本发明涉及一种利用有机废物连续发酵制备高纯度l-乳酸的方法，具体涉及一种有机废物水热反应后与污泥混合发酵生产高纯度l-乳酸的方法，属于环境保护技术领域。
背景技术：
城市有机废物主要由餐厨垃圾和废弃剩余活性污泥组成，随着城市的快速发展，每年所产生的有机废物数量也在逐年递增。众所周知，在餐厨垃圾和剩余活性污泥中含有大量的可以利用的有机物，目前，厌氧发酵是有机废物处理处置与利用中最常用的处理方法之一，利用自然界本身就存在的微生物将废弃的有机物转化为乳酸，vfa，甲烷和氢等能源物质与化学品，成本较低，不仅在能源上进行了回收利用，也减轻了对环境造成污染。在众多发酵产物中，乳酸作为一种多功能化学物质，可广泛应用于食品、制药、制革、纺织、环保和农业中，是一种有经济效益的发酵产物。通过利用乳酸菌的厌氧发酵，可以将碳水化合物及蛋白质等基质转化为有经济效益的乳酸。目前，已有方法利用有机废物如餐厨垃圾资源化生产乳酸，如中国专利201110425458.8、200710117684.3、200610010049.0。其操作过程一般如下：餐厨垃圾预处理→酶水解(糖化)→接种乳酸菌→中温发酵→固液分离。这些方法都涉及了投加菌种、酶制剂、中温发酵等复杂操作。乳酸有l-乳酸和d-乳酸两种不同的手性分子。其中，l-乳酸是聚乳酸的前体物，聚乳酸是可生物降解易的塑料的直接生产材料。因此，从有机废物中生产高纯度的l-乳酸比d-乳酸更具有实际意义。已有研究(waterresearch2007，41，(8)，1774-1780；environmentalscienceandtechnology1999，33，(1)，198-200)分别报道了从餐厨垃圾或污泥中发酵生产l-乳酸的方法。这些方法都涉及了投加l-乳酸菌、复杂的糖化及酶预处理及中温高温发酵条件等，并且l-乳酸菌的纯度无法达到100％，l-乳酸产率较低(bioresourcetechnology，2008，99，(4)，855-862)。近年来，关于提高l-乳酸的研究已有进展(bioresourcetechnology，2016，220：523.)但还没有将有机废物水热后再与剩余活性污泥混合发酵生产高纯度l-乳酸的发酵方法的报道。本发明利用水热后的餐厨垃圾与剩余活性污泥混合发酵，可以大幅度提高l-乳酸的产量及纯度。
技术实现要素：
本发明所要解决的问题是：如何利用水热后的有机废物与剩余活性污泥混合生产一种高纯度l-乳酸的发酵方法。
为了解决以上问题，本发明提出以下解决方案：
一种利用有机废物连续发酵制备高纯度l-乳酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：将有机废物与热催化剂混合均匀后进行水热反应；反应停止后，冷却至室温，得到水热产物；
步骤2)：取出水热产物置于发酵罐中，将城市污水厂剩余的污泥加入发酵罐里，将二者混合均匀，搅拌进行发酵；
步骤3)：发酵停止后，将发酵混合液取出进行固液分离，取下层部分固体返回至高温反应器，剩余固体返回至发酵罐；
步骤4)：重复步骤3)多次循环过程后，获得含有高光学纯度的乳酸的上清液。
优选地，所述步骤1)中的热催化剂为fe与fe2+的混合物，fe与fe2+的质量比为1∶0.2～0.8，优选混合比例为1∶0.4；热催化剂的投加量为10-400mgfe/gvss。
优选地，所述步骤1)中水热反应的温度为120℃～240℃，反应时间为1～8h，优选时间为4h。
优选地，所述步骤2)中的发酵温度为10～65℃，优选50℃。
优选地，所述步骤2)中，污泥与水热产物按干重质量比1∶1～0.08∶1混合，优选为0.18∶1；混合后加水稀释tcod为25～45g/l。
优选地，所述步骤2)中，发酵条件为：每隔一段时间的投加碱，间隔时间为1-12h，优选时间为5h；碱的加入量是污泥与餐厨垃圾混合物干重总量的0.5～1.5％，优选1％。
