CN117342889B - 一种用于厨余垃圾的生物降解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微生物降解技术领域，尤其涉及一种用于厨余垃圾的生物降解方法，本发明将厨余垃圾预处理后经粉碎处理形成待降解基质，并根据待降解基质的质量确定降解剂和填料的质量以形成待降解料；将待降解料混合均匀后放入发酵器皿开始发酵，根据实时监测发酵过程中产生的表面气体流量和内部气体流量实时调整搅拌的参数和确定发酵的进程，通过待降解料的液化程度和体积变化率判断发酵结束的待降解料是否到达降解终点。本发明提供的生物降解方法不仅有效地减少了厨余垃圾的体积，还为环境友好型的资源回收提供了一种可行的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及微生物降解技术领域，尤其涉及一种用于厨余垃圾的生物降解方法。
背景技术
厨余垃圾生物降解技术是一种利用微生物的生物学过程，将有机废弃物如食物残渣、植物废料等通过生物降解的方式转化为有机肥料或生物能源的环保处理方法。在这一技术中，微生物通过厌氧或好氧降解过程，将有机废物分解为水、二氧化碳和有机质等成分。此过程能够减少垃圾堆填的需求，减轻对自然资源的依赖，并减少对环境的不良影响。该技术不仅能够有效减少厨余垃圾的体积，还能产生有机肥料，为农业提供可持续的土壤改良剂。因此，厨余垃圾生物降解技术在实现垃圾资源化利用、减少环境污染以及推动可持续发展方面具有重要的技术背景和应用前景。
中国专利公开号CN111235050B公开了一种厨余垃圾降解菌株、厨余垃圾处理剂及厨余垃圾降解方法，该发明提供一种厨余垃圾降解菌株，命名为贝莱斯芽孢杆菌(Bacillusvelezensis)，株号S-1，保藏号为CGMCC NO.18651；该发明贝莱斯芽孢杆菌(Bacillusvelezensis)S-1具有降解蛋白质、脂肪油脂、淀粉及纤维素的活性，由菌株S-1和载体制成的厨余垃圾处理剂降解厨余垃圾后，能使厨余垃圾减重率可达85％以上，最高达到87.3％。经过处理的残渣经检测各项指标符合标准，残渣可以作为生物有机肥应用。由此可见，该发明未考虑通过实时监测厨余垃圾的发酵过程来调整发酵工艺进而提高降解效率的问题。
发明内容
为此，本发明提供一种用于厨余垃圾的生物降解方法，用以克服现有技术中生物降解厨余垃圾时不改变搅拌频率和搅拌方式而引起的降解效率不高的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种用于厨余垃圾的生物降解方法，包括以下步骤：
将厨余垃圾预处理形成待降解基质；
准备待降解基质、降解剂和填料，配比后形成降解料；
将待降解料加入发酵器皿中混合均匀；
封闭发酵器皿进行密封搅拌，并根据发酵过程中产生的气体量的变化量确定所述降解料的发酵进程以调整发酵器皿的搅拌参数；
判断发酵结束的所述降解料是否达到降解终点，对达到降解终点的降解料进行称重和后处理；
其中，所述发酵器皿包括设置在发酵腔侧表面的通孔，所述通孔包括靠近所述发酵腔底部用以收集所述降解料下层经发酵产生的内部气体量的第一通孔，和，靠近所述发酵腔顶部用以收集降解料表面产生的表面气体量的第二通孔；
其中，所述待降解基质、所述降解剂和所述填料的质量配比为：
待降解基质：降解剂：填料=6：1：3；
其中，所述降解剂包括用于将所述待降解基质中的水、蛋白质、脂肪进行分解的菌剂；
所述填料具备一定的机械强度，用以在厨余设备搅拌过程中对厨余垃圾有研磨作用和为所述降解剂中菌株提供附着的环境，包括木屑、秸秆和椰壳碎片。
进一步地，降解剂包括混合菌剂和缓冲液；
其中，所述混合菌剂由混合比例为1：1的枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的种子菌液组成，所述缓冲液包括酸性调节剂、碱性调节剂和中性缓冲液，所述混合菌剂和所述缓冲液的比例为1：9～2：8；
所述缓冲液的种类根据所述待降解基质的酸碱度确定以保证所述降解料的中性环境。
进一步地，将厨余垃圾预处理形成待降解基质，包括：
将厨余垃圾预处理形成待降解基材；
将待降解基材粉碎处理以形成待降解基质；
其中，所述预处理包括对厨余垃圾进行水分沥干、控油，以及对厨余垃圾进行非降解杂质的除杂，所述除杂的对象包括塑料、玻璃、金属。
