CN110093377B - 一种提升醋糟中可利用有机质溶出效率及其厌氧产甲烷潜能的预处理方法 - Google Patents

Abstract

一种提升醋糟中可利用有机质溶出效率及其厌氧产甲烷潜能的预处理方法，属于农业固体废弃物处理工艺技术领域，可解决醋糟厌氧过程中甲烷产率远低于理论值，而单独超声预处理对醋糟有机质溶出和甲烷产率提升效率不高的问题，本发明通过联合使用超声与机械破碎的预处理方式，醋糟本身的纤维组织结构进行破坏，加速了有机组分的释放，有利于厌氧反应器中以产甲烷菌为主的微生物对其进行降解、转化。本发明最终可达到在不额外添加化学药剂条件下，能够以较低的能耗，使醋糟中糖类和有机物质的可溶出性达到最优，并且使醋糟的产甲烷潜能最大化。

Description

一种提升醋糟中可利用有机质溶出效率及其厌氧产甲烷潜能 的预处理方法

技术领域

本发明属于农业固体废弃物处理工艺技术领域，具体涉及一种提升醋糟中可利用有机质溶出效率及其厌氧产甲烷潜能的预处理方法。

背景技术

中国作为一个农业大国，利用粮食为原料的酿造行业飞速发展，但同时，也产生了大量的有机废弃物。以酿醋行业为例，每年醋糟产生量约为300万吨，而这一数量还会不断增大。这些醋糟营养丰富、有机质含量高，国内外常将其加工为畜禽饲料，但这种途径对醋糟的消纳量有限，绝大部分作为垃圾进入生活垃圾填埋场处置。由于醋糟含水率高，易腐性强，直接填埋会产生大量恶臭物质和渗滤液，使生活垃圾处理过程中污染物控制难度大大提高。因此，如何实现醋糟“三化”处理已成为制约制醋行业可持续发展的重要课题。

厌氧产沼处理具有处理效率高、反应器占地面积小，可进行能源回收利用等优点，已成为有机垃圾处理的重要手段之一，因此，厌氧处理也可在解决制醋行业环境污染同时实现醋糟的资源化利用。

醋糟的主要成分是稻壳等木质纤维素，同时含有较大量未被降解利用的淀粉、蛋白质、粗纤维等物质。根据我们的测定，醋糟中水分含量为64.29%，碳水化合物、粗纤维、蛋白质和粗脂肪含量依次为20.6%、10.3%、3.81%和1%，元素分析结果与文献调研结果类似，随着制醋工艺、原料和发酵程度不同波动较大，但总体而言，在厌氧处理时，其碳氮比处于适宜或偏高的水平。根据营养成分及元素组成，醋糟的理论厌氧产甲烷潜能约为444.6mLCH_4/gVS_醋糟，但在BMP测定实验中，其甲烷产率仅为184-210CH_4/gVS_醋糟，不足理论值的一半。这是由于，醋糟中糖类和蛋白质等有效物质被其天然纤维素结构包裹，特别是木质素含量较高（约占干重的30%左右），这就导致微生物不能很好与有效成分接触并对其降解。因此，在厌氧产甲烷之前，常常要采用一些预处理手段破坏纤维素间连接，或脱去木质素。常用的预处理手段有化学预处理方法（如酸、碱浸泡），机械预处理方法（超声、微波、挤压等），此外，湿热预处理也常用来作为破坏纤维结构的手段。

超声作为一种主要的机械预处理手段，一方面可以通过物理作用减少物料粒径，但当粒径降低到一定程度时，由于超声还有促进反应体系的混凝的作用，因此，在超声单独作用的体系中，物料粒径不会一直降低，预处理效果也有所限制。据目前报道，超声用于醋糟厌氧产甲烷的体系，相比未预处理对照组，由于有效有机质溶出效率低，甲烷产率仅提升约8-15%；此外，目前所采用的超声预处理功率较高（>100w），经济性较差。

发明内容

本发明针对醋糟厌氧过程中甲烷产率远低于理论值，而单独超声预处理对醋糟有机质溶出和甲烷产率提升效率不高的问题，提供一种有效提升醋糟中糖类和蛋白质溶出效率以及醋糟厌氧产甲烷潜能的预处理方法。

