CN112592938A - 一种城镇湿垃圾有机组成转化为含有羧基基团的产物的调控方法 - Google Patents

一种城镇湿垃圾有机组成转化为含有羧基基团的产物的调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城镇湿垃圾有机组成转化为含有羧基基团的产物的调控方法，通过调控湿垃圾的有机组成和反应体系pH值，活化出能发酵生产含有羧基基团的产物的微生物菌种，将所述湿垃圾中的有机质生物转化为相应所述含有羧基基团的产物。本发明使得湿垃圾处理后的残余物量大幅度减少，为城镇垃圾分类后的湿垃圾高效处理与高值化利用提供新技术。

Description

一种城镇湿垃圾有机组成转化为含有羧基基团的产物的调控 方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种城镇湿垃圾有机组成转化为含有羧基基团的产物的调控方法。
背景技术
随着我国城镇化进程的加速，城市污水厂污泥、餐厨垃圾等城镇有机固废产生量越来越多。我国每年有机固废产生量超过4亿吨，并且以年均约10％的速度持续增长。目前我国城镇有机废物以末端处置为主，其中主要是卫生填埋和焚烧。填埋作为末端处置技术，只要时间足够长，能够将城镇有机固废中的大部分有机物厌氧分解，但它占用大量土地资源、产生大量垃圾渗滤液及恶臭气味物质。焚烧作为另一种末端处置技术，也存在一些缺陷，由于我国城镇有机固废含水率高且热值低，导致焚烧过程产生二噁英和汞排放、投资及运行成本高。
针对我国城镇垃圾含水率高、热值低、焚烧发电不稳定、易产生二次污染的问题，对城镇垃圾进行干湿分类是提高垃圾资源回收的有效途径：通过垃圾干湿分类，将得到的干垃圾焚烧发电，极大地提高了垃圾的焚烧发电效率；对于湿垃圾，由于其含水率高、有机质和营养(氮、磷、钾等)丰富等特点，易于被微生物利用。为此，本申请在开放的生物处理系统中，通过调控城镇湿垃圾有机组成，来制备不同化学结构的优势产物，提高城镇垃圾分类后的湿垃圾应用价值。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种城镇湿垃圾有机组成转化为含有羧基基团的产物的调控方法，通过调控湿垃圾的有机组成和反应体系pH值，活化出能发酵生产含有羧基基团的产物的微生物菌种，将所述湿垃圾中的有机质生物转化为相应所述含有羧基基团的产物。本发明能实现资源再利用。
为了实现上述目的或者其他目的，本发明是通过以下技术方案实现的，提供一种城镇湿垃圾有机组成转化为含有羧基基团的产物的调控方法，通过调控湿垃圾的有机组成和反应体系pH值，活化出能发酵生产含有羧基基团的产物的微生物菌种，将所述湿垃圾中的有机质生物转化为相应所述含有羧基基团的产物；
其中，所述含有羧基基团的产物包括乙酸、丙酸和乳酸；
其中，将所述湿垃圾中的有机质生物转化为相应所述含有羧基基团的产物的过程，至少包括以下步骤：
将第一份碳水化合物湿垃圾、第一份蛋白类湿垃圾、脂肪类湿垃圾和第一份水，进行第一次混合反应，获得乳酸液相和第一固相；
将第二份碳水化合物湿垃圾、第二份蛋白类湿垃圾、所述第一固相和第二份水，进行第二次混合反应，获得乙酸液相和第二固相；
将第三份碳水化合物湿垃圾、第三份蛋白类湿垃圾、所述第二固相和第三份水，进行第三次混合反应，并固液分离，获得丙酸液相。
在一实施例中，在所述第一次混合反应中，所述第一份碳水化合物湿垃圾、所述第一份蛋白类湿垃圾和所述脂肪类湿垃圾的干重比为(2-10)：1：0.2，所述第一次混合反应过程的pH值为10.5-11.5。
在一实施例中，在所述第二次混合反应中，所述第二份碳水化合物湿垃圾和所述第二份蛋白类湿垃圾的干重比为(6-12)：1。
