CN117263729A - 一种强化厨余垃圾自升温好氧消化制备有机液体肥的添加剂及使用方法 - Google Patents
一种强化厨余垃圾自升温好氧消化制备有机液体肥的添加剂及使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及生物质固体废弃物处理处置技术领域，特别是涉及一种强化厨余垃圾自升温好氧消化制备有机液体肥的添加剂及使用方法。按质量百分数计，添加剂的原料包括20‑30％消旋酶；20‑30％多酚氧化酶；10‑20％蛋白酶；10‑15％果胶酶和10‑20％纤维素酶；5‑10％MnO2。本发明通过在分拣破碎研磨后的厨余垃圾原始浆液中投加添加剂，利用自升温好氧消化技术进行处理，可大幅提高厨余垃圾中的有机物的水解、转化效率及其腐殖化过程，从而形成可利用的有机液体肥，具有占地面积小、稳定化效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及生物质固体废弃物处理处置技术领域，特别是涉及一种强化厨余垃圾自升温好氧消化制备有机液体肥的添加剂及使用方法。
背景技术
厨余垃圾是城市生活垃圾的一种，是居民社区、食品生产加工业和餐饮业在生活或生产过程中所产生的有机废弃物。厨余垃圾包括家庭厨余垃圾、餐厨垃圾和其他厨余垃圾(农贸市场等)。厨余垃圾在城市生活垃圾中的占比高达50％～60％。厨余垃圾的资源化和无害化越来越被重视。因此，急需适宜的无害化、资源化和规模化的厨余垃圾处理技术。
目前，厨余垃圾资源化处理的主流技术为厌氧消化、好氧堆肥和饲料法等，而其他如昆虫饲养和高值化利用等资源化技术，都因技术不成熟、成本较高和缺乏大规模、稳定的工业应用能力而无法得到广泛推广和应用。厌氧消化和好氧堆肥均有良好的资源化属性，并且在技术、经济上可互相补充。但从总体上来看，现有厨余垃圾的厌氧消化及好氧堆肥过程存在的反应周期长、占地面积大、氮素损失多、臭气和渗滤液的二次污染等问题，限制了其工业应用与推广。因此，针对上述问题，现有市场上需要一种占地面积小且稳定化效率高的方法对厨余垃圾进行资源化利用。
发明内容
基于上述内容，本发明提供一种强化厨余垃圾自升温好氧消化制备有机液体肥的添加剂(简称：添加剂)及使用方法，本发明通过在分拣破碎研磨后的厨余垃圾原始浆液中投加添加剂，利用自升温好氧消化技术进行处理，可大幅提高厨余垃圾中的有机物的水解、转化效率及其腐殖化过程，从而形成可利用的有机液体肥，具有占地面积小、稳定化效率高的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明技术方案之一，一种添加剂，按质量百分数计，原料包括20-30％消旋酶、20-30％多酚氧化酶、10-20％蛋白酶、10-15％果胶酶、10-20％纤维素酶和5-10％MnO2。
本发明技术方案之二，上述的添加剂在厨余垃圾自升温好氧消化中的应用。
本发明技术方案之三，一种强化厨余垃圾自升温好氧消化性能的方法，通过添加上述的添加剂来强化厨余垃圾自升温好氧消化性能。
本发明技术方案之四，根据上述的强化厨余垃圾自升温好氧消化性能的方法制备得到的发酵液。
本发明技术方案之五，一种有机液态肥，原料包括上述的发酵液。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明添加剂原料组成合理，通过使用本发明的添加剂，可以缩短厨余垃圾的稳定化时间，提高有机液体肥中腐殖质浓度，大大改善厨余垃圾通过自升温好氧消化制备有机液体肥的效能。
(2)本发明具有操作简单、反应周期短、占地面积小和残渣排放少等优势，是一种非常有潜力和前景的厨余垃圾资源化处置方式。
(3)本发明通过投加多种酶和二氧化锰组合形成的添加剂，能够实现组分复杂的城市厨余垃圾自升温好氧消化过程中有机物的快速水解、转化及腐殖质的生成，提供一种绿色、高效的厨余垃圾制备有机液体肥的方法。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明一方面提供一种添加剂，按质量百分数计，原料包括20-30％消旋酶；20-30％多酚氧化酶；10-20％蛋白酶；10-15％果胶酶和10-20％纤维素酶；5-10％MnO2。