进一步地，根据待降解基材的松体积Va、待降解基材的质量Ma及预处理前后的体积比k确定待降解基材的结构度F以确定对待降解基材进行粉碎处理的粉碎粒径d；
所述结构度的计算公式为：
，
其中，g0为厨余垃圾最小参考密度标准，预处理前后的体积比k为经预处理后的待降解基材的体积V1与仅除杂后的体积V2的比值，k=V1/V2，α=1kg/m3；
其中，所述结构度与粉碎粒径成反比关系。
进一步地，获取所述发酵过程中产生的气体量，包括：
通过所述第一通孔获取所述降解料产生的内部气体量，形成内部气体流量数据；
通过所述第二通孔获取所述降解料产生的表面气体量，形成表面气体流量数据。
进一步地，密封搅拌为连续往返搅拌，根据所述内部气体流量数据和所述表面气体流量数据调整发酵器皿的搅拌参数，以及，根据所述内部气体流量数据确定发酵是否结束；
其中，所述搅拌参数包括搅拌频率和搅拌方式，所述搅拌方式包括上下翻动搅拌和往返搅拌，所述往返搅拌包括顺时针搅拌和逆时针搅拌。
进一步地，调整发酵器皿的搅拌参数，包括：
在所述内部气体流量数据的变化量大于第一预设变化量，和/或，所述表面气体流量数据的变化量大于第二预设变化量时判断所述降解料的发酵进程和发酵速率的快慢，并根据发酵速率的快慢调整往返搅拌频率：
在发酵速率慢时根据第一预设变化量和当前内部气体流量数据确定往返搅拌频率的调整值，或，根据第二预设变化量和当前表面气体流量数据确定往返搅拌频率的调整值；
其中，所述发酵进程包括正在发酵和结束发酵；
所述内部气体流量数据的变化量为开始发酵后内部气体流量数据的第一次稳定值与当前内部气体流量数据的差值，所述表面气体流量数据的变化量为开始发酵后表面气体流量数据的第一次稳定值与当前表面气体流量数据的差值。
进一步地，调整发酵器皿的搅拌参数，还包括：
根据所述内部气体流量数据和所述表面气体流量数据的比值与预设标准比值范围的关系判断是否调整往返搅拌的方向或将往返搅拌调整为上下翻动搅拌，且在上下翻动搅拌结束后继续按照调整前的往返搅拌频率进行搅拌；
其中，所述上下翻动搅拌的次数为往返10次。
进一步地，根据所述内部气体流量数据确定发酵是否结束，包括：
在调整往返搅拌频率和搅拌方式后，若所述内部气体流量数据低于最低气体流量，判断发酵结束。
进一步地，通过判断厨余垃圾是否达到降解终点以确定是否进行二次发酵，判断所述降解料是否达到降解终点的方法，包括：
根据所述降解料的液化程度是否达到预设液化值判断是否达到降解终点；
当液化程度达到预设液化值，或液化程度未达到预设液化值且所述降解料的体积变化率小于预设变化范围时，判断达到降解终点。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供的生物降解方法不仅有效地减少了厨余垃圾的体积，还为环境友好型的资源回收提供了一种可行的解决方案。
进一步地，本发明提供的厨余垃圾降解方法通过对厨余垃圾的预处理提高了待降解基材的质量和纯度，并基于结构度的计算为待降解基材粉碎处理成待降解基质提供了一种定量的指导，使得粉碎粒径的选择更加科学和精准，有助于优化粉碎粒径的选择以提高后续生物降解的效率和整体处理效果。
进一步地，本发明提供的发酵器皿的侧表面设置了两个通孔，能够有效收集发酵过程中产生的内部气体量和表面气体量；不仅有助于防止气体积聚，还通过监测气体量的变化，实现了对发酵进程的智能调控，提高了发酵效率。
进一步地，在发酵结束后，通过判断厨余垃圾是否达到降解终点，并对达到降解终点的内容物进行称重和后处理，实现了对整个降解过程的精准控制和管理。
进一步地，本发明通过气体流量监测和搅拌控制机制，实现了对发酵过程的高效实时管理：首先，利用第一通孔和第二通孔内置的单向气体渗透装置，将降解料产生的内部气体量和表面气体量分流至第一和第二气体流量检测装置，以实时记录形成内部气体流量数据和表面气体流量数据；通过对内部气体流量和表面气体流量数据的变化进行监测，可以智能地调整搅拌频率和方式。
进一步地，本发明还实现了对发酵结束的智能监测，当内部气体流量数据低于最低气体流量时，发酵器皿自动关闭，结束发酵过程；通过精准的气体流量监测和智能搅拌控制，提高发酵效率，确保发酵过程的稳定性和最终产品的质量。