在一实施例中，在所述第二次混合反应中，所述第二份碳水化合物湿垃圾和所述第二份蛋白类湿垃圾的干重之和与所述第一固相之间的干重比为(1-5)：1。
在一实施例中，所述第二次混合反应过程的pH值为9.5-10.5。
在一实施例中，在所述第三次混合反应中，所述第三份碳水化合物湿垃圾和所述第三份蛋白类湿垃圾的干重比为(9-15)：1。
在一实施例中，在所述第三次混合反应中，所述第三份碳水化合物湿垃圾和所述第三份蛋白类湿垃圾的干重之和与所述第二固相之间的干重比为(3-9)：1。
在一实施例中，所述第三次混合反应过程的pH值为7.5-8.5。
在一实施例中，所述第一次混合反应的时间为4-6天，所述第二次混合反应的时间为10-14天，所述第三次混合反应的时间为6-10天。
在一实施例中，所述第一固相包括蛋白类物质、碳水化合物和腐殖类物质，所述第二固相包括蛋白类物质及腐殖类物质，所述第一固相和所述第二固相的质量比为(1-9):1。
在本发明中，通过调控湿垃圾的有机组成和反应体系pH值，活化出能发酵生产含有羧基基团的产物的微生物菌种，将所述湿垃圾中的有机质生物转化为相应所述含有羧基基团的产物。本发明能实现资源再利用。具体的，本发明通过调控城镇湿垃圾有机组成，提高了湿垃圾的处理效果，获得了不同结构的优势产物，例如乳酸、乙酸和丙酸，使得湿垃圾处理后的残余物量大幅度减少，这为城镇垃圾分类后的湿垃圾高效处理与高值化利用提供新技术。
附图说明
图1为本发明一实施例中的调控方法流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本发明提供一种城镇湿垃圾有机组成转化为含有羧基基团的产物的调控方法，通过调控湿垃圾的有机组成和反应体系pH值，活化出能发酵生产含有羧基基团的产物的微生物菌种，将所述湿垃圾中的有机质生物转化为相应所述含有羧基基团的产物。本发明能实现资源再利用。
请参阅图1所示，在一实施例中，所述将所述湿垃圾中的有机质生物转化为相应所述含有羧基基团的产物的过程，至少包括以下步骤：
S1、将第一份碳水化合物湿垃圾、第一份蛋白类湿垃圾、脂肪类湿垃圾和第一份水，进行第一次混合反应，获得乳酸液相和第一固相；
S2、将第二份碳水化合物湿垃圾、第二份蛋白类湿垃圾、所述第一固相和第二份水，进行第二次混合反应，获得乙酸液相和第二固相；
S3、将第三份碳水化合物湿垃圾、第三份蛋白类湿垃圾、所述第二固相和第三份水，进行第三次混合反应，并固液分离，获得丙酸液相。
具体的，在步骤S1中，分别收集第一份碳水化合物湿垃圾a、第一份蛋白类湿垃圾b和脂肪类湿垃圾c，将a、b、c按照干重比为(2-10)：1：0.2的比例混合，加入所述第一份水，进行所述第一次混合反应，混合物在厌氧条件下搅拌发酵产L-乳酸，维持发酵过程的pH值并发酵一段时间后，进行固液分离，分别收集所述乳酸液相L1(即以L-乳酸为主的发酵液)及所述第一固相S1。其中，加入所述第一份水后的湿垃圾质量百分比为1-30％，发酵过程的pH值为10.5-11.5，发酵时间为4-6天。
具体的，在步骤S2中，将第二份碳水化合物湿垃圾c、第二份蛋白类湿垃圾d和所述第一固相S1混合，加入所述第二份水，加入所述第二份水后的湿垃圾质量百分比为5-30％，发酵过程的pH值为9.5-10.5，维持发酵过程的pH值并发酵10-14天后，进行固液分离，分别收集乙酸液相L2(即以乙酸为主的发酵液)及所述第二固相S2。在所述第二次混合反应中，所述第二份碳水化合物湿垃圾和所述第二份蛋白类湿垃圾的干重比为(6-12)：1。所述第二份碳水化合物湿垃圾和所述第二份蛋白类湿垃圾的干重之和与所述第一固相S1之间的干重比为(1-5)：1。
