CN104911218B - 一种提高餐厨垃圾高固态发酵产沼气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高餐厨垃圾高固态发酵产沼气的方法，属于固体废弃物处理控制、环保净化处理技术领域。本发明采用高固态厌氧发酵产沼气，不仅有效的处置了餐厨垃圾，做到了固体废弃物的无害化、减量化和资源化，而且提高了产甲烷菌对有机酸的耐受性能，进而提高了餐厨垃圾高固态厌氧发酵的产甲烷效率。发酵系统运行稳定，餐厨垃圾处理效果较好，能源回收率较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高餐厨垃圾高固态发酵产沼气的方法，属于固体废弃物处理控制、环保净化处理技术领域。
背景技术
随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，城市生活垃圾急剧增加。据统计，餐厨垃圾一般占城市生活垃圾总量的30％-40％。2010年，餐厨垃圾的产量就高达9千万吨。餐厨垃圾不仅会造成环境的污染、资源的浪费，而且还会影响社会经济的发展。因此餐厨垃圾的处理处置已经成为当今研究的热点。
目前国内外餐厨垃圾的处理处置技术主要有加工饲料、卫生填埋、堆肥化、焚烧处理和厌氧消化。相比其它处理处置技术，厌氧消化更具有优势，它不仅可以有效地处理餐厨垃圾，而且可以获得沼气能源和高肥效的有机肥，实现餐厨垃圾的减量化、无害化和资源化，对环境和经济的可持续发展具有重要的意义。
在餐厨垃圾厌氧发酵过程中，特别是高温高固态发酵时，由于餐厨垃圾富含80％-97％的易降解有机物质，水解反应非常迅速，导致挥发性脂肪酸大量积累，反应体系pH值迅速下降，进而使产甲烷菌活性受到严重抑制，反应体系运行效率下降甚至崩溃。在实际处理工艺中，一般会投加大量碱来提高碱度，维持厌氧发酵体系产甲烷菌的最佳pH范围，保证系统的稳定运行。但是这不仅会增加经济负担，而且非微生物自身代谢调节所实现的酸碱平衡易使反应体系受到外界环境因子剧变的冲击而失去平衡，所以对监测控制的要求比较高。如果能够利用耐酸产甲烷菌进行餐厨垃圾厌氧发酵，则会大大降低厌氧处理的成本，提高厌氧处理工艺的效率。目前一些研究学者通过逐级降低厌氧反应体系的pH来驯化筛选耐酸型产甲烷菌，但是关于采用有机酸驯化获得耐酸产甲烷菌的研究还较少。
通过逐级降低厌氧反应体系pH的驯化方式是用NaOH或HCL直接调控反应体系的pH，这种方式不仅在驯化过程中，而且在之后的餐厨垃圾处理过程中，都需要进行pH的调控，调控及监测的要求较高。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种提高餐厨垃圾高固态发酵产沼气的方法，是将经梯度耐丁酸驯化培养后的厌氧污泥(即接种污泥)接种餐厨垃圾(即底物)，进行高固态厌氧发酵产沼气。
所述梯度耐丁酸驯化培养，是向厌氧污泥中间歇添加丁酸钠，丁酸钠的用量逐渐增加。
在本发明的一种实施方式中，还向厌氧污泥中添加适量碳源和无机盐。
在本发明的一种实施方式中，所述耐丁酸驯化培养体系是将200g污泥、20mL营养液、1.5g葡萄糖混合，并补加去离子水获得500mL体系，在驯化过程中，每隔2天向体系中添加葡萄糖及丁酸钠，每次添加1.5g葡萄糖，丁酸钠的用量从4g/L按2g/L的梯度增加至8或10g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述耐丁酸驯化培养持续10天。
在本发明的一种实施方式中，所述营养液按g/L计，含CO(NH2)21.24，NaHCO340，NaH2PO4·2H2O 5，K2HPO4·3H2O 5，FeSO4·7H2O 15，MgCl2·6H2O 0.085，MnSO4·3H2O 0.08，NiCl2·6H2O 0.004。
在本发明的一种实施方式中，所述高固态厌氧发酵产沼气的反应体系温度为55±2℃，TS为15％，餐厨垃圾与接种污泥的TS比为1:1，并进行间歇搅拌，搅拌速度为50～80r/min。初始pH调节为8±0.5，反应过程中不调节pH，并且添加碳酸氢钠缓冲溶液1000～1500mg/L。
