CN114350714A

CN114350714A - 一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法

Info

Publication number: CN114350714A
Application number: CN202111664383.9A
Authority: CN
Inventors: 董滨; 高君; 陈思思; 吴海斌; 王殿常; 李翀; 王先恺; 王航
Original assignee: Three Gorges Environmental Technology Co ltd; Tongji University; China Three Gorges Corp
Current assignee: Three Gorges Environmental Technology Co ltd; Tongji University; China Three Gorges Corp
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114350714B

Abstract

本发明涉及一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，该方法主要包括以下步骤：(1)餐厨垃圾水解产酸；(2)固酸/液酸分离；(3)可溶性长链脂肪酸分离；(4)长链脂肪酸热水解处理；(5)厌氧产甲烷。本发明提出了强化餐厨垃圾两相厌氧消化的新思路，通过分离出长链脂肪酸而防止其在厌氧消化中的累积，避免因长链脂肪酸过量而造成的物质传递障碍、产甲烷菌受抑制等问题。本发明方法在提高餐厨垃圾两相厌氧消化系统稳定性的同时也促进了回流长链脂肪酸的进一步厌氧降解。

Description

一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法

技术领域

本发明属于有机废弃物厌氧消化技术领域，具体涉及一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法。

背景技术

餐厨垃圾是城镇生活垃圾的重要组成部分。随着社会经济建设水平的不断发展，居民的生活质量逐渐提高，餐饮行业发展迅速，餐厨垃圾的产量也随之大大增加。餐厨垃圾含水率高、油脂等有机质含量丰富，极易腐败生臭，若处理不当很容易引发一系列的环境问题。厌氧消化技术能促使餐厨垃圾中有机物减量、稳定，在降低污泥对环境污染的同时回收能源(生物沼气)，是现代有机废弃物资源化利用与无害化处理的主流技术之一。而餐厨垃圾中含有大量食用油和动植物油脂，这些油脂在厌氧消化的水解酸化过程中会水解成长链脂肪酸(LCFAs)，高浓度的LCFAs吸附在细胞壁或者细胞膜上阻止物质的传递。另外，LCFAs尤其会抑制乙酸型产甲烷菌的活性，而乙酸的积累又会抑制LCFAs的降解形成恶性循环，导致餐厨垃圾厌氧消化系统崩溃，因此需要提升系统的稳定性。

将餐厨垃圾厌氧消化的水解产酸和产甲烷分开，也就是采用两相厌氧消化系统，可以使得不同的微生物处于各自最合适的生存环境，增加生物量，降低了酸抑制的风险，与单相系统相比可以很好地提高厌氧消化的效率和稳定性。专利“一种利用两相厌氧消化处理餐厨垃圾的方法”(CN107022573A)、专利“一种改进的两相厌氧消化法生产甲烷的方法及系统”(CN106282243B)、专利“餐厨垃圾厌氧消化快速启动和高效运行的方法”(CN104762361B)也都是利用这一系统的优点来进行设计的。

然而，即便是两相厌氧消化体系，也无法直接有效地避免LCFAs对厌氧消化系统的负面作用。积累的LCFAs还是会随着乙酸等能够被产甲烷菌利用的小分子酸进入产甲烷系统中进而抑制产甲烷菌的活性。目前，大多数技术都是基于将餐厨垃圾进行除油预处理来达到减少油脂水解产生LCFAs的目的。如专利“节能型餐厨垃圾除油系统和方法”(CN104248880B)、专利“餐厨垃圾湿法预分选处理方法”(CN102198418B)。但是这也相应地增加了工程的运行成本和难度等。还有研究人员提出通过添加复合菌剂来促进餐厨垃圾的厌氧消化，如专利“一种用于餐厨垃圾厌氧发酵的复合菌剂”(CN103215213B)、“一种可降解餐厨垃圾油脂组分的复配菌剂及应用”(CN110760460B)。但是由于目前对复合培养的发酵过程以及各种菌群之间的相互作用和机理还不是很明晰，导致复合菌剂的稳定性不强，群体结构容易受环境影响导致菌剂的群体优势被破坏。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，通过直接分离出餐厨垃圾在水解产酸过程中累积的长链脂肪酸(LCFAs)进行单独热水解处理再回流至产酸相，而促进长链脂肪酸被利用，提高系统稳定性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，该方法主要包括以下步骤：

(1)餐厨垃圾水解产酸：将粉碎后的餐厨垃圾送入产酸相反应器进行水解产酸，收集发酵产物，得到上层悬浮液和下层沉淀物；

(2)固酸/液酸分离：将产酸发酵悬浮液送入固酸/液酸分离装置，通过添加表面活性剂和电解质等，使不溶性的长链脂肪酸被分离；

(3)可溶性长链脂肪酸分离：将被分离出固酸后的发酵产物送入可溶性长链脂肪酸分离装置，利用金属盐沉淀法分离出可溶性的长链脂肪酸；

(4)长链脂肪酸热水解处理：将分离出的不溶性长链脂肪酸和可溶性长链脂肪酸混合进入热水解装置进行高温水热处理，强化长链脂肪酸的水解，再回流进入产酸相反应器再次水解酸化；

