一种促进污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法

1.本发明涉及污泥深加工技术领域，尤其涉及一种促进污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法。


背景技术：

2.污泥(was)是污水处理厂生物处理过程中的主要废物，需要妥善处置以减少环境污染。污泥中的大量有机物质和营养物质可以作为资源和能源进行回收，以补偿污水处理厂的运营成本。目前，包括厌氧消化和发酵在内的厌氧技术在污泥处理中得到广泛研究，以实现污泥减量并以甲烷和短链脂肪酸(scfas，例如乙酸和丙酸等)的形式生产生物能源和资源。但甲烷是一种能量密度较低的温室气体，其在沼气中所占比例有限，热值较低。对于scfas，巨大的溶解度使得分离过程在能量上非常昂贵，因此极大地限制了它们的可利用性。最近，中链脂肪酸[mcfas，含有6～12个碳原子的饱和脂肪酸，例如正己酸(c6)和正庚酸(c7)]作为新型厌氧产品引起了越来越多的关注。
[0003]
mcfas可以通过厌氧发酵过程中的链延长生物过程产生，其中链延长细菌使用还原物质[作为电子供体]转化提供的乙酰辅酶a将scfas升级为mcfas。与scfas和甲烷相比，mcfas具有更高的能量密度(3492～4799kj/mol)以及低溶解度更易分离，并且由于其更高的碳氧比而更有利用价值。此外，mcfas具有更广泛的应用，例如抗菌剂以及生物柴油和生物塑料生产的前体。因此，mcfas是更受青睐的产品，受到了广泛关注。
[0004]
然而，污泥的低生物降解性通常限制了污泥厌氧发酵，导致能量回收效率低。考虑到利用产生的大量剩余污泥回收mcfas技术的潜在意义，因此，当前mcfas生产性能的任何改进都应该具有显著的环境和经济效益。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种促进污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法，通过表面活性剂促进污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸。
[0006]
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
[0007]
本发明提供了一种促进污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法，包括如下步骤：
[0008]
(1)将污泥沉降，得到浓缩污泥；
[0009]
(2)在浓缩污泥中添加乙醇和烷基糖苷表面活性剂，得到发酵料；
[0010]
(3)将发酵料厌氧发酵，得到中链脂肪酸。
[0011]
作为优选，步骤(1)中所述沉降前对污泥进行过滤，所述过滤时采用20～60目筛。
[0012]
作为优选，步骤(1)中所述沉降的温度为2～6℃，所述沉降的时间为20～28h。
[0013]
作为优选，步骤(2)中所述浓缩污泥中乙醇的添加量为100～160mmol/l，烷基糖苷的添加量为0.1～0.5g/g tss，所述烷基糖苷表面活性剂为apg06。
[0014]
作为优选，步骤(3)中所述厌氧发酵的温度为34～37℃，所述厌氧发酵的时间为18～35d。
[0015]
作为优选，步骤(3)中所述厌氧发酵时进行搅拌，所述搅拌的转速为140～180rpm。
[0016]
本发明提供了一种促进污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法，包括如下步骤：(1)将污泥沉降后去除水，得到浓缩污泥；(2)在浓缩污泥中添加乙醇和烷基糖苷表面活性剂，得到发酵料；(3)将发酵料厌氧发酵，得到中链脂肪酸。在传统的生产工艺中，污泥厌氧发酵常受到可降解性较弱的限制，而本发明的方法不同于传统方法，通过表面活性剂烷基糖苷促进污泥增溶提供了更多可溶性有机物、缩短了发酵周期、抑制产甲烷阻止产甲烷菌对底物的消耗并提供了己醇作为电子供体，从而提高了污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸。本发明所使用的烷基糖苷表面活性剂价格低廉、无毒且可快速生物降解，对环境友好。
附图说明
[0017]