本发明中的水解酶(包括蛋白酶、果胶酶和纤维素酶)，主要功能是促进厨余垃圾浆液中的有机组分进行水解，其产物作为美拉德反应的底物，其含量在整个添加剂中的占比较高，综合考虑成本问题，本发明采用上述百分比。
对于本发明中的消旋酶，作为本发明的重要创新点，厨余垃圾中干物质含量一般在35％左右，而其中蛋白质的含量在20％～40％，蛋白质水解产生多种氨基酸，其中氨基酸还包括D-型和L-型两种，而消旋酶作为一种异构酶，可以催化底物产生消旋化，使占主要组分的L-氨基酸部分转化为D-氨基酸，所以需要较高含量的消旋酶，综合考虑成本问题，本发明优选地限定消旋酶的添加量为上述百分比。
多酚氧化酶主要是能使厨余垃圾浆液水解产物中的一元酚和二元酚等氧化产生醌，成为腐殖质生成的前体物。其在腐殖质生成过程中起到非常关键的作用，所以也需要较高的含量。综合考虑成本问题，本发明优选地限定多酚氧化酶的添加量为上述百分比。
另外，本发明中的MnO2可以通过促进糖和胺基类物质发生美拉德反应而促进腐殖酸的生成，在该反应过程中起到催化剂的作用，综合考虑其实际作用效果与成本，本发明限定采用上述的投加浓度；美拉德反应是腐殖酸生成的主导反应，如果投加过量MnO2，其会导致美拉德反应产生其他副产物而降低腐殖酸的生成效率。
在本发明优选的实施方式中，所述蛋白酶包括碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶；所述碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶的质量比为1:1；
所述纤维素酶包括外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶中的至少一种；优选的，所述外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的质量比为1:1:1。
本发明另一方面提供上述的添加剂在厨余垃圾自升温好氧消化中的应用。
本发明添加剂中的水解酶(蛋白酶、果胶酶、纤维素酶)，可以加快厨余垃圾中的蛋白质和糖类化合物释放至液相中，促使还原糖和氨基酸这两类腐殖质前体物的产生，增强反应体系美拉德反应和多酚腐殖化途径；接着，体系中的胞内多糖化合物和胞外游离的有机碳化合物在氧化酶的作用下，被微生物转化为酚类，酚类在多酚氧化酶的作用下转化成醌类和酮酸，再与氨基酸化合物进行反应，缩合成多环体系，即富里酸，最后聚合成胡敏酸和腐殖质；这其中，多酚氧化酶的添加，可以大大提高后续制备有机液体肥中的腐殖质含量；添加的果胶酶可以协同纤维素酶共同破解植物细胞壁，增强植物纤维的生物转化过程，提高厨余垃圾的腐殖化程度。纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称，不是单体酶，主要由外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和/或β-葡萄糖苷酶等组成。
本发明添加剂中的少量MnO2可以通过促进糖和胺基类物质反应而促进腐殖酸的生成，而过量MnO2会导致美拉德反应产生其他副产物而影响腐殖酸的产生，因为美拉德反应是腐殖酸生成的主导反应。
蛋白质水解能够产生氨基酸，而氨基酸发酵可产生挥发性脂肪酸(VFA)，但在氨基酸发酵过程中，D-氨基酸的VFA产量远低于相应的L-氨基酸。此外，生物界各种蛋白质除一些细菌的细胞壁中的短肽和个别抗生素外几乎都是由L-氨基酸所构成，含D-氨基酸极少。本发明添加剂中的消旋酶，可使厨余垃圾中的蛋白质水解产物中的部分L-氨基酸转化为D-氨基酸，降低氨基酸转化为VFA的路径，增强氨基酸与醌类和酮酸物质的反应，促使反应体系往腐殖化方向进行。
本发明另一方面提供一种强化厨余垃圾自升温好氧消化性能的方法，通过添加上述的添加剂来强化厨余垃圾自升温好氧消化性能。
在本发明优选的实施方式中，包括以下步骤：
将厨余垃圾分拣破碎研磨成浆液；
向所述浆液中加入上述的添加剂，混合均匀，之后接种好氧颗粒污泥，进行自升温好氧消化反应；反应结束得到发酵液。
为了保证添加剂用量的准确性以及添加时操作的方便性，可以先将添加剂溶解到水中配制成添加剂的母液(添加剂的母液中添加剂的浓度为30～50g/L)，再将添加剂的母液添加到厨余垃圾研磨成的浆液中。
在本发明优选的实施方式中，所述浆液的粒径小于45目；所述浆液中干物质的浓度为8-12wt％。
