一种碳修饰四氧化三铁纳米复合材料促进厨余垃圾和污泥共发酵产中链脂肪酸的方法

本发明涉及一种厨余垃圾和污泥共发酵产中链脂肪酸的方法，属于有机固废处理与资源回收。

背景技术：

1、近年来，随着能源体系转型，富含生物质的有机固废（厨余垃圾以及污泥）资源化利用受到广泛关注。厨余垃圾（food waste，fw）富含碳水化合物、蛋白质以及脂质，是高含能有机底物。污泥（waste activated sludge，was）作为污水处理厂的副产物，其有机质含量偏低，单独厌氧发酵效率有限。fw和was共发酵可以调节碳氮比，提高厌氧消化效率和系统稳定性。现有研究中，共发酵过程多以产甲烷为目标，但甲烷附加值相对较低，且利用过程中存在温室气体排放问题。相比之下，厌氧发酵过程中还可产生脂肪酸，其中中链脂肪酸（如己酸、庚酸和辛酸）具有更高的经济价值，可作为燃料前体、化工原料和抗菌功能分子，因此通过碳链延长技术将有机固废转化为中链脂肪酸，具有更好的资源化前景。现有的产中链脂肪酸工艺通常需要添加额外的电子供体（乙醇，乳酸等），增加了运行成本。fw含糖量高，可通过乙醇型发酵产生乙醇和乙酸，其中乙醇可以作为碳链延长过程中必不可缺的电子供体，乙酸可以作为电子受体，同时发酵过程中产生的氢气也可实现能源回收。以fw乙醇型发酵液与was共同构建碳链延长体系，是一种具有应用前景的技术路线。此外，四氧化三铁被报道可以促进有机质的水解酸化并且提高电子传递效率，若进一步引入碳功能层对四氧化三铁进行修饰，有望提升材料表面官能团丰富度和电子传递效率，从而强化共发酵产中链脂肪酸过程。

2、公开号为cn113388648a、申请日为2021年5月12日的发明专利公开了一种四氧化三铁促进厌氧发酵产中链脂肪酸以及微生物种间电子传递效率的方法，利用城市污水处理厂的废弃活性污泥为发酵底物，向厌氧反应器中加入电子供体和营养培养基，并加入四氧化三铁作为电子导管，使得铁氧化物在污泥发酵中产生异化铁还原反应，促进污泥中微生物的种间和细胞内电子传递，使得污泥水解酸化步骤提速。与现有技术相比，本发明解决了现有技术中污泥发酵产中链脂肪酸的产量低和速率慢问题，同时避免了外加能源和含能物质的加入，可实现工业化的大规模推广。但该文献中将四氧化三铁作为电子导管，使得铁氧化物在污泥发酵中产生异化铁还原反应，促进污泥中微生物的种间和细胞内电子传递，使得污泥水解酸化步骤提速，虽然这种技术可以使得污泥水解酸化步骤提速，但其效果不十分明显，难以达到预期效果。

3、因此本发明开发了一种碳修饰四氧化三铁纳米复合材料促进fw和was共发酵产中链脂肪酸的方法，对于提升有机固废资源回收效率具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术中有机固废资源能源回收效率低、中链脂肪酸产量不足的问题，进而提出一种碳修饰四氧化三铁纳米复合材料促进厨余垃圾和污泥共发酵产中链脂肪酸的方法。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的步骤包括：

3、步骤1、制备碳修饰四氧化三铁纳米复合材料；具体过程为：

4、将二茂铁与丙酮和双氧水混合，搅拌30分钟后形成前驱体；

5、将前驱体转移到铁氟龙内衬不锈钢高压釜中进行溶剂热合成反应，冷却至室温后，在磁场下分离沉淀，丢弃上清液，沉淀后用丙酮洗涤，在室温下在真空烘箱中干燥，得到碳修饰四氧化三铁纳米复合材料；

