矿化垃圾、渗滤液、餐厨垃圾及污泥生产甲烷和氢气的方法

专利名称：：矿化垃圾、渗滤液、餐厨垃圾及污泥生产甲烷和氢气的方法
技术领域：
：本发明涉及一种矿化垃圾、渗滤液、餐厨垃圾及污泥生产甲烷和氢气的方法。具体是上述废弃生物质联合厌氧发酵，同时获得甲垸和氢气的工艺。属于有机废物资源化
技术领域：
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背景技术：
：化石燃料作为一次性能源正日渐枯竭，其大量使用也造成严重的环境污染问题，以石油等为代表的一次能源最终将被其他能源所取代。生物质能技术的研究与开发己成为世界重大热门课题之一，但由于近年盲目发展生物质燃料，出现与粮争地，从而可能继发粮食饥荒、生态破坏。荷兰等国开始纷纷叫停生物燃料，废弃生物质能因此更倍受青睐。其中生物质的厌氧发酵处理由于能耗低，且能回收沼气进行再利用而成为研究热点。利用废弃生物质产氢，减少温室气体排放的研究较多。中国专利申请"一种矿化垃圾协同泔脚废物和污泥联合产氢的方法"(申请号200610027750.3)和"一种利用污水厂剩余污泥厌氧发酵制氢的方法与装置"(申请号200310116142.6)公开了厌氧发酵产生氢气的方法，但是氢气的浓度通常最多为50-60%，无法直接加以利用。传统的厌氧消化反应产生的沼气主要成分是甲垸(CH4)和二氧化碳(C02)。甲烷占55%-65%，二氧化碳占35%-45%，还有少量氢、一氧化碳、硫化氢、氧和氮等气体，其中氢的含量一般只有0.5%。沼气发电可分为双燃料式和全烧式两种方式。压燃式发动机采用柴油一沼气双燃料，通过压燃少量柴油以点燃沼气进行燃烧做功。这种发动机的特点是可调节柴油/沼气燃料比，当沼气不足甚至停气时，发动机仍能正常工作，缺点在于系统复杂，而且必须使用石油燃料，不符合环保政策。西方一些发达国家已出台相应政策制约双燃料式发电机的发展，例如德国政府在2004年对《可再生能源法》的修订条款中明确规定2007年l月1日以后所建的沼气发电工程，若使用化石燃油将不能享受有关的优惠政策。点燃式沼气发动机也称全烧式沼气发动机，其特点是结构简单，操作方便，而且无需辅助燃料，适合在大、中型沼气工程条件下工作，这种发动机已成为沼气发电技术实施中的主流机组，但是由于沼气的燃烧速度慢，使得全烧沼气发电中的燃烧持续期拉长，造成燃烧效率降低，后燃严重，排温太高，可靠性不过关，经济性也不好。如果在不降低甲垸含量的条件下(不低于50%)提高沼气中氢气含量(约5-10%)，就能提高沼气燃烧速度，不仅可以大大提高甲垸发电利用率，而且可以解决发电点火的难题。因此如何改变传统厌氧发酵工艺，提高沼气中氢气含量，成为研究工作者努力探索的焦点。厌氧消化一般在中温或高温下进行，中温的最佳温度为35度左右，高温为55度左右。中温消化设备简单，造价比较低，但是处理效率不如高温发酵。pH值方面，Lay等发现在pH值为6.6到7.8范围之内，水分含量为90%-96%时的产甲垸速率较高，pH值低于6.1或高于8.3时，产甲烷可能会停止。RoblesMartinez研究了pH值对于家庭垃圾的生物降解作用。当垃圾用水饱和，pH值调整到6.5以上后，降解明显提高。在厌氧消化方面，一般来说酸化要保持在略偏酸性，产甲垸要略偏碱性。70年代初，S.Ghosh和F.G.PHoland根据厌氧生物分解机理和微生物类群的理论首先提出了两相厌氧消化的概念；将产酸菌和产甲烷菌分别置于两个串联的反应器中并且提供各自所需的最佳条件，使这两类细菌群都能发挥最大的活性，提高反应器的处理效率。Schere用厌氧消化处理有机垃圾产气量达到了理论产气量的98%。B.G.Yeoh对两相厌氧消化工艺和单相厌氧消化工艺进行了对比实验研究，结果表明，两相厌氧消化系统的产甲烷活性明显高于单相厌氧消化系统。但是传统的两相反应器中水解相主要是产酸，除C02外基本无其它气体生成。不过在目前工业实际应用中，单相反应器占有绝对优势，这主要是因为传统的两相反应器相比单相反应器而言造价高且不易操作和维护。
