[发明专利]一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法

说明书

技术领域

本发明属于废弃物资源化利用领域，具体涉及利用餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法。

背景技术

餐厨垃圾是一种主要产生于食品加工业、餐馆、食堂和家庭厨房的有机固体废物，其主要组成成分是淀粉、食物纤维、动物脂肪等有机物质，具有高水分、高盐分、高油脂以及易腐发臭、易生物降解等特点。在中国的大多数城市，餐厨垃圾构成了城市固体废物的最大组成部分，占城市固体废物总量的30％～50％。中国的餐厨垃圾日产量惊人，北京和上海的餐厨垃圾日输出量均超过1000吨。到目前为止，我国餐厨垃圾最常用的处理方式为卫生填埋，但是这种处理方式不仅会产生渗滤液和温室气体，还会占用大量宝贵的土地资源。在越来越严格的环境法规的限制下，卫生填埋以及一些其他常用的处理处置方法，如海洋消纳、焚烧、饲料化和用作肥料被逐渐禁止使用。因此，寻求一种能够实现餐厨垃圾减量化、无害化和资源化的处理方式已刻不容缓。

在另一方面，由于餐厨垃圾具有高水分、易生物降解、碳氮比适宜以及有机物含量丰富等特点，使其成为厌氧发酵的理想底物。通过厌氧发酵，餐厨垃圾中的大部分有机物会被转化为高附加值的产品，如短链脂肪酸、甲烷和氢气等。短链脂肪酸是一种被广泛使用的碳源，可以用于污水处理厂氮磷的去除、生产可生物降解塑料、合成生物气和生物柴油，以及用于产电等。然而，现在短链脂肪酸主要通过化学合成途径从化石燃料中提取获得，这种方法大大消耗了不可再生资源，且使得生产短链脂肪酸的成本高昂。因此，通过餐厨垃圾来生产短链脂肪酸是一种生态环保且经济可行的方法。大量研究表明餐厨垃圾厌氧发酵的主要限制因素是溶解和水解步骤，发酵液中的有机物必须处于溶解状态，才能被微生物充分利用。同时，在厌氧酸化过程中产生的短链脂肪酸极易被产甲烷菌消耗。因此，如果能在提高水解效率的同时抑制或减少产甲烷菌对有机物和短链脂肪酸的消耗，短链脂肪酸的积累量将会提高。

由于具有对环境无害且破解效率高的特点，超声波已作为一种高效的预处理方式被广泛用于破解污水污泥，对污泥的后续减量化和资源化发挥了重要的作用，但用于餐厨垃圾的预处理来提高短链脂肪酸产量的研究还较少。在另一方面，之前关于抑制产甲烷菌活性的研究几乎都是通过投入化学药物调节反应器中的pH到碱性，但这种方法只在实验室规模下有效，在实际应用中会造成诸多问题，比如短链脂肪酸的生产成本和运行复杂性会大大提高，含高浓度化学药剂的发酵废液处理难度加大，化学药剂对产酸微生物生长和活性产生抑制等。

发明内容

本发明要解决现有餐厨垃圾产短链脂肪酸效率不高的问题，提供一种强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法。

本发明强化餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸的方法按下列步骤实现：

一、收集餐厨垃圾，去除餐厨垃圾的浮油后用电搅拌机搅碎，加水将总固体含量调到25～35g/L，得到餐厨垃圾混合液；

二、将餐厨垃圾混合液置于反应容器中，调节超声能量密度为1～1.25W/mL，进行超声预处理20～30min，得到超声后的餐厨垃圾；

三、将步骤二得到的超声后的餐厨垃圾放入厌氧发酵瓶中，按照餐厨垃圾与剩余污泥之比(S/I)为4～7向超声后的餐厨垃圾中接种剩余污泥进行发酵处理，完成餐厨垃圾厌氧发酵产短链脂肪酸。

本发明采用超声预处理联合S/I调整的方法强化餐厨垃圾产短链脂肪酸，由于餐厨垃圾和接种污泥的性质，使得发酵底物的pH维持在5～6.5，此范围有利于有机物的水解、酸化且能抑制产甲烷菌的活性，使得经超声作用后结构松散的非水溶性有机物能进一步溶解和水解，溶解性的碳水化合物和蛋白质等大分子有机物在微生物和水解酶的作用下水解为低分子的单糖、氨基酸等，这些有机物能被微生物直接吸收同化后转化为短链脂肪酸；另一方面，由于产酸菌的生长速率高于产甲烷菌，产酸菌会在发酵的初始阶段迅速地增殖，导致短链脂肪酸的大量积累，于是进一步降低反应器中的pH，较低的pH水平使得产甲烷菌的活性在发酵的整个阶段被有效地抑制，从而最大程度地积累短链脂肪酸的产量。利用本发明强化餐厨垃圾厌氧发酵处理能使发酵液中70％以上的溶解性有机物转化为短链脂肪酸。

通过调整初始S/I，利用餐厨垃圾和接种污泥的性质间接影响反应器内体系的pH，使其维持在弱酸性以抑制产甲烷菌消耗短链脂肪酸的方法，比以往通过加热或投加化学药剂杀灭产甲烷菌的方法有明显优势。本发明的方法不会对水解和产酸微生物的生存造成威胁和迫害，因此未溶解的有机物进一步溶出，短链脂肪酸也能持续产生；并且降低了生产短链脂肪酸的成本和运行复杂性，不用考虑含高浓度化学试剂发酵剩余液的处理问题，还可将其进一步回收利用。