本发明采用如下技术方案：

一种提升醋糟中可利用有机质溶出效率及其厌氧产甲烷潜能的预处理方法，包括如下步骤：

第一步，将醋糟和纯水以质量比为0.134:1的比例混合，得到混合物A；

第二步，利用机械破碎的方式，将混合物A中的醋糟的粒径降低至0.5mm以下，其中，粒径小于0.25mm的比例占50%以上，得到混合物B；

第三步，调整超声频率为40Hz，功率为50w，每间隔5min对混合物B进行超声，每次超声5min，得到预处理后的物料；

第四步，对预处理后的物料每日进行换水，并测定每日有机物的溶出量；

第五步，将预处理后的物料取出，与接种物混合后，加入生化产甲烷潜能测定系统，开始醋糟甲烷产率的测定。

第三步中所述超声预处理总时长为5min-80min。

第五步中所述接种物为污泥，污泥和醋糟中的挥发性固体VS的质量比为1:2，预处理后的醋糟和污泥的混合物的含固率为6%。

本发明的机械破碎和超声联合预处理在醋糟厌氧处理中发挥作用的机理：

机械破碎至设定的粒径后，会降低醋糟本身纤维结构的结晶度，加速醋糟中蛋白质和糖类的释放，提高二者在溶出物质中的比例；基于此，加速微生物与有效有机物间传质，提高有机质利用率和醋糟的产甲烷潜能。

本发明的有益效果如下：

本发明通过机械破碎和超声联合使用的预处理方式，采用较低的功耗，使醋糟中蛋白质和糖类等有效有机质向液相中的转移效率得以提升；并进一步在厌氧产甲烷微生物菌群的作用下，提升醋糟的厌氧甲烷产率。

附图说明

图1为本发明实施例1机械破碎结合超声预处理后醋糟中溶解性化学需氧量的溶出图；

图2为本发明实施例1机械破碎结合超声预处理后醋糟中糖类的溶出图；

图3为本发明实施例1机械破碎结合超声预处理后醋糟中蛋白质的溶出图；

图4为本发明实施例2中不同超声功率的预处理后醋糟的生化产甲烷潜能对比图；

图5为本发明实施例3不同超声预处理时间下，结合预处理工艺对醋糟的生化产甲烷潜能对比图。

具体实施方式

实施例1

按照本发明的方法，进行设置如下实验组：a）未经任何预处理的对照组；b）经过机械破碎后粒径减小的对照组；c）分别经过5分钟、10分钟、20分钟、40分钟、60分钟和80分钟的超声预处理组；d）分别经过5分钟、10分钟、20分钟、40分钟、60分钟和80分钟的机械破碎结合超声预处理组。将处理后的醋糟浸泡于纯水中，每隔24小时对水中的溶解性化学需氧量、糖类和蛋白质进行测定，并重新更换新水，共进行7天实验，计算不同组的累积溶出量。可以看出，单一的机械破碎方式，总SCOD溶出量相比对照组，提高了173.9%；而两种预处理结合的实验组SCOD溶出率均高于单一超声预处理或未预处理对照组，但相互间差别较小，这表明，减小粒径对于SCOD这一指标的提升具有关键作用。分析糖类和蛋白质的溶出特性可知，采用机械破碎-超声预处理方式的实验组的糖类和蛋白质总溶出量要高于未预处理对照组、仅机械破碎预处理对照组和相应时间的超声预处理对照组；此外，糖类的总溶出量在较短超声预处理时间内差别并不十分明显，而当超声时间达到60分钟及以上时，溶解性糖浓度明显上升，而蛋白质的溶出量基本随着超声预处理时间增长而上升，但同样，当超声时间60分钟及以上时，蛋白质的总溶出量出现显著提升。综合考虑溶出效果和功耗，60分钟的超声预处理较为适宜，在该条件下，蛋白质和糖类所占SCOD占总溶出SCOD的68.6%，远高于仅经过机械破碎的45.6%。

实施例2

按照发明内容中步骤对醋糟进行预处理，并与不同功率超声预处理后，醋糟的生化产甲烷潜能进行对比，结果如图4所示。可以看出，超声功率选择50w时，醋糟的产甲烷潜能甚至高于高功率预处理后的醋糟。

实施例3

对实施例1中（a）、（b）、（d）三类实验条件下醋糟的生化产甲烷潜能进行测定，结果如图5所示。可以看出，未预处理组的生化产甲烷潜能仅为理论计算值的47%，而经过机械破碎联合超声的预处理方式作用下，醋糟的生化产甲烷潜能明显提升，当预处理时间60分钟时，生化产甲烷潜能可达到理论计算值的69.2%。

Claims (1)

1.一种提升醋糟中可利用有机质溶出效率及其厌氧产甲烷潜能的预处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，将醋糟和纯水以质量比为0.134:1的比例混合，得到混合物A；

第二步，利用机械破碎的方式，将混合物A中的醋糟的粒径降低至0.5mm以下，其中，粒径小于0.25mm的比例占50%以上，得到混合物B；

第三步，调整超声频率为40Hz，功率为50w，每间隔5min对混合物B进行超声，每次超声5min，得到预处理后的物料；

第四步，对预处理后的物料每日进行换水，并测定每日有机物的溶出量；

第五步，将预处理后的物料取出，与接种物混合后，加入生化产甲烷潜能测定系统，开始醋糟甲烷产率的测定；

第三步中所述超声预处理总时长为5min-80min；

第五步中所述接种物为污泥，污泥和醋糟中的挥发性固体VS的质量比为1:2，预处理后的醋糟和污泥的混合物的含固率为6%。

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