专利名称：一种通过生物相分离和优化技术提高生物质废物厌氧消化性能的方法
技术领域：
本发明属于固体废弃物处理与资源化技术领域，涉及一种通过生物相分离优化技术提高生物质厌氧消化效率的方法。
背景技术：
节能环保和资源有效利用是当今世界社会和经济发展的两大主题。随着我国的人口增长、农村产业结构的调整和居民生活水平的不断提高，农产品的产量和消费量也不断增多。以2009年为例，中国果蔬种植面积和产量分别占世界的43%和49%，均居世界第一。 与此同时，果蔬类食品在居民饮食中的比重越来越大，在其收获、加工、储运和食用过程中产生的废弃物占果蔬作物总产量的25% 30%，大多被直接丢弃。这些果蔬废弃物属于生物质废物，具有含水率高、易腐烂的特点，其产量随季节的变化性大，如果处理不当，将会对环境造成严重的污染；另一方面，这类废弃物中有机质含量极高，而且不含有毒有害成分， 具有资源化利用的可能性。据统计，我国每年约有1亿吨的水果和蔬菜废弃物被丢弃，城市生活垃圾中20% 50%的成分都是来自于果蔬加工、储运和食用过程中产生的废弃物，如果能使用先进技术将其转化为可用的资源，将对城市发展和人居环境质量具有重要意义。厌氧消化技术是自20世纪50年代以来逐渐发展的生物处理技术，可以通过无氧或微氧环境下的微生物过程将生物质降解消化，并转化为沼气和富含养分的沼渣。沼气中的主要成分是甲烷和二氧化碳，是一种清洁燃料，而沼渣可用来生产植物有机肥。该技术的规模化应用，将使得生物质废物的无害化处置和再生利用成为可能。特别是对于不含有毒有害物质的果蔬废弃物，可以全部转化为沼气能源和有机肥资源，从而实现生物质资源的循环生产，完全符合我国循环经济建设和可持续发展的国策。厌氧消化工艺按照体系含水率可分为湿式消化和干法消化工艺，按照消化时序可分为单级消化和多级消化工艺，按照生物相特点又可分为单相消化和两相消化工艺。果蔬废弃物中含水率高、纤维素含量也很高，因此针对该种物料的湿式消化工艺已被证明是较优的，但是纤维素的高效降解工艺一直是阻碍转化效率和大规模连续化生产的障碍。两相厌氧消化工艺将微生物水解酸化相和产甲烷相分离开来，分别进行生物工程优化，可以高效转化纤维素，同时大大提高微生物系统在较高进料负荷时的稳定性。然而该工艺的启动技术和相分离优化技术一直没有得到解决，阻碍了两相厌氧消化技术的工业化推广。
发明内容
本发明提供了一种针对生物质物料的两相厌氧消化启动和相分离优化技术，其工艺简单、进料负荷高、体系稳定性好、生物质转化率高。该技术的特点是将物料的固体残渣和汁液分别进行不同条件下的厌氧消化处理，通过两相厌氧消化的酸化相启动优化和酸化 /甲烷化相间质量分配优化，保证不同物料组分的充分均勻的降解，还可以提高微生物体系的PH缓冲量，从而大大提高整个系统的进料负荷，减小反应器体积，降低处理成本，提高系统的转化效率。为实现以上目的，本发明采取了如下的技术方案一种通过生物相分离优化技术提高生物质废物厌氧消化沼气产率的方法，采用的主要设备包括酸化相反应器和产甲烷相反应器，包括如下技术步骤(1)、生物质物料的固液分离首先去除待处理的物料中的坚硬杂物，然后使用粉碎机、压榨机等设备将物料中的固形物和汁液分离开；O)、酸化相反应器的启动与运行将步骤(1)固液分离后的固形物与厌氧消化菌种(接种污泥)按照F/M(vs/vs)(基质微生物比，Food-Microorganism ration) = 1 3的比例混合均勻，加入到酸化反应器中，启动阶段采用一次进料，进料后不再进料，待体系经过3 5天的培养，使产酸菌充分生长，然后进入到正常酸化反应阶段，采用序批式进出料 (即每天进出料一次)；(3)、产甲烷相反应器的启动与运行产甲烷相反应器中加入厌氧消化菌种(接种污泥)，使用步骤(1)中得到的汁液按厌氧污泥床式(ASBR模式)进出料进行驯化，待微生物种群已逐步适应厌氧消化条件后，加入步骤O)中的酸化相出料，从而实现酸化相和产甲烷相的耦合联动，此后将酸化相出料和步骤(1)的汁液作为产甲烷相进料(实际一般情况下酸化相出料和步骤(1)的汁液的比例符合使此整个体系同步反应完全，即一批果蔬生物质物料中固形物产生的总的酸化相为体积a、汁液总体积b，那么产甲烷相进料中酸化相与汁液的体积比为a b，a和b均为实际产生的体积，没有具体范围限制)，实现生物质废物厌氧消化。