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CN111440831B - 一种利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法及其应用 - Google Patents

一种利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法及其应用，该方法包括将收集来的餐厨垃圾粉碎成浆，获得厌氧发酵底物置于反应器中；加入污水厂浓缩污泥至反应器中作为接种污泥；将废弃的鸡蛋壳粉碎，在厌氧发酵样品中投加鸡蛋壳粉，然后去除氧气，密封反应器，搅拌将反应器内物质混合均匀，进行厌氧发酵产酸。本发明以餐厨垃圾作为原料通过厌氧发酵制取VFAs，可以同步实现餐厨垃圾以及鸡蛋壳等有机废弃物减量化和资源化(生产挥发性脂肪酸)，同时改善发酵残渣的脱水性能，为有机废弃物处理提供一种经济有效、绿色环保的方法。

Description

一种利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪 酸和脱水性能的方法及其应用
技术领域
本发明环境保护以及资源化技术领域，涉及一种促进餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸效能并改善发酵残渣的脱水性能的方法。
背景技术
随着城市化进程以及人民生活水平的提高，大量产生的餐厨垃圾等有机废弃物逐渐成为困扰城市环境质量的因素之一。据统计，2012年全球餐厨垃圾的产生量高达16亿吨，并且以每年4.4％速率继续增加。而在中国，餐厨垃圾的产生量目前以10％的速率在增加，占到城市固体有机废弃物的40-50％。一方面，餐厨垃圾的大量产生将带来影响市容、危害健康、传播疾病和污染水源和环境等一系列问题。另一方面，餐厨垃圾中大量的有机质如果能够有效利用回收也是一种潜在的资源。据预测，2020年中国餐厨垃圾的产生量将达到1.4亿吨，而其含有的能量相当于1000万吨煤的产电量。因此，餐厨垃圾具有巨大的资源回收潜力和环境经济效益。
通过厌氧发酵来实现对餐厨垃圾的处理是目前的研究热点之一。餐厨垃圾厌氧发酵可以形成挥发性脂肪酸(VFAs)和甲烷等能源物质。其中，挥发性脂肪酸(VFAs)作为厌氧发酵的中间产物，是生物合成塑料、微生物燃料电池的重要有机底物。另外，VFAs还可作为污水处理厂的有效碳源，以提高污水脱氮除磷的效率。因此，近年来，以餐厨垃圾等有机废弃物作为发酵底物高效制取VFAs获得了环境领域越来越广泛的关注。厌氧发酵产酸主要由功能微生物完成，因此其活性与活力决定了最终厌氧发酵的效能。但是，餐厨垃圾厌氧发酵往往会由于初始水解酸化导致系统pH的迅速降低，继而抑制发酵微生物的活性。通过化学药剂(如NaOH)在线调控不仅操作较为复杂，增加运行成本，而且还可能产生二次的环境污染，在一定程度上限制了其在实际工程中的大规模应用。
近年来，中国禽蛋产品消费需求持续快速增长，人均禽蛋在过去10年里增长了51％，达到人均占有22公斤。禽蛋食用完剩下的蛋壳一般作为废弃物丢弃，将产生一定的环境负荷。但是，截至目前，有关利用鸡蛋壳调控餐厨垃圾强化发酵产酸的研究还未见报道。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法，该方法能够有效解决餐厨垃圾厌氧发酵产酸过程中pH下降抑制微生物活性从而导致挥发性脂肪酸产率低下等问题，同时鸡蛋壳中富含的钙离子能够改善发酵物的脱水性能，降低发酵残余物的体积。
本发明能够同步实现餐厨垃圾的减量化和资源化(生产挥发性脂肪酸)，为有机废弃物处理提供一种经济有效的技术措施。
本发明还提供了利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法所生产的挥发性脂肪酸及其应用。
技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述的一种利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法，包括如下步骤：
(1)将收集来的餐厨垃圾粉碎成浆，获得厌氧发酵底物置于反应器中；
(2)加入污水厂浓缩污泥至反应器中作为接种污泥；
(3)将废弃的鸡蛋壳粉碎，在厌氧发酵底物中投加鸡蛋壳粉，然后去除氧气，密封反应器，搅拌将反应器内物质混合均匀，进行厌氧发酵产酸。
其中，步骤(1)所述餐厨垃圾为餐厨垃圾为固含量5-20％的餐厨垃圾。本发明中餐厨垃圾一般直接从餐厅或者食堂回收，主要以米饭为主，包括少量的菜如肉、蔬菜等然后粉碎成浆液，优选采用含固率10％左右的餐厨垃圾浆液，即每100mL餐厨垃圾浆液中约10g餐厨垃圾。
其中，步骤(2)所述接种污泥为污水厂二沉池浓缩污泥，按有机质含量计加入10-20％污水厂二沉池浓缩污泥，具体是指加入的污水厂二沉池浓缩污泥中的有机质的质量占污水厂二沉池浓缩污泥和餐厨垃圾中有机质的质量总和的10-20％；优选按有机质含量计加入10％污水厂二沉池浓缩污泥。
作为优选，步骤(3)所述鸡蛋壳粉的添加量为0.01～0.2g/g发酵底物和污泥的干重，废弃的鸡蛋壳只要常规粉碎即可。
作为优选，步骤(3)所述去除氧气为充氮驱氧。
作为优选，步骤(3)所述搅拌将反应器内体系物质混合均匀为180～200rpm搅拌。作为优选，步骤(3)所述进行厌氧发酵的发酵天数控制为4～7d，发酵温度控制在25℃-35℃；
本发明所述的利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法所生产的挥发性脂肪酸。
其中，所述挥发性脂肪酸包括乙酸和戊酸。
本发明所述的利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法所得到的脱水性能更优的发酵残渣。
本发明中利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵产VFAs和脱水性能的基本原理是：
鸡蛋壳中含有的大量碳酸钙(CaCO3)能够有效中和缓解餐厨垃圾厌氧发酵过程中的pH下降对发酵系统中厌氧发酵微生物的酸抑制作用；CaCO3与酸反应生成的CO2能够作为同型产乙酸菌的合成底物合成乙酸等VFAs，并缓解酸抑制效应；此外，鸡蛋壳中含有的铁、锰、锌等金属元素是厌氧微生物不可缺少的微量元素，能有效提高发酵微生物的酶活性和代谢活力，从而提高发酵过程中的水解酸化步骤，最终大幅提高VFAs的产量。同时，废弃鸡蛋壳释放的高浓度钙离子能够有利于溶解性有机物(如发酵底物的碳水化合物，蛋白质等构成的胞外聚合物EPS)的絮凝沉淀，鸡蛋壳粉本身可以作为“骨架”压缩释放发酵残渣中的吸附水，从而提高发酵残渣的脱水性能。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明以餐厨垃圾作为原料通过厌氧发酵制取VFAs，可以同步实现餐厨垃圾以及鸡蛋壳等有机废弃物减量化和资源化(生产挥发性脂肪酸)，同时改善发酵残渣的脱水性能，为有机废弃物处理提供一种经济有效、绿色环保的方法。
