CN114350719A

CN114350719A - 一种强化高还原糖湿有机废物发酵产乙酸的方法

Info

Publication number: CN114350719A
Application number: CN202111503467.4A
Authority: CN
Inventors: 郑雄; 吴瑒; 陈银广; 胡婉莹; 陈玥汐
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2041-12-10
Also published as: CN114350719B

Abstract

本发明提供了一种强化高还原糖湿有机废物发酵产乙酸的方法，具体步骤为：S1：将高还原糖湿有机废物加入超声预处理装置进行超声；同时从多金属加药罐向其中投加多金属氧酸盐用以增强预处理效果；S2：将预处理后的湿有机废物加入厌氧发酵装置；S3：通过实时气相色谱仪检测污泥厌氧发酵装置中上清液有机酸的含量；S4：利用pH检测器检测厌氧发酵装置中上清液pH值；S5：根据有机酸的检测结果计算乙酸占比，利用反馈条件控制储碱池和草酸钠加药罐中的碱液和草酸钠的投加量。本发明将高还原糖湿有机废物进行超声和多金属氧酸盐预处理，并通过实时监控反馈系统控制厌氧发酵处理过程pH值和草酸钠投加量，从而定向强化乙酸产量。

Description

一种强化高还原糖湿有机废物发酵产乙酸的方法

技术领域

本发明涉及环保技术领域，尤其是涉及一种将高还原糖湿有机废物进行预处理并控制厌氧发酵处理过程条件，从而定向强化生物产乙酸的方法。

背景技术

随着城市化进程的不断加速，以食物垃圾和餐厨垃圾为代表的高还原糖湿有机废物的处置日益受到人们关注，其全球年产量在2025年预估可达22亿吨。尽管许多国家采用焚烧和填埋的策略应对食物垃圾的处理，然而它们在环境(严苛的法律法规)和经济可持续性(土地短缺和处理成本上升)方面招致越来越多的批评。

厌氧发酵是近年来一种绿色且有发展前景的有机固废处理技术，在此过程中，可以回收各种高附加值的液体产品(例如乙酸)。乙酸已被证明是一种多用途的化学构件，它可被广泛用于溶剂、食品防腐剂和各种化学品(如酒精、醛或酮)的前体。据文献报道，2025年全球对醋酸需求量预计可达1800万吨，市场价格为每吨1600美元。因此，考虑到这些有机废物中富含的高还原糖可作为发酵底物，采用厌氧发酵将其定向产乙酸是实现有机固废资源化利用的重要途径。

目前，由于湿垃圾中存在大量难生物降解有机物质(如纤维素和木质素)，因此厌氧发酵目前主要限速步骤为增溶/水解过程。尽管目前大量预处理方法(例如微波、水热、酸碱处理等)被应用于增强湿垃圾增溶和水解效能，然而均存在生产升本过高、工艺复杂以及二次污染等问题。多金属氧酸盐是一种环保的无机多原子离子，具有由痕量杂原子和具有最高氧化态的过渡金属组成的3D框架。由于其特殊的结构，多金属氧酸盐通常同时具有强布朗斯台德酸性、强氧化性和电子转移能力，目前被广泛应用于光电催化和化学催化等领域。但是尚未有报道提出其是否可被应用于发酵系统中增强湿垃圾增溶、水解和酸化效能，且其与湿垃圾预处理技术的耦合与控制也存在诸多不确定因素，亟待攻克解决。

同时，还原糖降解主要的副产品为乳酸，乳酸的大量存在不仅降低了乙酸的回收比率，同时提升了处理成本。此外，目前针对高还原糖湿有机废物产乙酸的方法相对匮乏，仅靠单一的处理方法很难提升乙酸产量。尽管利用复合方法调控强化乙酸产量方法在理论上可行，但是厌氧发酵作为微生物代谢过程是一个动态平衡过程，需要对于每个过程进行实时监控并及时做出反馈，从而保证整个系统的稳定运行。然而目前研究主要聚焦于处理方法的改进，对厌氧发酵实时监控与反馈的研究相对匮乏，尤其在关键控制参数的选择与实时反馈调节方面存在选择不当以及控制精度无法达到预期等难题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种强化高还原糖湿有机废物发酵产乙酸的方法。本发明将高还原糖湿有机废物进行超声和多金属氧酸盐预处理，并通过实时监控反馈系统控制厌氧发酵处理过程pH值和草酸钠投加量，从而定向强化乙酸产量。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提供了强化高还原糖湿有机废物发酵产乙酸的方法所用的产酸装置；

