CN103966302B - 废弃油脂厌氧消化产沼气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，包括：制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为100‑300：1‑2：1000；添加无机介质：在厌氧发酵菌种中添加无机介质，无机介质与厌氧发酵菌种的质量比为1‑12：100；厌氧消化：在厌氧发酵装置中，依次加入厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂，加入的质量百分比为100：1‑2：0.1‑0.15，均匀混合后，厌氧发酵产沼气。通过添加微生物并驯化形成厌氧发酵菌种来增加反应体系中降解脂肪的活性，添加无机介质增加微生物与油脂的附着和接触面积，将废弃油脂转化成沼气。
Description
技术领域
本发明涉及废弃油脂处理技术领域，尤其是涉及一种利用厌氧发酵技术对废弃油脂进行厌氧发酵产沼气的方法。
背景技术
餐饮业、屠宰场、肉/奶制品加工厂等产生的废水中富含易生物降解的有机物和难生物降解的油脂，其中餐厨废弃中富含各种动植物油脂，油脂含量一般约占餐厨垃圾总量的8-10%。 在利益的驱动下，一些不法商贩非法贩卖由废弃餐厨油脂制成的“地沟油”，致其回流餐桌，严重危害人们身体健康。 因此，安全妥善地解决餐厨垃圾及油脂问题具有重大意义。研究表明，油脂与糖类、蛋白质等相比具有更高的产甲烷潜力，是一种较为理想的发酵底物。因此，探索一种行之有效的废弃油脂处理技术方法，不但可以减少“地沟油”回流餐桌的几率，减少油脂对厌氧消化反应系统的抑制，还可以保护环境、回收资源和能源，具有重大的社会、环境和经济效益。
目前，国内外对废弃油脂资源化利用的方式主要有两种：一是将其从餐厨垃圾中分离后提炼成生物柴油，但是，生物柴油生产工艺繁琐、流程复杂，应用中难以推广；二是直接与餐厨垃圾一起转化成生物气。例如中国专利号“201110406910.6”公开了一种餐厨垃圾提取油脂及沼气发酵的处理方法，公开日为2012-06-13，该方法通过固液分离、液相油脂提取、垃圾破碎和强化匀浆与固相油脂提取等步骤有机配合实现对餐厨垃圾中的油脂提取。
直接厌氧发酵产沼气因其流程简单而受到越来越多的关注，但是直接厌氧发酵由于油脂的水溶性差，易于造成发酵周期长；油脂代谢的中间产物长链脂肪酸（LCFA）常常会在系统内累积，对厌氧微生物产生抑制效应，特别是UASB厌氧消化反应器中，易于造成厌氧消化系统崩溃。
发明内容
本发明的目的在于克服现有废弃油脂处理方法存在的上述问题，提供一种废弃油脂厌氧消化产沼气的方法。本发明通过添加微生物并驯化形成厌氧发酵菌种来增加反应体系中降解脂肪的活性，添加无机介质增加微生物与油脂的附着和接触面积，将废弃油脂转化成沼气。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，其特征在于，由如下步骤组成：
（1）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为100-300：1-2：1000；
（2）添加无机介质：在厌氧消化前，在厌氧发酵菌种中添加无机介质，无机介质与厌氧发酵菌种的质量比为1-12：100；
（3）启动厌氧消化：在反应装置中依次加厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂。厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：1-2：0.1-0.15，均匀混合后，进行厌氧发酵产沼气。
所述步骤（1）中，取正常产沼气的厌氧消化器中的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中， 再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
所述步骤（1）中的基础培养基为：尿素0.1-1 g/L 氯化镁2-3 g/L，磷酸二氢钾 1-2 g/L，磷酸氢二钾 5-6g/L，氯化钙0.1-0.3 g/L，硫酸亚铁 1-2 mg/L，橄榄油或菜籽油2-20g/L。
所述步骤（1）中的脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌（K. ooxytca）和洋葱伯克霍尔德氏菌（Burkholderia.cepacia）按质量比1：1的混合物，均购自中国工业微生物菌种保藏管理中心（CICC）。
