改善餐厨垃圾乙醇型两相厌氧消化系统性能的方法与流程

本发明涉及固体废弃物资源化技术领域，特别是指一种改善餐厨垃圾乙醇型两相厌氧消化系统性能的方法。

背景技术：

餐厨垃圾是居民日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾，包括丢弃的菜叶、剩菜、剩饭等，其主要来源为家庭厨房、餐厅、食堂、及其他与食品加工有关的行业，是城市生活垃圾的一部分。我国是餐厨垃圾产生的大国，我国许多发达城市每天产生生活垃圾量在3000t以上，其中餐厨垃圾约占50％甚至更高。餐厨垃圾的常规处理方法有粉碎直排法、填埋法、焚烧法等，但这些方法可能造成环境二次污染，增加处理成本。

厌氧消化是一种被广泛用于餐厨垃圾处理的技术，采用厌氧发酵技术处理餐厨垃圾，能够大批量处理餐厨垃圾，并能将其转化成甲烷、氢气等可再生能源，在经济上和环境上具有很大优势。但餐厨垃圾厌氧消化过程中容易发生酸累积，造成ph下降和系统稳定性失衡，对产甲烷古细菌的活性产生影响，通过两相分离技术可以达到对水解酸化和甲烷化最优反应条件的调控，提高各自反应器中微生物的活性，并提高整个反应系统的稳定性和处理效果。

本课题组在研究中发现，通过接种酵母菌构建以第一相为开放式产乙醇发酵为主同时又有底物自身的产酸细菌发酵为特征的产酸产醇相，并与后续的产甲烷相串联组成乙醇型两相厌氧消化系统(简称乙醇型两相)，与传统两相厌氧消化系统相比可以提高甲烷产率，保持甲烷相ph值及厌氧消化系统的稳定，有效减少第一相的水力停留时间。然而乙醇型两相厌氧消化系统仅仅在第一相引入酵母，随着半连续发酵的进行，水解产物的不断增加，第一相的ph值逐渐减低，抑制水解酸化菌的活性。鉴于此，本发明采用沼液回流的方式来调节水解酸化相的ph值，提高水解酸化效率，强化乙醇型水解酸化相的工艺条件。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种改善餐厨垃圾乙醇型两相厌氧消化系统性能的方法，该方法可调节水解酸化相的ph值，提高乙醇型两相厌氧消化系统的水解酸化效率、有机负荷及甲烷产率，强化该系统的工艺条件及系统稳定性，为实现餐厨垃圾厌氧消化处理高效稳定运行提供一定参考。

该方法首先使用葡萄糖溶液活化酵母，然后将餐厨垃圾底物和酵母活化液以及回流的沼液共同加入至第一相形成产酸产醇相，第二相为产甲烷相，每天取第二相出料体积的2/5-3/5回流至第一相，同时取与第二相出料体积相同的第一相的物料进入第二相，形成沼液回流的餐厨垃圾乙醇型两相半连续厌氧消化系统。

具体包括步骤如下：

(1)将干酵母在葡萄糖溶液中活化后得酵母活化液；

(2)餐厨垃圾使用前初步分拣粉碎，按照系统有机负荷的要求称取湿餐厨垃圾作为底物；

(3)餐厨垃圾底物和酵母活化液共同加入到第一相中，每天出料一次，后接种餐厨垃圾底物和酵母活化液，水力停留时间为2-5天；

(4)第二相接种厌氧消化污泥，每天出料一次，后将第一相的出料加入第二相，水力停留时间为15-30天；

(5)第二相的出料液经离心后的上清液作为回流所用沼液，回流的沼液与底物混合，在每天进料时加入到第一相中。

其中，步骤(1)中葡萄糖溶液的浓度为2-5％；活化时间为45-60min；葡萄糖溶液与干酵母的质量比为10:1-20:1。

步骤(2)中系统有机负荷指的是第二相的有机负荷，有机负荷通过进料底物的量来控制，以1-2g-vs·l^-1·d^-1作为启动负荷，随后根据系统的运行情况每隔1-3个水力停留时间增加0.5-1g-vs·l^-1·d^-1的负荷。

