CN102367456B - 木聚糖酶预处理有机生活垃圾进行厌氧发酵的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种木聚糖酶预处理有机生活垃圾进行厌氧发酵的方法，通过向有机生活垃圾中加入水解液、木聚糖酶，并恒温预处理；再加入接种物、沼液，将其密封进行厌氧发酵，即可收集沼气。采用该方法，有机生活垃圾在进行常规厌氧发酵前，先经过木聚糖酶预处理，累积产气和累积产甲烷均有所提高，原料利用率也明显提高，能明显改善厌氧发酵过程中水解酸化阶段的限制性作用，从而有效解决常规厌氧发酵存在发酵速率滞后，效率不高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种木聚糖酶预处理有机生活垃圾进行厌氧发酵的方法，属于废弃物处理和再利用技术领域。
背景技术
有机生活垃圾目前同其他生活垃圾一样有填埋、焚烧、堆肥、资源化四种方式，经过多年的实践经验可知，资源化（厌氧发酵）明显优于其他方式。因此若能做好生活垃圾的源头分类，则将富含有机质的生活垃圾采用资源化技术处理将是一个良好的发展方向。
有机生活垃圾中纤维素类物质含量非常丰富，主要包括纤维素、半纤维素和木质素三大类。其中半纤维素又包括木聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖等。木聚糖是植物纤维中半纤维素的主要成分，由木糖经β-1，4糖苷键连接而成，含有85～89%的D-木糖残基，少量L-阿拉伯糖残基及微量的葡萄糖醛酸残基。半纤维素像一种填充在纤维素框架中的填充料，存在在纤维素之间，由于半纤维素和纤维素交杂在一起，所以只有当纤维素也被水解时，半纤维素才能全部水解。而纤维素分子具有牢固的结晶构造，酶分子和水分子难以侵入到内部中。因而纤维素类物质的降解难度较大。
有研究表明水解酸化阶段是纤维素类物质含量高的一类有机废物厌氧发酵的限速阶段。而木聚糖酶包括催化区（CD）、纤维素结合区（CBD）、木聚糖结合区（XBD）、热稳定区和纤维素小体联合区等。CBD不仅存在于纤维素酶分子中，也存在于木聚糖酶分子中，而且两者的功能和氨基酸组成上相似。孙君社（酶与酶工程及其应用[M].北京：化学工业出版社，2006.4）指出在沼气生产中加入具有水解作用的酶，可将沼气的产量提高25%。Rowena T等（Rowena T.Romano,Ruihong Zhang,Sarah Teter,et al.The effect of enzyme addition on anaerobic digestion of Jose Toll Wheat Grass[J].Bioresource Technology,2009,100:4564-4571）在麦秆厌氧发酵过程中添加纤维素酶、半纤维素酶和β-葡萄糖苷酶，结果表明：沼气产率从0.35L/gVS增加到0.53L/gVS，甲烷产率也从0.15L/gVS增加到了0.29L/gVS。李建昌（申请号：200810058257.7）淀粉酶前处理应用于猪粪沼气发酵的方法，指出淀粉酶在猪粪沼气发酵前处理后，猪粪的TS，VS降解率、最大容积产气率、累积产气量及原料产气潜力与对照组相比有明显提高。但是目前对木聚糖酶的研究只停留在对木聚糖水解机理的研究，或在发酵过程中添加水解酶的方法上。而传统有机生活垃圾厌氧发酵也并没有利用酶对其进行预处理而是直接密封发酵，存在原料利用率低，发酵周期滞后等问题。因而若将木聚糖酶作为添加剂用于有机生活垃圾厌氧发酵的预处理中，将能有效促进纤维素类有机物的分解，消除水解酸化对整个发酵过程的限制，提高原料利用率等。
发明内容
