CN109336348A - 一种餐厨垃圾强化米曲霉产蛋白酶并促进剩余污泥厌氧共消化产沼气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提出了使用米曲霉诱导餐厨垃圾产蛋白酶与剩余污泥厌氧共消化的方法。能够在减小餐厨垃圾毒性的同时促使米曲霉产蛋白酶，并利用米曲霉发酵后的餐厨垃圾与剩余污泥厌氧共消化获得更大的有机物降解率，进而得到更多的生物燃气。米曲霉诱导餐厨垃圾产出的蛋白酶可以很大程度地分解厌氧共消化末端残留的大量蛋白质，还可以促进共消化初期的底物水解速率。使用米曲霉诱导餐厨垃圾产蛋白酶与剩余污泥厌氧共消化后，可以获得1818‑2017mL的气体增量，气体产率提高20.4‑22.6％；甲烷增量则为1546‑1743mL，甲烷产率提高28.3‑31.9％，从这个数据也可以得出米曲霉发酵后餐厨垃圾可以获得更高的甲烷产率。且COD、TS、VS等的降解率均有所提高。此方法操作方便、绿色环保，可以在共消化过程中最大限量的获得生物质能甲烷。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程领域，具体地说，是一种餐厨垃圾强化米曲霉产蛋白酶并促进剩余污泥厌氧共消化产沼气的方法。
背景技术
剩余污泥是污水处理的副产物。剩余污泥的组成主要有碳水化合物、蛋白质、腐植酸以及重金属，其中粗蛋白质含量占20％-60％，腐殖质含量为35％-50％不等。据统计，随着我国污水处理率的逐年提升，污泥产量也随之急剧提升。我国2017年城市剩余污泥产量达4500吨(含水率80％)，污泥处理成本占污水处理厂总运营成本的近50％。
厌氧消化产沼气是一种得到广泛应用的污泥处理技术，通过该技术污泥有机质可被转化为甲烷作为能源，实现污泥的资源化与能源化利用。污泥厌氧消化一般分为水解、产酸、产氢/乙酸及产甲烷四个步骤。然而，由于污泥中有机成分的复杂性，有机质水解是整个污泥厌氧消化产沼气的限速步骤。同时，污泥产甲烷转化率的高低也取决于这个步骤。为了提高污泥产沼气的效率以及转化率，目前针对厌氧消化采取了多种多样的强化措施，如(1)污泥预处理：通过物理、化学、生物强化的方法提高污泥中有机质的可生物利用率，降低抑制有毒有害成分的抑制效应，从而提高污泥产气效率；(2)污泥共消化：在污泥中添加餐厨垃圾以及其他易降解成分，改善污泥的碳氮比，提高污泥产气效率；(3)改善污泥厌氧发酵工艺条件：如调整污泥厌氧发酵温度、pH、优化反应器构型、接种优化菌种等等。
由于粗蛋白是剩余污泥中的主要组成成分，因此添加蛋白酶对污泥中的粗蛋白进行强化降解，提高水解效率的效率，从而增加污泥厌氧产沼气的效率，这是一种有效的污泥厌氧消化强化手段，也取得较好的效果。但是这一方法的难题在于蛋白酶来源于商业化的发酵产品，其售价昂贵，采用该方法将大幅度提升污泥产沼气成本。另一方面，共消化也已成为强化污泥厌氧消化产沼气的有效手段，但厌氧共消化的末端产物中仍然有大量未能被降解的蛋白质以及多糖，这使得厌氧共消化总体有机物降解率低，甲烷产率仍未能达到理想的状态。
发明内容
为了提高共消化污泥厌氧消化的底物降解率以及产气率，降低生物酶方法强化污泥厌氧消化产甲烷的成本，本发明提出了利用易腐的餐厨垃圾作为原料，培养米曲霉高产蛋白酶，然后将混合发酵产物和污泥进行厌氧共消化，一方面米曲霉利用餐厨垃圾作底物，可得到较高的蛋白酶浓度，关键是不必利用商品化的蛋白酶，大幅度降低了蛋白酶强化技术的成本。与此同时，餐厨垃圾在发酵得到米曲霉后，加入到污泥中进行共发酵，餐厨垃圾中的有机底物可有效改善污泥中的碳氮比以及底物可降解性。以上两种机制相结合是一种低成本、但非常有效的污泥厌氧消化产沼气的强化技术。
米曲霉是一种具有很强的产蛋白酶能力的好氧真菌，产生的蛋白酶能分泌到胞外。米曲霉多用于固态发酵，餐厨垃圾所含丰富的蛋白质可以诱使米曲霉生长发酵产生蛋白酶，此种方法简易可行，经济环保。
本发明方法是先将米曲霉CGMCC 3.4437种子先在察氏琼脂培养基中活化，使用种子培养基在适当温度下(比如30℃条件下)培养米曲霉并获得米曲霉孢子悬浮液。种子培养基为本领域常用培养基，比如可以是：蛋白胨10g；牛肉膏3g；Na Cl 5g；可溶性淀粉2g；p H为7.0-7.2，121℃灭菌20min。
在获得孢子悬浮液后，将米曲霉CGMCC 3.4437孢子悬浮液接种至餐厨垃圾中通过自身发酵产出蛋白酶，再将餐厨垃圾经米曲霉发酵后的混合物与剩余污泥进行共发酵。
具体操作方式为：将米曲霉CGMCC 3.4437以接种比为1％-2％(v/w)接种至餐厨垃圾培养基里进行好氧发酵，促进米曲霉固态发酵产蛋白酶。米曲霉好氧发酵时间为50-100h，优选70-85h，最优选84h。
米曲霉在餐厨垃圾中好氧发酵结束后，将米曲霉的发酵产物与剩余污泥以湿重比按1:1-1:1.5混合进行，并加入接种污泥，接种污泥与共发酵底物的比例为1：1-1：4进行厌氧共消化。
本发明方法所使用的餐厨垃圾的成分主要有：脂肪、蛋白质、多糖，其中多糖含量占20-50％，蛋白质含量占15-21％，脂肪含量占干物质的25-27％。剩余污泥取主要成分为蛋白质、多糖，蛋白质含量占10-20％，多糖含量占20-30％。接种污泥主要成分为蛋白质、多糖以及杂质，蛋白质占3-10％，多糖占5-15％。
本发明的有益效果：
