CN105524945A - 一种提高餐厨垃圾连续厌氧消化氨氮耐受性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高餐厨垃圾连续厌氧消化氨氮耐受性的方法，属于固体废弃物生物处理技术、环保净化处理技术领域。本发明方法是采用原位控制反应器内氨氮浓度的方式，逐步梯度提高氨氮的负荷，对产甲烷体系进行氨氮耐受性驯化。经过驯化后，餐厨垃圾厌氧消化体系对氨氮的耐受性有较大提高，在氨氮浓度达到4500mg/L左右时，厌氧消化体系产甲烷活性较高，单位干重餐厨垃圾的沼气产量约为60m3/kgTS。

Description

一种提高餐厨垃圾连续厌氧消化氨氮耐受性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高餐厨垃圾连续厌氧消化氨氮耐受性的方法，属于固体废弃物生物处理技术、环保净化处理技术领域。
背景技术
餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，随着人们生活水平的提高和城镇化进程的推进，我国餐厨垃圾的产量迅速增加，2012年达1.1亿吨。餐厨垃圾是典型的城市有机废弃物，富含碳水化合物、蛋白质、纤维素等有机质，具有含水率高、易腐烂等特点；若处理不当，会产生不利的环境影响，尤其会引起温室气体排放问题。与传统的堆肥、填埋、焚烧等技术相比，厌氧发酵更具有优势。厌氧发酵产沼气既能对固体有机废弃物进行无害化、减量化处理，又能产生清洁能源进行资源化利用；同时发酵残渣因含有大量氮、磷，是很好的有机肥料，可用于农业生产。同时，世界范围内的疯牛病及其他诸如猪流感、禽流感、口蹄疫等流行性疾病的爆发，表明利用含有动物蛋白的餐厨垃圾作为饲料喂养反刍类动物及其它家禽，并非明智的选择。因此，通过厌氧发酵技术处理餐厨垃圾是目前最为合适的处理方式之一。
但是，目前餐厨垃圾的连续厌氧消化存在技术缺陷，因餐厨垃圾中含量大量的蛋白质，其分解代谢产生大量高浓度氨氮。有机物生物降解产生氨氮的量可以由化学计量式(1)进行估算。
C a H b O c N d + 4 a - b - 2 c + 3 d 4 H 2 O → 4 a + b - 2 c - 3 d 8 CH 4 + 4 a - b + 2 c + 3 d 8 CO 2 + dNH 3 - - - ( 1 )
由于氮是厌氧微生物必须的营养元素，一般认为，氨质量浓度低于200mg/L时对厌氧消化过程是有利的；Gerardi等指出，当发酵液pH值低于7.2，氨氮质量浓度低于1500mg/L时不会引起氨氮抑制；氨氮质量浓度在200-1000mg/L时，对厌氧消化反应的微生物没有不利影响；而较高氨氮质量浓度时，对产甲烷微生物(古菌类)有强烈的抑制作用，会引起“氨中毒”，从而导致多种微生物协同作用的厌氧消化串联代谢过程失衡，中间代谢产物如挥发性脂肪酸(VFAs)大量积累，积累的中间代谢产物进一步影响了厌氧消化系统内的微生态环境。氨氮和挥发性脂肪酸的双重抑制及pH的变化往往会导致厌氧消化系统处于“抑制型假稳态”(inhibitedpseudo-steadystate)状态，虽运行稳定，但甲烷产量极低。目前，根据文献报道，关于氨氮对产甲烷菌的主要抑制机理是：氨氮包括氨(NH3，亦称游离氨或非离子氨)和铵(NH4 +)。因自由氨呈脂溶性，具有细胞膜自由渗透性，可通过被动扩散的方式进入细胞，引起细胞质酸化、质子不平衡及K+的流失等。除了自由氨的影响，铵根离子也可能会直接抑制甲烷合成酶的活性。但是与铵根离子相比，自由氨对厌氧微生物的毒性更大。氨氮抑制的另一原因是细胞内氨和α-酮戊二酸会发生胺化反应。α-酮戊二酸是谷氨酸脱氨基的酮酸产物，是微生物三羧酸循环代谢中重要的中间产物，位于异柠檬酸之后及琥珀乙酰辅酶A之前。其主要作用之一是结合细胞中形成的N素，防止细胞中氮素的过渡积累，为来自系统的氨解毒。而过多的氨会导致三羧酸循环氨基酸代谢库中α-酮戊二酸消失，从而引起有机化合物新陈代谢的困难。
