CN105668926A - 一种提高餐厨油脂水解并促进其厌氧消化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高餐厨油脂水解并促进其厌氧消化的方法,属于废水处理资源化利用、环保净化处理技术领域。本发明得到了脂肪酶水解餐厨油脂的最佳条件,并在此最佳条件下预处理含油餐厨废水,然后接入接种污泥,在厌氧环境中产甲烷。本发明提高了油脂水解效率和产甲烷效率,集可再生资源利用与污染治理于一体,具有重要的环境效益和较好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高餐厨油脂水解并促进其厌氧消化的方法,属于废水处理资源化利用、环保净化处理技术领域。
背景技术
随着我国社会经济的不断发展,我国餐饮业近10年来保持两位数的高速增长,根据国家***数据显示,2014年我国餐饮业收入超过2.7万亿元,占同年GDP总量的4.38%。餐饮业的快速发展为经济建设做出贡献的同时,也带来了一系列的环境问题,其中餐厨废水已经成为我国主要的污染源之一,其排放量约占城市生活污水排放量的3%。这些餐厨废水具有高盐分、高有机质浓度、极易腐败等特点,同时,由于食物烹饪过程中使用了大量的动植物油脂,所以餐厨废水中的油脂含量通常也较高。如果将其直接排入城市下水管道,油脂易在管道内壁凝结,引起堵塞;此外,根据餐厨废水的特性,厌氧消化处理的适用性及效果要优于好氧处理,但是油脂的水解速率远远低于碳水化合物和蛋白质,因此油脂会逐渐在厌氧***内积累导致污泥上浮,并形成泡沫浮渣层,影响厌氧反应器的正常运行。同时油脂水解产生的长链脂肪酸(LCFAs)会吸附在微生物细胞膜表面阻碍传质过程,抑制微生物活性,进而影响处理效率和***稳定性。
为解决上述问题,通常在生物处理前采用预处理方法对大部分油脂进行针对性去除,传统的预处理方法有加压气浮法、化学混凝法、热水解和酸/碱处理等。加压气浮法具有产生的污泥量少、油水分离效率高等优点,但其处理耗时长且能耗高;化学混凝法能去除乳化油等,但是混凝剂的选取较为复杂并且污泥产生量大,处理成本较高;热水解需将基质置于高温高压下,其能耗较大;而酸预处理通常采用硫酸或盐酸,对厌氧体系初始pH值的影响较大;碱法预处理对后续的厌氧过程有较好的促进作用,但更小尺寸的油脂颗粒易悬浮于污泥表面,不利于微生物对油脂的直接利用。
发明内容
为了克服上述问题,本发明提供了一种处理含油餐厨废水的方法,通过对含油餐厨废水进行脂肪酶预处理,显著促进了餐厨废水的厌氧消化,提高了产甲烷速率和甲烷含量。
本发明的第一个目的是提供一种提高含油餐厨废水厌氧发酵产甲烷的方法,是先对含油餐厨废水进行脂肪酶预处理,然后再进行厌氧消化处理。
在本发明的一种实施方式中,所述脂肪酶为华根霉(Rhizopuschinensis)脂肪酶,购自江南大学生物工程学院,其特性为:外观为白色粉末状,适宜的温度和pH范围分别为30~45℃和7.5~9.0;最适温度和pH条件下的酶活约为12500U/mL,脂肪酶活力是指在一定温度和一定pH条件下,水解甘油三酯每分钟生成1μmol脂肪酸的酶量。
在本发明的一种实施方式中,所述方法,是取含油餐厨废水,调节水油比为0.9(w/w)以上,按照占油含量0.30%~2.00%(w/w)的量添加脂肪酶,然后在35-50℃、pH范围为7.0~9.0的条件下进行预处理70~120h,然后再进行厌氧消化产甲烷。
在本发明的一种实施方式中,所述含油餐厨废水中油含量为3%(w/w)或3%以下。
在本发明的一种实施方式中,所述调节水油比的要求是:当餐厨废水水油比w/w低于0.9(w/w)时补加水,预处理结束后再进行厌氧消化产甲烷。
在本发明的一种实施方式中,所述预处理,具体条件是:酶用量占油含量的1.15%(w/w),水油比高于0.9(w/w),pH为8.0,温度为42.5℃,处理时间为120h。
在本发明的一种实施方式中,所述厌氧消化处理是接种污泥进行厌氧消化产甲烷。
在本发明的一种实施方式中,所述接种污泥为含有能够利用污泥中的物质转化生产甲烷的微生物的污泥。
在本发明的一种实施方式中,所述厌氧消化方式为37℃下序批式厌氧发酵产甲烷,厌氧发酵***接种比(底物/微生物,F/M)为1.5,采用磷酸缓冲液调节体系初始pH值为7.4~7.6。