步骤(3)中底物干重与干酵母的质量比为40:1-50:1；第一相为产酸产乙醇相；第一相进料底物中需要加水调节体积，使进料总体积与第一相出料体积相同。

步骤(4)中第二相为甲烷相；第二相的接种污泥进行驯化，驯化条件为每3天加入污泥vs的3％-5％的餐厨垃圾，驯化时间为20-30天，经驯化后污泥的ph值为7.2-8.4。

步骤(3)和步骤(4)中第一相和第二相的进出料体积相同且第一相与第二相的进出料时间相同。

系统需要进行机械搅拌，转速为40-60r/min，工作时间为每2h工作15-20min。

步骤(1)、步骤(3)和步骤(4)中酵母活化及第一相和第二相的发酵温度为35-40℃。

步骤(6)中离心机转速为4000rpm，时间为5min；回流沼液的体积为第二相出料体积的2/5-3/5，从第一相进入第二相的体积等于第二相出料液的体积。

系统沼液回流包括沼液上清液回流、沼液直接回流、沼液微气泡曝气后回流、沼液与部分产酸产醇相出料混合回流。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明方法操作简单易行，可以提高两相厌氧消化系统的最大有机负荷和产甲烷相的平均碱度，此外，沼液回流可丰富系统第一相的微生物群落多样性和提高底物的水解酸化效率，进而增加了系统稳定性，是提高餐厨垃圾资源化利用的有效方法。

附图说明

图1为本发明实施例1和比较例中每日甲烷产量与厌氧消化时间关系；

图2为本发明实施例2和比较例中物质浓度以及ph等随时间变化关系，其中，(a)为沼液上清液回流方式，(b)为沼液直接回流方式，(c)为不回流方式，(d)为三种方式的ph随时间变化。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种改善餐厨垃圾乙醇型两相厌氧消化系统性能的方法。

该方法首先使用葡萄糖溶液活化酵母，然后将餐厨垃圾底物和酵母活化液以及回流的沼液共同加入至第一相形成产酸产醇相，第二相为产甲烷相，每天取第二相出料体积的2/5-3/5回流至第一相，同时取与第二相出料体积相同的第一相的物料进入第二相，形成沼液回流的餐厨垃圾乙醇型两相半连续厌氧消化系统。

下面结合具体实施例及比较例予以说明。

实施例1

使用质量浓度为2％的葡萄糖溶液对干酵母活化1h，固液比为10:1；厌氧发酵的底物为经过分拣粉碎后的餐厨垃圾，餐厨垃圾和干酵母的质量配比为40:1；使用两相半连续厌氧消化系统进行实验，第一相为产醇产酸相，反应器体积为2l，水力停留时间为2天，餐厨垃圾底物与酵母活化液第二相为通过接种驯化后的厌氧污泥形成产甲烷相，反应器体积为8l，水力停留时间为20天。以2.0g-vs·l^-1·d^-1作为第二相的启动负荷，再该负荷下停留20天，每天取适量体积的餐厨垃圾、酵母活化液、回流的沼液、去离子水混合得到混合物作为进料，且将第一相的出料作为第二相的进料，回流的沼液来自于第二相的出料且其体积约为第二相的出料体积的2/5，第一相和第二相的进出料体积均为400ml。每隔一个水力停留时间，增加一个有机负荷，即第20-40天的系统有机负荷为3.0g-vs·l^-1·d^-1，第40-60天的系统有机负荷为4.0g-vs·l^-1·d^-1，第60-80天的系统有机负荷为5.0g-vs·l^-1·d^-1，当继续提高有机负荷至6.0g-vs·l^-1·d^-1时，考虑到系统稳定性，该负荷下的保持时间为50天。在有机负荷为2、3、4、5、6g-vs·l^-1·d^-1时，该系统能够保持稳定，此时平均甲烷产率分别为500、451、468、412、365ml·g-vs^-1。随后继续提高负荷至6.5g-vs·l^-1·d^-1时，该系统的甲烷产量快速下降，并在第150天基本停止产气，如图1所示。