反应器进料负荷的提升和稳定化在整个体系中通过逐步提高酸化相的负荷从而提高产甲烷相的负荷，酸化相负荷由于不断提高，其PH值、碱度都在逐步下降，为了避免酸化相系统的崩溃，可将产甲烷相排出的沼液按照酸化相进料体积的20% 40%的比例与物料中的固形物混合，一起作为酸化相反应器的进料，利用产甲烷相沼液中丰富的碱度维持酸化相体系的稳定。此外，利用产甲烷相的部分消化液对酸化相进行回流，不仅可以强化难降解物质的水解和酸化作用，而且在酸化相中富集少量的产甲烷菌，可以使已经水解酸化的有机物质得到更多的降解。与此同时还可将产甲烷相反应器的出料作为沼肥或土壤添加剂。所述步骤(1)中，生物质物料优选果蔬生物质物料。所述步骤O)中，酸化相反应器采用完全混合搅拌式厌氧发酵反应装置(CSTR)， 反应温度控制在中温35士 1°C。为实现快速启动，酸化相启动有机负荷不大于20gvs · Γ1, 固形物与厌氧消化菌种按照F/^vs/vs) = 1 3的比例混合均勻，进行3 5天的批式(不进料也不出料)反应后，待系统的PH值稳定在4. 5 5. 5范围内，开始序批式进料(每天进出料一次)，起始容积有机负荷率不大于IOgvs · L—1 · cf1，水力停留时间(HRT) = 3 5 天；当需要提升产甲烷相的容积有机负荷率时，通过提高酸化相的容积有机负荷率来满足其要求，按照容积有机负荷率OLR为IOgvs · L-1 · cf1 18gvs · L-1 · d-1，HRT = 3 5天提高有机负荷率，优选 IOgvs · L—1 · d"\l2gvs · L—1 · d^U4gvs · L—1 · d"\l6gvs · L—1 · d—1、 18gvs -L"1 -(!^,HRT均为4天提升容积有机负荷率。通过实验发现，当OLR = 18gvs -L"1 .cf1 时已达到优选最大值；所述步骤(3)中，产甲烷相反应器采用厌氧污泥床式反应装置(ASBR)，反应温度控制在中温35士 1°C。产甲烷相启动时，按照反应器所设定的有效容积加满厌氧消化菌种 (接种污泥)，作为产甲烷菌源，菌种在实际运行温度下适应3天后，单独用物料的汁液驯化，起始进料容积有机负荷率设定在0. 5 1. Ogvs Μ—1范围内，2 3周后，系统的ρΗ 稳定在7.2 7.6范围内，开始加入酸化相出料；此后将酸化相出料和步骤(1)的汁液作为产甲烷相进料，产甲烷相按照OLR = Igvs ·厂1 · Cf1 5. 5gvs · Γ1 · cf1逐步提升容积有机负荷率，水力停留时间从30天到10天逐步缩短。优选OLR = Igvs · L—1 · d—1、HRT = 30 天，2gvs · L-1 · cf1、HRT = 20 天，3gvs · L-1 · cf^HRT = 20 天，4gvs · L-1 · cf^HRT = 20 天， 5gvs · Γ1 · cf1、HRT = 20天，5. 5gvs · Γ1 · cf^HRT = 10天逐步提升负荷。通过实验发现， 当OLR = 5. 5gvs · Γ1 · cf1时已达到优选最大值。本发明的发明点在于通过厌氧消化酸化相和产甲烷相的分离和针对性优化技术， 改善了体系的启动稳定性，提高了进料负荷，缩短了整体消化时间。