阅读说明：本技术 一种促进草类生物质厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法 (Method for promoting anaerobic fermentation of grass biomass to produce volatile fatty acid ) 是由 陶雪 熊小燕 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种促进草类生物质厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法,该方法是将经电石渣预处理后的草类生物质作为厌氧发酵底物,再按一定的比例接种种泥,在严格厌氧的反应器中发酵生产挥发性脂肪酸,发酵结束后测定发酵液中挥发性脂肪酸的产量。本发明采用经电石渣预处理后的草类生物质发酵生产挥发性脂肪酸,在高效促进挥发性脂肪酸生产的同时,提高了草类生物质这类废弃物的无害化和资源化利用,操作运行简单,产物效率高,降低发酵成本,具有很好的应用价值和应用前景,为实现固废资源化利用提供一种新方法,同时拓宽了电石渣的应用范围,具有重要的实际应用价值。(The invention discloses a method for promoting anaerobic fermentation of grass biomass to produce volatile fatty acid, which comprises the steps of taking the grass biomass pretreated by carbide slag as an anaerobic fermentation substrate, inoculating seed sludge according to a certain proportion, fermenting in a strict anaerobic reactor to produce the volatile fatty acid, and measuring the yield of the volatile fatty acid in fermentation liquor after the fermentation is finished. According to the invention, the grass biomass pretreated by the carbide slag is adopted to ferment and produce the volatile fatty acid, so that the harmless and resource utilization of the waste such as the grass biomass is improved while the production of the volatile fatty acid is efficiently promoted, the operation and operation are simple, the product efficiency is high, the fermentation cost is reduced, the application value and the application prospect are good, a new method is provided for realizing the resource utilization of solid waste, the application range of the carbide slag is widened, and the important practical application value is realized.)

一种促进草类生物质厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法

技术领域

本发明涉及一种促进草类生物质厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法，属于固体废弃物资源化技术领域。

背景技术

我国的草地面积大约有4亿公顷，再加上我国有大面积边际土地可以种植草类生物质，每年可产生大量的草类生物质。相比木质类生物质，草类生物质具有生长速度快、产量大、结构松软等特点。目前，除少部分被家畜利用或生产能源外，大部分草类生物质遗弃或闲置处理，造成了可再生资源的极大浪费。草类生物质主要含有纤维素、半纤维素、蛋白质和木质素等化合物，能够在微生物的作用下通过发酵再利用生产高附加值化学产品，例如氢气、挥发性脂肪酸、甲烷或乙醇等。其中通过厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的价值具有更大的优势，挥发性脂肪酸的产品附加值高，具有很多的用途，可作为外源碳源用于污水处理厂促进污水处理能力，还可以进一步合成各类化合物质或能源物质，更重要的是厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的发酵易于控制、操作简单、成本低、周期短、效率高。

关于厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的技术，现有专利文献中，江南大学的陈坚等人发明的CN101314783公开了高固体浓度有机废弃物热-碱预处理后厌氧发酵产挥发性脂肪酸的方法，该方案以城市污泥作为模式底物采用热-碱预处理，然后接种热胁迫处理并驯化后的厌氧酸化污泥作为种泥进行厌氧发酵，处理的城市污泥固体质量浓度可为3.7％-12.0％，挥发性脂肪酸最高的产率可达0.23g 挥发性脂肪酸/g有机质，比未预处理污泥的发酵产酸提高20.1％-61.0％。

又有，哈尔滨工业大学的王爱杰等人发明的CN103194494B公开了一种双孢菇菌糠与剩余污泥共发酵生产挥发性脂肪酸的方法，以解决目前存在剩余污泥单独厌氧发酵酸化效能低及双孢菇菌糠的处置利用问题。方法：一、制备污泥样本；二、制备菌糠样本；三、投加菌糠样本；四、完成双孢菇菌糠与剩余污泥共发酵生产挥发性脂肪酸的方法。该方法中的采用双孢菇菌糠作为外加碳源对剩余污泥进行调质，通过提高剩余污泥系统的碳氮比，明显的提高了剩余污泥发酵过程中挥发酸的产量。