所述步骤（2）中，无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒按任意比例的二种或三种，介质粒径为1-5mm。
所述步骤（3）中，废弃油脂和添加剂加入后混匀，30—40℃下，厌氧发酵产沼气。
所述步骤（3）中，所述添加剂包括Zn、Mn、Co和Ni，含量为Zn：3～6g/L，Mn：3～6 g/L，Co：1～2 g/L，Ni：1～2 g/L。
所述发酵的方式包括分批发酵、补料-分批发酵或半连续发酵。
采用本发明的优点在于：
一、本发明中，采用的厌氧发酵菌种中添加了产酸克雷伯氏菌（K. ooxytca）和洋葱伯克霍尔德氏菌（Burkholderia.cepacia），且是按质量比1：1的混合物，具有良好和高效的产脂肪酶活性和产酸特性，提高了厌氧发酵菌种的脂肪降解效率，有利于油脂的降解，为产甲烷菌群提供了良好的碳源，促进了产沼气过程的持续和稳定，提高了产气速率和转化率，如果不采用质量比1：1，则产气速率和转化率均会受到影响。
二、本发明中，废弃油脂采用厌氧发酵的条件可以省去废弃油脂废水好氧处理过程中通入氧气或压缩空气所需的能源消耗；30—40℃中温发酵能耗低，且产气效果佳，这些都将会进一步降低成本。
三、本发明中，将废弃油脂单独分离进行厌氧发酵，避免了含油脂垃圾厌氧发酵对厌氧反应系统的抑制和损坏，有利于厌氧反应器的正常运行，节约运行成本。
四、本发明中，厌氧发酵菌种是经过富集和驯化获得，且厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为100-300：1-2：1000，其中微生物类型丰富，水解细菌和产甲烷菌含量和活性较高，具有良好的油脂厌氧消化产甲烷功能，提高了废弃油脂的利用率及产气量，实现了“地沟油”无害化、资源化，具有重大的社会、环境、经济意义和广阔的应用前景；如果前述比例过高或过低，则会影响废弃油脂的利用率，最终导致产甲烷降低，并且厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基以及其配比关系相互关联，任一组份及配比的改变，都会导致其它组份的改变，且会影响产气效果。
五、本发明中，利用驯化的厌氧发酵菌种，通过批量或连续加入废弃油脂作为底物进行厌氧消化，可循环使用厌氧消化液，与生物柴油处理工艺相比，工艺简单，投资少，节约成本。
六、本发明中，无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒中按任意比例的二种或三种，介质粒径为1-5mm，在此条件下增加了微生物与油脂的附着和接触面积，因而增加了消化速率和转化率。
七、本发明中，所述添加剂包括Zn、Mn、Co和Ni，该添加剂是厌氧消化中微生物的多种酶的生长刺激因子，参与体内的多种代谢活动，通过添加上述物质，提高微生物菌群的代谢活性，强化微生物群落对油脂的转化；前述组份及配比，提高微生物菌群的代谢活性最佳，如果改变组份及配比，则影响强化微生物群落对油脂的转化率。因此，各组份及配比相互关联，任一组份及配比的改变，都会导致其它组份的改变，且会影响使用效果。
八、本发明中，在厌氧消化前，在厌氧发酵菌种中添加无机介质，无机介质与厌氧发酵菌种的质量比为1-12：100，在厌氧消化前添加，具有的优点是使微生物和油脂充分与介质接触，在介质表面形成独特的微生物互营体系，采用此特定的比例，具有的优点是适量的介质添加会增加微生物与油脂的附着和接触面积，比例过高会占用过多的发酵容器体积，不经济；比例过低增加的附着和接触面积不够，促进厌氧消化的效果不显著。
九、本发明中，在厌氧发酵菌种中，依次加入废弃油脂和添加剂，厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：1-2：0.1-0.15，均匀混合后，厌氧发酵产沼气，采用此特定的比例，具有的优点是在此条件下，废弃油脂的产气潜力最大，符合油脂厌氧消化速率和效率兼顾的要求，废弃油脂比例过高会造成长链脂肪酸累积，发酵周期延长，甚至会造成产甲烷菌中毒；过低会造成碳源不足，产气效率低，经济效益减少。
十、本发明中，所述步骤（1）中的基础培养基为：尿素0.1-1 g/L 氯化镁2-3 g/L，磷酸二氢钾 1-2 g/L，磷酸氢二钾 5-6g/L，氯化钙0.1-0.3 g/L，硫酸亚铁 1-2 mg/L，橄榄油或菜籽油2-20g/L，采用此特定组分及配比，具有的优点是提供厌氧微生物适宜的碳源、氮源和pH条件，pH过高或过低都不利于微生物生长；碳源比例过高会存在长链脂肪酸和挥发酸累积；氮源过比例过高会存在氨抑制；碳源和氮源过低会造成营养不足，微生物增殖速率慢。
