本发明属于环境保护和资源综合利用技术领域，尤其是涉及一种利用碳材料改善合成气厌氧发酵效果的方法。
背景技术：
木质纤维素生物质原料(如秸秆和木头)不易被微生物直接降解并转化成生物原料。若直接燃烧，在燃烧效率低的同时，还会形成大量空气污染物，而将它们气化或热解为合成气是实现其资源化能源化的有效处理方式之一。合成气可以直接用于为工业锅炉，燃气轮机或燃料电池提供电力，也可以通过化学或生物技术进一步转化成醛、醇、酸类、高纯原料气(如甲烷，氢气)等产品。将木质纤维素生物质原料气化或热解为合成气的化学工艺很成熟，但通常需要在高温高压条件下进行，还需要恒定的co/h2比率，当混有其他杂质时会导致产品质量变差【klassonkt,m.d.ackerson,clausenec,etal.1991.bioreactordesignforsynthesisgasfermentations.fuel70(5):605-614.】；而相比于化学工艺，采用开放式的混合菌厌氧发酵技术可以避免这些问题，其成本低和较易获得的特点使其更具实际应用价值【guiotsr,cimpoiar,carayong.potentialofwastewater-treatinganaerobicgranulesforbiomethanationofsynthesisgas.2011.environmentalscience&technology45(5):2006-12.】。
合成气中一氧化碳占比10％-100％。一氧化碳营养型厌氧微生物的驯化和增殖通常需要很长的启动时间，而一氧化碳对微生物的潜在毒性也会影响功能菌的代谢过程以及与其它微生物的合作【sanchons,cimpoiar,bruantg,etal.biomethanationofsyngasusinganaerobicsludge:shiftinthecatabolicrouteswiththecopartialpressureincrease[j].frontiersinmicrobiology,2016,7(147).】当这些一氧化碳营养型厌氧微生物不能及时降解完一氧化碳时，会导致厌氧发酵系统的不稳定【mohammadim,najafpourgd,younesih,etal.bioconversionofsynthesisgastosecondgenerationbiofuels:areview[j].renewable&sustainableenergyreviews,2011,15(9):4255-4273.】。因此，为解决上述问题，需要强化微生物的代谢能力和抗一氧化碳抑制的能力。
科技文章【sanchons,cimpoiar,bruantg,etal.biomethanationofsyngasusinganaerobicsludge:shiftinthecatabolicrouteswiththecopartialpressureincrease[j].frontiersinmicrobiology,2016,7(147).】报道：通过长期在1atm的一氧化碳分压的氛围下驯化厌氧污泥，使得污泥中微生物利用一氧化碳能力和产甲烷能力有了显著的提升。
技术实现要素：
基于上述背景，本发明提出了一种利用碳材料改善合成气厌氧发酵效果的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用碳材料改善合成气厌氧发酵效果的方法，包括以下步骤：
(1)在以厌氧污泥作为启动菌剂的厌氧反应器中添加碳材料；
(2)以合成气作为碳源，用曝气的方式进行厌氧发酵。
所述的碳材料可由有机废物热解或气化产生，也可根据其产物进一步加工制得，包括生物炭、活性炭等。
所述的碳材料粒径<150微米，比表面积不低于100m2/g或者酸碱官能团含量不低于3mmol/g。
所述的碳材料在厌氧反应器中的体积填充率小于1％。
所述的碳材料与作为启动菌剂的厌氧污泥vs质量比为0.8:1-1.2:1。
所述厌氧反应器运行参数为：反应温度为30-40℃，ph6.5-7.8，气体回流率为90％-100％，越高越好。
所述的合成气由一氧化碳和其它气体按一定比例配制成，合成气中一氧化碳体积占比在10％-100％。
所述的合成气为木质纤维素生物质原料经热解或气化过程产生的富含一氧化碳的合成气。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及效果：