进一步地，基于液化程度和体积变化率判断发酵结束时是否达到降解终点的判断方法为厨余垃圾处理提供了可靠的控制手段，使得发酵过程更为可控、高效且环保。
附图说明
图1为本发明实施例用于厨余垃圾的生物降解方法的流程图；
图2为本发明实施例厨余垃圾的降解方法的步骤；
图3为本发明实施例往返搅拌时搅拌叶片所处位置示意图；
图4为本发明实施例上下翻动搅拌时搅拌叶片在待降解料表面位置的示意图；
图中：1，降解料；2，搅拌叶片；3，伸缩轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-图4所示，图1为本发明实施例用于厨余垃圾的生物降解方法的流程图。本发明实施例提供一种用于厨余垃圾的生物降解方法，包括以下步骤：
将厨余垃圾预处理形成待降解基质；
准备待降解基质、降解剂和填料，配比后形成降解料1；
将待降解料1加入发酵器皿中混合均匀；
封闭发酵器皿进行密封搅拌，并根据发酵过程中产生的气体量的变化量确定所述降解料1的发酵进程以调整发酵器皿的搅拌参数；
判断发酵结束的所述降解料1是否达到降解终点，对达到降解终点的降解料1进行称重和后处理；
其中，所述发酵器皿包括设置在发酵腔侧表面的通孔，所述通孔包括靠近所述发酵腔底部用以收集所述降解料1下层经发酵产生的内部气体量的第一通孔，和，靠近所述发酵腔顶部用以收集降解料1表面产生的表面气体量的第二通孔；
其中，所述待降解基质、所述降解剂和所述填料的质量配比为：
待降解基质：降解剂：填料=6：1：3；
其中，所述降解剂包括用于将所述待降解基质中的水、蛋白质、脂肪进行分解的菌剂；
所述填料具备一定的机械强度，用以在厨余设备搅拌过程中对厨余垃圾有研磨作用和为所述降解剂中菌株提供附着的环境，包括木屑、秸秆和椰壳碎片。
可以理解的是，在发酵开始前由待降解基质、降解剂和填料按比例形成的组合物称作待降解料，在发酵开始后称为降解料。
可以理解的是，填料是一种发酵前与厨余垃圾一起投入发酵仓的固体物质，类似直径约1cm大小的粒状体、颗粒状、多棱，白色不透明，具备一定的机械强度，在厨余设备搅拌过程中，对厨余垃圾具有研磨作用，还可作为一种供微生物菌群附着的载体。其中，木屑是一种常见的填料，具有良好的通透性和生物降解性，适合用于厨余垃圾降解；秸秆作为填料时其分解速度较慢，可以在堆肥中提供持久的填料效果；椰壳碎片也常被用作填料，具有高表面积和较长的持久性。
具体而言，降解剂包括混合菌剂和缓冲液；
其中，所述混合菌剂由混合比例为1：1的枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的种子菌液组成，所述缓冲液包括酸性调节剂、碱性调节剂和中性缓冲液，所述混合菌剂和所述缓冲液的比例为1：9～2：8；
所述缓冲液的种类根据所述待降解基质的酸碱度确定以保证所述降解料1的中性环境。
在本实施例中采用的枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌均从上海地天生物科技有限公司采购。
可以理解的是，厨房废物通常包括食物残渣，如蔬菜、水果、面包、鱼肉等，这些食物多数是中性或略微酸性的，因此厨余垃圾的酸碱性因其具体成分而异，但通常是略微酸性到中性的，即厨余垃圾的pH值通常在中性（pH 7）左右，或可能稍微偏向酸性（pH 5.5～pH6.5）。
在实施中，缓冲液包括酸性调节剂、碱性调节剂和中性缓冲液；酸性调节剂包括柠檬酸、乙酸、亚硝酸，用以在待降解基质呈碱性时需要增加酸性的情况下，将其pH值调整为中性；碱性调节剂包括碳酸氢钠、氢氧化钠等碱性物质，用于在厨余垃圾呈酸性时需要增加碱性的情况下，将待降解料1的pH值调整为中性；中性缓冲液包含磷酸盐缓冲液、琼脂缓冲液，用以将降解环境维持在中性环境下（pH=7）。
在实施中，制备混合菌剂的步骤包括：
（1）活化菌液培养，将菌株A和菌株B分别接种于活化培养基中进行独立培养，在35～40℃温度范围内振荡培养24～48h后制成所述菌株A和所述菌株B的活化菌液；
（2）种子菌液培养，将所述菌株A和所述菌株B的活化菌液按照2～6％的接种量分别接入液体培养基中摇床培养15h～24h后获得所述菌株A和所述菌株B的种子菌液；
（3）发酵培养，将所述菌株A和所述菌株B的混合种子菌液按照3％的接种量，接入装有20L所述液体培养基的发酵罐中进行通风培养24h后，自然降温至25℃以下得到发酵的所述菌剂；