具体实施方式
实施例1
一种废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，其特征在于，由如下步骤组成：
（1）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为100-300：1-2：1000；
（2）添加无机介质：在厌氧消化前，在厌氧发酵菌种中添加无机介质，无机介质与厌氧发酵菌种的质量比为1-12：100；
（3）启动厌氧消化：在反应装置中依次加厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂，厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：1-2：0.1-0.15，均匀混合后，进行厌氧发酵产沼气。在此说明的是，此例中的厌氧发酵菌种是指步骤（1）中的厌氧发酵菌种。
所述步骤（1）中，取正常产沼气的厌氧消化器中的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中， 再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
所述步骤（1）中的基础培养基为：尿素0.1-1 g/L 氯化镁2-3 g/L，磷酸二氢钾 1-2 g/L，磷酸氢二钾 5-6g/L，氯化钙0.1-0.3 g/L，硫酸亚铁 1-2 mg/L，橄榄油或菜籽油2-20g/L。
所述步骤（1）中的脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌（K. ooxytca）和洋葱伯克霍尔德氏菌（Burkholderia.cepacia）按质量比1：1的混合物，均购自中国工业微生物菌种保藏管理中心（CICC）。
所述步骤（2）中，无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒中按任意比例的二种或三种，介质粒径为1-5mm。
所述步骤（3）中，废弃油脂和添加剂加入后混匀，将TS含量控制在3%-5%，30—40℃下，厌氧发酵产沼气。
所述步骤（3）中，所述添加剂包括Zn、Mn、Co和Ni，含量为Zn：3～6g/L，Mn：3～6 g/L，Co：1～2 g/L，Ni：1～2 g/L。
所述发酵的方式包括分批发酵、补料-分批发酵或半连续发酵。发酵方法与现有技术相同。
实施例2
一种废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，由如下步骤组成：
（1）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为150：1：1000；
（2）添加无机介质：在厌氧消化前，在厌氧发酵菌种中添加无机介质，无机介质与厌氧发酵菌种的质量比为12：100；
（3）厌氧消化：在厌氧发酵菌种中，依次加入废弃油脂和添加剂，厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：1：0.1，均匀混合后，厌氧发酵产沼气。
所述步骤（1）中，取正常产沼气的厌氧消化器中的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中，再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
所述步骤（1）中的基础培养基为：尿素0.1 g/L 氯化镁2 g/L，磷酸二氢钾 1 g/L，磷酸氢二钾 5g/L，氯化钙0.1g/L，硫酸亚铁 1mg/L，橄榄油或菜籽油2g/L。
所述步骤（1）中的脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌（K. ooxytca）和洋葱伯克霍尔德氏菌（Burkholderia.cepacia）按质量比1：1的混合物，均购自中国工业微生物菌种保藏管理中心（CICC）。
所述步骤（2）中，无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒中按任意比例的二种或三种，介质粒径为1mm。
所述步骤（3）中，废弃油脂和添加剂加入后混匀， 30℃下厌氧发酵产沼气。
所述步骤（3）中，所述添加剂包括Zn、Mn、Co和Ni，含量为Zn：3～6g/L，Mn：3～6 g/L，Co：1～2 g/L，Ni：1～2 g/L。
所述发酵的方式为分批发酵。
实施例3