1、餐厨垃圾进行固态发酵后，残留的有机易降解底物和剩余污泥共发酵时，可有效改善剩余污泥的有机物组成，达到共消化的效果，可提高沼气的产气效率和有机质的转化率。
2、餐厨垃圾经米曲霉发酵后，产生了大量的蛋白酶，这些蛋白酶可促进剩余污泥中的难降解成分降解，提高剩余污泥厌氧发酵产沼气的效果。其中污泥沼气产率可增加20.4-22.6％，甲烷产率可增加28.3-31.9％。有机质转化率提高了32％。
3、本发明利用廉价的餐厨垃圾产生蛋白酶，一方面促进剩余污泥厌氧共消化产沼气，同时也是一种处理餐厨垃圾的有效方法。同时，该方法还可以解决生物污泥蛋白酶强化产沼气的高成本问题。
附图说明
图1：厌氧消化工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例用来具体说明本发明的技术内容，但并不构成对本发明的限制。
物料性质及实验条件
米曲霉好氧发酵反应在250mL的锥形瓶中进行，最高能获得的蛋白水解酶活可高达6648±100U/g。厌氧消化反应在1000mL的锥形瓶中进行。锥形瓶主要有上侧的集气口以及下侧的出料口。温度设置37℃，每隔24h出料，搅拌方式为恒温摇床固定转速搅拌。
具体实施方式中的餐厨垃圾选自江苏某高校食堂，其性质见表1。
表1餐厨垃圾性质
具体实施方式中的剩余污泥取自无锡市某污水处理厂，其性质见表2。
表2剩余污泥性质
具体实施方式中的接种污泥取自江苏省无锡市某废水加工厂，其性质见表3(余量为水)。
表3接种污泥性质
实例1
步骤1：在250mL的锥形瓶中加入20g餐厨垃圾，并加入20mL蒸馏水，接种1％(v/w)约1×104个/mL孢子数的米曲霉悬浮液；
步骤2：温度值设置为30℃，底物pH调节为7.5；
步骤3：好氧发酵84h取出米曲霉发酵后的餐厨垃圾，将其与剩余污泥湿重比1：2混合，混合物质量为400g；
步骤4：将接种污泥以1:1(w:w)比例添加至步骤3的混合物中，置于恒温振荡摇床；
步骤5：恒温振荡摇床设置温度为37℃，转速110rpm厌氧消化。在此过程测定每日沼气产量和甲烷含量，以及混合底物有机质降解情况。
实例2
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(3)所述的将其与剩余污泥湿重比1：2混合改为将其与剩余污泥湿重比1：1混合；
实例3
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(4)所述的接种污泥以1:4比例添加至步骤3混合物中；
实例4
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(4)所述的接种污泥以1:2比例添加至步骤3混合物中；
比较例1
本比较例与实施例1的区别在于，步骤1、步骤2、步骤3所得的米曲霉发酵后餐厨垃圾改为餐厨垃圾；
比较例2
步骤1：取污水厂剩余污泥(含水率调节至92.5％)400g，置于1000mL锥形瓶；
步骤2：取接种污泥(含水率调至92.5％)200g，置于1000mL锥形瓶；
步骤3：置于恒温震荡摇床，设置温度为37℃，转速110rpm进行厌氧消化。
比较例3
本比较例与比较例1的区别在于，步骤(2)所述的接种污泥为400g；
表4比较各个实施例甲烷产量、甲烷含量及指标降解率
Claims (6)
1.一种餐厨垃圾强化米曲霉产蛋白酶并促进剩余污泥厌氧共消化产沼气的方法，其特征在于，所述方法是将米曲霉CGMCC 3.4437孢子悬浮液接种至餐厨垃圾中通过自身发酵产出蛋白酶，再将经米曲霉发酵后的餐厨垃圾与剩余污泥进行共发酵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将米曲霉CGMCC 3.4437以接种比为1％-2％(v/w)接种至餐厨垃圾培养基里进行好氧发酵，促进米曲霉固态发酵产蛋白酶。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，米曲霉在餐厨垃圾中好氧发酵结束后，将米曲霉的发酵产物与剩余污泥以湿重比按1:1-1:1.5混合进行，并加入接种污泥，接种污泥与共发酵底物的比例为1：1-1：4进行厌氧共消化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述餐厨垃圾的成分主要有：脂肪、蛋白质、多糖，其中多糖含量占20-50％，蛋白质含量占15-21％，脂肪含量占干物质的25-27％。剩余污泥取自无锡市某污水处理厂，主要成分为蛋白质、多糖，蛋白质含量占10-20％，多糖含量占20-30％。接种污泥取自无锡市某废水处理厂，主要成分为蛋白质、多糖以及杂质，蛋白质占3-10％，多糖占5-15％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，剩余污泥主要成分为蛋白质、多糖，蛋白质质量含量占10-20％，多糖质量含量占20-30％，余量为水。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接种污泥主要成分为蛋白质、多糖以及杂质，蛋白质质量含量为3-10％，多糖质量含量为5-15％，余量为水。
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