目前高固态厌氧发酵的推广及应用仍面临着许多问题，主要表现为两方面：一方面是由于厌氧发酵体系中总固体含量很高，需要搅拌，且搅拌遇到的阻力较大，使底物与接种物之间无法充分混合，反应体系局部的有机负荷会过高，容易产生酸化现象；另一方面由于高固态厌氧发酵体系中水分含量低，影响细胞的移动及酶的扩散，继而对细胞或酶与底物的接触产生影响，最终影响反应体系的产气速率和效率。
将产甲烷菌耐酸驯化培养后接种餐厨垃圾进行高固态厌氧发酵，不仅提升了产甲烷菌对酸的耐受性能，使反应体系在酸化的情况下仍能产甲烷，提高了厌氧发酵的产甲烷效率；而且不需要投加大量外部碱来提高反应体系的碱度，不会过度地增加经济负担，对监测控制的要求也无需那么高。本发明将产甲烷菌梯度耐酸驯化培养后，较大程度地富集了产甲烷菌群，提高了产甲烷污泥的活性，进而提高了厌氧处理工艺的效率。甲烷产量最大值达到2044mL，是未经耐酸驯化培养组的3.2倍。本发明的工艺简单，易于控制，且提高了沼气产率及生物质能回收率，增加了高固态厌氧发酵的经济效益，并且没有二次污染。对于易于酸化的餐厨垃圾高固态厌氧发酵体系，本发明具有良好的研究应用前景。
附图说明
图1产甲烷菌耐酸培养过程中甲烷(a)和沼气(b)量的变化
图2产甲烷菌耐酸培养过程中GAD活性的变化
图3产甲烷菌耐酸培养过程中H+-ATP浓度的变化
图4高固态厌氧发酵过程中累积产甲烷量的变化
图5高固态厌氧发酵过程中累积沼气、甲烷产率及甲烷含量的变化
图6高固态厌氧发酵过程中有机酸浓度的变化
图7高固态厌氧发酵过程中淀粉酶(a)和蛋白酶(b)活性的变化
图中A、B、C、D、E分别对应驯化培养后的丁酸钠浓度为0g/L、4g/L、6g/L、8g/L和10g/L组。
具体实施方式：
实验装置采用全自动甲烷潜力分析系统(AMPTS)，反应温度为55±2℃，气体体积由AMPTS v5.0软件统计。耐酸驯化培养过程中，对沼气中甲烷含量，发酵液中GAD活性、H+-ATP浓度进行测定；高固态厌氧发酵过程中，对沼气中甲烷含量，发酵液中淀粉酶活性、蛋白酶活性进行测定，测定方法均采用国家标准方法进行分析(表1)。
表1分析项目及方法
产甲烷菌耐酸驯化培养是在500mL血清瓶中加入200g污泥、20mL营养液(表2)，1.5g葡萄糖及定量的丁酸钠(表3)，并用去离子水加至500mL，每2天添加1.5g葡萄糖。设置5组实验，分别标记为A、B、C、D和E，各组丁酸钠添加量如表3所示。
表2营养液成分
表3丁酸钠的添加量
实施列1产甲烷菌耐酸培养过程中甲烷和沼气量的变化。
如图1(a)所示，A组(对照组)驯化培养后甲烷含量有所增加，但远低于其他组，每2天的含量仅为55mL左右。B、C、D和E组的甲烷含量与丁酸钠添加量有一定的相关性，且都远高于A组，其最终的甲烷含量分别为172.9mL、205.9mL、228.5mL和195.7mL。
如图1(b)所示，A组的沼气含量除初始的2天，其余每2天都呈上升趋势，最终为510mL。B、C、D和E组的沼气含量与丁酸钠添加量也有一定的相关性，除初始的2天，其余每2天的含量都远高于A组，最终的沼气含量分别为700mL、810mL、830mL和900mL。
E组的沼气含量最高，甚至达到1000mL左右，但甲烷含量却低于D组，这可能是因为其体系内高浓度的丁酸对产甲烷菌产生了毒害作用，进而抑制了产甲烷效率。由此可知，丁酸钠添加量为8g/L的甲烷量和沼气量相对稳定且较大，这表明经8g/L的丁酸钠培养后的污泥的活性最好。
实施列2产甲烷菌耐酸培养过程中GAD活性的变化