1、碳材料的多孔性和比表面积较大的特性能够为微生物生存提供附着位点和较大空间，改善微生物的生长、发育和代谢。它们还含有丰富的官能团，能调节材料周边的液相环境。此外它们都是导电的材料，能促进电子传递，加快物质的降解，从而有助于提高微生物抗抑制的能力。
2、添加了碳材料的反应器启动时间缩短，一氧化碳降解速率和甲烷产生速率得以大幅提升，合成气厌氧发酵效果得以改善。
3、木质纤维素生物质原料(如木头，秸秆)经热解或气化过程可产生富含一氧化碳的合成气，生物炭和活性炭等碳材料也可以由热解过程产生。用合成气和碳材料分别作为微生物厌氧发酵过程的碳源和添加剂，可以实现废物的生物精炼和高值化。
附图说明
图1为本发明中闭合升流式厌氧反应器的结构示意图。
图中各标号如下：1-进气口；2-曝气头；3-微生物；4-酸液罐；5-碱液罐；6-厌氧反应器；7-循环泵；8-输送泵；9-气泡；10-出气口；11-ph控制系统；12-气袋；13-出气管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例采用的厌氧反应器结构如图1所述，为闭合升流式厌氧反应器。厌氧反应器6底部设有进气口1，在进气口1上方设置曝气头2，在厌氧反应器6内部填充有微生物3，在厌氧反应器6顶端设有出气口10，在厌氧反应器6外设有填充合成气的气袋12，气袋12通过进气管与进气口1连通，在进气管上设有循环泵7，从出气口10引出回流管与出气管13，回流管与气袋12连通，出气管13直接通入大气中。
合成气从进气口1进入后通过曝气头2形成许多气泡9，气泡9会通过微生物3，以合成气作为碳源，用曝气的方式进行厌氧发酵。
在厌氧反应器6外设有酸液罐4与碱液罐5，酸液罐4与碱液罐5同时与酸碱液补充管连接，酸碱液补充管伸入到厌氧反应器6内，在酸碱液补充管上设有输送泵8，在厌氧反应器6内设有ph控制系统11，通过ph控制系统11控制酸液罐4与碱液罐5加入到厌氧反应器内的量，进而控制厌氧反应器6内的ph范围。
本实施例利用碳材料改善合成气厌氧发酵效果的方法，步骤如下：
(1)取厌氧活性污泥作为启动菌剂，污泥投加量为60g，其ts和vs分别为12％和73％。按污泥vs质量与生物炭质量比近似等于1比1，投加生物炭5克，生物炭粒径为75-150微米，其酸碱官能团含量为4.6mmol/g。
(2)生物炭在厌氧反应器中的体积填充率为0.7％。
(3)如图1，在闭合升流式厌氧反应器中，合成气从气袋中由循环泵泵入厌氧反应器，最终回流到同一气袋中，回流率为100％，合成气中一氧化碳在反应器中的含量依次递增，本实施例考量一氧化碳分压分别为0.07atm、0.21atm、0.41atm、0.69atm的四个状态；
(4)厌氧反应器采用温控设备维持反应器内温度为35℃，采用ph控制系统维持反应器内ph为6.5-7.8。
采用如上述的处理方法，当一氧化碳初始分压为0.21atm时，一氧化碳降解速率最高可提高149％，甲烷产生速率最高可提高49％；当一氧化碳初始分压为0.41atm，一氧化碳降解速率最高可提高57％，甲烷产生速率最高可提高238％。发酵启动时间提前40％。
实施例2
本实施例利用碳材料改善合成气厌氧发酵效果的方法，步骤如下：
(1)取厌氧颗粒污泥作为启动菌剂，污泥投加量为60g，其ts和vs分别为12％和73％。按污泥vs质量：活性炭质量近似等于1：1投加活性炭5克。活性炭粒径为75-150微米，比表面积为644m2/g。
(2)活性炭在厌氧反应器中的体积填充率为0.7％。
(3)如图1，在闭合升流式厌氧反应器中，合成气从气袋中由循环泵泵入反应器，最终回流到同一气袋中，回流率为100％，气袋中的气两天更换一次，合成气中一氧化碳在反应器中的含量依次递增，本实施例考量一氧化碳分压分别为0.07atm、0.21atm、0.41atm、0.69atm的四个状态；
(4)厌氧反应器采用温控设备维持反应器内温度为35℃，采用ph控制系统维持反应器内ph为6.5-7.8。
采用如上述的处理方法，当一氧化碳初始分压为0.21atm时，一氧化碳降解速率最高可提高193％，甲烷产生速率最高可提高45％；当一氧化碳初始分压为0.41atm，一氧化碳降解速率最高可提高60％，甲烷产生速率最高可提高186％。发酵启动时间提前20％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。