CN104178526B - 一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法，属于再生能源技术领域。该方法主要包括乙醇预发酵和甲烷发酵，先将一定量的干酵母菌接种到餐厨垃圾中进行乙醇预发酵，然后，将乙醇预发酵后的餐厨垃圾与酒糟按1：1(以VS计)的比例混合，作为后续厌氧发酵的底物，并接种长期驯化的接种污泥，接种比例（污泥：底物(以VS计)）为1:1。本发明探索了乙醇预发酵途径优化甲烷厌氧发酵的可能性，并进行了乙醇预发酵实验条件的优化。该方法能够有效减缓厌氧消化过程中的挥发酸抑制问题，显著提高甲烷产量，进而提高能源回收率，又因其操作简单，因此具有较大的实用价值。

Description

一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法
技术领域
本发明涉及再生能源技术领域，特别是指一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法。
背景技术
能源短缺是本世纪面临的重大难题之一，在众多清洁能源中，以生物质为原料生产的各种生物能源（乙醇、沼气、氢气、生物柴油等）受到了广泛关注。生物能源是典型的低碳燃料，可大大减少温室气体的排放。有机废弃物（如餐厨垃圾等）、农作物、树木和其它植物及其残体（如农业秸秆等）、畜禽粪便都可作为生物能源的发酵原料。随着城镇化进程的加快和人民生活水平的提高，餐厨废弃物的产生量越来越大。
餐厨垃圾以淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类等有机物质为主要成分。具有高含水率、高油脂、高盐分、易腐发臭等特点。这些餐厨垃圾是填埋场气体和渗滤液产生的主要来源，造成填埋场二次污染，防治费用大量增加。又由于含75～85％的水分，不仅不能自燃，而且与其他垃圾混合燃烧时，妨碍焚烧炉内温度的上升，且高盐分的存在，会腐蚀炉壁，并可能导致二噁英的产生。餐厨垃圾中的高盐分将限制其作为堆肥产品长期试用于土壤。而厌氧甲烷发酵技术具有对发酵物料适应范围广（可处理复杂的底物成分）、目标产物（沼气）易分离、产沼气量大，易于工程应用的特点，是目前最具潜力的有机废物资源化技术。
厌氧干式发酵产沼气技术近年来成为研究热点。但易腐有机废物（如餐厨垃圾等）厌氧干式发酵的理论相对欠缺，产业化进展缓慢，主要原因是随着含水量的减少，许多影响微生物活性的条件变得更加苛刻。其中由挥发性脂肪酸的累积导致发酵体系酸化从而抑制甲烷菌活性的问题尤为突出（甲烷菌生长最佳pH 为6.8～7.2），特别是餐厨垃圾等易降解有机废物的干式发酵，在反应初期极易发生酸化现象。因此，开发针对含盐量高、含油分高的易腐餐厨垃圾干式厌氧产沼气工艺方法对于解决目前餐厨垃圾发酵易出现酸抑制的问题具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法，该方法的两相分别是乙醇预发酵相与厌氧发酵产甲烷相，该方法包括以下步骤：
（1）将餐厨垃圾粉碎后置于乙醇预发酵罐中，加入质量为餐厨垃圾干重（以VS计）0.5‰的干酵母粉，在温度为30±1℃和缺氧的条件下进行12～72h的乙醇预发酵；
（2）将乙醇预发酵后的餐厨垃圾与酒糟混合作为甲烷发酵的原料，并向餐厨垃圾与酒糟的混合物料中按1:1的接种比例（以VS计, w/w）加入接种污泥，通过充氮气的方法使甲烷发酵罐处于厌氧状态，并调节温度为35±1℃，进行甲烷发酵。收集产生的沼气，发酵残留物进行后续处理。
其中，步骤（1）中粉碎后的餐厨垃圾直接进行乙醇预发酵，或粉碎后先加入糖化酶糖化后再进行乙醇预发酵；其中，糖化时，加入糖化酶的量为每100g 粉碎后的餐厨垃圾（干重）中加入5～10 K活力单位的糖化酶，糖化温度为30±1℃，糖化时间为12h。
酶活力定义：1g酶粉或 1 ml酶液在 40 ℃、pH 为4.6的条件下， 1小时分解可溶性淀粉产生 1mg葡萄糖的酶量为 1 个酶活力单位。
步骤（1）中乙醇预发酵过程所用干酵母粉采用安琪活性干酵母。
步骤（2）在甲烷发酵过程中，发酵物料中的总固体含量维持在20%（w/w），并采用每隔6h～12h搅拌10 min的间歇搅拌方式对物料进行搅拌，通过pH在线监测、加入NaHCO3缓冲液来调控发酵液pH，使其保持在6.8～7.5之间。
