阅读说明：本技术 一种预处理促进剩余污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法 (method for producing medium-chain fatty acid by promoting anaerobic fermentation of excess sludge through pretreatment ) 是由 倪丙杰 张雨婷 王云 孙婧 徐秋翔 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种预处理促进剩余污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法,取活性污泥,静置后去除上清液,向活性污泥中添加亚硝酸钠溶液并控制pH、温度,进行游离亚硝酸(FNA)预处理,将经预处理后污泥添加到厌氧反应器中,加入电子供体进行厌氧发酵反应生产中链脂肪酸。与现有技术相比,本发明利用游离亚硝酸促进污泥中的有机物质的溶出,提高污泥水解速率,从而提高了厌氧发酵体系中链脂肪酸的产量。游离亚硝酸可以从污水处理厂厌氧消化液亚硝化产物中原位获得,在污泥资源化利用的同时合理利用现有资源进行更有价值的能源制备,该发明具有产物产量高、操作简便、节能降耗等优势。(The invention relates to a method for producing medium-chain fatty acid by using kinds of pretreated and promoted excess sludge anaerobic fermentation, which comprises the steps of taking activated sludge, removing supernatant after standing, adding sodium nitrite solution into the activated sludge, controlling pH and temperature, carrying out pretreatment of Free Nitrous Acid (FNA), adding the pretreated sludge into an anaerobic reactor, and adding an electron donor to carry out anaerobic fermentation reaction to produce the medium-chain fatty acid.)

一种预处理促进剩余污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及固体有机废弃物资源化利用领域，尤其涉及一种游离亚硝酸预处理剩余活性污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法。

背景技术

近年来，我国污水处理产业发展快速，城镇水环境治理效果显著，污水处理能力以及处理率不断提高，但随之而来的二次污染问题不容小觑。剩余污泥(WAS)作为污水处理过程中主要的副产物，其管理成本高达整个污水处理厂运营成本的60％，据统计，只有小部分的剩余污泥得到妥善的处置，大部分的剩余污泥仍被随意堆放填埋，剩余污泥中的病原体，重金属以及持久性有机污染物等有毒有害物质将再一次进入土壤以及水环境中，威胁环境安全以及公众健康，使得整个污水处理系统的环境效益大大降低。由于剩余污泥含有大量有机质，其本身是一种廉价又有价值的资源，因此以“安全环保，循环利用，节能降耗，因地制宜，稳妥可靠”的原则回收利用剩余污泥中的能源和资源成了国内外学者的研究重点。

目前，厌氧发酵被认为是最有效的污泥减量化稳定化的处理策略，有机物在微生物的作用下最终转化为如甲烷氢气以及有机酸等可回收的能源物质。在厌氧发酵体系中加入还原性物质作为电子供体(如乙醇)，同时通过添加产甲烷抑制剂或者降低pH的方法抑制产甲烷菌活性，厌氧发酵过程产酸阶段的产物挥发性脂肪酸(VFA)将通过碳链延长反应成为中链脂肪酸。中链脂肪酸(MCFA)是指有6-12个碳原子的羧酸，包括正己酸，正庚酸和正辛酸等，与挥发性脂肪酸(VFA)相比，中链脂肪酸具有更长的疏水性碳链，在水中的溶解度相对较低，具有从水中提取分离的潜力，同时中链脂肪酸的氧碳比更低，具有更高的能量密度，更适合作燃料。

污泥的厌氧发酵一般包括水解，酸化和甲烷化，水解作为污泥的厌氧发酵限速步骤，会影响后续反应的进行。目前提高污泥水解速率的方法有：热处理，机械处理(微波，超声，高压等)，化学处理(酸，碱等)，生物处理(酶，接种细菌等)。然而上述预处理方法由于经济，环境和能耗等多方面考虑，在实际应用中受到了很大的限制。

