CN112979355B - 一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法，属于固体废弃物处理领域。该方法利用自制的高活性复合水解酶(Fungal mash)超快速水解餐厨垃圾，整个水解过程只需要8小时，水解产物经过简单的固液分离后，水解固体可直接作为有机肥，而水解液富含小分子有机物通过厌氧消化快速(3天)转化为生物甲烷，最终实现零固体排放。该方法克服了传统餐厨垃圾预处理(热处理和化学处理等)能耗高，易产生抑制物质和二次污染等缺点，也解决了商业酶成本高和效率低的问题。与传统的餐厨垃圾厌氧消化技术相比，该方法能够同时实现生物甲烷和有机肥回收而达到零固体排放的目的，具有成本低，反应周期短，占地面积小和无残渣排放等优势。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法。
背景技术
随着我国人口的增长和经济的快速发展，餐厨垃圾的产量急剧增加，处理处置形势日益严峻。目前，焚烧和填埋是餐厨垃圾的主要处置方式。然而，焚烧能耗高，易产生有毒有害气体，且焚烧灰需要填埋处置，而目前用于填埋的土地极其有限，所以焚烧和填埋并不是一种环境友好的餐厨垃圾处置方式。餐厨垃圾富含有机质和营养元素，能够用于能源和资源回收。在众多的处理方法中，厌氧消化回收甲烷因其简单、高效的工艺特点，清洁、环保的技术理念及对节能减排的突出贡献被认为是一种高效的餐厨垃圾资源化利用途径。然而，由于餐厨垃圾的成分极其复杂(包括油脂，淀粉，纤维素和蛋白质等)，水解效率较低，只有大约40-60％的有机质能够转换为甲烷，剩余的餐厨垃圾仍然需要进行焚烧和填埋处置。合适的预处理能够极大地促进餐厨垃圾水解，缩短厌氧发酵时间，提高甲烷产率和减少固体残渣的排放。一些预处理方法例如热处理和化学处理已经用于提高餐厨垃圾的水解效率和甲烷产率。LiYangyang利用加热的方法对餐厨垃圾进行预处理，提高了餐厨垃圾中溶解有机质的浓度，最终甲烷产率提高了接近2倍。然而热预处理方法能耗较高，且容易生成难降解的有机物，这也导致了整个厌氧消化反应周期仍然需要30天左右。ChenLinyi利用化学碱对餐厨垃圾进行预处理，预处理后餐厨垃圾的溶解有机质浓度提高了66％，最终甲烷产率提高了接近1.5倍。然而化学预处理由于连续投加化学药剂导致预处理成本过高，且容易引起二次污染。酶预处理被认为是一种绿色和环境友好的预处理方法用于提高餐厨垃圾的产气效率。相比于传统的热处理和化学处理方法，酶预处理具有低能耗，无化学药剂添加，无难降解物质生成和运行简单等优势。目前，一些商业酶已经用于提高餐厨垃圾的水解效率。ZhangCunsheng利用商业酶alpha淀粉酶和葡萄糖淀粉酶对餐厨垃圾进行预处理以提高糖化率，最终还原糖产率提高了7.3倍。然而商业酶预处理仍然被一些因素限制，如成本过高，且商业酶一般以单一的形式存在，很难对成分复杂的餐厨垃圾实现完全水解。除了以上的瓶颈之外，目前的餐厨垃圾厌氧消化技术存在的另一个难题是餐厨垃圾厌氧消化后会产生大量的沼渣沼液，而厌氧消化后的沼渣沼液由于病原菌和重金属的存在很难被应用于农业，仍然需要后续的焚烧或者填埋处置，造成了氮磷等资源的浪费。
总之，目前餐厨垃圾厌氧消化存在反应周期长、预处理效率低和成本高，沼渣沼液难处置等问题，制约着餐厨垃圾厌氧消化技术的大规模产业化。
发明内容
本发明针对现有的餐厨垃圾厌氧消化技术存在反应周期长，预处理效率低和成本高，易产生二次污染以及残渣处理难等问题，提供一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法，该方法包括以下步骤：
S1、除去餐厨垃圾中非食品杂质；
S2、将步骤S1中得到的餐厨垃圾进行破碎；
S3、将步骤S2中得到餐厨垃圾称重得到一定克数放入第一容量锥形瓶进行灭菌备用；
S4、将步骤S3中得到灭菌后的餐厨垃圾作为基质接种一定量的泡盛曲霉(Aspergillusawamori)在一定温度下进行培养制备复合水解酶(Fungalmash)；