华中农业大学的黄家隆等人则提出了CN110452936A，一种负压控制餐厨废水厌氧发酵提高挥发性脂肪酸产量的方法，该方法对家庭或者餐厅的餐厨垃圾进行挤压、过滤处理，获得餐厨废水；取收集物并去除其中的污染物，然后置于厌氧环境条件下发酵6～8d；将前处理污泥置于高压蒸汽灭菌锅中高温灭菌，待温度降至30℃条件后；添加培养基然后在温度为37℃水浴锅中加热培养；得到厌氧污泥将厌氧污泥和餐厨废水置于发酵罐中，在使用N₂排出发酵罐中的空气创造厌氧环境后，使用负压控制装置将发酵罐内的大气压降至0.02±0.005MPa，并将发酵罐置于水浴中进行厌氧发酵；得到上清液；即为挥发性脂肪酸。该方法可以使挥发性脂肪酸的产量增加20％～50％，并且使乙酸、丙酸和丁酸在挥发性脂肪酸中的比例提高4％～10％。

但是以上现有技术中均未考虑到如下方面：通过厌氧发酵这种方法能够对草类生物质进行有效的资源化利用，对缓解如今面临的燃料、环境危机具有重要意义。草类生物质中虽然半纤维素、纤维素和蛋白质较易被厌氧微生物分解，但木质素结构坚固难于被利用，且围绕在纤维素的外层作为保护层，阻碍了纤维素、半纤维素和蛋白质的降解，降低了发酵效率，进而降低了挥性脂肪酸的产量。为了提高草类生物质的利用率，因此需要高效的预处理方法促进草类生物质的降解。

碱预处理具有很好的效果，它能使打破草类生物质结构使得生物质的有效成分利于微生物的利用。而传统的碱处理主要采用成本高的纯碱，比如氢氧化钠、氢氧化钙等，在规模化污泥厌氧发酵时，纯碱投加增加了污泥处理的成本。因此，找一种替代传统纯碱的碱性物质来处理草类生物质促进发酵产挥发性脂肪酸具有很重要的意义。

电石渣(carbide slag，CS)一种强碱性工业废渣，主要成分是氧化钙，溶于水形成氢氧化钙，本发明将其应用到草类生物质发酵中，可形成类似碱性预处理条件促进草类生物质的水解，为微生物提供更多的发酵底物，促进发酵产挥发性脂肪酸。电石渣预处理是替代传统碱预处理的好选择，可降低碱预处理的碱成本，实现以废治废的同时生产高附加值化学产品，这是目前及未来生物质类固废处理处置的思考和发展方向，这将对有机废物资源化利用新技术的研究提供一定的理论依据，更重要的是该发明拓宽了电石渣这类碱性工业废渣的应用范围。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种促进草类生物质厌氧发酵生产挥发性脂肪酸的方法。

本发明是这样实现的：

本发明的技术方案是将经电石渣预处理后的草类生物质作为发酵底物，添加接种污泥，在严格厌氧条件下发酵生产挥发性脂肪酸。实现草类生物质和电石渣资源化。通过本发明的方法可降低草类生物质厌氧发酵产酸成本，生产的挥发性脂肪酸具有广阔的应用前景，且实现以废治废的目的。

本发明提供一种以电石渣预处理作为草类生物质的预处理方法，预处理后的草类生物质在厌氧条件下发酵生产挥发性脂肪酸的方法，具体方法包括以下方面：

(1)电石渣预处理浓度为1.75％(w/v)，草类生物质与电石渣溶液的比例 1:2(g：ml)，预处理温度为120℃，预处理时间为40min。将经电石渣预处理后的草类生物质作为厌氧发酵底物，再按一定的比例投加种泥，在严格厌氧的反应器中发酵生产挥发性脂肪酸，发酵结束后测定发酵液中挥发性脂肪酸的浓度及组分比例。

(2)草类生物质包括柳枝稷、苜蓿、南荻和草坪修剪物，草类生物质的粒径小于3cm。

(3)发酵底物是：在预处理后，预处理混合液洗涤至中性，将洗涤出的固体在65℃下烘干至恒重，即为厌氧发酵的底物。

(4)接种污泥为颗粒污泥，来自安徽碧达环保科技有限公司，主要含有变形菌、拟杆菌、厚壁菌等微生物。

(5)草类生物质厌氧发酵条件为：采用序批式发酵，将发酵底物与接种污泥按1:1(以VS计算)混合，在250ml血清瓶中进行，加蒸馏水至200ml刻度线，将血清瓶置于气浴恒温振荡器，发酵温度为35℃，转速100r/min，充氮气 10min保持厌氧环境，然后进行发酵生产挥发性脂肪酸，发酵持续14d。

