一种提高餐厨垃圾连续厌氧消化氨氮耐受性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种提高餐厨垃圾连续厌氧消化氨氮耐受性的方法，属于固体废弃物 生物处理技术、环保净化处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，随着人们生活水平的提高和城镇化进 程的推进，我国餐厨垃圾的产量迅速增加，2012年达1.1亿吨。餐厨垃圾是典型的城市有机 废弃物，富含碳水化合物、蛋白质、纤维素等有机质，具有含水率高、易腐烂等特点；若处理 不当，会产生不利的环境影响，尤其会引起温室气体排放问题。与传统的堆肥、填埋、焚烧等 技术相比，厌氧发酵更具有优势。厌氧发酵产沼气既能对固体有机废弃物进行无害化、减量 化处理，又能产生清洁能源进行资源化利用；同时发酵残渣因含有大量氮、磷，是很好的有 机肥料，可用于农业生产。同时，世界范围内的疯牛病及其他诸如猪流感、禽流感、口蹄疫等 流行性疾病的爆发，表明利用含有动物蛋白的餐厨垃圾作为饲料喂养反刍类动物及其它家 禽，并非明智的选择。因此，通过厌氧发酵技术处理餐厨垃圾是目前最为合适的处理方式之 〇
[0003] 但是，目前餐厨垃圾的连续厌氧消化存在技术缺陷，因餐厨垃圾中含量大量的蛋 白质，其分解代谢产生大量高浓度氨氮。有机物生物降解产生氨氮的量可以由化学计量式 (1)进行估算。
[0005]由于氮是厌氧微生物必须的营养元素，一般认为，氨质量浓度低于200mg/L时对厌 氧消化过程是有利的;Gerardi等指出，当发酵液pH值低于7.2，氨氮质量浓度低于1500mg/L 时不会引起氨氮抑制;氨氮质量浓度在200_1000mg/L时，对厌氧消化反应的微生物没有不 利影响；而较高氨氮质量浓度时，对产甲烷微生物（古菌类)有强烈的抑制作用，会引起"氨 中毒"，从而导致多种微生物协同作用的厌氧消化串联代谢过程失衡，中间代谢产物如挥发 性脂肪酸(VFAs)大量积累，积累的中间代谢产物进一步影响了厌氧消化系统内的微生态环 境。氨氮和挥发性脂肪酸的双重抑制及pH的变化往往会导致厌氧消化系统处于"抑制型假 稳态"（inhibited pseudo-steady state)状态，虽运行稳定，但甲烧产量极低。目前，根据 文献报道，关于氨氮对产甲烷菌的主要抑制机理是:氨氮包括氨(NH 3，亦称游离氨或非离子 氨)和铵(nh4+ )。因自由氨呈脂溶性，具有细胞膜自由渗透性，可通过被动扩散的方式进入细 胞，引起细胞质酸化、质子不平衡及K+的流失等。除了自由氨的影响，铵根离子也可能会直 接抑制甲烷合成酶的活性。但是与铵根离子相比，自由氨对厌氧微生物的毒性更大。氨氮抑 制的另一原因是细胞内氨和酮戊二酸会发生胺化反应。α_酮戊二酸是谷氨酸脱氨基的酮 酸产物，是微生物三羧酸循环代谢中重要的中间产物，位于异柠檬酸之后及琥珀乙酰辅酶A 之前。其主要作用之一是结合细胞中形成的N素，防止细胞中氮素的过渡积累，为来自系统 的氨解毒。而过多的氨会导致三羧酸循环氨基酸代谢库中酮戊二酸消失，从而引起有机 化合物新陈代谢的困难。
[0006] 因此富含蛋白质的有机废弃物如餐厨垃圾、食品加工厂废弃物及富含蛋白质和氨 基酸的动物粪便如猪粪、牛粪、家禽粪便等在厌氧消化处理过程中，经常面临严重的氨氮抑 制问题。目前，氨氮在厌氧发酵过程中对产甲烷菌有强烈的抑制性已被广泛认同，但抑制程 度因反应器类型、发酵底物、接种物、运行条件等因素的不同而存在较大差异。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述问题，本发明提供了一种能提高餐厨垃圾连续厌氧消化氨氮耐受性 的方法。
[0008] 本发明方法，是在连续厌氧反应器中接种产甲烷厌氧污泥，以餐厨垃圾作为底物 进行连续厌氧消化反应;在厌氧消化反应过程中梯度提高原位氨氮的负荷，对厌氧消化体 系进行氨氮适应性驯化，提高了产甲烷菌对氨氮的耐受性。
[0009] 原位氨氮负荷是指氨氮的浓度是由底物餐厨垃圾自身分解产生的，不是外源添加 的。
[0010]在本发明的一种实施方式中，所述连续厌氧消化反应是在有机负荷为2kgTS/m3/ d、发酵温度为中温35-37°C的条件下进行。
[0011] 在本发明的一种实施方式中，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指控制反应器内 氨氮的浓度每20-40天提高400-600mg/L。
[0012] 在本发明的一种实施方式中，所述控制反应器内氨氮的浓度是通过控制出料的体 积来实现的。
[0013] 在本发明的一种实施方式中，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指分为5个阶段进 行提高;在第一阶段控制氨氮平均浓度在2250-2450mg/L、第二阶段控制在2650-2850mg/L、 第三阶段控制在3250-3450mg/L、第四阶段控制在3650-3850mg/L、第五阶段控制在4200-4400mg/L〇