所述产酸装置包括超声预处理装置(1)、多金属氧酸盐加药罐(2)、厌氧发酵装置(3)、实时气相色谱仪(4)、计算机(5)、储碱池(6)、草酸钠加药罐(7)、电动阀(8)、电动阀(9)和pH检测器(10)；

所述超声预处理装置(1)的下端连接多金属加药罐(2)，所述超声预处理装置(1)的污泥出口连接厌氧发酵装置(3)；所述厌氧发酵装置(3)上部一侧为上清液出口，所述上清液通过实时气相色谱仪(4)进行检测；

所述储碱池(6)和草酸钠加药罐(7)底部通过管道和电动阀(8)、电动阀(9)分别连接厌氧发酵装置(3)顶部的进水口，所述厌氧发酵装置(3)上部设有pH检测器(10)；

所述计算机(5)分别连接实时气相色谱仪(4)、电动阀(8)、电动阀(9)和pH检测器(10)。

本发明还提供了所述强化高还原糖湿有机废物发酵产乙酸的具体步骤：

S1：将浓度为20～40g/L的高还原糖湿有机废物加入超声预处理装置(1)进行超声，超声时间为10～30min，超声功率为0.1～0.5kW，超声频率为10～40kHz；同时从多金属加药罐(2)向其中投加多金属氧酸盐用以增强预处理效果，投加量为0.01～0.03g/g TSS；

S2：将预处理后的湿有机废物加入厌氧发酵装置(3)；厌氧发酵处理温度为20～50℃，湿有机废物停留时间为4～8天；

S3：通过实时气相色谱仪(4)检测污泥厌氧发酵装置(3)中上清液有机酸的含量；

S4：利用pH检测器(10)检测厌氧发酵装置(3)中上清液pH值；

S5：根据有机酸的检测结果计算乙酸占比，利用反馈条件控制储碱池(6)和草酸钠加药罐(7)中的碱液和草酸钠的投加量，其中，控制厌氧处理过程的pH为5.0～7.0，控制乙酸占比不低于50％；

当乙酸占比低于50％时，即补充草酸钠，其投加量为20～30mmol/L。

其中，步骤S1中，所述高还原糖湿有机废物为食物垃圾、餐厨垃圾或两者任意比例的混合物。

优选的，步骤S1中，所述多金属氧酸盐为磷钼酸。

优选的，步骤S3中，检测的有机酸包括乳酸、乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸和异戊酸，通过乙酸含量除以总检测有机酸含量，得出乙酸占比。

优选的，步骤S1中，控制高还原糖湿有机废物为20g/L；超声时间为15min、超声功率为0.3kW、超声频率为30kHz、

优选的，步骤S3中，厌氧发酵处理过程的温度为35℃，有机废物停留时间为6天。

优选的，步骤S5中，利用反馈条件控制厌氧处理过程的pH值为6.0，草酸钠的加药量为20mmol/L。

优选的，本发明采用的气相色谱仪为安捷伦GC7890。

本发明在装置运行前期通过投加20wt％的活性污泥作为发酵底物，来驯化功能性微生物，当装置稳定运行后，无需投加任何菌类，直接封闭容器保持厌氧状态，让有机固废自行进行发酵，只投加碱和草酸钠即可。

本发明有益的技术效果在于：

本发明主要通过将高还原糖湿有机废物进行超声和多金属氧酸盐预处理，并通过检测有机废物厌氧发酵处理过程中乙酸的含量和比率变化情况来反馈调节发酵过程的pH值和草酸钠投加量，从而大幅增强乙酸产量和比率。与常规湿有机废物发酵系统相比，本方法在最佳条件可实现乙酸产量提升4～6倍，乙酸占比提升3～5倍。本方法具有操作简便及乙酸产量增幅效果显著等优点。

本发明发现通过向高还原糖湿有机废物投加草酸钠可抑制丙酮酸到乳酸的反应，从而强化丙酮酸向有机酸的转化过程，实现高还原糖湿有机废物定向产乙酸，乙酸产量高，占比总有机酸超过80％。

本发明可实时根据乙酸产量和比率做出相应反馈，保障整个系统的稳定运行，具有操作简便和乙酸产量增幅效果显著的优点。

附图说明

图1为本发明提出的强化高还原糖湿有机废物厌氧发酵过程中乙酸含量和比率的工艺流程图。

图中，部件名称与附图编号的对应关系为：

1-超声预处理装置、2-多金属氧酸盐加药罐、3-厌氧发酵装置、4-实时气相色谱仪、5-计算机、6-储碱池、7-草酸钠加药罐、8-电动阀、9-电动阀、10-pH检测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。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：