步骤（2）中，乙醇预发酵后的餐厨垃圾与酒糟的混合比例（以VS计, w/w）为1：1～0.21：1。
步骤（2）中的污泥取自污水处理厂厌氧消化池，经过驯化后使用，其VS浓度为10～20 % (w/w)，产甲烷潜力300～400 mL/( d·L)。
该方法所用的乙醇预发酵罐和甲烷发酵罐都装有搅拌装置，利用该方法进行两相干式混合厌氧发酵每周期甲烷发酵的时间为20～30天。
本发明的原理在于：根据葡萄糖的代谢途径可知，丙酮酸被分解为乙醇、甲醇、乳酸、甲酸、乙酸、丙酸等中间物质，其中甲醇、甲酸、乙酸以及H2是可以直接被产甲烷菌直接利用的，其他的中间物质又可以通过一系列代谢途径分解生成这些可被直接利用的物质。从代谢途径出发，研究厌氧发酵的机理，通过改变葡萄糖的代谢途径，强化其中葡萄糖向乙醇生成的途径，从而减少葡萄糖向其他挥发性脂肪酸的生成，提前预防厌氧发酵过程中的酸抑制现象，使得酸抑制期减短甚至消失，这是本发明的主要核心思想。
由于乙醇是中性物质，它的大量生成不但可以提高系统的碱度，加大系统对酸抑制的缓冲能力，且乙醇可以缓慢释放生成乙酸，被甲烷菌利用。因此，本发明将酸化阶段会瞬间生成大量有机酸的过程，变为缓慢释放甲烷菌可以利用的有机酸过程，从而显著增强系统稳定性，提高甲烷产量。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过乙醇预处理增加乙醇方向的糖代谢流量，从而减少丙酸等挥发酸方向的糖代谢流量，缓解餐厨垃圾干式发酵过程中易出现的酸抑制问题; 该方法可提高厌氧过程的VS去除率和甲烷产量，使餐厨垃圾达到减量化、无害化与资源化的目的；该方法还可以丰富干式厌氧消化理论，为大幅度减少沼液量的餐厨垃圾干式厌氧发酵提供有效可行的新途径。
附图说明
图1为本发明的一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法系统图；
图2为不同原料混合比条件下进行乙醇预处理的厌氧产气指标图；
图3为原料混合比为0.56/1时进行乙醇预处理的厌氧产气指标图；
图4为原料混合比为0.21/1时进行乙醇预处理的厌氧产气指标图；
图5为不同乙醇预发酵时间对厌氧产沼气的效果分析图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的餐厨垃圾发酵易出现酸抑制等问题，提供一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法。
如图1所示，为本发明两相干式混合厌氧发酵产沼气的系统图，本发明的两相分别是乙醇预发酵相与厌氧发酵产甲烷相。下面结合具体实施例加以说明。
以下实施例中的餐厨垃圾取自北京科技大学鸿博园食堂，挑去骨头、塑料袋等不可降解物后，垃圾中主要包括米饭、蔬菜、肉、蛋、豆腐、面条等，保存于-20℃的冰箱内待用。所用接种污泥取自污水处理厂厌氧消化池，经过驯化后使其VS浓度为10~ 20 %( w/w)，产甲烷潜力达到300~ 400 mL/(d·L) 时使用。
实施例1
将餐厨垃圾粉碎后置于乙醇预发酵罐中，加入质量为餐厨垃圾干重（以VS计）为5‰ 的干酵母菌，在温度为30±1℃和缺氧的条件下进行12 ~72h的乙醇预发酵，然后将该餐厨垃圾与酒糟以质量比(按VS计)为1：1 ~ 0.21：1的比例均匀混合, 并接种污泥后发酵产沼气，其中，接种比例（接种污泥：发酵原料（餐厨垃圾+酒糟））为1:1（以VS计, w/w），接种污泥经驯化后的VS浓度为15.6%（w/w），产甲烷潜力为339mL/(d·L) 。其结果如图2所示，从图2中可以看出，与未经预发酵的对照组相比，无论餐厨垃圾与酒糟的混合比例为多少，经过乙醇预发酵组的产气量较高，乙醇浓度高, 挥发性脂肪酸VFA浓度较低，从而缩短了酸抑制期。
实施例2
按实施例1将餐厨垃圾进行72h的乙醇预发酵后，将该餐厨垃圾与酒糟以质量比为0.56：1（以VS计）的比例均匀混合, 并接种污泥后发酵产沼气，接种比例（接种污泥：发酵原料（餐厨垃圾+酒糟））为1:1（以VS计, w/w）。其结果如图3所示，从图3中可以看出，通过对比发现经过乙醇预发酵的实验组与对照组之间差异明显，实验组经乙醇预发酵后的丙酸浓度比对照组降低了59%，乙醇浓度比对照组增加了24%，碱度提高了27%，pH提高了9%，甲烷产量提高了29%。该结果很好的说明，经乙醇预发酵后，甲烷发酵体系的缓冲能力增强，体系pH能维持在一个合适的范围内，有利于甲烷发酵的稳定进行。