(5)厌氧消化产甲烷：将产酸发酵产物的下层沉淀物和经分离长链脂肪酸后的上层悬浮液混合进入产甲烷相反应器进行厌氧消化产甲烷。

优选地，所述的餐厨垃圾的总固体质量占总质量的比例为10～30％，挥发性固体质量占总固体质量的比例为70～95％。

优选地，步骤(1)和步骤(5)中，以厌氧消化后的稳定化产物作为接种泥；接种泥的总固体质量占总质量的比例为2～5％，挥发性固体质量占总固体质量的比例为30～50％，底物与接种泥的挥发性固体的质量比为0.2～5。

优选地，步骤(1)中，所述水解产酸过程的控制条件为，温度25～55℃，pH5.0～6.5，搅拌速度50～100rpm，停留时间为2～6天，悬浮液和沉淀物通过将发酵产物静置2～5h得到。

优选地，步骤(2)中，所述表面活性剂选自如下化合物中的一种：脂肪醇磺酸盐或含磺基的阴离子型表面活性剂，用量为0.06～1.2％(质量分数)；电解质为水合硫酸镁，用量为0.2～5％(质量分数)；分离过程包括冷却、乳化、结晶、液酸破乳、固酸析出。其中，液酸破乳通过离心实现，固酸析出通过加热冷却实现。

步骤(2)主要分离出的固酸为饱和的长链脂肪酸，它们不溶于水，该方法与溶剂结晶法相似，建立在固液平衡的热力学基础上。但是由于表面活性剂的加入，改变了固液相互界面张力的作用，固液界面被水浸润，液相脱离固相界面而分散在水溶液中，并且由于电解质的加入，体系处于亚稳状态，然后借助离心，液滴迅速破乳析出液酸，作为轻相取出，固相结晶在水中的悬浮物作为重相取出，加热冷却后固酸析出。

优选地，步骤(3)中，分离过程包括皂化、溶解、酸化。皂化所用的金属盐为钠盐、钾盐或镁盐中的至少一种。溶解长链脂肪酸盐的有机溶剂为丙酮。

步骤(3)分离出的可溶性长链脂肪酸主要为不饱和脂肪酸，该分离方法的原理是根据饱和及不饱和脂肪酸金属盐在有机溶剂中的溶解度不同而分离脂肪酸盐，然后酸化达到最终分离的效果。

优选地，步骤(4)中，所引入的热水解处理条件为，温度90～160℃，压力0.4～0.7MPa，时间15～45min，搅拌速度100～200rpm。

热水解处理长链脂肪酸能够破坏部分长链脂肪酸的稳定性，促进分解，因此经过热水解处理之后的长链脂肪酸回流进系统后，不会加重长链脂肪酸的积累。

优选地，步骤(5)中，所述厌氧产甲烷过程的控制条件为，温度35～45℃，pH 6.5～7.5，搅拌速度50～100rpm，停留时间为10～35天。

本发明利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，相比现有技术，本发明关键步骤为分离出餐厨垃圾水解产酸后积累的大量长链脂肪酸并将分离出的长链脂肪酸进行热水解处理后回流至产酸相中。产酸相的发酵产物由于被去除了长链脂肪酸，因此进入产甲烷相后避免了长链脂肪酸造成的传质阻碍以及产甲烷菌活性的抑制等，有助于产甲烷相更稳定高效地运行，而分离出的长链脂肪酸也经过了热水解的处理而继续被利用，整个过程在提升系统稳定性的同时也保证了原有的产甲烷量，甚至有所提高。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明区别于传统的餐厨垃圾两相厌氧消化技术，首次提出在水解产酸后直接分离出长链脂肪酸来避免其在产甲烷相的抑制作用，有效预防了餐厨垃圾厌氧消化过程中经常出现的系统失衡崩溃等问题；

(2)产甲烷相的基质得到改善后更有利于产甲烷菌的利用，微生物体系也因此更高效，提高了产甲烷效率；

(3)在分离出长链脂肪酸来提高系统稳定性的同时，也实现了长链脂肪酸的进一步利用，热水解后直接回流进系统，无需额外的特殊处理；

(4)与传统的餐厨垃圾厌氧消化技术相比，本发明不需要在厌氧消化前进行油脂分离，油脂在厌氧消化中就能有很好的利用率，降低了系统运行的难度和成本；

(5)传统餐厨垃圾厌氧消化的接种比有限，过高的接种比会导致系统的酸化崩溃，而本发明中底物与接种泥的VS比的范围大，提高了系统的有机负荷。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例旨在分离出餐厨垃圾两相厌氧消化中的长链脂肪酸，说明本发明在提高餐厨垃圾厌氧消化系统稳定性上的优越性能。