S1：如图1所示，将高还原糖湿有机废物(20g/L)加入超声预处理装置1，超声时间为15min，超声功率为0.3kW，超声频率为30kHz；同时从多金属氧酸盐加药罐2向其中投加多金属氧酸盐(磷钼酸)用以增强预处理效果，投加量为0.02g/g TSS；

S2：将预处理后的湿有机废物加入厌氧发酵装置3，控制发酵过程温度为35±1℃，停留时间为6天。

S3：厌氧发酵装置运行过程中，通过实时气相色谱仪4检测上清液中有机酸的含量，检测数据自动输入计算机5；

S4：厌氧发酵装置运行过程中，利用pH检测器10检测上清液中pH值，

S5：根据监测数据，通过储碱池6的电动阀8和草酸钠加药罐7的电动阀9分别控制碱液和草酸钠的投加量，反馈调节系统的pH值为6.0±1；当乙酸占比低于50％时，投加20mM草酸钠。

与常规湿有机废物处理系统(不进行超声和多金属氧酸盐预处理、不反馈调节pH值、不反馈调节草酸钠投加量)相比，采用本方法的总酸含量从17714mg COD/L提升至37887mg COD/L，增强了214％；乙酸含量从4535mg COD/L提升至31068mg COD/L，增强了685％；乙酸的占比从25.6％提升至82.0％，增强了320％。

实施例2：

S1：如图1所示，将高还原糖湿有机废物(30g/L)加入超声预处理装置1，超声时间为30min，超声功率为0.3kW，超声频率为30kHz；同时从多金属氧酸盐加药罐2向其中投加多金属氧酸盐(磷钼酸)用以增强预处理效果，投加量为0.01g/g TSS；

S2：将预处理后的湿有机废物加入厌氧发酵装置3，控制发酵过程温度为35±1℃，停留时间为4天。

与常规湿有机废物处理系统(不进行超声和多金属氧酸盐预处理、不反馈调节pH值、不反馈调节草酸钠投加量)相比，采用本方法的总酸含量从17714mg COD/L提升至25662mg COD/L，增强了145％；乙酸含量从4535mg COD/L提升至16068mg COD/L，增强了354％；乙酸的占比从25.6％提升至62.6％，增强了245％。

实施例3：

S1：如图1所示，将高还原糖湿有机废物(20g/L)加入超声预处理装置1，超声时间为10min，超声功率为0.1kW，超声频率为40kHz；同时从多金属氧酸盐加药罐2向其中投加多金属氧酸盐(磷钼酸)用以增强预处理效果，投加量为0.03g/g TSS；

S2：将预处理后的湿有机废物加入厌氧发酵装置3，控制发酵过程温度为50±1℃，停留时间为8天。

S5：根据监测数据，通过储碱池6的电动阀8和草酸钠加药罐7的电动阀9分别控制碱液和草酸钠的投加量，反馈调节系统的pH值为7.0±1；当乙酸占比低于50％时，投加20mM草酸钠。

与常规湿有机废物处理系统(不进行超声和多金属氧酸盐预处理、不反馈调节pH值、不反馈调节草酸钠投加量)相比，采用本方法的总酸含量从17714mg COD/L提升至33619mg COD/L，增强了190％；乙酸含量从4535mg COD/L提升至25093mg COD/L，增强了533％；乙酸的占比从25.6％提升至74.6％，增强了291％。

实施例4：

S1：如图1所示，将高还原糖湿有机废物(30g/L)加入超声预处理装置1，超声时间为10min，超声功率为0.5kW，超声频率为40kHz；同时从多金属氧酸盐加药罐2向其中投加多金属氧酸盐(磷钼酸)用以增强预处理效果，投加量为0.01g/g TSS；

S2：将预处理后的湿有机废物加入厌氧发酵装置3，控制发酵过程温度为20±1℃，停留时间为6天。

S5：根据监测数据，通过储碱池6的电动阀8和草酸钠加药罐7的电动阀9分别控制碱液和草酸钠的投加量，反馈调节系统的pH值为5.0±1；当乙酸占比低于50％时，投加30mM草酸钠。

与常规湿有机废物处理系统(不进行超声和多金属氧酸盐预处理、不反馈调节pH值、不反馈调节草酸钠投加量)相比，采用本方法的总酸含量从17714mg COD/L提升至24857mg COD/L，增强了140％；乙酸含量从4535mg COD/L提升至15882mg COD/L，增强了350％；乙酸的占比从25.6％提升至63.8％，增强了250％。

