本發(fā)明屬于生物柴油制備領(lǐng)域，具體涉及一種提高活性污泥制備生物柴油的方法，其中活性污泥是來自處理市政污水或含糖工業(yè)廢水的污水處理廠的好氧活性污泥。

背景技術(shù)：

能源與環(huán)境是關(guān)系國家長遠發(fā)展和全局性的戰(zhàn)略問題。雖然我國能源工業(yè)持續(xù)發(fā)展，為經(jīng)濟發(fā)展做出了積極的貢獻，但是目前能源與環(huán)境的總體狀況仍不容樂觀，能源嚴重短缺和環(huán)境污染問題日益凸顯。在探索解決能源和環(huán)境問題的過程中，生物質(zhì)能，因其具有可再生性和環(huán)境友好性而備受關(guān)注。其中，生物柴油作為一種清潔的可再生能源，不僅可作為代用燃料直接燃燒，而且還可以作為柴油清潔燃燒的添加劑。它是以任何天然的油(或脂)為原料，包括植物油脂、動物油脂和微生物油脂，與甲醇(或乙醇)經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)加工而成的一種液體燃料。

以動植物油脂為原料生產(chǎn)生物柴油，其成本較高，不利于與石油基產(chǎn)品競爭。而微生物油脂因其生產(chǎn)不受氣候、地區(qū)的限制，周期短，不占用大量土地，避免“與人爭糧，與糧爭地”，可利用大量有機廢棄物等，是降低生物柴油生產(chǎn)成本的途徑之一。近來，研究者對利用微生物油脂制備生物柴油進行了許多研究，尤其是純菌方面，但對于直接利用自然的微生物群落(如污水處理廠活性污泥等)制備生物柴油的研究才剛剛起步。市政廢水處理廠的活性污泥因其產(chǎn)量大且含有相當(dāng)數(shù)量的油脂，是生產(chǎn)生物柴油的理想原料，并且還可以減少污泥處置能源消耗以及資源浪費的問題。但利用活性污泥制備生物柴油在國內(nèi)鮮有報道。

目前研究所用的污泥都是直接從污水處理廠獲得的，在這種自然狀態(tài)下，除了初沉污泥可能吸附進水中本身含有的油脂而使生物柴油產(chǎn)率超過10％，以活性污泥中的微生物為主要油脂來源的二沉污泥相應(yīng)的生物柴油產(chǎn)率都不高。而且目前研究均是針對活性污泥展開的。污泥顆?；^程是否會對最終的生物柴油產(chǎn)量和組分分布造成影響尚未有報道。以往有許多針對提高純菌產(chǎn)油的研究，如改變培養(yǎng)條件、基因工程等。但在目前的條件下，應(yīng)用基因工程的方法提高污泥這種混合菌群體系的產(chǎn)油量，難度較大。相比之下，改變培養(yǎng)條件是易于操作的。但這些因素對活性污泥和顆粒污泥降解能力、菌群結(jié)構(gòu)和油脂累積的影響未見報道。

總的來說，雖然已有利用活性污泥混合菌群制備生物柴油的相關(guān)研究，多數(shù)研究集中于生物柴油的制備方法，包括預(yù)處理、油脂提取、甲酯化過程對生物柴油產(chǎn)量的影響，并且以活性污泥中的微生物為主要油脂來源的污泥相應(yīng)的生物柴油產(chǎn)率都不高，所以需要有改變培養(yǎng)條件來提高活性污泥制備生物柴油產(chǎn)量的方法的研究，以優(yōu)化活性污泥制備生物柴油的效率?，F(xiàn)有的文獻中尚未有提高活性污泥制備生物柴油的產(chǎn)量的相關(guān)報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種提高活性污泥制備生物柴油產(chǎn)量的方法，具體技術(shù)方案如下：

提供一種提高活性污泥制備生物柴油產(chǎn)量的方法，通過控制反應(yīng)器中的污泥沉淀時間、溶解氧濃度以及污泥負荷，實現(xiàn)活性污泥顆?；?，從而富集油脂含量高的微生物，最終提高剩余污泥制備生物柴油的產(chǎn)量。

