一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于固废资源化领域，涉及一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法。
【背景技术】
[0002]随着我国城镇化进程的加快，城市内产生的废弃物量也随着显著增加。以典型的城市生物质废弃物城市污泥和生活垃圾为例，污泥的年发生量约3600万吨、生活垃圾堆存量超过70亿吨，两者的发生量均以每年约10%的速度增加，传统的土地填埋、露天堆放和外运等方式已经无法适应日趋严格的处理处置标准，近年来，全球能源结构正经历以矿物能源为主向多种能源并存的方向的转变，粮食安全和环境恶化等问题也日益突出，采用厌氧消化技术回收生物质废弃物中的非粮生物质能源一一沼气逐渐得到重视。
[0003]在生物质废弃物的厌氧消化过程中，参与物质与能量转化的微生物主要包括发酵细菌、产氢产乙酸细菌、同型产乙酸菌和产甲烷菌，有机质的甲烷化过程就是在这些微生物的作用下，通过一系列生物化学转化来实现的。这些过程可简单的分为两步，一是水解、酸化和乙酸化，二是中间产物乙酸、氢和二氧化碳转化为甲烷。因此，维持这些微生物处于适宜其代谢的环境对于保证厌氧消化系统的效率和稳定性至关重要。然而，在厌氧消化过程中，参与生化反应的这几类微生物的最适理化环境如温度、pH值等是不同的，在传统的厌氧消化工艺中，这些反应在同一个反应器中同时在进行着，不同的微生物均处于相同的理化环境中，没有最大化的实现厌氧消化效率。通过多相系统分别维持适宜不同微生物生长代谢的适宜条件将有助于提高厌氧消化效率。对于厌氧消化系统来说，厌氧消化效率主要体现在有机质的降解率上，除此之外，厌氧消化系统的甲烷产率、沼气中的甲烷含量也是衡量一个厌氧消化系统是否处于良好状态的重要参数。而沼气中甲烷含量和甲烷产率的提升可以通过对产甲烷底物的控制和产甲烷菌活性的提升来实现。
[0004]关于提高有机质的厌氧消化效率，目前已有的方法主要集中在通过物理(如热、光、声、电)、化学(如酸、碱)或生物(如酶，强化生物酸化)等方法对物料进行改性预处理，以此作为厌氧消化工艺的第一段或第一相，然后进行甲烷化过程(以此作为厌氧消化工艺的第二段或第二相)。在提升系统甲烷产率方面，已有方法通常是通过提有机质降解率间接实现的。这些方法均有别于本发明的技术路线。本发明将公开一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法，通过使水解酸化和甲烷化过程分别能够在最佳条件下进行，而提高整个厌氧消化过程的反应速率和产气率；同时，通过产甲烷底物控制提高沼气中甲烷含量，从而进一步提升厌氧消化系统的经济效能。
[0006]本发明的技术方案是:首先，将整个厌氧消化过程的微生物分别富集在两个串联的厌氧消化系统中，其中，第一段富集水解发酵细菌，第二段富集乙酸化和产甲烷菌。微生物分段富集过程是通过调节各段的温度和微生物停留时间来实现的。在此基础上，将第一段产生的气体(主要是0)2和H2)通入第二段厌氧消化系统中，0)2和H2在第二段厌氧消化系统中合成CH4,从而提高沼气中的甲烷含量和系统的整体甲烷产率。
[0007]本发明提出的一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法，将整个厌氧消化过程的微生物分别富集在两个串联的厌氧反应器中，其中，第一段为强化产酸产氢段，富集水解发酵细菌，第二段为强化产甲烷段，富集乙酸化和产甲烷菌；并充分利用强化产酸产氢段的气相产甲烷底物以提高沼气中甲烷含量。具体步骤如下:
(1)强化产酸产氢段:将高有机质废弃物作为密闭的完全混合式厌氧反应器的物料，以连续或半连续进料的方式控制物料在该厌氧反应器中的停留时间为2-4天，控制物料温度为50_60°C。使物料处于厌氧或缺氧的条件下，通过控制停留时间可富集发酵细菌，通过控制物料温度可进一步强化发酵细菌的水解、产酸速率得到的强化产酸产氢气体主要成分为 C02，HjP CH4;
(2)强化产甲烷段:将步骤(I)所得强化产酸产氢段的出料作为强化产甲烷段的物料，以连续或半连续进料的方式控制物料在该完全混合式厌氧反应器中的停留时间为15-20天，控制物料处于厌氧条件下，物料氧化还原电位值(ORP)低于-300mv，控制物料温度为35-37°C，温度波动范围不超过±1°C，强化产酸产氢段的物料富含乙酸和其他短链脂肪酸，在产甲烷菌的作用下大部分通过乙酸分解的途径转化为0)2和CH4;
(3)将步骤(I)所得的强化产酸产氢段的气体通入强化产甲烷段中，利用步骤(2 )中强化产甲烷段富集的氢利用型产甲烷菌将强化产酸产氢段生成的气体COjPH2合成甲烷。
