申请日2018.07.11
公开(公告)日2018.11.23
IPC分类号C12P7/40
摘要
本发明公开了利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，包括以下步骤：1)将酒糟废弃物与污泥混合获得厌氧发酵底物;2)将反应器充氮驱氧，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，控制发酵pH值和温度，进行厌氧发酵。本发明既能够实现污泥和酒糟的资源化利用，生产具有较高利用价值的短链脂肪酸，同时能够实现污泥和酒糟的减量化和无害化，减轻对环境的污染。
权利要求书
1.利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将酒糟废弃物与污泥混合获得厌氧发酵底物;
2)将反应器充氮驱氧，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，控制发酵pH值和温度，进行厌氧发酵。
2.根据权利要求1所述的利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述污泥为污水处理厂的污泥，包括初沉污泥或剩余污泥中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤1)中的污泥与酒糟废弃物的混合比例为4:1~1:4。
4.根据权利要求1所述的利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤1)中的污泥与酒糟废弃物的混合比例为2:1~1:2。
5.根据权利要求1所述的利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤2)的发酵pH值为3~10。
6.根据权利要求1所述的利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤2)的发酵pH值为5~10。
7.根据权利要求1所述的利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤2)中的发酵温度为15~55℃。
8.根据权利要求1所述的利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤2)中的发酵温度为20~35℃。
9.根据权利要求1所述的利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤2)中厌氧发酵时间为2~10天。
10.根据权利要求1所述的利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤2)中厌氧发酵时间为为3~8天。
说明书
利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法
技术领域
本发明属于环境保护以及资源化技术领域，具体涉及利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法。
背景技术
白酒行业作为我国的特色产业之一，近年来发展迅速。与此同时，酒糟作为白酒生产过程的主要副产物，其产量也随之增大。据统计，每生产1t白酒，将产生约10t的酒糟。近年来，每年废弃酒糟达1500-2100t。酒糟成分复杂，含大量可溶性有机污染物，CODcr浓度可高达100000mg/L，同时由于酒糟含水率高，堆放过程中将产生酒糟渗滤液，且易腐败变质，如不及时加以利用，将造成资源的浪费及严重的环境污染。
目前，酒糟的主要利用途径包括生产饲料、燃料和有机肥等。酒糟生产饲料易受运输半径的影响，产品市场区域受限。由于酒糟含水率高，热值低且需解决燃烧带来的二次污染问题，因此酒糟不宜作燃料。而利用酒糟生产的有机肥，较难提取高附加值产品，对酒糟利用的价值较低。综合上述情况，酒糟开发循环利用的经济效益较低，对酒糟的加工处理手段并不完善。
同时，随着我国经济高速发展及城市化进程不断加快，污水处理厂污水的处理量逐年增加。目前，我国城市污水处理率超过90%，与此同时，作为污水处理的副产物，污泥的产量每年也超过4000万吨(80%含水率计)。由于污泥的处理处置费用较高，占到污水处理厂总运行费用的40～60%，因此当前污泥稳定无害化处理仅占到20%～30%。污泥中含有大量的微生物及其有机质，具有含水率高、易腐败、有恶臭等特征，若随意堆置，可能造成严重的二次污染。因此，如何实现污泥的减量化、资源化和无害化是城市污水处理厂面临的重大难题。
厌氧生物处理是目前剩余污泥资源化处理处置的有效途径之一。它主要利用系统中厌氧微生物降解代谢作用，完成对有机物的分解转化。它不仅能有效降解去除污泥中的有害污染物，还能将其中的有机底物转化为甲烷(CH4)、氢气(H2)和挥发性脂肪酸(Volatilefatty acids，VFAs)等可再次利用的能源物质。其中VFAs(包括乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸和异戊酸等)是一类广受关注的重要中间产物，应用范围广泛，不仅是合成油漆、涂料、可生物降解塑料等重要原料，也是污水处理过程中微生物脱氮除磷必不可少的有机碳源。因此，利用厌氧发酵手段从污泥中获取VFAs，不仅可以促进污泥减量化和无害化，也能实现污泥的资源化，提高污水处理厂的脱氮除磷的效果，同时实现环境和经济效益。