具体的，在步骤S3中，将第三份碳水化合物湿垃圾e、第三份蛋白类湿垃圾f和所述第二固相S2混合，加入所述第三份水，加入所述第三份水后的湿垃圾质量百分比为5-30％，发酵过程的pH值为7.5-8.5，维持发酵过程的pH值并发酵6-10天后，进行固液分离，分别收集乙酸液相L2(即以乙酸为主的发酵液)及所述第二固相S2。在所述第三次混合反应中，所述第三份碳水化合物湿垃圾e和所述第三份蛋白类湿垃圾f的干重比为(9-15)：1。所述第三份碳水化合物湿垃圾e和所述第三份蛋白类湿垃圾f的干重之和与所述第二固相S2之间的干重比为(3-9)：1。所述第一固相S1包括蛋白类物质、碳水化合物和腐殖类物质，所述第二固相S2包括蛋白类物质及腐殖类物质，所述第一固相S1和所述第二固相S2的质量比例如为(1-9):1。
在本发明中，所述碳水化合物湿垃圾、所述蛋白类湿垃圾和所述脂肪类湿垃圾，分别指富含碳水化合物的城镇湿垃圾、富含蛋白类物质的城镇湿垃圾以及富含脂肪类物质的城镇湿垃圾。
在本发明中，所述乳酸液相L1，乙酸液相L2和丙酸液相L3，例如通过高效液相色谱法检测对应的所述乳酸的含量，通过气相色谱法检测对应的所述乙酸和所述丙酸的含量。具体方法为：将乳酸液相L1在10000×g离心10min，取上清液适度稀释后，用0.45μm滤膜压滤到2.0mL的液相棕色小瓶中，采用用Agilent 1200型高效液相色谱仪(HPLC)测定所述乳酸的含量，其流动相为0.1M KH2PO4(用H3PO4调节pH为3.0)，流速为1mL/min，色谱柱(ThermoODS Hypersil C18)，柱温25℃，检测波长为210nm，进样量为20μL，用3％的异丙醇洗盐，防止四元泵盐析。将乙酸液相L2和丙酸液相L3样品先由高速离心机在12000g离心5min，取上清液加入1mL 3％磷酸(H3PO4)进行稀释，保证稀释后浓度在40-200mg/L范围内且满足pH值小于3.0，用0.45μm滤膜压滤到1.5mL的液相棕色小瓶中。用Agilent 7820气相色谱测定所述乙酸和所述丙酸的含量，色谱柱型号为DB-WAXETR(30m×1.0μm×0.53mm)，检测器为氢火焰检测器(FID)，进样口汽化室温度220℃，每次进样量为0.5μL，程序升温程序为：起始80℃运行1min，以40℃/min的速度升温到110℃，运行1min，最后以10℃/min的速度升温到170℃，运行1min，以40℃/min速度升至230℃，后运行2min。出峰依次是乙醇、乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸。
在一实施例中，将城镇垃圾进行分类收集，其中的湿垃圾分为碳水化合物湿垃圾A1、含蛋白类物质的湿垃圾B1以及含脂肪类物质的湿垃圾C1。在厌氧反应器中加入碳水化合物湿垃圾A1、含蛋白类物质的湿垃圾B1以及含脂肪类物质的湿垃圾C1，三者的质量比为例如为A1：B1：C1＝2:1:0.2，再加入水例如自来水，使得A1、B1、C1混合物的质量浓度为1％，然后在厌氧条件下搅拌，维持pH值例如为10.5，发酵4天后进行固液分离，测得液相中的L-乳酸浓度为2468mg/L。
在一实施例中，将城镇垃圾进行分类收集，其中的湿垃圾分为碳水化合物湿垃圾A2、含蛋白类物质的湿垃圾B2以及含脂肪类物质的湿垃圾C2。在厌氧反应器中加入碳水化合物湿垃圾A2、含蛋白类物质的湿垃圾B2以及含脂肪类物质的湿垃圾C2，三者的质量比为例如为A2：B2：C2＝10:1:0.2，再加入水例如自来水，使得A2、B2、C2混合物的质量浓度为30％，然后在厌氧条件下搅拌，维持pH值例如为11.5，发酵6天后进行固液分离，测得液相中的L-乳酸浓度为18025mg/L。