對上述技術(shù)方案的進一步的詳細說明：所采用的活性污泥是來自處理市政污水或含糖工業(yè)廢水的污水處理廠的好氧活性污泥。

對上述技術(shù)方案的進一步的詳細說明：本發(fā)明中的生物柴油是利用活性污泥提取的微生物油脂及其甲酯化產(chǎn)物。

對上述技術(shù)方案的進一步的詳細說明：所采用的反應(yīng)器為序批式反應(yīng)器。

對上述技術(shù)方案的進一步的詳細說明：活性污泥沉淀時間控制在2～5分鐘。

對上述技術(shù)方案的進一步的詳細說明：反應(yīng)器中的溶解氧為4～6毫克/升，通過控制曝氣量來實現(xiàn)。

對上述技術(shù)方案的進一步的詳細說明：污泥負荷應(yīng)控制在0.8～1.0千克化學(xué)需氧量·(千克混合液懸浮固體·天)^-1。

對上述技術(shù)方案的進一步的詳細說明：本發(fā)明中的油脂含量高的微生物是指瓶霉菌、耶羅威亞酵母科等絲狀真菌或酵母菌，但不僅限于此，其菌種種類會隨著接種污泥不同而變化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：

1.作為制備生物柴油原料的活性污泥產(chǎn)量大且含有相當(dāng)數(shù)量的油脂，滿足生物柴油原料成本低廉、可持續(xù)供應(yīng)的要求；同時也為污泥處理與處置減輕了壓力，為污泥的資源化利用找到一個新思路。

2.通過控制活性污泥沉淀時間，可使活性污泥顆?；?。顆?；蟮奈勰嗯c活性污泥相比菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，絲狀真菌等產(chǎn)油量高的微生物含量增加，生物柴油單位生物量產(chǎn)量增加，生物柴油的組分也有明顯變化。并且顆粒污泥結(jié)構(gòu)密實，沉降性能優(yōu)越，其單位體積生物柴油產(chǎn)量明顯高于活性污泥。

3.通過控制污泥負荷，使得污泥中的菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，絲狀真菌或酵母菌等產(chǎn)油量高的微生物含量增加，生物柴油的組分也有明顯變化，生物柴油單位生物量產(chǎn)量大幅提高，對提高活性污泥制備生物柴油產(chǎn)量有明顯的作用。

4.通過控制反應(yīng)器中的曝氣量從而控制溶解氧濃度，使得活性污泥中的菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，絲狀菌等生物柴油產(chǎn)油量高的微生物含量增加，生物柴油的組分也有明顯變化，從而提高了活性污泥制備生物柴油的產(chǎn)量。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細的說明。

實施例1

實驗室中以兩個工作體積為1.2升(直徑為5厘米，高為80厘米)的有機玻璃柱分別作為培養(yǎng)活性污泥與顆粒污泥的序批式反應(yīng)器(R1與R2)，從反應(yīng)器底部進水，排水口設(shè)在反應(yīng)器中部。進水化學(xué)需氧量濃度為1000毫克/升，化學(xué)需氧量:氮＝50:1，分別以葡萄糖和氯化銨作為碳源和氮源。曝氣方式采用鼓風(fēng)曝氣，供氣流量為1升/分鐘。控制反應(yīng)器的pH處于7～8之間。反應(yīng)器初始污泥濃度為2.8克混合液懸浮固體/升左右。反應(yīng)器每4小時為一個周期，其中進水5分鐘、出水8分鐘，兩反應(yīng)器的沉淀時間不同。R2反應(yīng)器的沉淀時間為2分鐘，反應(yīng)器R1沉淀時間則維持在30分鐘。