其中，所述发酵罐的转速为80r/min、所述发酵罐的初始pH为7.0、所述发酵罐的温度为37℃；
在所述混合种子菌液中，所述菌株A和所述菌株B的混合比例为1:1；
采用上述制备方法得到的所述菌剂中的菌体浓度为1.0×108cfu/mL。
其中，在活化菌液培养中使用的活化培养基为液体培养基，该活化培养基的制备方法包括：
将3g/L的牛肉膏、10g/L的蛋白胨、5g/L的氯化钠和1g/L的磷酸氢二钾，用水定容至1L以形成牛肉膏蛋白胨盐溶液；
将所述牛肉膏蛋白胨盐溶液的pH值调至7.0以得到中性牛肉膏蛋白胨盐溶液；
将所述中性牛肉膏蛋白胨盐溶液在121℃下灭菌15min，以得到所述活化培养基。
在种子菌液培养中使用的液体培养基的制备方法包括：
将6g的酵母膏、1g/L的磷酸二氢钾、12g/L的蔗糖糖蜜、1g/L的七水硫酸镁、8g/L的氯化铵和4g/L的硝酸钠，用水定容至1L以形成酵母培养基溶液；
将所述酵母培养基溶液的pH值调至7.0以得到中性酵母培养基溶液；
将所述中性酵母培养基溶液在113℃下灭菌15min，以得到所述液体培养基。
具体而言，将厨余垃圾预处理形成待降解基质，包括：
将厨余垃圾预处理形成待降解基材；
将待降解基材粉碎处理以形成待降解基质；
其中，所述预处理包括对厨余垃圾进行水分沥干、控油，以及对厨余垃圾进行非降解杂质的除杂，所述除杂的对象包括塑料、玻璃、金属。
请参阅图2所示，其为本发明实施例厨余垃圾的降解方法的步骤，本发明厨余垃圾的降解方法的步骤包括：
步骤S01，厨余垃圾预处理成待降解基材：将厨余垃圾进行水分沥干和控油处理和非降解杂质的除杂（塑料、玻璃、金属等无法生物降解的成分），以减少降解过程中的水分含量；
步骤S02，制备待降解基质：通过结构度公式确定粉碎粒径d，以将待降解基材粉碎处理成待降解基质；
步骤S03，配置降解剂和填料：根据待降解基质的质量，配置相应配比的降解剂和填料，根据待降解基质的pH值确定降解剂中缓冲液的种类（pH＜7使用碱性调节剂，pH=7使用中性缓冲液，pH＞7使用酸性调节剂）；
步骤S04，将待降解料1混合均匀后开始发酵；
步骤S05，监测内部气体量和表面气体量：通过内部气体量和表面气体量确定发酵进程和是否调整搅拌方式或搅拌频率，以及，确定发酵是否结束；
步骤S06，判断是否达到降解终点：通过发酵结束的降解料1的液化程度和降解料1的体积变化率综合判断是否到达降解终点；
对于未到达降解终点的降解料1，向该组合物中添加降解剂后进行二次发酵；对于到达降解终点的降解料1无需二次发酵。
具体而言，根据待降解基材的松体积Va、待降解基材的质量Ma及预处理前后的体积比k确定待降解基材的结构度F以确定对待降解基材进行粉碎处理的粉碎粒径d；
所述结构度的计算公式为：
，
其中，g0为厨余垃圾最小参考密度标准，预处理前后的体积比k为经预处理后的待降解基材的体积V1与仅除杂后的体积V2的比值，k=V1/V2，α=1kg/m3；
其中，所述结构度与粉碎粒径成反比关系。
可以理解的是，在求得结构度F时，结构度无量纲，α取1kg/m3是为了消去量纲。
可以理解的是，结构度用以描述待降解基材的内部结构的紧密程度或组织性质：更高的结构度通常意味着材料的分子或颗粒之间更紧密地排列或连接，而较低的结构度表示材料的组织或结构较为散乱或松散；
结构度与粉碎粒径之间存在反比关系，即结构度越高，粉碎粒径越小，因为更大的结构度需要更强粉碎至更小的粒度才能通过破坏内部的有序结构以便于菌剂对其降解的效率。
例如，Va=2m3，Ma=500kg，k=1.5，g0=100kg/m3，，β=1m：
则结构度F=(500/2-100)/1.5=100，
粉碎粒径；
可以理解的是，在求得粉碎粒径d时，粉碎粒径的量纲为m，β取1m是为了使粉碎粒径d有量纲。
具体而言，获取所述发酵过程中产生的气体量，包括：
通过所述第一通孔获取所述降解料1产生的内部气体量，形成内部气体流量数据；
通过所述第二通孔获取所述降解料1产生的表面气体量，形成表面气体流量数据。
其中，待降解料1产生的内部气体量和表面气体量分别通过所述第一通孔和所述第二通孔内部设置的单向气体渗透装置流向第一气体流量检测装置和第二气体流量监测装置，以将经发酵产生的所述内部气体量和所述表面气体量的流量实时记录形成内部气体流量数据和表面气体流量数据。