因此富含蛋白质的有机废弃物如餐厨垃圾、食品加工厂废弃物及富含蛋白质和氨基酸的动物粪便如猪粪、牛粪、家禽粪便等在厌氧消化处理过程中，经常面临严重的氨氮抑制问题。目前，氨氮在厌氧发酵过程中对产甲烷菌有强烈的抑制性已被广泛认同，但抑制程度因反应器类型、发酵底物、接种物、运行条件等因素的不同而存在较大差异。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种能提高餐厨垃圾连续厌氧消化氨氮耐受性的方法。
本发明方法，是在连续厌氧反应器中接种产甲烷厌氧污泥，以餐厨垃圾作为底物进行连续厌氧消化反应；在厌氧消化反应过程中梯度提高原位氨氮的负荷，对厌氧消化体系进行氨氮适应性驯化，提高了产甲烷菌对氨氮的耐受性。
原位氨氮负荷是指氨氮的浓度是由底物餐厨垃圾自身分解产生的，不是外源添加的。
在本发明的一种实施方式中，所述连续厌氧消化反应是在有机负荷为2kgTS/m3/d、发酵温度为中温35-37℃的条件下进行。
在本发明的一种实施方式中，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指控制反应器内氨氮的浓度每20-40天提高400-600mg/L。
在本发明的一种实施方式中，所述控制反应器内氨氮的浓度是通过控制出料的体积来实现的。
在本发明的一种实施方式中，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指分为5个阶段进行提高；在第一阶段控制氨氮平均浓度在2250-2450mg/L、第二阶段控制在2650-2850mg/L、第三阶段控制在3250-3450mg/L、第四阶段控制在3650-3850mg/L、第五阶段控制在4200-4400mg/L。
在本发明的一种实施方式中，所述第一阶段是指厌氧消化反应的第0-20天，第二阶段是指厌氧消化反应的第21-50天，第三阶段是指厌氧消化反应的第51-80天，第四阶段是指厌氧消化反应的第81-120天，第五阶段是指厌氧消化反应的第121-160天。
在本发明的一种实施方式中，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是在第一阶段(0-20天)控制氨氮的平均浓度为2341mg/L、第二阶段(21-50天)控制氨氮的平均浓度为2729mg/L、第三阶段(51-80天)控制氨氮的平均浓度为3312mg/L、第四阶段(81-120天)控制氨氮的平均浓度为3773mg/L、第五阶段(121-160天)控制氨氮的平均浓度为4293mg/L。
在本发明的一种实施方式中，所述连续厌氧消化反应是在50L的连续搅拌厌氧反应器中进行；反应器主要包括有效体积为50L的不锈钢发酵罐一个；控温系统一套，多组伴热带进行加热，有控温系统控制反应器的温度。pH检测系统一套，包括pH探头和传感器一套；搅拌系统一套，包括搅拌机、减速机及密封装置等；自动进料装置一套，包括水平垂直方向两个螺旋输送器；控制面板及数据传输系统。
在本发明的一种实施方式中，餐厨垃圾和产甲烷厌氧污泥的性质如表1所示。
本发明还提供一种利用餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的方法，是在连续厌氧反应器中接种产甲烷厌氧污泥，以餐厨垃圾作为底物进行连续厌氧消化反应；在厌氧消化反应过程中梯度提高原位氨氮的负荷。
所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指控制反应器内氨氮的浓度每20-40天提高400-600mg/L。
