CN114789181B - 一种厨余垃圾资源化利用的方法 - Google Patents
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Abstract
一种厨余垃圾资源化利用的方法，包括：厨余垃圾在温度28～35℃的条件下水解，直到VFA的浓度达到30～50g/L；水解后进行固液分离，得到的水解液灭菌后在温度25～35℃的条件下进行发酵，得到微生物油脂。厨余垃圾水解后的所得产物的10wt％～20wt％回流，与分拣破碎后的厨余垃圾混合均匀，再进行水解。水解后固液分离后的固体残余物和/或制备微生物油脂过程中产生的微生物固体残渣进行厌氧发酵，产生沼气；厌氧反应后的沼渣进行堆肥处理，得到有机肥料。不仅可解决厨余垃圾的污染问题，还可获得高值产品微生物油脂、甲烷和有机肥，实现了厨余垃圾的减量化、无害化与资源化。
Description
技术领域
本发明涉及环保及可再生能源领域，特别是一种厨余垃圾资源化利用的系统与方法。
背景技术
根据《北京市生活垃圾管理条例》，厨余垃圾是指家庭中产生的菜帮菜叶、瓜果皮核、剩菜剩饭、废弃食物等易腐蚀性垃圾。厨余垃圾含水率较高，有机质含量高，且含有大量果蔬垃圾等易水解酸化有机物，长期堆放容易腐烂发臭，滋生蚊蝇、病菌，影响生活环境和生命健康，因此厨余垃圾的有效处理至关重要。
目前餐厨垃圾处理工艺有填埋、焚烧、好氧堆肥、厌氧发酵、烘干作为饲料等几种，相比卫生填埋、焚烧及好氧堆肥带来的环境污染和能源浪费，厌氧发酵被认为是一种污染小、效益高的处理技术，已成为处理餐厨垃圾的主要方法。但是由于厨余垃圾相比餐厨垃圾，油脂和盐分含量更少，更易被微生物分解，易产生大量挥发性脂肪酸(VFA)并造成酸积累，可严重抑制产甲烷菌的活性。酸化问题是制约厨余垃圾厌氧发酵的关键因素。
有研究表明，产油微生物(如Y.lipolytica等)可以利用VFA作为碳源物质进行细胞增殖和代谢，合成微生物油脂，微生物油脂可以作为生产生物柴油的原料。利用厨余垃圾水解产生的VFA作为碳源生产微生物油脂不仅可以实现厨余垃圾的有效资源化，还可以极大程度地降低微生物油脂的生产成本，拓宽生物柴油的原料范围，缓解来自传统化石燃料紧缺、能源需求膨胀的压力。
基于上述背景，提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的，将厨余垃圾经过处理，不仅可解决厨余垃圾的污染问题，还可获得高值产品微生物油脂、甲烷和有机肥，实现了厨余垃圾的减量化、无害化与资源化。
为实现本发明的目的，采用如下方法。
一种厨余垃圾资源化利用的方法，包括：厨余垃圾在温度28～35℃的条件下水解，直到VFA的浓度达到30～50g/L；水解后进行固液分离，得到的水解液灭菌后加入产油酵母在温度25～35℃的条件下进行发酵，得到微生物油脂。
上述的厨余垃圾处理过程中，水解后的水解液进行发酵制备出微生物油脂，且微生物油脂的含量可达到20％以上。
进一步的，水解后固液分离后的固体残余物和/或制备微生物油脂过程中产生的微生物固体残渣进行厌氧发酵，产生沼气；厌氧反应后的沼渣进行堆肥处理，得到有机肥料。
经过上述过程，不仅仅解决的厨余垃圾的污染问题，还制备出有使用价值的产品，实现了厨余垃圾的资源化利用，提高了物料利用率和经济效益。
附图说明
图1为本发明的一种厨余垃圾资源化利用的系统示意图。
具体实施方式
下面对本申请的厨余垃圾资源化利用的方法进一步详细叙述。并不限定本申请的保护范围，其保护范围以权利要求书界定。某些公开的具体细节对各个公开的实施方案提供全面理解。然而，相关领域的技术人员知道，不采用一个或多个这些具体的细节，而采用其他的材料等的情况也可实现实施方案。