实施例2

使用与实施例1相同的两相半连续厌氧消化系统，使用与实施例1相同的沼液上清液回流方式(图2(a))，与实施例1不同的是整个系统仅在2.0g-vs·l^-1·d^-1的负荷下运行25天，观察系统第一相的ph以及vfa等物质浓度的变化情况，可以发现：该系统第一相的ph值始终保持稳定上升，回流前为4.5左右，回流后为5.5左右，第一相的乙醇浓度保持在15g·l^-1以上，乙酸、丙酸、丁酸和戊酸合计(tvfa)浓度在7～8g·l^-1,如图2所示。

比较例1

使用与实施例1相同的两相半连续厌氧消化系统，与实施例1不同的是无沼液回流处理方式，第一相的进料仅包含餐厨垃圾底物、酵母活化液和蒸馏水。在有机负荷为2、3、4、5g-vs·l^-1·d^-1时，该系统能够保持稳定，此时平均甲烷产率分别为490、460、465、398ml·g-vs^-1。随后继续提高负荷至6g-vs·l^-1·d^-1时，该系统的甲烷产量逐渐下降，并在第120天不再产气，该负荷下平均单位甲烷产率为264ml·g-vs^-1，如图1所示。

比较例2

使用与实施例1相同的两相半连续厌氧消化系统，与实施例1不同的是(1)第一相为产酸相，第一相的进料中不包含酵母活化液；(2)第一相水力停留时间为8天；(3)第一相的反应器体积为3.2l。在此条件下，在有机负荷为2、3、4、5g-vs·l^-1·d^-1时，该系统能够保持稳定，此时平均甲烷产率分别为467、475、460、392ml·g-vs^-1。随后继续提高负荷至6g-vs·l^-1·d^-1时，该系统的甲烷产量逐渐下降，并在第127天不再产气，该负荷下平均单位甲烷产率为283ml·g-vs^-1，如图1所示。

比较例3

使用与实施例1相同的两相半连续厌氧消化系统，与实施例1不同的是(1)第一相为产酸相，第一相的进料中不包含酵母活化液；(2)第一相水力停留时间为8天；(3)第一相的反应器体积为3.2l；(4)无沼液回流处理方式，第一相的进料中不包含回流的沼液。在此条件下，在有机负荷为2、3、4、5g-vs·l^-1·d^-1时，该系统能够保持稳定，此时平均甲烷产率分别为496、444、417、363ml·g-vs^-1。随后继续提高负荷至6g-vs·l^-1·d^-1时，该系统的甲烷产量逐渐下降，并在第105天不再产气，该负荷下平均单位甲烷产率为199ml·g-vs^-1，如图1所示。

比较例4

使用与实施例2相同的两相半连续厌氧消化系统，与实施例2不同的是回流的沼液不经过离心处理，而是将沼液直接回流。可以发现：该系统第一相的ph逐步上升并最终稳定在了6.5附近，其中的乙醇浓度从19g·l^-1逐渐下降在2g·l^-1以下，tvfa浓度也一直保持在2～3g·l^-1以下，如图2所示。沼液不离心直接回流(如图2(b))会使沼液中的固体物质将会在第一相中残留和累积，这将影响反应相中本身的微生物与底物的接触而使得其tvfa浓度和乙醇浓度均较低。

比较例5

使用与实施例2相同的两相半连续厌氧消化系统，与实施例2不同的是第一相不进行沼液回流(如图2(c))。可以发现：该系统第一相的ph从4.5附近逐步下降至3.5左右，第一相的乙醇浓度变化不大在6g·l^-1附近，tvfa浓度保持在10g·l^-1附近，如图2所示。

实验结果对比分析：

与比较例相比，本发明所采用的沼液上清液回流方式更加有效可行，既能调节第一相的ph保持在适宜范围，促进了底物水解，保持其较高的乙醇浓度，还提高了系统的碱度，保证了系统的稳定性，进而可以将有机负荷从5g-vs·l^-1·d^-1提升到6g-vs·l^-1·d^-1，系统的甲烷产率从199ml·g-vs^-1提高到了365ml·g-vs^-1。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。