CN105296547A

CN105296547A - 一种强化餐厨垃圾/污泥共发酵产挥发性脂肪酸的方法

Info

Publication number: CN105296547A
Application number: CN201510746163.9A
Authority: CN
Inventors: 赵由才; 周涛; 牛冬杰; 柴晓利; 李阳; 李杭芬
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-02-03

Abstract

本发明涉及一种强化餐厨垃圾/污泥共发酵产挥发性脂肪酸的方法，A，将餐厨垃圾压榨后剔除骨头，按照质量比量取餐厨垃圾：自来水＝1：1，然后混合，并搅碎，得到餐厨垃圾浆液；B，污泥取自污水处理厂二沉池；C，按照体积比量取餐厨垃圾浆液：污泥＝2：3，将它们加到有效体积为500mL的发酵罐中，调节并维持发酵罐中的pH为5.50～6.50，在室温下进行厌氧发酵；D，用电压为0.3V～1V微电场定期刺激厌氧发酵体系，144～192h完成微电场刺激餐厨垃圾和污泥共厌氧发酵产挥发性脂肪酸。本发明工艺简单、成本低廉，能有效提高挥发性脂肪酸的产率，克服餐厨垃圾单独厌氧发酵过度酸化且产率低的问题，具有较高的经济与社会环境效益。

Description

一种强化餐厨垃圾/污泥共发酵产挥发性脂肪酸的方法

技术领域

本发明涉及一种强化餐厨垃圾/污泥共发酵产挥发性脂肪酸的方法，属于餐厨垃圾和污泥无害化处理和资源化利用技术领域。

背景技术

餐厨垃圾主要来源于食物加工厂、生活垃圾、商用厨房、自助餐店和饭店等。在亚洲国家，2005～2025年间，城市中产生的餐厨垃圾将从每年的2.78亿吨增加到4.16亿吨。在我国，城镇餐厨垃圾产量也急剧增加，如上海、香港生活垃圾产量分别达到1300t/d和3200t/d，其中餐厨垃圾是主要组成成分。餐厨垃圾具有高含水率、高有机质等特点，易使生活垃圾腐败，产生二次污染。因此，餐厨垃圾合理的资源化处置对城市生活具有重要意义。至今为止，关于餐厨垃圾无害化处理和资源化利用方面，厌氧发酵被认为是最具有成效的处理技术。厌氧发酵是一系列厌氧微生物在无氧的条件下，将有机质分解为生物气(CH₄、CO₂)和富氮残渣的方法，以此获取沼气和氢气等能源。餐厨垃圾厌氧发酵经历水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段，挥发性脂肪酸(VolatileFattyAcids，简称VFA)是发酵过程的必然产物。VFA是一种被广泛使用的碳源，可以用于污水处理厂氮磷的去除、生产可生物降解塑料、合成生物气和PHAs以及用于发电等。然而，目前VFA主要通过化学合成方法从化石燃料中提取获得，这种方法不仅消耗了大量稀缺不可再生资源，且获得VFA成本过高。因此，有机物的厌氧发酵近年来被认为是生产VFA的可替代方法。餐厨垃圾中有机质含量高、营养丰富等特点，使其成为厌氧发酵生产VFA的理想底物。影响餐厨垃圾厌氧发酵产VFA的影响因素很多，其中pH、C/N、接种物在厌氧发酵产VFA过程中起到很大作用。目前，关于强化餐厨垃圾厌氧发酵产VFA的方法主要集中在向发酵基质中添加非离子表面活性剂，如中国专利《利用餐厨垃圾生产短链挥发性脂肪酸的方法及短链挥发性脂肪酸》(授权公告号CN104498541A，授权公告日2015.04.08)提供了一种利用在搅拌条件下，向发酵基质中添加烷基多苷，实现了餐厨垃圾的减量化、资源化和无害化处理，获得了较高产率的挥发性脂肪酸。中国专利《一种超声/酸处理强化餐厨垃圾厌氧发酵产酸的方法》(授权公告号CN103923951A，授权公告日2014.07.16)提供了一种利用超声和酸破解餐厨垃圾，使固相中的有机物最大程度地释放到液相中，提高发酵过程中挥发性脂肪酸的产量。本课题组在前期也研究了利用外加菌种提高餐厨垃圾厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸的产量以及乙酸的比例(中国专利，申请号CN201410073745.0)。但是关于电刺激促进微生物生长，强化微生物酶活性代谢，提高餐厨垃圾和污泥共厌氧发酵产挥发性脂肪酸的方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有餐厨垃圾或污泥单独厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸产量不高的问题，提供一种微电刺激餐厨垃圾和污泥共厌氧发酵产挥发性脂肪酸的方法，该方法具有投资运行成本较低、工艺流程简单易行等优点。