实施例5：

S1：如图1所示，将高还原糖湿有机废物(30g/L)加入超声预处理装置1，超声时间为30min，超声功率为0.3kW，超声频率为10kHz；同时从多金属氧酸盐加药罐2向其中投加多金属氧酸盐(磷钼酸)用以增强预处理效果，投加量为0.03g/g TSS；

S5：根据监测数据，通过储碱池6的电动阀8和草酸钠加药罐7的电动阀9分别控制碱液和草酸钠的投加量，反馈调节系统的pH值为7.0±1；当乙酸占比低于50％时，投加10mM草酸钠。

与常规湿有机废物处理系统(不进行超声和多金属氧酸盐预处理、不反馈调节pH值、不反馈调节草酸钠投加量)相比，采用本方法的总酸含量从17714mg COD/L提升至35331mg COD/L，增强了140％；乙酸含量从4535mg COD/L提升至24772mg COD/L，增强了546％；乙酸的占比从25.6％提升至70.1％，增强了274％。

实施例6：

S1：如图1所示，将高还原糖湿有机废物(40g/L)加入超声预处理装置1，超声时间为15min，超声功率为0.1kW，超声频率为30kHz；同时从多金属氧酸盐加药罐2向其中投加多金属氧酸盐(磷钼酸)用以增强预处理效果，投加量为0.01g/g TSS；

S2：将预处理后的湿有机废物加入厌氧发酵装置3，控制发酵过程温度为50±1℃，停留时间为4天。

与常规湿有机废物处理系统(不进行超声和多金属氧酸盐预处理、不反馈调节pH值、不反馈调节草酸钠投加量)相比，采用本方法的总酸含量从17714mg COD/L提升至34254mg COD/L，增强了193％；乙酸含量从4535mg COD/L提升至14587mg COD/L，增强了322％；乙酸的占比从25.6％提升至42.6％，增强了166％。

实施例7：

S1：如图1所示，将高还原糖湿有机废物(20g/L)加入超声预处理装置1，超声时间为15min，超声功率为0.3kW，超声频率为10kHz；同时从多金属氧酸盐加药罐2向其中投加多金属氧酸盐(磷钼酸)用以增强预处理效果，投加量为0.02g/g TSS；

与常规湿有机废物处理系统(不进行超声和多金属氧酸盐预处理、不反馈调节pH值、不反馈调节草酸钠投加量)相比，采用本方法的总酸含量从17714mg COD/L提升至32144mg COD/L，增强了181％；乙酸含量从4535mg COD/L提升至25432mg COD/L，增强了561％；乙酸的占比从25.6％提升至79.1％，增强了309％。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims

1.一种强化高还原糖湿有机废物发酵产乙酸的方法，其特征在于，所述方法通过产酸装置实现；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述强化高还原糖湿有机废物发酵产乙酸的具体步骤为：

S1：将浓度为20～40 g/L的高还原糖湿有机废物加入超声预处理装置(1)进行超声，超声时间为10～30 min，超声功率为0.1～0.5 kW，超声频率为10～40 kHz；同时从多金属加药罐(2)向其中投加多金属氧酸盐用以增强预处理效果，投加量为0.01～0.03 g/g TSS；

S4：利用pH检测器(10)检测厌氧发酵装置(3)中上清液pH值；

S5：根据有机酸的检测结果计算乙酸占比，利用反馈条件控制储碱池(6) 和草酸钠加药罐(7)中的碱液和草酸钠的投加量，其中，控制厌氧处理过程的pH为5.0～7.0，控制乙酸占比不低于50％；

当乙酸占比低于50％时，即补充草酸钠，其投加量为20～30 mmol/L。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中，所述高还原糖湿有机废物为食物垃圾、餐厨垃圾或两者任意比例的混合物。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中，所述多金属氧酸盐为磷钼酸。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3中，检测的有机酸包括乳酸、乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸和异戊酸，通过乙酸含量除以总检测有机酸含量，得出乙酸占比。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中，控制高还原糖湿有机废物为20g/L；超声时间为15 min、超声功率为0.3 kW、超声频率为30 kHz。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3中，厌氧发酵处理过程的温度为35℃，有机废物停留时间为6天。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S5中，利用反馈条件控制厌氧处理过程的pH值为6.0，草酸钠的加药量为20 mmol/L。