在一实施例中，将城镇垃圾进行分类收集，其中的湿垃圾分为碳水化合物湿垃圾A3、含蛋白类物质的湿垃圾B3以及含脂肪类物质的湿垃圾C3。在厌氧反应器中加入碳水化合物湿垃圾A3、含蛋白类物质的湿垃圾B3以及含脂肪类物质的湿垃圾C3，三者的质量比为例如为A3：B3：C3＝6:1:0.2，再加入水例如自来水，使得A3、B3、C3混合物的质量浓度为15％，然后在厌氧条件下搅拌，维持pH值例如为11，发酵5天后进行固液分离，分别收集液相3和固相3，测得乳酸液相中的L-乳酸浓度为25425mg/L。
在一实施例中，在厌氧反应器中加入碳水化合物湿垃圾A4、含蛋白类物质的湿垃圾B4，二者的质量比为例如为A4：B4＝6:1，再加入所述固相3，使得A4与B4的干重之和与固相3的干重之比为1：1，再加入水例如自来水，加入自来水后的混合物质量浓度为5％，然后在厌氧条件下搅拌，维持pH值为9.5，发酵10天后进行固液分离，测得液相中的乙酸浓度为11347mg/L。
在一实施例中，在厌氧反应器中加入碳水化合物湿垃圾A5、含蛋白类物质的湿垃圾B5，二者的质量比为例如为A5：B5＝12:1，再加入所述固相3，使得A5与B5的干重之和与固相3的干重之比为5：1，再加入水例如自来水，加入自来水后的混合物质量浓度为30％，然后在厌氧条件下搅拌，维持pH值为10.5，发酵14天后进行固液分离，测得液相中的乙酸浓度为30732mg/L。
在一实施例中，在厌氧反应器中加入碳水化合物湿垃圾A6、含蛋白类物质的湿垃圾B6，二者的质量比为例如为A6：B6＝9:1，再加入所述固相3，使得A6与B6的干重之和与固相3的干重之比为4：1，再加入水例如自来水，加入自来水后的混合物质量浓度为20％，然后在厌氧条件下搅拌，维持pH值为10，发酵12天后进行固液分离，分别收集液相6及固相6，测得液相6中的乙酸浓度为41081mg/L。
在一实施例中，在厌氧反应器中加入碳水化合物湿垃圾A7、含蛋白类物质的湿垃圾B7，二者的质量比为例如为A7：B7＝9:1，再加入所述固相6，使得A7与B7的干重之和与所述固相6的干重之比为3：1，再加入水例如自来水，加入自来水后的混合物质量浓度为5％，然后在厌氧条件下搅拌，维持pH值为7.5，发酵6天后进行固液分离，分别收集液相7及固相7，测得液相7中的丙酸浓度为4036mg/L。
在一实施例中，在厌氧反应器中加入碳水化合物湿垃圾A8、含蛋白类物质的湿垃圾B8，二者的质量比为例如为A8：B8＝15:1，再加入所述固相6，使得A8与B8的干重之和与固相6的干重之比为9：1，再加入水例如自来水，加入自来水后的混合物质量浓度为30％，然后在厌氧条件下搅拌，维持pH值为8.5，发酵10天后进行固液分离，分别收集液相8及固相8，测得液相8中的丙酸浓度为20577mg/L。
在一实施例中，在厌氧反应器中加入碳水化合物湿垃圾A9、含蛋白类物质的湿垃圾B9，二者的质量比为例如为A9：B9＝12:1，再加入所述固相6，使得A9与B9的干重之和与固相6的干重之比为7：1，再加入水例如自来水，加入自来水后的混合物质量浓度为22％，然后在厌氧条件下搅拌，维持pH值为8，发酵8天后进行固液分离，分别收集液相9及固相9，测得液相9中的丙酸浓度为27498mg/L。
表1.本发明一些实施例的数据对比表
Figure BDA0002748667330000061
Figure BDA0002748667330000071
从所列举的各实施例和表1中的数据可得，通过调控湿垃圾的有机组成和反应体系pH值，活化出能发酵生产含有羧基基团的产物的微生物菌种，将所述湿垃圾中的有机质生物转化为相应所述含有羧基基团的产物，例如湿垃圾分为碳水化合物湿垃圾A1、含蛋白类物质的湿垃圾B1以及含脂肪类物质的湿垃圾C1混合反应会产乳酸，在相应的pH值范围内，能活化出乳酸菌，其它种类的菌种数量下降，从而将湿垃圾中的有机质生物转化为相应的高价值产物，实现资源再利用。例如，将所述碳水化合物湿垃圾、所述蛋白类湿垃圾和所述脂肪类湿垃圾混合反应，并维持pH值为10.5-11.5之间，可筛选出乳酸菌菌种，从而乳酸的选择性就大大增强。另外，产乙酸菌和产丙酸菌是活化生成乙酸和丙酸的主要优势微生物。
