CN103086512B - 利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，包括以下步骤：在厌氧消化反应器底部安装微曝气装置；对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理；待厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷后，停止间歇微曝气；若厌氧消化过程中出现酸抑制现象或氨氮抑制现象，则再次对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理。与现有技术相比，本发明通过对易降解有机废物厌氧消化过程进行间歇微曝气，利用好氧菌降解水解酸化过程产生的过量有机酸，维持反应体系的pH在中性范围，从而解除其对产甲烷菌的酸抑制。此外，间歇微曝气在反应体系中形成立体分布的好氧和厌氧区域，使厌氧消化产生的氨氮同时硝化和反硝化，最终得到有效的去除。

Description

利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法

技术领域

本发明涉及一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，属于资源与环境技术领域。

背景技术

易降解有机废物主要指生活和生产过程中产生的易生物降解的有机废弃物，包括厨余垃圾、污泥、蔬菜、水果和肉类加工废弃物等。如今随着人民生活水平的提高，易降解有机废物的产量显著增加，这也就带来了日益严重的环境问题。考虑到易降解有机废物中有机质和水分的含量高，将这些废物进行厌氧消化处理不仅能够回收沼气这样一种清洁能源，还能够达到很好的污染物控制效果，具有极高的资源和环境价值。

厌氧消化是指有机物在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被稳定，最终生成甲烷和二氧化碳的过程，是在多种厌氧菌和兼性厌氧菌的共同作用下完成的。一般可将厌氧消化分为水解、酸化、乙酸化和甲烷化四个阶段，其中甲烷化过程是由产甲烷菌完成的，是厌氧消化产甲烷过程的最终步骤，决定了有机物转化成能源的效率。产甲烷菌生长缓慢，世代周期长，适合生长在中性(pH：6～8)、有机酸和氨氮等浓度很低的环境中。一旦外界环境不利于其生长，甲烷菌的代谢活力就会受到极大抑制，厌氧消化反应器的恢复也会变得困难重重。

易降解有机废物的主要成分为多糖和蛋白质等，其厌氧消化时水解酸化十分迅速，而甲烷化过程则相对缓慢，是厌氧消化的限速步骤。这两个过程间存在着严重的不平衡，使得高浓度有机酸的积累(高达10000mg/L)和酸性pH环境(低至4～5.5)成为易降解有机废物厌氧消化体系中经常存在的现象。此外，受到厌氧消化特性的限制，含氮组分厌氧消化的最终产物是氨氮，如果易降解有机废物中蛋白质的含量较高，那么氨氮的不断积累同样会对厌氧消化过程产生抑制。积累的有机酸和氨氮最终进入液相形成成分复杂的渗滤液，其处理难度大，成本高。因此，为厌氧消化过程创造一个合适的环境，避免pH过低，有机酸和氨氮积累，保证产甲烷菌的代谢活力，是提高有机物去除率和甲烷产率，以及避免渗滤液二次污染的关键手段。

传统的厌氧消化反应器采用提高微生物接种比的方法来避免pH过低和有机酸积累，从而在增加接种厌氧微生物数量的同时降低原料的相对比重，但这个方法降低了厌氧消化反应器的处理能力，并且无法解决氨氮积累问题。对于填埋场而言，渗滤液回灌可以提供一定的碱度和代谢活跃的微生物，从而提高堆体内部厌氧消化的效率。但考虑到中国垃圾中易降解有机质含量高，回灌渗滤液必须经过预处理去除其中有机酸和氨氮后才能回灌至厌氧消化体系中，从而为产甲烷菌提供合适的生存环境。但这样需要额外的处理设施，能耗和造价均相对较高。国外有学者在厌氧消化系统中投加微生物菌种来降解厌氧过程产生的有机酸，从而维持甲烷化过程的稳定运行。但微生物菌种的制备和保存较为严格，并且菌株的价格往往十分高昂。中国发明专利CN101805753(易腐有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的方法)采用两个反应器，从而将厌氧消化过程中的水解产酸阶段和乙酸产甲烷过程分开，从而提高易降解有机质厌氧消化处理效率和产沼气能力。但该发明需要建立两个反应器，且整个系统中管道、阀门和泵的数量较多，不利于设备的检修。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法。通过对易降解有机废物厌氧消化过程进行间歇微曝气，利用好氧菌降解水解酸化过程产生的过量有机酸，维持反应体系的pH在中性范围，从而解除其对产甲烷菌的酸抑制。此外，本发明通过对厌氧消化过程进行间歇微曝气，可以在反应体系中形成立体分布的好氧和厌氧区域，使厌氧消化产生的氨氮同时实现硝化和反硝化，最终得到有效的去除。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，该方法包括以下步骤：