目前大部分研究主要侧重于剩余污泥单独发酵的影响因素探究，包括温度和pH值等。但是，污泥单独厌氧发酵无法回避有机质含量低和C/N比失调等问题，对最终VFAs的积累和组成产生不利影响。酒糟富含碳水化合物，它将有效调节污泥厌氧发酵系统中C/N的平衡，增强其缓冲性能，减弱有毒物质对发酵微生物的抑制，从而提高微生物的活性。同时，酒糟中含有大量真菌等微生物，它们可通过分泌大量真菌酶强化对体系中有机物的分解，与污泥中的厌氧发酵微生物等协同促进有机质的溶出、水解、酸化等厌氧代谢过程，从而强化VFAs的生成。截至目前，尚无关于污泥与酒糟联合发酵提高VFAs产量的报道，其关键影响因素以及作用机制也不明确。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：利用酒糟和污泥联合厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，包括以下步骤：
1)将酒糟废弃物与市政污泥混合获得厌氧发酵底物;
2)将反应器充氮驱氧，密封反应器，利用机械搅拌将反应体系物质混合均匀，控制发酵pH值和温度，进行厌氧发酵。
酒糟联合剩余污泥厌氧发酵生产VFAs的过程中，发酵产酸的条件需要得到进一步的控制。本发明中主要控制的发酵条件主要包括：市政污泥的种类，酒糟和污泥的混合比例，发酵pH值、温度和时间等。
本发明中，污泥为污水处理厂的污泥，包括初沉污泥或剩余污泥中的一种或两种。酒糟与初沉污泥和剩余污泥混合发酵都能促进VFAs的产生，但是剩余污泥相比初沉污泥，有机质含量和微生物量较高，更有利于VFAs的生产，因此较优选择白酒酒糟与剩余污泥联合发酵。
本发明中，污泥与酒糟样品的混合比例在1:4～4:1(以总CODcr计)的范围内都能够有效促进VFAs的生成，但是在厌氧发酵产VFAs的过程中，发酵底物和微生物量的共平衡更有利于VFAs的积累，因此较优选择2:1～1:2的混合比例。
其中，所述步骤2)的搅拌转速为150-180rpm/min。
pH作为发酵过程中最重要的非生物因子之一，不但影响发酵污泥的水解效率以及系统中微生物的活性，而且决定着发酵类型。本发明中，污泥样品在反应器中厌氧发酵pH值控制在3～10，优选的pH值范围为5～10。
运行温度将影响发酵污泥的水解效率以及系统中微生物的活性，从而影响VFAs的累积，本发明中，实验条件温度控制范围为15～55℃，较为理想的范围为20～35℃。
另外，污泥在反应器中的停留时间也会影响VFAs的累积，一般认为发酵时间越长，将更有利于产甲烷菌的活动，使得产酸阶段的产物VFAs进一步转化为甲烷，不利于VFAs的积累，同时发酵时间的延长将进一步增大运行成本。本发明中污泥在反应器中的停留时间为2～10d，较为理想的停留时间为3～8d。
本发明中利用酒糟促进污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的基本原理是：
底物的种类对厌氧水解发酵过程影响显著。微生物会选择性的优先代谢容易被利用的发酵底物。最常见的三大营养物质：多糖、蛋白质、脂肪，其利用速率依次下降。由于剩余污泥存在有机物含量相对较低，C/N比低(蛋白类物质含量高)，可生化性差等缺点，导致单独厌氧消化弊端较多，因此通过向剩余污泥发酵系统投加含高碳水化合物的酒糟，可提高厌氧发酵系统的C/N比，增强发酵体系的缓冲性能，减弱有毒物质对发酵微生物的抑制，从而促进微生物的活性与活力，提高反应系统中VFAs的积累。
同时，白酒酒糟中含有的钙、镁、钾等微量元素，对厌氧水解发酵过程产生积极影响。一方面，微量元素能够有效地提高产酸阶段许多关键酶及功能微生物的活性，同时微量元素可以作为电子供体参与微生物代谢过程中的电子转移，促进微生物的代谢活动，加快底物水解酸化速率，促进VFAs的生成。
此外，研究还发现酒糟含有Acetobacter和Lactobacillus等微生物。它们作为典型的厌氧发酵微生物将丰富混合体系中微生物种群结构，加速有机底物的转化，对污泥和酒糟的联合发酵产生积极作用。同时，厌氧发酵产酸过程涉及了复杂的生物代谢途径，往往需要依靠关键酶的驱动进行。例如，微生物通过体外的水解酶将溶解态的有机物转化为低分子的有机物质供后续产酸菌利用。酒糟还含有真菌，它们能够通过分泌对有机物分解代谢能力强的真菌酶(包括纤维素分解酶和漆酶)等。因此，它能加速厌氧发酵体系中水解过程，为酸化微生物提供底物，强化VFAs的产生。
有益效果：相对于现有技术，本发明具备如下优点：
1、利用剩余污泥和酒糟作为原料生产VFAs，不仅实现了污泥的减量化和无害化，而且为酒糟的综合开发利用提供一种新思路。
2、通过污泥与酒糟的联合发酵，可以调节发酵底物C/N平衡，增强发酵体系的缓冲性能，减弱有毒物质对发酵微生物的抑制，协同促进有机质的溶出、水解和酸化等厌氧代谢过程，提高VFAs的生成速率和产量，有效地缩短发酵产酸的时间，减少处理系统的容积，降低运行成本。
3、VFAs是污泥厌氧发酵一类重要的中间产物，具有很高的利用价值。它不仅是合成油漆、涂料以及化妆品等不可缺少的原料，而且能够有效补充污水处理厂脱氮除磷所需碳源，实现以“废”治“污”的目标，符合经济社会可持续发展的重要理念。
4、剩余污泥与酒糟联合发酵，在混合比例为2:1～1:2，pH为5～10，发酵温度为20～35℃，发酵时间为3～8天的条件下，可以很大程度地促进VFAs生产，提高VFAs的生成速率。
