一种基于耦合乳酸酸化固碳与定向转化的餐厨垃圾两相厌氧消化产甲烷的方法

本发明属于固体废弃物资源化利用，具体涉及一种基于乳酸定向转化耦合乳酸酸化固碳与定向转化的餐厨垃圾两相厌氧消化产甲烷的方法。

背景技术：

1、餐厨垃圾含水率高、有机质丰富，自然存放时易于腐烂变质，并伴随臭气和co2的释放，若处理不当会造成严重环境污染。现有餐厨垃圾保存方法主要包括低温冷藏、高温高压灭菌和添加防腐剂等，但物理保存能耗高，添加化学防腐剂存在二次污染风险，且均未与后续资源化利用有效衔接。

2、近年来，乳酸发酵作为一种餐厨垃圾保存策略受到关注。其原理是利用乳酸菌将餐厨垃圾中的可发酵糖类转化为乳酸，在低ph条件下乳酸以未解离形式存在，可穿透腐败菌细胞膜并干扰其胞内ph稳态，从而有效抑制腐败菌活性。同时，相较于乙酸、乙醇等发酵保存途径，乳酸发酵（尤其是同型乳酸发酵）过程中co2释放量较少，在实现抑菌保存的同时可减少餐厨垃圾贮运过程的co2排放，有利于后续能源化利用的碳经济性。

3、然而，乳酸酸化保存后的餐厨垃圾中积累了高浓度乳酸。研究表明，乳酸在厌氧消化过程中若直接作为产甲烷底物，在高浓度下易被产丙酸菌通过丙酸途径代谢生成丙酸，而丙酸降解产乙酸过程受热力学限制，需依赖低氢分压条件，是厌氧消化中公认的速率限制步骤。因此，高浓度乳酸积累型餐厨垃圾直接进行厌氧消化，存在显著的丙酸积累和产甲烷抑制风险。

4、现有技术中已有通过接种外源性功能菌（如埃氏巨球型菌）强化乳酸定向转化的两相厌氧消化产甲烷方法。该方法通过外源微生物调控水解产酸相的代谢流向，将乳酸转化为更易被产甲烷菌利用的中间产物。然而，该方法需要额外培养和投加功能菌株，增加了工艺复杂性和运行成本，且仅关注乳酸在厌氧消化过程中的转化，并未将餐厨垃圾的保存与后续资源化利用进行有机耦合。

5、因此，亟需开发一种无需外加菌种、将餐厨垃圾乳酸型保存与定向转化产甲烷进行一体化耦合的方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于乳酸定向转化的餐厨垃圾两相厌氧消化产甲烷的方法，通过外源接种植物乳杆菌强化餐厨垃圾的乳酸型保存，再通过ph调控结合热休克消化污泥实现乳酸向乙酸和丁酸的高效定向转化，最终实现保存与资源化利用的协同增效。

2、本发明提供了一种基于乳酸定向转化的餐厨垃圾两相厌氧消化产甲烷的方法，包括以下步骤：

3、s1：将植物乳杆菌甘油管进行活化，得到植物乳杆菌活化液；

4、s2：将餐厨垃圾进行预处理后，与植物乳杆菌活化液混合，置入保存反应器中进行乳酸酸化保存，不调控ph，体系ph自然下降至3.0~3.5，得到乳酸积累型餐厨垃圾；

5、s3：将所得乳酸积累型餐厨垃圾与热休克的消化污泥混合后，转移至产酸反应器中，调控ph至6.0~7.0，将乳酸转化为乙酸和丁酸，使发酵液中乙酸占总代谢产物（以cod计）的40%以上、乳酸浓度降至5 g cod/l以下，得到富乙酸发酵液；

6、s4：将富乙酸发酵液转移至产甲烷相反应器中，接种厌氧消化污泥，进行厌氧消化产甲烷；

7、s5：收集s3~s4产生的沼气。

8、本发明中，餐厨垃圾的预处理包括但不限于粉碎、均质、筛分除杂等操作，以使餐厨垃圾粒度均一，便于后续发酵传质。

9、作为优选，s1中所述活化条件为：按10.0%（v/v）的接种比接入灭菌后的mrs肉汤培养基中，充分混匀后，放入37℃的恒温培养箱中静置活化24h，然后在相同条件下继续扩大培养9h，制得植物乳杆菌活化液。

