CN104673841B - 果蔬废弃物产沼气的方法 - Google Patents

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Abstract

一种果蔬废弃物产沼气的方法，其特征是它包括如下步骤：（1）原料预处理；将果蔬废弃物加入球磨机中进行研磨，破坏其中难降解的纤维素的结构，释放原料中的结合水以及植物细胞的胞内水和胞内物，最终所得糊状流出物置于储罐中存放。（2）固液分离耦合；将糊状流出物固液分离得到果蔬汁和固态残渣，果蔬汁中含有大量可溶性碳水化合物（主要为单糖、多糖）、易生物降解的成分，可用于甲烷化的处理；固体残渣中主要富含纤维素等成分，通过高固体浓度的水解产酸反应得到含有大量挥发性有机酸的酸液，为产甲烷过程提供适宜的底物，从而使两相厌氧系统具有更高的产气性能。

Description

果蔬废弃物产沼气的方法
技术领域
本发明涉及一种果蔬废弃物产沼气的方法。
背景技术
随着种植业集约化发展进程的加快和居民生活水平的日益提高，大量的果蔬废弃物随之产生，并对环境带来了不良影响，给人们的生产和生活产生负面影响。该类型废弃物最大特点是水分含量和有机质含量较高，水分含量一般在80%以上，有机质含量以干基计一般在90%以上，目前较为常见的处理技术主要有填埋、焚烧和堆肥等方式，填埋需要占用大量土地，而且产生的渗滤液对地下水和土壤会带来污染；焚烧则需要额外输入能量，并且产生大量的二噁英和粉尘，存在二次污染的问题；好氧堆肥需先降低原料含水量，并通过添加调理剂调节孔隙率和营养成分，对减量化效果不是很明显，因此，迫切需要开发一种无害化、减量化并且能源化利用的处理方式，果蔬废弃物中高有机质含量的特点使得其更适于进行厌氧消化处理，在处理废弃物的同时能获得清洁气体燃料（沼气）。
果蔬中由于容易降解的有机质含量较高，从而产生以单一原料单相发酵时酸化严重的现象，导致产气过程无法正常进行，目前单相过程普遍采用与其他原料（粪便、污泥等）混合共发酵的方法，通过调节营养成分得以正常产气。若想采用单一原料厌氧发酵产气，两相工艺较为适合，该工艺将厌氧消化过程的水解产酸过程(水解产酸相)和产乙酸产甲烷过程(产甲烷相)分开，避免易腐性有机垃圾产生的有机酸抑制产甲烷作用。两相工艺的研究也已经较多, 但现有工艺仍需要补充水分来调节底物浓度以使得发酵过程顺利启动，因此会产生相对较多的沼液，从目前的沼气工程的规模来看，沼液的后续处理是限制其进一步发展的重要瓶颈，本专利主要是通过预处理并结合固液分离、耦合的手段对原料进行处理，通过内部水分的释放实现发酵系统外源水的零添加及内部循环，从而减少了沼液的产生，并且大大缩短了原有的发酵周期，并提高了原料的利用率，对于废弃物的减量化和资源化利用具有较好的示范作用。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种以果蔬废弃物为原料的固液分离耦合的厌氧消化产沼气的方法，以提高厌氧消化稳定性、处理效率及产沼气能力，实现该类型废弃物的资源化、无害化处理。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种果蔬废弃物产沼气的方法，其特征是它包括如下步骤：
（1）原料预处理。
将果蔬废弃物加入球磨机中进行研磨，破坏其中难降解的纤维素的结构，释放原料中的结合水以及植物细胞的胞内水和胞内物，最终所得糊状流出物置于储罐中存放。
（2）固液分离耦合。
将糊状流出物固液分离得到果蔬汁和固态残渣，果蔬汁中含有大量可溶性碳水化合物（主要为单糖、多糖）、易生物降解的成分，可用于甲烷化的处理；固体残渣中主要富含纤维素等成分，通过高固体浓度的水解产酸反应得到含有大量挥发性有机酸的酸液，为产甲烷过程提供适宜的底物，从而使两相厌氧系统具有更高的产气性能。
①果蔬汁直接进入产甲烷反应器中，在产甲烷反应器中有机物在产酸菌的作用下生成乙酸、氢气和二氧化碳，并继而进行产甲烷反应。该过程启动时通过适当控制入水流速从而达到调节系统负荷的目的，使得产甲烷过程正常进行。产甲烷反应器为填满纤维球的固定床反应器，纤维填料能够附着产酸菌和产甲烷菌，提高产甲烷反应器内产酸菌和产甲烷菌的浓度，从而提高产沼气性能，该部分液体反应结束后用于固体部分产酸，通过循环足够满足后续系统的用水需求。
②固体残渣放入水解产酸反应器中，果蔬汁经产甲烷反应后的出水喷淋进入固体残渣的水解产酸反应器中，谓之耦合；出水中含有部分产酸菌和产甲烷菌，有助于固体残渣中成分的快速降解，水解产酸反应器采用渗滤床装置，无需额外添加水源，水解产生的有机酸溶于水中并经过渗滤贮于水解产酸反应器底部。
收集的产酸液泵入产甲烷反应器（UASB）中，在产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷和二氧化碳，UASB出水用于调节整个反应系统液体部分入水负荷及回流。
本发明的有益效果是：(1) 该发明适合于含水量较高（80%以上）果蔬废弃物，原有两相工艺中需消耗一定水量调节底物浓度以使得发酵过程顺利启动，本专利中通过预处理使得结合水和胞内水得到释放，再经分离后获得固、液两种产物，液体部分经发酵后可足够满足后续固体部分产酸等操作的用水需求，整个过程实现外来水源的零添加，并完成系统内水的循环利用，对水源的解决有着重要的作用，从而减少了系统沼液的产生。
