CN114875078B - 短链脂肪酸的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种短链脂肪酸的制备方法，通过对有机固体废弃物厌氧发酵，得到短链脂肪酸，包括以下步骤：向有机固体废弃物中通入微纳米气泡；待微纳米气泡的浓度稳定后，在维持搅拌的条件下对有机固体废弃物通过等离子体进行处理，同时通入微纳米气泡，得到处理后的有机固体废弃物；将处理后的有机固体废弃物输入厌氧发酵罐中在厌氧环境下发酵；在厌氧发酵的产酸阶段，通过蒸馏回收得到短链脂肪酸。相较于现有技术，本发明利用微纳米气泡耦合等离子体，能够促进有机固体废弃物厌氧发酵，实现有机固体废弃物厌氧发酵处理的减量化、无害化及资源化，且制备效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种短链脂肪酸的制备方法，属于固体废弃物处理处置及资源化技术领域。
背景技术
等离子体是物质的第四种状态，等离子体的作用机制主要是放电的过程中产生的大量的高能电子以及这些高能电子碰撞背景气体后激发产生的大量高活性粒子，同时放电会产生紫外光、热量等。这些强氧化性的物质及能量可以破坏有机固体废弃物的半刚性结构，起到促进有机固体废弃物液化和强化有机固体废弃物厌氧发酵过程功能菌群代谢的作用。
影响等离子体处理有机固体废弃物的效率的最大问题是传质。由于等离子体产生的活性粒子主要存在于气相中，导致活性粒子与有机固体废弃物的接触面积小、作用时间短，从而降低了等离子体处理效率。
有鉴于此，确有必要提出一种短链脂肪酸的制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短链脂肪酸的制备方法，能够解决有机固体废弃物处理量大、危害大、资源化难等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种短链脂肪酸的制备方法，通过对有机固体废弃物厌氧发酵，得到短链脂肪酸，包括以下步骤：
步骤1、向有机固体废弃物中通入微纳米气泡；
步骤2、待微纳米气泡的浓度稳定后，在维持搅拌的条件下对有机固体废弃物通过等离子体进行处理，同时通入微纳米气泡，得到处理后的有机固体废弃物；
步骤3、将处理后的有机固体废弃物输入厌氧发酵罐中在厌氧环境下发酵；
步骤4、在厌氧发酵的产酸阶段，通过蒸馏回收得到短链脂肪酸。
作为本发明的进一步改进，步骤1中，在向有机固体废弃物中通入微纳米气泡前先进行预处理，包括对有机固体废弃物进行破碎均一化，然后在搅拌的条件下通入微纳米气泡。
作为本发明的进一步改进，步骤2中，微纳米气泡的浓度稳定时，有机固体废弃物中溶解氧含量为2-20mg/L。
作为本发明的进一步改进，步骤2中，采用低温射流式等离子体对有机固体废弃物进行处理。
作为本发明的进一步改进，步骤2中，通过等离子体进行处理的过程中的放电电流为0.5-3.5A，放电电压为45-90V，能量输入密度为18.75-1260千瓦时每立方有机固体废弃物。
作为本发明的进一步改进，步骤2中，微纳米气泡与等离子体同时处理的时长为20-60分钟。
作为本发明的进一步改进，步骤3中，在将处理后的有机固体废弃物输入厌氧发酵罐后，向厌氧发酵罐内充入氮气。
作为本发明的进一步改进，步骤3中，将处理后的有机固体废弃物与厌氧发酵菌种混合均匀后加入厌氧发酵罐中。
作为本发明的进一步改进，有机固体废弃物在厌氧发酵罐中在35℃的恒温环境下厌氧发酵。
作为本发明的进一步改进，步骤4中，先进行固液分离，然后通过蒸馏得到短链脂肪酸。
本发明的有益效果是：本发明向有机固体废弃物中通入微纳米气泡，耦合低温射流式等离子体进行处理，利用等离子体产生的臭氧、自由基、热等，协同微纳米气泡，产生一系列含氧自由基和含氮自由基，氧化有机固体废弃物中的难降解有机质、胞外聚合物和微生物细胞被膜，强化有机固体废弃物的微生物代谢，提高有机固体废弃物厌氧发酵处理效率，促进有机固体废弃物厌氧发酵，并产生高质可回收的短链脂肪酸。
附图说明
图1为等离子体耦合微纳米气泡促进有机固体废弃物剩余污泥中蛋白质溶解的效果图。
