CN102140001A

CN102140001A - 一种提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法

Info

Publication number: CN102140001A
Application number: CN2010105946384A
Authority: CN
Inventors: 陈天虎; 何光亚; 姚墩璠; 杨燕
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102140001B

Abstract

本发明公开了一种提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法，其特征是将含游离三价铁氧化物不小于15％的粉体加入到有机废弃物产出甲烷的厌氧生化系统中混合均匀，厌氧过程中微生物还原游离三价铁氧化物释放的铁离子可以促进甲烷菌等厌氧菌的活性，从而提高有机废弃物产甲烷速率和产量。本发明可以广泛应用于提高城市生活垃圾、农产品加工废物、城市污水处理厂剩余污泥、集约化养殖场粪便等产沼气能源利用系统中甲烷的产量和产生速率，提高有机废弃物的可再生能源利用效率。

Description

一种提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法

一、技术领域

本发明涉及有机废弃物的可再生能源利用和废弃物的资源化利用，具体地说是一种提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法。

二、背景技术

我国每年生产数十亿吨的各种可生物降解的有机废弃物，主要包括秸秆类物质、集约化养殖场粪尿废物、农林产品加工废弃物、果蔬废弃物、城市生活垃圾、城市污水处理厂污泥。这些有机废弃物在厌氧环境下产生沼气部分转化为可再生能源。随着全球变化加剧，可再生能源成为全球关注的焦点。可生物降解的有机废弃物厌氧消化产生甲烷，不仅可以妥善处理处置有机废弃物，而且能够获得可再生能源，实现有机废弃物的资源化，因此，有机废弃物厌氧消化产甲烷具有很大发展前景。

有机废弃物厌氧消化产甲烷是一种传统的工艺。几十年来我国一直在农村大力推广沼气技术。近年来随着城市垃圾处理量的剧增和技术进步，在大型垃圾填埋场也普遍实行了填埋场沼气回收发电措施。随着我国畜禽养殖走向集约化，畜禽粪便处理也正在向大型沼气池方向发展。

但是在有机物厌氧消化产甲烷以及甲烷利用系统中，甲烷菌的代谢活性一直是制约有机废弃物沼气化利用的瓶颈。甲烷的活性受到消化系统温度、pH值、营养元素及微量营养元素等影响。提高消化系统温度在适当的范围有利于提高产甲烷菌活性，低pH值有利于生物质大分子水解为小分子，提高有机物的转化率，但是会抑制产甲烷菌的活性。厌氧消化系统高硫化氢浓度、氨浓度等也会抑制产甲烷菌的活性，系统中低微量营养元素和低营养元素同样会抑制甲烷菌活性。目前普遍存在的问题是有机废弃物厌氧消化产甲烷的速度慢，处理周期长，效率低。

如何实施调控，在有机物厌氧消化生化系统中，创造一个有利于产甲烷菌代谢的最佳条件，从而提高有机物厌氧消化系统产甲烷效率，对生物质可再生能源沼气化利用是十分重要的。

专利公开号为CN101319230、CN101157937和CN101157938的发明专利通过在厌氧反应器中添加微量金属元素螯合剂，使微量金属与络合剂形成可溶性的螯合物，从而避免反应器中硫酸盐还原产生的硫化氢与金属离子形成沉淀，改善产甲烷菌必需的微量金属元素的生物有效度，促进产甲烷菌的生长及其活性，从而提高系统的甲烷产量和污染物质的转化率。

也有一些学者在厌氧消化系统中添加产甲烷菌所需的主要营养物质N、P、S及微量刺激金属元素Fe、Co、Ni以提高营养缺乏型制药废水的产气效率。但是上述添加剂属于人工合成化合物，不仅价格昂贵，而且这些化合物属于易溶盐类，加入消化系统，会分解转化为金属离子，并且金属离子浓度波动很大，影响生化系统稳定性。

三、发明内容

本发明为了避免上述现有技术的不足之处，提供一种简单高效的提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法的特点在于：将含游离三价铁氧化物不小于15％的粉体与有机废弃物混合后加入到产出甲烷的厌氧生化系统中；