6、步骤2、制备厨余垃圾乙醇型发酵液；具体过程为：

7、在厨余垃圾中加入葡萄糖淀粉酶进行酶预处理，得到fw水解混合液；

8、然后将预处理后的fw水解混合液用蒸馏水稀释，使葡萄糖浓度达到25 g/l，添加

ethanoligenens harbinense yuan-3生长必需的微量元素和维生素，并将ph调至6~7；

9、灭菌后接种

ethanoligenens harbinense yuan-3，在35℃下发酵，得到含乙醇和乙酸的乙醇型发酵液；

10、步骤3、构建碳链延长发酵系统；具体过程为：

11、将步骤2得到的乙醇型发酵液和污泥的混合物作为底物，添加dsm生长培养基，接种

clostridium kluyveridsm 555和厌氧污泥，加入10.5 g/l的2-溴乙醇磺酸作为产甲烷抑制剂；

12、将初始ph调至7±0.1，并用氮气曝气以去除氧气；

13、随后向体系中加入步骤1制得的碳修饰四氧化三铁纳米复合材料，碳修饰四氧化三铁纳米复合材料的投加量为0.5～4 g/l，在厌氧条件下发酵12天，完成碳修饰四氧化三铁纳米复合材料促进fw和was共发酵产中链脂肪酸。

14、进一步的，步骤1中加入二茂铁的质量为4g，丙酮的体积为100~150 ml，双氧水的体积为10~20 ml。

15、进一步的，步骤1中溶剂热反应温度为150~200℃，反应时间24~48 h。

16、进一步的，步骤2中加入葡萄糖淀粉水解酶的质量为150 u/g ts，在ph = 4、60℃条件下加热搅拌4 h，然后在90~100℃下加热10 min。

17、进一步的，步骤2中酶预处理fw水解液中葡萄糖含量为109 g/l。

18、进一步的，步骤2中微量元素溶液中各组分浓度为：：0.01，：0.05，：0.01，：4.50，：0.01，：0.01，：0.20，：0.01；

19、维生素溶液中各组分浓度为：钴胺素：0.01，维生素c：0.025，核黄素：0.025，柠檬酸：0.02，吡哆醛：0.05，对氨基苯甲酸：0.01，肌酸：0.025。

20、进一步的，步骤3中添加的dsm生长培养基成分为：0.31 g，0.23 g，0.25 g，0.20 g mgso4·7h2o，1ml微量元素溶液sl-10，1 ml 维生素溶液。

21、进一步的，微量元素溶液sl-10包括1.5 mg·4，0.070 mg，0.1 mg·4，0.006 mg，0.190 mg·6，0.002 mg·2，0.024 mg·6，0.036 mg·2；

22、维生素溶液包括0.1 mg vitamin，0.08 mg p-aminobenzoic acid，0.02 mg d(+)-biotin，0.2 mg nicotinic acid，0.1 mg calcium pantothenate，0.3 mgpyridoxine hydrochloride，0.2 mg thiamine-hcl。

23、进一步的，步骤3中接种

clostridium kluyveridsm 555和厌氧污泥的比例为（5%：5%，v:v）。

24、进一步的，氮气曝气的曝气时间为30min。

25、本发明的有益效果是：本发明实现了碳修饰四氧化三铁纳米复合材料促进fw和was共发酵产中链脂肪酸，结果表明碳修饰四氧化三铁纳米复合材料可以促进fw和was共发酵过程中链脂肪酸，尤其是己酸，庚酸和辛酸的合成。其中加入4g/l的碳修饰四氧化三铁纳米复合材料系统促进效果最好，中链脂肪酸总浓度达到了18.8 g cod/l,比不加碳修饰四氧化三铁纳米复合材料的系统中提高了50.6%。其中己酸浓度达到5369.6 mg/l，庚酸浓度达到1901.4 mg/l，辛酸浓度达到1014.6 mg/l。