除非上下文另有要求，在说明书以及权利要求书中，术语“包括”、“包含”应理解为开放式的、包括的含义，即为“包括，但不限于”。
本说明书中，使用“数值A～数值B”表示的数值范围是指包括端点数值A、B的范围。
本说明书中，使用“以上”或“以下”表示的数值范围是指包括本数的数值范围。
在说明书中所提及的“实施方案”、“一实施方案/优选的实施方案”、“另一实施方案/优选的实施方案”或“某些实施方案”等是指与所述实施方案相关的所描述的特定要素(例如：具体涉及的特征、结构或特性)包括在至少一个实施方案中。因此，“实施方案”、“一实施方案”、“另一实施方案”或“某些实施方案”没有必要均指相同的实施方案。且，具体的特征、结构或者特性可以在一种或多种实施方案中以任何的方式相结合。说明书中所揭示的各个特征，可以任何可提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则所有的百分数、比率、比例、或份数按重量计。
定义：
“厨余垃圾”是厨余垃圾是指居民日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾，包括丢弃不用的菜叶、剩菜、剩饭、果皮、蛋壳、茶渣、骨头等，其主要来源为家庭厨房、餐厅、饭店、食堂、市场及其他与食品加工有关的行业。
“VFA”指挥发性脂肪酸，简称VFA，是脂肪酸的一种，一般是具有1～6个碳原子碳链的有机酸，包括乙酸、丙酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、正丁酸等，它们的共同特点是具有很强的挥发性，故称挥发性脂肪酸。
“OD600”是某种溶液在600nm波长处的吸光值，利用细菌的吸光来测量细菌培养液的浓度。
“接种量”是指移入种子液的体积和接种后培养液体积的比例。“油脂含量”：表示单位干重的菌体所含有的油脂量。即g-油脂/g-干菌体，单位为百分比(％)。
厨余垃圾中组分譬如碳水化合物、蛋白质以及脂肪的含量均是基于厨余垃圾的固体物质而言。
“碳氮比”是指碳元素和氮元素的质量比。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本申请方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
第一方面，一种厨余垃圾资源化利用的方法，包括：厨余垃圾在温度28～35℃的条件下水解，直到VFA的浓度达到30～50g/L；水解后进行固液分离，得到的水解液灭菌后加入产油酵母，在温度25～35℃的条件下进行发酵，得到微生物油脂。
在本申请中，使用的厨余垃圾中的碳氮比在15～35范围内，含固率约为15wt％～30wt％。
在一实施方式中，厨余垃圾在水解之前进行预处理，具体包括：将厨余垃圾中的无机物分拣去除，随后破碎处理至粒径小于5mm的待水解的厨余垃圾。
厨余垃圾中有机物质的组分包括：
厨余垃圾中有机物质的组分包括碳水化合物、蛋白质、脂肪，其中，脂肪含量低于10wt％，碳水化合物含量在70wt％以上；
优选的，碳水化合物中木质纤维素含量低于20wt％。
本申请的厨余垃圾在28～35℃、厌氧条件下水解后得到的水解液中VFA的含量达到30～50g/L，经灭菌处理后加入产油酵母进行发酵，可得到微生物油脂。该方法制备的产物中含有20％以上的微生物油脂。
所述的产油酵母包括但不限于解脂亚罗菌。其接种量为9～11％vv。
菌种液的OD600为1～1.5。
