CN114350715A - 提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，涉及有机固体废弃物处理技术领域。所述提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法包括以下步骤：S10、将脂肪酶和餐厨垃圾混合，振荡反应后，得混合物；S20、向所述混合物中接种包括产甲烷菌的厌氧污泥，在密闭的厌氧环境中反应，并收集反应生成的甲烷。脂肪酶预处理可以提高油脂在水中的溶解度及其可生物利用性，加快油脂水解速率。预处理水解了部分油脂，使得被油脂包裹的部分有机物得到分解产生挥发性脂肪酸(VFAs)；并且预处理也加速了油脂的分解，为产甲烷菌提供了更多可利用的底物。
Description
技术领域
本发明涉及有机固体废弃物处理技术领域，特别涉及一种提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法。
背景技术
餐厨垃圾是指餐厅、食品加工厂、家庭等对食物的加工、消费过程当中造成的下脚料和残羹剩饭等废弃物。其主要由米面、油、水、肉骨、瓜果蔬菜和一些废餐具等构成。餐厨垃圾有机物含量高，糖类、蛋白质等有机物在厌氧消化过程中可经水解、酸化、产氢产乙酸后被产甲烷菌利用产生CH4。国内外已经有很多学者对餐厨垃圾厌氧消化的产气效果进行研究，表明餐厨垃圾厌氧消化的甲烷产量在143～700mL/gVS范围内，因餐厨垃圾组成不同有较大差异。
含油量高是餐厨垃圾的特点之一，但油脂水溶性差，在厌氧消化过程中易浮于表面，形成泡沫浮渣层，这不仅阻碍了微生物经代谢产生的沼气的释放，还会携卷污泥上浮，造成污泥的流失。除此之外，油脂会包裹在微生物的表面减少微生物与有机物质的接触，降低厌氧消化处理效果。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，旨在提高餐厨垃圾厌氧消化的效果，提升甲烷产量。
为实现上述目的，本发明提出一种提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，包括以下步骤：
S10、将脂肪酶和餐厨垃圾混合，振荡反应后，得混合物；
S20、向所述混合物中接种包含产甲烷菌的厌氧污泥，在密闭的厌氧环境中反应，收集反应生成的甲烷。
可选地，在步骤S10中，所述脂肪酶产自米曲霉。
可选地，所述米曲霉的酶活性为3000000u/g。
可选地，在步骤S10中，所述餐厨垃圾的总固体含量为15％～17％；
所述脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.1％～1.5％；
反应温度为30～40℃；
反应时间为20～25h。
可选地，步骤S20包括：向所述混合物中接种混合均匀并包含产甲烷菌的厌氧污泥和生物炭，在密闭的厌氧环境中反应，收集反应生成的甲烷。
可选地，所述生物炭的接种浓度为4～8g/L。
可选地，在步骤S20中，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：(8～12)。
可选地，在步骤S10之后，步骤S20之前，还包括：
S11、用所述餐厨垃圾将厌氧污泥进行驯化处理。
可选地，驯化处理温度为30～40℃。
可选地，在步骤S20中，反应温度为30～40℃。
本发明的技术方案中，脂肪酶预处理可以提高油脂在水中的溶解度及其可生物利用性，加快油脂水解速率。预处理水解了部分油脂，使得被油脂包裹的部分有机物得到分解产生挥发性脂肪酸(VFAs)；并且预处理也加速了油脂的分解，为产甲烷菌提供了更多可利用的底物。同时，生物炭不仅能够缓解脂肪酶预处理后引起的酸抑制，提高系统的稳定性；同时，生物炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，为产甲烷菌等微生物提供适宜的生长位点，促进产甲烷菌的生长繁殖，提高产甲烷菌的数量、改善菌群的群落结构。经脂肪酶预处理后的餐厨垃圾经厌氧消化甲烷产量明显提高。整个厌氧消化过程中，相对于未预处理组(536.63mL/g VS)，经不同浓度的脂肪酶预处理，餐厨垃圾厌氧消化的单位挥发性固体(VS)产甲烷量获得了3.84％～11.85％的显著提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例5、对比例2、对比例3及对比例4的每日甲烷产量图；
图2为本发明实施例5、对比例2、对比例3及对比例4的累计甲烷产量图；
图3为本发明实施例5、对比例2、对比例3及对比例4的甲烷含量变化图；
图4为本发明实施例1至4及对比例1-2的累计甲烷产量图；
图5为本发明实施例1至4及对比例1-2的每日甲烷产量图；
图6为本发明实施例1、实施例2、实施例8、实施例9、实施例10及对比例5-7的每日甲烷产量图；
图7为本发明实施例1、实施例2、实施例8、实施例9、实施例10及对比例5-7的累计甲烷产量图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、外、内……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