所述有机废弃物是指可生物降解的有机物，例如城市生活垃圾、城市污水处理厂剩余污泥、集约化养殖厂的畜禽粪便、农产品加工有机废弃物、秸秆等。；

所述粉体的加入量以Fe₂O₃计，为所述有机废弃物质量的0.5-5％。

本发明一种提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法的特点也在于：所述粉体为红土、硫酸烧渣、褐铁矿矿石、工业纯三氧化铁、赤铁矿矿石或钢铁厂烟尘处理产生的富铁污泥。

本发明一种提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法的特点也在于：所述粉体的粒径为200-320目。

本发明利用了微生物与矿物交互作用的原理。在有机物厌氧消化系统中，厌氧微生物与游离三价铁氧化物交互作用，厌氧微生物缓慢还原分解游离三价铁氧化物，导致Fe³⁺及其与游离三价铁氧化物共存的微量金属离子如Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺等缓慢地释放到消化液中，这些金属离子在固定消化液中硫离子的同时，还有足够过量的金属离子可以提高纤维素水解菌、甲烷菌等厌氧微生物的代谢活性，从而促进有机废弃物水解，提高产甲烷效率。

本发明中游离三价铁氧化物可以从富含铁氧化物的红土、硫酸烧渣、褐铁矿矿石、赤铁矿矿石、钢铁厂烟尘处理产生的富铁污泥等天然铁氧化物矿石或富含铁的工业固体废弃物中得到。这些富含游离三价铁氧化物的物质主要为针铁矿和赤铁矿，针铁矿和赤铁矿在厌氧环境中都易被微生物还原溶解。这些游离三价铁氧化物中都含有以类质同象或吸附状态存在的微量Co、Ni、Zn、Cu等金属元素，在游离三价铁氧化物还原分解的同时也会释放到消化液中，成为厌氧菌的微量营养物质。

本发明提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法，适用于以回收甲烷为目的的有机废弃物厌氧消化系统，例如城市生活垃圾填埋场、集约化养殖厂的畜禽粪便消化赤、秸秆等有机废弃物厌氧消化系统。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明中富含游离三价铁氧化物的粉体与厌氧微生物交互作用，可以缓慢地释放厌氧消化系统所需的铁以及微量营养元素，起到营养缓释剂的作用，不仅长期发挥作用，而且对消化系统微生物的没有不良影响。

2、本发明使用的富含游离三价铁氧化物的粉体自然资源丰富，也有一些工业废物可供利用，如硫酸烧渣等，价格低廉。

3、本发明中游离三价铁氧化物还原溶解释放的铁离子沉淀硫离子，铁氧化物与硫离子也可以直接作用固定消化液中的硫离子，不仅可以消除硫离子对厌氧微生物的抑制作用，而且降低了沼气中的硫化氢浓度，提高了沼气质量，消除沼气输送利用系统的腐蚀、沼气中硫化氢燃烧产生的环境污染问题。

四、附图说明

图1是添加工业纯三氧化铁粉和不添加工业纯三氧化铁粉时培养基厌氧消化产甲烷的比较。

图2是添加不同的粉体时养殖厂粪便厌氧消化产甲烷的比较。

五、具体实施方式

实施例1：

向1000mL的厌氧消化瓶中加入20g培养基(其中含有5g牛肉膏、10g蛋白冻和5g氯化钠，然后向厌氧消化瓶中加入0.102g工业纯三氧化铁粉(Fe₂O₃质量百分比98％，含Fe₂O₃0.1g，与培养基质量比为0.5％)，接种混合厌氧菌5mL(菌浓度10¹⁰个/mL)，混合均匀，密封。定期取厌氧消化瓶上方气体并测定气体中硫化氢、二氧化碳、甲烷含量。