实施例3
按实施例1将餐厨垃圾进行为期72h的乙醇预发酵后，将该餐厨垃圾与酒糟以质量比为0.21：1（以VS计）的比例均匀混合, 并接种污泥后发酵产沼气，接种比例（接种污泥：发酵原料（餐厨垃圾+酒糟））为1:1（以VS计）。其结果如图4所示，从图4中可以看出，实验组经过乙醇预发酵后的丙酸浓度比对照组降低了30.0%，乙醇浓度比对照组增加了25.3%，碱度提高了25.5%，pH提高了14.5%，甲烷产量提高了26.7%。
实施例4
按实施例1将餐厨垃圾进行12h ，24h，48h的乙醇预发酵后，将该餐厨垃圾与酒糟均匀混合, 并接种污泥后发酵产沼气，接种比例为1:1（以VS计）。其结果如图5所示，从图5中可以看出，与对照组相比，实验组经乙醇预发酵后的酸化周期均缩短，丙酸、乙酸浓度均降低，而乙醇和甲烷产率均提高。通过对比发现，实验组经过预发酵后的丙酸和乙酸浓度分别比对照组降低了26.0%和55.3%，乙醇浓度比对照组提高91.1%，甲烷日产气量比对照组提高了400.0%，体系pH维持在7.2-7.8的范围内。
实施例5
按实施例1将每100g粉碎后的餐厨垃圾中加入10 K活力单位的糖化酶并进行12h的乙醇预发酵后，将该餐厨垃圾与酒糟均匀混合，并接种污泥后发酵产沼气，接种比例为1:1（以VS计）。与对照组相比，实验组经乙醇预发酵后的酸化周期缩短，系统pH稳定在6.7～7.5之间，相比对照组更接近甲烷菌最佳生长pH6.8~7.2。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将餐厨垃圾粉碎后置于乙醇预发酵罐中，以VS计，加入质量为餐厨垃圾干重0.5‰的干酵母粉，在温度为30±1℃和缺氧的条件下进行12～72h的乙醇预发酵；
(2)将乙醇预发酵后的餐厨垃圾与酒糟混合作为甲烷发酵的原料，并以VS计向餐厨垃圾与酒糟的混合物料中按1∶1的接种比例w/w加入接种污泥，通过充氮气的方法使甲烷发酵罐处于厌氧状态，并调节温度为35±1℃，进行甲烷发酵。
2.根据权利要求1所述的一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述步骤(1)中粉碎后的餐厨垃圾直接进行乙醇预发酵，或粉碎后先加入糖化酶糖化后再进行乙醇预发酵；其中，糖化时，加入糖化酶的量为每干重为100g粉碎后的餐厨垃圾中加入5～10K活力单位的糖化酶，糖化温度为30±1℃，糖化时间为12h。
3.根据权利要求1所述的一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，乙醇预发酵过程所用干酵母粉采用安琪活性干酵母。
4.根据权利要求1所述的一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述步骤(2)在甲烷发酵过程中，发酵物料中的总 固体含量维持在20％w/w，并采用每隔6h～12h搅拌10min的间歇搅拌方式对物料进行搅拌，通过pH在线监测、加入NaHCO3缓冲液来调控发酵液pH，使其保持在6.8～7.5之间。
5.根据权利要求1所述的一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，以VS计，乙醇预发酵后的餐厨垃圾与酒糟的混合比例w/w为1∶1～0.21∶1。
6.根据权利要求1所述的一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的污泥取自污水处理厂厌氧消化池，经过驯化后使用，其VS浓度为10～20％w/w，产甲烷潜力300～400mL/(d·L)。
7.根据权利要求1所述的一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的乙醇预发酵罐和步骤(2)中的甲烷发酵罐都装有搅拌装置。
8.根据权利要求1所述的一种两相干式混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：每周期甲烷发酵的时间为20～30天。
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