谷氨酸脱羧酶(GAD)被认为是革兰氏阳性菌主要的耐酸机制之一。产甲烷菌耐酸培养过程中GAD活性的变化情况如图2所示。由图2可知，A组的GAD活性在反应过程中维持在一个较为稳定的水平，波动范围为0.03436-0.03579μmol/min·gTS。最终B组和E组的GAD活性相对较低，且低于A组，仅为0.03314μmol/min·gTS和0.03127μmol/min·gTS。C组和D组的GAD活性相对较高，分别为0.03520μmol/min·gTS和0.03711μmol/min·gTS，均高于A组，相对于A组分别提高了0.63％和6.09％。由此可以发现，D组的GAD活性最高。这表明，经8g/L的丁酸钠驯化培养后的产甲烷菌的耐酸性能最好。
实施列3产甲烷菌耐酸培养过程中H+-ATP浓度的变化
H+-ATPase是细菌最重要的耐酸机制之一。产甲烷菌耐酸培养过程中H+-ATP浓度的变化情况如图3所示。由图3可知，H+-ATP浓度在耐酸驯化培养过程中整体呈现先上升后下降的趋势。各个组的初始H+-ATP浓度在2.3μg/min·gTS左右，随后开始上升，至第6天达到最大值，分别为3.5937μg/min·gTS、3.1729μg/min·gTS、3.9217μg/min·gTS、4.0908μg/min·gTS和3.5352μg/min·gTS。随后又开始下降，驯化培养结束后各个组的H+-ATP浓度分别为2.8106μg/min·gTS、2.4241μg/min·gTS、2.9140μg/min·gTS、3.3101μg/min·gTS和2.2067μg/min·gTS。由此可知D组的H+-ATP浓度最高，相比对照组提高了17.77％。这也表明，经8g/L的丁酸钠驯化培养后的产甲烷菌的耐酸性能最好。通过在体系中添加有机酸盐，细菌会产生耐酸响应机制，如质子泵耐酸机制、谷氨酸脱羧酶机制等，使得产甲烷菌驯化后能够耐受高浓度的有机酸，即在高浓度有机酸的情况下仍能产甲烷。
实施列4高固态厌氧发酵过程中累积产甲烷量的变化
如图4所示，经过7天的发酵，各组的甲烷产量有明显的差异。产甲烷主要集中在反应的前2天，此后甲烷产量趋于稳定。反应前2天，产甲烷量迅速增加，到第二天，各个组的甲烷产量分别达到584mL、1210mL、1374mL、1512mL和892mL。随着反应的进行，各个组的甲烷产量趋于平稳并最终稳定，反应结束时，各个组的甲烷产量分别为634mL、1468mL、1735mL、2044mL和1020mL。由此可见，B、C、D和E组的甲烷产量均高于A组，分别是A组的2.3倍、2.7倍、3.2倍和1.6倍，其中D组的甲烷产量最高。
实施列5高固态厌氧发酵中沼气、甲烷产率及甲烷含量的变化
如图5所示，A组的累积沼气、甲烷产率和甲烷含量分别为31.6mL/g TS,169.3mL/gTS和18.7％，而B、C、D和E组的累积沼气、甲烷产率和甲烷含量均高于A组。这可能是因为A组的厌氧污泥只是进行了高温培养，而其他组的厌氧污泥不仅进行了高温培养，而且进行了耐酸培养，对厌氧反应体系高VFAs、低pH的环境有一定的适应性，所以在产气量方面会优于A组。在其他组中，D组的产气情况最好，其累积沼气、甲烷产率及甲烷含量最大，分别为101.8mL/g TS、228.0mL/g TS和44.7％，与对照组相比，分别增加了70.2mL/g TS，58.7mL/gTS和26％。
由此可见，产甲烷菌耐酸驯化培养可以在一定程度上提高其对酸的耐受性能，使其在高固态厌氧发酵体系内大量积累VFAs的情况下仍能产甲烷，并且发现，经8g/L的丁酸钠驯化培养后的产甲烷菌的耐酸性能最好，其厌氧污泥活性最好，产甲烷效果最佳。
实施列6高固态厌氧发酵过程中有机酸浓度的变化
在厌氧发酵过程中，底物中的有机物在厌氧微生物的作用下会转变成有机酸，因此有机酸浓度是衡量厌氧消化过程的一个非常重要的指标。高固态厌氧发酵过程中有机酸浓度的变化情况如图6所示。由图6可知，厌氧发酵过程中有机酸浓度呈先上升后下降再上升的趋势，这是由于微生物在较高的有机质浓度下迅速生长，产酸菌的产酸量明显上升，而产甲烷菌不能够及时地利用有机酸产甲烷，导致了有机酸的迅速增加，此后产甲烷菌利用有机酸的速率大于产酸菌产酸的速率，因而体系内有机酸浓度下降。