(1)在厌氧消化反应器底部安装微曝气装置；

(2)待易降解有机废物填充入厌氧消化反应器后，对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理；

(3)待厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷后，停止间歇微曝气，厌氧消化过程继续进行；

(4)若厌氧消化过程中出现酸抑制现象或氨氮抑制现象，则再次对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理。

步骤(1)所述的微曝气装置包括曝气器、连接管路和鼓风机，所述的曝气器设在厌氧消化反应器的底部，曝气器通过连接管路与设在厌氧消化反应器外面的鼓风机连接。

步骤(2)所述的间歇微曝气处理的条件为：每天曝气1～4次，每次曝气时间为5～30分钟，平均每立方米易降解有机废物每天的曝气量为0.05～1m³。

步骤(2)所述的间歇微曝气处理的条件可根据厌氧消化反应器形式、易降解有机废物固体浓度等实际情况进行优选。

步骤(3)所述的厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷是指：厌氧消化体系的pH稳定在6以上，沼气产率稳定在2.5m³/(m³·d)以上，沼气中甲烷的含量达到50％以上。

间歇微曝气5～15天内甲烷化过程即快速启动，从易降解有机废物填充入厌氧消化反应器到厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷的时间为20～30天。

步骤(4)所述的酸抑制现象指厌氧消化系统中COD浓度高于5g/L，且50％以上的COD是由有机酸构成的。

步骤(4)所述的氨氮抑制现象指厌氧消化系统中氨氮浓度高于2g-N/L。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过对易降解有机废物厌氧消化体系进行间歇微曝气，利用好氧菌降解水解酸化过程产生的过剩有机酸，维持反应体系的pH在中性范围，从而解除其对产甲烷菌的酸抑制现象。

(2)本发明中，当间歇微曝气解除厌氧消化系统的酸抑制现象后，停止微曝气不会影响反应体系的运行状态，反应体系仍然维持长时间高效稳定的运行。

(3)本发明通过对易降解有机废物厌氧消化体系进行间歇微曝气，可以在反应体系中形成立体分布的好氧和厌氧区域，使厌氧消化产生的氨氮同时实现硝化和反硝化，最终使得氨氮有效的去除。

(4)本发明能够降低易降解有机废物厌氧消化产生渗滤液中有机酸和氨氮的浓度，大大减轻渗滤液后续处理的压力。

(5)本发明不仅能在反应初期加速甲烷化的启动过程，还可以用来恢复已经出现酸抑制现象或氨氮抑制现象的厌氧消化反应器，同时还能够作为易降解有机废物厌氧消化体系的日常调节手段，从而在有机负荷和氨氮浓度发生波动时维持反应体系的稳定运行。

(6)本发明中达到解决有机酸积累和加速甲烷化过程的效果所需的曝气流量很低，不会对产甲烷菌的代谢活力造成不利影响。沼气的产量也不会因为微曝气受到影响，产生沼气中的甲烷含量稳定在50％以上。

(7)本发明仅需在传统的厌氧消化体系中加入一个微曝气装置，设备构造简单，适用于各类易降解有机废物厌氧处理设施。本发明对曝气设备要求低，间歇曝气的方式耗能低，有利于设备的检修和维护。

