CN109536535B - 厌氧消化白菜废弃物的启动方法及处理白菜废弃物的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种厌氧消化白菜废弃物产甲烷上的生物反应器启动方法，及其在厌氧消化白菜废弃物产甲烷上的应用，该方法利用连续搅拌反应器在50‑55℃条件下，以白菜废弃物作为原料启动厌氧反应器。利用梯度增加厌氧消化有机负荷的方式，逐渐提高白菜废弃物投料量。经过200‑250天上的富集培养，获得厌氧消化性能较好厌氧消化液，最大的沼气产期效率，为384.7 mL/g白菜干物质。该厌氧消化液能够有效分解白菜和滤纸物质，对白菜干重和滤纸的分解率分别达到72.6±1.1%和91.4±2.4%（质量分数）。

Description

厌氧消化白菜废弃物的启动方法及处理白菜废弃物的应用
技术领域
本发明涉及一种厌氧消化白菜废弃物产甲烷上的生物反应器的启动方法及其在处理白菜废弃物上的应用。
背景技术
白菜作为产量最为丰富的蔬菜之一，在我国，每年产量约为1.1×108吨。白菜在收获、运输以及在销售过程中，部分白菜叶被剥离，由此产生大量的白菜废弃物。据统计，在整个过程中，白菜总重量的30%将作为废弃物被遗弃。大量囤积的白菜废弃物存在污染空气、地下水源等风险，对环境造成巨大压力。
另一方面，白菜废弃物也是一个重要生物质资源，可以通过厌氧消化途径转化为沼气，生产生物能源。
然而，由于白菜废弃物含水量较高，达90%以上，且含有丰富的糖类、蛋白等易分解物质，还含有木质纤维素等成分，导致白菜在厌氧消化过程中，因易分解物质的快速分解，厌氧消化液快速酸化，pH下降。厌氧消化反应因消化液酸化而失败。导致白菜废弃物难以快速转化为生物沼气等能源物质，限制白菜废弃物资源化再利用。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种厌氧消化白菜废弃物产甲烷上的生物反应器启动方法，并应用于处理白菜废弃物生产沼气。
一种厌氧消化白菜废弃物产甲烷上的生物反应器启动方法，包括如下步骤：
（1）将纤维素分解菌群WDC2培养液，环境菌群注入搅拌反应器中，加水至反应器的3/4-4/5处，得到厌氧消化种子液；
（2）将白菜废弃物添加至上述厌氧消化种子液中，根据反应器pH状况，梯度增加投料量，在温度为50-55℃下进行厌氧消化反应200-250天，厌氧消化期被启动。
进一步优选方式为该方法中包括，将1-4 升纤维素分解菌群WDC2培养液，6-10L环境菌群被注入50-70L连续搅拌反应器 (Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)，加水至40-60L，以此作为厌氧消化菌液，以白菜废弃物为原料，设定温度为50-60℃，启动厌氧反应器。
进一步优化厌氧消化液，具体为，将2 升纤维素分解菌群WDC2培养液，8L环境菌群被注入64L连续搅拌反应器 (Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)，加水至50L，以此作为厌氧消化液。将所述的白菜废弃物（取自于市场、超市废弃白菜，切成1cm小段），投料进入厌氧反应器。设定反应器温度为52℃。
厌氧反应器启动过程为，厌氧反应器运行后，根据反应器的内的混合物的pH状况，每2-3天投料一次，提高投料量，提高厌氧反应器的有机负荷，使有机负荷在35-45天内，从1.0-3.0 g/(L·d)，逐步提高到8.0-12.0 g/(L·d)。设定CSTR采用间歇式搅拌方式，即搅拌泵以80-120 rpm，搅拌8-10s，停止，间歇15-25s后，再以80-120rpm搅拌8-10s，再间歇15-25s，如此反复循环。
进一步优化厌氧反应器启动过程，具体为，厌氧反应器启动后，根据反应器的pH状况，约每3天投料一次，逐渐提高投料量，提高厌氧反应器的有机负荷，使有机负荷在40天内，从2.0 g/(L·d)，逐步提高到10.1 g/(L·d)。设定CSTR采用间歇式搅拌方式，即100rpm，搅拌10s，停止，间歇20s后，再以100rpm搅拌10s，再间歇20s，如此反复循环。
厌氧反应器启动后，保持恒定的白菜废弃物投料量，维持消化液有机负荷水平在10-11 g/(L·d)，优选为10.1 g/(L·d)。
采用本发明的技术方案，厌氧反应器启动后，保持恒定的白菜废弃物投料量，维持消化液有机负荷水平在10-11g/(L·d)，优选为10.1 g/(L·d)。可是厌氧反应器持续、稳定处理白菜废弃物。