在本发明的一种实施方式,所述含油餐厨废水的pH为3.5,悬浮固体浓度为15.8±0.43g/L,挥发性悬浮固体浓度为6.68±0.71g/L,淀粉含量为915.7±21.2mg/L,脂类浓度为4900±1300mg/L,粗蛋白为10000±200mg/L,COD为97500mg/L。
本发明的第二个目的是提供一种含有餐厨废水的油脂处理方法,是采用脂肪酶进行水解。
在本发明的一种实施方式中,所述脂肪酶为华根霉(Rhizopuschinensis)脂肪酶,来自江南大学生物工程学院,其特性为:外观为白色粉末状,适宜的温度和pH范围分别为30~45℃和7.5~9.0。
在本发明的一种实施方式中,所述方法,是取含油餐厨废水,调节水油比为0.9(w/w)以上,按照占油含量0.30%~2.00%(w/w)的量添加脂肪酶,然后在35-50℃、pH范围为7.0~9.0的条件下进行处理70h-120h。
在本发明的一种实施方式中,所述处理方法具体是:酶用量占油含量的1.15%(w/w),水油比高于0.9(w/w),pH为8.0,温度为42.5℃,处理时间为120h。
本发明所解决的技术问题是提供一种脂肪酶预处理餐厨油脂并促进其厌氧消化的方法。
本发明的有益效果:
本发明采用脂肪酶预处理的方法解决了油脂在厌氧处理过程中水解限速的问题,同时脂肪酶预处理同时具有水解效率高和环境相容性好的优点,减少了油脂水解时间,促进了油脂的产甲烷过程;脂肪酶作用于油水界面,可将甘油三酯催化水解为LCFAs和甘油,而LCFAs在产乙酸菌(β-氧化)和产甲烷菌的作用下转变成甲烷,甘油在磷酸基活化、酶促反应及厌氧微生物的作用下转变成甲烷。采用本发明的方法处理含油餐厨废水,相比于不含油的餐厨废水组,其累积甲烷产量提高了55.10%。
附图说明
图1油脂水解实验装置;
图2厌氧消化实验装置;
图3反应体系单位COD甲烷日产量和甲烷累积产量的变化。
具体实施方式
实施例1:含油餐厨废水的处理
在如图1所示的装置中,向锥形瓶中加入一定量的脂肪酶和磷酸缓冲液(0.05mol/L,以PO4 3-计),振荡使酶分散均匀,40℃下使酶活化30min,然后快速加入一定量的餐厨油脂,保鲜膜封口,置于恒温振荡水浴中(150rpm),反应开始。
其中,反应***中:调节水油比为0.9(w/w),按照占油脂0.30%(w/w)的量添加脂肪酶,然后在50℃、pH范围为7.0的条件下进行预处理120h,然后再进行厌氧消化产甲烷。结果显示油脂水解率为87.76%,相比于不含油餐厨废水组和含油废水组(不加酶进行预处理),本方法累积甲烷产量分别提高了52.2%、13%。
实施例2:含油餐厨废水的处理
采用与实施例1类似的方法:调节水油比为1(w/w),按照占油脂2.00%(w/w)的量添加脂肪酶,然后在35℃、pH范围为8.0的条件下进行预处理100h,然后再进行厌氧消化产甲烷。结果显示油脂水解率为88.12%,相比于不含油餐厨废水组和含油废水组(不加酶进行预处理),本方法累积甲烷产量分别提高了53%、14%。
实施例3:含油餐厨废水的处理
采用与实施例1类似的方法:
调节水油比为1.5(w/w),按照占油脂1.20%(w/w)的量添加脂肪酶,然后在45℃、pH范围为9.0的条件下进行预处理120h,然后再进行厌氧消化产甲烷。结果显示油脂水解率为89.03%,相比于不含油餐厨废水组和含油废水组(不加酶进行预处理),本方法累积甲烷产量分别提高了51%、13.8%。
此外,本发明还发现,当酶用量为0.06%,其他步骤与方案1完全一致时,油脂水解效率仅75%左右,甲烷产量比实施例1降低了约8%。而当水油比为0.1且其他步骤与方案1完全一致时,油脂水解效率仅65%左右,甲烷产量比实施例1降低了约10%。
实施例4:餐厨废水厌氧消化研究
本发明在酶用量为1.15%,pH为8.0,温度为42.5℃的预处理条件下对餐厨废水(取自苏州某餐厨公司的实际餐厨油脂和废水)进行预处理作为加酶组(含油脂和酶),并以餐厨废水组(不含油脂和酶)和含油废水组(不含酶)作为对照,分析酶促预处理对餐厨废水厌氧消化的影响。
装置如图2所示。实验分为三组:第一组为餐厨废水组(对照组),向500mL血清瓶中加入餐厨废(不含油脂和酶)水;第二组为含油废水组,在对照组的餐厨废水基础上加入油脂,使得餐厨废水中的含油量达到3%(实际餐厨废水提油后的含油量的最高值);第三组为加酶组,在第二组的基础上,加入相当于餐厨废水中油脂量1.15%的脂肪酶。调节三组废水初始pH值为8.0±0.1,并置于(42.5±0.5)℃的振荡水浴(150rpm)中,预处理24h。预处理后,向三组血清瓶中加入相应体积的接种污泥,使厌氧消化***的接种比(F/M)为1.5,并加水定容至400mL。调节反应体系初始pH值为7.4~7.6,发酵温度为(37.0±0.5)℃。
