一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法

一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法
【专利摘要】一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法，本发明属于废弃物资源化利用领域，具体涉及利用餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法，它为了解决现有餐厨垃圾产短链脂肪酸效率不高的问题。厌氧发酵产短链脂肪酸的方法：一、收集餐厨垃圾，去除浮油后搅碎，加水得到餐厨垃圾混合液；二、对餐厨垃圾混合液进行超声预处理；三、向超声后的餐厨垃圾中接种剩余污泥进行发酵处理。本发明采用超声预处理联合S/I调整的方法强化餐厨垃圾产短链脂肪酸，能使发酵液中70％以上的溶解性有机物转化为短链脂肪酸。同时降低了生产成本和运行复杂性，不用考虑含高浓度化学试剂发酵剩余液的处理问题。
【专利说明】一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于废弃物资源化利用领域，具体涉及利用餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪 酸的方法。

【背景技术】
[0002] 餐厨垃圾是一种主要产生于食品加工业、餐馆、食堂和家庭厨房的有机固体废物， 其主要组成成分是淀粉、食物纤维、动物脂肪等有机物质，具有高水分、高盐分、高油脂以及 易腐发臭、易生物降解等特点。在中国的大多数城市，餐厨垃圾构成了城市固体废物的最大 组成部分，占城市固体废物总量的30%?50%。中国的餐厨垃圾日产量惊人，北京和上海 的餐厨垃圾日输出量均超过1000吨。到目前为止，我国餐厨垃圾最常用的处理方式为卫生 填埋，但是这种处理方式不仅会产生渗滤液和温室气体，还会占用大量宝贵的土地资源。在 越来越严格的环境法规的限制下，卫生填埋以及一些其他常用的处理处置方法，如海洋消 纳、焚烧、饲料化和用作肥料被逐渐禁止使用。因此，寻求一种能够实现餐厨垃圾减量化、无 害化和资源化的处理方式已刻不容缓。
[0003] 在另一方面，由于餐厨垃圾具有高水分、易生物降解、碳氮比适宜以及有机物含量 丰富等特点，使其成为厌氧发酵的理想底物。通过厌氧发酵，餐厨垃圾中的大部分有机物会 被转化为高附加值的产品，如短链脂肪酸、甲烷和氢气等。短链脂肪酸是一种被广泛使用的 碳源，可以用于污水处理厂氮磷的去除、生产可生物降解塑料、合成生物气和生物柴油，以 及用于产电等。然而，现在短链脂肪酸主要通过化学合成途径从化石燃料中提取获得，这种 方法大大消耗了不可再生资源，且使得生产短链脂肪酸的成本高昂。因此，通过餐厨垃圾来 生产短链脂肪酸是一种生态环保且经济可行的方法。大量研究表明餐厨垃圾厌氧发酵的主 要限制因素是溶解和水解步骤，发酵液中的有机物必须处于溶解状态，才能被微生物充分 利用。同时，在厌氧酸化过程中产生的短链脂肪酸极易被产甲烷菌消耗。因此，如果能在提 高水解效率的同时抑制或减少产甲烷菌对有机物和短链脂肪酸的消耗，短链脂肪酸的积累 量将会提1?。
[0004] 由于具有对环境无害且破解效率高的特点，超声波已作为一种高效的预处理方式 被广泛用于破解污水污泥，对污泥的后续减量化和资源化发挥了重要的作用，但用于餐厨 垃圾的预处理来提高短链脂肪酸产量的研究还较少。在另一方面，之前关于抑制产甲烷菌 活性的研究几乎都是通过投入化学药物调节反应器中的PH到碱性，但这种方法只在实验 室规模下有效，在实际应用中会造成诸多问题，比如短链脂肪酸的生产成本和运行复杂性 会大大提高，含高浓度化学药剂的发酵废液处理难度加大，化学药剂对产酸微生物生长和 活性产生抑制等。


