申请日2010.07.16
公开(公告)日2010.12.15
IPC分类号C12P7/08; C12R1/865; C02F11/04
摘要
本发明属于可再生能源与环境保护领域，涉及一种利用造纸污泥与味精废液混合发酵产乙醇和甲烷的方法。将味精废液和造纸污泥按照干重比3～10∶100的比例混合成为原料混合料，加入纤维素酶、营养液等，调节pH值酸性，接种酿酒酵母进行发酵产乙醇;发酵结束后蒸馏得到乙醇;蒸馏剩余物加入厌氧消化接种污泥进行厌氧消化产甲烷。发明利用同步糖化发酵产乙醇，过程无需任何灭菌操作，工艺简单，可操作性强;同时乙醇和甲烷的生产均在中温条件下进行，实现了生产条件温和、能耗低;利用造纸污泥与味精废液混合发酵，不仅能从营养结构方面改善微生物的生存环境，提高乙醇和甲烷的产量，而且还能同时实现两大固体废弃物的“无害化、减量化和资源化”。
翻译权利要求书
1.一种利用造纸污泥与味精废液混合发酵产乙醇和甲烷的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将味精废液和造纸污泥按照干重比3～10∶100的比例混合成为原料混合料;(2)配制营养液;(3)取营养液，在其中接种酿酒酵母，经培养后成为酿酒酵母菌液;(4)在原料混合料中加入纤维素酶、营养液和水，调节pH值为酸性成为发酵物料，并接种酿酒酵母菌液，进行发酵产乙醇;(5)发酵结束后，将发酵底物进行蒸馏得到乙醇;(6)蒸馏剩余物质加入厌氧消化接种污泥，调节pH值为碱性，进行厌氧消化反应产甲烷。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)所述的造纸污泥在与味精废液混合前，还经过预处理，预处理采用碱金属形成的氢氧化物中的一种，碱溶液浓度为0.3%～1.0%，预处理时间为15～24h。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)所述的营养液为马铃薯-葡萄糖营养液，是将马铃薯去皮切块，加水煮沸25～35分钟并过滤后，往滤液中加入相当于马铃薯质量5～15%的葡萄糖所得的营养液;其中步骤(3)所述营养液中马铃薯的加入量占营养液质量分数的10～20%;步骤(4)中营养液的加入量以马铃薯在发酵物料中的质量分数为10～20%为准。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)所述的酿酒酵母培养至浓度为108～109cfu/mL，成为所述的菌液。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于步骤(3)所述的酿酒酵母是在30±1℃，150rev/min下培养12～18h成为所述的菌液。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)所述的纤维素酶的加入量为15～30U/gVS，其中VS指原料混合料的中所含有的挥发性物质的质量;酿酒酵母菌液的加入量以体积计为发酵物料总体积的5～10%;发酵物料中的干物质质量分数计为5～10%。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)和步骤(6)所述的酸 性和碱性pH值分别为4.0～5.0和6.8～7.2，用以调节pH值的分别为柠檬酸溶液和碱金属氢氧化物溶液。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)所述的发酵和步骤(6)所述的厌氧消化反应温度分别为30±1℃和37±1℃。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(5)所述发酵产乙醇时间为48～60h;步骤(6)厌氧消化接种污泥的加入量以干重计占蒸馏剩余物干物质的5～20%。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(6)所述的消化反应时间为40～50d，反应剩余物一部分用作新一轮厌氧消化的接种污泥，另一部分用作农用沼肥。