本实施例中甲烷产出速率见图1中曲线a。

实施例2：

向1000mL的厌氧消化瓶中加入20g培养基(其中含有5g牛肉膏、10g蛋白冻和5g氯化钠)，然后向厌氧消化瓶中接种混合厌氧菌5mL(菌浓度10¹⁰个/mL)，混合均匀，密封。定期取厌氧消化瓶上方气体并测定气体中硫化氢、二氧化碳、甲烷含量。

本实施例中甲烷产出速率见图1中曲线b。

通过对图1中曲线a、b的对比分析可知，添加Fe₂O₃矿粉的厌氧消化瓶中甲烷产出速率(曲线a)远高于没有添加Fe₂O₃矿粉的甲烷产出速率(曲线b)。

实施例3：

将褐铁矿矿石粉碎过200目筛得褐铁矿粉，其中游离Fe₂O₃质量百分比68％。将猪粪300g放入1000mL厌氧消化瓶中，加入褐铁矿粉2.21g(含Fe₂O₃1.5g，与有机废弃物的质量比为0.5％)，并接种混合厌氧菌液5mL(菌浓度10¹⁰个/mL)，混合均匀，密封。定期取厌氧消化瓶上方气体并测定气体中甲烷含量。

本实施例中甲烷产出速率见图2中曲线c。

实施例4：

将褐铁矿矿石粉碎过320目筛得褐铁矿粉，其中游离Fe₂O₃质量百分比68％。将猪粪300g放入1000mL厌氧消化瓶中，加入褐铁矿粉4.42g(含Fe₂O₃3g，与有机物的质量比为1％)，并接种混合厌氧菌液5mL(菌浓度10¹⁰个/mL)，混合均匀，密封。定期取厌氧消化瓶上方气体并测定气体中甲烷含量。

本实施例中甲烷产出速率见图2中曲线d。

实施例5：

将褐铁矿矿石粉碎过250目筛得褐铁矿粉，其中游离Fe₂O₃质量百分比68％。将猪粪300g放入1000mL厌氧消化瓶中，加入褐铁矿粉7.28g(含Fe₂O₃4.95g，与有机物的质量比为1.65％)，并接种混合厌氧菌液5mL(菌浓度10¹⁰个/mL)，混合均匀，密封。定期取厌氧消化瓶上方气体并测定气体中甲烷含量。

本实施例中甲烷产出速率见图2中曲线e。

实施例6：

将赤铁矿矿石粉碎过200目筛得赤铁矿粉，其中游离Fe₂O₃质量百分比92％。将猪粪300g放入1000mL厌氧消化瓶中，加入赤铁矿粉16.30g(含Fe₂O₃15g，与有机物的质量比为5％)，并接种混合厌氧菌液5mL(菌浓度10¹⁰个/mL)，混合均匀，密封。定期取厌氧消化瓶上方气体并测定气体中甲烷含量。

本实施例中甲烷产出速率见图2中曲线f。

实施例7：

将猪粪300g放入1000mL厌氧消化瓶中，接种混合厌氧菌液5mL(菌浓度10¹⁰个/mL)，混合均匀后密封，定期取消化瓶上方气体，测定甲烷含量。

本实施例中甲烷产出速率见图2中曲线g。

通过对图2中曲线c、d、e、f、g的对比分析可知，添加粉体的厌氧消化瓶中甲烷产出速率(曲线c、d、e、f)远高于没有加粉体的甲烷产生速率(曲线g)。而其中当粉体中Fe₂O₃的加入量与有机废弃物质量比为1∶100是效果最佳(曲线d)。

Claims

1.一种提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法，其特点在于：将含游离三价铁氧化物不小于15％的粉体与有机废弃物混合后加入到产出甲烷的厌氧生化系统中；

所述有机废弃物是指可生物降解的有机物；

2.根据权利要求1所述的提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法，其特点在于：所述粉体为红土、硫酸烧渣、褐铁矿矿石、工业纯三氧化铁、赤铁矿矿石或钢铁厂烟尘处理产生的富铁污泥。

3.很据权利要求2所述的提高有机废弃物厌氧过程中甲烷产出效率的方法，其特点在于：所述粉体的粒径为200-320目。