一种定向强化微生物用于提高湿垃圾产乙酸的方法

本发明涉及环保，尤其是指一种定向强化微生物用于提高湿垃圾产乙酸的方法。

背景技术：

1、随着工业化和城市化的快速发展，富含碳水化合物的湿垃圾的产量呈逐年上升趋势。湿垃圾的不当处理将会威胁人类健康和生态安全，其资源化处理已成为世界关注热点。厌氧发酵是一种将湿垃圾资源化利用转化为高附加值产物(如乙酸)的可持续处理方法。乙酸作为重要的化学产品，在药品制造、织物印染和橡胶工业中都有广泛用途。预计2025年乙酸全球市场规模将超过2000万吨，乙酸价格将达1600美元/吨。因此，对湿垃圾进行厌氧发酵合成乙酸是实现其资源化利用的重要途径。

2、由于湿垃圾含有大量难降解碳水生物质(如纤维素和木质素等)，因此增溶和水解成为影响厌氧发酵产酸效能的主要限速步骤。尽管现有处理方法(例如微博、水热、电催化等)可强化湿垃圾增溶和水解效能，但是仍面临处理成本较高、处理过程复杂以及二次环境污染等难题。基于硫酸根自由基的高级氧化技术在难降解生物质处理方面受到广泛关注，其中亚硫酸盐由于成本低廉、环境风险低等特点，相比传统过硫酸盐和过氧单硫酸盐具有显著优势。因此，通过在湿垃圾厌氧发酵系统中投加亚硫酸盐，预期可强化增溶水解过程。然而，目前尚不清楚亚硫酸盐氧化可以增强乙酸的生物合成。

3、同时，以产乙酸功能微生物为主导的厌氧发酵产乙酸过程是一个复杂的动态平衡过程，因此亟需对每个环节进行实时检测和反馈，以确保系统的高效稳定运行。然而，目前很多手段仅专注于处理技术的优化升级，缺乏对湿垃圾厌氧发酵产乙酸过程的实时监控及反馈机制的研究，特别在关键工艺参数选取以及实时反馈调控上，存在参数不合理、控制精度不高等问题。

技术实现思路

1、为解决以上所述技术问题，本发明提供了一种定向强化微生物用于提高湿垃圾产乙酸的方法。本发明利用亚硫酸盐和超声处理湿垃圾，并通过实时监控反馈系统严格控制厌氧发酵发酵时亚硫酸盐投加量、超声强度及功率和反应过程ph值，从而富集功能微生物，定向提升乙酸产量。

2、本发明的目的在于提供一种定向强化微生物用于提高湿垃圾产乙酸的方法，包括以下步骤：

3、s1：将湿垃圾加入反应器主体(10)，通过亚硫酸盐加药罐(1)和电动阀(6)向反应器主体投加亚硫酸盐；

4、s2：根据亚硫酸盐检测器(9)检测反应器主体中亚硫酸盐浓度，根据亚硫酸盐浓度利用超声处理装置(2)增强亚硫酸盐活化效果；

5、s3：通过储碱池(3)和电动阀(7)调节反应器主体中厌氧发酵反应的条件；

6、s4：通过气相色谱仪(5)实时检测反应器出水上清液中有机酸含量，并计算乙酸占比；通过ph检测器(8)检测反应器主体ph值，，并利用储碱池(3)进行调节；

7、s5：根据乙酸占比，利用实时反馈调控亚硫酸盐加药罐(1)和超声处理装置(2)，控制乙酸占比不低于60％；根据亚硫酸盐检测器(9)检测反应器主体亚硫酸盐浓度，根据检测浓度利用超声处理装置(2)增强亚硫酸盐活化效果，反应结束，关闭超声处理装置(2)；检测乙酸的含量。

8、在本发明的一个实施例中，本发明在反应器运行初始阶段投加15wt％污水厂活性污泥作为发酵种泥，驯化产酸功能微生物。当反应器稳定运行后，无需投加任何微生物。封闭反应器保持厌氧状态，让湿垃圾自行发酵，只需调控亚硫酸盐、超声以及ph即可。

9、在本发明的一个实施例中，本发明所述定向强化微生物用于提高湿垃圾产乙酸的反应装置如下：

10、所述反应装置包括反应器主体(10)亚硫酸盐加药罐(1)、超声处理装置(2)、储碱池(3)、计算机(4)、实时气相色谱仪(5)、电动阀(6)、电动阀(7)、ph检测器(8)和亚硫酸盐检测器(9)；