说明书
一种利用造纸污泥与味精废液混合发酵产乙醇和甲烷的方法
技术领域
本发明属于可再生能源与环境保护领域，涉及一种利用造纸污泥与味精废液混合发酵产乙醇和甲烷的方法。
背景技术
制浆造纸是我国国民经济的重要产业之一，目前我国生产的纸和纸板的产量已跃居世界首位，但是在造纸过程中产生了大量的造纸污泥，以我国现有的造纸规模，造纸污泥的年产量已达2389万t脱水造纸污泥(含水率为80%)，预计到2020年，我国大约将产生3088万t脱水造纸污泥(含水率为80%)。面对如此大量的造纸污泥，传统的处理处置方法是：焚烧、填埋和土地利用等;造纸废水在处理过程中，由于混凝、吸附等作用将废水中大部分的污染物质富集到污泥中，影响其直接施用;填埋造纸污泥不但耗费资金，占用土地，而且对土壤、地下水及空气容易造成二次污染;焚烧造纸污泥则需提高污泥脱水率，但锅炉焚烧系统投资及运行费用较高，易产生烟气污染，不适合一般的中小型造纸企业。
造纸污泥是指造纸厂的废水在生化处理过程中于初沉池和二沉池中得到的混合污泥，以细小纤维为主要成分的有机物占70%～90%，以造纸填料和涂料为主要成分的无机物占10%～30%，由于造纸污泥中的有机物含量高，寻找其资源化利用的生物处理方法意义重大。
利用厌氧消化技术处理有机固体废物，由于厌氧消化能耗低、二次污染少，同时又能产生甲烷代替部分石油燃料，在全球温室效应加剧、能源紧缺的当今社会，具有十分重要的战略意义。但由于造纸污泥中二次纤维含量高，蛋白质含量低，较高的C/N不利于厌氧消化过程的正常进行，制约了将其厌氧消化应用。
味精工业是我国最古老的发酵行业之一，80年代开始进入高速发展阶段，2008年我国味精年产量63万吨，占世界味精年产量的47%，味精生产量快速增加的同时也带来味精废液的大量排放。味精废液主要包括提取味精后的发酵废液和浓缩结晶遗弃的结晶母液等，一般每生产1t味精约有25t废液排出，这种味精废液含有大量有机物、丰富的蛋白质、湿菌体和多种K+、Na+、NH4+、Mg2+、Ca2+等营养盐，是一种较难处理的高浓度有机废液，直接排放会严重污染环境，厌氧消化产甲烷是目前味精废液处理领域研究最为活跃的方面之一，但由于废液含氮量太高而容易导致系统NH3-N中毒，如何妥善处理味精废液一直成为制约我国味精生产企业发展的难题之一。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能有效处理造纸污泥和餐厨垃圾，减轻环境负担并实现资源再利用的方法。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：
本发明提供了一种利用造纸污泥与味精废液混合发酵产乙醇和甲烷的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将味精废液和造纸污泥按照干重比3～10∶100的比例混合成为原料混合料;(2)配制营养液;(3)取营养液，在其中接种酿酒酵母，经培养后成为酿酒酵母菌液;(4)在原料混合料中加入纤维素酶、营养液和水，调节pH值为酸性成为发酵物料，并接种酿酒酵母菌液，进行发酵产乙醇;(5)发酵结束后，将发酵底物进行蒸馏得到乙醇;(6)蒸馏剩余物质加入厌氧消化接种污泥(指化粪池污泥、腐败河泥或城市污水处理厂的厌氧消化污泥中的一种或多种经驯化后得到的种泥)，调节pH值为碱性，进行厌氧消化反应产甲烷。(其方法流程图如图1所示。)
步骤(1)中，在造纸污泥在与味精废液混合前，造纸污泥还可以预先经过预处理，预处理采用碱金属形成的氢氧化物中的一种，碱溶液浓度为0.3%～1.0%，预处理时间为15～24h。味精废液∶造纸污泥=3～10∶100(w/w，以干物质质量计)进行混合均匀，调整发酵底物的C/N=15～25∶1。
