CN101638670A - 一种固体有机废弃物厌氧干发酵氢甲烷联产的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种利用固体有机废弃物厌氧干发酵可连续生产氢气和甲烷的方法。本发明是城市垃圾和农业废弃物的厌氧消化处理的方法，采用产氢和产甲烷阶段的分离的方法。包括步骤为：(1)厌氧干发酵预处理过程；(2)厌氧干发酵产氢过程；(3)厌氧干发酵产甲烷过程；(4)生物燃气净化。避免了常规产沼气技术存在的酸积累、抑制产甲烷菌活性、对原料适应性差等问题，实现了连续生产氢气和沼气，从而有效地综合了单纯产氢气和单纯产沼气工艺的优点，避免了各自的缺点，提高有机废弃物的能源利用效率，在解决环保问题的同时实现以甲烷为主的生物燃气的连续生产。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护、能源与化工技术领域，尤其涉及一种固体有机废弃物厌氧干发酵连续生产氢气和甲烷的方法。
技术背景
现有的有机废弃物厌氧发酵技术绝大部分采用湿式厌氧发酵技术，存在占地面积大，用水多，主要是户用型生产方法，不利于以甲烷为主的生物燃气高产能、具有经济性的连续化生产。与湿法厌氧沼气发酵技术相比，干式厌氧沼气发酵固含率高，发酵基质的浓度和负荷高，不需要大量的水进行稀释，设备占地面积小，降低了资源和能源消耗，单位容积的产气量多，能提高发酵和产能效率。
但高浓度厌氧干发酵产沼气技术存在以下缺点：1)发酵初期与发酵结束时发酵室沼气浓度与空气浓度达到临界点15:85时的防爆安全，需要高度安全可靠的自动控制系统。2)发酵菌在发酵物中的繁殖速度保障。3)由于浓度过高，有机物降解所产生的酸不能及时稀释，导致局部酸积累。
厌氧发酵产沼气的过程是由一系列的发酵反应组成，这些反应由几大类群不同种类的细菌组成的微生物群落共同完成的，主要是产酸细菌和产甲烷菌。但这两种菌的生理生化特性不同。前一种代谢能力强，繁殖速度快，环境适应性强等，而产甲烷菌，能利用的基质少，繁殖速度慢，易受环境影响。要维持传统的单相厌氧反应器的正常、高效运行，就必须在一个反应器内维持上述两种特性炯异的细菌之间的平衡，即要保证由发酵和产酸细菌所产生的有机酸等产物能够及时有效地被产甲烷细菌所利用并最终转化为甲烷和二氧化碳等无机终产物，否则，会造成反应器内有机酸的积累，严重时导致反应器内PH值下降，抑制产甲烷菌的活性。
在单纯产沼气过程中，以葡萄糖为例，理论能源回收效率最高达83.2％(实际能源回收率达55％)。而在单纯厌氧发酵产氢过程中，由于厌氧发酵制氢不能完全回收有机质中的能量，理论能源回收效率最高仅为33.5％。
现有的厌氧干发酵产甲烷存在酸化现象，菌群之间没能充分发挥作用，有机物能源转化率没有充分利用。
若采用厌氧发酵产氢和产甲烷结合的技术，在产氢阶段，产氢细菌发酵生活有机垃圾生成氢气和中间代谢产物(醇类和VFA)；在产甲烷阶段，产甲烷细菌利用中间产物以及产氢阶段的残余物进一步生成甲烷，理论能源回收效率可以提高到89％。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种固体有机废弃物厌氧干发酵进行氢气和甲烷联产的方法，以克服现有技术的缺陷，提高产甲烷相反应器中产甲烷菌的活性，提高整个系统的稳定性，实现厌氧干发酵氢气和甲烷的连续生产。
本发明方法包括如下步骤：
(1)厌氧干发酵预处理过程