各个组的初始有机酸浓度均在2700mg/L左右，随后在第2天时上升至一个峰值，分别为16018.5mg/L、15953.2mg/L、16983.9mg/L、17861.2mg/L和16515.4mg/L。第3天时，又迅速下降至13622.1mg/L、12733.0mg/L、11665.4mg/L、10775.4mg/L和13969.9mg/L。随后又逐渐上升，最终各个组的有机酸浓度分别为17581.2mg/L、17462.0mg/L、18245.9mg/L、18321.1mg/L和18177.1mg/L。由此可见，D组的有机酸产生量和利用量都是最高的，因此其产气情况最好，产甲烷效率最高。
实施列7高固态厌氧发酵过程中淀粉酶和蛋白酶活性的变化
餐厨垃圾中的主要有机成分为蛋白质和碳水化合物，其在胞外蛋白酶、淀粉酶的催化作用下会不断被水解，因此胞外蛋白酶、淀粉酶的活性对促进餐厨垃圾厌氧发酵水解蛋白质和碳水化合物，提高甲烷产量具有十分重要的意义。
高固态厌氧发酵过程中淀粉酶和蛋白酶活性的变化情况如图7所示。由图7(a)可知，各个组的淀粉酶活性都呈现先上升后下降的趋势，其初始淀粉酶活性均在0.47U/mL左右。在第3天时，各个组的淀粉酶活性均达到最大值，分别为0.8243U/mL、0.8350U/mL、0.9504U/mL、1.0490U/mL和0.8171U/mL。其中D组的淀粉酶活性最高，相比对照组A组提高了27.26％。随后开始下降，至反应结束，各个组的淀粉酶活性分别为0.4869U/mL、0.5050U/mL、0.5426U/mL、0.5795U/mL和0.4737U/mL。
由图7(b)可知，各个组的蛋白酶活性也都呈现先上升后下降的趋势，其初始蛋白酶活性均在1.0×10-4U/mL左右。由于蛋白质的分解较为缓慢，因此各个组的蛋白酶活性在反应的第5天才达到最大值，分别为2.7328×10-3U/mL、2.8177×10-3U/mL、3.6671×10-3U/mL、4.7972×10-3U/mL和2.9671×10-3U/mL。其中D组的蛋白酶活性最高，相比对照组A组提高了75.54％。随后开始下降，至反应结束，各个组的蛋白酶活性分别为2.1191×10-3U/mL、2.2356×10-3U/mL、2.5520×10-3U/mL、2.9342×10-3U/mL和2.3520×10-3U/mL。
Claims (5)
1.一种提高餐厨垃圾高固态发酵产沼气的方法，其特征在于，是将经耐丁酸驯化培养后的厌氧污泥接种餐厨垃圾，进行高固态厌氧发酵产沼气；所述耐丁酸驯化培养，是向厌氧污泥中间歇添加用量逐渐增加的丁酸钠。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，驯化过程中还向厌氧污泥中添加适量碳源和无机盐。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述耐丁酸驯化培养是将200g污泥、20mL营养液、1.5g葡萄糖混合，并补加去离子水获得500mL体系，在驯化过程中，每隔2天向体系中添加葡萄糖及丁酸钠，每次添加1.5g葡萄糖，丁酸钠的用量从4g/L按2g/L的梯度增加至8或10g/L。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述营养液按g/L计，含CO(NH2)2 1.24，NaHCO3 40，NaH2PO4·2H2O 5，K2HPO4·3H2O 5，FeSO4·7H2O 15，MgCl2·6H2O0.085，MnSO4·3H2O 0.08，NiCl2·6H2O 0.004。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高固态厌氧发酵产沼气的反应体系温度为55±2℃，TS为15％，餐厨垃圾与接种污泥的TS比为1:1，并进行间歇搅拌，搅拌速度为50～80r/min，初始pH调节为8±0.5，反应过程中不调节pH，并且添加碳酸氢钠缓冲溶液1000～1500mg/L。
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