本發(fā)明涉及餐廚處理技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種利用兩相厭氧消化處理餐廚垃圾的方法,以及處理過程中產(chǎn)氣效率、有機酸、營養(yǎng)物質(zhì)和酶活性等物質(zhì)的變化的研究。
背景技術(shù):
隨著我國餐飲業(yè)的發(fā)展,餐廚垃圾的產(chǎn)生量劇增,據(jù)統(tǒng)計上海、北京等大城市的餐廚垃圾日產(chǎn)量高達1100~1200t,并呈上升趨勢。
餐廚垃圾的高效處理技術(shù)已成為國內(nèi)外學者的研究熱點之一。目前餐廚垃圾的主要處置方式有焚燒、填埋、飼料化和生物處理技術(shù)等。其中厭氧發(fā)酵技術(shù)被認為是餐廚垃圾無害化和資源化的優(yōu)先考慮技術(shù)之一。
由于餐廚垃圾中有機成分含量較高,在單相厭氧消化過程中往往會出現(xiàn)酸化現(xiàn)象,降低產(chǎn)甲烷效率。將餐廚垃圾厭氧消化過程中的產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷階段分開,實現(xiàn)兩相厭氧消化工藝,可有效避免單相發(fā)
酵中出現(xiàn)的酸化現(xiàn)象,提高產(chǎn)甲烷效率。一些學者開展了兩相厭氧消化技術(shù)的相關(guān)研究,取得了一定的研究成果。比較了經(jīng)過超聲處理與不處理的餐廚垃圾分別在兩相與單相厭氧系統(tǒng)中的降解率,研究結(jié)果表明,兩相系統(tǒng)比單相系統(tǒng)中餐廚垃圾的降解率高,提高的幅度比超聲處理對降解率的幅度大;研究表明,餐廚垃圾兩相厭氧消化的h2
和ch4產(chǎn)率最高達到55ml/gvs和94ml/gvs,而單相厭氧消化的ch4最高產(chǎn)率僅為82ml/gvs。泥實現(xiàn)底物的降解,但由于餐廚垃圾有機質(zhì)含量豐富易于降解,利用餐廚垃圾本身的微生物也可實現(xiàn)酸化,研究表明,通過餐廚垃圾自身微生物的代謝活動能實現(xiàn)酸化產(chǎn)氫,氫氣產(chǎn)量達到4.4ml/gvs,故本實驗中產(chǎn)酸相采用自然酸化方式,減少外源接種物。本實驗通過兩相與單相消化進行比較,分析厭氧消化過程中有機酸、碳水化合物、蛋白質(zhì)以及淀粉酶、蛋白酶、脫氫酶活性等參數(shù)的變化情況,獲得兩相發(fā)酵過程的優(yōu)化模式,為餐廚垃圾的高效處置提供借鑒。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明提出了一種利用兩相厭氧消化處理餐廚垃圾的方法,包括以下步驟:
a、準備原材料,原材料包括餐廚垃圾和接種污泥,接種污泥為產(chǎn)甲烷廢水發(fā)酵罐的絮狀產(chǎn)甲烷污泥,接種污泥通過葡萄糖廢水活化5~10天;
b、將餐廚垃圾進行分離處理,然后進行初步分選,篩選出其中的大顆粒雜物和金屬雜物,將初步分選出的餐廚垃圾采用機構(gòu)方式進行破碎,得到所需餐廚垃圾備用;
c、選取500ml血清瓶作為反應(yīng)容器,第一階段,向血清瓶中加入185~200g餐廚垃圾,不加接種污泥,用naoh調(diào)節(jié)ph至7~9,然后用水調(diào)整漿料中的含固量,靜置3~5d;
d、第二階段,在500ml血清瓶中加入第一階段的發(fā)酵液,同時接種絮狀產(chǎn)甲烷污泥,控制反應(yīng)體系的cod為10000mg/l,初始ph調(diào)至8.5;
e、向接種后的血清瓶中通5~8min氮氣保證厭氧狀態(tài)后進行厭氧發(fā)酵,反應(yīng)溫度控制在53℃~55.5℃,發(fā)酵時間為8~15d,反應(yīng)過程中通過排水法對甲烷進行收集。
優(yōu)選地,所述餐廚垃圾ts和vs的質(zhì)量份數(shù)分別為31~33%和28~32%,ph為6~6.7。
優(yōu)選地,所述接種污泥ts和vs的質(zhì)量份數(shù)分別為6~7%和4~5%,ph值為7~7.7。
優(yōu)選地,所述步驟c中含固量為9.5~10.5%。
優(yōu)選地,所述步驟e中甲烷的含量采用氣相色譜進行分析,色譜柱柱溫為50℃,汽化溫度為180℃,檢測器溫度為180℃,載氣為氦氣。
本發(fā)明的有益效果是:
1、餐廚垃圾兩相厭氧消化可以提高產(chǎn)甲烷的效率,單位cod餐廚垃圾的甲烷產(chǎn)量由單相厭氧消化的40.74ml/gcod提138.1~178.3ml/gcod,提高了239%~338%;另外,兩相厭氧消化還可以獲得氫氣,最高可達14.12ml/gts。餐廚垃圾兩相厭氧消化產(chǎn)酸相的初始ph會影響產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷的效率,氫氣和甲烷的產(chǎn)量隨初始ph的升高而增加。
2、兩相厭氧消化產(chǎn)酸相溶解性碳水化合物濃度持續(xù)升高,產(chǎn)甲烷相碳水化合物持續(xù)下降;單相厭氧消化碳水化合物呈現(xiàn)先升后降趨勢。兩相厭氧消化產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相蛋白質(zhì)含量均呈上升趨勢,單相厭氧消化則出現(xiàn)了先升后降的過程。
附圖說明
圖1為兩相與單相厭氧消化h2、ch4產(chǎn)量情況;
圖2為厭氧消化過程中cod的變化情況;
圖3為厭氧消化過程中溶解性碳水化合物的變化情況;
圖4為厭氧消化過程中溶解性蛋白質(zhì)含量的變化情況。
具體實施方式
一種利用兩相厭氧消化處理餐廚垃圾的方法,包括以下步驟:
a、準備原材料,原材料包括餐廚垃圾和接種污泥,接種污泥為產(chǎn)甲烷廢水發(fā)酵罐的絮狀產(chǎn)甲烷污泥,接種污泥通過葡萄糖廢水活化5~10天;
b、將餐廚垃圾進行分離處理,然后進行初步分選,篩選出其中的大顆粒雜物和金屬雜物,將初步分選出的餐廚垃圾采用機構(gòu)方式進行破碎,得到所需餐廚垃圾備用;
c、選取500ml血清瓶作為反應(yīng)容器,第一階段,向血清瓶中加入185~200g餐廚垃圾,不加接種污泥,用naoh調(diào)節(jié)ph至7~9,然后用水調(diào)整漿料中的含固量,靜置3~5d;
d、第二階段,在500ml血清瓶中加入第一階段的發(fā)酵液,同時接種絮狀產(chǎn)甲烷污泥,控制反應(yīng)體系的cod為10000mg/l,初始ph調(diào)至8.5;
e、向接種后的血清瓶中通5~8min氮氣保證厭氧狀態(tài)后進行厭氧發(fā)酵,反應(yīng)溫度控制在53℃~55.5℃,發(fā)酵時間為8~15d,反應(yīng)過程中通過排水法對甲烷進行收集。
優(yōu)選地,所述餐廚垃圾ts和vs的質(zhì)量份數(shù)分別為31~33%和28~32%,ph為6~6.7。
優(yōu)選地,所述接種污泥ts和vs的質(zhì)量份數(shù)分別為6~7%和4~5%,ph值為7~7.7。
優(yōu)選地,所述步驟c中含固量為9.5~10.5%。
優(yōu)選地,所述步驟e中甲烷的含量采用氣相色譜進行分析,色譜柱柱溫為50℃,汽化溫度為180℃,檢測器溫度為180℃,載氣為氦氣。
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步地說明,本發(fā)明中餐廚垃圾和接種污泥的性質(zhì)如下面表1所示:
表1
在處理過程中分為第一階段和第二隊段,第1階段在500ml血清瓶中加入200g餐廚垃圾,不加接種污泥,分別用naoh調(diào)節(jié)初始ph至7.0(b組)、8.0(c組)、8.5(d組)和9.0(e組),同時設(shè)置一組不調(diào)節(jié)ph的作為a組;第2階段在500ml血清瓶中加入第一階段各組的酵液,同時接種產(chǎn)甲烷污泥,,控制反應(yīng)體系的cod為10000mg/l,初始ph調(diào)至8.5,同時,設(shè)置對比組(f組),f組在500ml血清瓶中加入一定量的餐廚垃圾和接種污泥,餐廚垃圾與接種污泥的ts比為1:1。上述各組數(shù)據(jù)如表2所示:
表2
實施例1
結(jié)合a組、b組、c組、d組、e組和f組的數(shù)據(jù)可知,得到兩與與單相厭氧消化產(chǎn)氣性能的不同。
