一種定向調控木薯酒精廢水厭氧發酵產酸組分的方法
【專利摘要】本發明屬于廢水資源化領域，具體涉及一種定向調控木薯酒精廢水厭氧產酸組分的方法。本發明利用木薯酒精廢水碳水化合物含量高，氮磷含量相對低的特性，采用厭氧發酵制備揮發性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，作為廢水處理碳源或者其他化工原料。通過改變發酵系統pH的調控頻次，實現定向控制發酵產物揮發酸主要組分的目的。
【專利說明】一種定向調控木薯酒精廢水厭氧發酵產酸組分的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于廢水資源化領域，具體涉及一種定向調控木薯酒精廢水厭氧產酸組分的方法。【背景技術】
[0002]揮發性脂肪酸(Volatile fatty acids, VFAs)長久以來被認為是厭氧發酵過程中的高附加值生物化學品。以揮發酸作為平臺，可進一步開發生物燃料如甲烷，生物氫，生物柴油等，以及其他生物化學品，如生物塑料聚羥基脂肪酸脂(PHA)等。另外，VFAs本身作為脫氮除磷外碳源時，具有反硝化效率高，容易被微生物利用，且容易通過有機廢水或污泥等有機質厭氧發酵獲得等優點。最近幾年，有報道表明剩余污泥酸化發酵液可以用作污水廠補充碳源，但是存在發酵液含有較高濃度的氨氮及磷需要進一步預處理，同時污泥酸化產生的碳源不足以供給污水廠所需的外碳源。此外，基于某些城市有機質碳水化合物含量高，而氮磷含量少的特性，很多研究的焦點轉移到利用城市有機質如食品廢物，酒糟，淀粉廢水等發酵產生的VFAs作為外加碳源。因此，如何最大限度的提高有機質向VFAs的轉化率有重要的意義，若進一步將VFAs作為原料生產其他化工產品時，則對VFAs組分有更嚴格的要求。研究表明，PH作為影響厭氧發酵過程的關鍵因素之一，不僅對發酵液中揮發酸的濃度有較大影響，在很大程度上也影響揮發酸的組成。但是這些研究主要集中在不同的發酵PH之間的橫向比較。本發明提出通過控制pH的調節頻率，進而定向調控VFA主要組分，同時提高產物中VFAs的濃度。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于以木薯酒精廢水作為厭氧發酵基質，通過對pH調節方式的改變，達到提高發酵液中VFAs的濃度，以及定向調控產物中揮發酸組分分布的目的。所產生的發酵液為反硝化提供一種快速可利用的外加碳源新類型，也為木薯酒精廢水提供一條新的資源化利用途徑。同時為定向調控厭氧發酵過程中揮發酸的組成提供一種新思路。
[0004]本發明操作方便，在中溫條件和堿性范圍內(8-9)，通過提高pH的調節頻率，提高木薯酒精廢水中VFAs的濃度，并在一定程度上控制各類揮發酸的比例。
[0005]本發明提出的一種定向調控木薯酒精廢水厭氧產酸組分的方法，具體步驟如下: 啟動發酵，將木薯酒精廢水與接種污泥混合，調節混合液的PH值為8-9，在30-40°C條
件下低速攪拌進行厭氧發酵，促進有機質定向轉化為以丁酸或者乙酸/丙酸為主要組分的揮發性脂肪酸；控制水力停留時間為2.5-3.5小時；木薯酒精廢水與接種污泥體積比為9: f 6:1，接種污泥濃度VSS為l(Tl3g/L。
[0006]本發明中，所述的木薯酒精廢水指的是酒精廠蒸餾出水分離的上清液，SCOD為32-48g/L，其碳水化合物含量為8-12g/L，蛋白質為3_8g/L，乳酸含量為5-10g/L。
[0007]本發明中，所述接種污泥來自某造紙廠UASB反應器底部的顆粒污泥，顆粒污泥120-180g/L, VS 為 90-120g/L。[0008]本發明中，所述pH值調節方式為下述三種中任一種:
(1)僅調節初始PH，其后不再調節；
(2)每隔12h調節pH至設定值，用NaOH或其他堿性溶液調節；
(3)自動控制設備保持系統pH恒定至設定值。
[0009]本發明中，低速攪拌的攪拌速度為100~120r/min。
[0010]本發明中，酒精廠蒸餾出水分離的上清液，用NaOH或廢堿液調節pH為堿性，調節頻率分別為僅調節初始PH為8 (或9)，間隔12h調節至8 (或9)，恒定控制pH8 (9)，接種顆粒污泥，在中溫厭氧條件下發酵，發酵3天后，發酵液中的優質碳源產率由0.27 (僅調節初始PH8)提高到 0.47 (間隔12h調節pH至8)和0.67 (恒定控制pH為8)。pH為9的條件下也有相似的規律，VFA產率由0.26 (僅調節初始pH9)提高到0.68 (間隔12h調節pH9)和0.81 (恒定控制pH9)。發酵液中揮發酸的種類由以正丁酸為主(僅調節初始pH)，轉變為以乙酸和丙酸為主要產物的發酵類型(間隔調節pH和恒定控制pH方式 )。
[0011]本發明的有益效果是:
(I)為生物法脫氮除磷處理城鎮廢水和工業廢水提供了一種獲得優質的快速外加碳源的工藝方法。
[0012](2)通過pH調節方式的改變提高產物中VFAs的濃度，為提高有機質厭氧發酵產揮發酸以及定向調控揮發酸組成提供了一種新思路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1不同初始pH條件下木薯酒精廢水厭氧產酸濃度。
[0014]圖2不同pH控制方式對木薯酒精廢水厭氧產酸濃度的影響。
[0015]圖3不同pH控制方式對木薯酒精廢水厭氧產酸組成的影響。
【具體實施方式】
[0016]下面結合一些發酵實施例對此工藝方法進行說明。
[0017]實施例1
取木薯酒精廢水360mL，接種40mL顆粒污泥，調節初始pH分別為4，5，6，7，8，9，10，11，置于轉速為120r/min.的水浴搖床中，保持中溫條件下厭氧發酵3d，揮發酸的含量分別為4873.7 ±277.lmg/L, 7855.9±239.0 mg/L, 7797.7±428.4 mg/L, 9243.2± 1.4 mg/L,9077.1±31.7 mg/L, 8917.0±504.5 mg/L, 8758.0±305.5 mg/L, 9279.0 土 9.1 mg/L。中性和堿性條件下揮發酸的含量高于酸性條件，產物中揮發酸均以正丁酸(占70%-80%)為王。此后的討論王要集中在喊性til圍內(8和9)。
[0018]實施例2
取木薯酒精廢水360mL，接種40mL顆粒污泥，調節初始pH=8，置于轉速為120r/min的水浴搖床中，保持中溫條件下厭氧發酵3d，揮發酸的產率為0.27 (gVFAs/g初始SC0D)，揮發酸以正丁酸，乙酸和丙酸為主要組成，其中乙酸512mg/L,丙酸764mg/L,正丁酸7121mg/L，丙酸+乙酸含量達到24%，正丁酸含量為76%。
[0019]實施例3
按照實施例2相同的基質與接種污泥條件，調節初始發酵pH=9，(中溫條件下35°C)，厭氧發酵3d后，揮發酸的產率為0.26(gVFAs/g初始SCOD)，其中乙酸2084mg/L，丙酸958mg/L,正丁酸7860mg/L。正丁酸含量占VFAs總量的72%左右，乙酸和丙酸含量達到28%。發酵結束時，總揮發酸含量(以COD計)占SCOD的38%。