综上所述，本发明通过调控城镇湿垃圾有机组成，提高了湿垃圾的处理效果，获得了不同结构的优势产物，例如乳酸、乙酸和丙酸，使得湿垃圾处理后的残余物量大幅度减少，这为城镇垃圾分类后的湿垃圾高效处理与高值化利用提供新技术。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种城镇湿垃圾有机组成转化为含有羧基基团的产物的调控方法，其特征在于，通过调控湿垃圾的有机组成和反应体系pH值，活化出能发酵生产含有羧基基团的产物的微生物菌种，将所述湿垃圾中的有机质生物转化为相应所述含有羧基基团的产物；
其中，所述含有羧基基团的产物包括乙酸、丙酸和乳酸；
其中，将所述湿垃圾中的有机质生物转化为相应所述含有羧基基团的产物的过程，至少包括以下步骤：
将第一份碳水化合物湿垃圾、第一份蛋白类湿垃圾、脂肪类湿垃圾和第一份水，进行第一次混合反应，获得乳酸液相和第一固相；
将第二份碳水化合物湿垃圾、第二份蛋白类湿垃圾、所述第一固相和第二份水，进行第二次混合反应，获得乙酸液相和第二固相；
将第三份碳水化合物湿垃圾、第三份蛋白类湿垃圾、所述第二固相和第三份水，进行第三次混合反应，并固液分离，获得丙酸液相。
2.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，在所述第一次混合反应中，所述第一份碳水化合物湿垃圾、所述第一份蛋白类湿垃圾和所述脂肪类湿垃圾的干重比为(2-10)：1：0.2，所述第一次混合反应过程的pH值为10.5-11.5。
3.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，在所述第二次混合反应中，所述第二份碳水化合物湿垃圾和所述第二份蛋白类湿垃圾的干重比为(6-12)：1。
4.根据权利要求3所述的调控方法，其特征在于，在所述第二次混合反应中，所述第二份碳水化合物湿垃圾和所述第二份蛋白类湿垃圾的干重之和与所述第一固相之间的干重比为(1-5)：1。
5.根据权利要求4所述的调控方法，其特征在于，所述第二次混合反应过程的pH值为9.5-10.5。
6.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，在所述第三次混合反应中，所述第三份碳水化合物湿垃圾和所述第三份蛋白类湿垃圾的干重比为(9-15)：1。
7.根据权利要求6所述的调控方法，其特征在于，在所述第三次混合反应中，所述第三份碳水化合物湿垃圾和所述第三份蛋白类湿垃圾的干重之和与所述第二固相之间的干重比为(3-9)：1。
8.根据权利要求7所述的调控方法，其特征在于，所述第三次混合反应过程的pH值为7.5-8.5。
9.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述第一次混合反应的时间为4-6天，所述第二次混合反应的时间为10-14天，所述第三次混合反应的时间为6-10天。
10.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述第一固相包括蛋白类物质、碳水化合物和腐殖类物质，所述第二固相包括蛋白类物质及腐殖类物质，所述第一固相和所述第二固相的质量比为(1-9):1。
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