CN115259371A - 一种制备碳源用菌糠预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备碳源用菌糠预处理方法。该制备碳源用菌糠预处理方法，包括以下步骤：步骤S1、原料选择与清洗，选择新鲜菌糠在水中浸泡去除可溶性杂质后，在65℃下烘箱烘干；步骤S2、碱处理，取500g烘干后的菌糠放置在反应池中，按固液比1:20的比例，加入1％‑2％的碱溶液中浸没步骤S1中得到的菌糠材料，浸泡温度在65‑80℃，浸泡2‑5h后过滤取出样品，用蒸馏水反复洗涤直至溶液pH成中性，得到碱处理后的菌糠；步骤S3、超声波处理，取碱处理后的菌糠，放置在超声波机中，以固液质量比1:100的比例加入蒸馏水，并置于超声波振荡器中，在30‑50KHz的超声波频率中，超声处理30min；步骤S4、粉碎，菌糠在70‑85℃下干燥24h后进行粉碎处理，完成碳源用菌糠预处理。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，具体为一种制备碳源用菌糠预处理方法。
背景技术
污水处理尾水普遍存在碳氮比低、有机物浓度低和总氮含量高的情况，严重影响了污水处理效果，目前污水处理的主流脱氮方法为基于活性污泥法的“硝化-反硝化”工艺，然而大部分城镇污水处理厂存在进水碳源不足、碳氮比失衡问题，限制了传统生物工艺对氮的去除效果，目前的外加碳源主要有三种：传统碳源、合成高聚物固体碳源和天然纤维素固体碳源，其中，传统的外加碳源主要低分子有机物(如甲醇、乙酸钠)和糖类物质，但是存在以下问题：甲醇毒性大、安全性能差；乙酸钠价格昂贵、污泥产率高；糖类生物可利用性较差，反硝化速率相对较低，易引起细菌大量繁殖，增加出水中COD值；合成高聚物固体碳源与升流式固定反应器，成本高；天然纤维素固体碳源无生物毒性、比表面积大、来源广泛、成本低廉，将其用作外加碳源不仅可提高脱氮效率，还能实现废弃物的资源化利用，采用天然纤维素类农业废弃物为外加固体碳源，是强化生物脱氮效果的有效技术手段之一。但未经预处理的天然纤维素类固体碳源含有不易被分解利用的成分，因此需要对固体碳源进行预处理，提高其释碳性能。预处理的目的是破坏植物体表面结构，增大比表面积和孔隙率，为微生物提供适宜的生存环境；同时降低植物体内木质素比重，改变纤维素等高分子有机物的结晶度，从而更容易释放碳元素，并提高植物材料的可生化性和微生物对植物体的利用率。
随着人们对食用菌需求量的增加及食用菌栽培技术的普及，食用菌种植面积迅速扩大，导致生产食用菌后的废培养基—蘑菇菌糠大量堆积。据统计，我国已成为世界上第一大食用菌生产国，年产食用菌约为1000万t，占世界产量的70％以上。菌糠是由食用菌和菌丝残体以及经食用菌分解的纤维素、半纤维素、木质素组成的复合物，不仅含有氨基酸、蛋白质、糖及脂肪等可溶性碳源，还含有丰富的微量元素，可谓是营养成分相对高而全。目前，菌糠除一小部分被用作饲料、饵料及肥料外，绝大部分采用焚烧处理，既造成了资源浪费，又污染了环境。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种制备碳源用菌糠预处理方法，解决了现有天然纤维素固体碳源易被分解利用的成分，释碳效率较低，释碳持续性较差的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种制备碳源用菌糠预处理方法，包括以下步骤：
步骤S1、原料选择与清洗，选择新鲜菌糠在水中浸泡去除可溶性杂质后，在65℃下烘箱烘干；
步骤S2、碱处理，取500g烘干后的菌糠放置在反应池中，按固液比1:20的比例，加入1％-2％的碱溶液中浸没步骤S1中得到的菌糠材料，浸泡温度在65-80℃，浸泡2-5h后过滤取出样品，用蒸馏水反复洗涤直至溶液pH成中性，得到碱处理后的菌糠；
步骤S3、超声波处理，取碱处理后的菌糠，放置在超声波机中，以固液质量比1:100的比例加入蒸馏水，并置于超声波振荡器中，在30-50KHz的超声波频率中，超声处理30min；
步骤S4、粉碎，菌糠在70-85℃下干燥24h后进行粉碎处理，完成碳源用菌糠预处理。
优选的，所述所述新鲜菌糠是由食用菌和菌丝残体以及经食用菌分解的纤维素、半纤维素、木质素组成的复合物，不仅含有氨基酸、蛋白质、糖及脂肪等可溶性碳源，还含有丰富的微量元素。