一种废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，由如下步骤组成：
（1）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为100：2：1000；
（2）添加无机介质：在厌氧消化前，在厌氧发酵菌种中添加无机介质，无机介质与厌氧发酵菌种的质量比为1：100；
（3）厌氧消化：在厌氧发酵菌种中，依次加入废弃油脂和添加剂，厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：2：0.15，均匀混合后，厌氧发酵产沼气。在此说明的是，此比例中的厌氧发酵菌种是指步骤（1）中的厌氧发酵菌种。
所述步骤（1）中，取正常产沼气的厌氧消化器中的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中，再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
所述步骤（1）中的基础培养基为：尿素1g/L 氯化镁3 g/L，磷酸二氢钾 2 g/L，磷酸氢二钾 6g/L，氯化钙0.3 g/L，硫酸亚铁2 mg/L，橄榄油或菜籽油20g/L。
所述步骤（1）中的脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌（K. ooxytca）和洋葱伯克霍尔德氏菌（Burkholderia.cepacia）按质量比1：1的混合物，均购自中国工业微生物菌种保藏管理中心（CICC）。
所述步骤（2）中，无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒中按任意比例的二种或三种，介质粒径为5mm。
所述步骤（3）中，废弃油脂和添加剂加入后混匀， 40℃下厌氧发酵产沼气。
所述步骤（3）中，所述添加剂包括Zn、Mn、Co和Ni，含量为Zn：4g/L，Mn：4 g/L，Co：1g/L，Ni：2 g/L。
所述发酵的方式为补料-分批发酵。
实施例4
一种废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，由如下步骤组成：
（1）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为200：1.5：1000；
（2）添加无机介质：在厌氧消化前，在厌氧发酵菌种中添加无机介质，无机介质与厌氧发酵菌种的质量比为8：100；
（3）厌氧消化：在厌氧发酵菌种中，依次加入废弃油脂和添加剂，厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：1.5：0.13，均匀混合后，厌氧发酵产沼气。在此说明的是，此比例中的厌氧发酵菌种是指步骤（1）中的厌氧发酵菌种。
所述步骤（1）中，取正常产沼气的厌氧消化器中的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中，再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
所述步骤（1）中的基础培养基为：尿素0.6g/L 氯化镁2.5g/L，磷酸二氢钾 1.5g/L，磷酸氢二钾 5.5g/L，氯化钙0.2g/L，硫酸亚铁 1.5mg/L，橄榄油或菜籽油10g/L。
所述步骤（1）中的脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌（K. ooxytca）和洋葱伯克霍尔德氏菌（Burkholderia.cepacia）按质量比1：1的混合物，均购自中国工业微生物菌种保藏管理中心（CICC）。
所述步骤（2）中，无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒中按任意比例的二种或三种，介质粒径为3mm。
所述步骤（3）中，废弃油脂和添加剂加入后混匀，35℃下厌氧发酵产沼气。
所述步骤（3）中，所述添加剂包括Zn、Mn、Co和Ni，含量为Zn：6g/L，Mn：6 g/L，Co：2g/L，Ni：2 g/L。
所述发酵的方式为半连续发酵。
实施例5
一种废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，由如下步骤组成：
（1）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为300：1.5：1000；
（2）添加无机介质：在厌氧消化前，在厌氧发酵菌种中添加无机介质，无机介质与厌氧发酵菌种的质量比为12：100；
