸、氢气和二氧化碳，耗氢产乙酸相利用产氢产乙酸相产生的氢气和二氧化碳产生乙酸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，市政污泥 预处理方法为：污泥浓度100g/L，用8mol/L NaOH调节pH至12.5，90℃水浴加热并搅拌2h，冷却至室温，3000rpm离心20min，弃去残渣，上清液即为污泥预处理液，4℃冰箱保藏备用。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，种泥的活化方法为：取厌氧消化活性污泥风干，磨碎，过筛，在105℃下加热2h，杀灭非芽孢菌产甲烷菌，取经加热处理过的厌氧活性污泥加入3g/L葡萄糖营养溶液中，调pH至6.5，35℃下活化24h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产氢产乙酸相种泥浓度为每升6g挥发性固体，耗氢产乙酸相种泥浓度为每升4g挥发性固体。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发酵过程如下：反应器运行前充氮气10-40min，密封，30-40℃下发酵，种泥与底物采用磁力搅拌或其它方式混合。
说明书
一种将市政污泥转化为乙酸的pH控制工艺
技术领域
一种将市政污泥转化为乙酸的pH控制工艺，属于废物资源化领域。
背景技术
随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，城市污水厂的污泥产生量也急剧增加。目前，我国已建成运行的城市污水厂就有1320座多座，年处理量为9725万m3。据估算，目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量(干重)大约为532万吨，湿重2662万吨(含水率80%)，而且以每年15%以上的速度增长。因此，发展对市政污泥进行经济有效的处理处置技术迫在眉睫。目前我国污泥资源化和无害化处理技术包括农用、堆肥燃烧、制水泥等建筑材料以及填埋等，初步估计全国污泥农用约占44.8%、填埋约占31%、其他处置约占10.5%、没有处置约13.7%。这些所谓的“处理”和“处置”基本上都是在特定的条件下估算的，严格来说以上数字不十分准确。据统计，我国用于污泥处理处置的投资约占污水处理厂总投资的20-50%，而有资料显示，发达国家的污泥处理处置投资约占污水处理厂总投资的50-70%。可以看出，我国污泥处理处置处于严重滞后状态。
污泥厌氧消化是一个由多种菌群协同完成的复杂的生物学过程。一般经历水解发酵菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌三类菌群的纵向接替转化以及耗氢产乙酸菌群的横向转化。许多研究表明，加热处理可杀灭不产芽孢的产甲烷菌，因而抑制了产甲烷反应，避免了乙酸向甲烷的转化。产甲烷菌被抑制后，造成反应器顶部氢分压升高。在较高氢分压条件下，产氢产乙酸反应在热力学上是不可进行的，而耗氢产乙酸菌要求在尽量高的氢分压下才能有效的把氢气和二氧化碳转化成乙酸，基于此原理，刘和，陈坚等人提出一种两相耦合厌氧发酵产乙酸系统。它通过真空泵的不断从产氢产乙酸相(A相)抽真空，为产氢产乙酸菌提供较低的氢分压，抽真空的气体不断进入耗氢产乙酸相(H相)，使H相保持较高的氢分压，整个系统运行可以明显提高产酸和产乙酸的量(申请号200610041457)。为了能够提高产氢产乙酸相和耗氢产乙酸相两项耦合系统产酸能力，刘和，陈坚等人在两相间设置真空泵采用强制通风措施，通过强制通风措施将产氢产乙酸相产生的氢气与二氧化碳作为底物进行耗氢产乙酸，耦合系统乙酸产率达0.46g乙酸/g葡萄糖，比系统自然通风时的乙酸产率提高、16%-28%(申请号200710134829);刘和，陈坚等人采用分批补料方法不仅降低了产氢产乙酸相有机负荷冲击，而且降低了产氢速度峰值，均化了整个发酵过程中的产氢速度，有利于达到与耗氢产乙酸相耗氢速度的平衡，提高两相间的产酸水平(申请号200710134828)。
pH是微生物生存的一个重要环境条件，不但影响微生物的生理活性，更重要的是决定污泥产酸发酵类型。有关污泥厌氧发酵产酸的最适pH值，不同研究者得出的结论并不一致。大部分研究者认为pH在弱酸性或接近中性条件下比较适合污泥厌氧发酵产酸。如Banerjee等(Banerjee A，Elefsiniotis P，Tuhtar D，The effect of addition of potato-processing wastewateron the acidogenesis of primary sludge under varied hydraulic retention time and temperature.JBiotechnol，1999，72(3)：203-212.)