中国专利CN105238822A公开了一种强化污泥厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸的联合预处理方法以及短链挥发性脂肪酸的制备。联合预处理方法及短链挥发性脂肪酸的制备方法如下：以城市污水处理厂二沉池的污泥作为发酵基物；向发酵基质中接种厌氧活性污泥；向发酵体系中投加亚硝酸钠和十二烷基苯磺酸钠在酸性环境下(pH＝6.0)进行预处理2天在发酵，然后调节到中性进行厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸，但是该专利无法生产得到中链脂肪酸。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有预处理技术成本高且处理效率低的缺陷，提供利用游离亚硝酸(FNA)预处理促进剩余污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法，强化剩余污泥厌氧发酵的水解速率，提高中链脂肪酸产量。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

1)取城市污水处理厂二沉池的废弃活性污泥，进行重力浓缩后，去除上清液的污泥作为发酵底物；

2)在洗净的剩余污泥中添加亚硝酸钠溶液；

3)将污泥和亚硝酸钠溶液在一定反应条件下连续进行搅拌反应；

4)在反应器中按照一定比例加入预处理过的剩余污泥、生长培养基(包括常量元素、微量元素以及维生素)、甲烷抑制剂和电子供体并按相应比例接种一定量的厌氧污泥，调节pH和温度至适宜微生物生长的状态；

5)利用高纯氮气吹扫排净反应器中的空气，并用橡胶塞和铝盖迅速封闭反应器，为后续反应提供一个密闭厌氧的环境；

6)使用恒温震荡培养箱保证厌氧发酵体系的均匀接触以及最佳反应条件，持续运行生产得到中链脂肪酸。

污泥中添加的亚硝酸钠浓度为50-300mg/L。

游离亚硝酸预处理的pH值控制在5-6，温度控制在20-30℃左右

在pH＝5-6，温度为20-30℃条件下，游离亚硝酸(FNA)浓度为0.10-7.69mgHNO₂-N/L。

预处理时间为24±1h左右，通过搅拌保证预处理反应体系的充分接触。

所述电子供体可以促使反应向碳链延长方向进行，采用乙醇、乳酸、氢气或甲醇，电子供体浓度为40-200mM，优选80-180mM的乙醇。电子供体是生产中链脂肪酸的必要的一个底物，而且上述电子供体已被证明可以有效促进微生物生产中链脂肪酸。

厌氧发酵时还加入生长培养基、甲烷抑制剂及厌氧污泥，废弃活性污泥与生长培养基的体积比为1:20-1:5，接种的厌氧污泥与废弃活性污泥的质量比为1:2-2:1，甲烷抑制剂添加量为15-30g/L。

接种的厌氧污泥经长期厌氧驯化，富含能够生产中链脂肪酸的微生物。

所述微生物培养基含有微生物生长所需要的常量元素、微量元素、维生素等，接种厌氧污泥为厌氧消化/发酵反应器中驯化的能够生产中链脂肪酸的微生物，其中包含Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物。所述甲烷抑制剂为2-溴乙酰磺酸

厌氧发酵产中链脂肪酸的反应控制在pH为5-6(甲烷菌会与中链脂肪酸菌竞争底物，该pH下甲烷菌活性较低)，温度为35-40℃(产中链酸等功能菌最适宜的温度范围)，转速为160～180rpm，运行25-30天。

生产得到的中链脂肪酸包括正己酸、正庚酸或正辛酸。

本发明在pH＝5-6(甲烷菌会与中链脂肪酸菌竞争底物，该pH下甲烷菌活性较低)下添加各种电子供体，最终可以获得中链脂肪酸。与短链脂肪酸相比，中链脂肪酸疏水性高，易于从水中分离，可以作为生物化学品或生物燃料的前体物质，并且中链脂肪酸能量密度高，利用价值也更高。

与现有技术相比，本发明采用游离亚硝酸(FNA)，亚硝酸盐的质子化形态，是一种可原位再生，低成本的厌氧消化液亚硝化产物，对胞外聚合物及细胞壁有极强的破坏作用，从而使得胞内物质释放，加速污泥厌氧发酵的水解速率，为后续发酵提供更多可利用的有机质。因此本发明通过游离亚硝酸的预处理技术，高效经济地实现了剩余污泥的降解以及中链脂肪酸的生产。利用游离亚硝酸促进污泥中的有机物质的溶出，提高污泥水解速率，从而提高了厌氧发酵体系中链脂肪酸的产量。游离亚硝酸可以从污水处理厂厌氧消化液亚硝化产物中原位获得，在污泥资源化利用的同时合理利用现有资源进行更有价值的能源制备，该发明具有产物产量高、操作简便、节能降耗等优势。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

