本发明涉及一种酶法提取餐厨固渣中碳源的方法，属于餐厨垃圾资源化利用技术领域。
背景技术：
我国餐厨垃圾产生量约占城市生活垃圾的37％～62％，增长速度和占生活垃圾的比例逐年增加，对生态系统和环境造成多方面的危害。餐厨垃圾经分拣、破碎、高温蒸煮制浆，再由三相分离机将其分离为粗油脂、餐厨浓浆和餐厨固渣。其中餐厨固渣含有丰富的碳水化合物，且基本不含油脂和盐分。一方面，其组成特征导致其极易发生腐烂，会对环境造成恶劣的影响。另一方面，餐厨固渣中含有丰富的有机质，有很高的资源回收和利用价值。在当今能源、资源紧缺的现状下，餐厨垃圾的回收利用可以有效缓解这些问题，并取得良好的经济效益。
目前，餐厨垃圾处理的主要技术有好氧生物降解、饲料化和高温堆肥、厌氧消化和制取生物柴油。这些处理技术都存在一些缺陷，其中厌氧发酵被认为是目前最有效的处理工艺，但也存在系统稳定性差、沼渣沼液难处理和产生有毒有害物质等问题。经过三相分离的餐厨固渣，目前主要是通过厌氧消化技术将丰富的有机质生物转化为沼气能源，但是由于餐厨固渣蛋白质含量高，经过厌氧处理后沼液中氨氮浓度很高，沼液脱氮技术难度大并、处理成本高并且会对环境产生严重的危害，已经成为餐厨垃圾处理过程中的一大难题。因此，迫切需要开辟餐厨垃圾处理和资源化的新途径。
技术实现要素：
为了解决上述至少一个问题，本发明提供了餐厨垃圾资源化的一种新途径，可以直接分离回收餐厨中有机质并实现餐厨垃圾减量化。
本发明利用复合淀粉酶水解餐厨固渣获得提取液，分离回收固渣碳源。目前，生活污水中可利用碳源的不足严重制约了氮的有效去除，通常需要外加碳源来提高脱氮效率，但是，投加商用碳源增加了污水处理厂的运行成本。本发明获取的碳源提取液可用于城市污水处理厂作为生物脱氮所需的碳源，节省了污水处理厂的运行成本。
本发明的第一个目的是提供一种酶法提取餐厨固渣中碳源的方法，包括如下步骤：
(1)将餐厨固渣进行预处理，得到预处理之后的餐厨固渣；
(2)调节预处理之后的餐厨固渣的ph，得到处理后的餐厨固渣；
(3)将复合淀粉酶加入到步骤(2)处理后的餐厨固渣中，进行酶解反应，反应结束之后将复合淀粉酶灭活，得到混合物；其中所述的复合淀粉酶为中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶；
(4)将步骤(3)的混合物进行固液分离，得到上清液，即为复合淀粉酶酶解餐厨固渣的碳源提取液。
本发明的方法获得的碳源提取液主要为碳水化合物。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述调节ph为：用6mol/l的naoh调节ph至5.0-7.0。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述调节ph为：用6mol/l的naoh调节ph至6.0。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比为2-6：1。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述复合淀粉酶(中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的总和)的添加量为0.4％-1％(e:s)，这里的％指的是复合淀粉酶与步骤(2)处理后的餐厨固渣干重的质量比。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比为3：1，复合淀粉酶(中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的总和)的添加量为0.8％(e:s)，这里的％指的是复合淀粉酶与步骤(2)处理后的餐厨固渣干重的质量比。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的预处理包括灭菌、破碎、调整含水率。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的预处理还可以包括糊化。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的糊化为：将含水率为75-80％的餐厨固渣置于恒温振荡摇床，在温度55-60℃、转速150-180r/min的条件下振荡60-90min。