研究发现污泥发酵pH值为4.5左右时，可获得较高的挥发有机酸(VFAs)产量，此时其值为1181mg/L。Lin等(Lin C Y，Effect of heavy metals on volatilefatty acid degradation in anaerobic digestion.Water Res，1992，26：177-183.)认为要提高高分子量的VFAs构成比，则适宜的pH条件在5.8-6.2之间;若pH朝酸性方向移动，则导致低分子量的VFAs比例增大。然而，国内有部分研究者却得出碱性条件更有利于污泥厌氧发酵产酸的结论。如，肖本益等(肖本益，刘俊新，pH对碱处理污泥厌氧发酵产氢的影响，科学通报，2005，50(24)：2734-2738)和苑宏英等(苑宏英，基于酸碱调节的剩余污泥水解酸化及其机理研究，同济大学博士论文，2006)考察了pH值为4.0-11.0范围内，pH对剩余活性污泥厌氧发酵产酸的影响。结果发现，厌氧发酵8天，pH值为9.0及10.0时，总VFAs的产率要明显高于酸性和中性条件;总酸最大产率出现在pH值为10.0条件下，为256.2mgVFAs/g-VS(VS，挥发性固体含量)。她(他)们认为VFAs产率在强碱性条件下优于酸性和中性条件，原因可归于两方面：(1)有机质的融出率在碱性条件下得以显著提高;(2)VFAs消耗途径即产甲烷过程在强碱性条件下被阻断。可见，国内国外研究者在污泥厌氧发酵产酸的最适pH值上存在明显争议。邱坚等研究发现pH对反应器影响较大，将pH控制在9-10，虽然乙酸含量增高(邱坚，调控pH促进污泥产酸效能及两相耦合系统定向产乙酸，中国给水排水，2009.25(13))，但SCOD降解能力不足，反应器排出的废水中SCOD指标很高，导致后期废水处理成本提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种将市政污泥转化为乙酸的pH控制工艺，该工艺旨在提高将市政污泥转化为乙酸能力的同时降低废水中SCOD指标，降低后续处理成本。
为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：
以市政污泥预处理液作为底物，以经加热处理的厌氧活性污泥作为接种体，在产氢产乙酸相中进行厌氧发酵，使主要成份为乙酸的有机酸含量得到累积;同时，酸化过程产生的生物气(氢气与二氧化碳)在耗氢产乙酸相中作为经加热处理的厌氧活性污泥接种体的底物，产生乙酸。
所述方法中，市政污泥预处理方法为：污泥浓度100g/L，用8mol/L NaOH调节pH至12.5，90℃水浴加热并搅拌2h，冷却至室温，3000rpm离心20min，弃去残渣，上清液即为污泥预处理液，4℃冰箱保藏备用。
所述方法中，种泥的活化方法：取厌氧消化活性污泥风干，磨碎，过筛，在105℃下加热2h，杀灭非芽孢菌产甲烷菌。取经加热处理过的厌氧活性污泥加入3g/L葡萄糖营养溶液中，调pH至6.5，35℃下活化24h。
所述方法中，产氢产乙酸相(A相)的工艺条件如下：取一定污泥的预处理液，将初始pH调节为9-10，不控制pH，反应器运行12天;从第13天开始，将pH值上调为9-10，此后，每天将pH值调整为9-10。耗氢产乙酸相(H相)的工艺条件如下：种泥浓度为2-8gVS/L(VS，挥发性固体含量)，其中优选浓度为产氢产乙酸相种泥浓度为6gVS/L，耗氢产乙酸相种泥浓度为4gVS/L;初始pH6.5，发酵过程中每天调节pH一次，使反应器中pH值始终维持在6.5;其发酵条件如下：反应器运行前充氮气10-40min，密封，30-40℃下发酵，种泥与底物采用磁力搅拌或其它方式混合。
所述方法中，SCOD的测定方法为：先将液体离心，上清液用0.45μm的微孔滤膜过滤，取滤液用于检测COD指标，COD测定参照GB 11914-89水质化学需氧量的测定。
所述方法中，乙酸浓度的测定方法为：发酵过程中采集的样品在4℃4800rpm下离心10min，然后用0.45μm的微孔滤膜过滤，取1mL滤液于离心管中，加入同体积的0.83g/L的4-甲基戊酸溶液(作为内标)和3mol/L的磷酸溶液(使溶液中的挥发有机酸在进样室汽化)，混匀，然后进气相色谱仪检测。气相色谱测定条件：AOC-20i自动进样器;FID检测器;PEG-20M毛细管柱(30m×0.32mm×0.5μm，大连中汇达科学仪器有限公司);采用一阶程序升温，初温80℃，保持3min，后以15℃/min的速率升至210℃，保持2min。进样室和检测器的温度都设为250℃。
本发明解决了市政污泥中易降解物对环境污染的问题，同时得到高附加值乙酸产品;本发明通过调控发酵过程中的pH值，同时提高了产氢产乙酸和耗氢乙酸相中乙酸的产量，并且明显降低了废水中SCOD指标，大大减轻了后续废水处理的难度;该工艺设备简单，操作方便，成本低，具有较高的经济价值。