利用游离亚硝酸(FNA)预处理促进剩余污泥厌氧发酵生产中链脂肪酸的方法，强化剩余污泥厌氧发酵的水解速率，提高中链脂肪酸产量，采用以下步骤：

1)取城市污水处理厂二沉池的废弃活性污泥，进行重力浓缩后，去除上清液的污泥作为发酵底物；

2)在洗净的剩余污泥中添加亚硝酸钠溶液，污泥中添加的亚硝酸钠浓度为50-300mg/L；

3)将污泥和亚硝酸钠溶液在pH值控制在5-6，温度控制在20-30℃的反应条件下连续进行搅拌反应24±1h，通过搅拌保证预处理反应体系的充分接触，在pH＝5-6，温度为25-30℃条件下，游离亚硝酸(FNA)浓度为0.10-7.69mgHNO₂-N/L；

4)在反应器中按照一定比例加入预处理过的剩余污泥、生长培养基(包括常量元素、微量元素以及维生素)、甲烷抑制剂和电子供体并接种厌氧污泥，调节pH和温度至适宜微生物生长的状态，其中，加入的电子供体可以促使反应向碳链延长方向进行，接种的厌氧污泥经长期厌氧驯化，富含能够生产中链脂肪酸的微生物，加入的电子供体可以采用乙醇、乳酸、氢气或甲醇，浓度为40-200mM，优选80-180mM的乙醇。电子供体是生产中链脂肪酸的必要的一个底物，而且上述电子供体已被证明可以有效促进微生物生产中链脂肪酸。加入微生物培养基、甲烷抑制剂及厌氧污泥，微生物培养基含有微生物生长所需要的常量元素、微量元素、维生素等，接种厌氧污泥为厌氧消化/发酵反应器中驯化的能够生产中链脂肪酸的微生物，其中包含Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物，废弃活性污泥与生长培养基的体积比为1:20-1:5，接种的厌氧污泥与废弃活性污泥的质量比为1:2-2:1，甲烷抑制剂为2-溴乙酰磺酸，添加量为15-30g/L。

5)利用高纯氮气吹扫排净反应器中的空气，并用橡胶塞和铝盖迅速封闭反应器，为后续反应提供一个密闭厌氧的环境；

6)使用恒温震荡培养箱保证厌氧发酵体系的均匀接触，控制pH为5-6，温度为35-40℃，恒温震荡培养箱的转速为160～180rpm，持续运行25-30天生产得到中链脂肪酸，可以用来生产正己酸、正庚酸或正辛酸。

以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。

实施例1：

取污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，进行重力沉降后去除上清液得到的剩余污泥作为发酵底物。

向剩余污泥中加入亚硝酸钠溶液，浓度为100mg/L，控制pH为5.5，温度为25℃左右。

混合液机械搅拌24h后得到的预处理污泥加入多个工作体积为120ml的血清瓶中，接种厌氧污泥，同时加入微生物培养基，2-溴乙酰磺酸(甲烷抑制剂)以及乙醇(电子供体)。调节pH为5.5，充氮驱氧，保证厌氧环境后使用橡胶塞和铝盖进行封盖。将封口的血清瓶置于转速170rpm/min温度37℃的恒温震荡培养箱中进行长期厌氧发酵实验。每隔2-3天用气相色谱检测厌氧发酵反应体系内中链脂肪酸的浓度，最终确定反应体系内所产的中链脂肪酸为正己酸(属于中链脂肪酸，碳链数为6)，累积测得29天的正己酸浓度在3226-4210mgCOD/L之间。

实施例2：

取污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，进行重力沉降后去除上清液得到的剩余污泥作为发酵底物。