发明内容本发明的目的是公开一种工艺简单、成本低廉的利用渗滤液、餐厨垃圾以及污泥和矿化垃圾废弃生物质为基质进行厌氧发酵，能同时获取甲烷和氢气的方法，用本发明得到的甲烷和氢气能提高沼气发电利用率，且解决发电点火的难题。为了达到上述目的，本发明采用一体式的反应器(专利号:200710047071.7)，但又渗入两相反应器的理念(反应器前端为水解酸化相，随着反应器的推进则进入产甲烷相)。通过调节污泥、渗滤液以及餐厨垃圾等的配比来满足初始pH为5.8-6.2,初始C/N为7.0-7.5，然后将这些经过一定配比的废弃生物质进行联合厌氧发酵，从而使污泥、渗滤液及餐厨垃圾等基质在水解酸化期生成大量挥发酸同时还获得一定量的氢气(体积百分比4-10%)。在产甲垸期，一方面由于污泥以及渗滤液中主要成分为蛋白质，这些蛋白质的降解使体系pH升高至甲烷菌适合生长的范围，另一方面水解酸化产生的短链脂肪酸被甲烷菌利用从而产生甲烷。本发明是通过以下步骤实现的第一步，餐厨垃圾和污泥的预处理先对餐厨垃圾进行破碎，破碎粒径为5-10mm。然后将污泥通过1.25111111过筛处理。接着分别测定它们的pH、含水率以及C/N，并添加自来水，使含水率均为90%;第二步，调整污泥、渗滤液、餐厨垃圾及矿化垃圾配比取第一步的含水率为90%的污泥和餐厨垃圾，按污泥餐厨垃圾渗滤液=(10%-90%):(5%-45%):(5%-45%)重量百分比量取，再量取矿化垃圾的量为餐厨垃圾、渗滤液和污泥总重量的5%，然后将它们混合，充分搅匀，此时混合物的pH为5.8-6.2，C/N为7.0-7.5;第三步，联合发酵将第二步配比好的pH和C/N符合上述要求的渗滤液、餐厨垃圾、污泥及矿化垃圾混合物置于密闭容器中，充入氮气以驱除容器中的氧气，在20-55'C下，采用100130转/分钟速率震荡或搅拌方式开始厌氧消化，反应时间持续15天，得到含55-57%体积CH4和4-10%体积H2的CH4和&混合气。这种混合气使沼气发电效率提高10-15%，并解决沼气发电点火困难的问题。上述的污泥为生化污水处理厂的压滤污泥。上述的渗滤液为焚烧厂新鲜渗滤液。上述的矿化垃圾是填埋8年以上矿化垃圾。本发明具有如下的优点1.本发明打破传统厌氧发酵的酸化理念，通过调整污泥、渗滤液、餐厨垃圾及矿化垃圾配比，满足联合厌氧发酵甲烷和氢气的初始pH以及C/N要求，在一体式的反应器中同时获取55%左右体积百分比CH4和5%左右体积百分比H2,实现了CH4和H2浓度较好的结合，使甲烷发电效率提高了10-15%，且很好地解决了沼气发电点火困难的问题。2.由于本发明通过调整污泥、渗滤液、餐厨垃圾及矿化垃圾配比，满足初始pH为5.8-6.2，C/N为7.0-7.5，无须另外投加C源或N源，也无须另外加酸碱进行pH调节，因此，操作简单、成本低廉，具有可贵的经济效益。3.由于本发明的污泥、渗滤液、餐厨垃圾及矿化垃圾均属于废弃物，因此具有废弃物资源化的可贵的社会效益。图1为本发明的工艺流程图图2为本发明的实施例1的所产氢气在混合气中的含量曲线图图3为本发明的实施例1的所产甲烷在混合气中的含量曲线图具体实施例方式实施例l请参阅附图l。对餐厨垃圾以及污泥进行预处理先将餐厨垃圾中的筷子、硬骨等拣出以免损坏破碎机，然后破碎到粒径为5-10mm;污泥过1.25111111筛；再测定它们的pH、含水率以及C/N，然后依据含水率测定结果添加相应质量的自来水将含水率调节为90%重量百分比。量取表l所列重量的污泥、餐厨垃圾、渗滤液以及矿化垃圾(表1中体系1-3为实验组，体系4为对照组)。然后将其混合均匀，置于250ml血清瓶(实际容积300毫升)，充氮气lmin以驱除容器中的氧气，迅速密封，在20-55'C下，采用速率为100130转/分钟条件下震荡或搅拌方式开始厌氧消化，反应时间持续15天。表1所示1-4体系的C/N和pH初始指标及累积产氢和甲垸量见表2。相应的所产氢气在混合气中的体积百分比含量见图2，所产甲垸在混合气中的体积百分比含量见图3。对照组即体系4氢气未检出，甲垸量高达3500ml。