可以理解的是，单向气体渗透装置包括气体渗透性膜和单向阀，用以允许在发酵过程中产生的气体通过该单向气体渗透装置从发酵器皿流向气体流量监测装置且避免气体倒流，以及，不允许发酵器皿内部的液体和/或固体从发酵器皿流向气体流量监测装置。
可以理解的是，气体渗透性膜由具有特殊孔隙结构或分子筛选性的材料制成，以允许气体通过而阻止液体或较大分子的渗透。
在实施中，以下为可以作为气体渗透性膜的物质：
聚四氟乙烯PTFE：一种具有出色气体渗透性的材料常被用于气体分离和渗透性应用，它的分子结构使得气体分子能够通过，而阻止液体和大分子的穿透；
聚醚砜PES：一种用于气体过滤和气体传递且具有较好气体渗透性的合成聚合物，被广泛应用于医疗和生物科技领域；
聚醚砜醚酮PESK：类似于PES是一种高性能的工程塑料，具有良好的气体渗透性和化学稳定性。
具体而言，密封搅拌为连续往返搅拌，根据所述内部气体流量数据和所述表面气体流量数据调整发酵器皿的搅拌参数，以及，根据所述内部气体流量数据确定发酵是否结束；
其中，所述搅拌参数包括搅拌频率和搅拌方式，所述搅拌方式包括上下翻动搅拌和往返搅拌，所述往返搅拌包括顺时针搅拌和逆时针搅拌。
请参阅图3和图4，其分别为本发明实施例往返搅拌时搅拌叶片2所处位置示意图和本发明实施例上下翻动搅拌时搅拌叶片2在待降解料1表面位置的示意图。本发明发酵器皿中包括一个用于搅拌待降解料1的搅拌叶片2，该搅拌叶片2的轴设计为可伸缩的，往返搅拌时搅拌叶片2位于发酵器皿底部，在变为上下翻动搅拌时伸缩轴3开启伸缩模式，伸缩的范围为发酵器皿的底部与待降解料1的表面之间。
可以理解的是，往返搅拌包括搅拌叶片2顺时针搅拌和逆时针搅拌，上下翻动搅拌为整个搅拌叶片2沿垂直于地面的方向上下平移。
具体而言，调整发酵器皿的搅拌参数，包括：
在所述内部气体流量数据的变化量大于第一预设变化量，和/或，所述表面气体流量数据的变化量大于第二预设变化量时判断所述降解料的发酵进程和发酵速率的快慢，并根据发酵速率的快慢调整往返搅拌频率：
在发酵速率慢时根据第一预设变化量和当前内部气体流量数据确定往返搅拌频率的调整值，或，根据第二预设变化量和当前表面气体流量数据确定往返搅拌频率的调整值；
其中，所述发酵进程包括正在发酵和结束发酵；
所述内部气体流量数据的变化量为开始发酵后内部气体流量数据的第一次稳定值与当前内部气体流量数据的差值，所述表面气体流量数据的变化量为开始发酵后表面气体流量数据的第一次稳定值与当前表面气体流量数据的差值。
可以理解的是，在所述内部气体流量变化量数据小于等于第一预设变化量且所述表面气体流量数据变化量小于等于第二预设变化量时不改变往返搅拌频率；
在所述内部气体流量变化量数据大于第一预设变化量，和/或，所述表面气体流量数据变化量大于第二预设变化量时改变往返搅拌频率，并根据预设变化量和当前气体流量数据确定往返搅拌频率的调整量。
可以理解的是，第一预设变化量为开始发酵后内部气体流量第一次稳定值的5%，第二预设变化量为开始发酵后表面气体流量第一次稳定值的5%；例如，开始发酵后产生的内部气体在3min时稳定在200L/min，开始发酵后产生的表面气体在2.5min时稳定在150L/min；即第一预设变化量为10L/min（200L/min×0.05），第二预设变化量为7.5L/min（150L/min×0.05）。
因此，当190L/min≤内部气体流量≤210L/min且142.5L/min≤表面气体流量≤157.5L/min时，无需改变往返搅拌的频率；
当内部气体流量＜190L/min，或，内部气体流量＞210L/min，或，表面气体流量＜142.5L/min，或，表面气体流量＞157.5L/min，这四个条件满足任意一个条件时改变往返搅拌的频率，根据当前内部/表面气体流量与稳定时内部/表面气体流量的比值确定；在实施中，若仅满足四个条件中的一个则按满足条件的气体流量改变往返搅拌频率，若满足大于等于两个条件则按照其中满足条件的内部气体流量改变往返搅拌频率。例如：（1）仅满足内部气体流量＜190L/min时，根据当前内部气体流量确定往返搅拌频率；（2）仅满足表面气体流量＜142.5L/min时，根据当前表面气体流量确定往返搅拌频率；（3）满足内部气体流量＜190L/min和表面气体流量＜142.5L/min时，根据当前内部气体流量确定往返搅拌频率；（4）当出现内部气体流量＞210L/min，和/或，表面气体流量＞157.5L/min时代表发酵器皿内部发酵很快，此时可以根据当前气体流量减小往返搅拌频率，也可以不进行调整保持当前的往返搅拌频率，在实施中选择不调整往返搅拌频率。