在本发明优选的实施方式中，所述添加剂与所述浆液中干物质的质量比为1-5:1000；所述好氧颗粒污泥的接种量为所述浆液体积的5-10％(v/v)，即好氧颗粒污泥的体积占浆液体积的5-10％。
在本发明优选的实施方式中，所述自升温好氧消化反应的pH为7-8，曝气量为200-250ml空气/(min·kg厨余垃圾浆液干重)。
在本发明优选的实施方式中，所述混合均匀具体为：在120-200rmp的条件下，搅拌1-2min，然后在50-100rmp的条件下，搅拌1-2h。
本发明限定先快速搅拌后慢速搅拌的原因是：在开始时候快速搅拌，使添加剂瞬间、快速、充分、均匀地分散到浆液中，要求水流紊动剧烈并快速完成，避免添加剂分散不均匀，造成局部药剂浓度过高。后续是添加剂与底物的反应过程，要求搅拌强度降低，时间变长，使添加剂与底物反应充分。
本发明另一方面提供根据上述的强化厨余垃圾自升温好氧消化性能的方法制备得到的发酵液。
本发明另一方面还提供一种有机液态肥，原料包括上述的发酵液。
为了提高有机液态肥的肥效，本领域技术人员可以选择向所述发酵液中添加本领域常用的其他营养元素。
本发明实施例中所用原材料，如无特殊说明，均可通过购买途径获得。
本发明以下实施例及对比例采用的酶均为商购所得，酶活力见表1。
表1
| 酶的品种 | 酶活力(U/g) |
| 碱性蛋白酶 | 200000 |
| 木瓜蛋白酶 | 500000 |
| 消旋酶 | 3000 |
| 外切β-葡聚糖酶 | 50000 |
| 内切β-葡聚糖酶 | 40000 |
| β-葡萄糖苷酶 | 20000 |
| 多酚氧化酶 | 1000 |
| 果胶酶 | 1000 |
本发明以下实施例及对比例采用的厨余垃圾为上海市松江区某垃圾焚烧厂取得。
本发明以下实施例及对比例，根据实际情况，采用盐酸或氢氧化钠调节pH。
本发明实施例及对比例中所用的纤维素酶具体为外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶质量比为1:1:1的混合物。
本发明实施例及对比例中所用好氧颗粒污泥的浓度在5000-8000mg/L之间，粒径在200μm-8μm之间，沉淀速率约在10～42m/h之间，比耗氧速率(SOUR)为14.2～18.9mg/g.h。
本发明实施例及对比例中所述的厨余垃圾原始浆液通过将厨余垃圾进行分拣后破碎研磨形成粒径小于45目的厨余垃圾原始浆液；所述厨余垃圾原始浆液中的干物质具体指的是蛋白质、碳水化合物、脂肪等有机物，其中碳水化合物和蛋白质含量占干物质的60％以上，脂肪的含量占30％左右。
本发明实施例及对比例中所述的“厨余垃圾浆液干重”具体指的是厨余垃圾原始浆液中的干物质的质量。
本发明实施例以及对比例中的自升温好氧消化时间指的是厨余垃圾原始浆液中的有机物去除率达到70％所需要的时间。
实施例1
(1)通过浓缩(或稀释)处理使厨余垃圾原始浆液中干物质的质量浓度为10％。
(2)在上述厨余垃圾原始浆液中加入添加剂的母液，使添加剂的用量与厨余垃圾原始浆液中的干物质的质量比为5:1000，然后在120rmp的条件搅拌2min，调整转速至50rmp，继续搅拌2h，使添加剂与原始浆液进行充分混合，得到混合物；
其中，添加剂的母液的制备方法具体为：
按以下质量百分比称取各种酶及MnO2：碱性蛋白酶10％、木瓜蛋白酶10％、果胶酶10％、纤维素酶15％、多酚氧化酶30％、消旋酶20％、MnO25％，混合均匀，得到添加剂；
将上述添加剂溶解于蒸馏水中，使其浓度为50g/L，得到添加剂的母液。
(3)向上述混合物中接种好氧颗粒污泥，好氧颗粒污泥的接种量为10％(v/v)(即占厨余垃圾浆液体积的10％)，之后调节pH调节至7.5，曝气量为200ml空气/(min·kg厨余垃圾浆液干重)，进行自升温好氧消化反应，得到发酵液(有机液体肥)。该有机液体肥中的腐殖质含量为4.8％，自升温好氧消化时间为12d。
实施例2
(1)通过浓缩(或稀释)处理使厨余垃圾原始浆液中干物质的质量浓度为12％。
(2)在上述厨余垃圾原始浆液中加入添加剂的母液，使添加剂用量与厨余垃圾原始浆液中的干物质的质量比为1:1000，然后在200rmp的条件搅拌1min，调整转速至100rmp，继续搅拌1h，使添加剂与原始浆液进行充分混合，得到混合物；
其中，添加剂的母液的制备具体为：