优选的，步骤S2中，所述碱溶液为NaOH溶液、KOH溶液、氨水溶液中的任一一种。
优选的，碱处理步骤能替换为酸处理，酸处理操作为：取500g烘干后的菌糠放置在反应池中，按固液比1:20的比例，加入20％的HCl溶液浸没步骤S1中得到的菌糠材料，浸泡温度在65-80℃，浸泡2-5h后过滤取出样品，用蒸馏水反复洗涤直至溶液pH成中性，得到酸处理后的菌糠，所述HCl溶液浓度范围在15％～25％之间。
优选的，所述菌糠预处理后采用生物可降解的骨架材料进行包裹，菌糠中的碳源可稳定释放，同时添加增塑料和偶联剂以增强材料的机械性能，具体操作为：将可生物降解骨架材料与预处理后的菌糠进行混合，同时添加增塑剂T60和偶联剂KH-550，骨架材料占比15％，增塑剂和偶联剂各占2.5％，注塑成型，即得菌糠固相反硝化碳源材料。
优选的，所述可生物降解骨架材料为聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)中任一一种或几种混合组成，增塑剂为T60、SK50、己二酸二辛酯和葵二酸二辛酯中任一一种，偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、KH-590中任一一种。
(三)有益效果
本发明提供了一种制备碳源用菌糠预处理方法，具备以下有益效果：该制备碳源用菌糠预处理方法，通过对菌糠进行预处理得到能够得到COD释放量、反硝化效率高的碳源，菌糠作为一种农业废弃物，含有大量的有机质及多种微量元素，经过适当预处理后可成为微生物的碳源，但目前并未得到有效利用，以菌糠为主要材料，开发菌糠固相反硝化碳源材料，作为污水反硝化脱氮处理的替代碳源，尚未见相关报道。
具体实施方式
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
本发明提供一种技术方案：一种制备碳源用菌糠预处理方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、原料选择与清洗，选择新鲜的菌糠，在水中浸泡去除可溶性杂质后，在65℃下烘箱烘干；
步骤S2、碱处理，取500g烘干后的菌糠放置在反应池中，按固液比1:20的比例加入1％的NaOH溶液浸没步骤S1中得到的菌糠材料，浸泡温度在70℃，浸泡4h后过滤取出样品，用蒸馏水反复洗涤直至溶液pH成中性，得到碱处理后的菌糠；
步骤S3、超声波处理，取碱处理后的菌糠，放置在超声波机中，以固液质量比1:100的比例加入蒸馏水，并置于超声波振荡器中，在40KHz超声波频率中，超声处理30min；
步骤S4、粉碎，菌糠在65℃下干燥24h后进行粉碎处理，完成碳源用菌糠预处理。
进一步的，所述新鲜菌糠是由食用菌和菌丝残体以及经食用菌分解的纤维素、半纤维素、木质素组成的复合物，不仅含有氨基酸、蛋白质、糖及脂肪等可溶性碳源，还含有丰富的微量元素。
进一步的，所述菌糠预处理后采用生物可降解的骨架材料进行包裹，菌糠中的碳源可稳定释放，同时添加增塑料和偶联剂以增强材料的机械性能，具体操作为：将可生物降解骨架材料与预处理后的菌糠进行混合，同时添加增塑剂T60和偶联剂KH-550，骨架材料占比15％，增塑剂和偶联剂各占2.5％，注塑成型，即得菌糠固相反硝化碳源材料。
进一步的，所述可生物降解骨架材料为聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)中任一一种或几种混合组成，增塑剂为T60、SK50、己二酸二辛酯和葵二酸二辛酯中任一一种，偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、KH-590中任一一种。
实施例所述的原料为市售产品，其中：KH-550、KH-560、KH-570、KH-590偶联剂可选用由南京化学试剂股份有限公司提供的产品；T60、SK50、己二酸二辛酯和葵二酸二辛酯可选用由上海吉至生化科技有限公司提供的产品；可生物降解骨架材料为聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)可选用由西安齐岳生物科技有限公司提供的产品。
实施例2
