禽畜粪污氢烷发酵耦合资源化工艺的制作方法

本发明属于生物技术领域，涉及禽畜粪污氢烷发酵耦合资源化工艺。

背景技术

如何高效处置产量巨大的禽畜粪便成为关乎环境与人体健康的难题。尽管沼气发酵在国内外都具有较大经济市场前景，但禽畜粪污沼气发酵过程中甲烷含率少热值低，同时还存在底物/产物抑制、有机质转化率低、消化液氮磷污染等技术瓶颈限制了禽畜粪便资源化的推广。本发明基于微生态增效调控响应胁迫机制，针对如何提高转化率-提升生物气热值及资源回收难题，构建cstr+anmbr两相氢烷发酵-电解流控磷酸铵镁生产及尾水一段式厌氧氨氧化处理的新型耦合工艺。实现粪污消纳、高纯氢烷与氮磷回收及消化液达标排水。而禽畜粪便复杂，氢烷发酵中功能菌群整体代谢易波动，反应活性易受抑制，协同代谢活度低导致的氢烷产率低且纯度差。同时厌氧消化液排水高氮磷及恶臭气等制约了资源化效率。需要从根本上提氢烷产率和纯度，解决发酵过程底物/产物抑制及消化液净化达标排放。构建氢烷回收、n.p资源化并实现消化液洁净排水新工艺，掌握发酵过程中抑制机理及微生态抗逆机制是实现高效禽畜粪污氢烷发酵清洁生产的根本。提高氢烷转化率及系统代谢稳定性是大幅度提升禽畜粪便发酵经济效应、实现高效氢烷生产技术落地，解决农牧业固体废弃物资源化技术瓶颈实现真正惠国利民所亟待解决的现实问题。

现有技术对于禽畜粪污处理效果差，存在易被抑制及转化率低，消化液氮磷污染等问题。本发明可以提高氢烷转化率及系统代谢稳定性是大幅度提升禽畜粪便发酵经济效应、实现高效氢烷生产技术落地。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供禽畜粪污氢烷发酵耦合资源化工艺，本发明的有益效果是通过两级厌氧提高了禽畜粪污整体资源化效率。一级厌氧对水解菌及酸化菌筛选驯化，降解ts(总固体)及vs(挥发性固体)效果显著，同时产生氢气及有机酸和二氧化碳。二级发酵内乙酸营养型及氢营养型产甲烷菌得以充足底物进行高效代谢。相比较于传统的厌氧沼气生产，本系统产生的氢烷气体热值高更，进一步提升了禽畜粪便资源能源回用率。同耦合工艺针对消化液中富磷富氮进行三电极电解，牺牲阳极离子化镁棒，产生高效农肥(鸟粪石)的同时对消化液进一步降解。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：一级全混合厌氧反应器高温快速水解，进行微生物高温驯化，以有机负荷递增法实现一级反应器的快速稳定，控制水利停留时间确保水解彻底；

步骤2：氨氮水解产率与产氢气产甲烷的协调控制，监控消化液中的氨氮浓度变化，采用食微比调控策略将氨氮浓度控制在水解菌及酸化菌抑制阈值6000mg/l内；

步骤3：二级厌氧膜生物反应器强化甲烷发酵，二级厌氧将一级厌氧中的溶解性有机质快速降解，同时对未降解的ts进一步水解，二级厌氧通过调控污泥停留时间实现优势功能菌的截留和富集，实现降解粪污的功能；

步骤4：厌氧膜生物反应器中优质聚四氟乙烯中空膜组件调控，采用高强度聚四氟乙烯中空纤维膜的固定组件，配置的反冲洗泵定期对膜清洗；

步骤5：厌氧膜生物反应器中实现生物沼气原位提纯，原位转化co2，一级厌氧产酸产氢反应器产生的气体通过气泵通入厌氧膜生物反应器中建立一条气体循环路径，实现气提的同时对一段产生的二氧化碳和氢气通过二级流加富集的氢营养型产甲烷菌部分转化为甲烷气，在反应器中实现原位提纯生物沼气；