具有上述含水量、碳氮比以及有机物含量的厨余垃圾在25～35℃条件下水解得到的水解液含VFA达到30～50g/L，pH约为3～5。
本申请中制备油脂过程中，采用具有上述含量的厨余垃圾在28～35℃温度下水解得到的水解液，水解液中含有VFA30～50g/L，实际水解液，不需要调节pH，而是利用了水解产物中还原糖的解毒作用，即可制备出高含量的油脂。
制备微生物油脂的发酵过程为有氧发酵。
在某些实施方式中，厨余垃圾水解后的所得产物的10wt％～20wt％回流，与分拣破碎后的厨余垃圾混合均匀，再进行水解。水解后的产物可以提供水解细菌。
在某些实施方案中，得到的水解液灭菌后加入产油酵母，在温度25～35℃的条件下进行发酵5-10天，制备含有微生物油脂的产物。
进一步的，对含有微生物油脂的产物进行提取油脂。可采用现有技术所公开的方法进行提取。譬如酸热法提取菌体内油脂。具体为：含有微生物油脂的产物进行离心分离，倒去上清液；在残留物中加入盐酸溶液，摇匀后室温放置，然后再低温速冷，使细胞破裂；破碎菌液中加入二倍体积的氯仿/甲醇(体积1/1)，充分震荡后进行离心分离，下层为溶有油脂的氯仿溶液；氯仿溶液加入氯化钠溶液后，经蒸发、干燥得到油脂。
提取油脂时产生的废液进一步可回流到水解反应中。
在某些实施方式中，水解后固液分离后的固体残余物和/或制备微生物油脂过程中产生的微生物固体残渣进行厌氧发酵，产生沼气；厌氧反应后的沼渣进行堆肥处理，得到有机肥料。
固体残渣进行厌氧发酵的条件，温度控制在35～38℃。
厌氧发酵的时间10～20天。
在某些实施方式中，固体残渣进行厌氧发酵时，底物固含率为6％～10％。
由此，产生的沼气中，含约60％～70％的甲烷和30％～40％的二氧化碳。上述百分比均为体积比例。
更优选的，水解后固液分离后的固体残余物和制备微生物油脂过程中产生的微生物固体残渣进行厌氧发酵，产生沼气。得到的沼气中，甲烷的含量更高。
另一方面，一种厨余垃圾资源化利用的方法，包括如下步骤：
1)分拣破碎：将厨余垃圾中的无机物分拣去除，并破碎处理至粒径小于5mm；
2)水解酸化：步骤1)中分拣破碎后的物料混合均匀后进行水解，水解反应的温度为28～35℃，含固率为15％～30％；
3)固液分离：水解产物经过固液分离过程分为水解液和固态残余物；
4)微生物产油脂：步骤3)得到的水解液通过灭菌后进行油脂合成反应，反应物中的VFA浓度约为30～50g/L，温度为25～35℃，得到含有油脂的产物；
5)厌氧发酵：步骤3)固液分离后所得的固态残余物，在35～38℃的条件下进行厌氧发酵，底物含固率为6％～10％；
6)有机肥制备：厌氧发酵产生的沼渣通过堆肥后可作为有机肥料。
水解酸化在厌氧条件下进行。
在某些实施方式中，在步骤2)中，水解产物的10％～20％回流，与分拣破碎后的厨余垃圾混合均匀，其余水解产物经过固液分离过程分为水解液和固态残余物。
在某些实施方式中，在步骤4)中，在油脂提出过程中产生的废水回流至步骤2)进行再利用，产生的微生物残渣与厨余垃圾水解后的固态残余物混合通过步骤5)进行厌氧发酵再利用。
步骤5)所产生的沼气中含约60％～70％的甲烷和30％～40％的二氧化碳，利用沼气收集装置贮存。
在步骤5)中，厌氧发酵的时间控制在10～20天内。
本发明利用厨余垃圾含水率高且易水解酸化的特点，将所产VFA应用于微生物产油脂领域，有效解决厨余垃圾的处置问题，该系统与方法不仅可解决厨余垃圾的污染问题，还可获得高值产品微生物油脂、甲烷和有机肥，实现了厨余垃圾的减量化、无害化与资源化。
下面采用具体的实例来进一步说明本申请的厨余垃圾资源化利用的方法以及所得到的技术效果。