本发明蛋壳粉的投加能够显著提高餐厨垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸效率；能够显著改善发酵残渣的脱水性能。
本发明生产的VFAs是污泥厌氧发酵过程中一类重要的中间产物，其可作为合成油漆、涂料及化妆品等物质的原料，同时也是污水生物脱氮除磷必不可少的有机碳源，能够有效的弥补城市污水处理厂生物脱氮除磷工艺中有机碳源不足的缺陷。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)在工作容积为600mL血清瓶中，加入一定量的固含量10％的餐厨垃圾浆液作为发酵底物(150mL)，同时加入10％的(按有机质含量计)二沉池污泥混合作为接种污泥(污泥200mL，浓度20g干重/L)；
(2)向反应器中投加粉碎的鸡蛋壳粉的剂量为0.01g/g TSS(餐厨垃圾和污泥干重)，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌(180rpm)将发酵底物混合均匀后进行反应。其中控制发酵反应温度为35℃，发酵天数控制为4d，VFAs的最大含量为5345.5mgCOD/L，发酵残渣的毛细吸水时间(CST，评价脱水性能的重要指标之一)为820.4s。
实施例2
(1)在工作容积为600mL血清瓶中，加入一定量的固含量10％的餐厨垃圾浆液作为发酵底物(150mL)，同时加入10％的(按有机质含量计)二沉池污泥混合作为接种污泥(污泥200mL，浓度20g干重/L)；
(2)向反应器中投加鸡蛋壳粉的剂量为0.02g/g TSS，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌(180rpm)将发酵底物混合均匀后进行反应。其中控制发酵反应温度为35℃，发酵天数控制为6d，VFAs的最大含量为13860.0mg COD/L，发酵残渣的毛细吸水时间为670.4s。
实施例3
(1)在工作容积为600mL血清瓶中，加入一定量的固含量10％的餐厨垃圾浆液作为发酵底物(150mL)，同时加入10％的(按有机质含量计)二沉池污泥混合作为接种污泥(污泥200mL，浓度20g干重/L)；
(2)向反应器中投加鸡蛋壳粉的剂量为0.1g/g TSS，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌(180rpm)将发酵底物混合均匀后进行反应。其中控制发酵反应温度为35℃，发酵天数控制为7d，VFAs的最大含量为26890.5mg COD/L，发酵残渣的毛细吸水时间为189.5s。
实施例4
(1)在工作容积为600mL血清瓶中，加入一定量的固含量10％的餐厨垃圾浆液作为发酵底物(150mL)，同时加入10％的(按有机质含量计)二沉池污泥混合作为接种污泥(污泥200mL，浓度20g干重/L)；
(2)向反应器中投加鸡蛋壳粉的剂量为0.20g/g TSS，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌(180rpm)将发酵底物混合均匀后进行反应。其中控制发酵反应温度为35℃，发酵天数控制为5d，VFAs的最大含量为28120.8mg COD/L，发酵残渣的毛细吸水时间为169.0s。
实施例5
(1)在工作容积为600mL血清瓶中，加入一定量的固含量10％的餐厨垃圾浆液作为发酵底物(150mL)，同时加入10％的(按有机质含量计)二沉池污泥混合作为接种污泥(污泥200mL，浓度20g干重/L)；
(2)向反应器中投加鸡蛋壳粉的剂量为0.10g/g TSS，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌(180rpm)将发酵底物混合均匀后进行反应。其中控制发酵反应温度为25℃，发酵天数控制为7d，VFAs的最大含量为19508.2mg COD/L，发酵残渣的毛细吸水时间为208.5s。
实施例6
(1)在工作容积为600mL血清瓶中，加入一定量的固含量5％的餐厨垃圾浆液作为发酵底物，同时加入20％的(按有机质含量计)二沉池污泥混合作为接种污泥；
(2)向反应器中投加粉碎的鸡蛋壳粉的剂量为0.1g/g TSS，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌(200rpm)将发酵底物混合均匀后进行反应。其中控制发酵反应温度为30℃，发酵天数控制为5d，VFAs的最大含量为7256.5mg COD/L，发酵残渣的毛细吸水时间为190.2s。
实施例7
(1)在工作容积为600mL血清瓶中，加入一定量的固含量20％的餐厨垃圾浆液作为发酵底物，同时加入15％的(按有机质含量计)二沉池污泥混合作为接种污泥；
(2)向反应器中投加粉碎的鸡蛋壳粉的剂量为0.15g/g TSS，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌(200rpm)将发酵底物混合均匀后进行反应。其中控制发酵反应温度为30℃，发酵天数控制为6d，，VFAs的最大含量为38150.9mg COD/L，发酵残渣的毛细吸水时间为400.3s。
对比例1
(1)在工作容积为600mL血清瓶中，加入一定量的固含量10％的餐厨垃圾浆液作为发酵底物(150mL)，同时加入10％的(按有机质含量计)二沉池污泥混合作为接种污泥(污泥200mL，浓度20g干重/L)；
(2)反应器中不添加鸡蛋壳粉，将反应器充氮驱氧10min，密封反应器，利用机械搅拌(180rpm)将发酵底物混合均匀后进行反应。其中控制发酵反应温度为35℃，发酵天数控制为6d，VFAs的最大含量为2430.9mg COD/L，发酵残渣的毛细吸水时间为1108.3s。
实施例1-7以及对比例1的参数条件和结果如表1所示。
表1废弃鸡蛋壳调质对餐厨垃圾厌氧发酵产VFAs和脱水性能的影响
Figure BDA0002448128770000051
Figure BDA0002448128770000061
由此，可以明显看出，通过废弃蛋壳调质餐厨垃圾厌氧发酵，发酵产物VFAs的最大积累浓度和时间都显著提高。对比例1最大的VFAs积累量在第6d达到2430.9mg COD/L，但是在添加了0.02g鸡蛋壳/g TSS反应器中，VFAs积累量在第5d即达到11980.0mg COD/L，在第6d可以达到13860.0mg COD/L；而在添加了0.20g鸡蛋壳/g TSS反应器中，VFAs积累量在第5d可达到28120.8mg COD/L，是对比例1的11.5倍。此外，发酵温度也对废弃蛋壳调质餐厨垃圾厌氧发酵产酸产生影响。同样添加0.10g鸡蛋壳/g TSS反应器中，35℃发酵的VFAs浓度为26890.5mg COD/L，而25℃发酵的VFAs浓度为19508.2mg COD/L。同时，废弃蛋壳调质餐厨垃圾厌氧发酵还能提高发酵残渣的脱水性能，对比例1的毛细吸水时间高达1108.3s，而添加鸡蛋壳的显著降低，在0.20g/g TSS浓度条件下仅为169.0s。

