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负压控制餐厨废 水厌 氧 发酵提高挥发性 脂肪酸产量的方法

阅读：17发布：2024-01-03

专利汇可以提供负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，该方法对家庭或者餐厅的餐厨垃圾进行挤压、过滤处理，获得餐厨废水；取收集物并去除其中的污染物，然后置于厌氧环境条件下发酵6～8天；将前处理污泥置于高压蒸汽灭菌锅中高温灭菌，待温度降至30℃条件后；添加培养基然后在温度为37℃水浴锅中加热培养；得到厌氧污泥将厌氧污泥和餐厨废水置于发酵罐中，在使用N2排出发酵罐中的空气创造厌氧环境后，使用负压控制装置将发酵罐内的大气压降至0.02±0.005MPa，并将发酵罐置于水浴中进行厌氧发酵；得到上清液；即为挥发性脂肪酸。本发明可以使挥发性脂肪酸的产量增加20％～50％，并且使乙酸、丙酸和丁酸在挥发性脂肪酸中的比例提高4％～10％。，下面是负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)原料的获取
对家庭或者餐厅的餐厨垃圾进行挤压、过滤处理，获得餐厨废水；
2)污泥的获取
取收集物并去除其中的污染物，然后置于厌氧环境条件下发酵6～8天；得到前处理污泥；其中，所述收集物为污水处理厂的污泥、沼气池底部的活性污泥或猪粪与沼液的混合物；
3)污泥的灭菌与培养
将前处理污泥置于高压蒸汽灭菌锅中高温灭菌，待温度降至30℃条件后将pH调至5.0～5.5；添加培养基然后在温度为37℃水浴锅中加热培养；每两天加入一次培养基并调节pH至5～5.5，加入6次培养基后培养完毕，得到厌氧污泥；其中，所述培养基由以下配方制备而成：葡萄糖：10g/L；胰蛋白胨：4g/L；牛肉膏：2g/L；酵母汁：1g/L；L-半胱氨酸：0.5g/L；NaCl：
4g/L；MgCl2：0.1g/L；FeCl2：0.1g/L；K2HPO4：1.5g/L；维生素液：10mL/L和微量元素液：1mL/L；
4)发酵
按体积比3:4～6将厌氧污泥和餐厨废水置于发酵罐中，在使用N2排出发酵罐中的空气创造厌氧环境后，使用负压控制装置将发酵罐内的大气压降至0.02±0.005 MPa，并将发酵罐置于水浴中进行厌氧发酵；发酵1天后，得到上清液；即为含有以乙酸和丁酸为主的挥发性脂肪酸，其中，挥发性脂肪酸中，乙酸、丙酸和丁酸含量分别为4500～6000mg/L，2000～
3500mg/L和3300～5800mg/L。
2.根据权利要求1所述负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，其特征在于：所述步骤3)中，维生素液由以下原料组成：生物素：2.0mg/L；硫胺素：5.0mg/L；盐酸吡哆醇：10mg/L；D-泛钙酸：5.0mg/L；硫辛酸5.0mg/L；叶酸：2.0mg/L；核黄素：5.0mg/L；烟酸：5.0mg/L；对氨基苯甲酸：5.0mg/L；维生素B12：0.1mg/L。
3.根据权利要求1所述负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，其特征在于：所述步骤3)中，微量元素由以下原料组成：NH4HCO3：5240mg/L；K2HPO4：125mg/L；
MgCl2·6H2O：100；MnSO4·6H2O：15mg/L；FeSO4·7H2O：25mg/L；CuSO4·5H2O：5mg/L；CoCl2·
5H2O：0.125mg/L和NaHCO3：6720mg/L。
4.根据权利要求1所述负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，其特征在于：所述步骤3)中，水浴锅的温度为37±0.2℃。
5.根据权利要求1所述负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，其特征在于：所述步骤4)中，水浴锅的温度为37±0.2℃。

