CN105112452A

CN105112452A - 市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法

Info

Publication number: CN105112452A
Application number: CN201510586726.2A
Authority: CN
Inventors: 李茹莹; 吴云奇; 季民; 刘新媛
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2015-12-02

Abstract

本发明公开一种市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法，包括：(1)在厌氧种泥中加入工业葡萄糖和餐厨垃圾，工业葡萄糖和餐厨垃圾(VS)与厌氧种泥的质量体积比均为5～10g/L，控制溶解氧浓度为1.0-1.2mg/L，进行曝气2～4h；(2)沉淀后将上清液排出，加入自来水定容到原体积，再加入工业葡萄糖和餐厨垃圾，控制溶解氧浓度为1.0-1.2mg/L，进行曝气2～4h；重复步骤(2)6～8次，最终获得pH4.0～5.0的厌氧发酵产氢种泥。本发明利用氧气和低pH值的双重作用抑制种泥中产甲烷菌等耗氢菌的活性，富集产氢菌。将本发明获得的产氢种泥接种于市政污泥和餐厨垃圾混合基质中具有持续产氢能力。

Description

市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法

技术领域

本发明涉及厌氧发酵产氢领域，具体涉及一种市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法。

背景技术

对于目前产量较大且造成较严重环境压力的市政污泥和餐厨垃圾等生物质废物，传统的填埋等城市固体废弃物处置方式无法实现其中有价资源的高效转化，而厌氧发酵技术可将剩余污泥和餐厨垃圾中的有机成分转化为氢气和甲烷等生物质能源。传统的单相厌氧发酵技术忽略了中间产物氢气的收集，代谢效率低；而两相厌氧发酵技术代谢效率更高，可获得更多生物质能源。市政污泥与餐厨垃圾混合发酵可利用餐厨垃圾较高的C/N比协调发酵基质的成分比例，另一方面污泥本身较高的pH值可在一定范围内调节餐厨废物的pH值。

两相厌氧发酵产氢产甲烷系统尤其是产氢相的启动比较困难。产氢菌广泛存在于自然环境中，如沉积物、土壤、污水污泥、肥料和粪便等。常用的接种物来源包括消化污泥、厌氧颗粒污泥、剩余污泥、下水道污泥等。然而这些混合菌种的接种物中还存在耗氢菌，如产甲烷菌和同型产乙酸菌会将发酵中间产物氢气和二氧化碳分别转化成甲烷和乙酸，使得氢气产量减小。为了提高产氢效率，获得连续稳定的产氢过程，通常需要对接种种泥进行预处理，抑制接种物中耗氢菌活性，富集产氢菌。

常用的产氢种泥预处理方法包括：热处理、酸处理、碱处理、化学抑制剂(氯仿、碘丙烷、2-乙烷磺酸钠(简称BESA))、曝气、超声等。各种预处理方法原理均基于产氢菌和耗氢菌的生理学差异。常见的产氢菌有两大类：梭酸菌属和肠杆菌属。梭酸菌属于革兰氏阳性菌，呈杆状，兼性细菌，能够形成生物芽孢，例如Clostridiumbutyricum、C.thermolacticum、C.pasteurianum、C.paraputrificum以及C.bigermentants等。肠杆菌属于革兰氏阴性菌，呈杆状，兼性细菌。而耗氢菌属于严格厌氧菌，不能形成生物芽孢。故将种泥置于高温、强酸、强碱等极端条件下，耗氢菌不适应环境被淘汰，能形成芽孢的产氢菌得到富集；处于曝气环境时，严格厌氧耗氢菌被抑制，兼性产氢菌和能形成芽孢的产氢菌得到富集。

然而，由于接种污泥来源、预处理条件、产氢底物种类和浓度、温度、pH值、反应器类型等不同，不同研究者得出的最佳预处理方法存在很大差异。尤其是以成分复杂的市政固体废弃物为基质进行厌氧发酵产氢，尚没有较好的种泥预处理方法。

发明内容

本发明的主要目的是针对以市政污泥和餐厨垃圾混合基质进行厌氧发酵产氢，提供了一种市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法，该制备方法获得的厌氧发酵产氢种泥可有效抑制耗氢菌活性、具有持续产氢能力且成功用于两相厌氧发酵产氢产甲烷反应器启动。本发明中提及到的厌氧种泥是指能够稳定产生沼气的污泥。

本发明提出一种市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、在厌氧种泥中加入工业葡萄糖和餐厨垃圾形成混合物，工业葡萄糖与厌氧种泥的质量体积比为5～10g/L，餐厨垃圾与厌氧种泥的质量体积比为5～10g/L，其中，餐厨垃圾的质量是以挥发性固体计；控制该混合物溶解氧浓度为1.0-1.2mg/L，对该混合物进行曝气2～4h；