图2为等离子体耦合微纳米气泡促进有机固体废弃物剩余污泥厌氧发酵产生短链脂肪酸的效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明揭示了一种短链脂肪酸的制备方法，主要是利用等离子体耦合微纳米气泡，来促进有机固体废弃物厌氧发酵，从而制备得到短链脂肪酸，包括以下步骤：
步骤1、向有机固体废弃物中通入微纳米气泡；
步骤2、待微纳米气泡的浓度稳定后，在维持搅拌的条件下对有机固体废弃物通过等离子体进行处理，同时通入微纳米气泡，得到处理后的有机固体废弃物；
步骤3、将处理后的有机固体废弃物输入厌氧发酵罐中在厌氧环境下发酵；
步骤4、在厌氧发酵的产酸阶段，通过蒸馏回收得到短链脂肪酸。
以下将对步骤1-步骤4进行详细描述。
在步骤1中，首先对有机固体废弃物进行预处理，所述预处理包括先对有机固体废弃物进行破碎均一化，无需预先进行固液分离。然后在搅拌的条件下通入微纳米气泡，其中，微纳米气泡的气源为空气，当然，在本发明得其他实施例中，也可以使用其他气体作为气源，具体可根据需要进行设置，在此不做任何限制。
在步骤2中，微纳米气泡的输入使有机固体废弃物中溶解氧含量达到2-20mg/L时，微纳米气泡的浓度即为稳定，即可开始等离子体处理。而微纳米气泡输入的溶解氧量过高，会影响后期污泥厌氧发酵效果，微纳米气泡输入的溶解氧量过低，会使等离子体处理效率下降。此外，在搅拌条件下先通入微纳米气泡，然后再通过等离子体进行处理，可以减少浮沫的产生，使得等离子体处理更加均匀。特别地，上述等离子体处理过程中的放电电流为0.5-3.5A，放电电压为45-90V，能量输入密度为18.75-1260千瓦时每立方有机固体废弃物。
在上述实施例中，由于等离子体的处理时间短，而微纳米气泡的处理时间长，因此先向有机固体废弃物中通入微纳米气泡，有助于有机固体废弃物均一化，并增强等离子体处理时产生的活性粒子的传质效率。并且由于先通入微纳米气泡而后再通过等离子体进行处理可以减少浮沫的产生，而浮沫减少可相应减少有机固体废弃物的体积，单位有机固体废弃物的处理量就增大，相关成本可以进一步减少。
通过将等离子体与微纳米气泡联用，来处理流态的有机固体废弃物，可以促进有机固体废弃物得氧化分解并强化有机固体废弃物的厌氧发酵过程中功能菌群的代谢，提高后期有机固体废弃物的厌氧发酵处理过程中的短链脂肪酸的产量，实现有机固体废弃物减量化、无害化及资源化。
需要进行说明的是，氧化分解作用一方面来自于等离子体产生的高能电子和活性粒子，包括臭氧、自由基、热等，并在微纳米气泡的强化传质的作用下，能充分接触有机固体废弃物，使有机物氧化、断键、开环，从而将大分子有机物变化可生化性强的小分子有机物，利于后期厌氧发酵；另一方面，微纳米气泡自身破裂时也会产生羟基自由基等强氧化自由基，从而辅助氧化大分子有机物。也就是说，这里微纳米气泡的作用有两个，一为强化等离子体活性粒子传质，二为增加体系活性粒子浓度。
在步骤2中，不同的有机固体废弃物同时进行微纳米气泡和等离子体处理的最佳处理时间不同，如剩余污泥的最佳处理时间为20-40分钟，餐厨垃圾的最佳处理时间为30-60分钟，在本实施例中的有机固体废弃物是多种废弃物的混合物，较佳的处理时间为10-120分钟，优选为20-60分钟，过长的处理时间将导致能耗过高，能量利用率降低，经济性下降，同时仪器的维护成本升高。
在步骤3中，为保证厌氧发酵罐的厌氧环境，在将处理后的有机固体废弃物输入厌氧发酵罐后，可向厌氧发酵罐内充入氮气或其他惰性气体。
在步骤4中，短链脂肪酸可通过回收发酵液的方式进行回收，当然，在回收前可先进行固液分离，然后进一步蒸馏或精馏，从而得到高质量的短链脂肪酸。
以下结合实施例具体说明。
实施例1，具体包括如下步骤：
结果如图1所示，采用微纳米气泡与低温射流式等离子体共同处理污水厂的沉池的剩余污泥，采用的剩余污泥的总固体浓度为15±0.5g/L，剩余污泥处理量为500mL，微纳米气泡通入的溶解氧量为7.86mg/L，微纳米气泡通入时间为19分钟，然后再用等离子体与微纳米气泡同时处理10分钟，其中等离子体处理电流为2.7A、电压为60V。通过测定溶解的蛋白质的浓度，证实等离子体与微纳米气泡联用可促进有机固体废弃物液化。