体系l虽然有氢气生成，但浓度很低，主要原因是初始pH偏高；体系3氢气大量生成，浓度最大达到52%体积百分比，但是未有甲垸检出，主要原因是C/N较高；体系2在大量生成甲烷的同时又有一定的氢气量生成，主要原因是这两个体系的初始pH及C/N控制在较理想的范围。表1为污泥、餐厨垃圾、渗滤液以及矿化垃圾配比<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2为各实验1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例2本实例所实施的厌氧发酵罐为两相一体式的反应器(专利号200710047071.7)，反应器前端为水解酸化相，随着反应器的推进则进入产甲垸相。具体实施步骤如下将餐厨垃圾分拣去除硬骨，筷子等杂物再破碎到粒径为5-10mm，测定pH、含水率以及C/N，结果见表3。然后依据含水率测定结果添加相应质量的自来水将污泥和餐厨垃圾的含水率调节为90%重量百分比。将污泥、餐厨垃圾以及渗滤液按60%:10%:30%重量百分比比例混合均匀，矿化垃圾的添加量为5g/100g联合基质(污泥、餐厨垃圾以及渗滤液湿重)，将矿化垃圾和联合基质组成的混合基质连续泵入厌氧发酵罐中，并充入氮气以驱除其中的氧气，反应器温度为20-55°C。15天内平均甲垸产量50L/kg混合基质，氢气浓度在5-8%体积百分比波动，甲垸浓度为52-57%体积百分比。表3为污泥、餐厨垃圾、渗滤液及混合基质基本初始指标<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>权利要求1.矿化垃圾、渗滤液、餐厨垃圾及污泥生产甲烷和氢气的方法，其特征在于第一步，餐厨垃圾和污泥的预处理先将餐厨垃圾破碎到粒径为5-10mm，然后将污泥通过1.25mm过筛处理，接着分别测定它们的pH、含水率以及C/N，并添加自来水，使含水率均为90％；第二步，调整污泥、渗滤液、餐厨垃圾及矿化垃圾配比取第一步的含水率为90％的污泥和餐厨垃圾，按污泥∶餐厨垃圾∶渗滤液＝(10％-90％)∶(5％-45％)∶(5％-45％)重量百分比量取，再量取餐厨垃圾、渗滤液和污泥总重量的5％的矿化垃圾，然后将它们混合，充分搅匀，此时混合物的pH为5.8-6.2，C/N为7.0-7.5；第三步，联合发酵将第二步的渗滤液、餐厨垃圾、污泥及矿化垃圾混合物置于密闭容器中，充入氮气以驱除容器中的氧气，在20-55℃下，采用100～130转/分钟速率震荡或搅拌方式开始厌氧消化，反应时间持续15天，得到含55-57％体积CH4和4-10％体积H2的CH4和H2混合气。2.根据权利要求1所述的矿化垃圾、渗滤液、餐厨垃圾及污泥生产甲垸和氢气的方法，其特征在于所述的污泥为生化污水处理厂的压滤污泥。3.根据权利要求1所述的矿化垃圾、渗滤液、餐厨垃圾及污泥生产甲烷和氢气的方法，其特征在于所述的渗滤液为焚烧厂新鲜渗滤液。4.根据权利要求1所述的矿化垃圾、渗滤液、餐厨垃圾及污泥生产甲垸和氢气的方法，其特征在于所述的矿化垃圾是填埋8年以上矿化垃圾。全文摘要本发明涉及一种矿化垃圾、渗滤液、餐厨垃圾及污泥生产甲烷和氢气的方法。先对餐厨垃圾进行破碎，对污泥过1.25mm筛，再将污泥和餐厨垃圾的含水率调节为90％重量百分比。接着按污泥∶餐厨垃圾∶渗滤液＝(10％-90％)∶(5％-45％)∶(5％-45％)量取，再添加餐厨垃圾、渗滤液和污泥总重量的5％的矿化垃圾，并满足C/N为7.0-7.5，pH为5.8-6.2。将它们泵入厌氧发酵罐中，充入氮气以驱除容器中的氧气，在20-55℃反应15天，得到H₂浓度达到4～10％体积百分比，CH₄浓度达到55～57％体积百分比的CH₄和H₂混合气。本发明操作简单、成本低廉，具有可贵的经济和社会效益，用本发明的混合气使甲烷发电效率提高了10-15％，且很好地解决了沼气发电点火困难的问题。文档编号C12P5/02GK101318848SQ20081004059公开日2008年12月10日申请日期2008年7月15日优先权日2008年7月15日发明者刘常青,柴晓利,牛冬杰,峰秦,赵爱华,赵由才申请人:同济大学