Claims (5)

1.一种利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将收集来的餐厨垃圾粉碎成浆，获得厌氧发酵底物置于反应器中；
（2）加入污水厂浓缩污泥至反应器中作为接种污泥；
（3）将废弃的鸡蛋壳粉碎，在厌氧发酵底物中投加鸡蛋壳粉，然后去除氧气，密封反应器，搅拌将反应器内物质混合均匀，进行厌氧发酵产酸；
步骤（3）所述鸡蛋壳粉的添加量为0.01~0.2g/g发酵底物和污泥；步骤（3）所述进行厌氧发酵的发酵天数控制为4~7 d，发酵温度控制在25℃-35℃。
2.根据权利要求1所述的利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法，其特征在于，步骤（1）所述餐厨垃圾为固含量5-20%的餐厨垃圾。
3.根据权利要求1所述的利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法，其特征在于，步骤（2）所述接种污泥为污水厂二沉池浓缩污泥，按有机质含量计加入10-20%污水厂二沉池浓缩污泥。
4.根据权利要求1所述的利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法，其特征在于，步骤（3）所述去除氧气为充氮驱氧。
5.根据权利要求1所述的利用鸡蛋壳调质强化餐厨垃圾厌氧发酵生产挥发性脂肪酸和脱水性能的方法，其特征在于，步骤（3）所述搅拌将反应器内体系物质混合均匀为180~200rpm搅拌。
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