餐厨垃圾是指餐厅、食品加工厂、家庭等对食物的加工、消费过程当中造成的下脚料和残羹剩饭等废弃物。其主要由米面、油、水、肉骨、瓜果蔬菜和一些废餐具等构成。餐厨垃圾有机物含量高，糖类、蛋白质等有机物在厌氧消化过程中可经水解、酸化、产氢产乙酸后被产甲烷菌利用产生CH4。国内外已经有很多学者对餐厨垃圾厌氧消化的产气效果进行研究，表明餐厨垃圾厌氧消化的甲烷产量在143～700mL/gVS范围内，因餐厨垃圾组成不同有较大差异。
含油量高是餐厨垃圾的特点之一，但油脂水溶性差，在厌氧消化过程中易浮于表面，形成泡沫浮渣层，这不仅阻碍了微生物经代谢产生的沼气的释放，还会携卷污泥上浮，造成污泥的流失。除此之外，油脂会包裹在微生物的表面减少微生物与有机物质的接触，降低厌氧消化处理效果。
鉴于此，本发明提出一种提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，旨在提高餐厨垃圾厌氧消化的效果，提升甲烷产量。
本发明附图中，图1为本发明实施例5、对比例2、对比例3及对比例4的每日甲烷产量图；图2为本发明实施例5、对比例2、对比例3及对比例4的累计甲烷产量图；图3为本发明实施例5、对比例2、对比例3及对比例4的甲烷含量变化图；图4为本发明实施例1至4及对比例1-2的累计甲烷产量图；图5为本发明实施例1至4及对比例1-2的每日甲烷产量图；图6为本发明实施例1、实施例2、实施例8、实施例9、实施例10及对比例5-7的每日甲烷产量图；图7为本发明实施例1、实施例2、实施例8、实施例9、实施例10及对比例5-7的累计甲烷产量图。
本发明提出的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，包括以下步骤：
S10、将脂肪酶和餐厨垃圾混合，振荡反应后，得混合物。
本步骤中，餐厨垃圾经过脂肪酶进行预处理，水解了部分油脂，使得被油脂包裹的部分有机物得到分解产生挥发性脂肪酸(VFAs)；并且预处理也加速了油脂的分解，为产甲烷菌提供了更多可利用的底物。
对于脂肪酶的种类，本发明不做限制，优选地，所述脂肪酶产自米曲霉，研究表明，米曲霉产生的脂肪酶，对于油脂的分解效果更好。
更优选地，所述脂肪酶的酶活性为3000000u/g，使得油脂的分解效果更好。
本发明对于餐厨垃圾中的总固体含量不做限制，优选地，所述餐厨垃圾的总固体含量(TS)为15％～17％，例如15％、16％、17％等，在本发明实施例中，餐厨垃圾的总固体含量(TS)为16.96％，上述浓度下，甲烷产生速度快、量也大。
本发明对于脂肪酶的添加量也不做限制，优选地，所述脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.1％～1.5％。更优选地，所述脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的1.5％，研究表明，上述浓度下，油脂催化分解效果好。
用脂肪酶对餐厨垃圾进行预处理的反应条件，本发明也不做限制，优选地，在恒温震荡环境下，反应温度为30～40℃，反应时间为20～25h。上述条件下，产自米曲霉的脂肪酶的活性较高，油脂分解快。
在将厌氧污泥接种到混合物之前，优选地，先对厌氧污泥驯化，具体地，在步骤S10之后，步骤S20之前，还包括：
S11、用所述餐厨垃圾将厌氧污泥进行驯化处理。
一般来讲，微生物生长条件不能发生骤然的突出变化，常规讲要有一个适应过程，驯化就是让产甲烷菌适应在餐厨垃圾中的环境，具体地，所述驯化处理的温度为30～40℃，例如30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃、40℃等，上述温度下，能够保证产甲烷菌的活性。
S20、向所述混合物中接种包含产甲烷菌的厌氧污泥，在密闭的厌氧环境中反应，收集反应生成的甲烷。
本步骤中，向经脂肪酶预处理的餐厨垃圾中接种厌氧污泥，以生成甲烷，本发明对于厌氧污泥的接种量不做限制，优选地，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：(8～12)。例如可以是1:8、1:9、1:10、1:11、1:12等，更优选地，厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10，上述配比下，甲烷的产生量和产生速度均明显提高。
此外，反应温度优选为30～40℃，例如30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃、40℃等，更优选为35℃，上述温度下，能够保证产甲烷菌的活性，甲烷的产生量和产生速度均明显提高。
优选地，步骤S20包括：向所述混合物中接种混合均匀并包含产甲烷菌的厌氧污泥和生物炭，在密闭的厌氧环境中反应，收集反应生成的甲烷。脂肪酶预处理虽然可以提高油脂在水中的溶解度及其可生物利用性，加快油脂水解速率，缩短厌氧消化反应周期，然而油脂的代谢产物长链脂肪酸(LCFAs)会进一步吸附在微生物表面，阻碍传质过程，降低微生物的活性，干扰细胞对其他物质的降解，进而影响厌氧处理效率和系统稳定性。而生物炭不仅能够缓解脂肪酶预处理后引起的酸抑制，提高系统的稳定性；同时，生物炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，还可以为产甲烷菌等微生物提供适宜的生长位点，促进产甲烷菌的生长繁殖，提高产甲烷菌的数量、改善菌群的群落结构，改善厌氧消化性能。脂肪酶与生物炭的协同作用保证系统的稳定性，提高餐厨垃圾厌氧消化产气效率。