[0014] 在本发明的一种实施方式中，所述第一阶段是指厌氧消化反应的第0-20天，第二 阶段是指厌氧消化反应的第21-50天，第三阶段是指厌氧消化反应的第51-80天，第四阶段 是指厌氧消化反应的第81-120天，第五阶段是指厌氧消化反应的第121-160天。
[0015] 在本发明的一种实施方式中，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是在第一阶段(0-20 天)控制氨氮的平均浓度为2341mg/L、第二阶段(21-50天)控制氨氮的平均浓度为2729mg/ L、第三阶段(51-80天)控制氨氮的平均浓度为3312mg/L、第四阶段(81-120天)控制氨氮的 平均浓度为3773mg/L、第五阶段(121-160天)控制氨氮的平均浓度为4293mg/L。
[0016] 在本发明的一种实施方式中，所述连续厌氧消化反应是在50L的连续搅拌厌氧反 应器中进行;反应器主要包括有效体积为50L的不锈钢发酵罐一个;控温系统一套，多组伴 热带进行加热，有控温系统控制反应器的温度。pH检测系统一套，包括pH探头和传感器一 套;搅拌系统一套，包括搅拌机、减速机及密封装置等；自动进料装置一套，包括水平垂直方 向两个螺旋输送器;控制面板及数据传输系统。
[0017] 在本发明的一种实施方式中，餐厨垃圾和产甲烷厌氧污泥的性质如表1所示。
[0018] 本发明还提供一种利用餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的方法，是在连续厌氧反应器中 接种产甲烷厌氧污泥，以餐厨垃圾作为底物进行连续厌氧消化反应;在厌氧消化反应过程 中梯度提高原位氨氮的负荷。
[0019] 所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指控制反应器内氨氮的浓度每20-40天提高 400-600mg/L〇
[0020] 所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指分为5个阶段进行提高;在第一阶段控制氨氮 平均浓度在2250-2450mg/L、第二阶段控制在2650-2850mg/L、第三阶段控制在3250-3450mg/L、第四阶段控制在3650-3850mg/L、第五阶段控制在4200-4400mg/L。
[0021] 所述利用餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的方法，与前面所提的提高餐厨垃圾连续厌氧 消化氨氮耐受性方法的控制条件一样。
[0022]本发明的有益效果：
[0023] 1、餐厨垃圾是典型的城市有机废弃物，通过厌氧消化产沼气技术进行处理，既能 对餐厨垃圾进行无害化、减量化处置，又能产生清洁能源，实现资源化利用；而且发酵沼渣 含有大量氮、磷，是很好的有机肥料，可用于农业生产。
[0024] 2、通过梯度提高原位氨氮负荷的方式，逐步提高了厌氧消化系统及厌氧污泥对氨 氮的耐受性。驯化后较驯化前，厌氧消化体系统对氨氮的耐受性提高了 125% ;氨氮对厌氧 污泥产沼气活性的半数抑制浓度提高了 171%。经过驯化后，餐厨垃圾厌氧消化体系对氨氮 的耐受性有较大提高，在氨氮浓度达到4500mg/L左右时，厌氧消化体系产甲烷活性较高，单 位干重餐厨垃圾的沼气产量约为60m 3/kgTS。
【附图说明】
[0025] 图1:连续搅拌厌氧反应器的结构示意图；
[0026] 图2:驯化过程原位梯度氨氮负荷的设置；
[0027]图3:厌氧条件下乙酸氧化为C02的推测过程；
[0028]图4:驯化过程中氨氮及自由氨和pH的变化；
[0029] 图5:驯化过程中不同氨氮压力下沼气日产量及甲烷含量的变化；
[0030] 图6:驯化过程中中间代谢产物的变化；
[0031] 图7:驯化前后厌氧污泥氨氮耐受性的比较。
【具体实施方式】：
[0032] 实验装置与材料:利用50L的连续搅拌厌氧反应器，接种产甲烷厌氧污泥，以餐厨 垃圾为底物，进行连续厌氧发酵实验。餐厨垃圾和接种污泥具体性质见表1。
[0033]表1餐厨垃圾及产甲烷厌氧污泥的性质
[0035] 50L连续搅拌厌氧反应器的结构如图1所示。反应器主要包括有效体积为50L的不 锈钢发酵罐一个;控温系统一套，多组伴热带进行加热，有控温系统控制反应器的温度。pH 检测系统一套，包括pH探头和传感器一套;搅拌系统一套，包括搅拌机、减速机及密封装置 等；自动进料装置一套，包括水平垂直方向两个螺旋输送器;控制面板及数据传输系统。 [0036]氨氮负荷的设置：以餐厨垃圾为底物，有机负荷为2kgTS/m 3/d，发酵温度为中温 35-37°C，进行连续发酵实验。在连续发酵过程中，由餐厨垃圾中蛋白质分解而产生的氨氮， 通过控制出料的量而控制反应器内氨氮的浓度(