本发明的目的在于利用木聚糖酶预处理有机生活垃圾后再用于厌氧发酵的方法，扬弃现有技术中在厌氧发酵过程中添加水解酶的方法，而是结合木聚糖酶的最佳水解条件，提出一种木聚糖酶预处理应用于有机生活垃圾厌氧发酵的方法。
本发明通过下列技术方案实现：一种木聚糖酶预处理有机生活垃圾进行厌氧发酵的方法，经过下列各步骤：
（1）取有机生活垃圾；
（2）向步骤（1）的有机生活垃圾中加入水解液，使其挥发性固体质量浓度为10～14%；按每克有机生活垃圾的挥发性固体量加入15～20万U木聚糖酶的添加量，再加入木聚糖酶于有机生活垃圾中，并于50～70℃下恒温预处理8～20h；
（3）按有机生活垃圾与接种物的挥发性固体含量的比为2～2.5︰1，在步骤（2）所得预处理后的有机生活垃圾中加入接种物，同时加入水或者沼液，使其成为发酵浓度为4～8%的混合物，再将其密封，置于34～36℃下进行厌氧发酵，即可收集沼气。
所述有机生活垃圾为生活垃圾经人工分选后再经烘干后粉碎的有机垃圾。
所述步骤（2）中的水解液是：当pH为3.6～5.8时，是由醋酸-醋酸钠配制而成的缓冲溶液；当pH为5.8～8.0时，是由磷酸氢二钠-磷酸二氢钠配制而成的缓冲溶液；或者，当pH为7时，以蒸馏水作为水解液。
所述水解液优选pH为5.6和7的水解液。
所述步骤（3）中的有机生活垃圾与接种物的挥发性固体含量的比优选2.5︰1。
所述步骤（3）中的发酵浓度是指有机生活垃圾和接种物的挥发性固体占混合物的质量百分比。
所述发酵浓度优选6%。
所述步骤（3）中的接种物为厌氧活性污泥。
对厌氧发酵的效果测定是从第二天开始，每天进行准时测定所产沼气量以及其中二氧化碳和甲烷的含量。
本发明结果表明：
（1）有机生活垃圾在进行常规厌氧发酵前，先经过木聚糖酶预处理，其累积产气量、累积产甲烷量、日产气速率、日产甲烷速率、原料产气潜力、原料产甲烷潜力等指标均明显高于现有技术中不进行预处理的情况；这是由于有机生活垃圾经过木聚糖酶预处理后，纤维素类物质被大量水解生成葡萄糖等小分子有机物，容易被微生物利用，从而大大提高了沼气产率；
（2）有机生活垃圾在厌氧发酵的第2天，均得到了较高的产气量，随后产气速率主要经历四个阶段：缓慢产气期、产气指数增长期、稳定产气期和产气衰竭期；
（3）有机生活垃圾在厌氧发酵的第2天，均得到了较高的产甲烷量，从发酵的第2天开始，其甲烷含量随着发酵的进行呈先下降后缓慢增长到稳定的趋势，稳定时甲烷含量基本保持在60%以上；
（4）有机生活垃圾在进行常规厌氧发酵前，先经过木聚糖酶预处理，累积产气和累积产甲烷均有所提高，原料利用率也明显提高，能明显改善厌氧发酵过程中水解酸化阶段的限制性作用，从而有效解决常规厌氧发酵存在发酵速率滞后，效率不高等问题。
具体实施方式
下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
（1）取经人工分选后再经烘干后粉碎的有机生活垃圾，其挥发性固体含量为83.66%；
（2）向步骤（1）的有机生活垃圾中加入由磷酸氢二钠-磷酸二氢钠配制而成的pH为7的水解液，使其挥发性固体质量浓度为10%；按每克有机生活垃圾的挥发性固体量加入15万U木聚糖酶的添加量，再加入木聚糖酶于有机生活垃圾中，并于50℃下恒温预处理12h；
（3）按有机生活垃圾与厌氧活性污泥的挥发性固体含量的比为2.5︰1，在步骤（2）所得预处理后的有机生活垃圾中加入厌氧活性污泥，其挥发性固体含量为7.11%；同时加入水或者沼液，使其成为发酵浓度（有机生活垃圾和接种物的挥发性固体占混合物的质量百分比）为8%的混合物，再将其密封，置于36℃下进行厌氧发酵，即可收集沼气。
实施例2
（1）取经人工分选后再经烘干后粉碎的有机生活垃圾，其挥发性固体含量为85.32%；