对于生物炭的浓度，本发明不做限制，优选地，所述生物炭的接种浓度为4～8g/L，上述浓度下，餐厨垃圾厌氧消化产气效率更高。
本发明的技术方案中，脂肪酶预处理可以提高油脂在水中的溶解度及其可生物利用性，加快油脂水解速率。预处理水解了部分油脂，使得被油脂包裹的部分有机物得到分解产生挥发性脂肪酸(VFAs)；并且预处理也加速了油脂的分解，为产甲烷菌提供了更多可利用的底物。脂肪酶预处理能提高餐厨垃圾的可生化降解性，有利于微生物对其的利用，因此提高甲烷产量。
经脂肪酶预处理后的餐厨垃圾经厌氧消化甲烷产量明显提高。整个厌氧消化过程中，相对于未预处理组(536.63mL/g VS)，经不同浓度的脂肪酶预处理，餐厨垃圾厌氧消化的单位挥发性固体(VS)产甲烷量获得了3.84％～11.85％的显著提升。
以下给出本发明固定化脂肪酶的制备方法的一实施例：
(1)采用体积为250mL的锥形瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为15％～17％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.1％～1.5％，30～40℃恒温振荡反应20～25h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在30～40℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中接种包括产甲烷菌的厌氧污泥和4～8g/L的生物炭，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：(8～12)，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中30～40℃反应，并收集反应生成的甲烷。
本发明实施例中，餐厨垃圾采用人工配置餐厨垃圾，每100g垃圾包括以下质量分数的物质：米饭(27％)、肉类(20％)、蔬菜(35％)、豆制品(15％)、调味品(3％)。用小型搅拌机将其均质化，并于-20℃下储存备用。
厌氧污泥来源于污水处理厂。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
(1)采用体积为250mL的锥形瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为16.96％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.1％，36℃恒温振荡反应24h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中接种包括产甲烷菌的厌氧污泥，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
实施例2
(1)采用体积为250mL的锥形瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为16.96％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.5％，36℃恒温振荡反应24h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中接种包括产甲烷菌的厌氧污泥，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
实施例3
(1)采用体积为250mL的锥形瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为16.96％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的1％，36℃恒温振荡反应24h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中接种包括产甲烷菌的厌氧污泥，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
实施例4
(1)采用体积为250mL的锥形瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为16.96％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的1.5％，36℃恒温振荡反应24h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中接种包括产甲烷菌的厌氧污泥，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
实施例5
(1)采用体积为250mL的锥形瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为16.96％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.8％，36℃恒温振荡反应24h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中接种包括产甲烷菌的厌氧污泥，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