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述灭菌是为了杀灭餐厨垃圾含有的沙门氏菌、结核杆菌等有强烈感染性的致病菌，破碎是为了使餐厨固渣的颗粒变小，使其能够与酶充分结合，提高酶解效率，节约酶解时间。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述调节含水率是通过向餐厨固渣中添加水的方式调节含水率为75-80％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述酶解反应条件为：在温度为55-60℃、转速150-180r/min的条件下反应12-16h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述将复合淀粉酶灭活具体为：酶解反应完成，将反应物置于90℃水浴锅中15-20min，将复合淀粉酶灭活。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述固液分离具体为：灭活后，在转速为5000-6000r/min条件下离心10-15分钟，分离上清液和沉淀，上清液即为复合淀粉酶酶解餐厨固渣的碳源提取液。
在本发明的一种实施方式中，所述的餐厨固渣为取自张家港某公司的餐厨垃圾经过机械分拣、制浆、三相分离等预处理后的固体残渣(经过了除油处理)。
在本发明的一种实施方式中，提取过程中所用的化学药剂均为分析纯；所使用的中温α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶购买于酷尔化学科技(北京)有限公司；中温α-淀粉酶提取自枯草芽孢杆菌，适用ph为4-6，适用温度为50-60℃，酶活为4u/mg；淀粉葡萄糖苷酶提取自黑曲霉，适用ph为3.5-5，适用温度为50-60℃，酶活为100u/mg。
本发明的第二个目的是本发明所述的酶法提取餐厨固渣中碳源的方法得到的碳源提取液。
本发明的第三个目的是本发明的碳源提取液在污水处理中的应用。
污水厂进水碳氮比较低，导致现有活性污泥系统对总氮的去除不完全，进而影响出水总氮的达标。目前，大部分污水厂选择外加碳源来补充污水中缺少的碳源。
在本发明的一种实施方式中，所述的应用具体为：将本发明获得的碳源提取液作为城市污水处理厂反硝化生物滤池(dnbf)的外加碳源，提升反硝化生物滤池(dnbf)的深度脱氮效果。
本发明的有益效果：
(1)本发明中餐厨固渣碳源提取率可以高达80％，餐厨固渣总体积可以减少约1/3。
(2)本发明为餐厨垃圾的处理、处置开辟了新的资源化途径，同时还能缓和碳源市场供不应求的现状。淀粉酶酶解餐厨固渣获取的碳源提取液主要由小分子的低聚糖和还原糖组成，可作为碳源或者进一步发酵回收乙醇。小分子的糖类不易再次聚沉析出，大大提高了酶解液的稳定性，使其便于保存。
(3)本发明可以实现餐厨垃圾减量化处理。淀粉酶催化水解餐厨固渣，定向地将固相中的淀粉等大分子糖类转化可溶于水的小分子糖，使餐厨固渣的体积减少，在分离回收餐厨中有机质的同时，也使得餐厨垃圾减量化。
附图说明
图1为实施例1的工艺流程图。
图2为实施例1中复合淀粉酶酶解前后固渣粒径变化。
图3为实施例1中复合淀粉酶酶解前后固渣组分变化。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
所有实施例中碳源的提取率是通过碳水化合物的提取率来表征的。
碳水化合物的测定：苯酚-硫酸法gb/t15672-2009。
还原糖的测定：3,5－二硝基水杨酸法(dns)ny/t2742-2015。
粗蛋白的测定：凯氏定氮法gb/t6432-2018。
粗脂肪的测定：索氏抽提法gb5009.6-2016。
蛋白质含量的测定：lowry法(folin-酚法)gb/t21870-2008。
toc的测定：在线toc仪测定法及仪器分析法gb/t32116-2015。
餐厨颗粒粒径的测定：激光衍射法gb/t19077.1-2003。
总固体(ts)与总挥发性固体(vs)的测定：烘干恒重法hj613-2011。
分子量及其分布的测定：凝胶色谱法gb/t31816-2015。
实施例1
分析餐厨固渣原料(取自张家港某公司的餐厨垃圾经过机械分拣、制浆、三相分离等预处理后的固体残渣)成分组成，固渣主要由粗蛋白、碳水化合物、粗脂肪及其它杂质组成，其它杂质主要为粗纤维，具体如下表1：