本申请的厨余垃圾资源化利用的系统图见图1。所取厨余垃圾来自北京市海淀区某社区垃圾分类的厨余垃圾专用桶。
如图1所示，厨余垃圾经过分拣破碎后，先进行水解，少部分水解产物回流到水解过程中，剩余的水解产物固液分离；水解液经微滤灭菌后，加入解脂亚罗菌发酵，进行微生物产油脂；水解后的固体残余物进一步厌氧发酵，制备得到沼气，残值用于堆肥，制备有机肥；含微生物油脂的产物经提取后，得到微生物油脂，在此过程中得到的废水调节水解反应器内的含固率，微生物残渣与水解固体残余物一起进行厌氧发酵，制备沼气等。
如下实施例中使用的厨余垃圾中有机物质的组分包括：碳水化合物、蛋白质、脂肪，其中，脂肪含量低于10wt％，碳水化合物含量在70wt％以上；碳水化合物中木质纤维素含量低于20wt％。厨余垃圾中的碳氮比在15～35范围内，含固率约为15wt％～30wt％。
实施例1
厨余垃圾资源化利用的方法包括：
1)将厨余垃圾进行破碎预处理，将其破碎处理至粒径小于5mm。
2)将所得物料(物料或者与步骤3回流物料混合均匀后)进入水解反应器内厌氧条件下进行水解酸化，反应器温度恒为35℃，含固率调节至10％，停留时间为3天，VFA浓度为40g/L。
3)将水解反应器内出料10％用于回流，90％进行固液分离处理。
4)将固液分离所得液体部分微滤除菌，进入油脂合成反应器作为营养液，解脂亚罗菌(Yarrowia lipolytica CICC-31596，源于中国工业微生物菌种保藏管理中心)的接种量10％vv，菌种液的OD600为1.2。培养温度为28℃，停留时间为6天。
5)利用酸热法提取微生物油脂，所得油脂含量为22.5％。油脂提取后的剩余菌体结构可以进入厌氧反应器中产甲烷，油脂提取过程产生的废水可用于调节水解反应器内的含固率。
6)步骤4中所得固液分离所得固态残余物与步骤5的剩余菌体结构进入厌氧发酵反应器内，用于产甲烷。厌氧发酵反应器内的含固率为8％，pH约为7.5，温度保持在37±0.5℃，所产沼气中含有65％的甲烷和35％的二氧化碳，甲烷产率为350mL·CH4/g·VS。
厌氧发酵的沼渣和微生物油脂提出剩余的微生物残渣通过堆肥制备有机肥料。
实施例2
厨余垃圾资源化利用的方法包括：
1)将厨余垃圾进行破碎预处理，将其破碎处理至粒径小于5mm。
2)将所得物料(物料或者与步骤3回流物料混合均匀后)进入水解反应器内厌氧条件下进行水解酸化，反应器温度恒为28℃，含固率调节至6％，停留时间为3天，VFA浓度为30g/L。
3)将水解反应器内出料20％用于回流，80％进行固液分离处理。
4)将固液分离所得液体部分微滤除菌，进入油脂合成反应器作为营养液，解脂亚罗菌(Yarrowia lipolytica CICC-31596，源于中国工业微生物菌种保藏管理中心)的接种量10％vv，菌种液的OD600为1.2。培养温度为30℃，停留时间为8天。
5)利用酸热法提取微生物油脂，所得油脂含量为20.5％。油脂提取后的剩余菌体结构可以进入厌氧反应器中产甲烷，油脂提取过程产生的废水可用于调节水解反应器内的含固率。
6)步骤4中所得固液分离所得固态残余物和步骤5的剩余菌体结构进入厌氧发酵反应器内，用于产甲烷。厌氧发酵反应器内的含固率为6％，pH约为7.5，温度保持在37±0.5℃，所产沼气中含有60％的甲烷和40％的二氧化碳，甲烷产率为320mL·CH4/g·VS。
厌氧发酵的沼渣和微生物油脂提出剩余的微生物残渣通过堆肥制备有机肥料。
实施例3
厨余垃圾资源化利用的方法包括：
1)将厨余垃圾进行破碎预处理，将其破碎处理至粒径小于5mm。
