CN113736834A - 一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质废物和生物质资源化利用技术领域，具体涉及一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，所述方法为将易降解生物质废物与接种物置于厌氧环境中进行厌氧发酵产酸。本发明通过精调控制厌氧消化系统中的反应温度及时间，塑造微生物的种类，刺激提高酸化细菌的活性，进而达到促进易降解生物质废物的水解酸化，而抑制甲烷菌的活性，避免产生的脂肪酸向甲烷转化。本发明可以通过温度和反应时间控制实现定向产酸，无需添加外源性抑制剂、节省成本、作用效果持续、发酵条件易于控制、运行成本低、无二次污染。
Description
技术领域
本发明涉及生物质废物和生物质资源化利用技术领域，具体涉及一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法。
背景技术
厌氧消化作为高效的生物处理技术之一，已经在农业固体废物、餐厨垃圾和城市污泥等固体废物处理领域得到了较为广泛的应用。易降解生物质废物经过厌氧发酵可以形成挥发性脂肪酸(VFAs)和甲烷等能源物质。其中，挥发性脂肪酸(VFAs)，是生物合成塑料等化工的重要有机底物。但是，厌氧消化系统中通常含有产酸菌和产甲烷菌两大功能菌群，作为厌氧发酵的中间产物，VFAs很容易快速被产甲烷菌进一步转化为气相甲烷和二氧化碳，导致发酵液的VFAs浓度低、浓缩和分离的成本高，限制了VFAs的高值化利用。因此，如何降低系统中产甲烷菌的代谢活性，阻断易降解生物质废物的甲烷化过程，使厌氧消化停留在产酸阶段，实现易降解生物质废物的定向有机酸转化具有重要的研究意义。
将易降解生物质废物作为发酵底物高效制取VFAs获得了环境领域越来越广泛的关注。并且相关发明者进行了强化易降解生物质废物在厌氧消化过程中的产酸研究，但现有研究多集中在采用物理和化学方法进行运料预处理，以提高污泥等生物质废物的生物可利用性(CN102583917B、CN105132475A、CN102586344B和CN103923951A)，或者添加抑制剂以阻断产甲烷代谢途径等(CN100526469C)，控制厌氧消化停留在产酸阶段。但是，餐厨垃圾等易降解生物质废物的生物可利用性已极高，其水解酸化速率高，阻碍VFAs浓度提高的原因是甲烷化。采用2-溴乙烷磺酸(BES)等外源性抑制剂虽然能短期内阻断产甲烷代谢途径，但长期则会失效，因为这些抑制剂会被降解，而且需要添加的抑制剂量很大，不仅化学药剂成本高，而且发酵液存在生态安全风险。而采用VFAs本身作为内源性抑制剂的方式则存在不仅阻断了产甲烷代谢途径，也同时严重抑制了生物质废物水解酸化微生物和酶活力，使得VFAs浓度无法进一步提高。
鉴于厌氧消化系统中的产酸菌和产甲烷菌的温度敏感性有差异(Nie,E.；He,P.；Zhang,H.；Hao,L.；Shao,L.；Lü,F.,How does temperature regulate anaerobicdigestion？Renewable and Sustainable Energy Reviews 2021,150,111453.)，因此可望通过控制温度和发酵时间进行厌氧定向酸化，而目前该方面研究尚未见报道。
本发明以易降解生物质废物为原料，通过控制厌氧消化过程中的温度和发酵时间生产高附加值中链脂肪酸，为易降解生物质废物的资源化利用提供一条新思路。该方法生产工艺简单，具有良好的经济、社会和环境效益。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供为了克服现有研究定向产酸技术的缺点和不足，本发明提供一种以易降解生物质废物为原料通过控制厌氧发酵温度和时间生产中链脂肪酸的强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，为实现易降解生物质废物的资源化利用提供一条新思路。
本发明提供如下技术方案：一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，产酸效率和定向产酸时的反应温度和反应时间取决于易降解生物质废物厌氧发酵累积的有效积温；所述易降解生物质废物与接种物的比例为1:1～1:5；基于挥发性固体/有机质含量VS：
所述有效积温的计算公式如下：
T＝∑(Ti-T0)×Δt
其中，T：有效积温，单位(℃·d)；
Ti：为某一恒定温度(26℃≤T≤65℃)；
T0：为消化反应系统中微生物的开始繁殖温度(25℃)；
Δt：为恒定温度持续的天数(6d≤Δt≤23d)。
进一步地，所述反应温度和所述反应时间的控制满足其在所述有效积温为209℃·d<T<275℃·d时，在47±3℃下反应11天，乙酸产量最高。
进一步地，所述反应温度和所述反应时间的控制满足其在所述有效积温368℃·d<T<506℃·d时，在44±3℃下反应23天，丙酸产量最高。
进一步地，所述反应温度和时间的控制满足其在所述有效积温374℃·d<T<440℃·d时，在62±3℃下反应11天，丁酸产量最高。
进一步地，所述易降解生物质废物与接种物的比例为1:3～1:5。
进一步地，所述易降解生物质废物为经过破碎形成均一的原料。
进一步地，所述接种物为厌氧消化厂污泥或沼渣。
进一步地，所述易降解生物质废物与接种物形成的混合液的含固率保持在8％以下。
本发明的相关机理：
