CN104862342B

CN104862342B - 利用污泥调控果蔬废弃物强化单相发酵产沼气的方法

Info

Publication number: CN104862342B
Application number: CN201510314521.9A
Authority: CN
Inventors: 牧辉; 张晓东; 李岩; 华栋梁; 张�杰; 赵玉晓; 梁晓辉; 许海朋; 金付强
Original assignee: Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2018-05-25
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: CN104862342A

Abstract

一种利用污泥调控果蔬废弃物强化单相发酵产沼气的方法，它包括如下步骤：首先将果蔬废弃物粉碎后加入发酵反应器中，加入已浓缩至挥发性悬浮固体浓度为13‑16g/L的剩余污泥，其中以VSS重量份计果蔬废弃物100份，剩余污泥5‑60份，再加水定容至有效容积1L；按照每100 mL发酵底物接种10g厌氧颗粒污泥；pH值控制在6.5‑8；温度控制在35℃；厌氧搅拌7‑20天。加入剩余污泥调控底物营养结构，接种厌氧颗粒污泥调控微生物避免发酵反应启动失败，有效解决果蔬废弃物单相发酵过程中水解酸化速度快而产甲烷微生物消耗有机酸速度慢的这一关键性技术问题，从而使单相发酵能够稳定进行，提高蔬废弃物单相发酵的底物固体去除效率和沼气产量3倍以上，同时缩短发酵周期。

Description

利用污泥调控果蔬废弃物强化单相发酵产沼气的方法

技术领域

本发明涉及一种利用剩余污泥调控果蔬废弃物单相发酵强化产沼气的方法，属于固体废弃物治理与综合利用领域。

背景技术

由于产业结构调整，水果和蔬菜集约化种植迅速发展，而且人们对果蔬的质量要求不断提高，在水果和净菜上市过程中会产生大量的根、茎、叶等果蔬废弃物，已经成为一种不可忽视的固体废弃物污染源。果蔬废弃物具有含水率高（通常＞80%）、有机质与营养成分丰富（75%的糖类和半纤维素，9%的纤维素及5%的木质素）及无毒害性等特点，非常适宜进行厌氧发酵产沼气资源化。

目前世界各国在城市固体废弃物理上，主要采用的是单相消化系统，因其操作简单而且可以节约成本。科研工作者则多采用两相消化系统进行实验研究，因其可以控制反应的中间步骤而方便研究的进行，专利（200710046930.0、201010241842.8等）以蔬菜废弃物为原料采用单相工艺发酵制备沼气，存在产气量较低等问题。这是因为果蔬废弃物原料的理化性质和生物特性等会造成在厌氧发酵过程中出现有机酸的积累，从而导致了发酵液pH值降低，对甲烷微生物产生了毒性，致使发酵过程难以顺利进行。专利（201010106904.4、200810064362.1等）采用两相厌氧消化技术处理易腐废弃物，通过将水解产酸和产甲烷过程分开，避免易腐性有机垃圾产生的有机酸抑制产甲烷作用，但仍面临反应器操作复杂，无法连续运行等问题。

关于调控果蔬废弃物单相发酵研究通常是添加石灰或碳酸钙等缓解果蔬废弃物发酵过程的有机酸积累问题，也有将果蔬废弃物与其他含高氮的废弃物混合发酵一定程度上也可减少酸性物质的产生。Bouallagui等（见Journal of Environmental Management，2009，90：1844-1849）的研究发现，添加70%的屠宰场废水和活性污泥均使沼气产量提高51.5％和43.8%，但存在发酵周期长（43天）和废物利用率低（VSS去除率80%左右）等问题。这是由于甲烷菌世代时间长，屠宰场废水和活性污泥自身携带甲烷微生物又少，导致系统甲烷微生物群落不丰富。所以果蔬废弃物单相发酵产沼气的顺利进行必须依靠微生物的调控。剩余污泥是污水处理厂在生物法处理城市污水过程中的副产物，含有大量的有机质（主要是蛋白质），可以作为发酵过程中重要的氮源来源，与果蔬废弃物联合发酵可改变底物C/N值，污泥在发酵过程中产生的氨氮等能够有效的中和部分有机酸，维持发酵过程的顺利进行。颗粒污泥外层为水解酸化菌，内层为产甲烷菌，产甲烷菌占总量的多数，产甲烷菌主要包含鬃毛甲烷菌属(Methanosaete)和甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)；经过适宜驯化后，加入污泥调控的果蔬发酵反应器中，快速调控发酵微生物菌群，缓减由果蔬废弃物易酸化引发微生物的有机酸胁迫问题，提高发酵底物利用率和产气效率。因此本发明基于以废制废的理念，利用颗粒污泥和剩余污泥强化果蔬废弃物单相发酵产沼气，即可消除环境污染，又实现了果蔬废弃物和污泥的资源化利用，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种利用剩余污泥和颗粒污泥提高果蔬废弃物单相发酵沼气产量的方法。