将收集的城市垃圾、农业有机废弃物等生物质资源进行分选，将分选后的有机废弃物进行润洗，堆放湿度为100％的储存室中，同时按原料重量的5％加菌剂，按原料重量的1.5％加碳酸氢铵，混匀，好氧堆积，当有白色放线菌及触摸感觉原料变软时，将原料送入反应器。
所述原料为：难降解的、含高浓度有机物的固体废弃物，主要为收集的城市垃圾和农业有机废弃物。有机废弃物固体浓度为20-30％为佳。
(2)厌氧干发酵产氢过程
将预处理后的原料送入厌氧发酵产氢反应器中，接种产氢产乙酸菌，加入水使产氢过程中固液比为20％-30％，在搅拌器作用下混合均匀，调节PH值，产生氢气的同时，将有机物降解成低分子酸，为产甲烷过程作准备。
所述反应条件为：固液比为20％-30％，厌氧发酵产氢反应器中反应温度为常温或中温，PH值5.4-6.2之间，在产氢反应器内产氢过程持续时间为1-2天；
接种产氢产乙酸菌时，所用接种物为城市污水处理厂的厌氧污泥，接种量为进料量的20％到30％，所述产氢产乙酸菌是按现有的微生物分离技术从城市污水处理厂的厌氧污泥中分离得到的菌种。也可以采用现有技术的其他产氢产乙酸菌，其接种量按现有技术确定。
(3)厌氧干发酵产甲烷过程
将产氢过程中的小分子有机酸和醇类泵入厌氧产甲烷反应器中，接种复合产甲烷菌剂，所用接种物为运行正常的沼气池中的厌氧污泥，接种量为产氢阶段后泵入产甲烷阶段的进料量的30％-40％，调节产甲烷反应器的反应参数如温度，PH，防止有毒物质进入，控制负荷以维持酸化和甲烷化速度的平衡，达到发酵旺盛、高产甲烷量的目的。同时在产甲烷的同时，还产生一些副产物如二氧化碳，一氧化碳等。
反应条件为：中温34-37℃或高温54-65℃，PH值6.8-7.5，C/N 20-30∶1，产甲烷过程持续时间20-40天。
接种复合产甲烷菌剂时，所用接种物为运行正常的沼气池中的厌氧污泥，接种量为产氢阶段后泵入产甲烷阶段的进料量的30％-40％，所述复合产甲烷菌剂是按现有的微生物分离技术从运行正常的沼气池中的厌氧污泥分离得到的菌种。也可以采用现有技术的其他产甲烷菌，其接种量按现有技术确定。
(4)生物燃气净化
收集反应混合气，其中含H2、CH4、CO2、CO等，进行分离、净化，提质后即可使用。
本发明原料主要是城市垃圾和农业废弃物，在解决环保问题的同时实现以甲烷为主的生物燃气的连续生产。由于采用产氢和产甲烷阶段的分离的方法，避免了常规产沼气技术存在的酸积累、抑制产甲烷菌活性、对原料适应性差等问题，从而有效地综合了单纯产氢和单纯产甲烷工艺的优点，避免了各自的缺点，提高有机废弃物的能源利用效率。
附图说明
图1是本发明的工作流程示意图。
附图标记说明：1固体废弃物储存地；2固液调节池；3泵；4液体流量计；5进料器；6PH控制仪；7产氢反应器；8三相分离器；9泵；10气液分离器；11泵；12中间调节池；13泵；14液体流量计；15泵；16产甲烷反应器；17气体流量计；18气体净化器。
具体实施方式
下面结合附图是实施例对本发明内容做进一步说明：
如图1所示：将收集的城市垃圾和农业有机废弃物进行分选，将分选后的有机废弃物在固体废弃物储存地1进行预处理，将原料进行分选并润洗后，按原料重量的加5％菌剂，按原料重量的1.5％添加碳酸氢铵，混匀，好氧堆积3-5天，当有白色放线菌及触摸感觉原料变软后。在调节池2中与来自产甲烷反应器16中的沼液混合构成20％-30％的高浓度溶液。