该方法在白菜废弃物厌氧消化产甲烷上的应用。厌氧消化液在厌氧反应器启动81天后稳定，白菜废弃物加入量的有机负荷为10.1 g/(L·d)时，获得最大的沼气产期效率，为384.7 mL/g白菜干物质。该厌氧消化液能够有效分解白菜和滤纸物质，对白菜（干重）和滤纸的分解率分别达到72.6 ± 1.1 % 和 91.4 ± 2.4%（质量分数）。
附图说明
图1.CSTR厌氧反应器装置，其中，1.控制系统，2.进料口，3.泵，4.出气孔，5.厌氧消化罐，6.缓冲瓶，7.流量计。
图2. 厌氧消化过程中产气量变化。
图3.沼气中甲烷含量变化。
图4.厌氧消化过程中pH变化。
图5.厌氧消化过程中COD的变化。
图6.厌氧消化过程中对白菜废弃物和滤纸的分解能力。
具体实施方式
实施例1
将2 升纤维素分解菌群WDC2培养液，8L环境菌群（池塘沉积物底泥（取自湖北宜昌三峡大学“求索溪”）、牛粪（湖北宜昌枝江市郊区）、秸秆（油菜）厌氧消化液按质量比1：1：1混合）被注入64L连续搅拌反应器 (Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)，见图1。加水至50L，以此作为厌氧消化菌液。将所述的白菜废弃物（取自于市场、超市废弃白菜，白菜废弃物含水量大于94.9%，C/N为17.5，切成1cm小段），投料进入厌氧反应器。设定反应器温度为52℃。
厌氧反应器启动后，设定CSTR采用间歇式搅拌方式，即100 rpm，搅拌10s，停止，间歇20s后，再以100rpm搅拌10s，再间歇20s，如此反复循环；根据pH状况，约每3天投料一次，逐渐提高投料量，提高厌氧反应器的有机负荷，使有机负荷在40天内，从2.0 g/(L·d)，逐步提高到10.1 g/(L·d)，之后在温度为52℃下进行厌氧消化反应240天，保持恒定的白菜废弃物投料量。及此，CSTR厌氧消化反应器被成功启动并可维持在有机负荷10.1 g/(L·d)稳定产气。
实施例2
厌氧消化白菜废弃物的产气量变化
白菜废弃物在厌氧发酵过程中，产气量被监测。厌氧反应器的出气孔连接缓冲瓶，并链接至湿式气体流量计（LML-1，衡水祥盛国丰科技有限公司），记录厌氧反应器产气状况。
结果显示，厌氧反应器被启动以后，产气量呈波动式，逐步提高。厌氧反应器在启动后，投料的有机负荷在40天内被梯度提升至10.1g/(L·d) ，之后，保持10.1g/(L·d)的有机负荷，运行至第240天。厌氧消化反应体系在此阶段能够维持稳定产气，在反应器运行的213天到231天，产气量达到最大阶段，平均产期效率为384.7 mL/g 白菜干物质。
实施例3
厌氧消化白菜废弃物过程中沼气甲烷含量变化特征
白菜在厌氧消化过程中，产生沼气中的甲烷含量利用气相色谱进行检测。具体方法为，甲烷检测使用气相色谱（天美，7890F型），色谱柱为填充柱GDX-502，色谱运行条件为：柱温50℃、进样口50℃、检测器温度150℃，进样量为100μL待测气体，使用FID检测器进行检测。每瓶样品检测重复3次。以高纯度甲烷（99%）为标准气体，获得标准曲线，利用外标法，检测样品甲烷浓度。
沼气中的甲烷是厌氧消化过程中，厌氧消化菌群中的产甲烷古菌转化小分子有机酸或氢/二氧化碳等物质而产生的。甲烷具有良好的燃烧性能，决定了沼气的使用价值。在本发明中，沼气中的甲烷含量从厌氧反应器启动开始，甲烷的含量逐步提高。标明厌氧消化体系内产甲烷古菌的正逐渐提高丰度并趋于稳定。当有机负荷提高至10.1g/(L·d)阶段后，厌氧消化体系中释放的甲烷含量也趋于最高阶段并逐渐稳定，甲烷含量在80%左右。
实施例4
厌氧消化过程中pH变化
pH常作为检测厌氧消化过程中，厌氧反应体系是否正常运行的一个重要参数，当pH降低到7.0以下时，表明厌氧消化体系具有酸化的趋势，需要及时调节系统pH，保证厌氧消化反应进行。
在本发明中pH被监测，具体方法为，100ml厌氧发酵液从正在运行的厌氧反应其中获取，冷却至室温，利用pH计（PHS-3C pH 计 (上海仪电科学仪器股份有限公司，上海)检测。
结果标明，在厌氧消化启动阶段，随着投加有机负荷的增高，厌氧发酵体系逐渐趋于酸化，并接近7.0。之后，厌氧发酵菌群逐渐适应投料的有机负荷，pH逐渐升高，当有机负荷提高至10.1g/(L·d)后（反应器运行的40天），pH恢复至7.5左右，反应器运行状态良好。随着厌氧消化的不断运行，虽然pH呈现逐渐下降趋势，但体系pH保持在7.0以上，消化液为酸化，表明本发明的方法对10.1g/(L·d)的有机负荷加料量能够进行稳定厌氧消化反应，并生产沼气。
实施例5
厌氧消化过程中COD的变化