步骤二、沉淀20～22h后将上清液排出，加入自来水形成新的混合物并定容到步骤一中混合物的相同体积，再加入工业葡萄糖和餐厨垃圾，工业葡萄糖与该新的混合物的质量体积比为5～10g/L，餐厨垃圾与该新的混合物的质量体积比为5～10g/L，其中，餐厨垃圾的质量是以挥发性固体计；控制该新的混合物溶解氧浓度为1.0-1.2mg/L，并进行曝气2～4h；

步骤三、重复上述步骤二6～8次，最终获得的pH为4.0～5.0的混合物即为厌氧发酵产氢种泥。

进一步讲，步骤一中，工业葡萄糖与厌氧种泥的质量体积比为7.5g/L，餐厨垃圾与厌氧种泥的质量体积比为7.5g/L。

步骤一和步骤二中，曝气时间分别为3h。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明厌氧发酵产氢种泥的制备方法是利用氧气和酸性条件的双重作用，可有效地抑制产甲烷菌等耗氢菌的活性，富集产氢菌。所得厌氧发酵产氢种泥经过多次在厌氧瓶中进一步富集产氢菌后种泥具有持续产氢能力。

(2)本发明厌氧发酵产氢种泥的制备方法制得的种泥，经多次在厌氧瓶中富集产氢菌后产氢缓滞时间减少，接种于市政污泥和餐厨垃圾混合基质产氢反应器后，对基质的适应能力较强，可成功地快速启动反应器。

(3)将本发明厌氧发酵产氢种泥的制备方法制得的种泥接种于市政污泥和餐厨垃圾VS比例为46/54的混合基质后，经过三个产氢气周期的试验，最大氢气产率可达114.5mL-H₂/g-VS_added，最大产氢速率可达29.0mL-H₂/h；且产氢缓滞时间逐周期减少，表明该种泥对混合基质的适应性强，有利于种泥接种于连续产氢反应器，减少反应启动时间。

具体实施方式

本发明市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法的原理是：利用高浓度底物易酸化的特征降低种泥的pH值以抑制产甲烷菌等耗氢菌的活性，富集产氢菌，其中加入的餐厨垃圾是为了防止种泥中水解细菌的活性被抑制。本发明中将厌氧种泥、工业葡萄糖和餐厨垃圾混合后控制其溶解氧浓度和曝气处理时间主要是基于产氢菌和耗氢菌的生理学差异：常见的产氢菌有梭酸菌属和肠杆菌属。梭酸菌属于革兰氏阳性菌，呈杆状，兼性细菌，能够形成生物芽孢；肠杆菌属于革兰氏阴性菌，呈杆状，兼性细菌。而耗氢菌属于严格厌氧菌，不能形成生物芽孢。故将种泥置于曝气环境时，严格厌氧耗氢菌被抑制，兼性产氢菌和能形成芽孢的产氢菌得到富集。停止曝气后沉淀一段时间是为了给种泥提供厌氧环境进行水解酸化以降低其pH值。通过采用加入自来水补足排出的上清液的体积，并重复上述操作过程，主要是为了反复利用氧气和酸性条件的双重作用多次抑制产甲烷菌等耗氢菌的活性以富集产氢菌。

下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法，基于前述物理、化学和微生物学机理，包括以下步骤：

步骤一、在厌氧种泥中加入工业葡萄糖和餐厨垃圾形成混合物，工业葡萄糖与厌氧种泥的质量体积比为5～10g/L，优选为7.5g/L；餐厨垃圾与厌氧种泥的质量体积比为5～10g/L，优选为7.5g/L，其中，餐厨垃圾的质量是以挥发性固体VS计，控制该混合物溶解氧浓度为1.0-1.2mg/L，对该混合物进行曝气2～4h，其曝气处理时间优选为3h；

步骤二、沉淀20～22h后将上清液排出，加入自来水形成新的混合物并定容到步骤一中混合物的相同体积，再加入工业葡萄糖和餐厨垃圾，工业葡萄糖与该新的混合物的质量体积比为5～10g/L，同前，优选为7.5g/L；餐厨垃圾与该新的混合物的质量体积比为5～10g/L，同前，优选为7.5g/L，餐厨垃圾的质量是以挥发性固体计；控制该新的混合物溶解氧浓度为1.0-1.2mg/L，并进行曝气2～4h，该曝气处理时间优选为3h；

