本发明属于生物质能应用领域，具体涉及一种厌氧消化纤维和废弃油脂两级联合厌氧发酵产沼气的方法。
背景技术：
沼气主要是利用动物粪便、秸秆、工业有机废物、城市生活垃圾等有机物通过微生物厌氧消化技术生产，所产生的沼气中所含的主要成分甲烷占其总量的40-80％。每立方米沼气完全燃烧相当于0.7kg标准煤燃烧所产生的热量，因此沼气是一种重要的可再生生物质能源。其中，作物秸秆、瓜果蔬菜等废弃物是厌氧发酵生产沼气的好原料，碳水化合物含量高，原料易得，但是氮含量少，因此，厌氧发酵时的甲烷含量只有50％左右，直接降低了沼气提纯或发电的效率。公开号为cn104328142a的中国专利提供了一种农作物秸秆与蔬菜废物高固体混合发酵生产沼气的方法。直接将蔬菜和处理后的秸秆进行混合发酵，虽然在产气效率方面有所提高，但仍未解决产气效率低的问题。公开号为cn108546729a的中国发明专利公开了一种厌氧发酵生产沼气的方法，通过两次发酵生产沼气，其沼气产率和产气速率虽然有所提升，但步骤繁琐，不适合实际应用。
为了提高能源品质，目前已有研究利用厌氧发酵手段生产挥发性脂肪酸，以挥发性脂肪酸为中介制取高值化烃类能源。挥发性脂肪酸生产周期短，产量高，但存在木质纤维素利用率低的特点，其主要降解了半纤维素，导致大量富含纤维素的沼渣产生，此类沼渣称为厌氧消化纤维。将厌氧消化纤维用于进一步生产沼气，不但提供了挥发性脂肪酸生产中大量沼渣利用的新途径，而且也实现了生物质资源的全效利用。目前鲜有文献报道厌氧消化纤维进一步产沼气的方法。
餐饮业、屠宰场和肉制品加工厂等产生的废水中富含有易生物降解的有机物和难生物降解的油脂，其中餐厅厨房垃圾中富含各种动植物油脂，目前国内外对此类废弃油脂资源化利用的方式主要有两种：一是将其从餐厨垃圾中分离后提炼成生物柴油，但是生物柴油生产工艺繁琐、流程复杂，应用中难以推广；直接厌氧发酵产沼气因其流程简单而受到越来越多的关注，但是直接厌氧发酵由于油脂的水溶性差，易于造成发酵周期长；油脂代谢的中间产物长链脂肪酸常常会在系统内累积，对厌氧微生物产生抑制效应，特别是uasb厌氧消化反应器中，易造成厌氧消化系统崩溃。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种厌氧消化纤维和废弃油脂两级联合厌氧发酵产沼气的方法，该方法产气量大，产气速率快，且充分利用了厌氧消化纤维和废弃油脂资源。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种厌氧消化纤维和废弃油脂两级联合厌氧发酵产沼气的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）厌氧消化纤维预处理：厌氧消化纤维采用乙酸在121℃下预处理2h，液固比为10ml/g；乙酸预处理完成后采用氨水在121℃下预处理1h，将预处理完的厌氧消化纤维洗涤后干燥；
（2）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为120-210:1:1000；
（3）添加无机介质：将步骤（1）预处理过的厌氧消化纤维和厌氧发酵菌种混合后添加无机介质得到混合物，所述无机介质、预处理厌氧消化纤维和厌氧发酵菌种的质量比为4-11:100:24；
（4）添加活性炭：向步骤（3）所得混合物中添加活性炭并充分混合得到最终混合物，所述活性炭与混合物的质量比为1:5-8；
（5）清洗沼气池：用清水清洗沼气池，并抽出沼气池内液体；
（6）投料：向沼气池内依次投入步骤（4）所述的最终混合物、废弃油脂和添加剂混合均匀，最终混合物、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：1.8-2.5：0.1-0.15；
（7）厌氧环境制备：取可燃性燃料，置于广口容器内，点燃后将容器丢入沼气池中；
（8）密封：在燃料燃烧时，将沼气池盖合上，进行密封处理。
优选地，步骤（1）所述乙酸质量分数4%，所述氨水质量分数10%。
优选地，步骤（2）所述基础培养基为：尿素0.1-1g/l，氯化镁2-3g/l，磷酸二氢钾1-2g/l，氯化钙0.1-0.3g/l，硫酸亚铁1-2mg/l和橄榄油2-20g/l。
优选地，步骤（2）所述脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌和洋葱伯克霍尔德氏菌质量比1：1的混合物。
优选地，步骤（2）中，取废水处理系统的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中，再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
优选地，步骤（3）所述无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒按任意比例混合物，介质粒径为2-5mm。
优选地，步骤（4）所述活性炭为细胞培养级活性炭。