[0008]本发明中，所述高有机质废弃物为城市污泥、有机垃圾等中任一种。
[0009]本发明中，步骤(3)中除将强化产酸产氢段的气体通入强化产甲烷段之外，还可在强化产甲烷段中人为通入比或CO 2和H 2混合气。
[0010]本发明中，所述的连续或半连续进料的方式为每天进料一次或多次。
[0011]本发明的有益效果在于:
1.该工艺采用高温50-60°C强化产酸产氢，提高了有机质的水解酸化效率，有利于提高整个工艺的产甲烷速率。
[0012]2.强化产酸产氢段的0)2和H2通过转移到产甲烷相中而得到进一步的生物甲烷化，提高了甲烷的生成量。在产甲烷的两个途径中(途径1:乙酸分解产生COjPCH4;途径2-COjPH2合成CH4),由于充分强化了途径2 ( COjPH2合成CH4)的作用，沼气中的甲烷浓度得到了提升。
【附图说明】
[0013]图1.提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面通过实施例进一步说明本发明，但本发明的保护范围不限于所述内容。
[0015]实施例1: 某污水处理厂污泥，采用高温酸化-中温甲烷化两相厌氧消化工艺处理回收沼气。其中，高温酸化段的作用是强化产酸产氢，中温甲烷化段的作用为利用高温酸化段的底物进行甲烷化。高温酸化段停留时间为2天，温度为55°C，高温酸化段的出料进入中温甲烷化段，停留时间为15天，温度为37°C，系统内氧化还原电位值(ORP)低于-300mv。运行稳定后，测得该段沼气中甲烷含量为63-65%。为进一步提高沼气中甲烷含量，将高温酸化段的气体通入中温甲烷化段，运行稳定后，测得甲烷化段沼气中的甲烷含量提高到68-70%。
【主权项】
1.一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法，其特征在于将整个厌氧消化过程的微生物分别富集在两个串联的厌氧反应器中，其中，第一段为强化产酸产氢段，富集水解发酵细菌，第二段为强化产甲烷段，富集乙酸化和产甲烷菌；并充分利用强化产酸产氢段的气相产甲烷底物以提高沼气中甲烷含量，具体步骤如下: (1)强化产酸产氢:将高有机质废弃物作为密闭的完全混合式厌氧反应器的物料，以连续或半连续进料的方式控制物料在该厌氧反应器中的停留时间为2-4天，控制物料温度为50-60°C，使物料处于厌氧或缺氧的条件下，通过控制停留时间可富集发酵细菌，通过控制物料温度可进一步强化发酵细菌的水解、产酸速率得到的强化产酸产氢气体主要成分为CO2，比和 CH4; (2)强化产甲烷:将步骤(I)所得强化产酸产氢段的出料作为强化产甲烷段的物料，以连续或半连续进料的方式控制物料在该完全混合式厌氧反应器中的停留时间为15-20天，控制物料处于厌氧条件下，物料氧化还原电位值(ORP)低于-300mv，控制物料温度为35-37°C，温度波动范围不超过±1°C，强化产酸产氢段的物料富含乙酸和其他短链脂肪酸，在产甲烷菌的作用下大部分通过乙酸分解的途径转化为0)2和CH4; (3)将步骤(I)所得的强化产酸产氢段的气体通入强化产甲烷段中，利用步骤(2 )中强化产甲烷段富集的氢利用型产甲烷菌将强化产酸产氢段生成的气体COjPH2合成甲烷。2.根据权利要求1所述的基于亚临界水热处理的污泥高效资源化处理工艺，其特征在于，步骤(3)中除将强化产酸产氢段的气体通入强化产甲烷段之外，还可在强化产甲烷段中人为通入4或CO 2和H 2混合气。3.根据权利要求1所述的基于亚临界水热处理的污泥高效资源化处理工艺，其特征在于所述高有机质废弃物为城市污泥、有机垃圾中任一种。
【专利摘要】本发明属固废资源化领域，具体涉及一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法。主要步骤为：首先，将整个厌氧消化过程的微生物分别富集在两个串联的厌氧消化系统中，其中，第一段富集水解发酵细菌，第二段富集乙酸化和产甲烷菌。微生物分段富集过程是通过调节各段的温度和微生物停留时间来实现的。在此基础上，将第一段产生的气体（主要是CO2和H2）通入第二段厌氧消化系统中，CO2和H2在第二段厌氧消化系统中合成CH4，从而提高沼气中的甲烷含量和系统的整体甲烷产率。该技术通过强化降解和甲烷合成提高了厌氧消化系统的甲烷产率和沼气中的甲烷浓度。
【IPC分类】C02F11/04, C02F11/00
【公开号】CN105036500
【申请号】CN201510447011
【发明人】戴晓虎, 戴翎翎, 段妮娜, 董滨
【申请人】同济大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月28日