实施例6
(1)采用体积为250mL的锥形瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为17％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的1.2％，40℃恒温振荡反应25h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在40℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中接种包括产甲烷菌的厌氧污泥，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：12，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中40℃反应，并收集反应生成的甲烷。
实施例7
(1)采用体积为250mL的锥形瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为15％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.8％，35℃恒温振荡反应20h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在30℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中接种包括产甲烷菌的厌氧污泥，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：8，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中30℃反应，并收集反应生成的甲烷。
实施例8
(1)采用体积为250mL的抽滤瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为16.96％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.1％，36℃恒温振荡反应24h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中投加经过驯化的包括产甲烷菌的厌氧污泥和4g/L的生物炭，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10。反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
实施例9
(1)采用体积为250mL的抽滤瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为16.96％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.1％，36℃恒温振荡反应24h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中投加经过驯化的包括产甲烷菌的厌氧污泥和8g/L的生物炭，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
实施例10
(1)采用体积为250mL的抽滤瓶作为反应器，将产自米曲霉的脂肪酶和总固体含量为16.96％的餐厨垃圾混合，脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.5％，36℃恒温振荡反应24h后，得混合物；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向所述混合物中投加经过驯化的包括产甲烷菌的厌氧污泥和8g/L的生物炭，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10。对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
对比例1
除不进行步骤(1)以外，其余步骤和条件与实施例1相同。
对比例2
除不进行步骤(1)以外，其余步骤和条件与实施例5相同。
对比例3
除脂肪酶产自黑曲霉以外，其余步骤和条件与实施例5相同。
对比例4
除脂肪酶产自爪哇毛霉菌以外，其余步骤和条件与实施例5相同。
对比例5
(1)采用体积为250mL的抽滤瓶作为反应器，向其中投加总固体含量为16.96％的餐厨垃圾；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向反应器中接种经过驯化的包括产甲烷菌的厌氧污泥，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
对比例6