等离子体与微纳米气泡联用可显著促进有机固体废弃物剩余污泥的溶解液化。等离子体与微纳米气泡共同处理后，剩余污泥溶解的蛋白质浓度为174.7mg/L，是未处理剩余污泥中溶解性蛋白的8.48倍。
实施例2，具体包括如下步骤：
结果如图2所示，采用微纳米气泡与低温射流式等离子体共同处理污水厂的沉池的剩余污泥，将处理后的剩余污泥与厌氧发酵菌种混合均匀，加入厌氧发酵罐中，在35℃的恒温环境中厌氧发酵。监测厌氧发酵过程中，有机固体废弃物剩余污泥产生的短链脂肪酸的总量。为保证整个厌氧发酵过程的无氧环境，每次取样后均需向厌氧发酵罐中充入氮气。通过测定发酵过程中产生的短链脂肪酸的量，证实等离子体与微纳米气泡联用可促进有机固体废弃物厌氧发酵产生高质短链脂肪酸资源。
等离子体与微纳米气泡联用可显著促进有机固体废弃物剩余污泥厌氧发酵产短链脂肪酸。等离子体与微纳米气泡共同处理后的有机固体废弃物进行厌氧发酵产生的短链脂肪酸的总量最大，在第15天时的最大产短链脂肪酸的量为2966.4mg/L，是未处理剩余污泥厌氧发酵产短链脂肪酸量的1.92倍。
综上所述，本发明向有机固体废弃物中通入微纳米气泡，耦合低温射流式等离子体进行处理，利用等离子体产生的臭氧、自由基、热等，协同微纳米气泡，产生一系列含氧自由基和含氮自由基，氧化有机固体废弃物中的难降解有机质、胞外聚合物和微生物细胞被膜，强化有机固体废弃物的微生物代谢，提高有机固体废弃物厌氧发酵处理效率，促进有机固体废弃物厌氧发酵，并产生高质可回收的短链脂肪酸。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种短链脂肪酸的制备方法，通过对有机固体废弃物厌氧发酵，得到短链脂肪酸，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、向有机固体废弃物中通入微纳米气泡；其中，在向有机固体废弃物中通入微纳米气泡前先进行预处理，包括对有机固体废弃物进行破碎均一化，然后在搅拌的条件下通入微纳米气泡；
步骤2、待微纳米气泡的浓度稳定后，在维持搅拌的条件下对有机固体废弃物通过等离子体进行处理，同时通入微纳米气泡，得到处理后的有机固体废弃物；
步骤3、将处理后的有机固体废弃物输入厌氧发酵罐中在厌氧环境下发酵；
步骤4、在厌氧发酵的产酸阶段，通过蒸馏回收得到短链脂肪酸。
2.根据权利要求1所述的短链脂肪酸的制备方法，其特征在于：步骤2中，微纳米气泡的浓度稳定时，有机固体废弃物中溶解氧含量为2-20mg/L。
3.根据权利要求1所述的短链脂肪酸的制备方法，其特征在于：步骤2中，采用低温射流式等离子体对有机固体废弃物进行处理。
4.根据权利要求3所述的短链脂肪酸的制备方法，其特征在于：步骤2中，通过等离子体进行处理的过程中的放电电流为0.5-3.5 A，放电电压为45-90 V，能量输入密度为18.75-1260千瓦时每立方有机固体废弃物。
5.根据权利要求1所述的短链脂肪酸的制备方法，其特征在于：步骤2中，微纳米气泡与等离子体同时处理的时长为20-60分钟。
6.根据权利要求1所述的短链脂肪酸的制备方法，其特征在于：步骤3中，在将处理后的有机固体废弃物输入厌氧发酵罐后，向厌氧发酵罐内充入氮气。
7.根据权利要求1所述的短链脂肪酸的制备方法，其特征在于：步骤3中，将处理后的有机固体废弃物与厌氧发酵菌种混合均匀后加入厌氧发酵罐中。
8.根据权利要求7所述的短链脂肪酸的制备方法，其特征在于：有机固体废弃物在厌氧发酵罐中在35 ℃的恒温环境下厌氧发酵。
9.根据权利要求1所述的短链脂肪酸的制备方法，其特征在于：步骤4中，先进行固液分离，然后通过蒸馏得到短链脂肪酸。
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2022
- 2022-06-16 CN CN202210677701.3A patent/CN114875078B/zh active Active
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