实施例2与实施例1区别在于：一种制备碳源用菌糠预处理方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、原料选择与清洗，选择新鲜的菌糠，在水中浸泡去除可溶性杂质后，在65℃下烘箱烘干；
步骤S2、碱处理，取500g烘干后的菌糠放置在反应池中，按固液比1:20的比例加入1.5％的NaOH溶液浸没步骤S1中得到的菌糠材料，浸泡温度在70℃，浸泡4h后过滤取出样品，用蒸馏水反复洗涤直至溶液pH成中性，得到碱处理后的菌糠；
步骤S3、超声波处理，取碱处理后的菌糠，放置在超声波机中，以固液质量比1:100的比例加入蒸馏水，并置于超声波振荡器中，在40KHz超声波频率中，超声处理30min；
步骤S4、粉碎，菌糠在65℃下干燥24h后进行粉碎处理，完成碳源用菌糠预处理。
实施例3
实施例3与实施例1区别在于：一种制备碳源用菌糠预处理方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、原料选择与清洗，选择新鲜的菌糠，在水中浸泡去除可溶性杂质后，在65℃下烘箱烘干；
步骤S2、碱处理，取500g烘干后的菌糠放置在反应池中，按固液比1:20的比例加入1.5％的NaOH溶液浸没步骤S1中得到的菌糠材料，浸泡温度在70℃，浸泡4h后过滤取出样品，用蒸馏水反复洗涤直至溶液pH成中性，得到碱处理后的菌糠；
步骤S3、超声波处理，取碱处理后的菌糠，放置在超声波机中，以固液质量比1:100的比例加入蒸馏水，并置于超声波振荡器中，在50KHz超声波频率中，超声处理30min；
步骤S4、粉碎，菌糠在65℃下干燥24h后进行粉碎处理，完成碳源用菌糠预处理。
实施例4
实施例4与实施例1区别在于：一种制备碳源用菌糠预处理方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、原料选择与清洗，选择新鲜的菌糠，在水中浸泡去除可溶性杂质后，在65℃下烘箱烘干；
步骤S2、酸处理，取500g烘干后的菌糠放置在反应池中，按固液比1:20的比例，加入15％的HCl溶液浸没步骤S1中得到的菌糠材料，浸泡温度在70℃，浸泡4h后过滤取出样品，用蒸馏水反复洗涤直至溶液pH成中性，得到酸处理后的菌糠；
步骤S3、超声波处理，取碱处理后的菌糠，放置在超声波机中，以固液质量比1:100的比例加入蒸馏水，并置于超声波振荡器中，在40KHz超声波频率中，超声处理30min；
步骤S4、粉碎，菌糠在65℃下干燥24h后进行粉碎处理，完成碳源用菌糠预处理。
实施例5
实施例5与实施例1区别在于：一种制备碳源用菌糠预处理方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、原料选择与清洗，选择新鲜的菌糠，在水中浸泡去除可溶性杂质后，在65℃下烘箱烘干；
步骤S2、酸处理，取500g烘干后的菌糠放置在反应池中，按固液比1:20的比例，加入25％的HCl溶液浸没步骤S1中得到的菌糠材料，浸泡温度在70℃，浸泡4h后过滤取出样品，用蒸馏水反复洗涤直至溶液pH成中性，得到酸处理后的菌糠；
步骤S3、超声波处理，取碱处理后的菌糠，放置在超声波机中，以固液质量比1:100的比例加入蒸馏水，并置于超声波振荡器中，在40KHz超声波频率中，超声处理30min；
步骤S4、粉碎，菌糠在65℃下干燥24h后进行粉碎处理，完成碳源用菌糠预处理。
实验例
一、静态释放试验
通过静态释放试验验证本发明提供菌糠预处理方式的有效性，选择本申请实施例1-4为实验组，未处理菌糠粉为对照组，具体操作为：分别称取实施例1-4中2g预处理后菌糠粉，置于250mL锥形瓶中，注入250mL蒸馏水浸泡，锥形瓶口用胶塞密封，常温静置，每日彻底更换蒸馏水并测定浸泡液中TOC、COD、TN和TP的浓度，使用元素测定仪测定碳、氮含量，采用iCAPQ电感耦合等离子体发射光谱仪测定磷含量，利用范式法测定纤维素、半纤维素和木质素含量，结果如下表：
由表可得试验结果：预处理后的菌糠释碳性能佳，同时得出实施例1-3优于实施例4-5的结论，所以在预处理中碱处理优于酸处理，预处理前后纤维素和半纤维素增加、木质素减少，处理后的菌糠能作为良好碳源。
二、静态反硝化试验