11、所述亚硫酸盐加药罐(1)和储碱池(3)分别通过电动阀(6)和电动阀(7)与反应器主体的进水口相连；所述超声处理装置(2)均匀排布于反应器主体的底部；所述实时气相色谱仪(5)检测反应器主体的出水口上清液；所述ph检测器(8)检测反应器主体的ph；所述ph检测器(9)检测反应器主体的亚硫酸盐浓度；

12、所述计算机(4)分别连接超声处理装置(2)、实时气相色谱仪(5)、电动阀(6)、电动阀(7)、ph检测器(8)和亚硫酸盐检测器(9)。

13、在本发明的一个实施例中，步骤s1中，所述湿垃圾的总悬浮固体浓度为40-60g/l。

14、在本发明的一个实施例中，步骤s1中，所述亚硫酸盐的投加量为50-150mg/g tss。

15、在本发明的一个实施例中，步骤s2中，根据亚硫酸盐浓度利用超声处理装置(2)增强亚硫酸盐活化效果的方法：当亚硫酸盐浓度大于50mg/g tss时，超声功率为0.3-0.5kw，超声频率为40-60khz；当亚硫酸盐浓度在10-50mg/g tss时，超声功率为0.1-0.3kw，超声频率为20-40khz；当亚硫酸盐浓度小于10mg/g tss时，停止超声处理。

16、在本发明的一个实施例中，所述亚硫酸盐选自亚硫酸钠和\或亚硫酸钾。

17、在本发明的一个实施例中，步骤s3中，所述厌氧发酵反应的条件：ph值为8.0-11.0，发酵时间为6-10天，发酵温度为25-45℃。

18、在本发明的一个实施例中，步骤s4中，所述有机酸包括乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸和异戊酸中的一种或多种；和\或，乙酸占比是指乙酸与有机酸的总含量的比值。

19、在本发明的一个实施例中，步骤s4中，检测ph值稳定，是为了调控厌氧反应的适宜条件，保证发酵的高效进行。

20、在本发明的一个实施例中，步骤s5中，根据检测浓度利用超声处理装置(2)增强亚硫酸盐活化效果的方法：

21、当亚硫酸盐浓度大于50mg/g tss时，超声功率为0.3-0.5kw，超声频率为40-60khz；当亚硫酸盐浓度在10-50mg/g tss时，超声功率为0.1-0.3kw，超声频率为20-40khz；当亚硫酸盐浓度小于10mg/g tss时。

22、在本发明的一个实施例中，步骤s5中，根据乙酸占比，利用实时反馈调控亚硫酸盐加药罐(1)和超声处理装置(2)，控制乙酸占比不低于60wt％的具体方法：当乙酸的占比低于60wt％时，补充亚硫酸盐，所述亚硫酸盐的投加量为25-75mg/g tss。

23、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

24、(1)相比常规湿垃圾厌氧发酵，本方法可实现乙酸产量提升2～4倍，乙酸占比提升2～3倍，在长期连续运行中均可定向保持高乙酸产率，具有操作简便及乙酸产量增幅效果显著等优点。

25、(2)超声可以促进亚硫酸盐的分解以及在湿垃圾中的扩散，产生的亚硫酸盐自由基以及羟基自由基可以最大限度的接触湿垃圾，从而加速对难降解碳水生物质的水解增溶效能，最终促进了乙酸和挥发性脂肪酸的生成。超声显著促进了亚硫酸盐的活化过程，同时超声功率和频率与亚硫酸盐浓度相匹配，增强了其对难降解碳水生物质的水解增溶效能，最终促进了乙酸和挥发性脂肪酸的生成。

26、(3)亚硫酸盐的存在显著富集了功能微生物，特别是亚硫酸盐还原菌，其被发现可以将丙酸和丁酸转化为乙酸，提升了乙酸的产量和比率。

27、(4)亚硫酸盐的氧化能力抑制了产甲烷菌等耗乙酸微生物的丰度及活性，减少了乙酸在发酵过程中的消耗，进一步提高了乙酸的产量。

28、(5)本发明可实时根据乙酸的产量和比率进行反馈调控，不仅保障了系统的高效稳定运行，也减少了亚硫酸盐投加量以及超声处理装置的电能消耗。