步骤(2)中的培养液为马铃薯-葡萄糖培养液，是将马铃薯去皮切块，加水煮沸25～35分钟并过滤后，往滤液中加入相当于马铃薯质量5～15%的葡萄糖所得的营养液，其中步骤(3)的营养液中马铃薯的加入量占营养液质量分数的10～20%;步骤(4)中营养液的加入量以马铃薯在发酵物料中的质量分数为10～20%为准。
可以优选以下操作方法：用于制备营养液的马铃薯需去皮后切成边长为1cm的小方块，然后放入1000mL水中煮沸30分钟，8层纱布过滤，滤液补足至1000mL，再加入相当于马铃薯质量5～15%的葡萄糖。
步骤(3)中，酿酒酵母是在30±1℃，150rev/min下培养12～18h成为浓度为108～109cfu/mL的菌液。
步骤(4)中，纤维素酶的加入量为15～30U/gVS，其中VS指原料混合料的中所含有的挥发性物质的质量(指原料扣除水分和灰分后的剩余部分);酿酒酵母菌液的加入量以体积计为发酵物料总体积的5～10%;发酵物料中的干物质质量分数计为5～10%。
为了使反应顺利进行并得到良好的联产乙醇和甲烷效果，步骤(4)和步骤(6)的酸碱度和反应时间有特定的要求，其中步骤(4)和步骤(6)的酸性和碱性pH值分别为4.0～5.0和6.8～7.2，用以调节pH值的分别为柠檬酸溶液(10%柠檬酸溶液)和碱金属氢氧化物溶液(用10%碱金属氢氧化物溶液调节添加了厌氧消化接种污泥的蒸馏剩余物);步骤(4)的发酵和步骤(6)的厌氧消化反应温度分别为30±1℃和37±1℃。
步骤(5)中，发酵产乙醇时间为48-60h;原料糖化发酵结束后，将发酵底物进行蒸馏，得到浓度为8～10%的燃料乙醇，继而进行步骤(6)的厌氧消化反应，先在蒸馏剩余物种加入厌氧消化接种污泥，厌氧消化接种污泥的加入量以干重计占蒸馏剩余物干物质的5～20%;厌氧消化反应时间为40～50d，反应剩余物一部分用作新一轮厌氧消化的接种污泥，另一部分用作农用沼肥。
为了保证反映在严格的厌氧条件下进行，物料置于反应器内后，可以利用带有通气管的橡胶塞盖紧反应器瓶口，并用石蜡封住通气管与胶塞的接口处，反应开始前向反应器内通入氮气2min。
发明利用了现有技术难以合理利用的造纸污泥，通过与味精废液混合发酵，并通过适当的调节，在废物处理减害的同时可生产乙醇和甲烷。随着世界经济的增长和人口的增加，能源短缺问题日益严重，开发可再生能源称为全球关注的热点。乙醇作为一种洁净和可再生的能源，已经受到各国政府和众多研究者的广泛重视。现阶段我国燃料乙醇的生产均以糖类或粮食为原料，进一步扩大产量将会受到资源的限制，因此采用价廉、易得的纤维质原料生产乙醇将是今后发展的必然趋势。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明利用同步糖化发酵产乙醇，过程无需任何灭菌操作，工艺简单，可操作性强;同时乙醇和甲烷的生产均在中温条件下进行，实现了生产条件温和、能耗低。
2、本发明利用碱溶液预处理造纸污泥，预处理过程可实现污泥中大分子有机物降解为小分子物质，从而缩短后续厌氧发酵的液化水解时间，提高原料的液化水解率和后续的生物转化率。
3、本发明利用造纸污泥与味精废液混合发酵生产燃料乙醇，不仅能从营养结构方面改善微生物的生存环境，提高乙醇和甲烷的产量，而且还能同时实现两大固体废弃物的“无害化、减量化和资源化”。
4、本发明先利用酵母菌分解造纸污泥和味精废液中的有机物质制得乙醇，再进一步利用甲烷菌分解蒸馏剩余物中的有机物质，实现原材料的充分利用，避免了资源的浪费。
5、本发明乙醇蒸馏的同时也是对后续产甲烷消化原料的热处理过程，与单一产甲烷工艺中物料的热处理相比，本发明降低了能耗，节约了能源。
6、本发明具有潜在的环境效益、社会效益和经济效益，在可再生能源生产、废弃资源再生利用、工业固体废物处理与处置方面具有巨大的市场和应用潜力。