在本发明中，厌氧消化过程，厌氧消化液中的化学需氧量（COD）被监测。具体方法为，2 mL的厌氧消化液被稀释至合适的浓度， 1mL 0.5 M K2Cr2O7 和 3 mL强酸溶液(Ag2SO4和 H2SO4, 按质量、体积比(M/V)=1/100混合) 加入到消解管中，160°C消解10 min，使用自动消解仪 (6B-12 type, 盛奥华，江苏)。冷却后，样品在600 nm处检测吸光值，通过吸光值-浓度标准曲线，计算消化液中COD浓度。
COD可以反应厌氧消化也中有机物质的含量。间接反应厌氧消化菌群净化水体内有机物质的能力。本发明中，在启动阶段，厌氧消化液中COD含量比较高，厌氧消化体系内菌群结构在不断调整。在不断的定向驯化压力下，菌群逐渐提高了COD的分解能力，在40天后，厌氧消化菌群处理COD能力加强，厌氧消化也中COD的含量下降，并逐步下降到1000mg/L一下。随着菌群不断稳定和能力不断提升。在反应器运行的第174到231天，厌氧消化体系内的COD值下降到447-647mg/L之间。本发明的方法能够有效处理白菜废弃物，并将其分解的有机物质分解转化为甲烷等气体。
实施例6
厌氧消化液对白菜及滤纸的分解能力分析
白菜废弃物中除还有糖、蛋白等易分解物质外，还含有木质纤维素等物质，其木质纤维素成分是白菜废弃物中除水分含量以外的第一大量有机物质成分。因此白菜废弃物中木质纤维素分解将影响白菜转化为沼气产率。
本发明中厌氧消化液对白菜、滤纸等的分解能力进行检测。通过白菜的减重分析，考查厌氧消化液分解白菜的能力。对滤纸减重，考查厌氧消化也对纤维素类物质的分解能力。
检测方法为，对白菜废弃物：300mg（干重）白菜废弃物被切成1cm小段，投放入含50ml厌氧消化液的100ml三角瓶中，50℃静止培养7天。实验做6次重复。分布在培养的第3天和7天分别各取3个重复，滤纸过滤，检测白菜分解的残留量。对滤纸：500mg的滤纸投放入含50ml厌氧消化液的100ml三角瓶中，50℃静止培养7天。实验做6次重复。分布在培养的第3天和7天分别各取3个重复，利用新滤纸过滤，检测滤纸分解的残留量。
结果标明，厌氧消化液能够分解白菜和滤纸，分解主要集中在培养的前3天，对白菜的分解率为53.45%（3天）和72.58%（7天）。对滤纸的分解率为57.21%（3天）和91.43%（7天）。

Claims (8)

1.厌氧消化白菜废弃物的启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将纤维素分解菌群WDC2培养液，环境菌群注入搅拌反应器中，加水至反应器的3/4-4/5处，得到厌氧消化种子液，所述的环境菌群为池塘沉积物底泥、牛粪、秸秆厌氧消化液经混合后的混合液；
（2）将白菜废弃物添加至上述厌氧消化种子液中，根据反应器内混合物的pH状况，增加投料量，在温度为50-55℃下进行厌氧消化，即完成白菜废弃物厌氧消化的启动。
2.根据权利要求1所述的厌氧消化白菜废弃物的启动方法，其特征在于，步骤（1）中所述的环境菌群中池塘沉积物底泥、牛粪、秸秆厌氧消化液质量比1：0.5-2：0.5-2。
3.根据权利要求1所述的厌氧消化白菜废弃物的启动方法，其特征在于，步骤（1）中所述的环境菌群中池塘沉积物底泥、牛粪、秸秆厌氧消化液质量比1：1：1。
4.根据权利要求1所述的厌氧消化白菜废弃物的启动方法，其特征在于，步骤（2）中的白菜废弃物含水量大于94%，C/N为15-20。
5.根据权利要求1所述的厌氧消化白菜废弃物的启动方法，其特征在于，设定反应器温度为52℃。
6.根据权利要求1所述的厌氧消化白菜废弃物的启动方法，其特征在于，厌氧反应器启动后，每2-3天投料一次，使有机负荷在35-45天内，提高到8.0-12.0 g/(L·d)；所述的搅拌方式为间歇式搅拌，即搅拌泵以80-120 rpm，搅拌8-10s，停止，间歇15-25s后，再以80-120rpm搅拌8-10s，再间歇15-25s，如此反复循环。
7.根据权利要求1所述的厌氧消化白菜废弃物的启动方法，其特征在于，厌氧反应器启动后，根据pH状况，每2-3天投料一次，使有机负荷在40天内，提高到10.1 g/(L·d)；采用CSTR采用间歇式搅拌方式，即100 rpm，搅拌10s，停止，间歇20s后，再以100rpm搅拌10s，再间歇20s，如此反复循环。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法在处理白菜废弃物生产沼气上的应用。
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