CN106276900A - 一种热水解耦合厌氧发酵处理有机废弃物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环保及新能源技术领域，具体涉及一种热水解耦合厌氧发酵处理有机废弃物的方法。该方法包括如下步骤：1)将有机废弃物加入反应釜中，使用搅拌器搅拌，加热升温，达到设定温度后，保持一定时间；2)反应结束后，冷却，收集气体，剩余混合物过滤后得到液态混合物，固态剩余物则可用作肥料或生物炭；3)通过厌氧发酵技术进一步处理液态混合物，生成氢气、甲烷或氢烷；回收其中的有机物及营养物质，作为发酵液，用于调节有机废弃物进行反应的水分含量，如此循环。

Description

一种热水解耦合厌氧发酵处理有机废弃物的方法
技术领域
本发明属于环保及新能源技术领域，具体涉及一种热水解耦合厌氧发酵处理有机废弃物的方法。
背景技术
厌氧发酵是指降解有机物质并产生生物气体(主要由CH4和CO2组成)的发酵过程。厌氧发酵产甲烷技术不仅为使用者提供多种便利和其它的环境效益；同时厌氧发酵中产生的沼渣、沼液可以制成生态肥料，促进无公害生态农业的发展，能够产生良好的经济和社会效益。当前发酵效率低已经成为制约其发展的主要瓶颈之一。与厌氧转化产甲烷相比，两阶段厌氧发酵联产生物氢烷过程从时空上切断了氢营养型甲烷途径，从而使氢气成为了末端产物之一，甲烷则仅通过乙酸营养型途径产生。该方式的主要优点是能量回收率高，工艺灵活性大，效率高，产品适用性广等。通过生物法从生物质资源中获取的生物氢烷，属于可再生的非化石能源。氢烷综合了氢气燃烧速率快、着火极限宽、可再生永久性能源的特点和甲烷体积热值高、储量丰富、排放低等优点；并且作为生物燃气具有降低温室气体和NOx等污染物的排放、热循环效率提高等优点。
厌氧发酵主要包括水解、酸化、乙酸化和甲烷化四个阶段，其中水解阶段是厌氧发酵的限速步骤，是微生物将有机基质转化为液态单体的过程。热水解是生物质热化学转换技术的一种，是指在密封的压力容器中，以水为溶剂，在一定温度压力下进行的化学反应。该方法的主要优点是处理量大、转化效率高，适用于处理含水量高的生物质，且对设备要求相对较低。利用热水解手段对有机废弃物进行预处理，可有效实现有机物水解增溶及细胞破坏。同时，经热水解处理后的液态混合物进行厌氧发酵时，可提高厌氧过程效率和甲烷生产速率，减少水力停留时间。与传统的固态生物质预处理手段，如化学法相比，反应条件相对温和且不引入其他化学试剂，是一种低成本且环境友好的处理方法，可作为生物质资源高效利用的途径之一。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种热水解耦合厌氧发酵处理有机废弃物的方法，包括如下步骤：
1)将有机废弃物加入反应釜中，使用搅拌器搅拌，加热升温，达到设定温度后，保持一定时间；
2)反应结束后，冷却至室温，收集气体，剩余混合物过滤后得到液态混合物，固态剩余物则可用作肥料或生物炭；
3)通过厌氧发酵技术进一步处理液态混合物，生成氢气、甲烷或氢烷；回收其中的有机物及营养物质，作为发酵液，用于调节有机废弃物进行反应的水分含量，如此循环。
步骤1)中，有机废弃物包括秸秆、粪污、藻华、垃圾、城市污泥中的一种或一种以上；有机废弃物的初始含水量为60wt％～95wt％
步骤1)中，所述反应釜为间歇式反应釜或连续式反应釜。
步骤1)中，初始压强为0MPa～2.5MPa，搅拌器转速为100rpm～800rpm；设定温度为150℃～300℃，设定温度的保持时间为0min～60min。
步骤2)中，所述气体主要为CO2，可用作植物气体肥料。
步骤2)中，固态剩余物是以生物炭为主的肥料；其中，生物炭呈碱性，pH为8.2～13.0，主要含碳、氢、氧、氮，土壤养分元素如氮、磷、钙，及微量元素锰、锌等。
步骤3)中，厌氧发酵时所用的发酵反应器为全混式厌氧反应器(CSTR)、升流式固体厌氧反应器(USR)、升流式厌氧污泥床(UASB)、填充床反应器(PBR)、厌氧膨胀床反应器(EGSB)中的一种或一种以上。
步骤3)中，发酵液可将有机废弃物进行反应时的含水量调节至60wt％～95wt％。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.通过本方法处理有机废弃物产生生物燃气(氢气和/或甲烷)，不仅使有机废弃物得到有效利用，而且产生了新的清洁能源。
2.热水解耦合厌氧发酵处理有机废弃物的过程实现了快速无害化处理；以垃圾为例，通过水热处理，高温高压环境中寄生虫及致病微生物都已被杀死；与厌氧发酵耦合不仅加快有机废弃物的处理效率而且能降解水热处理过程中产生的抑制物；故本方法可实现有机废弃物快速无害化处理。
3.通过耦合热水解技术和厌氧发酵技术，使整个过程没有废弃物排放，基本实现有机废弃物的有效利用，可以改善能源结构、减少温室气体排放，同时减轻由于有机废弃物所引发的环境问题。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
下面结合图1对本发明作进一步的阐述和说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本发明所用反应釜为间歇式反应釜(100ml，Parr，USA)。
实施例1
(1)将10g秸秆，用水调节其含水量为60wt％，加入反应釜中，密封好反应釜。
(2)反应釜初始压强为1MPa，搅拌器转速为150rpm，将反应釜加热至150℃，保持10min，之后停止加热，待反应釜冷却。
(3)反应釜冷却至室温后，首先收集气体CO2，然后打开反应釜，用玻璃杯收集产物。
(4)过滤产物分别得到液态混合物和固态剩余物；其中，液态混合物产率约60％。液态混合物通过两阶段厌氧发酵，产氢和产甲烷阶段分别采用填充床反应器和升流式厌氧污泥床，氢气和甲烷产气率约为2L/L/d和4.1L/L/d；或采用填充床反应器，通过单阶段厌氧发酵产氢气，产率约为2L/L/d；或采用全混式厌氧反应器，通过单阶段厌氧发酵产甲烷，产率约为4.33L/L/d。固态剩余物产率约35％，含碳51.33％，氢5.87％，氮0.28％，氧42.48％。
(5)发酵出水循环1-3次后，对秸秆热水解处理效果及生物燃气(氢气和/或甲烷)产气量几乎没有影响。其中，发酵出水循环1次后，液态混合物产率约为60％，固态剩余物产率约为35％，含碳54.32％，氢5.21％，氮0.34％，氧40.13％。
实施例2
(1)将10g浒苔(青岛藻华)，用水调节其含水量为80wt％，加入反应釜中，密封好反应釜。
(2)反应釜初始压强为2MPa，搅拌器转速为400rpm，将反应釜加热至180℃，保持25min，之后停止加热，待反应釜冷却。
(3)反应釜冷却至室温后，首先收集气体CO2，然后打开反应釜，用玻璃杯收集产物。
(4)过滤产物分别得到液态混合物和固态剩余物；其中，液态混合物产率约63％。液态混合物采用升流式固体厌氧反应器，单阶段厌氧发酵产甲烷，产率约为4.6L/L/d。固态剩余物产率约30％，含碳50.21％，氢4.96％，氮3.48％，氧41.35％。
(5)发酵出水循环1-3次后，对浒苔热水解处理效果及生物甲烷产气量几乎没有影响。其中，发酵出水循环3次后，液态混合物产率约为59％，固态剩余物产率约为35％，含碳51.02％，氢3.96％，氮6.32％，氧38.70％。
实施例3
(1)将7.5g粪便，用水调节其含水量为95wt％，加入反应釜中，密封好反应釜。
(2)反应釜初始压强为2.5MPa，搅拌器转速为600rpm，将反应釜加热至260℃，保持50min，之后停止加热，待反应釜冷却。
(3)反应釜冷却至室温后，首先收集气体CO2，然后打开反应釜，用玻璃杯收集产物。
(4)过滤产物分别得到液态混合物和固态剩余物；其中，液态混合物产率约61％。液态混合物通过两阶段厌氧发酵，产氢和产甲烷阶段分别采用填充床反应器和升流式厌氧污泥床，氢气和甲烷产气率约为1.8L/L/d和4.4L/L/d。固态剩余物产率约33％，含碳52.67％，氢4.26％，氮5.11％，氧37.96％。
(5)发酵出水循环1-3次后，对粪便热水解处理效果及生物氢烷产气量几乎没有影响。其中，发酵出水循环3次后，液态混合物产率约为60％，固态剩余物产率约为34％，含碳52.88％，氢3.94％，氮5.98％，氧37.20％。