[0020]實施例4 以木署酒精廢水為基質，在和實施例2中的基質與顆粒污泥量相同的條件下，將pH的調整頻率調整為每隔12h將pH調節至pH=8，保持轉速和發酵溫度與實施例2 —致，厭氧發酵3d后，揮發酸產率可提高至0.47 (gVFAs/g初始SCOD)。乙酸，正丁酸和丙酸為主要成分，其中乙酸7532mg/L，丙酸4980mg/L，正丁酸5502mg/L，并有少量的異丁酸和異戊酸，丙酸和乙酸的含量占總揮發酸的43%，揮發酸總量比實施例2中僅調節初始pH8提高了近0.8倍，組成上乙酸和丙酸含量提高，正丁酸含量降低。
[0021]實施例5
以木薯酒精廢水為基質，除了將PH調整策略改變為每隔12h將pH調節至pH=9外，其他條件保持與實施例3相同，厭氧發酵3d后，揮發酸產率達到0.68 (gVFAs/g初始SC0D)。其中乙酸8902mg/L，丙酸4847 mg/L,正丁酸9763 mg/L，乙酸和丙酸的含量占總揮發酸含量的56%。揮發酸產率相比實施例3中僅調節初始pH為9提高了 1.6倍。
[0022]實施例6
以上述木薯酒精廢水為基質，將pH恒定控制為8，保持和實施例2相同的發酵溫度和轉速，控制HRT=3d，穩定運行一段時間后，揮發酸的產率保持在0.67 (gVFAs/g初始SC0D)。產物中以乙酸和丙酸為主，約占總揮發酸的87.5%，正丁酸含量僅為10%。相比于實施例2僅調節初始PH8方式下，揮發酸產率提高了近1.5倍。
[0023]實施例7
以上述木薯酒精廢水為基質，將pH恒定控制為9，保持和實施例3相同的發酵溫度和轉速，控制HRT=3d，穩定運行一段時間后，揮發酸的產率保持在0.81 (gVFAs/g初始SC0D)，產物以乙酸為主。相比于實施例3僅調節初始pH9的方式下，揮發酸產率提高了近2.1倍。產物中乙酸，丙酸和正丁酸的含量分別為53%，40%和5%。
[0024]上述對實施例的描述是為了便于該【技術領域】的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對于本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種定向調控木薯酒精廢水厭氧產酸組分的方法，其特征在于具體步驟如下: 啟動發酵，將木薯酒精廢水與接種污泥混合，調節混合液的PH值為8-9，在30-40°C條件下低速攪拌進行厭氧發酵，促進有機質定向轉化為以丁酸或者乙酸/丙酸為主要組分的揮發性脂肪酸；控制水力停留時間為2.5-3.5小時；木薯酒精廢水與接種污泥體積比為9: f 6:1，接種污泥濃度VSS為l(Tl3g/L。
2.根據權利要求1所述的定向調控木薯酒精廢水厭氧產酸組分的方法，其特征在于所述的木薯酒精廢水指的是酒精廠蒸餾出水分離的上清液，SCOD為32-48g/L，其碳水化合物含量為8-12g/L，蛋白質為3-8g/L，乳酸含量為5-10g/L。
3.根據權利要求1所述的定向調控木薯酒精廢水厭氧產酸組分的方法，其特征在于所述接種污泥來自某造紙廠UASB反應器底部的顆粒污泥，顆粒污泥TS為120-180g/L，VS為90-120g/L。
4.根據權利要求1所述的定向調控木薯酒精廢水厭氧產酸組分的方法，其特征在于所述PH值調節方式為下述三種中任一種: (1)僅調節初始PH，其后不再調節； (2)每隔12h調節pH至設定值，用NaOH或堿性溶液調節； (3)自動控制設備保持系統pH恒定至設定值。
5.根據權利要求1所述的定向調控木薯酒精廢水厭氧產酸組分的方法，其特征在于低速攪拌的攪拌速度為10(Tl20r/min。
【文檔編號】C02F3/34GK103540619SQ201310511586
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月28日 優先權日:2013年10月28日
【發明者】謝麗, 劉輝, 陳銀廣, 周琪 申請人:同濟大學