本发明所采取的技术措施是：一种利用污泥调控果蔬废弃物强化单相发酵产沼气的方法，其特征是它包括如下步骤：

首先将果蔬废弃物粉碎后加入发酵反应器中，加入已浓缩至挥发性悬浮固体（VSS）浓度为13-16g/L的剩余污泥，其中以VSS重量份计果蔬废弃物100份，剩余污泥5-60份，再加水定容至有效容积1L；按照每100 mL发酵底物接种10g厌氧颗粒污泥，然后启动厌氧搅拌；pH值控制在6.5-8；温度控制在35℃；厌氧搅拌7-20d。

本方案的具体特点还有，所述果蔬废弃物粉碎是指用粉碎机将果蔬废弃物切割成1-2cm的小块。

剩余污泥作为调控剂的最佳投加量为每100份果蔬废弃物挥发性悬浮固体对应加入50份挥发性悬浮固体剩余污泥；pH 值控制在6.8-7.2 ；温度为35℃；发酵天数为15天。剩余污泥为污水厂浓缩池取回的新鲜剩余污泥作为对底物营养结构（保证适宜C：N条件）的调控。

所接种的厌氧颗粒污泥取自山东星光糖业集团有限公司，然后采用升流式厌氧污泥床（UASB），人工合成配水（配水的碳源为乙酸钠和葡萄糖（乙酸钠COD:葡萄糖COD=3:2，pH=6.9-7.2）对厌氧颗粒污泥进行驯化。驯化过程主要包括通过逐步提高四个进水有机负荷（5、10、15、20 kg-COD/m³·d）及COD浓度（2500、3000、4000、4000 mg/L）实现，每个周期各驯化10天。

驯化好的颗粒污泥颜色为灰黑色，VSS/TSS为90.4%，平均粒径为2.5 mm，驯化好的颗粒污泥按照10%比例（100 mL发酵底物接种10g）接种至上述反应装置中。可急速调控发酵微生物菌群，缓减由果蔬废弃物易酸化引发发酵微生物的有机酸胁迫问题，使单相发酵快速正常启动。

本发明的有益效果如下：（1）本发明利用剩余污泥和颗粒污泥同时对底物营养结构和微生物进行调控，较好的实施条件下较同样条件不调控的对照组沼气产量提高3倍以上，同时提高废物固体去除率和缩短发酵周期。（2）本发明所使用的剩余污泥和颗粒污泥在厌氧发酵方面技术成熟且原料易得，较两相发酵技术操作简单易实施且节约成本。（3）本发明采用以废制废的理念，利用城市污水处理厂的剩余污泥调控果蔬废弃物单相发酵强化产甲烷，不仅促进果蔬废弃物的高效降解，也实现了污泥的资源化利用，提高了沼气工程的经济性，为生态循环农业开发提供了创新途径。

具体实施方式

下面结合实施例作进一步详细说明，应当理解下面所举的实例只是为了解释说明本发明，并不包括本发明的所有内容。

实施例1：

蔬菜（甘蓝）废物取自厨余垃圾，切割成1-2cm块状；剩余污泥取自济南光大水务一厂，首先浓缩至挥发性悬浮固体（VSS）为13-16g/L，然后根据其VSS与果蔬废弃物的VSS比值0.1，将甘蓝废物与剩余污泥置入有效容积为1L的反应器中，总负荷控制为2 kg VSS/m³·d，pH 为7.0，温度35℃。