优选地，步骤（6）所述添加剂包括zn、mn、co和ni，含量为zn：3-6g/l，mn：3-6g/l，co：1-2g/l，ni：1-2g/l。
优选地，步骤（6）所述沼气池为户用型沼气池。
优选地，步骤（7）所述可燃性燃料为酒精或煤油。
本发明具有如下有益效果：
（1）本发明中厌氧发酵菌种是经过富集和驯化获得，且厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为120-210:1:1000，其中微生物类型丰富，水解细菌和产甲烷菌含量和活性较高，具有良好的油脂厌氧消化产甲烷功能，提高了废弃油脂的利用率及产气量。
（2）本发明中，采用的厌氧发酵菌种中添加了产酸克雷伯氏菌和洋葱伯克霍尔德氏菌质量比1：1的混合物，具有良好和高效的产脂肪酶活性和产酸特性，提高了厌氧发酵菌种的脂肪降解效率，有利于油脂的降解，为产甲烷菌群提供了良好的碳源，促进了产沼气过程的持续和稳定，提高了产气速率和转化率。
（3）本发明添加了活性炭，大大提高了厌氧消化纤维和废弃油脂两级联合厌氧发酵产沼气产气性能，与未添加活性炭相比，产气高峰期提前了10-13天，产气速率得到提高，且厌氧发酵的累积产气量也得到大幅度提高，本发明还添加了无机介质，增加了微生物与油脂的附着和接触面积，因而增加了消化速率和转化率。
（4）本发明对厌氧消化纤维进行了乙酸和氨水的两步预处理，相比常规的单独乙酸处理或单独氨水处理，具有更高的产气效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供了一种厌氧消化纤维和废弃油脂两级联合厌氧发酵产沼气的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）厌氧消化纤维预处理：厌氧消化纤维采用质量分数4%乙酸在121℃下预处理2h，液固比为10ml/g；乙酸预处理完成后采用质量分数10%氨水在121℃下预处理1h，将预处理完的厌氧消化纤维洗涤后干燥；
（2）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为120:1:1000；
（3）添加无机介质：将步骤（1）预处理过的厌氧消化纤维和厌氧发酵菌种混合后添加无机介质得到混合物，所述无机介质、预处理厌氧消化纤维和厌氧发酵菌种的质量比为4:100:24；
（4）添加活性炭：向步骤（3）所得混合物中添加活性炭并充分混合得到最终混合物，所述活性炭与混合物的质量比为1:5；
（5）清洗沼气池：用清水清洗沼气池，并抽出沼气池内液体；
（6）投料：向户用型沼气池内依次投入步骤（4）所述的最终混合物、废弃油脂和添加剂混合均匀，最终混合物、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：1.8：0.1；
（7）厌氧环境制备：取酒精置于广口容器内，点燃后将容器丢入沼气池中；
（8）密封：在酒精燃烧时，将户用型沼气池盖合上，进行密封处理。
本实施例步骤（2）所述基础培养基为：尿素0.1g/l，氯化镁2g/l，磷酸二氢钾1g/l，氯化钙0.1g/l，硫酸亚铁1mg/l和橄榄油2g/l。
本实施例步骤（2）所述脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌和洋葱伯克霍尔德氏菌质量比1：1的混合物。
本实施例步骤（2）中，取废水处理系统的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中，再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
本实施例步骤（3）所述无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒按1:1:1混合物，介质粒径为2mm。
本实施例步骤（4）所述活性炭为细胞培养级活性炭。
本实施例步骤（6）所述添加剂包括zn、mn、co和ni，含量为zn：3g/l，mn：3g/l，co：1g/l，ni：1g/l。
实施例2
本实施例提供了一种厌氧消化纤维和废弃油脂两级联合厌氧发酵产沼气的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）厌氧消化纤维预处理：厌氧消化纤维采用质量分数4%乙酸在121℃下预处理2h，液固比为10ml/g；乙酸预处理完成后采用质量分数10%氨水在121℃下预处理1h，将预处理完的厌氧消化纤维洗涤后干燥；
（2）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为160:1:1000；
（3）添加无机介质：将步骤（1）预处理过的厌氧消化纤维和厌氧发酵菌种混合后添加无机介质得到混合物，所述无机介质、预处理厌氧消化纤维和厌氧发酵菌种的质量比为2:25:6；
（4）添加活性炭：向步骤（3）所得混合物中添加活性炭并充分混合得到最终混合物，所述活性炭与混合物的质量比为1:6；
（5）清洗沼气池：用清水清洗沼气池，并抽出沼气池内液体；