所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指分为5个阶段进行提高；在第一阶段控制氨氮平均浓度在2250-2450mg/L、第二阶段控制在2650-2850mg/L、第三阶段控制在3250-3450mg/L、第四阶段控制在3650-3850mg/L、第五阶段控制在4200-4400mg/L。
所述利用餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的方法，与前面所提的提高餐厨垃圾连续厌氧消化氨氮耐受性方法的控制条件一样。
本发明的有益效果：
1、餐厨垃圾是典型的城市有机废弃物，通过厌氧消化产沼气技术进行处理，既能对餐厨垃圾进行无害化、减量化处置，又能产生清洁能源，实现资源化利用；而且发酵沼渣含有大量氮、磷，是很好的有机肥料，可用于农业生产。
2、通过梯度提高原位氨氮负荷的方式，逐步提高了厌氧消化系统及厌氧污泥对氨氮的耐受性。驯化后较驯化前，厌氧消化体系统对氨氮的耐受性提高了125％；氨氮对厌氧污泥产沼气活性的半数抑制浓度提高了171％。经过驯化后，餐厨垃圾厌氧消化体系对氨氮的耐受性有较大提高，在氨氮浓度达到4500mg/L左右时，厌氧消化体系产甲烷活性较高，单位干重餐厨垃圾的沼气产量约为60m3/kgTS。
附图说明
图1：连续搅拌厌氧反应器的结构示意图；
图2：驯化过程原位梯度氨氮负荷的设置；
图3：厌氧条件下乙酸氧化为CO2的推测过程；
图4：驯化过程中氨氮及自由氨和pH的变化；
图5：驯化过程中不同氨氮压力下沼气日产量及甲烷含量的变化；
图6：驯化过程中中间代谢产物的变化；
图7：驯化前后厌氧污泥氨氮耐受性的比较。
具体实施方式：
实验装置与材料：利用50L的连续搅拌厌氧反应器，接种产甲烷厌氧污泥，以餐厨垃圾为底物，进行连续厌氧发酵实验。餐厨垃圾和接种污泥具体性质见表1。
表1餐厨垃圾及产甲烷厌氧污泥的性质
50L连续搅拌厌氧反应器的结构如图1所示。反应器主要包括有效体积为50L的不锈钢发酵罐一个；控温系统一套，多组伴热带进行加热，有控温系统控制反应器的温度。pH检测系统一套，包括pH探头和传感器一套；搅拌系统一套，包括搅拌机、减速机及密封装置等；自动进料装置一套，包括水平垂直方向两个螺旋输送器；控制面板及数据传输系统。
氨氮负荷的设置：以餐厨垃圾为底物，有机负荷为2kgTS/m3/d，发酵温度为中温35-37℃，进行连续发酵实验。在连续发酵过程中，由餐厨垃圾中蛋白质分解而产生的氨氮，通过控制出料的量而控制反应器内氨氮的浓度(先测定反应器中的氨氮浓度，然后根据实验要求的氨氮负荷来调节出料的体积，即排出一定体积的上清液，以控制反应器内氨氮浓度负荷处于一定的范围。)，从而实现反应器内梯度氨氮压力的控制，进行氨氮的耐受性驯化研究。氨氮负荷的设置如图2。
指标的分析测定：连续厌氧消化过程中，对沼气中甲烷含量，发酵液中pH、氨氮、VFA等指标均采用国家标准方法分析(表2)。
表2分析项目及方法
发明的技术原理：
产甲烷菌主要有三种类型，嗜乙酸产甲烷菌、嗜氢产甲烷菌和甲基营养型产甲烷菌。其中，以乙酸为底物的甲烷合成途径约占自然界甲烷合成的60％以上，以H2和CO2为底物的甲烷合成途径约占30％左右，甲基营养型途径能利用的底物在自然界中的丰度远低于乙酸和H2/CO2，因而甲基营养型途径只在特定的生态环境中才考虑其影响。
产甲烷菌生活在各种厌氧环境中，甚至在一些极端环境中也存在产甲烷菌，这种适应性是长期进化的结果。同时，产甲烷菌中存在各种机制以调节自身适应环境。比如甲烷八叠球菌，因其基因组中含有大量表达蛋白基因，可以形成具有保护作用的荚膜，可以形成多细胞结构。因此，在不同的生长阶段和不同的环境条件下甲烷八叠球菌处于不同的细胞形态。在胁迫环境下，多细胞结构的形成对提高适应环境能力起到关键作用。它是古细菌中唯一可以形成多细胞结构的物种。它们生活在淡水、海底沉积物、腐败的叶子、土壤、油井、下水道污物、动物排泄物等环境中。一般而言，一种产甲烷菌只有一种甲烷代谢途径，但是具有多细胞结构的甲烷八叠球菌同时含有3种甲烷合成途径，而且至少可以利用9种甲烷合成的底物。