表1餐厨主要组成成分(g/100g干重)
一种酶法提取餐厨固渣中碳源的方法(如图1所示)，包括如下步骤：
(1)预处理：取餐厨固渣原料放入研钵研磨约5min，经研磨破碎后餐厨固渣平均粒径约为99.19μm；再将破碎后的固渣放入锥形瓶，用封口膜密封，置于120℃高温灭菌锅中灭菌20min，得到灭菌的餐厨固渣；
(2)调节餐厨固渣含水率：称取20g步骤(1)得到的灭菌的餐厨固渣，其含水率为73％，加入7ml水搅拌混合均匀，调节含水率至80％，得到含水率为80％的餐厨固渣；
(3)糊化：将步骤(2)得到的含水率为80％的餐厨固渣置于恒温振荡摇床中，在温度60℃、转速150r/min条件下振荡60min；
(4)调节ph：将餐厨固渣从摇床中取出，稍冷却后，用6mol/l的naoh调节ph至6.0，得到处理好的餐厨固渣；
(5)加入复合淀粉酶：用天平称取0.0276g中温α-淀粉酶和0.0092g淀粉葡萄糖苷酶加入到步骤(4)得到的处理好的餐厨固渣中，轻微振荡摇匀，防止复合淀粉酶粘附在瓶壁上；
(6)酶解反应：将步骤(5)得到的加入复合淀粉酶的餐厨固渣放到恒温振荡摇床中，在温度为60℃、转速150r/min条件下反应16h；
(7)复合淀粉酶灭活：酶解反应完成，将反应物置于90℃水浴锅中15min，将复合淀粉酶灭活；
(8)固液分离：复合淀粉酶灭活后，在转速为5000r/min条件下离心10分钟，分离上清液和沉淀，上清液即为复合淀粉酶酶解餐厨固渣的碳源提取液。
将得到的碳源提取液进行性能测试，测试结果为：碳水化合物浓度和还原糖浓度分别为66±3g/l和23±1g/l(具体如图3所示)，其餐厨固渣碳源提取率约为80％。经过复合淀粉酶水解后餐厨固渣总体积减少了约1/3。餐厨固渣颗粒在复合淀粉酶酶解过程中结构被破坏，粒径变小，从平均粒径为99.19μm减小为10.43μm，有助于进一步降解处理，具体如图2所示，而且酶解之后二糖的含量达到62.34％，二糖分子量更小，碳源提取液不容易发生聚沉，稳定性好，更易保存。
实施例2酶的比例的优化
调整实施例1的中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比为表2所示，其他参数与实施例1保持一致，得到碳源提取液。将得到的碳源提取液进行性能测试，测试结果如表2所示：
表2不同的中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比得到的碳源提取液的性能测试
实施例3ph的优化
调整实施例1的ph为表3所示，其他参数与实施例1保持一致，得到碳源提取液。将得到的碳源提取液进行性能测试，测试结果如表3所示：
表3不同的ph得到的碳源提取液的性能测试
实施例4
将复合淀粉酶总添加量调整为步骤(2)处理后的餐厨固渣干重的质量比的0.4％(e:s)，其他条件或者参数与实施例1一致，得到碳源提取液。
将得到的碳源提取液进行性能测试，测试结果如下：碳水化合物浓度和还原糖浓度分别为57±2g/l和20±1g/l，其餐厨固渣碳源提取率约为69％。经过淀粉酶水解后餐厨固渣总体积减少了约27％。餐厨固渣颗粒的平均粒径为99.19μm减小为14.11μm。
实施例5
将复合淀粉酶总添加量调整为步骤(2)处理后的餐厨固渣干重的质量比的1.0％(e:s)，其他条件或者参数与实施例1一致，得到碳源提取液。
将得到的碳源提取液进行性能测试，测试结果如下：碳水化合物浓度和还原糖浓度分别为70±2g/l和23±1g/l，其餐厨固渣碳源提取率约为85％。经过淀粉酶水解后餐厨固渣总体积减少了约36％。餐厨固渣颗粒的平均粒径为99.19μm减小为10.10μm。
实施例6省略糊化的步骤
省略实施例1的糊化步骤，其他参数与实施例1保持一致，得到碳源提取液。
将得到的碳源提取液进行性能测试，测试结果如下：碳水化合物浓度和还原糖浓度分别为52±2g/l和19±1g/l，其餐厨固渣碳源提取率约为63％。经过淀粉酶水解后餐厨固渣总体积减少了约25％。餐厨固渣颗粒的平均粒径为99.19μm减小为18.51μm。
对照例1酶的选择
调整实施例1的复合淀粉酶为表4所示，其他参数与实施例1保持一致，得到碳源提取液。将得到的碳源提取液进行性能测试，测试结果如表4所示：
表4不同的酶得到的碳源提取液的性能测试
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。