一种基于沼气循环耦合活性炭提高猪粪产甲烷性能的方法

1.本发明涉及有机固体废弃物高效资源化利用领域，具体为一种基于沼气循环耦合活性炭提高猪粪产甲烷性能的方法。


背景技术：

2.随着我国人民生活和经济水平的飞速发展，各领域的有机固体废物产量呈现不断增加的趋势。而厌氧消化是一种实现有机固体废物资源化的生物处理技术，其可将有机物转化为沼气，以实现高效资源化利用。尽管厌氧消化技术因具有环境友好的特点获得了快速发展，但畜禽粪便有机物的化学成分十分复杂，且含有许多难降解的大分子物质，导致传统的厌氧消化技术在处理畜禽粪便过程中水解酸化效率较低，且有机物降解不充分，产甲烷性能较差。


技术实现要素：

3.本发明目的是针对传统的厌氧消化技术在处理畜禽粪便过程中有机物降解效率低，反应缓慢致使投资运营成本高的问题，提出一种基于沼气循环耦合活性炭提高猪粪产甲烷性能的方法，促进水解酶/微生物与底物的充分接触，加强体系的酶促反应和微生物代谢活性，从而提高有机物降解效率和产甲烷性能，以实现发酵时间缩短和投资运营成本降低。
4.为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
5.一种基于沼气循环耦合活性炭提高猪粪产甲烷性能的方法，包括以下步骤：
6.1)将经猪粪驯化的厌氧污泥接种至内置有底物猪粪的厌氧反应器中，按照挥发性固体计，接种厌氧污泥与底物猪粪的质量比为1:2-3，并加入蒸馏水，混合均匀，调整总固体含量为4.5-5.5％，同时调节ph值为7.3-7.8；再向厌氧反应器投加4.5-5.5g/l粉末活性炭，混合搅拌均匀；
7.2)采用密封塞密封厌氧反应器的瓶口，所述密封塞中通过穿插第一通管和第二通管，所述第一通管连接冷凝管；所述第二通管一端连接曝气器，另一端通过硅胶软管依次与微型真空泵、过滤器连接；所述过滤器通过硅胶软管连接三通；所述三通一端通过弯头、硅胶软管与冷凝管连接，另一端通过硅胶软管与双阀铝箔复合膜气体采样袋的开关侧阀连接；
8.3)将厌氧反应器置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅设定温度为35℃
±
0.5℃；
9.4)设定微型真空泵流量为150-250ml/min，按照开启0.9-1.1小时、关闭0.9-1.1小时，定时重复开/关间歇运行；其中，微型真空泵流量过高，不但能耗过高，浪费能源，而且搅动猛烈，溶于水中的气体还不及被菌利用就被吹脱，导致效果变差；微型真空泵流量过低时，搅拌效果差，系统均一性不够高，不能保证菌与底物充分接触；
10.5)厌氧反应器中产生的沼气通过所述第一通管进入冷凝管，然后经所述弯头和三通连通的硅胶软管把沼气分流为两部分，一部分沼气经过滤器被抽入微型真空泵，再通过
硅胶软管、第二通管将沼气打入曝气器鼓泡，形成沼气循环；另一部分剩余沼气经开关侧阀进入双阀铝箔复合膜气体采样袋。
11.进一步的，所述粉末活性炭经40目筛过筛。
12.进一步的，所述冷凝管内置有pp塑料颗粒，以截留沼气中冷凝所产生的水蒸气，同时避免进入微型真空泵，造成损坏。
13.进一步的，所述厌氧污泥与猪粪的质量比为2:3；所述总固体含量为5％；所述ph值为7.5；所述粉末活性炭的投加量为5g/l；
14.所述微型真空泵的流量为200ml/min，开启时间为1小时，关闭开启时间为1小时，定时重复开/关间歇运行。