（6）投料：向户用型沼气池内依次投入步骤（4）所述的最终混合物、废弃油脂和添加剂混合均匀，最终混合物、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：2.3：0.12；
（7）厌氧环境制备：取煤油置于广口容器内，点燃后将容器丢入沼气池中；
（8）密封：在煤油燃烧时，将户用型沼气池盖合上，进行密封处理。
本实施例步骤（2）所述基础培养基为：尿素0.5g/l，氯化镁2.5g/l，磷酸二氢钾1.5g/l，氯化钙0.2g/l，硫酸亚铁1.5mg/l和橄榄油10g/l。
本实施例步骤（2）所述脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌和洋葱伯克霍尔德氏菌质量比1：1的混合物。
本实施例步骤（2）中，取废水处理系统的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中，再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
本实施例步骤（3）所述无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒按1:2:1混合物，介质粒径为4mm。
本实施例步骤（4）所述活性炭为细胞培养级活性炭。
本实施例步骤（6）所述添加剂包括zn、mn、co和ni，含量为zn：4g/l，mn：4g/l，co：1.5g/l，ni：1.5g/l。
实施例3
本实施例提供了一种厌氧消化纤维和废弃油脂两级联合厌氧发酵产沼气的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）厌氧消化纤维预处理：厌氧消化纤维采用质量分数4%乙酸在121℃下预处理2h，液固比为10ml/g；乙酸预处理完成后采用质量分数10%氨水在121℃下预处理1h，将预处理完的厌氧消化纤维洗涤后干燥；
（2）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为210:1:1000；
（3）添加无机介质：将步骤（1）预处理过的厌氧消化纤维和厌氧发酵菌种混合后添加无机介质得到混合物，所述无机介质、预处理厌氧消化纤维和厌氧发酵菌种的质量比为11:100:24；
（4）添加活性炭：向步骤（3）所得混合物中添加活性炭并充分混合得到最终混合物，所述活性炭与混合物的质量比为1:8；
（5）清洗沼气池：用清水清洗沼气池，并抽出沼气池内液体；
（6）投料：向户用型沼气池内依次投入步骤（4）所述的最终混合物、废弃油脂和添加剂混合均匀，最终混合物、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：2.5：0.15；
（7）厌氧环境制备：取酒精置于广口容器内，点燃后将容器丢入沼气池中；
（8）密封：在酒精燃烧时，将户用型沼气池盖合上，进行密封处理。
本实施例步骤（2）所述基础培养基为：尿素1g/l，氯化镁3g/l，磷酸二氢钾2g/l，氯化钙0.3g/l，硫酸亚铁2mg/l和橄榄油20g/l。
本实施例步骤（2）所述脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌和洋葱伯克霍尔德氏菌质量比1：1的混合物。
本实施例步骤（2）中，取废水处理系统的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中，再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
本实施例步骤（3）所述无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒按3:2:1比例混合物，介质粒径为5mm。
本实施例步骤（4）所述活性炭为细胞培养级活性炭。
本实施例步骤（6）所述添加剂包括zn、mn、co和ni，含量为zn：6g/l，mn：6g/l，co：2g/l，ni：2g/l。
对实施例1-3中的产甲烷特性进行测定，分别测定各实施例中厌氧发酵过程中沼气池内的平均日产气量、40天总产气量和产气速率变化，并以不进行厌氧消化纤维预处理的方案作为对比例1，以公开号为cn108546729a的中国发明专利公开了一种厌氧发酵生产沼气的方法作为对比例2，各实施例及对比例1和对比例2中产甲烷特性的测定结果如下表1所示。
表1
从上表可以看出，实施例1、实施例2和实施例3的产气高峰期比未进行厌氧消化纤维预处理的对比例1提前3-4天，比对比例2提前9-10天；实施例1、实施例2和实施例3的最高产气速率明显高于对比例1和对比例2；实施例1、实施例2和实施例3的累计产气量显著高于对比例1和对比例2。说明本发明厌氧消化纤维和废弃油脂两级联合厌氧发酵产沼气的方法相比现有技术的沼气生产方法，具有跟高的产气速率，更大的产气量，产气高峰期也明显提前。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。