向剩余污泥中加入亚硝酸钠溶液，浓度为250mg/L，控制pH在5.5，温度为25℃左右。

混合液机械搅拌24h后得到的预处理污泥加入多个工作体积为120ml的血清瓶中，接种厌氧污泥，同时加入微生物培养基，2-溴乙酰磺酸(甲烷抑制剂)以及乙醇(电子供体)。调节pH为5.5，充氮驱氧，保证厌氧环境后使用橡胶塞和铝盖进行封盖。将封口的血清瓶置于转速170rpm/min温度37℃的恒温震荡培养箱中进行长期厌氧发酵实验。每隔2-3天用气相色谱检测厌氧发酵反应体系内中链脂肪酸的浓度，最终确定反应体系内所产的中链脂肪酸为正己酸(属于中链脂肪酸，碳链数为6)，累积测得29天的正己酸浓度在5149-6375mgCOD/L之间。

实施例3：

取污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，进行重力沉降后去除上清液得到的剩余污泥作为发酵底物。

向剩余污泥中加入亚硝酸钠溶液，浓度为200mg/L，控制pH在5，温度为20℃。

混合液机械搅拌23h后得到的预处理污泥加入多个工作体积为120ml的血清瓶中，游离亚硝酸(FNA)浓度为0.10mgHNO₂-N/L，接种厌氧污泥，同时加入微生物培养基，2-溴乙酰磺酸(甲烷抑制剂)以及乳酸(电子供体)，加入的微生物培养基含有微生物生长所需要的常量元素、微量元素、维生素等，厌氧污泥为厌氧消化/发酵反应器中驯化的能够生产中链脂肪酸的微生物，其中包含Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物。预处理污泥与生长培养基的体积比为1:20，接种的厌氧污泥与预处理污泥的质量比为1:2，2-溴乙酰磺酸的添加量为15g/L，乳酸的添加量为40mM。调节pH为5，充氮驱氧，保证厌氧环境后使用橡胶塞和铝盖进行封盖。将封口的血清瓶置于转速160rpm/min温度35℃的恒温震荡培养箱中进行长期厌氧发酵实验。每隔2-3天用气相色谱检测厌氧发酵反应体系内中链脂肪酸的浓度，最终确定反应体系内所产的中链脂肪酸为正庚酸(属于中链脂肪酸，碳链数为7)，累积测得25天的正庚酸浓度在680-840mgCOD/L之间。

实施例4：

取污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，进行重力沉降后去除上清液得到的剩余污泥作为发酵底物。

向剩余污泥中加入亚硝酸钠溶液，浓度为50mg/L，控制pH在5.5，温度为22℃。

混合液机械搅拌24h后得到的预处理污泥加入多个工作体积为120ml的血清瓶中，游离亚硝酸(FNA)浓度为4mgHNO₂-N/L，接种厌氧污泥，同时加入微生物培养基，2-溴乙酰磺酸(甲烷抑制剂)以及乙醇(电子供体)，加入的微生物培养基含有微生物生长所需要的常量元素、微量元素、维生素等，厌氧污泥为厌氧消化/发酵反应器中驯化的能够生产中链脂肪酸的微生物，其中包含Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物。预处理污泥与生长培养基的体积比为1:10，接种的厌氧污泥与预处理污泥的质量比为1:1，2-溴乙酰磺酸的添加量为20g/L，乙醇的添加量为80mM。调节pH为5.5，充氮驱氧，保证厌氧环境后使用橡胶塞和铝盖进行封盖。将封口的血清瓶置于转速170rpm/min温度37℃的恒温震荡培养箱中进行长期厌氧发酵实验。每隔2-3天用气相色谱检测厌氧发酵反应体系内中链脂肪酸的浓度，最终确定反应体系内所产的中链脂肪酸为正庚酸(属于中链脂肪酸，碳链数为7)，累积测得30天的正庚酸浓度在790-1020mgCOD/L之间。

实施例5：

取污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，进行重力沉降后去除上清液得到的剩余污泥作为发酵底物。