将生物质物料进行固液分离，针对固相部分和液相部分的不同性质，使用不同的工艺参数和反应器进行降解转化， 使得物料中各成分在两相中重新分配，易于生物降解的液相直接进入产甲烷反应器，而固形物进入酸化反应器，其中的纤维素、淀粉等大分子经水解酸化过程后，再进入产甲烷反应器进行甲烷化，从而提高整个厌氧消化系统的消化速率和效率；通过优化进料/接种比以实现酸化相的快速启动；酸化相采用批式法启动，使启动过程更加稳定可控；通过沼液回流，有效调节了酸化相体系的PH值、碱度等，为酸化相内的微生物创造了良好的作用环境， 有利于厌氧系统的平稳运行。与现有技术相比，本发明具有如下优点1、通过强化的厌氧酸化反应改善纤维素的降解效果厌氧消化原料中的固形物富含纤维素，在厌氧条件下不容易被降解，而固形物的水解是整个厌氧消化过程的限速步骤。 因此，通过一定途径改善其水解速率具有重要的意义。本发明通过固液分离实现纤维素等大分子物质的富集，在酸化反应器中强化水解酸化，出料再进入甲烷化反应器，这样不仅可以保证不同组分物料充分均勻的酸化，又可以减少二次水解酸化的物料量，减小反应体积， 降低处理成本，提高系统的消化效率和速率；2、通过反应器启动时的物料和接种物比例优化，使得微生物体系分别保持在酸化和产甲烷化反应的最佳状态，缩短启动时间，提高了运行效率；3、酸化相采用批式法启动，避免了反应器启动时耐受性低，运行不稳定的问题。产甲烷相采用厌氧污泥床方式启动和运行，在最大程度上保证了反应器中的微生物数量，提高了系统的稳定性；4、生物相间的耦合调配技术保证了系统在高负荷下的稳定性本发明采用两相厌氧生物处理技术强化了生物质物料中不同成分的厌氧消化过程，更重要的是通过两个反应器各自的工艺参数的优化，使得厌氧酸化微生物和厌氧产甲烷微生物都处于最适宜的代谢环境下，对进料负荷的耐受性大大提高；5、通过优化反应器的进料量和水力停留时间，实现了体系内部物料交换量的平衡。从整个两相厌氧消化系统的角度来看，除了每天的进出料之外，不产生其他废物，也不额外消耗接种物或水分。相比于传统厌氧消化反应器需要定时添加水分以保证体系平衡的问题，本发明所提供的方法可大大减少系统的排放量。6、节能环保的废物资源化循环利用技术整个厌氧消化过程在密闭的反应器中进行，产甲烷相厌氧消化过程中所产生的剩余物较少，将部分回流可以有效的维持酸化相的稳定运行，沼渣可以作为沼肥或土壤添加剂，从而实现了生物质废物处理处置的减量化、资源化、无害化。
图1为本发明方法的工艺流程图；
具体实施例方式以上所述实施例只为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明方法、原理等所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围。实施例1 一种通过生物相分离优化技术提高生物质废物厌氧消化沼气产率的方法，包括以下工艺步骤1、原料预处理将果蔬垃圾用粉碎机和榨汁机打碎成浆状，并实现固液分离，榨汁机筛网孔径为1mm，挤出力300 600N，总的汁液体积为b ；2、酸化相的启动与运行酸化相反应器采用完全混合拌式厌氧发酵反应装置 (CSTR)，有效工作体积为5L，反应温度控制在35 士 1 °C，搅拌强度为120r · mirT1，每池搅拌 5min。酸化相启动有机负荷20gvs -^,F/M = 2，进行4天的批式反应后，待系统的pH值稳定在4. 5 5. 5范围内，H2含量在10%左右，CO2含量在80%左右，CH4和N2含量< 5%后， 开始序批式进料。反应阶段固定HRT = 4天，按照容积有机负荷率OLR = IOgvs · L—1 · d—1、 12gvs · Γ1 · cr、14gvs · Γ1 · d"\l6gvs · Γ1 · d"\l8gvs · Γ1 · cf1 逐步提升容积有机负荷率，总的酸化相产率体积为a。