实验所使用的餐厨垃圾来自同济大学南校区食堂，采用人工分拣的方式去除样品中的杂质(例如一次性勺子、餐巾纸、塑料袋、大块骨头等)后进行破碎预处理使得粒径小于10mm并混合均匀。TS为17.25％，VS/TS为97.10％，油脂含量2.91％。所采用的接种泥取自实验室稳定运行的餐厨垃圾厌氧消化罐，TS为12.38％，VS/TS为66.72％，pH为7.79。底物与接种泥的VS比为4:1。

将均质后的餐厨垃圾送入产酸相反应器进行厌氧水解产酸，反应器体积为2L，停留时间为3天，产酸反应器内物料温度为42℃，连续搅拌速度为60rpm。收集发酵产物静置2h得到上层悬浮液和下层沉淀物。

将悬浮液送入固酸/液酸分离装置，加入质量分数为0.5％的十二醇硫酸钠和质量分数为1％的MgSO₄·7H₂O。降温到15℃左右，充分乳化5min后加入稀释水，离心分离。重相再经加热冷却后析出固酸。液酸进入可溶性长链脂肪酸分离装置，加入质量分数13％的氢氧化钠-乙醇进行皂化，加入质量分数20％的丙酮溶解长链不饱和脂肪酸钠，分离后酸化得到溶解性长链脂肪酸。

将产酸发酵产物的下层沉淀物和经分离长链脂肪酸后的上层悬浮液混合后送入产甲烷相反应器进行厌氧产甲烷，反应器体积为2L，停留时间25天，产甲烷反应器内物料温度为38℃，连续搅拌速度为60rpm。实验过程中及时监测各理化指标。

对比例1

与实施例1的不同之处在于，不进行长链脂肪酸的分离，采用等量的餐厨垃圾进行水解产酸之后直接进入产甲烷相进行厌氧产甲烷。

对比例2

与实施例1的不同之处在于，不进行可溶性长链脂肪酸的分离，采用等量的餐厨垃圾进行水解产酸之后只进行固酸/液酸分离就进入产甲烷相进行厌氧产甲烷。

对比例1中，产甲烷相在运行到第10天时，产甲烷速率仅为5.37mL/(g VS_added d)，一直到厌氧消化结束都维持在一个较低的水平，甚至有若干天几乎无甲烷产生，且VFA含量达到了6215mg/L，平均pH为6.12，可见产甲烷相由于VFA的积累而被严重抑制。对比例2在达到产甲烷速率峰值25.56mL/(g VS_added d)后，持续了一段时间相对稳定的中等产甲烷水平，VFA的峰值为4867mg/L。

实施例1和对比例1或对比例2相比，系统的最高产甲烷速率由对比例1的12.68mL/(g VS_added d)和对比例2的22.56mL/(g VS_added d)提高到32.01mL/(gVS_added d)，较对比例1和对比例2分别提高了152.44％和41.89％；累积产甲烷量由对比例1的180.65mL/(gVS_added)和对比例2的385.79mL/(g VS_added)提高到487.06mL/(g VS_added)，较对比例1和对比例2分别提高了169.62％和26.25％；有机质降解率由对比例1的31.36％和对比例2的52.56％提高到65.89％，较对比例1和对比例2分别提高了110.11％和25.37％。

实施例2

本实施例旨在分离出餐厨垃圾两相厌氧消化中的长链脂肪酸，并将分离出的长链脂肪酸经热水解处理后回流至产酸相，说明本发明在提高餐厨垃圾厌氧消化系统稳定性并同时促进长链脂肪酸降解达到高效产甲烷效果的优越性能

实验所使用的餐厨垃圾来自同济大学南校区食堂，采用人工分拣的方式去除样品中的杂质(例如一次性勺子、餐巾纸、塑料袋、大块骨头等)后进行破碎预处理使得粒径小于10mm并混合均匀。TS为19.72％，VS/TS为96.35％，油脂含量4.71％。所采用的接种泥取自实验室稳定运行的餐厨垃圾厌氧消化罐，TS为12.38％，VS/TS为66.72％，pH为7.79。底物与接种泥的VS比为4:1。

将均质后的餐厨垃圾送入产酸相反应器进行厌氧水解产酸，反应器体积为2L，停留时间为3天，产酸反应器内物料温度为42℃，连续搅拌速度为70rpm。收集发酵产物静置2h得到上层悬浮液和下层沉淀物。