在实施中，往返搅拌频率的调整量P的计算公式为：；
式中，P0为初始搅拌频率，Q0为初始搅拌频率对应气体流量数据的第一次稳定值，Q为当前气体流量数据，δ为频率系数（0.95≤δ≤1.05）。
可以理解的是，Q＜Q0时1≤δ≤1.05，Q＞Q0时0.95≤δ＜1；Q=Q0时不需要调整搅拌频率。
例如，当前内部气体流量=189L/min，当前表面气体流量=145L/min，初始搅拌频率为80r/min；
那么需要根据当前表面气体流量数据确定往返搅拌频率的改变值，δ取1.02：P=1.01×200/189×80≈85.5r/min，四舍五入调整后的频率为86r/min。
具体而言，调整发酵器皿的搅拌参数，还包括：
根据所述内部气体流量数据和所述表面气体流量数据的比值与预设标准比值范围的关系判断是否调整往返搅拌的方向或将往返搅拌调整为上下翻动搅拌，且在上下翻动搅拌结束后继续按照调整前的往返搅拌频率进行搅拌；
其中，所述上下翻动搅拌的次数为往返10次。
在实施中，内部气体流量数据和表面气体流量数据的比值＜预设标准比值范围时，改变往返搅拌的方向，例如，将顺时针搅拌改变为逆时针搅拌和将逆时针搅拌改为顺时针搅拌；
内部气体流量数据和表面气体流量数据的比值＞预设标准比值范围时，将往返搅拌变为上下翻动搅拌，在上下翻动搅拌10次后继续进行之前的往返搅拌；
内部气体流量数据和表面气体流量数据的比值∈预设标准比值范围时，不改变往返搅拌的方向，也不将往返搅拌改为上下翻动搅拌。
可以理解的是，预设标准比值范围根据开始发酵后内部气体流量第一次稳定值和开始发酵后表面气体流量第一次稳定值确定：
预设标准比值=（开始发酵后内部气体流量第一次稳定值±开始发酵后内部气体流量第一次稳定值×2%）：（开始发酵后表面气体流量第一次稳定值±开始发酵后表面气体流量第一次稳定值×2%）；
例如，开始发酵后产生的内部气体在3min时稳定在200L/min，开始发酵后产生的表面气体在2.5min时稳定在150L/min：此时预设标准比值为200L/min：150L/min=4：3，其预设标准比值范围为，(4±4×2%)：(3±3×2%)=（3.92～4.08）：（2.94～3.06）；
当内部气体流量和表面气体流量的比值＜3.92：3.06时改变往返搅拌的方向；
当内部气体流量和表面气体流量的比值＞4.08：2.94时将往返搅拌变为上下翻动搅拌。
在实施中，上下翻动搅拌的频率为10次/分钟，即每次上下翻动搅拌都持续1分钟。
具体而言，根据所述内部气体流量数据确定发酵是否结束，包括：
在调整往返搅拌频率和搅拌方式后，若所述内部气体流量数据低于最低气体流量，判断发酵结束。
在实施中，最低气体流量为5L/min。
具体而言，通过判断厨余垃圾是否达到降解终点以确定是否进行二次发酵，判断所述降解料1是否达到降解终点的方法，包括：
根据所述降解料1的液化程度是否达到预设液化值判断是否达到降解终点；
当液化程度达到预设液化值，或液化程度未达到预设液化值且所述降解料1的体积变化率小于预设变化范围时，判断达到降解终点。
在实施中，发酵结束后未达到降解终点时，在下一次发酵前会向发酵器皿中再加入初始降解剂的10%。例如，开始加入了100g降解剂，第一次发酵结束后未达到降解终点，再二次发酵时需向发酵器皿中再添加10g相同的降解剂。
可以理解的是，液化程度是指厨余垃圾在降解过程中变成液体的程度。通过化学分析或物理测试来监测发酵罐中内容物的液化程度来判断是否达到降解终点，如果液化程度大于等于预设液化值，表示降解达到降解终点；
其中，液化程度=(液体体积)/(内容物总体积)，液体体积是在发酵罐中的内容物包含的液体体积，总体积是内容物的总体积。
体积变化率监测：待降解料1的体积在降解过程中会发生变化，通过监测其体积变化率ΔV来判断是否到达降解终点，如果体积变化率在预设变化范围内，表示降解已经到达终点。
其中，ΔV=(Vj - Vi)/Vi，Vj是本次发酵结束后发酵罐中内容物的体积，Vi是前一次发酵结束后发酵罐中内容物的体积。