【发明内容】

[0005] 本发明要解决现有餐厨垃圾产短链脂肪酸效率不高的问题，提供一种强化餐厨垃 圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法。
[0006] 本发明强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法按下列步骤实现：
[0007] -、收集餐厨垃圾，去除餐厨垃圾的浮油后用电搅拌机搅碎，加水将总固体含量调 到25?35g/L，得到餐厨垃圾混合液；
[0008] 二、将餐厨垃圾混合液置于反应容器中，调节超声能量密度为1?I. 25W/mL，进行 超声预处理20?30min，得到超声后的餐厨垃圾；
[0009] 三、将步骤二得到的超声后的餐厨垃圾放入厌氧发酵瓶中，按照餐厨垃圾与剩余 污泥之比（S/Ι)为4?7向超声后的餐厨垃圾中接种剩余污泥进行发酵处理，完成餐厨垃 圾厌氧发酵产短链脂肪酸。
[0010] 本发明采用超声预处理联合S/Ι调整的方法强化餐厨垃圾产短链脂肪酸，由于餐 厨垃圾和接种污泥的性质，使得发酵底物的PH维持在5?6. 5,此范围有利于有机物的水 解、酸化且能抑制产甲烷菌的活性，使得经超声作用后结构松散的非水溶性有机物能进一 步溶解和水解，溶解性的碳水化合物和蛋白质等大分子有机物在微生物和水解酶的作用下 水解为低分子的单糖、氨基酸等，这些有机物能被微生物直接吸收同化后转化为短链脂肪 酸；另一方面，由于产酸菌的生长速率高于产甲烷菌，产酸菌会在发酵的初始阶段迅速地增 殖，导致短链脂肪酸的大量积累，于是进一步降低反应器中的PH，较低的pH水平使得产甲 烷菌的活性在发酵的整个阶段被有效地抑制，从而最大程度地积累短链脂肪酸的产量。利 用本发明强化餐厨垃圾厌氧发酵处理能使发酵液中70%以上的溶解性有机物转化为短链 脂肪酸。
[0011] 通过调整初始S/I，利用餐厨垃圾和接种污泥的性质间接影响反应器内体系的 PH，使其维持在弱酸性以抑制产甲烷菌消耗短链脂肪酸的方法，比以往通过加热或投加化 学药剂杀灭产甲烷菌的方法有明显优势。本发明的方法不会对水解和产酸微生物的生存造 成威胁和迫害，因此未溶解的有机物进一步溶出，短链脂肪酸也能持续产生；并且降低了生 产短链脂肪酸的成本和运行复杂性，不用考虑含高浓度化学试剂发酵剩余液的处理问题， 还可将其进一步回收利用。
[0012] 生产出来的短链脂肪酸可用于污水处理厂氮磷的去除、生产可生物降解塑料、合 成生物气和生物柴油以及用于产电等。此发明不仅实现了餐厨垃圾的减量化、无害化，还产 生了利用价值极大的有机酸，实现了餐厨垃圾的资源化利用。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 图1为实施例厌氧发酵处理的发酵液中溶解性化学需氧量随发酵时间的变化图， 其中" 代表只用预处理的餐厨垃圾发酵时，发酵液中的溶解性化学需氧量浓度与发酵 时间的关系曲线；"· "代表实施例一发酵液中的溶解性化学需氧量浓度与发酵时间的关 系曲线；代表实施例二发酵液中的溶解性化学需氧量浓度与发酵时间的关系曲线； "+++++.*++++++"代表实施例三发酵液中的溶解性化学需氧量浓度与发酵时间的关系曲线；"代 表实施例四发酵液中的溶解性化学需氧量浓度与发酵时间的关系曲线；"?"代表实施例 五发酵液中的溶解性化学需氧量浓度与发酵时间的关系曲线；
[0014] 图2为实施例厌氧发酵处理的发酵液中短链脂肪酸产量随发酵时间的变化图，其 中"代表只用预处理的餐厨垃圾发酵时，发酵液中的溶解性化学需氧量浓度与发酵时 间的关系曲线；" ?"代表实施例一短链脂肪酸产量与发酵时间的关系曲线；代表实 施例二短链脂肪酸产量与发酵时间的关系曲线；"-*-"代表实施例三短链脂肪酸产量与发 酵时间的关系曲线；" ?"代表实施例四短链脂肪酸产量与发酵时间的关系曲线；" ?" 代表实施例五短链脂肪酸产量与发酵时间的关系曲线。

【具体实施方式】

【具体实施方式】 [0015] 一：本实施方式强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法按下列 步骤实施：
[0016] 一、收集餐厨垃圾，去除餐厨垃圾的浮油后用电搅拌机搅碎，加水将总固体含量调 到25?35g/L，得到餐厨垃圾混合液；
[0017] 二、将餐厨垃圾混合液置于反应容器中，调节超声能量密度为1?I. 25W/mL，进行 超声预处理20?30min，得到超声后的餐厨垃圾；
[0018] 三、将步骤二得到的超声后的餐厨垃圾放入厌氧发酵瓶中，按照餐厨垃圾与剩余 污泥之比（S/Ι)为4?7向超声后的餐厨垃圾中接种剩余污泥进行发酵处理，完成餐厨垃 圾厌氧发酵产短链脂肪酸。
[0019] 本实施方式通过调整餐厨垃圾与接种污泥之比（S/Ι)提高产酸量，步骤三调整餐 厨垃圾与剩余污泥之比（S/Ι)维持体系的pH为5?6. 5,利于水解酸化和抑制产甲烷菌活 性。这种抑制产甲烷菌的方法在大规模的实际应用中优于传统的通过添加化学药品调节 pH，以及通过加热等杀灭产甲烷菌的方式。
[0020] 本实施方式餐厨垃圾厌氧发酵的方法采用超声预处理联合S/Ι调整能够有效地 提高餐厨垃圾的水解效率，使发酵液中溶解性有机物含量显著提高，有利于产酸微生物将 其转化为短链脂肪酸；同时，这种联合处理的方法提高了发酵产酸的速率，缩短了取得最大 产酸量的时间，节能降耗、减少了运行成本。