厌氧发酵过程中，产甲烷菌的代谢途径不只有一条，存在多种代谢途径，在一定的胁迫下，代谢途径可能会发生变化，这种变化可能是产甲烷菌适应环境胁迫而做出的一种响应策略。环境因素的变化，如温度、氨氮压力等都可能是导致这种代谢变化的关键因素。如水解酸化的产物乙酸，除了可以通过嗜乙酸产甲烷代谢途径生成甲烷，也可以先被乙酸氧化菌氧化为CO2和H2，进而在通过嗜氢产甲烷代谢途径生成甲烷，同型产乙酸菌也会将CO2和H2转化为乙酸，这些中间代谢作用都可能导致甲烷生成途径的改变。乙酸在微生物的作用下通过互氧乙酸氧化途径分解为CO2的推测过程如图3所示。
首先，乙酸乙酰辅酶A在CO脱氢酶的作用下生成CO和甲基化合物；CO在CO脱氢酶的作用下继续氧化为CO2；而甲基化合物在酶的作用下形成甲酸，进而在甲酸脱氢酶的作用下形成CO2。与好氧乙酸氧化过程不同的是，在此过程中并不存在三羧酸循环。
此外，对于嗜乙酸产甲烷和嗜氢产甲烷菌，多数文献的研究表明，嗜氢产甲烷菌较嗜乙酸产甲烷菌对氨氮的耐受性高。因此在对应氨氮压力时，微生物的群落结构亦会发生变化，由嗜乙酸产甲烷菌为优势菌群向嗜氢产甲烷为优势菌群转变，从而减缓氨氮的抑制作用，提高厌氧消化效率。
具体实施步骤：
在如前所示的反应器中，接种厌氧污泥，以餐厨垃圾作为底物，启动反应器，进行连续厌氧消化。通过控制出料的体积来控制反应器内氨氮的浓度，从而实现氨氮浓度梯度提高。采用气体流量计记录每天的产气量，利用气相色谱测定沼气中的甲烷含量，定期从反应器中采集样品，离心处理后进行指标分析。
从图4可以看出，随着厌氧消化的进行，反应器内的氨氮浓度整体呈上升趋势。在第一驯化阶段(0-20天)、第二驯化阶段(21-50天)、第三驯化阶段(51-80天)、第四驯化阶段(81-120天)及第五驯化阶段(121-160天)范围内，氨氮的平均浓度为2341mg/L、2729mg/L、3312mg/L、3773mg/L和4293mg/L。通过出料体积的控制，可以基本实现预设的氨氮浓度范围。随着氨氮浓度的提高，反应器内的pH也整体呈现上升趋势；同时伴随着pH和总氨氮的上升，自由氨的浓度也有较大的提高，到驯化后期，自由氨的浓度维持在450mg/L左右。
从图5可以看出，在不同的氨氮压力下，平均的沼气日产量基本维持在55-60L/d，其中，甲烷含量约为60-65％。整体来看，沼气日产量及甲烷含量并未随着氨氮负荷的上升而受到影响。这表明该驯化方式较成功，通过梯度提高原位氨氮的负荷，逐步提高了该厌氧体系对氨氮的耐受性。当氨氮负荷在4500mg/L时，产甲烷菌的活性依然很高，进一步说明产甲烷菌已经具备较高的氨氮耐受性。
从图6可以看出，随着连续厌氧消化的进行和氨氮负荷的提高，sCOD和VFAs以及溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质均保持在相对稳定的浓度范围内。其中，sCOD基本维持在6000-8000mg/L范围内；VFAs在450-650mg/L范围内波动；溶解性碳水化合物和蛋白质基本在450-650mg/L和1100-1500mg/L范围内。整体来看，随着氨氮负荷的提高，各种中间代谢产物并未出现积累的现象，说明在氨氮提高过程中，产甲烷菌和水解细菌均保持较高的活性，而水解、酸化、产乙酸及产甲烷过程等并未受到氨氮的抑制，进一步说明该厌氧消化体系对氨氮的耐受性得到提高，本驯化策略是切实可行的。