(2) 预处理除了可以满足系统自用水这一重点之外，通过该操作还释放出植物细胞内的胞内物质，破坏原料中的纤维素内部结构，从而使得底物的降解程度达到98%以上，并且原料的处理速率提高了一倍。
(3) 本发明方法工艺运行管理简单，厌氧消化产沼气性能稳定可靠既可以高效处理有机垃圾，减少其对环境的严重污染，又可以生产清洁可再生能源( 沼气)，能够实现有机垃圾的能源化利用，从而变废为宝。
本专利主要是通过预处理并结合固液分离、耦合的手段对原料进行处理，通过内部水分的释放实现发酵系统外源水的零添加及内部循环，从而减少了沼液的产生，并且大大缩短了原有的发酵周期，并提高了原料的利用率，对于废弃物的减量化和资源化利用具有较好的示范作用。
附图说明
图1是固体残渣反应流程及UASB反应器示意图；图2是固定床反应器示意图。
图中：1-渗滤床反应器；2-喷头；3-固体残渣；4-进料口；5-出料口；6-UASB反应器；7- 固定床反应器； 8-液体部分入口； 9-填料； 10- 出口；11-气体出口。
具体实施方式
下面对本实施例做进一步说明。
一种果蔬废弃物产沼气的方法，其特征是它包括如下步骤：步骤一：原料预处理。
用粉碎机将水果皮、菜叶等果蔬废弃物切割成2-3cm，然后加入500 r/min的球磨机中进行研磨15min，通过研磨介质的碰撞和摩擦对果蔬进行粉碎及混合，并可以破坏其中难降解的纤维素的结构，释放原料中的结合水及植物细胞的胞内水和胞内物质，对于后续的固、液分离和底物的降解有着重要的作用，处理后流出的糊状流出物置于储罐中存放。
步骤二：固液分离耦合。
将糊状流出物经板框压滤机在0.6 Mpa的压力下进行固液分离，通过板框压滤操作可以得到糊状流出物中总水分的90%，使得该过程可以最大程度的得到废弃物中的水分，否则难以满足后续操作用水需求。果蔬汁中含有大量可溶性碳水化合物（主要为单糖、多糖）、易生物降解的成分，可用于甲烷化的处理，固体残渣中水分降至50%以内，主要富含纤维素等成分，通过高固体浓度的水解产酸反应得到含有大量挥发性有机酸的酸液，为产甲烷过程提供适宜的底物，从而使两相厌氧系统具有更高的产气性能。该过程产酸菌和产甲烷菌均来自厌氧活性污泥，厌氧活性污泥取自光大环保能源（济南）有限公司）。
(1)液体部分：
果蔬汁调节pH值至6.8（过低会导致产甲烷过程受到抑制）泵入固定床反应器（结构如图2所示，容积根据果蔬汁的COD和运行负荷来设计）中，该类型反应器为填满纤维球的固定床反应器，纤维填料能够附着产酸菌和产甲烷菌，提高产甲烷反应器内产酸菌和产甲烷菌的浓度，从而提高产沼气性能。反应负荷通过进料浓度和停留时间的调节控制在10 kgCOD/m3·d以内，停留时间不超过48h，产甲烷温度为35℃。在产甲烷反应器中有机物在产酸菌的作用下生成乙酸、氢气和二氧化碳，并继而进行产甲烷反应。该过程启动时通过阶段控制入水流速从而达到逐级调节系统负荷的目的，使得产甲烷过程正常进行。当负荷超过10kg COD/m3·d，容积产气率发生明显的下降，负荷过高则会导致产气失败。该部分液体反应结束后用于固体部分产酸，通过循环足够满足后续系统的用水需求。
(2)固体部分：
为了仅仅利用上述（1）中反应后的出水，使得整个反应系统内实现外源水的零添加，将固体残渣分批（每次五分之一）置于渗滤床反应器中（占总体积的70%），反应器结构如图1所示，使得系统初始负荷达到20g VS(挥发性固体物质)/L，该过程启动无需额外添加水源，液体部分经固定床反应器产甲烷后的出水收集后，将50%的体积经离心泵的作用喷淋进入固体残渣反应器（谓之固液耦合，该出水中含有部分产酸菌和产甲烷菌，并且经过球磨预处理的果蔬原料主要成分结构发生变化，有助于固体残渣中成分的快速降解），水解产生的有机酸溶于水中并流经筛板上的填料陶粒渗滤贮于产酸反应器底部。该过程中操作参数如温度控制在35℃的条件，残渣经水解酸化后生成大量小分子有机酸产物，包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸，己酸、乳酸、乙醇等，每隔24h用收集到的固定床反应器出水替换50%的产酸液，达到稀释酸液浓度的目的，解决了积累的有机酸反复喷淋所带来的对产酸菌的抑制。渗滤床喷淋速率控制在8次/天（每3小时一次），通过设置每次喷淋时间来控制单位时间内的喷淋量，每天喷淋的液体总量为反应器容积的10倍，2天后即可使得底物降解率达到98%以上，计算得到每克VS产有机酸约为0.94克。
经过产酸过程后，固定床反应器出水剩余的部分全部用于调节UASB入水有机酸的浓度（不超过2000mg/L），再经过调节PH值（约为6.7）后泵入产甲烷反应器（UASB）中，将酸化产生的除乙酸外的有机酸产物在产乙酸菌的作用下生成乙酸、氢气和二氧化碳，该产甲烷过程中其它参数如温度控制为35℃，停留时间不超过120h。所得乙酸在乙酸营养型产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷和二氧化碳， UASB出水用于调节果蔬汁进入固定床反应器中的有机负荷及回流渗滤床反应器。整个过程UASB反应器中负荷最高可达到15 kg COD/m3·d，否则会导致产气效率下降或失败。