3、产甲烷相的启动与运行产甲烷相反应器采用厌氧污泥床式反应装置(ASBR)， 有效工作体积为10L，反应温度控制在35 士 1°C，搅拌强度为120r · mirT1，每池搅拌5min。 产甲烷相启动时，加入厌氧消化菌种(接种污泥)10L，作为产甲烷菌源，菌种复活三天，之后单独用果蔬汁驯化15d，果蔬汁进料容积有机负荷率OLR = 0. 5gvs · L-1 · cf1，HRT = 30 天，15天后，系统的pH稳定在7. 2 7. 6范围内，开始加入酸化相出料与果蔬汁作为产甲烷相的每天进料，每天进料中酸化相出料与果蔬汁的体积比符合a b，实现两相的耦合联动。产甲烷相进料的起始容积有机负荷率OLR = Igvs · Γ1 · cf1，HRT = 30天，待产甲烷相在该负荷率下运行30 60天后，即运行1 2个水力停留时间，负荷产气率稳定在800 850mL · gvs"1之间，甲烷含量在55% 60%范围内稳定波动，pH稳定在7. 6左右，即可提高容积有机负荷率至2gvs · L—1 · cf1，由于容积有机负荷率的升高，进料体积随之增加，因此水力停留时间也相应的缩短至20天。在产甲烷相运行期间，按照OLR = Igvs · Γ1 · cf1、 HRT = 30 天，2gvs · Γ1 · cf1、HRT = 20 天，3gvs · Γ1 · cf1、HRT = 20 天，4gvs · Γ1 · cf1、HRT =20 天，5gvs · Γ1 · cf1、HRT = 20 天，5. 5gvs · Γ1 · cfl、HRT = 10 天的步骤逐步提升容积有机负荷率。4、反应器进料负荷的提升和稳定化酸化相负荷由于不断提高，其pH值、碱度和系统稳定性都在逐步下降，为了避免酸化相系统的抑制，将产甲烷相溢流出的沼液按照酸化相进料体积的20% 40%的比例加入到酸化相反应器中，经过长期运行发现，向酸化相中加沼液可以很好的维持酸化相体系的稳定。此外还可将产甲烷相反应器的出料作为沼肥或土壤添加剂。以有机负荷=20gvs · F/M = 2，HRT = 4天为启动参数启动酸化相，可使其快速进入到产酸阶段；产甲烷相采用低负荷启动，单独用果蔬汁驯化，果蔬汁起始进料容积有机负荷率为0. 5gvs -Γ1 -d-\HRT = 30天，经过15天的培养驯化后，改用酸化相出料与果蔬汁作为产甲烷相的进料。在产甲烷相运行期间，当容积有机负荷率OLR = Igvs -L-1.^1 5. 5gvs · Γ1 · cf1，HRT = 30 10天时，果蔬垃圾的负荷产气率在850 450mL · gvs-1之间，甲烷含量在 60%范围内稳定波动，pH稳定在7. 2 7. 6之间。实施例具体实施方式
如下一种通过生物相分离优化技术提高生物质废物厌氧消化沼气产率的方法，包括以下工艺步骤1、原料预处理将果蔬垃圾用粉碎机和榨汁机打碎成浆状，并实现固液分离，榨汁机筛网孔径为1mm，挤出力300 600N ；2、酸化相的启动与运行酸化相反应器采用完全混合拌式厌氧发酵反应装置 (CSTR)，有效工作体积为5L，反应温度控制在35 士 1 °C，搅拌强度为120r · mirT1，每池搅拌 5min。酸化相启动有机负荷20gvs -^,F/M = 2. 5，进行3天的批式反应后，待系统的pH值稳定在4. 5 5. 5范围内，H2含量在10%左右，(X)2含量在80%左右，CH4和N2含量< 5%后， 开始序批式进料。反应阶段固定HRT = 3天，按照容积有机负荷率OLR = IOgvs · L—1 · d—1、 12gvs · L—1 · d"\l4gvs · L—1 · d^U6gvs · L—1 · d^U8gvs · L—1 · cf1 不断提升负荷，总的酸化相产率体积为a。