一种由剩余污泥生产有机酸的方法 【技术领域】
本发明涉及一种污水处理厂剩余污泥生物处理与有价值副产物生物合成相结合的方法，特别是关于一种将剩余污泥转化为有机酸的方法。
背景技术
废水生物处理过程是利用微生物的新陈代谢作用对废水中的污染物特别是有机物进行降解或转化，最终使废水无害化的过程。微生物通过分解和合成代谢，一方面去除了废水的有机污染物；另一方面，微生物自身得到了增殖。增殖的微生物是剩余污泥的一个重要组成部分。使用活性污泥工艺处理污水时，产生的剩余污泥(废污泥)的量约占处理水量的0.3-0.5％(含水率97％计，体积比)。这些剩余污泥不仅包括增殖的微生物，还包含被污泥吸附的有机物，如果不及时处理将会给环境带来二次污染。然而，由于污泥的含水率较高，使得它的处理变得非常困难。用传统的方法处理污泥，其投资成本占污水处理厂总投资的10-30％，运行成本占污水处理厂总运行费用地20-50％。如何合理处理和处置废水生物处理过程中产生的剩余污泥是令众多科研工作者感到棘手的问题。
当前，美欧、日本等发达国家的污泥处理和处置大多采用卫生填埋、焚烧、土地利用等方法，其中有大约有38％和10.5％的剩余污泥分别采用卫生填埋和焚烧的手段来处理。在我国，卫生填埋也是剩余污泥处理的方法之一。尽管该方法对设备要求相对简单，但需要大量的填埋场地并需要消耗较高的污泥运输费，而且容易产生地下水污染和臭气散逸等二次污染问题。污泥焚烧技术是基于污泥中含有大量的热值(每千克含水率80％的污泥其热值可达1000多千焦)，通过设置消化池对污泥进行厌氧消化，并利用产生的沼气建立自给能量的发电站。但是，焚烧设备和运行费用昂贵，且易造成大气污染。在大多数发达国家和发展中国家，土地利用是剩余污泥处置的主要途径之一，因为污泥中含有丰富的有机物和氮、磷、钾等营养元素以及钙、镁、铜、铁等微量元素，能够起到改变土壤结构、增加土壤肥力、促进植物生长的作用。它具有能耗低、可回收利用剩余污泥中营养物质等优点。但是，剩余污泥中含有的大量病原体、寄生虫、重金属元素及一些难降解有毒有害物质，土地利用会带来对土壤和水体的二次污染问题。鉴于上述这些方法存在的问题，有必要开发其它的污泥处理方法。
有机酸，特别是短链脂肪酸(包括乙酸、丙酸、丁酸等)不但是污水生物处理过程中除磷脱氮微生物必须的重要有机碳源，也是重要的化工原料，广泛应用于农药、油漆、涂料、表面活性剂等领域。据统计，2001年国内有机酸的生产能力只有16万吨/年，而需求达到27万吨/年。目前，有机酸的生产一般采用化学法合成。例如，乙酸生产的方法有乙醛氧化法、丁烷氧化法、甲醇羰化法等；丙酸合成的主要方法有乙烯合成法、丙醛氧化法、轻质烃氧化法等。可见，已有的有机酸的生产方法是以消耗人类有限的有机资源(主要是石油裂解的产物)为代价的；为了实现人类的可持续发展，必须开发新的有机酸生产方法。
目前，国外的一些污水处理厂为了增加污水的有机酸的含量以达到提高生物除磷的效果，采用了发酵初沉污泥生产有机酸的技术(例如，文献Water Science and Technology，2003，47(12)：239-246；2003，48(4)：195-198)。初沉污泥是存在于污水进水中的固体(悬浮)物，但其在一般城市污水中的量很有限，通过该方法产生的有机酸的量仍然无法满足高效生物除磷的需要。因此，对于污水处理厂来说，必须研究出新的产生有机酸的方法。
剩余污泥既是污水处理厂的废物和环境污染物，又是很好的有机资源，其中有机物的含量在60％左右，生物易降解有机组分在40％以上。这些生物易降解有机物主要是多糖、蛋白质等，它们对微生物来说是丰富的营养源，可以在一定条件下经微生物作用转化为有机酸。显然，如果将剩余污泥转化为有机酸，这既能减少它对环境的污染，又可以产生具有广泛用途的有机酸。文献中尚未发现单独从剩余污泥生产有机酸的报道。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种将剩余污泥转化为有机酸的方法，既满足污泥处理需要，又产生有价值的产物有机酸。
为达到上述目的，本发明是这样实现的：一种由剩余污泥生产有机酸的方法，以污水处理厂产生的剩余污泥为原料，通过微生物的作用将剩余污泥中的有机物转化为有机酸，微生物作用的温度为5-50摄氏度，微生物作用的pH为3-10，微生物作用的时间为5小时-30天。
更佳的，本发明中微生物作用的温度为25-40摄氏度。
更佳的，本发明中微生物作用的pH为4.5-6.5。
更佳的，本发明中污泥在反应器中的停留时间为4-20天。