从图7可以看出，驯化前后，厌氧污泥对氨氮的耐受性有较大提高。采用以下方法测定半数抑制浓度(即抑制厌氧污泥产沼气潜力达50％时对应的氨氮浓度)：测定时以厌氧污泥为接种物，设置不同的氨氮浓度，以葡萄糖为厌氧消化底物，通过沼气的产量分析沼气产量下降50％时对应的氨氮浓度，即氨氮对厌氧污泥产沼气活性的半数抑制浓度。结果显示，驯化前，氨氮对厌氧污泥产沼气活性的半数抑制浓度在3500mg/L左右；而驯化后，氨氮对厌氧污泥产沼气活性的半数抑制浓度提高至9500mg/L左右，提高了171％。驯化前后厌氧污泥对氨氮的耐受性的提高，进一步说明本驯化策略切实可行且效果显著。

Claims (10)

1.一种提高餐厨垃圾连续厌氧消化氨氮耐受性的方法，其特征在于，所述方法是在连续厌氧反应器中接种产甲烷厌氧污泥，以餐厨垃圾作为底物进行连续厌氧消化反应；在厌氧消化反应过程中梯度提高原位氨氮的负荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指控制反应器内氨氮的浓度每20-40天提高400-600mg/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指分为5个阶段进行提高；在第一阶段控制氨氮平均浓度在2250-2450mg/L、第二阶段控制在2650-2850mg/L、第三阶段控制在3250-3450mg/L、第四阶段控制在3650-3850mg/L、第五阶段控制在4200-4400mg/L。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一阶段是指厌氧消化反应的第0-20天，第二阶段是指厌氧消化反应的第21-50天，第三阶段是指厌氧消化反应的第51-80天，第四阶段是指厌氧消化反应的第81-120天，第五阶段是指厌氧消化反应的第121-160天。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是在厌氧消化反应的第0-20天控制氨氮的平均浓度为2341mg/L、第21-50天控制氨氮的平均浓度为2729mg/L、第51-80天控制氨氮的平均浓度为3312mg/L、第81-120天控制氨氮的平均浓度为3773mg/L、第121-160天控制氨氮的平均浓度为4293mg/L。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述连续厌氧消化反应是在有机负荷为2kgTS/m3/d、发酵温度为中温35-37℃的条件下进行。
7.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述控制反应器内氨氮的浓度是通过控制出料的体积来实现的。
8.一种利用餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于，所述方法是在连续厌氧反应器中接种产甲烷厌氧污泥，以餐厨垃圾作为底物进行连续厌氧消化反应；在厌氧消化反应过程中梯度提高原位氨氮的负荷。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指控制反应器内氨氮的浓度每20-40天提高400-600mg/L。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述梯度提高原位氨氮的负荷，是指分为5个阶段进行提高；在第一阶段控制氨氮平均浓度在2250-2450mg/L、第二阶段控制在2650-2850mg/L、第三阶段控制在3250-3450mg/L、第四阶段控制在3650-3850mg/L、第五阶段控制在4200-4400mg/L。
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