3、产甲烷相的启动与运行产甲烷相反应器采用厌氧污泥床式反应装置(ASBR)， 有效工作体积为10L，反应温度控制在35 士 1°C，搅拌强度为120r · mirT1，每池搅拌5min。 产甲烷相启动时，加入厌氧消化菌种(接种污泥)10L，作为产甲烷菌源，菌种复活三天，之后单独用果蔬汁驯化15d，果蔬汁进料容积有机负荷率OLR = 0. 5gvs · L-1 · cf1，HRT = 30 天，15天后，系统的pH稳定在7. 2 7. 6范围内，开始加入酸化相出料与果蔬汁作为产甲烷相的每天进料，每天进料中酸化相出料与果蔬汁的体积比符合a b，实现两相的耦合联动。产甲烷相进料的起始容积有机负荷率OLR = Igvs · Γ1 · cf1，HRT = 30天，待产甲烷相在该负荷率下运行30 60天后，即运行1 2个水力停留时间，负荷产气率稳定在800 850mL -gvs"1之间，甲烷含量在55% 60%范围内稳定波动，pH稳定在7. 6左右，即可提高容积有机负荷率至2gvs · L—1 · cf1，由于容积有机负荷率的升高，进料体积随之增加，因此水力停留时间也相应的缩短至20天。在产甲烷相运行期间，按照OLR = Igvs · Γ1 · cf1、HRT =30 天，2gvs · L-1 · cf1、HRT = 20 天，3gvs · L-1 · cf1、HRT = 20 天，4gvs · L-1 · cf1、HRT = 20 天，5gvs · Γ1 · cf1、HRT = 20 天，5. 5gvs · Γ1 · cf1、HRT = 10 天的步骤逐步提升容积有机负荷率。4、反应器进料负荷的提升和稳定化酸化相负荷由于不断提高，其pH值、碱度和系统稳定性都在逐步下降，为了避免酸化相系统的抑制，将产甲烷相溢流出的沼液按照酸化相进料体积的20% 40%的比例加入到酸化相反应器中，经过长期运行发现，向酸化相中加沼液可以很好的维持酸化相体系的稳定。此外还可将产甲烷相反应器的出料作为沼肥或土壤添加剂。
以有机负荷=20gvs · F/M = 2. 5，HRT = 3天为启动参数启动酸化相，可使其快速进入到产酸阶段 ’产甲烷相采用低负荷启动，单独用果蔬汁驯化，果蔬汁起始进料负荷为0. 5gvs · Γ1 · cf1、HRT = 30天，经过15天的培养驯化后，改用酸化相出料与果蔬汁作为产甲烷相的进料。在产甲烷相运行期间，当容积有机负荷率OLR = Igvs · L—1 · cf1 5. 5gvs · Γ1 · cf1，HRT = 30 10天时，果蔬垃圾的负荷产气率在850 450mL · gvs-1之间，甲烷含量在 60%范围内稳定波动，pH稳定在7. 2 7. 6之间。
权利要求
1.一种通过生物相分离和优化技术提高生物质废物厌氧消化性能的方法，采用的主要设备包括酸化相反应器和产甲烷相反应器，包括如下技术步骤(1)、生物质物料的固液分离首先去除待处理的物料中的坚硬杂物，然后使用粉碎机、 压榨机将物料中的固形物和汁液分离开；O)、酸化相反应器的启动与运行将步骤(1)固液分离后的固形物与厌氧消化菌种按照F/M(vs/vs) = 1 3的比例混合均勻，加入到酸化反应器中，启动阶段采用一次进料，进料后不再进料，待体系经过3 5天的培养，使产酸菌充分生长，然后进入到正常酸化反应阶段，采用序批式进出料(即每天进出料一次)；(3)、产甲烷相反应器的启动与运行产甲烷相反应器中加入厌氧消化菌种，使用步骤 (1)中得到的汁液按厌氧污泥床式进出料进行驯化，待微生物种群已逐步适应厌氧消化条件后，加入步骤O)中的酸化相出料，从而实现酸化相和产甲烷相的耦合联动，此后并将酸化相出料和步骤(1)的汁液作为产甲烷相进料，实现生物质废物厌氧消化。