步骤6：一级厌氧产气量提升，通过建立的循环气路吹脱增加膜丝振动幅度；

步骤7：控制氢烷组分中氢气占比，通过一级厌氧反应器循环气量的控制及提高二级厌氧产甲烷效率实现整体氢烷产量；

步骤8：厌氧消化液三电极电解流控回收磷酸铵镁和鸟粪石回收。

进一步，步骤1一级全混合厌氧反应器高温快速水解在55℃条件下。

进一步，步骤3中，二级厌氧膜生物反应器强化甲烷发酵在35℃条件下。

进一步，步骤7中控制氢烷组分中氢气占比10％到15％。

进一步，步骤8的方法如下：

1)三电极电解流控系统构建及极板电解优化；

搭建三电极电解流控系统，采用稳压恒流装置，设定电压在5v-25v之间，先采用静态的三电极反应，实现电压电流的最佳控制；

2)镁棒/钛基阳极-铁板阴极的电解静态mg²⁺释控机制；

阳极采用镁棒及钛基板，以阳极牺牲法优化mg²⁺释控，通过镁离子释控调控磷酸铵镁鸟粪石的生成；

3)电解催化机理与适控因子驱动力-磷酸铵镁缓释规律；

对电解后的消化液进行回流到膜反应器，催化后实现难生物降解的物质可生化性提高，进而加强了产氢烷的效率，催化的适控因子包括极板间距离，基板修饰材料，电压电流及充氧速率；

4)动态电解流控多极板优化布局与磷酸铵镁回收效能调控；

动态流控多极板装置的优化布局，实现了大水量的稳定生产磷酸铵镁的系统。

附图说明

图1是禽畜粪污氢烷发酵耦合资源化工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明禽畜粪污氢烷发酵耦合资源化工艺流程如图1所示，按照以下步骤进行：

a.全混合厌氧反应器(cstr)+厌氧膜生物反应器(anmbr)两相氢烷发酵系统：

1).全混合厌氧反应器cstr高温快速水解。

在55℃条件下，进行微生物高温驯化。以有机负荷递增法实现一级反应器的快速稳定。控制水利停留时间确保水解彻底。

2).氨氮水解产率与产氢气产甲烷的协调控制。

监控消化液中的氨氮浓度变化，采用食微比调控策略将氨氮浓度控制在水解菌及酸化菌抑制阈值6000mg/l内。

3).二级厌氧膜生物反应器anmbr强化甲烷发酵。

在35℃条件下，采用流加功能菌的技术手段,合理搭配功能菌群以实现膜反应器中各个优势菌的丰度,进而保证各类微生物协同代谢。二级厌氧将一级厌氧中的溶解性有机质快速降解，同时对未降解的ts进一步水解。二级厌氧通过调控污泥停留时间实现优势功能菌的截留和富集，实现高效降解粪污的功能。

4).厌氧膜生物反应器anmbr中优质聚四氟乙烯中空膜组件调控。

采用高强度聚四氟乙烯中空纤维膜的固定组件，可延长使用寿命，膜通量得到一定保障。配置的反冲洗泵定期对膜清洗。

5).厌氧膜生物反应器anmbr中实现生物沼气原位提纯，原位转化co2。

一级厌氧产酸产氢反应器产生的气体通过气泵通入anmbr中建立一条气体循环路径。实现气提的同时对一段产生的二氧化碳和氢气通过二级流加富集的氢营养型产甲烷菌部分转化为甲烷气，在反应器中实现原位提纯生物沼气。

6)膜反应器的膜组件优化参数

一级厌氧产气量提升，通过建立的循环气路吹脱增加膜丝振动幅度，有效延长生物膜挂载时间，减少反冲洗次数延长膜的使用。优化膜组件的布局及膜丝长度，保证通量下对膜组件实现参数优化。

7)氢烷产率优化方法。

控制氢烷组分中氢气占比10％到15％，通过一级厌氧反应器循环气量的控制及提高二级厌氧产甲烷效率实现整体氢烷产量。

b.厌氧消化液三电极电解流控回收磷酸铵镁和鸟粪石：

1)三电极电解流控系统构建及极板电解优化

搭建三电极电解流控系统，采用稳压恒流装置，设定电压在5v-25v之间。先采用静态的三电极反应，实现电压电流的最佳控制。

2)镁棒/钛基阳极-铁板阴极的电解静态mg²⁺释控机制

阳极采用镁棒及钛基板，以阳极牺牲法优化mg²⁺释控。通过镁离子释控调控磷酸铵镁鸟粪石的生成。

3)电解催化机理与适控因子驱动力-磷酸铵镁缓释规律

对电解后的消化液进行回流到膜反应器，催化后实现难生物降解的物质可生化性提高。进而加强了产氢烷的效率。催化的适控因子包括极板间距离，基板修饰材料，电压电流及充氧速率等。

4)动态电解流控多极板优化布局与磷酸铵镁回收效能调控

动态流控多极板装置的优化布局，实现了大水量的稳定生产磷酸铵镁的系统。

本发明构建氢烷回收、n.p资源化并实现消化液洁净排水新工艺，掌握发酵过程中抑制机理及微生态抗逆机制是实现高效禽畜粪污氢烷发酵清洁生产的根本。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。