说明书全文

负压控制餐厨废 水厌 氧 发酵提高挥发性 脂肪酸产量的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及厌氧发酵产酸技术领域，具体涉及一种负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法。

背景技术

[0002] 厌氧发酵是使废水污泥稳定化的最普遍的一种方法，虽然它有一定的缺点,如污泥降解速率比较缓慢，且要求反应器较大，但因其花费低、产生的生物量低、病源有机物去除率高、剩余的固体残渣可供土壤消纳等特点，几十年来这种处理方法一直比较普遍。

[0003] 厌氧发酵通常会被分为三个阶段，

[0004] 第一阶段为水解、酸化阶段，在微生物细胞外酶的作用下，固体有机物被转化为可溶于水的物质；

[0005] 第二阶段为产氢产乙酸阶段(又叫酸性衰退阶段)，专性产氢产乙酸菌对还原性有机物的氧化作用，生成H2、HCO3-、CH3COOH，同型产乙酸细菌将H2、HCO3-转化为CH3COOH；

[0006] 第三阶段为甲烷化阶段，起主导作用的产甲烷菌将酸化的产物H2、CO2、甲醇、甲酸、CH3COOH等分解成CO2和CH4。

[0007] 由于发酵产生的甲烷纯度不高(占70％左右)，提纯难度大、成本高，为了获得更多的挥发性脂肪酸，人们看中了厌氧发酵过程的第二阶段，若是能将发酵过程止步于第二阶段，便可提高挥发性脂肪酸的产量。使用发酵法处理餐厨废水，原料来源广，成本低廉使其具有巨大的发展潜力。但到目前为止，这项技术存在诸多问题，无法投入大规模生产，最大的问题就是尽管餐厨垃圾中有机物含量高，但产酸效率低下，产生的挥发酸浓度不高，种类多，分离成本高。其中原因之一是由于发酵系统内的产甲烷菌被灭活，产生的H2不能被产甲烷菌利用，导致氢分压过高，而在厌氧发酵过程中，水解过程和产酸过程对氢分压都很敏感，高的氢分压对水解产酸过程有抑制作用。

[0008] 虽然体系中仍有同型产乙酸菌可以利用H2和CO2生成乙酸，但效果很有限，达不到想要的效果，产酸的乙酸仅占总乙酸产量的5％左右。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，该工艺可以达到降低发酵罐顶空氢分压的目的(氢分压指的是氢气占整个体系中的比例乘上当前体系的压强。发酵罐顶空体积始终不会变，但体系的压强下降了，因而氢分压也会降低)，从而提高挥发性脂肪酸的产量及乙酸和丁酸的占比。

[0010] 为实现上述目的，本发明所设计一种负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，包括以下步骤：

[0011] 1)原料的获取

[0012] 对家庭或者餐厅的餐厨垃圾进行挤压、过滤处理，获得餐厨废水；

[0013] 2)污泥的获取

[0014] 取收集物并去除其中的污染物(如大颗粒杂质、细小的秸秆树枝等)，然后置于厌氧环境条件下发酵6～8天；得到前处理污泥；其中，所述收集物为污水处理厂的污泥、沼气池底部的活性污泥或猪粪与沼液的混合物；

[0015] 3)污泥的灭菌与培养

[0016] 将前处理污泥置于高压蒸汽灭菌锅中高温灭菌(以完全消灭污泥中甲烷菌等其他在高温条件下不能形成孢子的杂菌的活性)，待温度降至30℃条件后将pH调至5.0～5.5；添加培养基然后在温度为37℃水浴锅中加热培养；每两天加入一次培养基并调节pH至5～5.5，加入6次培养基后培养完毕，得到厌氧污泥；其中，所述培养基由以下配方制备而成：葡萄糖：10g/L；胰蛋白胨：4g/L；牛肉膏：2g/L；酵母汁：1g/L；L-半胱氨酸：0.5g/L；NaCl：4g/L；
MgCl2：0.1g/L；FeCl2：0.1g/L；K2HPO4：1.5g/L；维生素液：10mL/L和微量元素液：1mL/L；