温度在厌氧消化系统中通过塑造微生物的种类，改变原有接种污泥微生物类群，刺激产生更多的酸化细菌，而抑制甲烷菌的活性，进而达到促进易降解生物质废物的水解酸化，并抑制产生的脂肪酸向甲烷转化。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的方法提高了厌氧发酵系统挥发性脂肪酸的产量。
2、本发明提供的方法可以通过温度和反应时间控制实现定向产酸，选择率高。
3、本发明提供的方法无需添加外源性抑制剂、节省成本、作用效果明显，且调控方便简易，容易实现自动化。
4、本发明提供的方法厌氧发酵条件易于控制、运行成本低、无二次污染。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的方法在实施例1-3中，易降解生物质废物在不同的反应温度和反应时间控制下的挥发性脂肪酸产生量及种类。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1生产乙酸
本实施例提供的强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸方法中，易降解生物质废物经破碎机破碎后，装入规格1000mL的厌氧反应瓶，然后加入接种物100mL，混合后调节pH为7.0，含固率调至5％，盖上材质为丁基橡胶的塞子，并用铝盖进行密封，然后使用N2吹脱10分钟，保持厌氧环境。将厌氧反应瓶置于恒温为47±3℃水浴锅中，如图1所示，反应时间11天，有效积温达到209℃·d<T<275℃·d可得到乙酸最大量。脂肪酸测定方法为采集的液体样品，先以15200rpm离心10分钟，然后采用气相色谱法测定离心之后液相中挥发性脂肪酸的浓度。其中气相色谱仪选用FID检测器，仪器运行参数：进样温度为230℃，柱温为65℃，检测器温度为300℃。
实施例2生产丙酸
本实施例中的易降解生物质废物处理流程、反应装瓶过程、液体样品的预处理流程及脂肪酸测定方法与实施例1相同。针对定向产丙酸，控制反应温度为44±3℃水浴锅中，如图1所示，反应时间23天，有效积温达到368℃·d<T<506℃·d可得到丙酸最大量。
实施例3生产丁酸
本实施例中的易降解生物质废物处理流程、反应装瓶过程、液体样品的预处理流程及脂肪酸测定方法与实施例1相同。针对定向产丁酸，控制反应温度为62±3℃水浴锅中，如图1所示，反应时间11天，有效积温达到374℃·d<T<440℃·d可得到丁酸最大量。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，产酸效率和定向产酸时的反应温度和反应时间取决于易降解生物质废物厌氧发酵累积的有效积温；所述易降解生物质废物与接种物的比例为1∶1～1∶5；基于挥发性固体/有机质含量VS：
所述有效积温的计算公式如下：
T＝∑(Ti-T0)×Δt
其中，T：有效积温，单位(℃·d)；
Ti：为某一恒定温度(26℃≤T≤65℃)；
T0：为消化反应系统中微生物的开始繁殖温度(25℃)；
Δt：为恒定温度持续的天数(6d≤Δt≤23d)。
2.根据权利要求1所述的一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，所述反应温度和所述反应时间的控制满足其在所述有效积温为209℃·d＜T＜275℃·d时，在47±3℃下反应11天，乙酸产量最高。
3.根据权利要求1所述的一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，所述反应温度和所述反应时间的控制满足其在所述有效积温368℃·d＜T＜506℃·d时，在44±3℃下反应23天，丙酸产量最高。
4.根据权利要求1所述的一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，所述反应温度和时间的控制满足其在所述有效积温374℃·d＜T＜440℃·d时，在62±3℃下反应11天，丁酸产量最高。
5.根据权利要求1所述的一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，所述易降解生物质废物与接种物的比例为1∶3～1∶5。
6.根据权利要求1所述的一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，所述易降解生物质废物为经过破碎形成均一的原料。
7.根据权利要求1所述的一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，所述接种物为厌氧消化厂污泥或沼渣。
8.根据权利要求1所述的一种强化易降解生物质废物厌氧发酵产酸的方法，其特征在于，所述易降解生物质废物与接种物形成的混合液的含固率保持在8％以下。
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| CN111718967A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-09-29 | 茅台学院 | 一种促进草类生物质厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 朱文彬等: "有机废物厌氧发酵生物合成己酸研究进展" * |
| 赵硕等: "草本植物强化剩余污泥碱性发酵产酸的研究" * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113736834B (zh) | 2023-11-24 |
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