S5、将步骤S4得到的复合水解酶和一定量步骤S2中得到的餐厨垃圾混合置于1000ml的锥形瓶中，得到混合物；
S6、将步骤S5得到的混合物在一定的温度下，边加热边搅拌反应数小时，得到水解产物；
S7、将步骤S6制备的水解产物经离心分离得到淡黄色、澄清、透明的水解液和灰黑色的水解固体，该水解固体即有机肥；
S8、将步骤S7得到的水解液作为基质接种一定量的厌氧污泥在厌氧条件和一定的温度下，边加热边搅拌发酵数天，得到最终的发酵产物，该发酵产物即生物甲烷。
进一步地，所述步骤S1中将收集到的餐厨垃圾进行手动分拣，然后将分拣后的餐厨垃圾经普通家用破碎机破碎至直径为2-5mm。
进一步地，将所述步骤S2中得到的餐厨垃圾称重10g(干重)放入250ml的第一容量锥形瓶在121℃下灭菌15分钟备用。
进一步地，向所述步骤S3中得到的餐厨垃圾中接种5-15％v/g的泡盛曲霉菌液(即0.05-0.15mL/g干重,相当于每克干重的餐厨垃圾接种0.5-1.5×106真菌孢子)，放入培养箱中生产复合水解酶，培养时间为6-8天，培养温度为30℃，氧气含量为21-60％,湿度为50％-80％,餐厨垃圾原始的pH＝5.5，含水率为80％。
进一步地，取所述步骤S4中得到的复合水解酶2-5g(干重)和步骤S2中得到的餐厨垃圾100g(干重)放入1000ml的第二容量锥形瓶中进行水解反应，水解时间为6-12小时，水解温度40-70℃，搅拌速度0-200rpm。
进一步地，将所述步骤S6中的混合水解产物在10000r/min的条件下离心5分钟进行固液分离，得到水解液和水解固体。
进一步地，取所述步骤S7中的水解液100ml作为基质接种厌氧污泥制备生物甲烷，培养温度37℃，厌氧条件下反应时间2-5天，搅拌速度0-200rpm，水解液与接种物的投加比例(VS/VS)为1:(0.5-3)。
进一步地，所述非食品杂质包括陶瓷、金属和塑料。
进一步地，所述水解液为淡黄色、澄清、透明的液体，所述水解固体为灰黑色的固体。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明利用自制的廉价高活性复合水解酶(Fungalmash)超快速水解餐厨垃圾，克服了传统餐厨垃圾热和化学预处理能耗高，易产生抑制物质和引起二次污染等缺点，也解决了商业酶作为预处理方法成本高和效率低的问题。此外，与传统的餐厨垃圾厌氧消化技术相比，该方法能够同时实现生物甲烷和有机肥回收，最终达到餐厨垃圾的100％资源化而实现零固体排放，具有成本低，反应周期短，占地面积小和无残渣排放等优势，是一种非常有前景的餐厨垃圾管理方式。
附图说明
图1是本发明公开的一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先进行复合水解酶发酵底物制备，过程如下：
将收集到的餐厨垃圾手动分拣后，经普通家用破碎机破碎至直径为2-5mm，然后取破碎的餐厨垃圾10g(干重)放入若干个250ml锥形瓶进行灭菌备用。灭菌温度121℃，灭菌时间15分钟。
下面实施例1-9为复合水解酶发酵实施例，实施例11-18和对比例1为餐厨垃圾水解实施例，实施例19-25为水解液厌氧消化实施例。
实施例1
以10％的接种比例向上述得到的餐厨垃圾发酵底物中接种泡盛曲霉(Aspergillusawamori)菌液，放入培养箱中生产复合水解酶(Fungalmash)，培养时间为7天，培养温度30℃，氧气含量50％,湿度70％,餐厨垃圾原始的pH＝5.5，含水率为80％。此时测得复合水解酶中葡萄糖淀粉酶的活性为270U/g(干重)。
实施例2-9
条件及结果如下表1所示，其余条件和步骤同实施例1
表1.实施条件以及结果对比表
实施例10
将制备的复合水解酶3g(干重，即810U的酶活)和破碎后的餐厨垃圾100g(干重)放入1000ml锥形瓶中进行水解，水解时间为8小时，水解温度60℃，搅拌速度100rpm。然后将所得到的混合水解产物在10000r/min的条件下离心5分钟进行固液分离。最终的得到溶解COD为176g/L的水解液体和固态有机肥。