图1为apg对was厌氧发酵产mcfas的影响；
[0018]
图2为apg对was厌氧发酵过程中醇类和scfas的浓度变化；
[0019]
图3为apg对was增溶的影响；
[0020]
图4为apg对was产ch4的影响；
[0021]
图5为apg自降解的降解率、产醇、scfas和mcfas的情况。
具体实施方式
[0022]
本发明提供了一种促进污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法，包括如下步骤：
[0023]
(1)将污泥沉降，得到浓缩污泥；
[0024]
(2)在浓缩污泥中添加乙醇和烷基糖苷表面活性剂，得到发酵料；
[0025]
(3)将发酵料厌氧发酵，得到中链脂肪酸。
[0026]
在本发明中，步骤(1)中所述沉降前优选对污泥进行过滤，所述过滤时优选采用20～60目筛，进一步优选为采用40目筛。
[0027]
在本发明中，步骤(1)中所述沉降的温度优选为2～6℃，进一步优选为4℃，所述沉降的时间优选为20～28h，进一步优选为24h。
[0028]
在本发明中，步骤(2)中所述浓缩污泥中乙醇的添加量优选为100～160mmoll/l，进一步优选为140mmol/l。
[0029]
在本发明中，步骤(2)中所述浓缩污泥中烷基糖苷表面活性剂添加量优选为0.1～0.5g/g tss，进一步优选为0.3g/g tss，所述烷基糖苷表面活性剂为apg06。
[0030]
在本发明中，步骤(3)中所述厌氧发酵前优选通入氮气4～6分钟以排除氧气，进一步优选为通入氮气5分钟以排除氧气。
[0031]
在本发明中，步骤(3)中所述厌氧发酵的温度优选为34～36℃，进一步优选为35℃，所述厌氧发酵的时间优选为18～35d，进一步优选为26～27d。
[0032]
在本发明中，步骤(3)中所述厌氧发酵时优选进行搅拌，所述搅拌的转速优选为140～180rpm，进一步优选为160rpm。
[0033]
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0034]
实施例1
[0035]
材料：污泥从文昌污水处理厂(中国哈尔滨)获得，该污水处理厂采用厌氧/缺氧/
好氧(a/a/o)工艺。
[0036]
将污泥使用40目筛进行过滤，然后通过在4℃下沉降24小时进行浓缩，得到浓缩污泥。
[0037]
厌氧发酵分批试验在330ml反应器中进行，其中每个反应器中含有200ml污泥。分别向反应器中加入乙醇，使乙醇浓度为140mmol/l并加入apg06，apg06浓度分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g/g tss。每组试验由三个平行反应器组成。发酵前，向反应器中通入氮气5分钟以排除氧气，然后，每个血清瓶用丁基橡胶塞子密闭，并用铝盖压紧。在35℃下以160rpm的搅拌速度持续培养27天。每隔3天调节ph到7.0并监测液体和气体样品。
[0038]
试验例
[0039]
1、scfas、mcfas和醇类检测方法：
[0040]
利用美国安捷伦公司生产的气相色谱仪(型号为hp7890)测试发酵液中mcfas(己酸、庚酸、辛酸、4-甲基辛酸)、醇类(乙醇、丙醇、丁醇和己醇)和scfas(乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸)的含量。样品的处理方法为：将发酵液用0.45μm的滤膜过滤，然后将过滤后的1ml样品加入色谱小瓶中，并加100μl甲酸对样品进行酸化，每次进样1.0μl。气相色谱仪的测试条件为：氢火焰检测器，色谱柱为30m
×
0.25mm的db wax聚乙二醇毛细管柱，载气为氮气，进样口和检测器的温度分别为220℃和240℃，柱子的升温程序为以每分钟20℃的增量从70℃升高到170℃，并维持5分钟后以每分钟20℃的增量再增加到240℃。
[0041]
2、污泥增溶的检测方法：将发酵液用0.45μm的滤膜过滤获得待检测样品，采用bca蛋白检测试剂盒(solarbio)测定蛋白含量、重铬酸钾法测定化学需氧量(cod)、苯酚-硫酸法测定多糖含量。
[0042]
3、甲烷的测定：利用安捷伦气相色谱仪7890a进行测试，色谱柱型号为hp-5，载气为高纯氮气，载气流速为50ml/min，柱温为300℃，气化室温度为100℃，检测器温度为150℃。采用手动进样，待仪器准备就绪后，用注射器快速加入2ml左右待测气体。