在实施中，预设液化值为75%，预设体积变化范围为[0，0.5%]，
（1）若液化程度≥75%，则达到降解终点；
（2）若液化程度＜75%，则重复步骤A05再次发酵，发酵结束后计算液化程度和体积变化率ΔV：
若液化程度≥75%，ΔV∈[0，0.5%]则达到降解终点；
若液化程度＜75%，ΔV≥0.5%，则未达到降解终点重复步骤A05至达到降解终点；
若液化程度＜75%，ΔV＜0.5%，则达到降解终点。
可以理解的是，在第一次发酵结束时，仅通过液化程度判断是否到达降解终点；自第二次发酵结束起（包括第二次发酵结束、第三次发酵结束、第四次发酵结束、……），每次发酵结束后均通过液化程度和待降解料1的体积变化率共同判断是否到达降解终点。
实施例1：本实施例提供一种厨余垃圾的生物降解方法，在实施中，厨余垃圾为食堂的厨余垃圾，包括备菜余料和剩饭菜等，降解剂中采用的枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌均从上海地天生物科技有限公司采购；厨余垃圾的pH值为7，因此选择磷酸盐缓冲液作为降解剂的缓冲液，配置的降解料的pH值为7；使用发酵设备保持发酵温度42℃进行密封降解，发酵过程中的搅拌参数初始设定为搅拌速率为80r/min，顺时针连续往返搅拌。
本实施例1中开始发酵时待降解基质600g，降解剂100g，填料300g（木屑200g、秸秆50g、椰壳碎片50g），本实施例选择85g磷酸盐缓冲液作为缓冲液，15g菌剂浓度为1.0×108cfu/mL的混合菌剂。
步骤A1，将厨余垃圾预处理形成待降解基质后，按待降解基质：降解剂：填料=6：1：3配制降解料；
步骤A2，将待降解料加入发酵器皿中混合均匀；
步骤A3，封闭发酵器皿进行密封搅拌，并根据发酵过程中产生的气体量的变化量确定所述降解料的发酵进程以调整发酵器皿的搅拌参数；
步骤A4判断发酵结束的所述降解料是否达到降解终点，对达到降解终点的降解料进行称重和后处理。
本实施例1中的待降解基材的结构度为100，粉碎粒径处理至10mm，发酵15小时后判断发酵结束，计算后判断需进行二次发酵，二次发酵8.6h结束后仍未达到降解终点进行第三次发酵，第三次发酵结束后达到降解终点后计算降解率。
因此，本实施例1一共使用了120g降解剂。
实施例2 本实施例2与实施例1中不同之处在于，发酵时选择密封发酵，使用的降解剂为120g，发酵设备转速80r/min，发酵温度在42℃，发酵36小时后结束发酵。其余均与实施例1相同。本实施例2不调整搅拌参数。
实施例3 本实施例3与实施例1中的步骤相同，区别在于粉碎粒径设定为15mm。
实施例4 本实施例4与实施例1中的步骤相同，区别在于粉碎粒径设定为5mm。
实施例5 本实施例5与实施例1中不同之处在于不对发酵进程进行判断，使用的降解剂为120g，发酵设备转速80r/min，发酵温度在42℃，发酵至降解终点。其余均与实施例1相同。本实施例5不调整搅拌参数。
以上五个实施例使用相同的待降解基质、降解剂和填料；其中，五个实施例中的待降解基质均从同一批厨余垃圾处理得到，并经混合均匀后按份数平均分配。
降解率＝(降解前厨余垃圾和菌剂的总重量-达到降解终点后厨余垃圾和菌剂的总重量)/降解前厨余垃圾和菌剂的总重量×100％。
表1 不同降解方法降解厨余垃圾的效果
由表1可知，经过本发明提供的用于厨余垃圾的生物降解方法既增加了厨余垃圾的降解率又减少了降解时间。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于厨余垃圾的生物降解方法，其特征在于，包括：
将厨余垃圾预处理形成待降解基质；
准备待降解基质、降解剂和填料，配比后形成降解料；
将待降解料加入发酵器皿中混合均匀；
封闭发酵器皿进行密封搅拌，并根据发酵过程中产生的气体量的变化量确定所述降解料的发酵进程以调整发酵器皿的搅拌参数；
判断发酵结束的所述降解料是否达到降解终点，对达到降解终点的降解料进行称重和后处理；
其中，所述发酵器皿包括设置在发酵腔侧表面的通孔，所述通孔包括靠近所述发酵腔底部用以收集所述降解料下层经发酵产生的内部气体量的第一通孔，和，靠近所述发酵腔顶部用以收集降解料表面产生的表面气体量的第二通孔；
其中，所述待降解基质、所述降解剂和所述填料的质量配比为：