将高浓度溶液经泵3、流量计4、进料器5引入产氢反应器7中，向产氢反应器7接种城市污水处理厂的污泥，接种污泥量为进料量20％-30％，以接种产氢产乙酸菌，搅拌均匀。反应器内的温度为34-37℃。利用在线PH控制仪6将PH值控制在5.4-6.2之间。产生的氢气混合气体从反应器顶部的三相分离器8分离出来，经泵9进入气体分离器10。同时产氢反应器7中生成的有机酸溶液进入中间调节池12调节溶液浓度，由泵13通过液体流量计14泵入产甲烷反应器16，接种复合产甲烷菌剂，所用接种物为运行正常的沼气池中的厌氧污泥，接种污泥量为产氢阶段后泵入产甲烷阶段的进料量的30％-40％。产甲烷反应器16外有加热和保温材料，可将温度控制在中温(34-37℃)或高温(54-65℃)，PH控制仪6调节PH值为6.8-7.2，调节C/N比为20-30∶1。产生的甲烷在产甲烷反应器16顶部的三相分离器8中分离出来，由泵15泵入气体分离器10，分离的气体经气体流量计17进入脱硫、脱CO2的气体净化器18中，净化后的以甲烷为主的生物燃气可直接使用，或加压制成车用压缩天然气。而气体分离器10中的液相则由泵11泵入产氢反应器7中。同时产甲烷反应器16中的沼液通过添加酸或加碱如KOH或NaOH(0.1mol/L)溶液调节PH5.5左右后直接泵入产氢反应器7中或加到原料预处理设备1中。实现100％零排放。亦可多加一个气体分离器，将氢气分离出来单独使用。
经测试，主要原料采用城市垃圾和农业废弃物，在产氢阶段，原料氢气产气量：6L/Kg氢气含量：20％；在产甲烷阶段，原料沼气产气量：74L/Kg 甲烷含量：60％
Claims (5)
1、一种固体有机废弃物厌氧干发酵氢甲烷联产的方法，以城市垃圾和农业有机废弃物为原料，其特征在于包括如下步骤：
(1)厌氧干发酵预处理过程
将原料进行分选得到有机废弃物并进行润洗，堆放湿度为100％的储存室中，同时按原料重量的5％加菌剂，按原料重量的1.5％加碳酸氢铵，混匀，好氧堆积，当有白色放线菌及触摸感觉原料变软时，将原料送入反应器；
(2)厌氧干发酵产氢过程
将预处理后的原料送入厌氧发酵产氢反应器中，接种产氢产乙酸的复合菌剂，加入水使产氢过程中固液比为20％-30％，在搅拌器作用下混合均匀，反应温度为常温或中温，调节PH值在5.4-6.2之间，产氢过程持续时间为1-2天；产生氢气的同时，将有机物降解成低分子酸，为产甲烷过程作准备；
(3)厌氧干发酵产甲烷过程
将产氢过程中的小分子有机酸和醇类泵入厌氧产甲烷反应器中，接种复合产甲烷菌剂，调节产PH值为6.8-7.5，C/N为20-30∶1，反应温度为中温或高温，防止有毒物质进入，控制负荷以维持酸化和甲烷化速度的平衡，达到发酵旺盛、高产甲烷量的目的；产甲烷过程持续时间20-40天；
(4)生物燃气净化
收集反应混合气，进行分离、净化，提质后即可使用。
2、根据权利要求1所述的固体有机废弃物厌氧干发酵氢甲烷联产的方法，其特征在于所述中温为34-37℃，高温为54-65℃。
3、根据权利要求1所述的固体有机废弃物厌氧干发酵氢甲烷联产的方法，其特征在于所述原料为收集的城市垃圾和农业有机废弃物，有机废弃物固体浓度为20-30％。
4、根据权利要求1所述的固体有机废弃物厌氧干发酵氢甲烷联产的方法，其特征在于所述步骤(2)中接种产氢产乙酸的复合菌剂所用接种物为城市污水处理厂的厌氧污泥，接种量为进料量的20％到30％。
5、根据权利要求1所述的固体有机废弃物厌氧干发酵氢甲烷联产的方法，其特征在于所述步骤(3)中接种复合产甲烷菌剂所用接种物为运行正常的沼气池中的厌氧污泥，接种量为产氢阶段后泵入产甲烷阶段的进料量的30％-40％。
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