[發(fā)明專利]一種強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410675330.0
• 申請日: 2014-11-21
• 公開（公告）號: CN104388479A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭婉茜;吳清蓮;任南琪;楊珊珊;雒海潮;彭斯脈
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C12P7/40
• 分類號: C12P7/40
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 牟永林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于廢棄物資源化利用領(lǐng)域，具體涉及利用餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法。

背景技術(shù)

餐廚垃圾是一種主要產(chǎn)生于食品加工業(yè)、餐館、食堂和家庭廚房的有機(jī)固體廢物，其主要組成成分是淀粉、食物纖維、動物脂肪等有機(jī)物質(zhì)，具有高水分、高鹽分、高油脂以及易腐發(fā)臭、易生物降解等特點。在中國的大多數(shù)城市，餐廚垃圾構(gòu)成了城市固體廢物的最大組成部分，占城市固體廢物總量的30％～50％。中國的餐廚垃圾日產(chǎn)量驚人，北京和上海的餐廚垃圾日輸出量均超過1000噸。到目前為止，我國餐廚垃圾最常用的處理方式為衛(wèi)生填埋，但是這種處理方式不僅會產(chǎn)生滲濾液和溫室氣體，還會占用大量寶貴的土地資源。在越來越嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)的限制下，衛(wèi)生填埋以及一些其他常用的處理處置方法，如海洋消納、焚燒、飼料化和用作肥料被逐漸禁止使用。因此，尋求一種能夠?qū)崿F(xiàn)餐廚垃圾減量化、無害化和資源化的處理方式已刻不容緩。

在另一方面，由于餐廚垃圾具有高水分、易生物降解、碳氮比適宜以及有機(jī)物含量豐富等特點，使其成為厭氧發(fā)酵的理想底物。通過厭氧發(fā)酵，餐廚垃圾中的大部分有機(jī)物會被轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品，如短鏈脂肪酸、甲烷和氫氣等。短鏈脂肪酸是一種被廣泛使用的碳源，可以用于污水處理廠氮磷的去除、生產(chǎn)可生物降解塑料、合成生物氣和生物柴油，以及用于產(chǎn)電等。然而，現(xiàn)在短鏈脂肪酸主要通過化學(xué)合成途徑從化石燃料中提取獲得，這種方法大大消耗了不可再生資源，且使得生產(chǎn)短鏈脂肪酸的成本高昂。因此，通過餐廚垃圾來生產(chǎn)短鏈脂肪酸是一種生態(tài)環(huán)保且經(jīng)濟(jì)可行的方法。大量研究表明餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的主要限制因素是溶解和水解步驟，發(fā)酵液中的有機(jī)物必須處于溶解狀態(tài)，才能被微生物充分利用。同時，在厭氧酸化過程中產(chǎn)生的短鏈脂肪酸極易被產(chǎn)甲烷菌消耗。因此，如果能在提高水解效率的同時抑制或減少產(chǎn)甲烷菌對有機(jī)物和短鏈脂肪酸的消耗，短鏈脂肪酸的積累量將會提高。

由于具有對環(huán)境無害且破解效率高的特點，超聲波已作為一種高效的預(yù)處理方式被廣泛用于破解污水污泥，對污泥的后續(xù)減量化和資源化發(fā)揮了重要的作用，但用于餐廚垃圾的預(yù)處理來提高短鏈脂肪酸產(chǎn)量的研究還較少。在另一方面，之前關(guān)于抑制產(chǎn)甲烷菌活性的研究幾乎都是通過投入化學(xué)藥物調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的pH到堿性，但這種方法只在實驗室規(guī)模下有效，在實際應(yīng)用中會造成諸多問題，比如短鏈脂肪酸的生產(chǎn)成本和運(yùn)行復(fù)雜性會大大提高，含高濃度化學(xué)藥劑的發(fā)酵廢液處理難度加大，化學(xué)藥劑對產(chǎn)酸微生物生長和活性產(chǎn)生抑制等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決現(xiàn)有餐廚垃圾產(chǎn)短鏈脂肪酸效率不高的問題，提供一種強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法。

本發(fā)明強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法按下列步驟實現(xiàn)：

一、收集餐廚垃圾，去除餐廚垃圾的浮油后用電攪拌機(jī)攪碎，加水將總固體含量調(diào)到25～35g/L，得到餐廚垃圾混合液；

二、將餐廚垃圾混合液置于反應(yīng)容器中，調(diào)節(jié)超聲能量密度為1～1.25W/mL，進(jìn)行超聲預(yù)處理20～30min，得到超聲后的餐廚垃圾；

三、將步驟二得到的超聲后的餐廚垃圾放入?yún)捬醢l(fā)酵瓶中，按照餐廚垃圾與剩余污泥之比(S/I)為4～7向超聲后的餐廚垃圾中接種剩余污泥進(jìn)行發(fā)酵處理，完成餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸。

本發(fā)明采用超聲預(yù)處理聯(lián)合S/I調(diào)整的方法強(qiáng)化餐廚垃圾產(chǎn)短鏈脂肪酸，由于餐廚垃圾和接種污泥的性質(zhì)，使得發(fā)酵底物的pH維持在5～6.5，此范圍有利于有機(jī)物的水解、酸化且能抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，使得經(jīng)超聲作用后結(jié)構(gòu)松散的非水溶性有機(jī)物能進(jìn)一步溶解和水解，溶解性的碳水化合物和蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)物在微生物和水解酶的作用下水解為低分子的單糖、氨基酸等，這些有機(jī)物能被微生物直接吸收同化后轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸；另一方面，由于產(chǎn)酸菌的生長速率高于產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)酸菌會在發(fā)酵的初始階段迅速地增殖，導(dǎo)致短鏈脂肪酸的大量積累，于是進(jìn)一步降低反應(yīng)器中的pH，較低的pH水平使得產(chǎn)甲烷菌的活性在發(fā)酵的整個階段被有效地抑制，從而最大程度地積累短鏈脂肪酸的產(chǎn)量。利用本發(fā)明強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵處理能使發(fā)酵液中70％以上的溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸。

通過調(diào)整初始S/I，利用餐廚垃圾和接種污泥的性質(zhì)間接影響反應(yīng)器內(nèi)體系的pH，使其維持在弱酸性以抑制產(chǎn)甲烷菌消耗短鏈脂肪酸的方法，比以往通過加熱或投加化學(xué)藥劑殺滅產(chǎn)甲烷菌的方法有明顯優(yōu)勢。本發(fā)明的方法不會對水解和產(chǎn)酸微生物的生存造成威脅和迫害，因此未溶解的有機(jī)物進(jìn)一步溶出，短鏈脂肪酸也能持續(xù)產(chǎn)生；并且降低了生產(chǎn)短鏈脂肪酸的成本和運(yùn)行復(fù)雜性，不用考慮含高濃度化學(xué)試劑發(fā)酵剩余液的處理問題，還可將其進(jìn)一步回收利用。