向剩余污泥中加入亚硝酸钠溶液，浓度为100mg/L，控制pH在5.5，温度为25℃。

混合液机械搅拌24h后得到的预处理污泥加入多个工作体积为120ml的血清瓶中，游离亚硝酸(FNA)浓度为5.82mgHNO₂-N/L，接种厌氧污泥，同时加入微生物培养基，2-溴乙酰磺酸(甲烷抑制剂)以及乙醇(电子供体)，加入的微生物培养基含有微生物生长所需要的常量元素、微量元素、维生素等，厌氧污泥为厌氧消化/发酵反应器中驯化的能够生产中链脂肪酸的微生物，其中包含Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物。预处理污泥与生长培养基的体积比为1:10，接种的厌氧污泥与预处理污泥的质量比为1:1，2-溴乙酰磺酸的添加量为20g/L，乙醇的添加量为180mM。调节pH为5.5，充氮驱氧，保证厌氧环境后使用橡胶塞和铝盖进行封盖。将封口的血清瓶置于转速170rpm/min温度37℃的恒温震荡培养箱中进行长期厌氧发酵实验。每隔2-3天用气相色谱检测厌氧发酵反应体系内中链脂肪酸的浓度，最终确定反应体系内所产的中链脂肪酸为正辛酸(属于中链脂肪酸，碳链数为8)，累积测得30天的正辛酸浓度在790-1120mgCOD/L之间。

实施例6：

取污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，进行重力沉降后去除上清液得到的剩余污泥作为发酵底物。

向剩余污泥中加入亚硝酸钠溶液，浓度为300mg/L，控制pH在6，温度为30℃。

混合液机械搅拌25h后得到的预处理污泥加入多个工作体积为120ml的血清瓶中，游离亚硝酸(FNA)浓度为7.69mgHNO₂-N/L，接种厌氧污泥，同时加入微生物培养基，2-溴乙酰磺酸(甲烷抑制剂)以及甲醇(电子供体)，加入的微生物培养基含有微生物生长所需要的常量元素、微量元素、维生素等，厌氧污泥为厌氧消化/发酵反应器中驯化的能够生产中链脂肪酸的微生物，其中包含Clostridium属、Oscillibacter属、Dechloromonas属和Ruminococcaceae科等与链延长相关的微生物。预处理污泥与生长培养基的体积比为1:5，接种的厌氧污泥与预处理污泥的质量比为2:1，2-溴乙酰磺酸的添加量为20g/L，甲醇的添加量为200mM。调节pH为6，充氮驱氧，保证厌氧环境后使用橡胶塞和铝盖进行封盖。将封口的血清瓶置于转速180rpm/min温度40℃的恒温震荡培养箱中进行长期厌氧发酵实验。每隔2-3天用气相色谱检测厌氧发酵反应体系内中链脂肪酸的浓度，最终确定反应体系内所产的中链脂肪酸为正辛酸(属于中链脂肪酸，碳链数为8)，累积测得30天的正辛酸浓度在920-1310mgCOD/L之间。

对比例1：

将城市污水处理厂二沉池的剩余活性污泥进行重力沉降，去除上清液得到浓缩污泥，即本实验所需要的发酵底物。混合液机械搅拌24h后得到的预处理污泥加入多个工作体积为120ml的血清瓶中，接种厌氧污泥，同时加入微生物培养基，2-溴乙酰磺酸(甲烷抑制剂)以及乙醇(电子供体)，不添加任何浓度的亚硝酸钠溶液。调节pH为5.5，并向反应器中通入高纯氮气吹扫空气，使用橡胶塞封闭瓶口，并用铝盖密封保证反应器中的厌氧环境，将封口的血清瓶置于转速170rpm/min温度37℃的恒温震荡培养箱中进行长期厌氧发酵实验。每隔2-3天用气相色谱检测厌氧发酵反应体系内中链脂肪酸的浓度，最终确定反应体系内所产的中链脂肪酸为正己酸(属于中链脂肪酸，碳链数为6)，累积测得29天的正己酸浓度在565-650mgCOD/L之间，其产量远远小于实施例。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上述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使用发明。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，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。