(6)挥发性脂肪酸的测定步骤包括：采用高速离心机将发酵液在10000r/min 转速、4℃条件下高速离心10min，上清液即为含有VFAs的发酵液，再采用岛津气相色谱仪测定挥发性脂肪酸含量。

(7)所有血清瓶中VFAs主要由乙酸和丙酸组成(占总挥发性脂肪酸比例的49.41％以上)，电石渣预处理后草类生物质发酵生产的VFAs的浓度可高达 10203.87mg/L，相比原草，提高了8.4倍。

本发明的创新点及所产生的有益效果：

本发明采用的电石渣是一种低成本的强碱性废弃物，溶于水形成碱性条件，当电石渣预处理作为草类生物质预处理方法时，电石渣形成的碱性环境能够打破草类生物质的结构，为产酸微生物发酵产酸提供更多的发酵底物。本发明实现了草类生物质的资源化，同时扩大了电石渣的应用，降低发酵生产VFAs的成本。更重要的是生产的VFAs是一种重要的发酵中间产物，其应用价值较广，作为一种平台物质，可作为外加碳源补充污水脱氮除磷过程中碳源的不足，还能够进一步转化为能源物质，比如甲烷、乙醇等，也可以用来合成长链脂肪酸、油漆以及其他化工产品等，这进一步实现了城市剩余污泥的资源化利用。本发明为实现草类生物质资源化提供了一种新的途径，也为拓宽电石渣的应用提供思路，本发明具有巨大的社会和环境效益，符合节约型社会可持续发展的要求。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例1：

用250ml的血清瓶作为发酵瓶，按VS1:1的比例加入柳枝稷(PV)和接种污泥，不投加任何量的电石渣，发酵瓶先充氮气10min，将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为100r/min，定期取样测定挥发性脂肪酸含量，发酵天数为14d，发酵周期结束时，搅拌停止，将发酵液经高速离心机离心过滤，测定上清液中挥发性脂肪酸含量。原草作为对照(control)，不经过任何预处理。结果显示柳枝稷发酵过程中挥发性脂肪酸产量最多可达到8204.96 mg/L，相比没有处理过的柳枝稷提高了2.44倍。

实施例2：

用250ml的血清瓶作为发酵瓶，按VS 1:1的比例加入苜蓿(MS)和接种污泥，不投加任何量的电石渣，发酵瓶先充氮气10min，将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为100r/min，定期取样测定挥发性脂肪酸含量，发酵天数为14d，发酵周期结束时，搅拌停止，将发酵液经高速离心机离心过滤，测定上清液中挥发性脂肪酸含量。原草作为对照(control)，不经过任何预处理。结果显示苜蓿发酵过程中挥发性脂肪酸产量最多可达到7547.11 mg/L，相比没有处理过的柳枝稷提高了1.66倍。

实施例3：

用250ml的血清瓶作为发酵瓶，按VS 1:1的比例加入草坪修剪物(TP)和接种污泥，不投加任何量的电石渣，发酵瓶先充氮气10min，将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为100r/min，定期取样测定挥发性脂肪酸含量，发酵天数为14d，发酵周期结束时，搅拌停止，将发酵液经高速离心机离心过滤，测定上清液中挥发性脂肪酸含量。原草作为对照(control)，不经过任何预处理。结果显示草坪修剪物发酵过程中挥发性脂肪酸产量最多可达到 10203.87mg/L，相比没有处理过的柳枝稷提高了1.54倍。

实施例4：

用250ml的血清瓶作为发酵瓶，按VS 1:1的比例加入南荻(TL)和接种污泥，不投加任何量的电石渣，发酵瓶先充氮气10min，将发酵瓶置于气浴恒温振荡器，温度控制在35±1℃，搅拌速度为100r/min，定期取样测定挥发性脂肪酸含量，发酵天数为14d，发酵周期结束时，搅拌停止，将发酵液经高速离心机离心过滤，测定上清液中挥发性脂肪酸含量。原草作为对照(control)，不经过任何预处理。结果显示南荻发酵过程中挥发性脂肪酸产量最多可达到6186.85 mg/L，相比没有处理过的柳枝稷提高了2.23倍。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。