[0017] 4)发酵

[0018] 按体积比3:4～6将厌氧污泥和餐厨废水置于发酵罐中，在使用N2排出发酵罐中的空气创造厌氧环境后，使用负压控制装置将发酵罐内的大气压降至0.02±0.005MPa，并将发酵罐置于水浴中进行厌氧发酵；发酵1天后，得到上清液；即为含有以乙酸和丁酸为主的挥发性脂肪酸(将全部上清液取出后，再加入相同体积的餐厨废水以保证水力停留时间为24h)，其中，挥发性脂肪酸中，乙酸、丙酸和丁酸含量分别为4500～6000mg/L，2000～
3500mg/L和3300～5800mg/L。

[0019] 进一步地，所述步骤3)中，维生素液由以下原料组成：生物素：2.0mg/L；硫胺素：5.0mg/L；盐酸吡哆醇：10mg/L；D-泛钙酸：5.0mg/L；硫辛酸5.0mg/L；叶酸：2.0mg/L；核黄素：
5.0mg/L；烟酸：5.0mg/L；对氨基苯甲酸：5.0mg/L；维生素B12：0.1mg/L。

[0020] 再进一步地，所述步骤3)中，微量元素由以下原料组成：NH4HCO3：5240mg/L；K2HPO4：125mg/L；MgCl2·6H2O：100；MnSO4·6H2O：15mg/L；FeSO4·7H2O：25mg/L；CuSO4·
5H2O：5mg/L；CoCl2·5H2O：0.125mg/L和NaHCO3：6720mg/L。

[0021] 再进一步地，所述步骤3)中，水浴锅的温度为37±0.2℃。

[0022] 再进一步地，所述步骤4)中，水浴锅的温度为37±0.2℃。

[0023] 本发明的原理

[0024] 利用负压控制餐厨废水厌氧发酵不仅使发酵更加稳定，而且可以有效提高挥发性脂肪酸的产率、乙酸和丁酸的占比。例如，水解阶段产生的中间产物(挥发酸、醇类等)在产氢产乙酸菌的作用下发生如下反应：

[0025] CH3CH2OH2(乙醇)+H2O→CH3COO-+H++2H2ΔGR＝+9.6kJ/mol

[0026] CH3CH2CH2COO-(丁酸)+2H2O→2CH3COO-+H++2H2ΔGR＝+48.1kJ/mol

[0027] CH3CH2COO-(丙酸)+3H2O→CH3COO-+HCO3-+H++3H2ΔGR＝+76.1kJ/mol

[0028] 由上述反应方程式可知，乙醇、丁酸和丙酸不能在标准条件下自发的降解，而且在反应的过程中，氢气的气体分压对反应平衡的影响起着重要的调控作用。只有当氢气被消耗，体系的氢分压降低到一定程度，上述反应的吉布斯自由能才会变为负值，这样反应才会自发进行。故人为降低氢分压可以使上述反应的吉布斯自由能变为负值，进而自发进行，同时，较低的氢分压还会抑制同型产乙酸反应，避免发酵过程中过多的氢气消耗。