(1)采用体积为250mL的抽滤瓶作为反应器，向其中投加总固体含量为16.96％的餐厨垃圾；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向反应器中投加经过驯化的包括产甲烷菌的厌氧污泥和4g/L的生物炭，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
对比例7
(1)采用体积为250mL的抽滤瓶作为反应器，向其中投加总固体含量为16.96％的餐厨垃圾；
(2)用所述餐厨垃圾将厌氧污泥在35℃下进行驯化处理；
(3)向反应器中投加经过驯化的包括产甲烷菌的厌氧污泥和8g/L的生物炭，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：10，对反应瓶内部用氮气(纯度99.99％)吹洗5min以保证厌氧环境，并用塞紧橡胶塞，外部涂抹凡士林以达到密封目的，在密闭的厌氧环境中35℃反应，并收集反应生成的甲烷。
对实施例5、对比例2、对比例3及对比例4测定每日甲烷产量、累计甲烷产量和甲烷含量(体积)随时间变化图，得图1至图3。
请参阅图1，可以看出，接种污泥后，各组迅速产气，并均在第一日产气速率及甲烷日产率达到第一次高峰。其中，对实施例5、对比例2、对比例3及对比例4各组的日甲烷产量分别为：101.94657ml/g VS、97.11758ml/g VS、113.12123ml/g VS、113.85031ml/g VS。经过脂肪酶预处理后的实验组的日甲烷产量均高于空白组，由于经脂肪酶预处理后，脂肪酶水解油脂产生LCFAs，进而提高了反应前期的甲烷产量。反应第3天，各组的甲烷产量迅速增加，并达到第二次产气高峰，分别为97.49145ml/g VS、70.31044ml/g VS、85.26341ml/gVS、65.24896ml/g VS；可以发现经来自于米曲霉的脂肪酶预处理后的实施例5的第二次产气峰值最大。反应到第15天，4组的甲烷日产量均低于15ml/g VS，厌氧消化过程基本停止。
请参阅图2，可以看出，对实施例5、对比例2、对比例3及对比例4各组中，经不同来源的脂肪酶预处理的实验的累计产气量在厌氧消化反应开始后的几天迅速增加，之后的几天缓慢增加直至累计产气量停止变化。未经脂肪酶预处理的餐厨垃圾在厌氧消化开始的第一天累计产气量是与实验组相差不大，但是从第三天开始，累计产气量增加速度明显要低于对实施例5、对比例3及对比例4，厌氧消化结束后的累计产气量也要远低于实施例5和对比例3。对实施例5、对比例2、对比例3及对比例4累计产气量分别为739.54844mL/gVS、533.93778mL/g VS、714.20647mL/g VS、464.45153mL/g VS。
请参阅图3，由CH4含量的变化可知，对实施例5、对比例2、对比例3及对比例4各组CH4含量的变化趋势均为先升高，然后保持稳定，到反应后期，再下降到一定程度。其中，经来源于米曲霉的脂肪酶预处理的实施例5在第3天CH4含量达到77.84％，随后保持稳定。从第12天起，CH4含量开始缓慢下降，到实验结束时，CH4含量为59.45％。未经脂肪酶预处理的对比例2在第4天达到最大CH4含量，为74.75％。由此可知，经脂肪酶预处理的实验组有最大的CH4含量升高速率，表明脂肪酶预处理在实验前期可以提高餐厨垃圾厌氧消化CH4含量，使反应器中CH4含量最先达到稳定状态，其中，经来源于米曲霉的脂肪酶预处理的实施例5可获得更高的甲烷浓度。
综上，米曲霉产生的脂肪酶，对于提高餐厨垃圾厌氧消化的效果，提升甲烷产量效果最为明显。
对实施例1至4及对比例1监测累计甲烷产量和每日甲烷产量，分别得图4和图5。
请参阅图4，未经脂肪酶预处理的餐厨垃圾厌氧消化(对比例1)的累计甲烷产量为536.63ml/g VS，经脂肪酶预处理后的实施例1、2、4的累计甲烷产量均高于对比例1，分别增加了4.60％、3.84％和11.85％。这是因为预处理水解了部分油脂，使得被油脂包裹的部分有机物得到分解产生VFAs；并且预处理也加速了油脂的分解，为产甲烷菌提供了更多可利用的底物。脂肪酶预处理能提高餐厨垃圾的可生化降解性，有利于微生物对其的利用，因此提高甲烷产量。
请参阅图5，在厌氧消化开始的前三天，各组每日甲烷产量均呈先上升再下降随后再达到新的峰值的趋势，此时反应体系内均进行的是易水解底物，如碳水化合物、蛋白质的水解、酸化、产氢产乙酸，最后产甲烷菌利用前一阶段的产物产生CH4的过程。但相较于对比例1，经脂肪酶预处理后的实施例1至4具有更高的日甲烷产量峰值，其中，经浓度为1.5％的脂肪酶预处理的餐厨垃圾在第三天获得最大日产甲烷量，为139.35ml/g VS，并且接下来的日产甲烷量均高于对比例1。由此可见，脂肪酶预处理可有效地提高了油脂的水解速度，进而提高了反应前期的甲烷产量。
对实施例1-2、8-10及对比例5-7分别检测每日甲烷产量和累计甲烷产量，得图6和图7。请参阅图6，在厌氧消化开始的前三天，实施例1-2、8-10每日甲烷产量均呈先上升再下降随后再达到新的峰值的趋势，此时反应体系内均进行的是易水解底物，如碳水化合物、蛋白质的水解、酸化、产氢产乙酸，最后产甲烷菌利用前一阶段的产物产生CH4的过程。而对比例5-7，即餐厨垃圾厌氧消化及添加生物炭的厌氧消化组在前三天产气呈上升趋势，并在第三天达到产气峰值，随后呈下降趋势。但相较于对比例，经脂肪酶预处理后协同生物炭厌氧消化的实施例9及实施例9具有更高的日甲烷产量峰值。其中，实施例8，即经浓度为0.1％的脂肪酶预处理协同4g/L生物炭的餐厨垃圾厌氧消化在第一天即可获得最大日产甲烷量，为112.97ml/g VS。这主要是由于脂肪酶预处理可有效地提高了油脂的水解速度，加速了厌氧消化整个反应的进程，进而提高了反应前期的产甲烷速率。