颗粒污泥取自山东星光糖业集团有限公司，然后采用人工合成配水驯化用以高效处理果蔬废弃物产甲烷，反应器为升流式厌氧污泥床（UASB，有效容积4L），配水的碳源为乙酸钠和葡萄糖（乙酸钠_COD:葡萄糖_COD=3:2，pH=6.9 -7.2），其他主要的微量元素N、P、Ca、Mg、Fe分别来自NH₄Cl、KH₂PO₄、CaCl₂、MgCl₂·6H₂O、FeCl₃，浓度为1000、500、200、200、50 mg/L。驯化过程：进水起始COD为2500 mg/L，有机负荷为5.0 kg-COD/m³·d，运行10天；然后逐步提高进水有机负荷，从进水有机负荷10 kg-COD/m³·d、进水COD提高至3000 mg/L，驯化10天；到进水有机负荷15 kg-COD/m³·d、进水COD提高至4000 mg/L，驯化10天；到进水有机负荷20 kg-COD/m³·d、进水COD为4000 mg/L，驯化10天。驯化好的颗粒污泥颜色为灰黑色，VSS/TSS为90.4%，平均粒径为2.5 mm。然后将颗粒污泥按照10%比例（100mL接种10g）添加至上述反应装置中，厌氧搅拌15天，累积气体产率382 mL/g-VSS、甲烷含量52.5%，甘蓝废物VSS去除率为92.6%。与下述对照实施例1中的试验组数据相比，可知试验组累积气体产率提高4.2倍，甲烷含量提高4.8倍。

对照实施例1：

同时设置对照试验，与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于所有底物为甘蓝，不利用剩余污泥进行对底物营养结构的调控，仅接种10%厌氧污泥（取自济南光大水务环保有限公司）作为启动反应器的发酵微生物。发酵第2天即开始产生沼气，15天结束。对照组的累积气体产率92 mL/g-VSS，气体中甲烷含量10.9%，甘蓝废物VSS去除率为90.6%。

实施例2：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于发酵温度调整为25℃。累积气体产率135 mL/g-VSS，气体中甲烷含量16.9%，甘蓝废物VSS去除率为88.6%，累积气体产率和气体中甲烷含量比对照实施例1分别提高1.5和1.6倍，VSS去除率低于对照实施例1。

实施例3：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于剩余污泥投加量与甘蓝废物VSS比值为0.3，累积气体产率和气体甲烷含量分别为517 mL/g-VSS和55.8%，比对照组分别提高5.6和5.1倍，甘蓝废物VSS去除率92.2%，与对照实施例1相差不大。

对照实施例4：

本对照实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成土豆废物，负荷为1 kg VSS/m³·d。试验开始2小时后即产气，3天结束，累积气体产率、甲烷含量及土豆废物VSS去除率分别为133 mL/g-VSS、9.9%和100%。

实施例4：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成土豆废物，负荷为1 kg VSS/m³·d，剩余污泥总投加量的比值为0.2，2小时开始产气，持续产气至15天，累积气体产率和甲烷含量分别为400 mL/g-VSS和56.8%，比对照实施例4分别提高3.0和5.7倍，土豆废物VSS去除率分100%。

实施例5：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成土豆废物，负荷为3 kg VSS/m³·d，剩余污泥总投加量的比值为0.5，累积气体产率144 mL/g-VSS，比对照实施例4提高1.1倍，甲烷含量10.1%，与对照实施例4相差不大，土豆废物VSS去除率100%。

实施例6：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成土豆废物，负荷为1.5 kg VSS/m³·d，剩余污泥总投加量的比值为0.5，累积气体产率和甲烷含量为446 mL/g-VSS和60.9%，分别比对照实施例4提高3.4和6.2倍，土豆废物VSS去除率100%。

对照实施例7：

本实施例与对照实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成苹果渣，负荷为1.5 kg VSS/m³·d，试验开始6小时后产气，4天结束，累积气体产率、甲烷含量及苹果渣VSS去除率分别为118 mL/g-VSS、8.9%和95.8%。

实施例7：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成苹果渣，负荷为1.5 kg VSS/m³·d，剩余污泥总投加量的比值为0.6，厌氧搅拌15天，累积气体产率和甲烷含量分别为358 mL/g-VSS和56.1%，分别比对照实施例7提高3.0和6.3倍，苹果渣VSS去除率98.6%。

实施例8：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成苹果渣，负荷为3 kg VSS/m³·d，剩余污泥总投加量的比值为0.5，厌氧搅拌10天，累积气体产率197 mL/g-VSS，比对照实施例7提高1.7倍，甲烷含量9.8%，与对照实施例7相差不大，苹果渣VSS去除率94.6%。