步骤三、重复上述步骤二6～8次，优选为重复7次，最终获得的pH为4.0～5.0的混合物即为厌氧发酵产氢种泥。

试验例：

取长期运行的市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产沼气反应器内种泥3L(pH值为7.0左右)作为制备方法中所用的厌氧种泥，置于4L塑料量杯内，种泥的总固体含量为36.6g/L，挥发性固体含量占总固体含量(VS/TS)的百分比为50.5％。市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产沼气反应器内厌氧种泥含有可水解剩余污泥和餐厨垃圾的水解酸化菌以及利用水解产物产氢的产氢菌，但同时厌氧种泥中含有较多产甲烷菌等耗氢菌，故需要对种泥进行预处理以抑制耗氢菌活性，富集产氢菌。在上述厌氧种泥中加入工业葡萄糖22.5g，挥发性固体含量为0.165g-VS/g-餐厨的餐厨垃圾136.4g，搅拌均匀。在厌氧种泥中放入连接曝气泵的曝气头，用溶解氧仪测定种泥的溶解氧值，调节曝气泵大小以控制溶解氧浓度为1.0-1.2mg/L，曝气3h后关闭曝气泵；本发明中控制溶解氧浓度和曝气时间是因为耗氢菌是兼性细菌，氧气浓度太高或者曝气时间太长对其也有抑制作用。

停止曝气沉淀21h后将上清液排出，加入自来水定容到原来的体积后再加入相同量的工业葡萄糖和餐厨垃圾再次进行3h曝气处理。停止曝气后沉淀种泥是因为水解酸化反应在厌氧条件下进行，加入高浓度基质的种泥静置沉淀后与氧气隔绝，发生水解酸化反应pH值降低，产甲烷菌在酸性条件下活性被抑制。

沉淀21h至第二天，排出上清液加入自来水定容到原来的体积后再加入相同量的工业葡萄糖和餐厨垃圾后进行曝气，其目的是排出上清液中的反应副产物、微生物代谢产物和微生物残体中可能对产氢菌具有抑制作用的物质，保持种泥中产氢菌活性。重复上述的上清液排出—加自来水—加工业葡萄糖和餐厨垃圾后曝气及沉淀，7次，最终种泥由黑色变为黄褐色，pH值降低到4.3左右，即可将上述获得的黄褐色的厌氧发酵产氢种泥接种于市政污泥和餐厨垃圾混合基质中进行厌氧发酵产氢。本发明中采用重复多次的上清液排出—加自来水—加工业葡萄糖和餐厨垃圾后曝气及沉淀的操作主要是为了反复利用氧气和酸性条件的双重作用多次抑制产甲烷菌等耗氢菌的活性以富集产氢菌。重复次数太少抑制耗氢菌作用不明显，而重复次数太多会抑制产氢菌的活性，经本实例验证，重复7次较为适宜。最终种泥由黑色变为黄褐色，表明与氧气接触较充分；pH值降低至4.3左右，表明水解酸化效果较好。观察到上述两个现象，即可将种泥接种于市政污泥和餐厨垃圾混合基质中进行厌氧发酵产氢。

为了考察本发明试验例获得的厌氧发酵产氢种泥利用剩余污泥和餐厨垃圾混合基质厌氧发酵产氢的效果，同时为进一步富集预处理种泥中的产氢菌，取预处理种泥和作为对照的未处理种泥于厌氧瓶中，加入市政污泥和餐厨垃圾混合基质进行三个产氢气周期的厌氧产氢反应(一个产氢气周期包括：将厌氧发酵产氢种泥与市政污泥和餐厨垃圾进行混合，反应开始、产氢气至氢气的产量为零)；其具体的操作过程为：取试验例获得的厌氧发酵产氢种泥和未处理的厌氧种泥各100mL分别置于体积为300mL的厌氧瓶中；同时并进下述过程：再加入50mL的市政污泥和餐厨垃圾混合基质，混合基质的VS浓度为43.5g/L，餐厨垃圾所占比例为54％(以VS计)。加入该混合基质后向厌氧瓶中充入氮气吹脱空气10min，用胶塞密封，在55℃、100rpm的摇床中进行产氢试验。反应结束后从两个厌氧瓶中分别取出100mL厌氧发酵产氢种泥和未处理的厌氧种泥，重新分别各各置于一空的厌氧瓶中，加入相同量的混合基质(50mL)，调节pH为7.0左右，于相同条件下共进行三个产氢气周期的反应。

三个产氢气周期的试验结果表明，未处理的厌氧种泥氢气产量较小，主要产甲烷；而通过本发明制备方法获得的厌氧发酵产氢种泥的氢气产率较高且具有持续产氢能力，三个产氢气周期中最大的氢气产率为114.5mL-H₂/g-VS_added，最大的产氢速率为29.0mL-H₂/h，且产氢缓滞时间逐周期减少，表明预处理种泥对混合基质的适应性加强，有利于种泥接种于连续产氢反应器，减少反应启动时间。

尽管上面对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法，其特征在于，步骤一中，工业葡萄糖与厌氧种泥的质量体积比为7.5g/L，餐厨垃圾与厌氧种泥的质量体积比为7.5g/L。

3.根据权利要求1所述市政污泥和餐厨垃圾混合厌氧发酵产氢种泥的制备方法，其特征在于，步骤一和步骤二中的曝气时间分别为3h。