[0029] 本发明的有益效果：

[0030] 本发明可以使挥发性脂肪酸的产量增加20％～50％，并且使乙酸、丙酸和丁酸在挥发性脂肪酸中的比例提高4％～10％。附图说明

[0031] 图1为负压发酵罐的结构图；

[0032] 图中，空气泵1、负压控制器2、发酵底物(餐厨废水)3、菌种混合物4、发酵罐5。

具体实施方式

[0033] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。

[0034] 如图1所述，负压发酵罐由5个部分组成，它包括空气泵1、负压控制器2和发酵罐5；发酵罐中按体积比装有发酵底物和厌氧污泥；发酵罐5的盖子开有3个孔，作用分别是：进出料孔、供负压控制器测量罐内气压用和空气泵抽气用。负压控制器2可以测量罐内的气压，若罐内气压高于负压控制器2的设定值，负压控制器2将会打开空气泵1的开关，继而空气泵
1会抽出发酵罐5内的气体，使发酵罐5的气压保持在设定值。在进行发酵前，需要进行菌种的获取、灭菌及其培养。在发酵时，首先将培养好的污泥接种到发酵罐内，根据预先设置好的接种比污泥4：餐厨废水3＝3:5(v：v)加入餐厨废水3，再用N2排尽发酵罐内的空气以创造厌氧环境，最后打开负压控制器开关进行发酵。在整个发酵过程中，发酵罐5需要放置在37℃的水浴锅中进行水浴加热，保证发酵持续进行负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，具体步骤如下：

[0035] 1)原料的获取

[0036] 将从食堂取来的餐厨垃圾进行过滤处理，获得餐厨废水；

[0037] 2)污泥的获取

[0038] 取新鲜的猪粪200g，然后加入1000mL发酵后的沼液，充分混合去除其中的污染物(如大颗粒杂质、细小的秸秆树枝等)，然后置于厌氧环境条件下发酵7天，得到前处理污泥；

[0039] 3)污泥的灭菌与培养

[0040] 将前处理污泥置于高压蒸汽灭菌锅中高温灭菌(以完全消灭污泥中甲烷菌等其他在高温条件下不能形成孢子的杂菌的活性)，待温度降至30℃条件后将pH调至5.0～5.5；添加培养基然后在温度为37℃水浴锅中加热培养；每两天加入一次培养基并调节pH至5～5.5，加入6次培养基后培养完毕，得到厌氧污泥；其中，所述培养基由以下配方制备而成：

[0041]

[0042] 注：维生素液(mg/L):生物素2.0；硫胺素5.0；盐酸吡哆醇10；D-泛钙酸5.0；硫辛酸5.0；叶酸2.0；核黄素5.0；烟酸5.0；对氨基苯甲酸5.0；维生素B12 0.1。

[0043] 微量元素液(mg/L):NH4HCO3：5240；K2HPO4:125；MgCl2·6H2O:100；MnSO4·6H2O:15；FeSO4·7H2O:25；CuSO4·5H2O:5；CoCl2·5H2O:0.125；NaHCO3:6720。

[0044] 4)发酵

[0045] 将300mL的厌氧污泥和500mL餐厨废水置于800mL发酵罐中，盖上密封盖，安装负压控制器和空气泵，厌氧发酵罐置于37℃恒温水浴锅中加热；在使用N2排出发酵罐中的空气创造厌氧环境后，着对负压控制器进行设置，将负压表示数设置成-80kPa，保证发酵罐气密性良好后打开负压控制器的开关，此时由于发酵罐内气压为1个标准大气压，故负压控制器会打开空气泵的开关，使其工作，空气泵持续抽出发酵罐内的气体，直至负压控制器的示数达到-80kPa；使用负压控制装置将发酵罐内的大气压降至0.02±0.005MPa，并将发酵罐置于水浴中进行厌氧发酵；发酵1天后，得到上清液；即为含有以乙酸和丁酸为主的挥发性脂肪酸，将全部上清液取出后，再加入相同体积的餐厨废水以保证水力停留时间为24h；并在后续整个发酵过程中会一直保持开启状态，不断抽出新产生的气体以使得发酵罐内的气压始维持在0.02MPa。

[0046] 5)经过测量后的数值如下表所示，顶空气压为0.02MPa条件下发酵所产生的挥发酸产量相比于常压条件增加了44.5％，增加的部分主要是丙酸和丁酸；其中丙酸增加了93.4％、丁酸增加了139.6％。顶空气压为0.02MPa条件下，乙酸和丁酸在产生的挥发性脂肪酸中为主要产物，占总酸产量的69.3％，可认为该发酵类型属于丁酸型发酵。

[0047]

[0048] 其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

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