CN103710395A

CN103710395A - 一种运用猪粪厌氧发酵生产挥发酸的方法

Info

Publication number: CN103710395A
Application number: CN201410013874.0A
Authority: CN
Inventors: 林琳; 万春黎; 李笃中; 雷中方
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2014-04-09

Abstract

本发明属于环境保护技术领域，具体为一种运用猪粪厌氧发酵生产挥发酸的方法。具体步骤为：将养猪场猪粪进行稀释，调节初始pH值，然后在发酵罐中进行一定时间的恒温厌氧发酵产酸。其中，经自来水稀释和氢氧化钠饱和水溶液调节，发酵底物含水率为90～98%，初始pH值为9.5~10.5，底物体积占发酵罐的3/5～4/5,温度为35±1℃，发酵时间为15~30天。本发明实现了对猪粪中碳源的高效转化利用，可使超过70%的有机物转化为挥发酸。

Description

一种运用猪粪厌氧发酵生产挥发酸的方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种从猪粪中获取挥发酸的方法。

背景技术

目前农村环境问题日益显现，突出表现为畜禽养殖污染物排放量巨大，农业面源污染形势严峻。根据第一次全国污染源普查公报显示，农业源污染物COD排放量为1324.09万吨，占全国排放总量的43.7%，其中超过三分之一来自于猪粪废水。厌氧消化是处理畜禽粪便和污水的有效方法，在去除有机物的同时，还可以产生可燃性气体——甲烷作为可利用碳源。在厌氧消化过程中，大分子有机物（包括蛋白质，多糖，脂质）首先经过水解酶和酸化细菌的作用转变为短链脂肪酸（挥发酸），然后再进一步被产甲烷菌利用形成甲烷。但是由于猪粪中含有高浓度的氨氮（>1000mg/L），对产甲烷细菌的活动产生抑制作用，导致其以甲烷形式作为碳源的回收率不高。

然后，高浓度氨氮对产酸菌并没有明显的抑制作用，因此通过特殊手段将厌氧消化过程限制在水解酸化阶段（即厌氧发酵），以挥发酸作为碳源回收的目标产物，即可避免猪粪甲烷转化率低的问题。发酵产生的挥发酸可用于生物高分子材料聚羟基脂肪酸酯（PHA）生产的原料，城市污水脱氮除磷的补充碳源以及沼气生产的底物等，具有很高的经济价值。目前传统的短链脂肪酸生产方法主要是化学合成/转化法，例如乙醇氧化法、乙醇羰基化法等，对反应原料的要求高，且操作过程复杂，从而推高了生产成本。相比之下，运用生物法生产挥发酸，具有操作容易、成本低廉的优点。尤其是选用有机废弃物作为生产原料，不仅极大了节约了生产成本，同时还解决了环境污染问题，一举多得。目前较为成熟的厌氧发酵处理方法都是针对市政污水厂的剩余污泥，而猪粪比污泥拥有更高的有机物含量，因此通过厌氧发酵手段将猪粪中大量的有机物尽可能地转化为挥发酸具有极高的开发利用价值。

发明内容

本发明旨在提供一种通过猪粪厌氧发酵生产挥发酸的方法，以期实现高效的碳源转化效率。

本发明原理是根据大分子有机物，例如蛋白质、多糖等在细菌胞外水解酶的作用下首先溶解于液相中，然后经过产酸菌的代谢逐渐转变为短链脂肪酸，即挥发酸。厌氧发酵的限速步骤为水解阶段，碱预处理手段会破坏胞外聚合物（EPS）的结构，促进蛋白质和多糖的大量溶解，从而提高挥发酸的产率；另一方面，由于产甲烷菌对生存环境很敏感，适宜的pH范围很窄（6.8~7.5），将发酵底物pH控制在强碱条件下，可以强烈抑制产甲烷过程，从而减少挥发酸的利用，进一步促进其积累。

本发明提出的运用猪粪厌氧发酵生产挥发酸的方法，具体步骤如下：

1. 将新鲜猪粪（质量含水率为80%~85%）用自来水稀释至90~98%的含水率；

2. 加入氢氧化钠饱和水溶液，调节底物pH值至9.5~10.5，充分搅拌混合均匀；

3. 将调节好pH值的稀释猪粪加入到发酵罐中，稀释猪粪的量为罐体积的3/5~4/5；

4. 发酵温度控制在35±1℃，连续发酵15~30天；发酵过程中，每天摇晃发酵罐若干次，以保证发酵底物混合均匀。

本发明具有的特点和有益效果：

1. 实现了猪粪中有机碳源的高效转化，经厌氧发酵后70%以上的有机物都转化成为挥发酸，可从猪粪厌氧发酵液中回收大量的碳源。

2. 经过碱性预处理手段，很好地抑制了厌氧反应过程中产甲烷菌的活动，保证整个过程无甲烷气体产生，减少了温室气体的排放，环保安全。

3. 与不进行碱性预调节的空白试验组相比，使用该方法可使猪粪的水解效率提高55%，酸化效率提高67%，发酵效果显著提高。

4. 本方法所选用的发酵底物猪粪极易获取，且数量巨大；操作灵活，对反应器无特殊要求，容易实施；唯一所需的化学药品氢氧化钠廉价易得，较其他预处理方法节约了成本。

附图说明

图1为实施例1发酵全过程挥发酸浓度变化情况。

图2为实验例2发酵全过程挥发酸占溶解性有机物的比例变化情况。

具体实施方式

下面结合实施例作进一步详细说明，应当理解下面所举的实例只是为了解释说明本发明，并不包括本发明的所有内容。

实施例1：试验用猪粪样品来自江苏昆山某养猪场，含水率为80.3%。将猪粪用自来水稀释至98%，然后加入氢氧化钠饱和水溶液调节底物pH值至10.0。取4L稀释猪粪至体积为5L的有机玻璃厌氧发酵罐中，温度控制在35±1℃，厌氧发酵20天。所得挥发酸浓度为14350 mg~COD/L。如图1所示，挥发酸在发酵9天之后快速积累，直至发酵结束。

实施例2：试验所用猪粪样品来自上海闵行区某养猪场，含水率为83.1%。将猪粪用自来水稀释至95%的含水率，然后加入氢氧化钠饱和水溶液调节底物pH值至9.7。取600mL稀释猪粪至体积为1000mL的有机玻璃厌氧发酵罐中，温度控制在35℃，厌氧发酵20天。所得挥发酸浓度为18500 mg~COD/L。如图2所示，挥发酸占溶解性有机物的比例在发酵时期一直处于上升趋势，直至超过70%。

实施例3：试验用猪粪样品来自江苏昆山某养猪场，含水率为85.0%。将猪粪用自来水稀释至92 %，然后加入氢氧化钠饱和水溶液调节底物pH值至10.3。取1.8L稀释猪粪至体积为2.5L的有机玻璃厌氧发酵罐中，温度控制在35±1℃，厌氧发酵30天。所得挥发酸浓度为25600 mg~COD/L。

Claims

1. 一种运用猪粪厌氧发酵生产挥发酸的方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）将含水率为80%~85%的新鲜猪粪，用自来水稀释至含水率为90～98%；

（2）加入氢氧化钠饱和水溶液，调节猪粪pH值至9.5~10.5，充分搅拌混合均匀；

（3）将调节好pH值的稀释猪粪加入到发酵罐中，稀释猪粪的量为罐体积的3/5～4/5；

（4）发酵温度控制在35±1℃，连续发酵15~30天；发酵过程中，每天摇晃发酵罐若干次，以保证发酵底物混合均匀。