15.进一步的，所述厌氧反应器的侧面底部设有取样口。
16.进一步的，所述密封塞为橡胶塞；所述第一通管和第二通管均为304不锈钢管。
17.进一步的，所述恒温水浴锅为电热数显恒温水浴锅。
18.进一步的，所述曝气器为钛合金曝气器。
19.进一步的，所述弯头为l型弯头，所述三通为y型三通。
20.一种使用本发明所述基于沼气循环耦合活性炭提高猪粪产甲烷性能的方法的装置，所述装置包括曝气器、恒温水浴锅、厌氧反应器、冷凝管、微型真空泵、过滤器、双阀铝箔复合膜气体采样袋(13)、密封塞(14)；
21.所述厌氧反应器置于恒温水浴锅中；
22.所述密封塞用于密封厌氧反应器的瓶口；
23.所述密封塞中通过穿插第一通管和第二通管，所述第一通管与冷凝管连接，所述冷凝管内置有pp塑料颗粒；
24.所述第二通管一端连接曝气器，另一端通过硅胶软管依次与微型真空泵、过滤器连接，
25.所述双阀铝箔复合膜气体采样袋(13)上设开关侧阀，所述过滤器通过硅胶软管连接三通，所述三通一端通过弯管、硅胶软管与冷凝管连接，另一端通过硅胶软管与双阀铝箔复合膜气体采样袋(13)的开关侧阀连接。
26.本发明的有益技术效果：
27.(1)本发明通过沼气循环耦合活性炭，促进水解酶/微生物与底物的充分接触，加强体系的酶促反应和微生物代谢活性，强化种间电子传递，提高有机物的水解酸化效率和产甲烷性能，以提升碳转化率，实现有机废弃物的高效能源转化。为厌氧消化系统的高效、稳定运行提供技术支持，并促进畜禽废水低碳化处理及清洁能源的开发利用。
28.(2)传统机械搅拌混合模式消耗大量能源，而沼气循环作为一种扩散装置，通过沼气鼓泡对反应器进行搅拌混合，促使微生物与底物的充分接触，有效提高有机物降解效率和产甲烷性能。
29.(3)导电碳材料总是作为添加剂被直接用作电子载体，通过促进种间电子传递来提高厌氧消化效率。可以加速和稳定有机物向ch4的转化。粉末活性炭具有较大的比表面积和良好的吸附性能，可以为微生物提供附着点，有助于减少有机冲击负荷对甲烷生产过程的影响，以实现减少产甲烷滞后时间、提高甲烷产量。
30.(4)本发明解决了传统的厌氧消化技术在处理畜禽粪便过程中有机物降解效率
低，反应缓慢致使投资运营成本高的问题。
附图说明
31.图1是本发明方法所用的装置结构示意图；
32.图2是本发明实施例1化学需氧量scod浓度随时间变化图；
33.图3是本发明实施例1累计甲烷产量随时间变化图；
34.图中：1、取样口；2、曝气器；3、恒温水浴锅；4、厌氧反应器；501第一通管、502第二通管；6、冷凝管；7、pp塑料颗粒；8、弯头；9、三通；10、开关侧阀；11、微型真空泵；12、过滤器；13、双阀铝箔复合膜气体采样袋；14、密封塞。
具体实施方式
35.为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案、下面将结合本发明中的附图，对本发明进行做进一步详细的具体说明，但本发明的实施方式不限于此。
36.本发明实施例使用的厌氧污泥经猪粪驯化，驯化方法如下：
37.将污泥接种至内置有底物猪粪的厌氧反应器中，按照vs(挥发性固体)计，接种厌氧污泥与底物猪粪的质量比为2:3，并加入蒸馏水，混合均匀，调整ts(总固体)含量为5％，同时调节ph值为7.5，在35℃
±
0.5℃温度条件下，厌氧发酵45天，得到厌氧污泥。