对比例1
将同等酶活的商业葡萄糖淀粉酶和破碎后的餐厨垃圾100g(干重)放入1000ml锥形瓶中进行水解，水解时间为8小时，水解温度60℃，搅拌速度100rpm。其余步骤同实施例10。最终的得到溶解COD为152g/L的水解液体和固态有机肥。
从实施例10和对比例1可以看出，相比于商业葡萄糖淀粉酶，本发明研发的以餐厨垃圾为底物制备的复合水解酶具有更好的餐厨垃圾水解效果，这可能是因为实施例10利用餐厨垃圾为原料自制的复合水解酶中除了包含270U/g的葡萄糖淀粉酶外，还包含10U/g的淀粉酶，22U/g的纤维素酶和25U/g的蛋白酶，说明本发明自制的复合水解酶比商业酶更适合水解成分复杂的餐厨垃圾，且降低了预处理成本。
实施例11-18
条件及结果如下表2所示，其余条件和步骤同实施例10
表2.实施条件以及结果对比表
此外，实施例10生产的固态有机肥的参数见表3。
表3.固态有机肥的特征表
实施例19
取得到的水解液体100ml作为基质用于制备生物甲烷，发酵温度37℃，厌氧条件下发酵时间3天，搅拌速度100rpm，水解液与接种物的投加比例(VS/VS)为1:2。最终的得到的甲烷产率为316ml/g溶解COD。
实施例20-25
条件及结果如下表4所示，其余条件和步骤同实施例19
表4.实施条件以及结果对比表
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、除去餐厨垃圾中非食品杂质；
S2、将步骤S1中得到的餐厨垃圾进行破碎；
S3、将步骤S2中得到餐厨垃圾称重得到一定克数放入第一容量锥形瓶进行灭菌备用；
S4、向步骤S3中得到的餐厨垃圾中接种10％v/g的泡盛曲霉菌液，放入培养箱中生产复合水解酶，培养时间为7天，培养温度为30℃，氧气含量为50-60％,湿度为70％,餐厨垃圾原始的pH＝5.5，含水率为80％；
S5、将步骤S4得到的复合水解酶3g和步骤S2中得到的餐厨垃圾100g混合置于1000ml的第二容量锥形瓶中进行水解反应，水解时间为8小时，水解温度60℃，搅拌速度100rpm，得到水解产物；
S6、将步骤S5制备的水解产物经离心分离得到水解液和水解固体，所述水解固体即有机肥；
S7、取步骤S6中的水解液100ml作为基质接种厌氧污泥制备生物甲烷，发酵温度37℃，厌氧条件下发酵时间3-5天，搅拌速度100rpm，水解液与接种物的投加比例为1:2。
2.根据权利要求1所述的一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法，其特征在于，所述步骤S1中将收集到的餐厨垃圾进行手动分拣，然后将分拣后的餐厨垃圾经普通家用破碎机破碎至直径为2-5mm。
3.根据权利要求1所述的一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法，其特征在于，将所述步骤S2中得到的餐厨垃圾称重10g放入250ml的第一容量锥形瓶在121℃下灭菌15分钟备用。
4.根据权利要求1所述的一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法，其特征在于，将所述步骤S5中的混合水解产物在10000r/min的条件下离心5分钟进行固液分离，得到水解液和水解固体。
5.根据权利要求1所述的一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法，其特征在于，所述非食品杂质包括陶瓷、金属和塑料。
6.根据权利要求1所述的一种利用自制复合水解酶处理餐厨垃圾的方法，其特征在于，所述水解液为淡黄色、澄清、透明的液体，所述水解固体为灰黑色的固体。
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