优选地，所述碱采用naoh。
优选地，所述步骤3)中固液分离采用离心分离法，离心转速为6000～8000rpm，优选8000rpm，离心时间为8～15min，优选10min。
优选地，所述步骤3)中返回至高温反应釜的固体为固体总量的10-90％。
优选地，所述步骤3)中固液分离得到的上清液中l-乳酸的含量为3.2-28.4gcod/l，最大产率为0.75gl-乳酸/gtcod，l-乳酸的光学纯度为45-100％。
光学纯度(opticalpurity)是用来表征l-乳酸的光学对映体过量值enantiomericexcess(ee)，其计算公式如式(1)所示：
式中：[l]-l-乳酸浓度，单位：gcod/l；[d]-d-乳酸浓度，单位：gcod/l。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)利用水热反应，使有机底物更加充分的水解溶出；
(2)污泥与餐厨垃圾挥发性物质减量近40％；
(3)污泥最终的发酵液中乳酸含量达到81％(cod当量比)，其中l-乳酸含量占总乳酸的90％。
附图说明
图1为本发明提供的利用有机废物连续发酵制备高纯度l-乳酸的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种利用有机废物连续发酵制备高纯度l-乳酸的方法(其流程如图1所示)：
(1)取食堂厨余垃圾(剔除筷子、碎骨、塑料、纸片、碎片等废物，经粉碎机粉碎，过10目筛，加入适量自来水稀释至含水率为80％，c/n为25)置于高温反应釜中。将烘箱温度设置为240℃持续反应8h，到达反应时间后，将高温反应釜从烘箱中取出，自然冷却至室温；
(2)取出高温反应后的厨余垃圾，再取城市生活污水厂污泥含水率为98％，tss约为18g/l，污泥c/n为8.3，将二者混合，配置厨余垃圾与污泥混合干重混合比9∶1，加入适量tcod为30±2g/l，配置为1l反应混合物进行联合发酵。控制发酵温度为50℃，用naoh调节ph至7且每隔6h调节ph至7，naoh的加入量是污泥与餐厨垃圾混合物干重总量的1％，搅拌速度为40rpm；
(3)发酵7天后停止发酵，再将发酵混合液取出置于离心机中，设置转速为8000rpm，时间为10min，取90％的下层固体返回至高温反应器，剩余10％固体返回至发酵罐，以此循环上述步骤。获得上清液中其中l-乳酸含量为24.3g/l，l-乳酸产率为0.81g/gtcod。d-乳酸未测出，l-乳酸光学纯度为100％。此外，污泥与厨余垃圾混合物挥发性有机物质可减量40％。
实施例2
一种利用有机废物连续发酵制备高纯度l-乳酸的方法：
(1)取食堂厨余垃圾(剔除筷子、碎骨、塑料、纸片、碎片等废物，经粉碎机粉碎，过10目筛，加入适量自来水稀释至含水率为80％，c/n为25)置于高温反应釜中。将烘箱温度设置为200℃持续反应8h，到达反应时间后，将高温反应釜从烘箱中取出，自然冷却至室温；
(2)取出高温反应后的厨余垃圾，再取城市生活污水厂污泥含水率为98％，tss约为18g/l，污泥c/n为8.3，将二者混合，配置厨余垃圾与污泥混合干重混合比9∶1，加入适量tcod为30±2g/l，配置为1l反应混合物进行联合发酵。控制发酵温度为35℃，用naoh调节ph至7且每隔6h调节ph至7，naoh的加入量是污泥与餐厨垃圾混合物干重总量的1％，搅拌速度为50rpm；
(3)发酵7天后停止发酵，再将发酵混合液取出置于离心机中，设置转速为8000rpm，时间为10min，取80％的下层固体返回至高温反应器，剩余20％固体返回至发酵罐，以此循环上述步骤。获得上清液中其中l-乳酸含量为17.4g/l，l-乳酸产率为0.58g/gtcod。d-乳酸含量为2.4g/l，d-乳酸产率为0.08g/gtcod，l-乳酸光学纯度为75.76％。此外，污泥与厨余垃圾混合物挥发性有机物质可减量32％。