将悬浮液送入固酸/液酸分离装置，加入质量分数为0.8％的十二烷基苯磺酸钠和质量分数为1％的MgSO₄·7H₂O。降温到15℃左右，充分乳化5min后加入稀释水，离心分离。重相再经加热冷却后析出固酸。液酸进入可溶性长链脂肪酸分离装置，加入质量分数13％的氢氧化钾-乙醇进行皂化，加入质量分数20％的丙酮溶解长链不饱和脂肪酸钠，分离后酸化得到溶解性长链脂肪酸。

将分离出的长链脂肪酸混合送入热水解装置，温度为120℃，压力0.22MPa，时间30min，搅拌速度100rpm，结束后回流至产酸相，当产酸相开始注入回流物料时，将接种比调整为5:1。

将产酸发酵产物的下层沉淀物和经分离长链脂肪酸后的上层悬浮液混合后送入产甲烷相反应器进行厌氧产甲烷，反应器体积为2L，停留时间30天，产甲烷反应器内物料温度为40℃，连续搅拌速度为70rpm。实验过程中及时监测各理化指标(以开始回流后的批次系统为研究对象)。

对比例3

与实施例2的不同之处在于，分离出的长链脂肪酸不经过热水解处理直接回流进产酸相。

对比例3中，产酸相的发酵产物中，VFA的含量为3067mg/L，VFA产量并没有因为长链脂肪酸的回流而增加。这是由于分离出的长链脂肪酸未经任何处理直接回流进产酸相后，其降解能力并未得到提升，甚至会抑制其他底物的水解产酸过程。实施例2的产酸相发酵物中VFA含量为4266mg/L，较对比例3提高了39.10％；实施例2和对比例3相比，系统的最高产甲烷速率由对比例3的35.89mL/(g VS_added d)提高到实施例2的40.12mL/(g VS_addedd)，较对比例3提高了11.79％；累积产甲烷量由对比例3的488.35mL/(g VS_added)提高到实施例2的610.32mL/(g VS_added)，较对比例3提高了24.99％；有机质降解率由对比例3的61.33提高到实施例2的75.72％，较对比例3提高了23.46％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)固酸/液酸分离：将步骤(1)发酵悬浮液送入固酸/液酸分离装置，通过添加表面活性剂和电解质，使不溶性的长链脂肪酸被分离；

(3)可溶性长链脂肪酸分离：将步骤(2)被分离出固酸后的发酵产物送入可溶性长链脂肪酸分离装置，利用金属盐沉淀法分离出可溶性的长链脂肪酸；

(4)长链脂肪酸热水解处理：将步骤(2)分离出的不溶性长链脂肪酸和步骤(3)分离出的可溶性长链脂肪酸混合进入热水解装置进行高温水热处理，强化长链脂肪酸的水解，再回流进入步骤(1)的产酸相反应器再次水解酸化；

(5)厌氧消化产甲烷：步骤(1)产酸发酵产物的下层沉淀物和步骤(2)、(3)经分离长链脂肪酸后的上层悬浮液混合进入产甲烷相反应器进行厌氧消化产甲烷。

2.根据权利要求1所述的一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(1)所述的餐厨垃圾的总固体质量占总质量的比例为10～30％，挥发性固体质量占总固体质量的比例为70～95％。

3.根据权利要求1所述的一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(5)中，以厌氧消化后的稳定化产物作为接种泥，接种泥的总固体质量占总质量的比例为2～5％，挥发性固体质量占总固体质量的比例为30～50％，底物与接种泥的挥发性固体的质量比为0.5～10。

4.根据权利要求1所述的一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水解产酸过程的控制条件为：温度25～55℃，pH 5.0～6.5，搅拌速度50～100rpm，停留时间为2～6天，悬浮液和沉淀物通过将发酵产物静置2～5h得到。

5.根据权利要求1所述的一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述表面活性剂选自如下化合物中的一种：脂肪醇磺酸盐或含磺基的阴离子型表面活性剂，用量质量分数为0.06～1.2％；电解质为水合硫酸镁，用量质量分数为0.2～5％，分离过程包括冷却、乳化、结晶、液酸破乳、固酸析出。

6.根据权利要求5所述的一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，其特征在于，液酸破乳通过离心实现，固酸析出通过加热冷却实现。

7.根据权利要求1所述的一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(3)中，分离过程包括皂化、溶解、酸化，皂化所用的金属盐为钠盐、钾盐或镁盐中的至少一种，溶解长链脂肪酸盐的有机溶剂为丙酮。

8.根据权利要求1所述的一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(4)中，所引入的热水解处理条件为：温度90～160℃，压力0.4～0.7MPa，时间15～45min，搅拌速度100～200rpm。

9.根据权利要求1所述的一种利用分离长链脂肪酸强化餐厨垃圾两相厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述厌氧产甲烷过程的控制条件为：温度35～45℃，pH 6.5～7.5，搅拌速度50～100rpm，停留时间为10～35天。