一種強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法
【專(zhuān)利摘要】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，它為了解決現(xiàn)有餐廚垃圾產(chǎn)短鏈脂肪酸效率不高的問(wèn)題。厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法：一、收集餐廚垃圾，去除浮油后攪碎，加水得到餐廚垃圾混合液；二、對(duì)餐廚垃圾混合液進(jìn)行超聲預(yù)處理；三、向超聲后的餐廚垃圾中接種剩余污泥進(jìn)行發(fā)酵處理。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，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。同時(shí)降低了生產(chǎn)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(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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)】
[0002] 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(dòng)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(diǎn)。在中國(guó)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(guó)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(guò)1000噸。到目前為止，我國(guó)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(huì)產(chǎn)生滲濾液和溫室氣體，還會(huì)占用大量寶貴的土地資源。在 越來(lái)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(wú) 害化和資源化的處理方式已刻不容緩。
[0003] 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(diǎn)，使其成為厭氧發(fā)酵的理想底物。通過(guò)厭氧發(fā)酵，餐廚垃圾中的大部分有機(jī)物會(huì) 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(guò)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(guò)餐廚垃圾來(lái) 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(shí)，在厭氧酸化過(guò)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(shí)抑制或減少產(chǎn)甲烷菌對(duì)有機(jī)物和短鏈脂肪酸的消耗，短鏈脂肪酸的積累 量將會(huì)提1?。
[0004] 由于具有對(duì)環(huán)境無(wú)害且破解效率高的特點(diǎn)，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(duì)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(lái)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(guò)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(shí)驗(yàn) 室規(guī)模下有效，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)造成諸多問(wèn)題，比如短鏈脂肪酸的生產(chǎn)成本和運(yùn)行復(fù)雜性 會(huì)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(duì)產(chǎn)酸微生物生長(zhǎng)和 活性產(chǎn)生抑制等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 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(wèn)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。
[0006] 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(shí)現(xiàn)：
[0007] -、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；
[0008] 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?I. 25W/mL，進(jìn)行 超聲預(yù)處理20?30min，得到超聲后的餐廚垃圾；
[0009] 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/Ι)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。
[0010] 本發(fā)明采用超聲預(yù)處理聯(lián)合S/Ι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(zhǎng)速率高于產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)酸菌會(huì)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(gè)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。
[0011] 通過(guò)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(guò)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(shì)。本發(fā)明的方法不會(huì)對(duì)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(wèn)題， 還可將其進(jìn)一步回收利用。
[0012] 生產(chǎn)出來(lái)的短鏈脂肪酸可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。此發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)了餐廚垃圾的減量化、無(wú)害化，還產(chǎn) 生了利用價(jià)值極大的有機(jī)酸，實(shí)現(xiàn)了餐廚垃圾的資源化利用。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為實(shí)施例厭氧發(fā)酵處理的發(fā)酵液中溶解性化學(xué)需氧量隨發(fā)酵時(shí)間的變化圖， 其中" 代表只用預(yù)處理的餐廚垃圾發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵液中的溶解性化學(xué)需氧量濃度與發(fā)酵 時(shí)間的關(guān)系曲線；"· "代表實(shí)施例一發(fā)酵液中的溶解性化學(xué)需氧量濃度與發(fā)酵時(shí)間的關(guān) 系曲線；代表實(shí)施例二發(fā)酵液中的溶解性化學(xué)需氧量濃度與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系曲線； "+++++.*++++++"代表實(shí)施例三發(fā)酵液中的溶解性化學(xué)需氧量濃度與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系曲線；"代 表實(shí)施例四發(fā)酵液中的溶解性化學(xué)需氧量濃度與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系曲線；"?"代表實(shí)施例 五發(fā)酵液中的溶解性化學(xué)需氧量濃度與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系曲線；
[0014] 圖2為實(shí)施例厭氧發(fā)酵處理的發(fā)酵液中短鏈脂肪酸產(chǎn)量隨發(fā)酵時(shí)間的變化圖，其 中"代表只用預(yù)處理的餐廚垃圾發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵液中的溶解性化學(xué)需氧量濃度與發(fā)酵時(shí) 間的關(guān)系曲線；" ?"代表實(shí)施例一短鏈脂肪酸產(chǎn)量與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系曲線；代表實(shí) 施例二短鏈脂肪酸產(chǎn)量與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系曲線；"-*-"代表實(shí)施例三短鏈脂肪酸產(chǎn)量與發(fā) 酵時(shí)間的關(guān)系曲線；" ?"代表實(shí)施例四短鏈脂肪酸產(chǎn)量與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系曲線；" ?" 代表實(shí)施例五短鏈脂肪酸產(chǎn)量與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系曲線。