Claims (1)

1.一种果蔬废弃物产沼气的方法，其特征是它包括如下步骤：
（1）原料预处理；用粉碎机将水果皮、菜叶等果蔬废弃物切割成2-3cm，然后加入500r/min的球磨机中进行研磨15min，通过研磨介质的碰撞和摩擦对果蔬进行粉碎及混合，破坏其中难降解的纤维素的结构，释放原料中的结合水及植物细胞的胞内水和胞内物质，处理后流出的糊状流出物置于储罐中存放；
（2）固液分离耦合；将糊状流出物固液分离得到果蔬汁和固态残渣，所述糊状流出物固液分离是指将糊状流出物经板框压滤机在0.6 MPa的压力下进行固液分离，通过板框压滤操作得到糊状物中总水分的90%；
①果蔬汁调节pH值至6.8直接进入产甲烷反应器中，在产甲烷反应器中果蔬汁中的有机物在产酸菌的作用下生成乙酸、氢气和二氧化碳，并继而进行产甲烷反应；该过程启动时通过控制入水流速达到调节系统负荷的目的，使得产甲烷过程正常进行；产甲烷反应器为填满纤维球的固定床反应器，纤维填料能够附着产酸菌和产甲烷菌，提高产甲烷反应器内产酸菌和产甲烷菌的浓度，从而提高产沼气性能，该部分液体反应结束后用于固体部分产酸，通过循环足够满足后续系统的用水需求；反应负荷通过进料浓度和停留时间的调节控制在10 kg COD/m3·d以内，停留时间不超过48h，产甲烷温度为35℃；
②固体残渣分批，每次五分之一，置于水解产酸反应器中，占总体积的70%，使得系统初始负荷达到20g VS/L，该过程启动无需额外添加水源，果蔬汁经产甲烷反应后的出水收集后将50%的体积喷淋进入固体残渣的水解产酸反应器中，谓之耦合；出水中含有部分产酸菌和产甲烷菌，有助于固体残渣中成分的快速降解，水解产酸反应器采用渗滤床装置，无需额外添加水源，水解产生的有机酸溶于水中并经过渗滤贮于水解产酸反应器底部；每隔24h用收集到的固定床反应器出水替换50%的产酸液，达到稀释酸液浓度的目的，解决了积累的有机酸反复喷淋所带来的对产酸菌的抑制；
渗滤床喷淋速率控制在8次/天，通过设置每次喷淋时间来控制单位时间内的喷淋量，每天喷淋的液体总量为反应器容积的10倍；
③收集的产酸液泵入产甲烷反应器中，在产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷和二氧化碳，产甲烷反应器出水用于调节整个反应系统液体部分入水负荷及回流。
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