为了节约人类有机资源，又为了解决污泥的环境污染及资源化利用污泥中的有机物，本发明采用剩余污泥为原料，通过微生物的作用将其转化为有机酸。其基本原理是：处于非水溶解状态的污泥有机物经过水解和酸化(以及部分乙酸化)的过程生物转化为有机酸。不溶性的有机物经水解后，分子上原有的极性基团被水分子的羟基取代，使得有机物的极性和溶解度等都发生变化。在微生物作用下的水解速度主要由水解细菌的胞外酶、水解的温度、pH等决定。有机大分子经水解后进入酸化发酵阶段，它由大量的发酵细菌完成，最终将有机物转化为脂肪酸。其中，较高级的脂肪酸将通过β-氧化机理进一步氧化，脂肪链羧基末端的两个碳原子脱下，形成分子更小的脂肪酸和乙酸。对于偶数个碳原子的脂肪酸，经逐步降解后形成乙酸；对含有奇数个碳原子的脂肪酸，最终降解为丙酸。本发明所述的有机酸包括但不局限于乙酸、丙酸、小分子的脂肪酸、高级脂肪酸等。
剩余污泥通过微生物的作用转化为有机酸的过程中，酸化的产物取决于发酵条件、底物种类、参与酸化的微生物等。如果酸化时的发酵条件得不到很好地控制，酸化产物很容易进入产乙酸并进一步进入到产甲烷阶段。因此，合理控制酸化时的发酵条件，使生物转化后的产物成为需要的目的有机物是实现高效有机酸生产的关键。
为此，本发明中主要控制的发酵条件包括：反应温度、反应时的pH及污泥在反应器中的停留时间，其中反应温度是最重要的影响因素。本发明的研究表明，在5-50摄氏度范围内都能够由剩余污泥产生有机酸，并且在一定的温度范围内有机酸的产率随温度的升高而增加。综合考虑能源消耗和有机酸的产率，本发明的采用的较合适的温度为25-40摄氏度。此外，pH及污泥在反应器中的停留时间等因素也对有机酸的合成产生一定的影响。在本发明中，微生物作用的pH范围是3-10，较合适的pH为4.5-6.5；污泥在反应器中的停留时间为5小时-30天，较合适的停留时间为4-20天。
本发明的底物是城市污水厂的剩余污泥。酸化微生物主要利用剩余污泥中的有机物作为其生长、代谢及产生各种有机酸的碳源。另外，剩余污泥中还含有磷、氮及一些微量元素，它们也是酸化微生物生长和代谢所必须的营养物质。
本发明中，参与将剩余污泥生物转化为有机酸的微生物是酸化微生物，主要包括梭菌属、枝杆菌属和乳杆菌属等非产甲烷细菌。对于非水溶解状态的污泥有机物，因为不能被微生物直接利用，通常需要经过微生物细胞外水解酶的作用使其分解或水解为能够溶解于水的小分子物质，才能透过细菌的细胞膜并为酸化细菌利用，在其细胞内转化为有机酸。
本发明可以在特制的反应器中实施，由于酸的产生，因此这种反应器最好能耐酸腐蚀。如果产生的有机酸是用于除磷脱氮研究，则有机酸的生产可以在污水处理厂的初沉池或预发酵池中进行。
本发明的优点是：(1)酸的合成可以在常温常压下进行，不需要一般化学合成有机酸所需的高温加压条件；(2)减少了污水厂的废污泥污染，同时对其资源化利用；(3)不需要消耗人类合成的有机资源，也不消耗人类的自然资源；(4)由于是微生物合成有机酸，因此过程中产生的二次污染极小。
本发明的实施例以传统活性污泥法的剩余污泥为原料，叙述了从剩余污泥合成有机酸的基本方法，但它同样适合于用其它生物方法处理污水过程中产生的剩余污泥。
【具体实施方式】
下面结合实例作进一步详细说明，应当理解下面所举的实例只是为了解释说明本发明，并不包括本发明的所有内容：
实施例
在5升有机玻璃制成的反应器中加入底物，即传统活性污泥法产生的剩余污泥(其含水率99.5％、pH6.8)，于下表所列的条件将剩余污泥转化为有机酸。反应结束后对反应液进行分析，得到的主要结果如下表所示：
条件 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 温度(摄氏度) 5 25 40 50 pH 3 4.5 6.5 10 时间 5小时 4天 20天 30天 结果 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 污泥COD变为可溶COD(SCOD)的转 化率(％) 13.14 23.61 30.06 33.29 SCOD变为有机酸的转化率(％) 11.45 48.83 73.55 69.47
从上表的结果可见，在所列的实验范围内都能实现由剩余污泥生产有机酸，并且污泥COD变为SCOD的转化率及SCOD变为有机酸的转化率在一定范围内随温度和pH的升高而增加。上表的实施例也表明，太高的温度和pH虽然可以提高污泥COD变为SCOD的转化率，但不利于SCOD变为有机酸。