【具体实施方式】 [0021] 二：本实施方式与一不同的是步骤二调节超声能量密 度为lW/mL，进行超声预处理20min。其它步骤及参数与一相同。

【具体实施方式】 [0022] 三：本实施方式与一或二不同的是步骤三中接种的剩 余污泥的 TS 为 13000 ?14000mg/L，VS 为 9000 ?9500mg/L，TC0D 为 12000 ?13000mg/L， SCOD为550?600mg/L，pH为6. 5?7。其它步骤及参数与一或二相同。

【具体实施方式】 [0023] 四：本实施方式与一至三之一不同的是步骤三按照餐 厨垃圾与剩余污泥之比（S/Ι)为6向超声后的餐厨垃圾中接种污泥进行发酵处理。其它步 骤及参数与一至三之一相同。

【具体实施方式】 [0024] 五：本实施方式与一至四之一不同的是步骤三所述的 发酵处理是在恒温振荡器中以35±3°C的水浴中进行的。其它步骤及参数与 一至四之一相同。

【具体实施方式】 [0025] 六：本实施方式与五不同的是步骤三中发酵处理的时 间为48?72h。其它步骤及参数与五相同。
[0026] 参比实施例：本实施例餐厨垃圾厌氧发酵产酸的方法按下列步骤实施：
[0027] -、收集哈尔滨工业大学食堂的餐厨垃圾，去除餐厨垃圾的浮油后用电搅拌机搅 碎，加水将总固体含量调到30g/L，得到餐厨垃圾混合液；
[0028] 二、将300mL除油后的餐厨垃圾置于反应容器中，调节超声能量密度进行超声预 处理30min，得到破解后的餐厨垃圾。
[0029] 本实施例采用功率为0?1200W的探头式超声发生仪。在500mL烧杯中装入餐 厨垃圾混合液300mL，将超声发生仪的探头插入混合液中，调节超声功率，使得餐厨垃圾接 受到的超声能量密度分别为〇. 25,0. 5,0. 75,1和I. 25W/mL，超声时间为30min，每5min取 样，每次取5mL破解液，将所有破解液均以IOOOOrpm转速离心IOmin,用0. 45 μ m过滤器过 滤餐厨垃圾破解液得到上清液，用NACH DR1010C0D测定仪测定SCOD，用BCA试剂盒测定溶 解性蛋白质，用苯酚-硫酸法测定溶解性碳水化合物含量，用公式破解度DD (%) = (SCOD 后-SCODtl) AtCODq-SCODq) X 100 %，计算餐厨垃圾的溶解度，其中SCOD后为破解后上清液中 SCOD的含量，SCODtl表示破解前上清液中SCOD含量，TCODtl表示餐厨垃圾混合液中TCOD含 量，试验结果表1、表2。
[0030] 表 1

【权利要求】
1. 一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法，其特征在于是按下列步骤实现： 一、 收集餐厨垃圾，去除餐厨垃圾的浮油后用电搅拌机搅碎，加水将总固体含量调到 25?35g/L，得到餐厨垃圾混合液； 二、 将餐厨垃圾混合液置于反应容器中，调节超声能量密度为1?1. 25W/mL，进行超声 预处理20?30min，得到超声后的餐厨垃圾； 三、 将步骤二得到的超声后的餐厨垃圾放入厌氧发酵瓶中，按照餐厨垃圾与剩余污泥 之比为4?7向超声后的餐厨垃圾中接种剩余污泥进行发酵处理，完成餐厨垃圾厌氧发酵 产短链脂肪酸。
2. 根据权利要求1所述的一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法，其特征在 于步骤二调节超声能量密度为lW/mL，进行超声预处理20min。
3. 根据权利要求1所述的一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法，其特征在 于步骤三中接种的剩余污泥的TS为13000?14000mg/L，VS为9000?9500mg/L，TCOD为 12000 ?13000mg/L，SCOD 为 550 ?600mg/L，pH 为 6. 5 ?7。
4. 根据权利要求1所述的一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法，其特征在 于步骤三按照餐厨垃圾与剩余污泥之比为6向超声后的餐厨垃圾中接种污泥进行发酵处 理。
5. 根据权利要求1所述的一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法，其特征在 于步骤三所述的发酵处理是在恒温振荡器中以35±3°C的水浴中进行的。
6. 根据权利要求5所述的一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法，其特征在 于步骤三中发酵处理的时间为48?72h。
【文档编号】C12P7/40GK104388479SQ201410675330
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】郭婉茜, 吴清莲, 任南琪, 杨珊珊, 雒海潮, 彭斯脉 申请人:哈尔滨工业大学