如圖1所示,餐廚垃圾兩相與單相厭氧化的h2、ch4產(chǎn)量。兩相實驗組的產(chǎn)酸相單位ts的h2產(chǎn)量隨初始ph的升高而增加,當初始ph為9.0時(e組),最高達到14.12ml/gts,比空白組(a)提高328%,這是由于提高初始ph可以減緩餐廚垃圾酸化導(dǎo)致的ph下降,延長產(chǎn)氫時間,從而提高氫氣產(chǎn)量。同時產(chǎn)甲烷相單位cod的ch4產(chǎn)量也隨產(chǎn)酸相初始ph的升高而增加,為138.1~178.3ml/gcod,比單相實驗f組ch4產(chǎn)量提高了239%~338%,這主要是由于兩相厭氧消化過程在產(chǎn)酸相完成了水解酸化,使得餐廚垃圾中的有機質(zhì)大量降解成可溶性物質(zhì),在產(chǎn)甲烷相比單相消化更充分地進行產(chǎn)甲烷反應(yīng),因而提高了甲烷產(chǎn)量。研究結(jié)果表明,兩相厭氧消化不僅能夠提高產(chǎn)甲烷的效率,而且還能夠獲取氫氣。
實施例2
結(jié)合a組、b組、c組、d組、e組和f組的數(shù)據(jù)可知,得到兩相與單相厭氧消化過程中cod和有機酸變化的差別。
如圖2所示,在兩相實驗組的產(chǎn)酸相中,各組的cod由初始的18200~47600mg/l逐漸升高,在反應(yīng)結(jié)束時達到62400~88200mg/l,其中a、c和d組在第9小時時cod達到最高,隨后呈下降趨勢。這是由于隨著水解和酸化過程的進行,餐廚垃圾中的大分子有機物逐漸水解成可溶性的小分子物質(zhì),使得cod濃度逐漸升高;隨后的產(chǎn)氫過程中,產(chǎn)氫菌利用和降解營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生h2和co2,使得cod濃度略呈下降趨勢。在產(chǎn)甲烷相,產(chǎn)甲烷菌利用反應(yīng)體系中的小分子有機酸產(chǎn)生ch4,使得這些物質(zhì)逐漸減少,cod濃度持續(xù)下降,由9280~10800mg/l下降至最終的6400~6810mg/l。單相實驗f組的cod在前6小時內(nèi)由7860mg/l上升至10100mg/l,隨后在第9小時時下降至9300mg/l,在9~12h內(nèi)又有所回升,最終達到9680mg/l。
在厭氧消化過程中,底物中的有機物在厭氧微生物作用下轉(zhuǎn)變成有機酸,主要包括揮發(fā)性有機酸(vfa)和乳酸,因此,有機酸是衡量厭氧消化過程的一個重要指標。兩相實驗組的產(chǎn)酸相vfa和乳酸含量均呈上升趨勢,其中乳酸含量均為最高,由反應(yīng)開始時5602~10298mg/l上升至最終的10685~16319mg/l。各實驗組乳酸含量基本呈現(xiàn)隨初始ph升高而降低的趨勢,反應(yīng)結(jié)束時(第12小時)a組的乳酸含量為13287mg/l,e組則為10685mg/l,這一趨勢與h2產(chǎn)量隨初始ph的變化趨勢呈反相關(guān)。其次含量較高的為甲酸和丁酸,其中甲酸含量呈現(xiàn)先增后減的趨勢,各組甲酸含量之間沒有呈現(xiàn)明顯的隨初始ph變化的規(guī)律;丁酸含量則呈逐漸積累趨勢,產(chǎn)氫過程以“丁酸型”代謝途徑為主,而各組丁酸含量則隨初始ph的升高而呈現(xiàn)先增加后減小的變化,反應(yīng)結(jié)束時(第12小時)a組和e組丁酸含量較低,分別為557和2100mg/l,c組丁酸含量最高,達到3482mg/l。兩相實驗組的產(chǎn)甲烷相,乳酸、甲酸和丁酸含量均呈逐漸減少趨勢,分別由初始的1070~1630、106~409和56~348mg/l下降至最終的144~189、6.0~35和0~39mg/l,降解率最高分別達到87.5%、95.0%和100%;乙酸含量則在前9小時逐漸升高,由初始的20~59mg/l上升至第9小時的282~325mg/l,隨后在第9~12小時又逐漸降低,最終降至247~298mg/l。這表明有機酸先降解轉(zhuǎn)化成乙酸,隨后產(chǎn)甲烷菌再利用乙酸產(chǎn)生ch4。單相實驗f組中,乙酸和丁酸的含量較高且呈上升趨勢,分別由1172mg/l和95mg/l升高至1354mg/l和1935mg/l,說明酸化過程的主要產(chǎn)物為乙酸和丁酸,與兩相實驗組產(chǎn)甲烷相相比,單相實驗組的乙酸含量并沒有出現(xiàn)明顯的下降趨勢。
實施例3
結(jié)合a組、b組、c組、d組、e組和f組的數(shù)據(jù)可知,兩相與單相厭氧消化過程中碳水化合物和蛋白質(zhì)濃度的變化差別。
