CN105543282A - 强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法。本发明方法主要是，借助永磁铁或通电线圈在传统厌氧产氢反应器的外壁均匀设置一定强度的磁场，或在厌氧产氢反应器内部投加适量的磁性载体材料作为产氢菌附着载体，同时控制进入厌氧产氢反应器内有机废水或废物的温度和初始pH值，增强对厌氧混合菌群的自然淘汰选择，促进产氢菌的培养和富集，提高产氢菌的生物活性及其沉降性能，从而在无需预处理接种污泥和有机废水的条件下，实现产氢菌的高效富集和有机废水或废物高效产氢的目标。

Description

强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法
技术领域
本发明属于有机废水或废物处理技术与清洁能源领域，具体涉及利用有机废水或废物厌氧发酵制取新能源氢气技术中的一种强化方法。
背景技术
氢气是安全、清洁、高效、环境友好的可再生能源，是一种化石能源的理想替代品。厌氧生物发酵制氢技术因其经济、操作简单、原料广以及可从有机废水或废物中回收能源等诸多优点而受到广泛关注。但厌氧发酵产氢过程受多种环境因子和接种污泥中产氢优势菌量等因素的制约和影响，是否能在厌氧发酵反应器内保持足够多的产氢优势菌群，并能适应高有机负荷或低水力停留时间(HRT)的运行条件，是厌氧生物发酵制氢技术取得高效率的关键。然而，在高有机负荷或低水力停留时间(HRT)下，传统厌氧连续流反应器经常出现生物量随出水流失的现象，因此要实现这一目标是相当困难的。
由于污水处理厂的剩余污泥廉价易得，来源广泛等优点，被当做厌氧产氢技术得以实现工业化的主要菌种来源。但剩余污泥中含有较多的杂菌，导致产氢效率较低。目前，为提高和稳定混合菌群中产氢微生物的数量，研究的主要方法包括：(1)接种污泥预处理技术，如热处理、酸碱处理、短时通氧气、高效菌种的选育等，以去除混合菌群或剩余污泥中的杂菌，提高产氢微生物的量；(2)反应条件的优化，如提高反应温度、控制进水COD浓度和pH值、添加药剂控制过程pH值、增大回流(或循环)比等；(3)添加药剂或载体，如添加含铁化学药剂、采用活性炭载体等。然而，这些方法尚存在着处理费用高，控制困难，对产氢优势菌的截留能力差，运行管理不便等缺陷，无法保证在连续流的条件下，厌氧产氢过程持续高效进行，因此，这些方法仅停留在研究阶段，尚无法在工业化厌氧发酵有机废水或废物产氢过程中广泛应用。
磁生物技术的研究近年来日益受到关注。已有研究发现，磁场具有生物效应，主要体现在：活性污泥中的细菌或微生物均带有一定量的电荷，会受到磁场的影响；一定强度的磁场能提高系统内微生物的活性。如磁场与膜生物反应器的结合、纳米磁粉的应用等，可以强化废水生物处理效果。但是利用磁场的作用实现剩余污泥或混合菌群中产氢菌的富集，从而提高有机废水或废物厌氧生物产氢反应器的产氢效率尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于为了提高有机废水或废物厌氧生物发酵产氢效率，结合磁技术以及新型改性磁性载体材料，提供一种强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法是：借助永磁铁或通电线圈在传统厌氧产氢反应器的外壁均匀设置一定强度的磁场，和/或在厌氧产氢反应器内部投加适量的磁性载体材料作为产氢菌附着载体，同时控制进入厌氧产氢反应器内有机废水或废物的温度和初始pH值，增强对厌氧混合菌群的自然淘汰选择，促进产氢菌的培养和富集，提高产氢菌的生物活性及其沉降性能，从而在无需预处理接种污泥和有机废水的条件下，实现产氢菌的高效富集和有机废水或废物高效产氢的目标。
具体的，所述传统厌氧产氢反应器为常用的上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧流化床(AFB)、厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)、内循环厌氧反应器(IC)和厌氧膜生物反应器(AMBR)中的一种。
具体的，将厌氧产氢反应器的温度控制在15～70℃范围内。
具体的，所述进入厌氧产氢反应器的有机废水或废物初始pH值的控制范围为4.0～10.0。
具体的，所述永磁铁或通电线圈的磁场强度≤200mT。
具体的，所述厌氧混合菌群来自于城市污水处理厂的剩余污泥、工业有机废水或有机废物处理厂产生的厌氧或好氧污泥、畜禽养殖场发酵前后的畜禽粪便等中的一种或几种混合而成的污泥。
具体的，所述磁性载体材料为磁性生物质材料。该磁性生物质材料是根据本发明人的发明专利ZL201210014919.7自行研制而成。
进一步，所述磁性载体材料的添加量与反应器内污泥量的体积比≤20％，磁性载体材料粒径≤10mm。
本发明所采用的磁场强化生物厌氧产氢方法，不需对接种污泥进行其他预处理，与现有的提高系统产氢效率方法相比，其优点和效果主要体现在如下几个方面：
(a)将磁场引入到生物产氢体系，提出了磁场强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法。该方法简单易行，不受温度、pH值、污泥或混合菌状态等因素的限制，可应用于不同类型的厌氧产氢反应器；
(b)控制磁场强度≤200mT或/和新型磁性载体材料加入量≤20％(体积比)，可有利于产氢优势菌的自然筛选，有效提高产氢微生物的活性及沉降性能，使大量产氢微生物保留在反应器内；
(c)在中温(37±2℃)，进水主要含糖类有机物，pH在4.0-10.0，上述(b)条件下，不需人为调控，反应器内pH值能稳定在4.5～5.5，为产氢菌创造了更为有利的产氢环境，表明该方法能有利于稳定反应器内的产氢微生物；
(d)在上述(c)条件下，特别有利于富集乙醇型发酵微生物，形成稳定的乙醇型发酵产氢；
(e)在中温(37±2℃)，进水COD浓度超过5000mg/L(易降解有机底物)及上述(b)条件下，与常规厌氧发酵反应器比较，该方法形成的厌氧产氢反应器的产氢率可提高40％以上；
(f)本发明外加的永磁铁及研制的磁性材料均可重复使用，使用过程中可以达到无额外能源消耗。
附图说明
图1是本发明实施例所采用装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，是本发明实施例所采用装置的结构示意图，它包括一个厌氧产氢反应器，本实施例采用的厌氧产氢反应器是上流式厌氧污泥床(UASB)反应器，从图1中可见，厌氧产氢反应器包括污泥沉降区2、污泥悬浮区3、进水系统的配水箱4和蠕动泵5、废水循环系统6、恒温水循环系统7、三相分离器8以及气体收集装置的水封瓶9和湿式流量计10。从图1中还可见，反应器主体外壁均匀设置永磁铁(或通电线圈)1，可为微生物提供磁场强度在200mT以内的磁场，磁场主要作用在污泥沉降区2，并在反应器内部添加通过改性而具有磁性的磁性载体材料(本实施例是采用本发明人自行研制的磁性木屑载体材料，发明专利ZL201210014919.7)，磁性载体材料的添加量与反应器内污泥量的体积比≤20％，磁性载体材料粒径≤10mm。通过永磁铁(或通电线圈)1和磁性载体材料共同作用加快了厌氧微生物的沉降，促进反应器内产氢优势菌的培养和富集，提高产氢优势菌的生物活性，从而大幅增加系统的产氢效率。通过废水循环系统6可增强反应器内磁性载体材料、厌氧微生物与废水的接触混合和传质效果，为厌氧微生物在难降解有机工业废水中创造更为有利的生存和生活条件，整个反应装置的反应温度通过反应器外部的恒温水循环系统7来完成，通过恒温水的循环使得反应维持在适宜的温度条件下，反应装置顶部的三相分离器8是用来将反应器内所产生的气体尽快分离出来，并减少污泥的流失，气体收集装置由水封瓶9和湿式流量计10组成，用以计量反应器所产生的生物气量。
高浓度有机废水或废物(如：各种食品生产废水、畜禽养殖废水、城市污水厂剩余活性污泥以及屠宰废水等)通过蠕动泵5从配水箱4进入反应器底部，控制中温(37±2℃)，外部磁场强度≤200mT，进水浓度≤20000mg/L，进水SS浓度≤200mg/L，进水pH接近7.0，水力停留时间≤24h，废水循环量：进水量≤5，磁性载体材料加入量≤20％(体积比)的条件下，废水、污泥和载体材料在废水循环系统6的作用下处于膨胀状态，获得良好的传质效果，废水循环系统6还能将部分污泥悬浮区的污泥重新带入反应器底部，提高反应器内的污泥浓度；反应器外部通过恒温水循环系统7维持反应器内的温度恒定；在永磁铁(或通电线圈)1提供的磁场的作用下，附着在磁性载体材料上的微生物将废水中的有机污染物分解产生氢气，所产生的氢气经三相分离器8分离后最终被气体收集装置的水封瓶9和湿式流量计10收集并计量。

