[发明专利]基于调整pH预处理蛋白质废水以提高AD产甲烷效率的方法

说明书

本发明公开了一种基于调整pH预处理蛋白质废水以提高AD产甲烷效率的方法，包括以下步骤：步骤1：将厌氧颗粒污泥离心，并使用蒸馏水清洗得到离心颗粒污泥备用；步骤2：将蛋白质废水通过酸性或碱性预处理，调节蛋白质废水的pH值，并在空气浴摇床中摇动得到pH预处理后蛋白质废水；步骤3：将pH预处理后蛋白质废水重新调整到中性初始值，得到中性蛋白质废水；然后将中性蛋白质废水、微量元素储备液、Nasubgt;2/subgt;HPOsubgt;4/subgt;、NaHCOsubgt;3/subgt;以及离心颗粒污泥置于反应罐内混合，随后在摇床上摇动进行厌氧消化收集产出甲烷。本发明方法通过调整pH值对蛋白质废水进行预处理，使蛋白质的构象和结构展开，从而消除了蛋白质废水在AD过程中低甲烷化率的限制。

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体是涉及一种基于调整pH预处理蛋白质废水以提高AD产甲烷效率的方法

背景技术

来自屠宰场、鱼类、乳清、酪蛋白、奶酪和某些蔬菜加工过程的高浓度有机废水通常含有大量的蛋白质，其能量密度高，生物可利用价值不容忽视。例如，乳品废水中超过40％的总化学需氧量来源于蛋白质，如何高效的处理和利用这类高蛋白废水是污水处理厂当前面临的挑战。考虑到高蛋白废水富含可生物降解的有机营养成分，大量利用生物法对这类废水进行生物转化的研究已经开展。从传统角度而言，好氧生物处理法难以应对废水中的高浓度有机物，而遭受高负荷冲击，使得反应器运行稳定性变差。同时，好氧生物处理单元需要额外提供氧气，这将导致运营成本进一步提高。相比之下，厌氧生物处理法不仅规避了好氧生物处理法的缺点，而且可以有效地回收能源，使其成为处理高浓度有机废水的理想技术。与碳水化合物如葡萄糖、作物残渣和牲畜粪便相比，以化学需氧量(COD)量化废物流中的有机物数量为衡量准则，具有较高能量密度的蛋白质拥有显著的沼气生产潜力。根据Buswell方程，在标准温度和压力下每单位COD的甲烷产量理论值为0.35L，蛋白质与COD的转换系数是1.5，而碳水化合物只有1.07。因此，研究厌氧消化(AD)系统中蛋白质生物转化为甲烷的过程和效率具有重要意义。

AD是在厌氧或缺氧条件下，通过多种功能菌的相互协同，形成代谢微环境，将复杂的高浓度有机废水生物转化为可替代清洁能源的过程。AD通常被概括为以下三个步骤：水解酸化、乙酸化和甲烷生成。特别地，蛋白质是由肽键(或酰胺)相互连接的氨基酸单元形成的天然聚合物。在被功能菌利用转化为甲烷之前，蛋白质首先被细胞外酶(称为蛋白酶)水解为低聚多肽和单体氨基酸。之后，氨基酸通过哪一种途径进入发酵阶段取决于单体氨基酸的性质和浓度。然而，蛋白质水解的实际速度相当迟缓，AD的甲烷产量要低的多(低于0.5L CH₄/g蛋白质)，这是由于大量高负荷蛋白质废水的直接冲击引起的系统紊乱和厌氧微生物氨抑制风险的增加。最近的工作发现，蛋白质结构的稳定性和复杂性是阻碍甲烷化的另一个重要因素，这是因为蛋白质具有三维结构，多层构象使其在原生折叠中不易被蛋白酶裂解，如稳定的氢键网络。因此，采用适当的预处理手段对于解除蛋白质废水在AD甲烷化过程中的水解速率限制至关重要。

近年来，酸、碱、热、超声波和紫外线等物理和化学方法被应用于污水或污泥等富含蛋白质生物质的预处理过程，促进了污泥中胞外聚合物的溶解和细胞壁的破碎，释放了大量细胞内有机物质，这进一步促进了甲烷的产生。然而生物质组成的复杂性和水解后有机单体来源的多样性，使得在AD产甲烷性能和生物质组分之间建立直接联系变得相当困难，只能利用理论贡献值进行简单地推算。基于这种考虑，通过预处理单一的有机材料，如蛋白质，探索水解产物和产甲烷效率之间的转换关系是合乎逻辑的。众多研究表明，蛋白质水解可以通过蛋白质变性来加速，但这些报导大多偏重于强调蛋白质废水在AD系统中向氢气或VFAs的转化。因此，蛋白质原生构象和结构的展开与水解和产甲烷过程的强化之间的内在关系和机制仍然存在空白。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于调整pH预处理蛋白质废水以提高AD产甲烷效率的方法。

本发明的技术方案是：一种基于调整pH预处理蛋白质废水以提高AD产甲烷效率的方法，包括以下步骤：