综上，本发明可以高效的处理易降解有机废物，减少其对环境带来的危害，又可以生产清洁可再生能源，实现“变废为宝”，具有良好的经济、社会和环境效益。

附图说明

图1为实施例1中模拟填埋柱试验装置示意图。

图中，1为回灌渗滤液入口，2为沼气出口，3为布水层，4为堆体，5为渗滤液导流层，6为微曝气设备，7为渗滤液出口。

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

本实施例中厌氧消化反应器形式为模拟填埋柱，模拟柱为直径400mm、高度2300mm的PVC塑料圆柱。试验装置如图1所示，回灌渗滤液入口1与沼气出口2均设在模拟填埋柱的上端，模拟填埋柱内部从上到下依次为布水层3、堆体4和渗滤液导流层5，微曝气设备6和渗滤液出口7均设在模拟填埋柱的下端。模拟柱中装填物料中厨余垃圾的比例为84％，其余物料为难降解和不可降解的物质，总填充质量为145kg，压实密度为0.80t/m³，含水率为75％。模拟柱内温度控制在30±5℃。模拟柱底部设置水泥砖和陶粒组成的渗滤液导流层5，顶部设置沼气出口2用于收集沼气，同时设置回灌渗滤液入口1，每天回灌1L COD为25±5g/L的渗滤液。模拟柱共设置两根，其中第一根柱模拟完全厌氧条件，反应器中无空气鼓入。第二根柱的底部安装微曝气装置，每天曝气2次，每次12分钟，平均每立方米易降解有机废物每天的曝气量为0.31m³。

在整个12周的运行时间中，第一根柱中产生了极少量的气体，且不能检测到甲烷。渗滤液中pH一直低于5.5以下，且COD的浓度高达30～60g/L，6周后COD中绝大部分是有机酸。这说明该条件下模拟填埋体内部无产甲烷菌的代谢活动，污染物水解酸化后转移至液相中滤出。该反应器无法快速地实现易降解有机废物的资源化利用，更无法达到处理回灌渗滤液的目的。

第二根柱中沼气产量和沼气中甲烷的比例在第10天快速增加，在第28天时沼气产量达2.5m³/(m³·d)，沼气中甲烷比例达到53％。渗滤液中pH在第9天升至6.0，并在整个运行过程中持续上升，最终达到7.0。渗滤液中COD浓度在第6天达到峰值后快速降低，在第25天即下降到5g/L，有机物的去除率达到90％。6周后，对第二根柱不再进行间歇微曝气处理，沼气中甲烷比例稳定在50％以上，渗滤液中有机物去除率也一直高于90％。这些试验结果表明微曝气有效的解除了过量有机酸带来的酸抑制现象，加速了甲烷化的启动，同时也解决了渗滤液中高有机酸浓度带来的后续处理压力。此外，微曝气一段时间后，运行稳定且处理效果良好厌氧消化体系，无需微曝气仍然可以保持原先的运行状态。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：微曝气组从第7周才开始强制通风，每天曝气4次，每次5分钟，平均每立方米易降解有机废物每天的曝气量为0.51m³，其他参数和实施方式与实施例1相同。试验结果表明，第一根柱(完全厌氧)无沼气产生，渗滤液pH一直小于6.0，COD浓度高达60g/L，且很大一部分是有机酸。第二根柱(间歇微曝气组)前7周未进行间歇微曝气，渗滤液指标与第一根柱相似，无沼气产生。从第7周开始对柱内进行微曝气后，反应体系pH在第13天升至6.0，渗滤液中COD在第29天下降到5g/L以下。沼气产量和沼气中甲烷的比例在第14天快速增加，沼气产率在第20天达到2.5m³/(m³·d)，甲烷含量在23天后稳定达到50％以上。此后停止微曝气，第二根柱仍然保持着稳定并良好的厌氧降解效果。这些试验结果表明间歇微曝气可用于出现酸化的厌氧消化反应器的恢复。