（2）向步骤（1）的有机生活垃圾中加入以蒸馏水作为pH为7的水解液，使其挥发性固体质量浓度为12%；按每克有机生活垃圾的挥发性固体量加入20万U木聚糖酶的添加量，再加入木聚糖酶于有机生活垃圾中，并于60℃下恒温预处理8h；
（3）按有机生活垃圾与厌氧活性污泥的挥发性固体含量的比为2.5︰1，在步骤（2）所得预处理后的有机生活垃圾中加入厌氧活性污泥，其挥发性固体含量为8.14%；同时加入水或者沼液，使其成为发酵浓度（有机生活垃圾和接种物的挥发性固体占混合物的质量百分比）为6%的混合物，再将其密封，置于34℃下进行厌氧发酵，即可收集沼气。
实施例3
（1）取经人工分选后再经烘干后粉碎的有机生活垃圾，其挥发性固体含量为81.12%；
（2）向步骤（1）的有机生活垃圾中加入由醋酸-醋酸钠配制而成的pH为5.6的水解液，使其挥发性固体质量浓度为14%；按每克有机生活垃圾的挥发性固体量加入16万U木聚糖酶的添加量，再加入木聚糖酶于有机生活垃圾中，并于70℃下恒温预处理20h；
（3）按有机生活垃圾与厌氧活性污泥的挥发性固体含量的比为2︰1，在步骤（2）所得预处理后的有机生活垃圾中加入厌氧活性污泥，其挥发性固体含量为6.92%；同时加入水或者沼液，使其成为发酵浓度（有机生活垃圾和接种物的挥发性固体占混合物的质量百分比）为4%的混合物，再将其密封，置于35℃下进行厌氧发酵，即可收集沼气。
实施例4
（1）取经人工分选后再经烘干后粉碎的有机生活垃圾，其挥发性固体含量为85.14%；
（2）向步骤（1）的有机生活垃圾中加入由磷酸氢二钠-磷酸二氢钠配制而成的pH为5.8的水解液，使其挥发性固体质量浓度为11%；按每克有机生活垃圾的挥发性固体量加入17万U木聚糖酶的添加量，再加入木聚糖酶于有机生活垃圾中，并于55℃下恒温预处理10h；
（3）按有机生活垃圾与厌氧活性污泥的挥发性固体含量的比为2.3︰1，在步骤（2）所得预处理后的有机生活垃圾中加入厌氧活性污泥，其挥发性固体含量为6.58%；同时加入水或者沼液，使其成为发酵浓度（有机生活垃圾和接种物的挥发性固体占混合物的质量百分比）为5%的混合物，再将其密封，置于36℃下进行厌氧发酵，即可收集沼气。
实施例5
（1）取经人工分选后再经烘干后粉碎的有机生活垃圾，其挥发性固体含量为80.47%；
（2）向步骤（1）的有机生活垃圾中加入由醋酸-醋酸钠配制而成的pH为5.8的水解液，使其挥发性固体质量浓度为13%；按每克有机生活垃圾的挥发性固体量加入18万U木聚糖酶的添加量，再加入木聚糖酶于有机生活垃圾中，并于65℃下恒温预处理15h；
（3）按有机生活垃圾与厌氧活性污泥的挥发性固体含量的比为2.5︰1，在步骤（2）所得预处理后的有机生活垃圾中加入厌氧活性污泥，其挥发性固体含量为8.03%；同时加入水或者沼液，使其成为发酵浓度（有机生活垃圾和接种物的挥发性固体占混合物的质量百分比）为7%的混合物，再将其密封，置于34℃下进行厌氧发酵，即可收集沼气。
实施例6
（1）取经人工分选后再经烘干后粉碎的有机生活垃圾，其挥发性固体含量为79.45%；
（2）向步骤（1）的有机生活垃圾中加入由醋酸-醋酸钠配制而成的pH为3.6的水解液，使其挥发性固体质量浓度为14%；按每克有机生活垃圾的挥发性固体量加入15万U木聚糖酶的添加量，再加入木聚糖酶于有机生活垃圾中，并于70℃下恒温预处理18h；
（3）按有机生活垃圾与厌氧活性污泥的挥发性固体含量的比为2︰1，在步骤（2）所得预处理后的有机生活垃圾中加入厌氧活性污泥，其挥发性固体含量为6.98%；同时加入水或者沼液，使其成为发酵浓度（有机生活垃圾和接种物的挥发性固体占混合物的质量百分比）为4%的混合物，再将其密封，置于35℃下进行厌氧发酵，即可收集沼气。
实施例7
（1）取经人工分选后再经烘干后粉碎的有机生活垃圾，其挥发性固体含量为82.89%；