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，将产甲烷相排出的沼液按照酸化相进料体积的20% 40%的比例与步骤(1)物料中的固形物混合，一起作为酸化相反应器的进料。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，所述步骤O)中，酸化相反应器采用完全混合搅拌式厌氧发酵反应装置，反应温度控制在中温35士 1°C，酸化相启动有机负荷不大于 20gvs · L—1，进行3 5天的批式反应后，待系统的pH值稳定在4. 5 5. 5范围内，开始序批式进料，起始容积有机负荷率不大于IOgvs · L—1 · cf1，水力停留时间HRT = 3 5天，按照OLR为IOgvs · L-1 · cf1 18gvs · L-1 · cf1不断提升容积有机负荷率。
4.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，产甲烷相反应器采用厌氧污泥床式反应装置，反应温度控制在中温35士 1，产甲烷相启动时，按照反应器所设定的有效容积加满厌氧消化菌种，作为产甲烷菌源，菌种在实际运行温度下适应3天后，单独用物料的汁液驯化，起始进料负荷设定在0. 5 1. Ogvs · L—1 · cf1范围内，2 3周后，系统的 PH稳定在7. 2 7. 6范围内，开始加入酸化相出料；此后将酸化相出料和步骤(1)的汁液作为产甲烷相进料，按照OLR = Igvs · Γ1 · cf1 5. 5gvs · Γ1 · cf1逐步提升容积有机负荷率，水力停留时间从30天到10天逐步缩短。
5.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，步骤(1)生物质物料中汁液总体积b、固形物在步骤( 产生的总的酸化相为体积a，那么步骤C3)产甲烷相进料中酸化相与汁液的体积比为a b。
6.按照权利要求3的方法，其特征在于，步骤⑵中按照OLR=IOgvs · L—1 · cf1、 12gvs · Γ1 · (T、14gvs · Γ1 · (T、16gvs · Γ1 · (T、18gvs · Γ1 · cf1，HRT 均为 4 天，不断提升容积有机负荷率。
7.按照权利要求4的方法，其特征在于，步骤(3)中按照OLR=Igvs-L-1.^1, HRT = 30 天，2gvs · L—1 · d—1、HRT = 20 天，3gvs · L—1 · d—1、HRT = 20 天，4gvs · L—1 · d—1、HRT = 20 天，5gvs · L-1 · cf1、· = 20天，5. 5gvs · L-1 · cf1、· = 10天的步骤逐步提升容积有机负荷率。
全文摘要
一种通过生物相分离和优化技术提高生物质废物厌氧消化性能的方法，属于固体废弃物处理与资源化技术领域。该技术的特点是将物料的固体残渣和汁液分别进行不同条件下的厌氧消化处理，液相直接进入产甲烷反应器，而固形物进入酸化反应器，通过两相厌氧消化的酸化相启动优化，然后再进入产甲烷反应器，优化酸化/甲烷化相间质量分配，实现酸化相和产甲烷相的耦合联动，保证不同物料组分的充分均匀的降解，还可以提高微生物体系的pH缓冲量，从而大大提高整个系统的进料负荷，减小反应器体积，降低处理成本，提高系统的转化效率。
文档编号C12P5/02GK102559771SQ20121000658
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者刘研萍, 朱保宁, 李秀金, 蔡文婷, 袁海荣, 邹德勋 申请人:北京化工大学