（3）厌氧消化：在厌氧发酵菌种中，依次加入废弃油脂和添加剂，厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：1.5：0.12，均匀混合后，厌氧发酵产沼气。在此说明的是，此比例中的厌氧发酵菌种是指步骤（1）中的厌氧发酵菌种。
所述步骤（1）中，取正常产沼气的厌氧消化器中的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中，再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
所述步骤（1）中的基础培养基为：尿素0.6g/L 氯化镁2.5g/L，磷酸二氢钾 1.5g/L，磷酸氢二钾 5.5g/L，氯化钙0.2g/L，硫酸亚铁 1.5mg/L，橄榄油或菜籽油10g/L。
所述步骤（1）中的脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌（K. ooxytca）和洋葱伯克霍尔德氏菌（Burkholderia.cepacia）按质量比1：1的混合物，均购自中国工业微生物菌种保藏管理中心（CICC）。
所述步骤（2）中，无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒中按任意比例的二种或三种，介质粒径为3mm。
所述步骤（3）中，废弃油脂和添加剂加入后混匀，35℃下厌氧发酵产沼气。
所述步骤（3）中，所述添加剂包括Zn、Mn、Co和Ni，含量为Zn：5g/L，Mn：5 g/L，Co：1.5 g/L，Ni：1.5 g/L。
所述发酵的方式为半连续发酵。
本实例中的厌氧消化污泥，是肉联厂废水处理系统的厌氧消化污泥。
本发明全部实施方式，经过半连续发酵一个月，废弃油脂产气数据如下：
| 实验组 | 对照组 | 提高百分比 | |
| 容积产气率（立方米／（立方米·天）） | 3.5-4.5 | 1.5-2.0 | 128% |
| 原料产气率（L／g） | 1.4-1.7 | 0.8-1.2 | 55% |
| 甲烷含量（%） | 61-73 | 59-67 | 3% |
Claims (4)
1.一种废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，其特征在于，由如下步骤组成：
（1）制备厌氧发酵菌种：将厌氧消化污泥、脂肪降解菌添加至基础培养基中，作为厌氧发酵菌种；厌氧消化污泥、脂肪降解菌和基础培养基的质量比为100-300：1-2：1000；
（2）添加无机介质：在厌氧消化前，在厌氧发酵菌种中添加无机介质，无机介质与厌氧发酵菌种的质量比为1-12：100；
（3）启动厌氧消化：在反应装置中依次加厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂，厌氧发酵菌种、废弃油脂和添加剂的质量百分比为100：1-2：0.1-0.15，均匀混合后，进行厌氧发酵产沼气；
所述步骤（1）中的基础培养基为：尿素0.1-1 g/L 氯化镁2-3 g/L，磷酸二氢钾 1-2 g/L，磷酸氢二钾 5-6g/L，氯化钙0.1-0.3 g/L，硫酸亚铁 1-2 mg/L，橄榄油或菜籽油2-20g/L；
所述步骤（1）中的脂肪降解菌为产酸克雷伯氏菌（K. ooxytca）和洋葱伯克霍尔德氏菌（Burkholderia.cepacia）按质量比1：1的混合物；
所述步骤（2）中，无机介质包括石英砂、玻璃珠和砂粒中按任意比例的二种或三种，介质粒径为1-5mm；
所述步骤（3）中，所述添加剂包括Zn、Mn、Co和Ni，含量为Zn：3～6g/L，Mn：3～6 g/L，Co：1～2 g/L，Ni：1～2 g/L。
2.根据权利要求1所述的废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，取废水处理系统的厌氧消化污泥，添加至基础培养基中， 再添加脂肪降解菌，35℃培养驯化，作为厌氧发酵菌种。
3.根据权利要求1或2 所述的废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，废弃油脂和添加剂加入后混匀，30—40℃下，厌氧发酵产沼气。
4.根据权利要求1或2所述的废弃油脂厌氧消化产沼气的方法，其特征在于：所述发酵的方式包括分批发酵、补料-分批发酵或半连续发酵。
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