Claims (10)

1.一种热水解耦合厌氧发酵处理有机废弃物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将有机废弃物加入反应釜中，使用搅拌器搅拌，加热升温，达到设定温度后，保持一定时间；
2)反应结束后，冷却至室温，收集气体，剩余混合物过滤后得到液态混合物，固态剩余物则可用作肥料或生物炭；
3)通过厌氧发酵技术进一步处理液态混合物，生成氢气、甲烷或氢烷；回收其中的有机物及营养物质，作为发酵液，用于调节有机废弃物进行反应的水分含量，如此循环。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，有机废弃物包括秸秆、粪污、藻华、垃圾、城市污泥中的一种或一种以上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，有机废弃物的初始含水量为60wt％～95wt％。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)中，所述反应釜为间歇式反应釜或连续式反应釜。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，初始压强为0MPa～2.5MPa，搅拌器转速为100rpm～800rpm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，设定温度为150℃～300℃，设定温度的保持时间为0min～60min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述气体为CO2。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，固态剩余物是以生物炭为主的肥料；其中，生物炭呈碱性，pH为8.2～13.0，主要含碳、氢、氧、氮，土壤养分元素及微量元素。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，厌氧发酵时所用的发酵反应器为全混式厌氧反应器、升流式固体厌氧反应器、升流式厌氧污泥床、填充床反应器、厌氧膨胀床反应器中的一种或一种以上。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，发酵液可将有机废弃物进行反应时的含水量调节至60wt％～95wt％。
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