为了达到上述目的，本发明用富含大量蛋白质的污泥，将餐厨垃圾与污泥共同厌氧发酵，如此不仅能够平衡C/N，同时污泥可以作为接种物，增加厌氧体系中VFA的产出，同时，选择合适的pH能抑制产甲烷菌的活性，使体系内VFA的产量积累，而且用微电刺激强化餐厨垃圾和污泥共厌氧发酵使挥发性脂肪酸产量提高30％以上。

具体工艺如下：

A，取压榨后的餐厨垃圾，剔除骨头，与自来水按质量比为1：1混合并用电搅拌机搅碎，得到餐厨垃圾浆液；

B，污泥取自污水处理厂二沉池；

C，将餐厨垃圾浆液与污泥按照体积比为2：3加到有效体积为500mL的发酵罐进行厌氧发酵；厌氧发酵过程中维持pH为5.50～6.50，厌氧发酵是在室温下进行的。

D，采用电压为0.3V～1V微电场定期刺激厌氧发酵体系，经过144～192h完成微电场刺激餐厨垃圾和污泥共厌氧发酵产挥发性脂肪酸。

所述步骤D定期刺激发酵体系是指厌氧发酵前4d，每隔24h向厌氧发酵体系施加0.3V、0.5V、1V电压，电压刺激时间为5min/次。

所述步骤A餐厨垃圾浆液TS为11.27±0.08％，VS为10.11±0.05％，TCOD为189.6±6.3g/L，SCOD为56.2±4.2g/L，pH为5.32±0.02，4℃下静置12h，去除浮油后，备用。

所述步骤B污泥TS为1.06±0.01％，VS为0.75±0.01％，TCOD为7456±230mg/L，SCOD为169.6±10.2mg/L，pH为6.34±0.02，4℃下保存，备用。

所述发酵罐为圆柱形有机玻璃，有效体积为500mL，内置与电源连接的正负两个极板，极板为市售型号为HCP330的碳布，极板规格为30mm*30mm*0.36mm。

本发明的优点和效果是：

1，由于本发明的发酵体系进行0.3V～1V微电场刺激，因此，与不进行微电场刺激的同等工艺条件的发酵体系相比，本发明的微生物的活性大，体系内水解酸化产生的VFA产量提高30％以上。

2，由于本发明将餐厨垃圾与污泥共同厌氧发酵，不仅能够平衡C/N，同时污泥可以作为接种物，增加厌氧体系中VFA的产出，同时，选择合适的pH能抑制产甲烷菌的活性，使体系内VFA的含量高。

附图说明

图1为本发明不同电压的微电场刺激挥发性脂肪酸的含量随时间的变化曲线图。

图中代表电压0V时厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸含量随反应时间的变化曲线；代表电压为0.3V时厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸含量随反应时间的变化曲线；代表电压为0.5V时厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸含量随反应时间的变化曲线；代表电压为1V时厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸含量随反应时间的变化曲线。

图2为本发明餐厨垃圾和污泥共厌氧发酵过程中溶解性蛋白质含量随反应时间的变化曲线图。

其中，代表电压0V时厌氧发酵过程中溶解性蛋白含量随反应时间的变化曲线；

代表电压为0.3V时厌氧发酵过程中溶解性蛋白含量随反应时间的变化曲线；

代表电压为0.5V时厌氧发酵过程中溶解性蛋白含量随反应时间的变化曲线；

代表电压为1V时厌氧发酵过程中溶解性蛋白含量随反应时间的变化曲线。

图3为本发明餐厨垃圾和污泥共厌氧发酵过程中氨氮含量随反应时间的变化曲线图。

其中，代表电压为0V时厌氧发酵过程中氨氮含量随反应时间的变化曲线；

代表电压为0.3V时厌氧发酵过程中氨氮含量随反应时间的变化曲线；

代表电压为0.5V时厌氧发酵过程中氨氮含量随反应时间的变化曲线；

代表电压为1V时厌氧发酵过程中氨氮含量随反应时间的变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明进行进一步详细说明。