2)将所得物料(物料或者与步骤3回流物料混合均匀后)进入水解反应器内厌氧条件下进行水解酸化，反应器温度恒为30℃，含固率调节至12％，停留时间为3天，VFA浓度为50g/L。
3)将水解反应器内出料15％用于回流，85％进行固液分离处理。
4)将固液分离所得液体部分微滤除菌，进入油脂合成反应器作为营养液，解脂亚罗菌(Yarrowia lipolytica CICC-31596，源于中国工业微生物菌种保藏管理中心)的接种量10％vv，菌种液的OD600为1.2。培养温度为32℃，停留时间为7天。
5)利用酸热法提取微生物油脂，所得油脂含量为25.5％。油脂提取后的剩余菌体结构可以进入厌氧反应器中产甲烷，油脂提取过程产生的废水可用于调节水解反应器内的含固率。
6)步骤4中所得固液分离所得固态残余物和步骤5的剩余菌体结构进入厌氧发酵反应器内，用于产甲烷。厌氧发酵反应器内的含固率为8％，pH约为7.5，温度保持在37±0.5℃，所产沼气中含有67％的甲烷和33％的二氧化碳，甲烷产率为340mL·CH4/g·VS。
厌氧发酵的沼渣和微生物油脂提出剩余的微生物残渣通过堆肥制备有机肥料。
Claims (7)
1.一种厨余垃圾的处理方法，包括：厨余垃圾在温度28~35℃的条件下水解，直到VFA的浓度达到30~50 g/L，pH为3~5；水解后进行固液分离，得到的水解液灭菌后加入产油酵母，在温度25~35℃的条件下进行发酵5-10天，得到微生物油脂；
水解后固液分离后的固体残余物和制备微生物油脂过程中产生的微生物固体残渣混合物在温度35~38℃、固含量为8%-10%的条件下进行厌氧发酵，产生沼气；厌氧反应后的沼渣进行堆肥处理，得到有机肥料；
其中，产油酵母包括解脂亚罗菌，解脂亚罗菌的接种量为9~11%，菌种液的OD600为1~1.5。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用的厨余垃圾中的碳氮比在15~35范围内，含固率为15wt%~30wt%。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，厨余垃圾中有机物质的组分包括碳水化合物、蛋白质、脂肪，其中，脂肪含量低于10wt%，碳水化合物含量在70wt%以上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的处理方法，其特征在于，厨余垃圾水解后的所得产物的10wt%~20wt%回流，与分拣破碎后的厨余垃圾混合均匀，再进行水解。
5.根据权利要求2所述的处理方法，其特征在于，碳水化合物中木质纤维素含量低于20wt%。
6.根据权利要求1-3任一项所述的处理方法，其特征在于，固体残渣进行厌氧发酵时，底物固含率为6%~10%。
7.根据权利要求1所述的处理方法，包括如下步骤：
1）分拣破碎：将厨余垃圾中的无机物分拣去除，并破碎处理至粒径小于5mm；
2）水解酸化：步骤1）中分拣破碎后的物料混合均匀后进行水解，水解反应的温度为28~35℃，含固率为8%~16%；
3）固液分离：水解产物经过固液分离过程分为水解液和固态残余物；
4）微生物产油脂：步骤3）得到的水解液通过灭菌后加入产油酵母，进行油脂合成反应，反应物中的VFA浓度为30~50 g/L，温度为25~35℃，得到含有油脂的产物；
5）厌氧发酵：步骤3）固液分离后所得的固态残余物，在35~38℃的条件下进行厌氧发酵，底物含固率为8%~10%；
6）有机肥制备：厌氧发酵产生的沼渣通过堆肥后可作为有机肥料。
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