三组实验组的单位COD甲烷日产量及甲烷累积产量如图3所示。由图3(a)可知,反应初期,餐厨废水组的起始产甲烷速率明显高于含油废水组和加酶组,餐厨废水组在第3天达到产气高峰,甲烷产量为44.60mL/g·COD;而其它两组的第一次产气高峰均出现在第6天,甲烷产量分别为33.33和47.62mL/g·COD。这可能是因为含油废水组中未水解的油脂吸附在微生物表面影响了传质过程,而加酶组中由于预处理大量产生的LCFAs对产甲烷菌的活性有抑制作用,所以出现了第一次产气高峰均相对延后的现象。随着时间的延长,餐厨废水组的甲烷日产量逐渐降低,第19天后,日产量降至2.00mL/g·COD以下,产甲烷逐渐停止。而含油废水组和加酶组分别在第13天和第11天出现第二次产气高峰,日产量分别为35.23和56.93mL/g·COD,该过程主要表现为油脂在水解后的甲烷化。然而加酶组无论在产甲烷速率还是在产甲烷量方面,都比含油废水组表现突出,显示了脂肪酶预处理能够很好地提高油脂的产甲烷效率。
另一方面,从三组实验的累积产甲烷量看(图3(b)),反应前11天,由于含油废水组和加酶组中油脂与LCFAs的存在,两组的累积甲烷产量均低于餐厨废水组;而随着微生物对油脂的适应和降解,加酶组在第11天第二次产气高峰出现,其累积甲烷产量迅速超越餐厨废水组,而到第18天含油废水组的累积甲烷产量也高于餐厨废水组,却低于加酶组。反应最终,三组累积甲烷产量分别为368.86、499.47和572.12mL/g·COD;相比于餐厨废水组,含油废水组和加酶组的累积甲烷产量分别提高了35.41%和55.10%,而加酶组的累积产甲烷量则比含油废水组提高了14.56%。表明油脂具有很高的产甲烷潜力,并且脂肪酶预处理含油废水能提高甲烷产量。
Claims (10)
1.一种提高含油餐厨废水厌氧消化产甲烷的方法,其特征在于,所述方法是先对含油餐厨废水进行脂肪酶预处理,然后再进行厌氧消化处理。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法是取含油餐厨废水,调节水油比为0.9w/w以上,按照0.30%~2.00%w/w的量添加脂肪酶,然后在35-50℃、pH范围为7.0~9.0的条件下进行预处理70h-120h,然后再进行厌氧消化产甲烷。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法预处理的具体条件是:酶用量为油含量的1.15%w/w,水油比高于0.9,pH为8.0,温度为42.5℃,处理时间为120h。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述厌氧消化方式为37℃下序批式厌氧发酵产甲烷。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述脂肪酶为华根霉(Rhizopuschinensis)脂肪酶。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述调节水油比是:当餐厨废水水油比w/w低于0.9w/w时补加水,预处理结束后再进行厌氧消化产甲烷。
7.一种含有餐厨废水的油脂处理方法,是采用脂肪酶进行水解。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述脂肪酶为华根霉(Rhizopuschinensis)脂肪酶。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法,是取含油餐厨废水,调节水油比为0.9w/w以上,按照占油含量0.30%~2.00%w/w的量添加脂肪酶,然后在35-50℃、pH范围为7.0~9.0的条件下进行处理70h-120h。
10.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,酶用量占油含量的1.15%w/w,水油比高于0.9,pH为8.0,温度为42.5℃,处理时间为120h。
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