Claims (8)

1.一种强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法，其特征在于：借助永磁铁或通电线圈在传统厌氧产氢反应器的外壁均匀设置一定强度的磁场，和/或在厌氧产氢反应器内部投加适量的磁性载体材料作为产氢菌附着载体，同时控制进入厌氧产氢反应器内有机废水或废物的温度和初始pH值，增强对厌氧混合菌群的自然淘汰选择，促进产氢菌的培养和富集，提高产氢菌的生物活性及其沉降性能，从而在无需预处理接种污泥和有机废水的条件下，实现产氢菌的高效富集和有机废水或废物高效产氢的目标。
2.根据权利要求1所述强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法，其特征在于：所述传统厌氧产氢反应器为常用的上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧流化床(AFB)、厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)、内循环厌氧反应器(IC)和厌氧膜生物反应器(AMBR)中的一种。
3.根据权利要求1所述强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法，其特征在于：将厌氧产氢反应器的温度控制在15～70℃范围内。
4.根据权利要求1所述强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法，其特征在于：所述进入厌氧产氢反应器的有机废水或废物初始pH值的控制范围为4.0～10.0。
5.根据权利要求1所述强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法，其特征在于：所述永磁铁或通电线圈的磁场强度≤200mT。
6.根据权利要求1所述强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法，其特征在于：所述厌氧混合菌群来自于城市污水处理厂的剩余污泥、工业有机废水或有机废物处理厂产生的厌氧或好氧污泥、畜禽养殖场发酵前后的畜禽粪便等中的一种或几种混合而成的污泥。
7.根据权利要求1所述强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法，其特征在于：所述磁性载体材料为磁性生物质材料。
8.根据权利要求7所述强化有机废水或废物厌氧生物产氢的方法，其特征在于：所述磁性载体材料的添加量与反应器内污泥量的体积比≤20％，磁性载体材料粒径≤10mm。
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