实施例3

本实施例与实施例1的不同在于：100天后间歇微曝气组回灌渗滤液中COD浓度增加至60±5g/L。其他参数和实施方式与实例一中相同。试验结果表明沼气产量少量上升，沼气中甲烷含量一直稳定在50％以上。渗滤液中COD一直低于5g/L，pH维持在6.0以上。这些试验结果表明间歇微曝气可以作为一种日常调节手段，从而在厌氧消化系统中有机负荷发生波动时维持反应体系的稳定运行。

实施例4

本实施例的参数和实施方式与实施例1完全相同。其中完全厌氧组中，渗滤液氨氮浓度在第10天即达到2g-N/L，此后仍缓慢上升，最终达到2.5g-N/L。间歇微曝气组氨氮浓度在第8天达到峰值0.9g-N/L，此后快速下降，15天时下降至0.5g-N/L以下，渗滤液中硝态氮浓度一直小于0.02g-N/L。这些试验结果表明间歇微曝气能够去除易降解有机废物厌氧消化产生的氨氮，同时降低渗滤液中氨氮的浓度，大大降低渗滤液后续处理的压力。

实施例5

本实施例中使用有效容积为7L的中温厌氧消化反应器，反应器中物料组分与实施例1完全相同，同时接种厌氧颗粒污泥，接种比为3∶1(VS)。反应器中固体浓度为30％，进料和出料量均为150g/d。微曝气频率为每天2次，每次4分钟，平均每立方米易降解有机废物每天的曝气量为0.12m³。

所述厌氧颗粒污泥取自厌氧内循环反应器，含有活性较高的产甲烷菌，在中温条件下能稳定产甲烷。

厌氧消化在第5天即快速启动，16天时产气速率即达到2.5m³/(m³·d)，甲烷含量也达到50％，渗滤液中氨氮浓度一直低于0.2g-N/L。30天时停止微曝气，产沼气速率一直稳定在2.5～4m³/(m³·d)。反应进行到100天后，产沼气速率开始下降，并在第120天降至0.5m³/(m³·d)。这是因为100天时氨氮浓度超过2g-N/L，反应器出现了氨氮抑制。第120天时重新启动微曝气装置。厌氧消化系统快速恢复，并在第130天恢复到氨氮抑制前的水平，渗滤液中氨氮浓度快速降至0.2g-N/L以下。

试验结果表明间歇微曝气可以用来快速恢复出现氨氮抑制的厌氧消化反应器。

实施例6

一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，包括以下步骤：

(1)在厌氧消化反应器底部安装微曝气装置，微曝气装置包括曝气器、连接管路和鼓风机，曝气器设在厌氧消化反应器的底部，曝气器通过连接管路与设在厌氧消化反应器外面的鼓风机连接；

(2)待易降解有机废物填充入厌氧消化反应器后，对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理，间歇微曝气处理的条件为：每天曝气1次，每次曝气时间为30分钟，平均每立方米易降解有机废物每天的曝气量为0.05m³；间歇微曝气15天内甲烷化过程即快速启动，从易降解有机废物填充入厌氧消化反应器到厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷的时间为30天；

(3)待厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷后，停止间歇微曝气，其中厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷是指：厌氧消化体系的pH稳定在6以上，沼气产率稳定在2.5m³/(m³·d)以上，沼气中甲烷的含量达到50％以上；

(4)若厌氧消化过程中出现酸抑制现象或氨氮抑制现象，则再次对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理，其间歇微曝气处理的条件与步骤(2)的间歇微曝气处理条件相同，其中，酸抑制现象指厌氧消化系统中COD浓度高于5g/L，且50％以上的COD是由有机酸构成的，氨氮抑制现象指厌氧消化系统中氨氮浓度高于2g-N/L。

实施例7

一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，该方法包括以下步骤：

(1)在厌氧消化反应器底部安装微曝气装置，微曝气装置包括曝气器、连接管路和鼓风机，曝气器设在厌氧消化反应器的底部，曝气器通过连接管路与设在厌氧消化反应器外面的鼓风机连接；