取4个圆柱形有机玻璃发酵罐，每个发酵罐有效体积为500mL，内置正、负两个极板，极板为市售碳布(HCP330)，极板规格为30mm*30mm*0.36mm。

A，取上海市某学校食堂压榨后的餐厨垃圾，剔除骨头，与自来水按重量1：1混合并用电搅拌机搅碎，得到餐厨垃圾浆液；

B，污泥取自上海市某污水处理厂二沉池；

C，将步骤A中的餐厨垃圾浆液与步骤B中的污泥按照体积比2：3加到有效体积为500mL的4个发酵罐进行厌氧发酵；用3mol/L的KOH和3mol/LH₂SO₄溶液维持厌氧发酵体系的pH为5.50～6.50，发酵处理是在室温下进行的。

D，对步骤C中所描述的发酵体系进行微电场刺激，厌氧发酵前4d，每隔24h分别向4个发酵罐施加0V、0.3V、0.5V、1V电压，电压刺激时间为5min/次，完成微电场刺激餐厨垃圾和污泥共厌氧发酵产挥发性脂肪酸。分别对4个发酵罐检测发现发酵过程中产挥发性脂肪酸如图1所示，直流电压的施加对微生物的活性产生刺激作用，从而影响发酵体系的产酸量。从图1中可看出，给予发酵体系0.5V的微电刺激时，微生物的活性最大，因此体系内水解酸化产生的VFA含量最高，发酵进行144h时，VFA浓度达到最大为24342mg/L，比发酵罐施加0V的空白组分别提高了30.8％，且比空白组提前达到发酵产酸最大值，缩短发酵产酸时间；图2为实施例所示餐厨垃圾和污泥共厌氧发酵过程中溶解性蛋白质含量随反应时间的变化曲线图，由图2可以看出，随着发酵时间的延长，溶解性蛋白质的浓度呈现先增加后降低的现象。发酵结束时(192h)，外加电压为0.5V实验体系中溶解性蛋白质浓度为0.95g/L，低于空白组1.21g/L，说明0.5V微电刺激有利于微生物对溶解性蛋白质的降解。图3为实施例所示餐厨垃圾-污泥共厌氧发酵过程中氨氮含量随反应时间的变化曲线图。随着厌氧发酵的进行，餐厨垃圾和污泥中的蛋白质首先水解成氨基酸，然后进一步变成氨氮、CO₂和VFA。因此，餐厨垃圾和污泥在水解和酸化过程中有大量的铵释放出来，氨氮浓度也通常被用来评价蛋白质的降解程度。由图3可以看出，发酵过程中，发酵液中氨氮浓度逐渐增高。第192h，0.5V微电场激中氨氮浓度最大，达到668.9mg/L，说明此电场刺激下，有利于微生物的活性，增快蛋白质降解速率。

总之，本实施方式通过外加微电刺激餐厨垃圾和污泥共厌氧发酵能够有效地提高餐厨垃圾和污泥体系的水解效率，使发酵液中溶解性有机物含量显著提高，有利于产酸微生物将其转化为挥发性脂肪酸，节能降耗，减少了运行成本。

Claims

1.一种强化餐厨垃圾/污泥共发酵产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：

A，将餐厨垃圾压榨后剔除骨头，按照质量比量取剔除了骨头的餐厨垃圾：自来水＝1：1，然后将它们混合，并用电搅拌机搅碎，得到餐厨垃圾浆液；

B，污泥取自污水处理厂二沉池；

C，按照体积比量取餐厨垃圾浆液：污泥＝2：3，将它们加到有效体积为500mL的发酵罐中，调节并维持发酵罐中的pH为5.50～6.50，在室温下进行厌氧发酵；

2.根据权利要求1所述的一种强化餐厨垃圾/污泥共发酵产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：步骤A的餐厨垃圾浆液TS为11.27±0.08％，VS为10.11±0.05％，TCOD为189.6±6.3g/L，SCOD为56.2±4.2g/L，pH为5.32±0.02；餐厨垃圾浆液4℃下静置12h，去除浮油后，备用。

3.根据权利要求1所述的一种强化餐厨垃圾/污泥共发酵产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：所述步骤B污泥TS为1.06±0.01％，VS为0.75±0.01％，TCOD为7456±230mg/L，SCOD为169.6±10.2mg/L，pH为6.34±0.02，4℃下保存，备用。

4.根据权利要求1所述的一种强化餐厨垃圾/污泥共发酵产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：所述发酵罐为圆柱形有机玻璃，有效体积为500mL，内置与电源连接的正、负两个极板，极板为市售碳布，碳布型号为HCP330，极板规格为30mm*30mm*0.36mm。

5.根据权利要求1所述的一种强化餐厨垃圾/污泥共发酵产挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：所述步骤D定期刺激发酵体系是指厌氧发酵前4d，每隔24h向厌氧发酵体系施加0.3V、0.5V、1V电压，电压刺激时间为5min/次。