本實施例的結(jié)果表明，在運行84天后，對顆粒污泥和活性污泥中的菌群結(jié)構(gòu)進行鑒定，二者的菌群結(jié)構(gòu)有明顯差異。顆粒污泥中真菌的含量比活性污泥和接種污泥高，且顆粒污泥中絲狀菌瓶霉菌為真菌中的優(yōu)勢菌株，占真菌總量的73.1％。由活性污泥與顆粒污泥制備的生物柴油的組成成分也有明顯差異，與接種污泥相比棕櫚油酸甲酯(C16:1)和棕櫚酸甲酯(C16:0)基于污泥干重的產(chǎn)量有所下降,而油酸甲酯(C18:1)產(chǎn)量有所上升；顆粒污泥中的棕櫚酸甲酯(C16:0)產(chǎn)量為3.99毫克/克懸浮固體，而活性污泥中的棕櫚酸甲酯(C16:0)產(chǎn)量為2.61毫克/克懸浮固體；顆粒污泥中的油酸甲酯(C18:1)產(chǎn)量為14.79毫克/克懸浮固體，而活性污泥中的油酸甲酯(C18:1)產(chǎn)量為9.98毫克/克懸浮固體，各約占其生物柴油總量的46.3％and49.1％；顆粒污泥中的亞油酸甲酯(C18:2)的產(chǎn)量約是活性污泥的3.5倍；顆粒污泥中16個碳原子的生物柴油產(chǎn)量所占其生物柴油總產(chǎn)量的比例比18個碳原子的小，而活性污泥恰恰相反。活性污泥與顆粒污泥制備生物柴油的產(chǎn)率比起初始污泥都有了很大提高。接種污泥基于污泥干重的生物柴油產(chǎn)量為15.53±0.87毫克/克懸浮固體，而活性污泥和顆粒污泥基于污泥干重的生物柴油產(chǎn)量分別是21.56±0.95毫克/克懸浮固體SS和30.14±0.73毫克/克懸浮固體，活性污泥和顆粒污泥單位體積生物柴油產(chǎn)量分別約是0.46克/升和0.75克/升。該結(jié)果說明顆?；^程使活性污泥與顆粒污泥之間基于污泥干重的生物柴油產(chǎn)量發(fā)生顯著差異，同時顆粒污泥由于具有更密實的結(jié)構(gòu)，更優(yōu)越的沉降性能，其單位體積生物柴油產(chǎn)量明顯高于活性污泥。

實施例2

實驗室中以三個工作體積為1.2升的有機玻璃柱(直徑5厘米，高60厘米)作為序批式反應(yīng)器，分別設(shè)置不同的曝氣量(R1，0.05升/分鐘；R2，0.20升/分鐘；R3，0.80升/分鐘)。在反應(yīng)器底部和中部分別設(shè)進水口和排水口。進水化學(xué)需氧量濃度為2000毫克/升，化學(xué)需氧量:氮:磷＝100:2:1，分別以葡萄糖和氯化銨作為碳源和氮源?？刂品磻?yīng)器的pH處于7～8之間。反應(yīng)器每6小時為一個周期，其中進水5分鐘、曝氣344分鐘、沉淀3分鐘、出水8分鐘。接種顆粒污泥濃度約為6.4克/升左右。