38.实施例1
39.如图1所示，一种基于沼气循环耦合活性炭提高猪粪产甲烷性能的方法，包括以下步骤：
40.1)将经猪粪驯化的厌氧污泥接种至内置有底物猪粪的厌氧反应器(4)中，在本实施例中，厌氧反应器(4)体积为2l，按照vs(挥发性固体)计，接种厌氧污泥与底物猪粪的质量比为2:3，并加入蒸馏水，混合均匀，调整ts(总固体)含量为5％，同时调节ph值为7.5；再向厌氧反应器投加5.0g/l粉末活性炭，粉末活性炭经40目筛过筛；混合搅拌均匀；
41.2)采用密封塞(14)严格密封厌氧反应器(4)的瓶口，以保证厌氧条件，密封塞(14)中通过穿插第一通管(501)和第二通管(502)，第一通管(501)连接冷凝管(6)，冷凝管(6)内置有pp塑料颗粒(7)，以截留沼气中冷凝所产生的水蒸气，同时避免进入微型真空泵(11)，造成损坏；第二通管(502)一端连接曝气器(2)，另一端通过硅胶软管(图中未标示)依次与微型真空泵(11)、过滤器(12)连接；过滤器(12)通过硅胶软管连接三通(9)；三通(9)一端通过弯头(8)、硅胶软管与冷凝管(6)连接，另一端通过硅胶软管与双阀铝箔复合膜气体采样袋(13)的开关侧阀(10)连接；
42.3)将厌氧反应器(4)置于恒温水浴锅(3)中，恒温水浴锅(3)设定温度为35℃
±
0.5℃；
43.4)设定微型真空泵流量为200ml/min，按照开启1小时、关闭1小时，定时重复开/关间歇运行；
44.5)在厌氧条件下，厌氧反应器(4)中产生的沼气通过第一通管(501)进入冷凝管(6)，然后经弯头(8)和三通(9)连通的硅胶软管把沼气分流为两部分，一部分沼气经过滤器(12)被抽入微型真空泵(11)，再通过硅胶软管、第二通管(502)将沼气打入曝气器(2)鼓泡，形成沼气循环；另一部分剩余沼气经开关侧阀(10)进入双阀铝箔复合膜气体采样袋(13)。
45.在本实施例中，厌氧反应器(4)的侧面底部设有取样口(1)，方便取样检测。
46.在本实施例中，密封塞(14)为橡胶塞；第一通管(501)和第二通管(502)均为304不锈钢管；恒温水浴锅(3)为电热数显恒温水浴锅；曝气器为钛合金曝气器；弯头(8)为l型弯头(8)，三通(9)为y型三通(9)。
47.实施例2
48.与实施例1区别在于，
49.1)步骤中，将经猪粪驯化的厌氧污泥接种至内置有底物猪粪的厌氧反应器(4)中，按照挥发性固体计，接种厌氧污泥与底物猪粪的质量比为2:2.8，并加入蒸馏水，混合均匀，调整总固体含量为5.0％，同时调节ph值为7.5；再向厌氧反应器投加4.5g/l粉末活性炭，粉末活性炭经40目筛过筛；混合搅拌均匀；
50.4)步骤中，设定微型真空泵流量为150ml/min，按照开启1小时、关闭1小时，定时重复开/关间歇运行；
51.其他步骤与实施例1一致。
52.实施例3
53.与实施例1区别在于，
54.1)步骤中，将经猪粪驯化的厌氧污泥接种至内置有底物猪粪的厌氧反应器(4)中，按照挥发性固体计，接种厌氧污泥与底物猪粪的质量比为2:3.2，并加入蒸馏水，混合，调整总固体含量为5.0％，同时调节ph值为7.5；再向厌氧反应器投加5.5g/l粉末活性炭，粉末活性炭经40目筛过筛；混合搅拌均匀；
55.4)步骤中，设定微型真空泵流量为250ml/min，按照开启1小时、关闭1小时，定时重复开/关间歇运行；
56.其他步骤与实施例1一致。