对照实施例9：

本实施例与对照实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成番茄茎叶，负荷为2 kg VSS/m³·d，厌氧搅拌20天，累积气体产率、甲烷含量及番茄茎叶VSS去除率分别为91 mL/g-VSS、48.6%和90.8%。

实施例9：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成番茄茎叶，剩余污泥总投加量的比值为0.1，负荷为2 kg VSS/m³·d，厌氧搅拌20天，累积气体产率和甲烷含量分别为353 mL/g-VSS和55.4%，分别比对照实施例9提高3.9和1.1倍，番茄茎叶VSS去除率为93.5%。

实施例10：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成番茄茎叶，负荷为4 kg VSS/m³·d，剩余污泥总投加量的比值为0.3，厌氧搅拌20天。累积气体产率和甲烷含量分别为475 mL/g-VSS和56.9%，分别比对照实施例9提高5.2和1.2倍，番茄茎叶VSS去除率为96.5%。

对照实施例11：

本实施例与对照实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成甘蓝废物、土豆废物、苹果渣和番茄茎叶的混合物，（甘蓝废物：土豆废物：番茄茎叶：苹果渣=3：3：3：1，VSS重量份计），总负荷为2 kg VSS/m³·d，厌氧搅拌15天，累积气体产率、甲烷含量及果蔬废弃物VSS去除率分别为138 mL/g-VSS、14.3%和91.8%。

实施例11：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成甘蓝废物、土豆废物、苹果渣和番茄茎叶废物的混合物（甘蓝废物：土豆废物：番茄茎叶：苹果渣=3：3：3：1，VSS重量份计），剩余污泥总投加量的比值为0.3，总负荷为2 kg VSS/m³·d，厌氧搅拌15天，累积气体产率和甲烷含量分别为389 mL/g-VSS和49.9%，比对照实施例11分别提高2.8和3.5倍，果蔬废弃物VSS去除率92.6%。

实施例12：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于果蔬废弃物原料换成白菜废物、土豆废物、苹果渣和番茄茎叶的混合物，（甘蓝废物：土豆废物：番茄茎叶：苹果渣=3：3：3：1，VSS重量份计），剩余污泥总投加量的比值为0.5，总负荷为2.5 kg VSS/m³·d，厌氧搅拌15天，累积气体产率和甲烷含量分别为483 mL/g-VSS和55.9%，比对照实施例11分别提高3.5和3.9倍，果蔬废弃物VSS去除率97.6%。

Claims

1.一种利用污泥调控果蔬废弃物强化单相发酵产沼气的方法，其特征是它包括如下步骤：首先将果蔬废弃物粉碎后加入发酵反应器中，加入已浓缩至挥发性悬浮固体浓度为13-16g/L的剩余污泥，其中以挥发性悬浮固体重量份计果蔬废弃物100份，剩余污泥5-60份，再加水定容至有效容积1L；按照每100 mL发酵底物接种10g厌氧颗粒污泥，然后启动厌氧搅拌；pH值控制在6.5-8；温度控制在35℃；厌氧搅拌7-20天；所述厌氧颗粒污泥是采用升流式厌氧污泥床，人工合成配水，配水的碳源为乙酸钠和葡萄糖，乙酸钠_COD:葡萄糖_COD=3:2，pH=6.9-7.2，对厌氧颗粒污泥进行驯化；驯化过程：进水起始COD为2500 mg/L，有机负荷为5.0kg-COD/m³·d，运行10天；然后逐步提高进水有机负荷，到进水有机负荷10 kg-COD/m³·d、进水COD提高至3000 mg/L，驯化10天；到进水有机负荷15 kg-COD/m³·d、进水COD提高至4000 mg/L，驯化10天；到进水有机负荷20 kg-COD/m³·d、进水COD为4000 mg/L，驯化10天。

2.根据权利要求1所述利用污泥调控果蔬废弃物强化单相发酵产沼气的方法，其特征是所述果蔬废弃物粉碎是指用粉碎机将果蔬废弃物切割成1-2cm的小块。

3.根据权利要求1所述利用污泥调控果蔬废弃物强化单相发酵产沼气的方法，其特征是剩余污泥作为调控剂的最佳投加量为每100份果蔬废弃物挥发性悬浮固体对应加入50份挥发性悬浮固体剩余污泥；pH值控制在6.8-7.2；发酵天数为15天。