10、作为优选，s2中所述植物乳杆菌活化液的接种量为10.0%~20.0%（ml活化液/100g餐厨垃圾）。

11、作为优选，s2中所述乳酸酸化保存的温度为25~40℃。

12、作为优选，s2中所述乳酸酸化保存时间为3~4天。

13、作为优选，s2中所述保存结束后，体系ph为3.0~3.5，乳酸浓度稳定在20~30 gcod/l，乳酸占总可溶性代谢产物（以cod计）的60%以上。

14、作为优选，s3中所述热休克的消化污泥的接种量为产酸反应器有效体积的5%~10%（v/v）。

15、作为优选，s3中所述产酸发酵的温度为35~40℃。

16、作为优选，s3中所述产酸发酵的时间为3~4天。

17、作为优选，s3中所述定向转化后，发酵液中乙酸占总代谢产物（以cod计）的40%以上，丁酸占总代谢产物（以cod计）的10%以上。

18、作为优选，s3中所述热休克的消化污泥为餐厨垃圾两相厌氧消化系统产酸相的接种污泥，其ph为7.9~8.2，总固体浓度为95~97 g/l，挥发性固体/总固体为45%~57%。

19、所述热休克消化污泥的制备方法为：将污泥置于80℃水浴中加热，待污泥温度升至80℃后开始计时，保持30 min，期间每隔10 min搅拌混匀一次；加热结束后立即放入冰水浴中迅速冷却至室温，备用。

20、作为优选，s4中所述产甲烷相厌氧消化的温度为35~40℃。

21、作为优选，s4中所述产甲烷相厌氧消化的初始底物浓度为20 g vs/l，以原始餐厨垃圾的vs计。

22、作为优选，s4中所述厌氧消化污泥的接种量为底物/接种物比（以vs计）为1:1。

23、与现有技术相比，本发明至少含有以下有益技术效果：

24、（1）本发明通过外源接种植物乳杆菌，在常温（25~40℃）条件下快速启动乳酸酸化保存，体系ph自然下降至3.0~3.5，有效抑制腐败菌活性。保存时间仅需3~4天，co2排放较不接种条件降低36%以上，以乳酸形式固定有机碳，避免了餐厨垃圾自然腐败过程中有机质以co2形式大量释放造成的碳损失。

25、（2）本发明通过将热休克处理后的消化污泥与乳酸积累型餐厨垃圾混合，并调控ph至6.0~7.0，激活体系中的产酸代谢菌群，将乳酸转化为乙酸和丁酸，其中乙酸占总代谢产物的40%以上。热休克处理可选择性淘汰产甲烷菌等非目标菌群，富集产酸功能菌，强化定向转化效率。

26、（3）本发明仅通过ph调控和热休克污泥即可实现产酸相菌群代谢途径的定向调控，无需外源功能菌（如埃氏巨球型菌）的培养、投加和维护，显著降低了工艺复杂性和运行成本。

27、（4）本发明将餐厨垃圾的乳酸酸化固碳保存与定向转化产甲烷有机耦合在同一技术框架内，实现保存、定向转化与产甲烷的协同增效。经定向转化后，甲烷产率达180~210ml ch4/g vs，能量回收效率显著优于直接产甲烷的对照。

1.一种基于耦合乳酸酸化固碳与定向转化的餐厨垃圾两相厌氧消化产甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中所述活化条件为：按10.0%（v/v）的接种比接入灭菌后的mrs肉汤培养基中，充分混匀后，放入37℃的恒温培养箱中静置活化24h，然后在相同条件下继续培养9h，制得植物乳杆菌活化液。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中所述植物乳杆菌活化液的接种量为10.0%~20.0%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中所述乳酸酸化保存的温度为25~40℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中所述乳酸酸化保存时间为3~4天。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中所述保存结束后，体系ph为3.0~3.5，乳酸浓度稳定在20~30 g cod/l，乳酸占总可溶性代谢产物的60%以上。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s3中所述热休克的消化污泥的接种量为产酸反应器有效体积的5%~10%（v/v）。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s3中所述定向转化后，发酵液中乙酸占总代谢产物的40%以上，丁酸占总代谢产物的10%以上。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s4中所述产甲烷相厌氧消化的温度为35~40℃。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s4中所述厌氧消化污泥的接种量为底物/接种物比为1:1。