57.如图1所示，上述实施例使用装置，包括曝气器(2)、恒温水浴锅(3)、厌氧反应器(4)、冷凝管(6)、微型真空泵(11)、过滤器(12)、双阀铝箔复合膜气体采样袋(13)、密封塞(14)；
58.厌氧反应器(4)置于恒温水浴锅(3)中；
59.密封塞(14)用于密封厌氧反应器(4)的瓶口；
60.密封塞(14)中通过穿插第一通管(501)和第二通管(502)，第一通管(501)与冷凝管(6)连接，冷凝管(6)内置有pp塑料颗粒(7)；
61.第二通管(502)一端连接曝气器(2)，另一端通过硅胶软管依次与微型真空泵(11)、过滤器(12)连接；
62.双阀铝箔复合膜气体采样袋(13)上设开关侧阀(10)，过滤器(12)通过硅胶软管连接三通(9)，三通(9)一端通过弯管、硅胶软管与冷凝管(6)连接，另一端通过硅胶软管与双阀铝箔复合膜气体采样袋(13)的开关侧阀(10)连接。
63.对比例1
64.与实施例1区别在于，向厌氧反应器投加2.5g/l粉末活性炭。具体为：
65.1)步骤中，将1)将经猪粪驯化的厌氧污泥接种至内置有底物猪粪的厌氧反应器(4)中，按照挥发性固体计，接种厌氧污泥与底物猪粪的质量比为2:3，并加入蒸馏水，混合，调整总固体含量为5％，同时调节ph值为7.5；再向厌氧反应器投加2.5g/l粉末活性炭，粉末
活性炭经40目筛过筛；混合搅拌均匀。其他步骤与实施例1一致。
66.对比例2
67.与实施例1区别在于，4)设定微型真空泵流量为300ml/min，按照开启1小时、关闭1小时，定时重复开/关间歇运行。其他步骤与实施例1一致。
68.对比例3
69.与实施例1区别在于，4)设定微型真空泵流量为100ml/min，按照开启1小时、关闭1小时，定时重复开/关间歇运行。其他步骤与实施例1一致。
70.对照组1
71.与实施例1区别在于，不添加活性炭粉末，且不使用沼气循环装置。其他步骤与实施例1一致。
72.对照组2
73.与实施例1区别在于，不添加活性炭粉末，仅使用沼气循环装置。其他步骤与实施例1一致。
74.对照组3
75.与实施例1区别在于，仅添加5.0g/l活性炭粉末，不使用沼气循环装置。其他步骤与实施例1一致。
76.为了验证发明的处理效果，分别按实施例以及对比例的混合比例混合底物和接种物，投加粉末活性炭，调节ph值后，搅拌均匀，进入厌氧反应器进行厌氧发酵产甲烷，并从取样口和气体采样袋中，测量scod、甲烷产量等指标，用于评估厌氧反应体系的有机物降解效率和产甲烷性能，并与传统厌氧消化的对照组比较。结果如下
77.试验结果表明：
[0078][0079][0080]
上述结果表明，相比对照组，本发明实施例1-3在有机物降解效率和产甲烷性能方面都得到了显著的改善。
[0081]
其中，与实施例1相比，对比例1使用粉末活性炭量较少，甲烷产量明显下降。
[0082]
对比例2的微型真空泵流量过高，不但能耗过高，浪费能源，而且搅动猛烈，溶于水中的气体还不及被菌利用就被吹脱，导致效果变差。
[0083]
对比例3的微型真空泵流量过低，搅拌效果差，系统均一性不够高，不能保证菌与底物充分接触。
[0084]
而且，通过图2，图3可以得出，基于本发明的实施例1(实验组)，相比传统厌氧消化的对照组，在有机物降解效率和产甲烷性能方面都得到了显著的改善，实际应用可大大缩短发酵时间和降低投资运营成本。