实施例3
一种利用有机废物连续发酵制备高纯度l-乳酸的方法：
(1)取食堂厨余垃圾(剔除筷子、碎骨、塑料、纸片、碎片等废物，经粉碎机粉碎，过10目筛，加入适量自来水稀释至含水率为80％，c/n为25)置于高温反应釜中。将烘箱温度设置为240℃持续反应4h，到达反应时间后，将高温反应釜从烘箱中取出，自然冷却至室温；
(2)取出高温反应后的厨余垃圾，再取城市生活污水厂污泥含水率为98％，tss约为18g/l，污泥c/n为8.3，将二者混合，配置厨余垃圾与污泥混合干重混合比8∶1，加入适量tcod为30±2g/l，配置为1l反应混合物进行联合发酵。控制发酵温度为50℃，用naoh调节ph至8且每隔6h调节ph至8，naoh的加入量是污泥与餐厨垃圾混合物干重总量的1％，搅拌速度为65rpm；
(3)发酵7天后停止发酵，再将发酵混合液取出置于离心机中，设置转速为8000rpm，时间为10min，取10％的下层固体返回至高温反应器，剩余90％固体返回至发酵罐，以此循环上述步骤。获得上清液中其中l-乳酸含量为15.5g/l，l-乳酸产率为0.52g/gtcod。d-乳酸未测出，l-乳酸光学纯度为100％。此外，污泥与厨余垃圾混合物挥发性有机物质可减量28％。
实施例4
一种利用有机废物连续发酵制备高纯度l-乳酸的方法：
(1)取食堂厨余垃圾(剔除筷子、碎骨、塑料、纸片、碎片等废物，经粉碎机粉碎，过10目筛，加入适量自来水稀释至含水率为80％，c/n为25)置于高温反应釜中。将烘箱温度设置为120℃持续反应8h，到达反应时间后，将高温反应釜从烘箱中取出，自然冷却至室温；
(2)取出高温反应后的厨余垃圾，再取城市生活污水厂污泥含水率为98％，tss约为18g/l，污泥c/n为8.3，将二者混合，配置厨余垃圾与污泥混合干重混合比6∶1，加入适量tcod为30±2g/l，配置为1l反应混合物进行联合发酵。控制发酵温度为35℃，用naoh调节ph至7且每隔6h调节ph至7，naoh的加入量是污泥与餐厨垃圾混合物干重总量的1％，搅拌速度为50rpm；
(3)发酵7天后停止发酵，再将发酵混合液取出置于离心机中，设置转速为8000rpm，时间为10min，取90％的下层固体返回至高温反应器，剩余10％固体返回至发酵罐，以此循环上述步骤。获得上清液中其中l-乳酸含量为15.3g/l，l-乳酸产率为0.51g/gtcod。d-乳酸含量为3.2g/l，d-乳酸产率为0.11g/gtcod，l-乳酸光学纯度为65.41％。此外，污泥与厨余垃圾混合物挥发性有机物质可减量32％。
实施例5
一种利用有机废物连续发酵制备高纯度l-乳酸的方法：
(1)取食堂厨余垃圾(剔除筷子、碎骨、塑料、纸片、碎片等废物，经粉碎机粉碎，过10目筛，加入适量自来水稀释至含水率为80％，c/n为25)置于高温反应釜中。将烘箱温度设置为180℃持续反应6h，到达反应时间后，将高温反应釜从烘箱中取出，自然冷却至室温；
(2)取出高温反应后的厨余垃圾，再取城市生活污水厂污泥含水率为98％，tss约为18g/l，污泥c/n为8.3，将二者混合，配置厨余垃圾与污泥混合干重混合比8∶1，加入适量tcod为30±2g/l，配置为1l反应混合物进行联合发酵。控制发酵温度为40℃，用naoh调节ph至8且每隔6h调节ph至8，naoh的加入量是污泥与餐厨垃圾混合物干重总量的1％，搅拌速度为50rpm；
(3)发酵7天后停止发酵，再将发酵混合液取出置于离心机中，设置转速为8000rpm，时间为10min，取80％的下层固体返回至高温反应器，剩余20％固体返回至发酵罐，以此循环上述步骤。获得上清液中其中l-乳酸含量为20.2g/l，l-乳酸产率为0.67g/gtcod。d-乳酸含量为2.1g/l，d-乳酸产率为0.07g/gtcod，l-乳酸光学纯度为81.17％。此外，污泥与厨余垃圾混合物挥发性有机物质可减量35％。