待降解基质：降解剂：填料=6：1：3；
其中，所述降解剂包括用于将所述待降解基质中的水、蛋白质、脂肪进行分解的菌剂；
所述填料具备一定的机械强度，用以在厨余设备搅拌过程中对厨余垃圾有研磨作用和为所述降解剂中菌株提供附着的环境，包括木屑、秸秆和椰壳碎片；
所述将厨余垃圾预处理形成待降解基质，包括：
将厨余垃圾预处理形成待降解基材；
将待降解基材粉碎处理以形成待降解基质；
其中，所述预处理包括对厨余垃圾进行水分沥干、控油，以及对厨余垃圾进行非降解杂质的除杂，所述除杂的对象包括塑料、玻璃、金属；
根据待降解基材的松体积Va、待降解基材的质量Ma及预处理前后的体积比k确定待降解基材的结构度F以确定对待降解基材进行粉碎处理的粉碎粒径d；
所述结构度的计算公式为：
，
其中，g0为厨余垃圾最小参考密度标准，预处理前后的体积比k为经预处理后的待降解基材的体积V1与仅除杂后的体积V2的比值，k=V1/V2，α=1kg/m3；
其中，所述结构度与粉碎粒径成反比关系；
获取所述发酵过程中产生的气体量，包括：
通过所述第一通孔获取所述降解料产生的内部气体量，形成内部气体流量数据；
通过所述第二通孔获取所述降解料产生的表面气体量，形成表面气体流量数据；
所述密封搅拌为连续往返搅拌，根据所述内部气体流量数据和所述表面气体流量数据调整发酵器皿的搅拌参数，以及，根据所述内部气体流量数据确定发酵是否结束；
其中，所述搅拌参数包括搅拌频率和搅拌方式，所述搅拌方式包括上下翻动搅拌和往返搅拌，所述往返搅拌包括顺时针搅拌和逆时针搅拌；
所述调整发酵器皿的搅拌参数，包括：
在所述内部气体流量数据的变化量大于第一预设变化量，和/或，所述表面气体流量数据的变化量大于第二预设变化量时判断所述降解料的发酵进程和发酵速率的快慢，并根据发酵速率的快慢调整往返搅拌频率：
在发酵速率慢时根据第一预设变化量和当前内部气体流量数据确定往返搅拌频率的调整值，或，根据第二预设变化量和当前表面气体流量数据确定往返搅拌频率的调整值；
其中，所述发酵进程包括正在发酵和结束发酵；
所述内部气体流量数据的变化量为开始发酵后内部气体流量数据的第一次稳定值与当前内部气体流量数据的差值，所述表面气体流量数据的变化量为开始发酵后表面气体流量数据的第一次稳定值与当前表面气体流量数据的差值。
2.根据权利要求1所述的用于厨余垃圾的生物降解方法，其特征在于，所述降解剂包括混合菌剂和缓冲液；
其中，所述混合菌剂由混合比例为1：1的枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的种子菌液组成，所述缓冲液包括酸性调节剂、碱性调节剂和中性缓冲液，所述混合菌剂和所述缓冲液的比例为1：9～2：8；
所述缓冲液的种类根据所述待降解基质的酸碱度确定以保证所述降解料的中性环境。
3.根据权利要求1所述的用于厨余垃圾的生物降解方法，其特征在于，所述调整发酵器皿的搅拌参数，还包括：
根据所述内部气体流量数据和所述表面气体流量数据的比值与预设标准比值范围的关系判断是否调整往返搅拌的方向或将往返搅拌调整为上下翻动搅拌，且在上下翻动搅拌结束后继续按照调整前的往返搅拌频率进行搅拌；
其中，所述上下翻动搅拌的次数为往返10次。
4.根据权利要求1所述的用于厨余垃圾的生物降解方法，其特征在于，所述根据所述内部气体流量数据确定发酵是否结束，包括：
在调整往返搅拌频率和搅拌方式后，若所述内部气体流量数据低于最低气体流量，判断发酵结束。
5.根据权利要求1所述的用于厨余垃圾的生物降解方法，其特征在于，通过判断厨余垃圾是否达到降解终点以确定是否进行二次发酵，判断所述降解料是否达到降解终点的方法，包括：
根据所述降解料的液化程度是否达到预设液化值判断是否达到降解终点；
当液化程度达到预设液化值，或液化程度未达到预设液化值且所述降解料的体积变化率小于预设变化范围时，判断达到降解终点。
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- 2023-12-05 CN CN202311648004.6A patent/CN117342889B/zh active Active
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