在厭氧消化中,碳水化合物是餐廚垃圾的主要成分,碳水化合物的變化情況對厭氧消化過程有著重要影響。如圖3所示,兩相實驗組的產(chǎn)酸相,碳水化合物含量基本呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢,由初始的22724~38775mg/l上升至50833~77713mg/l,表明餐廚垃圾中的碳水化合物由不溶性的逐漸水解成可溶性的,并進入發(fā)酵液中;此外,a組和d組在第9~12小時出現(xiàn)碳水化合物含量下降的情況。產(chǎn)酸相反應(yīng)結(jié)束時,b組碳水化合物含量最高,達到77713mg/l,比含量最低的a組高出52.9%。在產(chǎn)甲烷相,碳水化合物含量則呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢,反應(yīng)開始時為5078~7772mg/l,結(jié)束時則降至3401~3807mg/l,表明產(chǎn)甲烷微生物利用碳水化合物產(chǎn)生了甲烷,其中b組碳水化合物降解率最高,達到54.7%。單相實驗f組的碳水化合物含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢,在前6小時由5860mg/l上升至7810mg/l,隨后的第6~12小時又逐漸下降至7600mg/l。
如圖4所示,兩相實驗組的產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相溶液中的蛋白質(zhì)濃度均呈逐漸上升的趨勢,產(chǎn)酸相由初始的1046~1822mg/l上升至反應(yīng)結(jié)束時的2778~3974mg/l,產(chǎn)甲烷相則由初始的418~450mg/l上升至反應(yīng)結(jié)束時的560~601mg/l,這一方面是由于餐廚垃圾中的不溶性大分子蛋白質(zhì)在水解作用下降解成可溶性的小分子蛋白質(zhì),另一方面則由于厭氧微生物的代謝活性逐漸提高,分泌到胞外的酶類物質(zhì)增多。產(chǎn)酸相反應(yīng)結(jié)束時,b組蛋白質(zhì)含量最高,達到3974mg/l,而c組含量最低,僅為2778mg/l,前者比后者高出43.1%;產(chǎn)甲烷相反應(yīng)結(jié)束時,b組蛋白質(zhì)含量同樣為最高,達到601mg/l,比含量最低的d組高出7.3%。相比之下,單相實驗f組的蛋白質(zhì)含量在前9小時也同樣呈上升趨勢,由678mg/l上升至901mg/l;而9~12h的蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)下降趨勢,最后降至719mg/l,表明蛋白質(zhì)被微生物降解利用。
綜上所述,可知,餐廚垃圾兩相厭氧消化可以提高產(chǎn)甲烷的效率,單位cod餐廚垃圾的甲烷產(chǎn)量由單相厭氧消化的40.74ml/gcod提138.1~178.3ml/gcod,提高了239%~338%;另外,兩相厭氧消化還可以獲得氫氣,最高可達14.12ml/gts。餐廚垃圾兩相厭氧消化產(chǎn)酸相的初始ph會影響產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷的效率,氫氣和甲烷的產(chǎn)量隨初始ph的升高而增加。
兩相厭氧消化產(chǎn)酸相溶解性碳水化合物濃度持續(xù)升高,產(chǎn)甲烷相碳水化合物持續(xù)下降;單相厭氧消化碳水化合物呈現(xiàn)先升后降趨勢。兩相厭氧消化產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相蛋白質(zhì)含量均呈上升趨勢,單相厭氧消化則出現(xiàn)了先升后降的過程。
以上實施例中,a組、b組、c組、d組和e組為兩相實驗組,f組為單相實驗組,以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已,并不用于限制本發(fā)明,對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。