[发明专利]一种利用剩余污泥厌氧发酵生产丁酸的方法

说明书

技术领域

一种利用剩余污泥厌氧发酵生产丁酸的方法，属于固体有机废弃物资源化领域。更具体地，本发明涉及一种通过在厌氧反应器中添加产丁酸菌群必需的微量水合金属化合物的组合物将剩余污泥中的有机物质转化为丁酸的方法。

技术背景

国民经济的持续快速发展势必导致生活污水排放量逐年递增。污水排放量的加大，则处理力度也势必随着增加。目前，86.2％的污水处理厂采用活性污泥法，导致污水处理过程中的副产物即剩余污泥大量产生。就一座二级污水处理厂而言，产生的剩余污泥量约占总处理污水的0.3～0.5％，若再进一步深度处理，剩余污泥量还可能增加0.1～1.0倍。由于剩余污泥处理处置费用通常占污水处理总操作成本的60％以上，快速增长的剩余污泥必然促使污水处理成本成倍大幅度提高。目前，剩余污泥处理的过程主要包括浓缩、脱水、消化(厌氧消化和好氧消化)、堆肥和干化等工艺过程，而剩余污泥处置则主要有土地利用、农用、填埋和焚烧等。虽然，剩余污泥的处理处置技术呈多样化的形式，但是这些技术大多是基于使剩余污泥达到减量化、无害化和稳定化的目的。剩余污泥富含蛋白质、碳水化合物和脂肪等有机物质。因此，如何结合社会效益、经济效益和环保效益最大化地利用剩余污泥中的有机质是今后剩余污泥处理处置技术发展所需考虑的新方向。

由于可持续发展的社会需求和政府的政策扶持，当今固体废物处理的重心已从污染控制转向资源开发。应用生物技术策略将剩余污泥转化为生物能源和生物化学品业已成为研究热点之一。目前，大部分研究者集中于生物能源，如甲烷和氢气。但是剩余污泥无论是用来产甲烷，还是产氢气，获得的产物附加值含量都比较低，导致剩余污泥资源化的经济效益不容乐观。丁酸是剩余污泥厌氧消化过程中产生的重要的中间代谢产物。它的附加值不仅要高于生物氢，而且还远大于甲烷。丁酸的用途亦较为广泛。在污水处理厂，它可作为内源碳被脱氮除磷菌利用以去除富营养化污水中的氮和磷，使污水达到排放标准。丁酸亦可经提取分离或者经过耦合系统成为发酵工业的生产原料被微生物进一步利用来获得生物可降解塑料。此外，丁酸经提取后还可在其它行业上作为原料用于合成其它的化学品包括丁酸酯类和丁酸纤维素。据此，剩余污泥厌氧发酵生产丁酸是实现污泥资源开发的一条具有广阔应用前景的途径。这条途径不仅具有较大的社会、环境和经济意义，而且还具有较高的学术意义。

因此，本领域一直期望不断提高剩余污泥发酵生产丁酸的产率。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用剩余污泥厌氧发酵生产丁酸的方法。

本发明人发现，Zn、Co、Cu、Mn和Fe等微量金属元素的组合物可促进产丁酸微生物细胞的合成，并促使产丁酸代谢途径关键酶的合成及激活酶在生化反应中的催化作用。因此，向厌氧生物反应器中投加适量的金属元素组合物可以大幅度提高丁酸的产率，增强反应器的运行效果和提升反应器的运行稳定性。

本方法是通过向生物反应器中投加能够改善产丁酸菌群活性的微量金属水合化合物的组合物，促进剩余污泥中的有机物质最大限度地以丁酸的形式回收，从而在消除剩余污泥对环境污染的同时，实现高附加值生物化学品的生产，为剩余污泥的处理处置提供一条更有价值的减量化与资源化之路。

本发明的技术方案：一种利用剩余污泥厌氧发酵生产丁酸的方法，其包括以下步骤：以剩余污泥为原料，调节污泥的固体质量浓度，加入NaOH处理并离心，取上清液作为厌氧发酵生产丁酸的底物，加入水合金属化合物的组合物进行发酵，以获得丁酸。

优选地，水合金属化合物的组合物为ZnSO₄·7H₂O、CoCl₂·6H₂O、CuCl₂·2H₂O、MnCl₂·4H₂O和FeSO₄·7H₂O的组合。

进一步地，各种水合金属化合物的加入量如下确定：以各种水合金属化合物为自变量，以丁酸产率为因变量，根据Box-Benhnken中心组合设计原则，得到响应面实验设计；根据响应面设计组合方案，添加水合金属化合物，进行剩余污泥厌氧发酵生产丁酸实验，测定并计算发酵液中丁酸的产率，进行数据分析；根据数据分析结果，建立剩余污泥厌氧发酵生产丁酸的模型方程，确立可达到丁酸最大产率的最优水合金属化合物组合条件。