[0043]
4、apg浓度测定：将发酵液用0.45μm的滤膜过滤获得待检测样品，采用蒽酮硫酸法测定样品中apg的浓度，3,5-二硝基水杨酸法测定葡萄糖的浓度，由于apg降解产物中含有葡萄糖，因此apg的降解率根据公式(1)计算：
[0044][0045]
结果：
[0046]
表1总产物及其从乙醇、apg、污泥转化得到的碳含量
[0047][0048]
1.图1显示了不同apg投加量厌氧发酵过程中mcfas的累积产量。可以看出，mcfas产量在发酵过程的早期阶段大大增加，然后逐渐达到稳定。在整个发酵过程中，对照组(无
apg)在第27天获得最大累积mcfas产量为729.85mg cod/l。随着apg添加量从0.1g/g tss增加到0.3g/g tss，mcfas的最大累积产量从2371.09mg cod/l增加到14745.00mg cod/l，比对照组增加了2.25～19.20倍。而继续增加apg到0.4g/g tss和0.5g/g tss，mcfas的最大累积产量开始下降，分别为5618.76mg cod/l和456.32mg cod/l。结果表明最适宜的apg添加浓度为0.3g/g tss，此时获得了最大的mcfas产量。此外，添加0.3g/g tss的apg缩短了产mcfas的发酵时间，在第18天基本达到最大值，减少了能耗。图2添加0.3g/g tss apg的醇和酸的含量开始高于对照组，而反应结束后醇和酸的浓度(13672.53mg cod/l)低于对照组(14564.89mg cod/l)，表明在apg存在下更多的醇和酸被转化为mcfas。
[0049]
2.有机物主要存在于was的固相中。在增溶过程中，was解体，同时有机物释放到液相中。因此，was增溶的程度可以通过可溶性有机物的变化来反映。图3表示每组发酵1天后可溶性蛋白、多糖和溶解性化学需氧量(scod)的浓度。在apg投加量为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g/g tss时，可溶性蛋白质浓度分别为346.54、481.93、733.44、952.98、1073.72和1293.26mg/l，这表明apg可以导致更多的蛋白质释放，促进了污泥的增溶。但鉴于apg含有糖基，并且能被水解成葡萄糖和己醇，apg本身还会贡献scod，此外在发酵过程中还存在微生物对糖和scod的利用，因此检测可溶性多糖和scod不能完全代表污泥可溶性多糖和scod的释放情况，但能说明apg的添加提供了更多可以利用的糖和scod，有利于微生物利用产mcfas。这些结果表明，apg可以促进was的分解，为后续的生物过程提供更多的可利用溶解性有机物，同时apg自身也提供了更多的可利用糖和scod。
[0050]
3.抑制甲烷化能够减少产甲烷菌对乙酸、二氧化碳和氢气的消耗，则有利于链延伸微生物利用乙酸和二氧化碳作为电子受体和利用氢气作为电子供体产mcfas。如图4所示，甲烷占比随apg的添加量的增多而减少，且添加0.5g/g tss apg时几乎没有甲烷的产生，说明apg抑制了甲烷的产生，从而减少乙酸、二氧化碳和氢气的消耗并产生更多的mcfas。总的来说，这项研究表明apg可以有效抑制甲烷生成，促进mcfas的产生。
[0051]
4.为了揭示apg降解对提高mcfas产量的影响，探究了添加0.3g/g tss apg系统中apg自降解情况及对产mcfas的促进机制，具体实施方式为向330ml反应器中添加2.65gapg作为底物，加入25mlwas作为接种物并添加去离子水使工作体积为200ml(体系中apg浓度与厌氧发酵产mcfas添加0.3g/g tss apg系统中的浓度相同)。如图5所示，发酵27天后apg的自降解效率为72.77％，说明apg对环境友好，有良好的可生物降解性。apg自降解产生了大量的己醇和少量的scfas，发酵结束后获得mcfas产率仅为123.48mg cod/l，说明仅apg自降解几乎不能转化产生mcfas，这是由于自降解体系中仅有少量的scfas，因此电子受体不足。该结果也说明添加0.3g/g tss apg的发酵体系中，电子受体scfas主要来自于污泥的转化。此外图2中添加0.3g/g tss apg发酵27天后己醇浓度仅为21.80mg cod/l，说明apg自降解产生的己醇作为电子供体转化为了mcfas。由于apg自降解也会转化为产物，为了阐明apg促进was转化为产物的能力，表1展示了发酵后总产物及其从乙醇、apg、污泥转化得到的碳含量，结果表明添加0.3g/g tss apg转化的碳含量为总产物的21.80％，产物中更多的碳来源于was的转化，0.3g/g tss apg促进了污泥中的碳向产物转移，总产物中来自污泥转化的碳含量是对照组的2.01倍。