【具體實(shí)施方式】

【具體實(shí)施方式】 [0015] 一：本實(shí)施方式強(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(shí)施：
[0016] 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；
[0017] 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?I. 25W/mL，進(jìn)行 超聲預(yù)處理20?30min，得到超聲后的餐廚垃圾；
[0018] 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/Ι)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。
[0019] 本實(shí)施方式通過(guò)調(diào)整餐廚垃圾與接種污泥之比（S/Ι)提高產(chǎn)酸量，步驟三調(diào)整餐 廚垃圾與剩余污泥之比（S/Ι)維持體系的pH為5?6. 5,利于水解酸化和抑制產(chǎn)甲烷菌活 性。這種抑制產(chǎn)甲烷菌的方法在大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)于傳統(tǒng)的通過(guò)添加化學(xué)藥品調(diào)節(jié) pH，以及通過(guò)加熱等殺滅產(chǎn)甲烷菌的方式。
[0020] 本實(shí)施方式餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的方法采用超聲預(yù)處理聯(lián)合S/Ι調(diào)整能夠有效地 提高餐廚垃圾的水解效率，使發(fā)酵液中溶解性有機(jī)物含量顯著提高，有利于產(chǎn)酸微生物將 其轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸；同時(shí)，這種聯(lián)合處理的方法提高了發(fā)酵產(chǎn)酸的速率，縮短了取得最大 產(chǎn)酸量的時(shí)間，節(jié)能降耗、減少了運(yùn)行成本。

【具體實(shí)施方式】 [0021] 二：本實(shí)施方式與一不同的是步驟二調(diào)節(jié)超聲能量密 度為lW/mL，進(jìn)行超聲預(yù)處理20min。其它步驟及參數(shù)與一相同。

【具體實(shí)施方式】 [0022] 三：本實(shí)施方式與一或二不同的是步驟三中接種的剩 余污泥的 TS 為 13000 ?14000mg/L，VS 為 9000 ?9500mg/L，TC0D 為 12000 ?13000mg/L， SCOD為550?600mg/L，pH為6. 5?7。其它步驟及參數(shù)與一或二相同。

【具體實(shí)施方式】 [0023] 四：本實(shí)施方式與一至三之一不同的是步驟三按照餐 廚垃圾與剩余污泥之比（S/Ι)為6向超聲后的餐廚垃圾中接種污泥進(jìn)行發(fā)酵處理。其它步 驟及參數(shù)與一至三之一相同。

【具體實(shí)施方式】 [0024] 五：本實(shí)施方式與一至四之一不同的是步驟三所述的 發(fā)酵處理是在恒溫振蕩器中以35±3°C的水浴中進(jìn)行的。其它步驟及參數(shù)與 一至四之一相同。

【具體實(shí)施方式】 [0025] 六：本實(shí)施方式與五不同的是步驟三中發(fā)酵處理的時(shí) 間為48?72h。其它步驟及參數(shù)與五相同。
[0026] 參比實(shí)施例：本實(shí)施例餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的方法按下列步驟實(shí)施：
[0027] -、收集哈爾濱工業(yè)大學(xué)食堂的餐廚垃圾，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30g/L，得到餐廚垃圾混合液；
[0028] 二、將300mL除油后的餐廚垃圾置于反應(yīng)容器中，調(diào)節(jié)超聲能量密度進(jìn)行超聲預(yù) 處理30min，得到破解后的餐廚垃圾。
[0029] 本實(shí)施例采用功率為0?1200W的探頭式超聲發(fā)生儀。在500mL燒杯中裝入餐 廚垃圾混合液300mL，將超聲發(fā)生儀的探頭插入混合液中，調(diào)節(jié)超聲功率，使得餐廚垃圾接 受到的超聲能量密度分別為〇. 25,0. 5,0. 75,1和I. 25W/mL，超聲時(shí)間為30min，每5min取 樣，每次取5mL破解液，將所有破解液均以IOOOOrpm轉(zhuǎn)速離心IOmin,用0. 45 μ m過(guò)濾器過(guò) 濾餐廚垃圾破解液得到上清液，用NACH DR1010C0D測(cè)定儀測(cè)定SCOD，用BCA試劑盒測(cè)定溶 解性蛋白質(zhì)，用苯酚-硫酸法測(cè)定溶解性碳水化合物含量，用公式破解度DD (%) = (SCOD 后-SCODtl) AtCODq-SCODq) X 100 %，計(jì)算餐廚垃圾的溶解度，其中SCOD后為破解后上清液中 SCOD的含量，SCODtl表示破解前上清液中SCOD含量，TCODtl表示餐廚垃圾混合液中TCOD含 量，試驗(yàn)結(jié)果表1、表2。
[0030] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在于是按下列步驟實(shí)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。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在 于步驟二調(diào)節(jié)超聲能量密度為lW/mL，進(jìn)行超聲預(yù)處理20min。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在 于步驟三中接種的剩余污泥的TS為13000?14000mg/L，VS為9000?9500mg/L，TCOD為 12000 ?13000mg/L，SCOD 為 550 ?600mg/L，pH 為 6. 5 ?7。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在 于步驟三按照餐廚垃圾與剩余污泥之比為6向超聲后的餐廚垃圾中接種污泥進(jìn)行發(fā)酵處 理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在 于步驟三所述的發(fā)酵處理是在恒溫振蕩器中以35±3°C的水浴中進(jìn)行的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的方法，其特征在 于步驟三中發(fā)酵處理的時(shí)間為48?72h。
【文檔編號(hào)】C12P7/40GK104388479SQ201410675330
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】郭婉茜, 吳清蓮, 任南琪, 楊珊珊, 雒海潮, 彭斯脈 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)