通过静态反硝化试验验证本发明提供菌糠预处理方式的有效性，选择本发明实施例1-5为实验组，未处理菌糠为对照组，具体操作为：静态反硝化试验于1L锥形瓶中进行，瓶口用封口膜密封接种来自污水处理厂缺氧段的成熟污泥，污泥取回后用超纯水清洗3次，采用NaNO3和KH2PO4配制试验用水，氮磷比例为5，并且加入微量元素溶液，控制试验配水中NO3--N浓度为100mg·L-1,pH值为7.5左右。
在5个1L锥形瓶中分别加入实施例1-5中预处理的菌糠各5g，并增设1个未预处理的菌糠为对照组，将不添加任何碳源的试验组命名为空白组，添加20mL成熟污泥和980mL试验配水，接种污泥浓度MLSS为300mg·L-1，氮吹若干分钟使锥形瓶中溶解氧(DO)浓度低于0.5mg·L-1，密封后放入恒温振荡培养箱中培养((25±1)℃、160r·min-1)，每隔24h取样30mL，使用0.45μm滤膜过滤后测定COD、TN、NO3--N和NO2--N浓度，试验结果如下表：
试验结论：处理后的菌糠生物利用率提高，添加菌糠固体碳源可以有效提高污水中有机物的浓度，促进微生物的反硝化作用，不同预处理条件下，反硝化效率依次为，碱处理：72.67-74.58％，酸处理：62.39-63.47％，对照组为30.52％，空白处理：19.33％，可以得出预处理后的菌糠具有良好的反硝化效率。
综上所述，该制备碳源用菌糠预处理方法，通过清洗、酸碱处理、超声波处理，解决了目前菌糠并未得到有效利用的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种制备碳源用菌糠预处理方法，其特征在于：所述菌糠预处理方法包括以下步骤：
步骤S1、原料选择与清洗，选择新鲜菌糠在水中浸泡去除可溶性杂质后，在65℃下烘箱烘干；
步骤S2、碱处理，取500g烘干后的菌糠放置在反应池中，按固液比1:20的比例，加入1％-2％的碱溶液中浸没步骤S1中得到的菌糠材料，浸泡温度在65-80℃，浸泡2-5h后过滤取出样品，用蒸馏水反复洗涤直至溶液pH成中性，得到碱处理后的菌糠；
步骤S3、超声波处理，取碱处理后的菌糠，放置在超声波机中，以固液质量比1:100的比例加入蒸馏水，并置于超声波振荡器中，在30-50KHz的超声波频率中，超声处理30min；
步骤S4、粉碎，菌糠在70-85℃下干燥24h后进行粉碎处理，完成碳源用菌糠预处理。
2.根据权利要求1所述的一种制备碳源用菌糠预处理方法，其特征在于：所述新鲜菌糠是由食用菌和菌丝残体以及经食用菌分解的纤维素、半纤维素、木质素组成的复合物，不仅含有氨基酸、蛋白质、糖及脂肪等可溶性碳源，还含有丰富的微量元素。
3.根据权利要求1所述的一种制备碳源用菌糠预处理方法，其特征在于：步骤S2中，所述碱溶液为NaOH溶液、KOH溶液、氨水溶液中的任一一种。
4.根据权利要求1所述的一种制备碳源用菌糠预处理方法，其特征在于：所述碱处理步骤能替换为酸处理，酸处理操作为：取500g烘干后的菌糠放置在反应池中，按固液比1:20的比例，加入1％-2％的碱溶液中浸没步骤S1中得到的菌糠材料，浸泡温度在65-80℃，浸泡2-5h后过滤取出样品，用蒸馏水反复洗涤直至溶液pH成中性，得到碱处理后的菌糠。
5.根据权利要求4所述的一种制备碳源用菌糠预处理方法，其特征在于：所述HCl溶液浓度范围在15％～25％之间。
6.根据权利要求1所述的一种制备碳源用菌糠预处理方法，其特征在于：所述菌糠预处理后采用生物可降解的骨架材料进行包裹，菌糠中的碳源可稳定释放，同时添加增塑料和偶联剂以增强材料的机械性能，具体操作为：将可生物降解骨架材料与预处理后的菌糠进行混合，同时添加增塑剂T60和偶联剂KH-550，骨架材料占比15％，增塑剂和偶联剂各占2.5％，注塑成型，即得菌糠固相反硝化碳源材料。
7.根据权利要求6所述的一种制备碳源用菌糠预处理方法，其特征在于：所述可生物降解骨架材料为聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)中任一一种或几种混合组成，增塑剂为T60、SK50、己二酸二辛酯和葵二酸二辛酯中任一一种，偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、KH-590中任一一种。
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