(2)待易降解有机废物填充入厌氧消化反应器后，对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理，间歇微曝气处理的条件为：每天曝气4次，每次曝气时间为5分钟，平均每立方米易降解有机废物每天的曝气量为1m³；间歇微曝气5天内甲烷化过程即快速启动，从易降解有机废物填充入厌氧消化反应器到厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷的时间为20天；

(3)待厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷后，停止间歇微曝气，其中厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷是指：厌氧消化体系的pH稳定在6以上，沼气产率稳定在2.5m³/(m³·d)以上，沼气中甲烷含量在50％以上；

(4)若厌氧消化过程中出现酸抑制现象或氨氮抑制现象，则再次对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理，其间歇微曝气处理的条件与步骤(2)的间歇微曝气处理条件相同，其中，酸抑制现象指厌氧消化系统中COD浓度高于5g/L，且50％以上的COD是由有机酸构成的，氨氮抑制现象指厌氧消化系统中氨氮浓度高于2g-N/L。

实施例8

一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，该方法包括以下步骤：

(1)在厌氧消化反应器底部安装微曝气装置，微曝气装置包括曝气器、连接管路和鼓风机，曝气器设在厌氧消化反应器的底部，曝气器通过连接管路与设在厌氧消化反应器外面的鼓风机连接；

(2)待易降解有机废物填充入厌氧消化反应器后，对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理，间歇微曝气处理的条件为：每天曝气2次，每次曝气时间为15分钟，平均每立方米易降解有机废物每天的曝气量为0.6m³；间歇微曝气10天内甲烷化过程即快速启动，从易降解有机废物填充入厌氧消化反应器到厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷的时间为25天；

(3)待厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷后，停止间歇微曝气，其中厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷是指：厌氧消化体系的pH稳定在6以上，沼气产率稳定在2.5m³/(m³·d)以上，沼气中甲烷的含量达到50％以上；

(4)若厌氧消化过程中出现酸抑制现象或氨氮抑制现象，则再次对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理，其间歇微曝气处理的条件与步骤(2)的间歇微曝气处理条件相同，其中，酸抑制现象指厌氧消化系统中COD浓度高于5g/L，且50％以上的COD是由有机酸构成的，氨氮抑制现象指厌氧消化系统中氨氮浓度高于2g-N/L。

Claims (5)

1.一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）在厌氧消化反应器底部安装微曝气装置；

（2）待易降解有机废物填充入厌氧消化反应器后，对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理；

（3）待厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷后，停止间歇微曝气，厌氧消化过程继续进行；

（4）若厌氧消化过程中出现酸抑制现象或氨氮抑制现象，则再次对厌氧消化反应器进行间歇微曝气处理；

步骤（2）所述的间歇微曝气处理的条件为：每天曝气1～4次，每次曝气时间为5～30分钟，平均每立方米易降解有机废物每天的曝气量为0.05～1m³。

2.根据权利要求1所述的一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，其特征在于，步骤（1）所述的微曝气装置包括曝气器、连接管路和鼓风机，所述的曝气器设在厌氧消化反应器的底部，曝气器通过连接管路与设在厌氧消化反应器外面的鼓风机连接。

3.根据权利要求1所述的一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，其特征在于，步骤（3）所述的厌氧消化过程运行良好并稳定的产甲烷是指：厌氧消化体系的pH稳定在6以上，沼气产率稳定在2.5m³/(m³·d)以上，沼气中甲烷的含量达到50%以上。

4.根据权利要求1所述的一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，其特征在于，步骤（4）所述的酸抑制现象指厌氧消化系统中COD浓度高于5g/L，且50%以上的COD是由有机酸构成的。

5.根据权利要求1所述的一种利用间歇微曝气调控易降解有机废物厌氧消化的方法，其特征在于，步骤（4）所述的氨氮抑制现象指厌氧消化系统中氨氮浓度高于2g-N/L。

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