请参阅图7，餐厨垃圾厌氧消化(对比例5)在第15天结束反应，反应结束时其获得的累计甲烷产量为515.33ml/g VS。添加生物炭的实验组，即对比例6及对比例7分别在第12天和第15天结束反应，获得的累计甲烷产量分别为523.70ml/g VS、572.32ml/g VS，较对比例5增加了1.7％和11.06％。由此看见，生物炭的添加可有效提升餐厨垃圾厌氧消化产气性能，这主要是因为生物炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，可以为产甲烷菌等微生物提供适宜的生长位点，促进产甲烷菌的生长繁殖，提高了产甲烷菌的数量、改善了菌群的群落结构。经脂肪酶预处理后的实验组，即实施例1和实施例2在第7天左右即已结束反应，反应结束时获得的累计甲烷产量为540.12ml/gVS、535.83ml/g VS，较对比例5分别增加了4.8％和3.9％。经脂肪酶预处理后，餐厨垃圾厌氧消化产气性能有所提升。这是由于经脂肪酶预处理后，油脂水解为甘油和长链脂肪酸，加速了油脂的水解速率，增加了厌氧消化反应进程，为产甲烷阶段提供了更多的底物。实施例8、9、10分别在第9天、第9天和第13天结束反应，反应结束时获得的累计甲烷产量分别549.54ml/g VS、590.77ml/g VS和563.63ml/gVS，均高于对比例5，分别增加了6.64％、14.74％和9.37％。可以看出脂肪酶预处理同生物炭在餐厨垃圾厌氧消化中可以起到协同作用，更大幅的提升餐厨垃圾厌氧效果。这是因为预处理水解了部分油脂，使得被油脂包裹的部分有机物得到分解产生VFAs；并且预处理也加速了油脂的分解，进而加速了整个反应进程，并为产甲烷菌提供了更多可利用的底物；生物炭的加入为产甲烷菌提供了更为安全的场所供其生长繁殖，避免受到油脂经脂肪酶水解后产生的大量的VFAs的迫害。
综上，本发明提出的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，经脂肪酶预处理后在餐厨垃圾厌氧消化系统中投加生物炭可使其经厌氧消化后甲烷产量明显提高。整个厌氧消化过程中，相对于未预处理组(515.33mL/gVS)，经不同浓度的脂肪酶预处理，餐厨垃圾厌氧消化的单位挥发性固体(VS)产甲烷量获得了6.64％～14.74％的显著提升。除此之外，本发明提供的处理方法可显著加速整个反应进程，缩短反应时间，提升厌氧消化产甲烷速率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、将脂肪酶和餐厨垃圾混合，振荡反应后，得混合物；
S20、向所述混合物中接种包含产甲烷菌的厌氧污泥，在密闭的厌氧环境中反应，收集反应生成的甲烷。
2.如权利要求1所述的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，其特征在于，在步骤S10中，所述脂肪酶产自米曲霉。
3.如权利要求2所述的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，其特征在于，所述米曲霉的酶活性为3000000u/g。
4.如权利要求1所述的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，其特征在于，在步骤S10中，
所述餐厨垃圾的总固体含量为15％～17％；
所述脂肪酶的质量为所述餐厨垃圾质量的0.1％～1.5％；
反应温度为30～40℃；
反应时间为20～25h。
5.如权利要求1所述的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，其特征在于，步骤S20包括：向所述混合物中接种包含产甲烷菌的厌氧污泥和生物炭，在密闭的厌氧环境中反应，收集反应生成的甲烷。
6.如权利要求5所述的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，其特征在于，所述生物炭的接种浓度为4～8g/L。
7.如权利要求1所述的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，其特征在于，在步骤S20中，所述厌氧污泥与所述餐厨垃圾的体积之比为1：(8～12)。
8.如权利要求1所述的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，其特征在于，在步骤S10之后，步骤S20之前，还包括：
S11、用所述餐厨垃圾将厌氧污泥进行驯化处理。
9.如权利要求8所述的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，其特征在于，驯化处理温度为30～40℃。
10.如权利要求1所述的提高餐厨垃圾厌氧产甲烷的方法，其特征在于，在步骤S20中，反应温度为30～40℃。
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