[0052]
总之以上研究结果表明，烷基糖苷表面活性剂的添加促进了was产mcfas并缩短了发酵时间，主要机制有促进污泥增溶，提供了更多的可溶性有机物；抑制了甲烷的产生，使
氢气、二氧化碳和乙酸更多的流向产mcfas；烷基糖苷自降解提供了更多的电子供体己醇，从而促进了污泥产mcfas。
[0053]
由以上实施例可知，本发明提供了一种促进污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法，包括如下步骤：(1)将污泥沉降后去除水，得到浓缩污泥；(2)在浓缩污泥中添加乙醇和烷基糖苷表面活性剂，得到发酵料；(3)将发酵料厌氧发酵，得到中链脂肪酸。在传统的生产工艺中，污泥厌氧发酵常受到可降解性较弱的限制，而本发明的方法不同于传统方法，通过表面活性剂烷基糖苷促进污泥增溶提供了更多可溶性有机物、缩短了发酵周期、抑制产甲烷阻止产甲烷菌对底物的消耗并提供了己醇作为电子供体，从而提高了污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸。本发明所使用的烷基糖苷表面活性剂价格低廉、无毒且可快速生物降解，对环境友好。
[0054]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种促进污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将污泥沉降后去除水，得到浓缩污泥；(2)在浓缩污泥中添加乙醇和烷基糖苷表面活性剂，得到发酵料；(3)将发酵料厌氧发酵，得到中链脂肪酸。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述沉降前对污泥进行过滤，所述过滤时采用20～60目筛。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述沉降的温度为2～6℃，所述沉降的时间为20～28h。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述浓缩污泥中乙醇的添加量为100～160mmol/l，烷基糖苷表面活性剂的添加量为0.1～0.5g/gtss，所述烷基糖苷表面活性剂为apg06。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述厌氧发酵的温度为34～37℃，所述厌氧发酵的时间为18～35d。6.根据权利要求1～5任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述厌氧发酵时进行搅拌，所述搅拌的转速为140～180rpm。

技术总结
本发明涉及污泥深加工技术领域，本发明提供了一种促进污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法，包括如下步骤：(1)将污泥沉降后去除水，得到浓缩污泥；(2)在浓缩污泥中添加乙醇和烷基糖苷表面活性剂，得到发酵料；(3)将发酵料厌氧发酵，得到中链脂肪酸。在传统的生产工艺中，污泥厌氧发酵常受到可降解性较弱的限制，而本发明的方法不同于传统方法，通过表面活性剂烷基糖苷促进污泥增溶提供了更多可溶性有机物、缩短了发酵周期、抑制产甲烷阻止产甲烷菌对底物的消耗并提供了己醇作为电子供体，从而提高了污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸。本发明所使用的烷基糖苷表面活性剂价格低廉、无毒且可快速生物降解，对环境友好。对环境友好。对环境友好。


技术研发人员：曹广丽 周春爽 刘冰峰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/8/24