本實施例的結(jié)果表明，運行20天后，曝氣量為0.20升/分鐘的顆粒污泥中溶解氧濃度為4～6毫克/升，曝氣量為0.05升/分鐘的顆粒污泥中溶解氧濃度在2毫克/升以下，曝氣量為0.8升/分鐘的顆粒污泥中溶解氧濃度在8毫克/升以上。曝氣量為0.20升/分鐘的顆粒污泥中真菌占微生物總量的8.57％，曝氣量為0.05升/分鐘的顆粒污泥中真菌占微生物總量的0.01％，曝氣量為0.8升/分鐘的顆粒污泥中真菌占微生物總量的0.12％，而真菌的產(chǎn)油能力一般高于細菌。曝氣量為0.20升/分鐘時，顆粒污泥的真菌部分幾乎完全子囊菌門構(gòu)成，其比例大于99％。子囊菌門下的雙足囊菌是一種酵母菌，屬于耶羅威亞酵母科，在其中可提取出亞油酸(C18:2)。雙足囊菌在曝氣量為0.20升/分鐘條件下的顆粒污泥中出現(xiàn)，大大提高了生物柴油中亞油酸甲酯(C18:2)的含量。三個曝氣量下的生物柴油的成分有明顯差異，曝氣量為0.20升/分鐘的顆粒污泥中亞麻酸(C18：2)是其所產(chǎn)生物柴油的主要成分，曝氣量為0.05升/分鐘的顆粒污泥中棕櫚油酸甲酯是其所產(chǎn)生物柴油的主要成分，曝氣量為0.8升/分鐘的顆粒污泥與接種污泥相似，油酸甲酯是其所產(chǎn)生物柴油的主要成分。與接種污泥相比，三個曝氣量下的顆粒污泥的生物柴油的產(chǎn)量有了不同程度的提高，分別為38.39±1.26、48.62±1.36和27.28±2.94毫克/克懸浮固體，而接種污泥的生物柴油產(chǎn)量為22.71±2.24毫克/克懸浮固體，其中曝氣量為0.20升/分鐘時，生物柴油的產(chǎn)量最高，說明適宜的溶解氧濃度有利于提高生物柴油的產(chǎn)量。

實施例3

實驗室中采用3個序批式運行模式的有機玻璃柱(直徑5厘米，高80厘米)作反應(yīng)器，有效工作體積1.2升，接種污泥取自肖家河污水處理廠，并以葡萄糖為碳源將其馴化為好氧顆粒污泥。反應(yīng)器每個運行周期包含5分鐘污泥沉降、8分鐘上清液排出和5分鐘進水過程，其余時間曝氣，曝氣方式采用鼓風(fēng)曝氣，供氣流量為1.0升/分鐘。人工配制含糖廢水，分別以葡萄糖和氯化銨作為碳源和氮源，葡萄糖濃度為1887毫克/升(化學(xué)需氧量值為2000毫克/升)，碳氮比為100:2，其他營養(yǎng)物質(zhì)包括：磷酸二氫鉀6.6毫克/升，磷酸氫二鈉20.1毫克/升，以及少量微量元素。運行期間加入適量碳酸氫鈉溶液作為緩沖液，將反應(yīng)器pH控制在7.0到8.0之間，反應(yīng)器在室溫下運行，水溫保持在20～22攝氏度，反應(yīng)器運行周期為6小時，水力停留時間為12小時，容積負荷為4千克化學(xué)需氧量·(立方米·天)^-1。1、2、3號反應(yīng)器初始污泥濃度分別為8.0、5.3、4.0克/升，對應(yīng)初始污泥有機負荷分別為0.5、0.75、1.0、千克化學(xué)需氧量·(千克混合液懸浮固體·天)^-1，通常污水處理廠的污泥負荷為0.3～0.5千克化學(xué)需氧量·(千克混合液懸浮固體·天)^-1。

本實施例的結(jié)果表明，運行90天后，1、2、3號反應(yīng)器中污泥負荷分別達到0.94、0.44、0.23千克化學(xué)需氧量·(千克混合液懸浮固體·天)^-1。污泥負荷不同，菌群結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，污泥負荷高的反應(yīng)器中耶羅威亞酵母科菌更容易生長繁殖成為優(yōu)勢菌。污泥負荷不同，生物柴油中各組分所占比例不同，1、2號反應(yīng)器中12-甲基十四烷酸甲酯(12-甲基C14:0)是百分比含量最高的組分，而3號反應(yīng)器中油酸甲酯(C18:1)是百分比含量最高的組分。提高污泥負荷對于生物柴油單位生物量產(chǎn)量有比較明顯的促進作用。當(dāng)污泥負荷從0.23提高到0.44千克化學(xué)需氧量·(千克混合液懸浮固體·天)^-1時，生物柴油單位生物量產(chǎn)量由50.6毫克/克提升到65.8毫克/克，3號反應(yīng)器的污泥負荷一直保持在較高水平，其生物柴油單位生物量產(chǎn)量也上升至最大97.6毫克/克，由此說明提高污泥負荷能有效促進污泥油脂含量。