按以下质量百分比称取各种酶及MnO2：碱性蛋白酶7.5％、木瓜蛋白酶7.5％、果胶酶15％、纤维素酶10％、多酚氧化酶25％、消旋酶25％、MnO210％，混合均匀，得到添加剂；
将添加剂溶解于蒸馏水中，使其浓度为30g/L，得到添加剂的母液。
(3)向上述混合物中接种好氧颗粒污泥，好氧颗粒污泥的接种量为10％(即占厨余垃圾浆液体积的10％)，之后调节pH调节至7.0，曝气量为250ml空气/(min·kg厨余垃圾浆液干重)，进行自升温好氧消化反应，得到发酵液(有机液体肥)；该有机液体肥中的腐殖质含量为3.2％，自升温好氧消化时间为16d。
实施例3
(1)通过浓缩(或稀释)处理使厨余垃圾原始浆液中干物质的质量浓度为8％。
(2)在上述厨余垃圾原始浆液中加入添加剂的母液，使添加剂用量与厨余垃圾原始浆液中的干物质的质量比为3:1000，然后在160rmp的条件搅拌1.5min，调整转速至75rmp，继续搅拌1.5h，使添加剂与原始浆液进行充分混合，得到混合物；
其中，添加剂的母液的制备具体为：
按以下质量百分比称取各种酶及MnO2：碱性蛋白酶5％、木瓜蛋白酶5％、果胶酶12％、纤维素酶20％、多酚氧化酶20％、消旋酶30％、MnO28％，混合均匀，得到添加剂；
将添加剂溶解于蒸馏水中，使其浓度为40g/L，得到添加剂的母液。
(3)向上述混合物中接种好氧颗粒污泥，好氧颗粒污泥的接种量的10％(即占厨余垃圾浆液体积的10％)，之后调节pH调节至8.0，曝气量为225ml空气/(min·kg厨余垃圾浆液干重)，进行自升温好氧消化反应，得到发酵液(有机液体肥)；该有机液体肥中的腐殖质含量为4.1％，自升温好氧消化时间为14d。
对比例1
与实施例1不同之处仅在于，省略添加剂中消旋酶的添加。
结果：发酵液中腐殖质含量仅为2.8％，自升温好氧消化时间为12d。
对比例2
与实施例2不同之处仅在于，省略添加剂中蛋白酶、果胶酶、纤维素酶和MnO2的添加。
结果：发酵液中腐殖质含量仅为2.1％，自升温好氧消化时间为20d。
对比例3
与实施例3不同之处仅在于，省略添加剂中多酚氧化酶的添加。
结果：发酵液中腐殖质含量仅为2.5％，自升温好氧消化时间为14d。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种添加剂，其特征在于，按质量百分数计，原料包括20-30％消旋酶、20-30％多酚氧化酶、10-20％蛋白酶、10-15％果胶酶、10-20％纤维素酶和5-10％MnO2。
2.根据权利要求1所述的添加剂，其特征在于，所述蛋白酶包括碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶；所述纤维素酶包括外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶中的至少一种。
3.如权利要求1所述的添加剂在厨余垃圾自升温好氧消化中的应用。
4.一种强化厨余垃圾自升温好氧消化性能的方法，其特征在于，通过添加权利要求1所述的添加剂来强化厨余垃圾自升温好氧消化性能。
5.根据权利要求4所述的强化厨余垃圾自升温好氧消化性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将厨余垃圾分拣破碎研磨成浆液；
向所述浆液中加入权利要求1所述的添加剂，混合均匀，之后接种好氧颗粒污泥，进行自升温好氧消化反应；反应结束得到发酵液。
6.根据权利要求5所述的强化厨余垃圾自升温好氧消化性能的方法，其特征在于，所述浆液的粒径小于45目；所述浆液中干物质的浓度为8-12wt％。
7.根据权利要求5所述的强化厨余垃圾自升温好氧消化性能的方法，其特征在于，所述添加剂与所述浆液中干物质的质量比为1-5:1000；所述好氧颗粒污泥的接种量为所述浆液体积的5-10％(v/v)。
8.根据权利要求4所述的强化厨余垃圾自升温好氧消化性能的方法，其特征在于，所述自升温好氧消化反应的pH为7-8，曝气量为200-250ml空气/(min·kg厨余垃圾浆液干重)。
9.根据权利要求4-8任一项所述的强化厨余垃圾自升温好氧消化性能的方法制备得到的发酵液。
10.一种有机液态肥，其特征在于，原料包括权利要求9所述的发酵液。
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