（2）向步骤（1）的有机生活垃圾中加入由磷酸氢二钠-磷酸二氢钠配制而成的pH为8.0的水解液，使其挥发性固体质量浓度为14%；按每克有机生活垃圾的挥发性固体量加入20万U木聚糖酶的添加量，再加入木聚糖酶于有机生活垃圾中，并于50℃下恒温预处理20h；
（3）按有机生活垃圾与厌氧活性污泥的挥发性固体含量的比为2︰1，在步骤（2）所得预处理后的有机生活垃圾中加入厌氧活性污泥，其挥发性固体含量为7.16%；同时加入水或者沼液，使其成为发酵浓度（有机生活垃圾和接种物的挥发性固体占混合物的质量百分比）为8%的混合物，再将其密封，置于36℃下进行厌氧发酵，即可收集沼气。
以上各实施例对厌氧发酵的效果测定均是从第二天开始，共进行了42天，每天进行准时测定所产沼气量以及其中二氧化碳和甲烷的含量。有机生活垃圾在厌氧发酵的第2天，均得到了较高的产气量，随后产气速率主要经历四个阶段：缓慢产气期、产气指数增长期、稳定产气期和产气衰竭期。在发酵过程中甲烷含量与日产气量的变化截然不同：在产气第一天有较高的甲烷含量，随后在缓慢产气期，甲烷含量较低，为10～30%，而进入产气高峰期后，甲烷含量增至60%以上。
同时，经过木聚糖酶预处理后再进行中温厌氧发酵日产气量远远大于常规厌氧发酵。这是由于有机生活垃圾经过木聚糖酶预处理后，纤维素类物质被大量水解生成葡萄糖等小分子有机物，容易被微生物利用，从而大大提高了沼气产率。
由此可知，通过添加木聚糖酶对有机生活垃圾进行预处理可消除水解酸化的限制性作用，提高厌氧发酵的效率；从而解决了常规厌氧发酵存在发酵速率滞后、发酵效率不高等问题。
Claims (7)
1.一种木聚糖酶预处理有机生活垃圾进行厌氧发酵的方法，其特征在于经过下列各步骤：
（1）取有机生活垃圾；
（2）向步骤（1）的有机生活垃圾中加入水解液，使其挥发性固体质量浓度为10～14%，其中水解液是：当pH为3.6～5.8时，是由醋酸-醋酸钠配制而成的缓冲溶液；当pH为5.8～8.0时，是由磷酸氢二钠-磷酸二氢钠配制而成的缓冲溶液；或者，当pH为7时，以蒸馏水作为水解液；按每克有机生活垃圾的挥发性固体量加入15～20万U木聚糖酶的添加量，再加入木聚糖酶于有机生活垃圾中，并于50～70℃下恒温预处理8～20h；
（3）按有机生活垃圾与接种物的挥发性固体含量的比为2～2.5︰1，在步骤（2）所得预处理后的有机生活垃圾中加入接种物，同时加入水或者沼液，使其成为发酵浓度为4～8%的混合物，再将其密封，置于34～36℃下进行厌氧发酵，即可收集沼气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述有机生活垃圾为生活垃圾经人工分选后再经烘干后粉碎的有机垃圾。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述水解液优选pH为5.6和7的水解液。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的有机生活垃圾与接种物的挥发性固体含量的比优选2.5︰1。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的发酵浓度是指有机生活垃圾和接种物的挥发性固体占混合物的质量百分比。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述发酵浓度优选6%。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的接种物为厌氧活性污泥。
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