CN109207527A

CN109207527A - 一种零价铁抑制餐厨垃圾在高负荷厌氧消化过程中过酸化现象的方法

Info

Publication number: CN109207527A
Application number: CN201810893751.9A
Authority: CN
Inventors: 孔鑫
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2019-01-15

Abstract

一种零价铁抑制餐厨垃圾在高负荷厌氧消化过程中过酸化现象的方法，属于固体废弃物及水处理工艺技术领域，可解决高负荷餐厨垃圾厌氧消化反应过程中出现的“过酸化现象”的问题，本发明通过内置零价铁粉的方式，一定程度上调节系统pH值，同时增强食氢和食乙酸产甲烷菌代谢活性，降低反应器体系内氢分压比例，进而使丁酸等不能被产甲烷菌利用的VFAs转化为乙酸这种可被产甲烷菌直接利用的物质，并进一步降解。本发明最终可达到抑制或缓解高负荷餐厨垃圾厌氧消化反应过程中可能出现的“过酸化现象”，保证产甲烷过程正常进行。

Description

一种零价铁抑制餐厨垃圾在高负荷厌氧消化过程中过酸化现象的方法

技术领域

本发明属于固体废弃物及水处理工艺技术领域，具体涉及一种零价铁抑制餐厨垃圾在高负荷厌氧消化过程中过酸化现象的方法。

背景技术

厌氧消化技术是一种高效的固体废弃物处理方式，对生物质废弃物进行快速降解并使其稳定的同时，还能回收甲烷（CH₄）等能源。而高负荷和高含固形式的厌氧消化，由于具有反应器容积小、处理效率高等优点，被越来越广泛的研究并应用。

餐厨垃圾具有碳氮比高、有机质含量高、可生化性好的特点，可用来作为厌氧产沼的原料，在垃圾处理的同时，实现其资源化利用。在厌氧消化前期，颗粒有机物会被分解为大分子物质，并在产酸菌的作用下，进一步转化为小分子的挥发性脂肪酸（VFAs），供产甲烷阶段的产甲烷菌利用。但由于餐厨垃圾本身的易腐特性，水解酸化速率很快，VFAs的产生速率远高于被产甲烷菌利用速率，造成VFAs大量积累和反应体系pH大幅降低，使产甲烷微生物在体系中失活，从而产生“过酸化现象”。这种过酸化现象会造成以下不良后果：

（1）体系pH值迅速降低至正常范围以下；

（2）产甲烷菌失活，甲烷产率降低，甚至不能正常产甲烷；

（3）由于VFAs属于一种表面活性物质，会降低沼液的表面张力，产生的沼气被包裹，产生大量生物泡沫，这些泡沫不能及时破裂，导致反应器中物料膨胀，阻塞反应器导气管，甚至使反应器运行失败，这种现象多发生于反应器高有机负荷运行阶段，特别反应器受到高有机冲击负荷以及停止运行一段时间后，以较高的负荷重新启动运行时。

目前，解决“过酸化现象”的方式主要有以下两种：

一、根据反应器中pH值实时监测的反馈结果，在pH下降时向反应器中投加氢氧化钠等碱性药剂；

二、通过将餐厨垃圾与其他低碳氮比的物质按一定比例混合，进行“共消化”处理，从而既解决了餐厨垃圾易酸化的缺点，还能够将其他废弃物进行协同处理。前一种方式的经济性并不十分理想；而如果没有足够用来做共消化的低C/N废弃物，后一种方式也难以实现，同时，加入其他物料后，也势必会降低对餐厨垃圾的处理能力。

厌氧过程中生物气泡的产生原因有很多种，其中，对于挥发酸累积所致的生物气泡，目前尚未有有效的抑制方法。

零价铁粉，作为一种还原物质，具有较低的氧化还原电位（E₀=-440 mV）。一方面，可以与过酸化体系中的氢离子反应，降低氢离子浓度；另一方面，零价铁转变为二价铁的过程可以释放出电子，供给产甲烷菌，从而提高产甲烷菌的活性，加快体系中VFAs降解速率和甲烷的产生。零价铁粉价格便宜、获取容易，具有很好的经济性，此外，零价铁粉的反应相比氢氧化钠缓慢，但更持久，可以长期稳定内置于反应器当中，同时起到抑制或缓解“过酸化现象”产生和促进产甲烷反应的作用，具有很好的发展前景。

发明内容

本发明针对高负荷餐厨垃圾厌氧消化反应过程中出现的“过酸化现象”的问题，提供一种零价铁抑制餐厨垃圾在高负荷厌氧消化过程中过酸化现象的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种零价铁抑制餐厨垃圾在高负荷厌氧消化过程中过酸化现象的方法，包括如下步骤：

第一步，将接种污泥、餐厨垃圾和水混合均匀，得到混合物；

第二步，制备零价铁粉，纯度大于98%，粒径0.02mm，比表面积0.05m²•g^-1；

第三步，将混合物和零价铁粉加入厌氧反应器，开始厌氧消化。

第一步中所述接种污泥和餐厨垃圾的挥发性固体VS的比为1:2，混合物的含固率为4%-10%。

第三步中所述零价铁粉的投加量为0.1-0.5gZVI/gVS。

本发明的零价铁在高负荷有机垃圾厌氧处理中发挥作用的机理：

（1）在过酸化状态下，由于H⁺等氧化态物质的存在，使体系氧化还原电位升高，不利于产甲烷菌正常代谢。而零价铁加入后，会在反应过程中释放电子，达到降低体系氧化还原电位，并进一步提高产甲烷菌活性的目的。

（2）零价铁加入后，在厌氧反应的不同阶段实现微生物群落的优化、调节。在酸化水解阶段，零价铁同步促进产氢产酸菌和嗜氢产甲烷菌活性，并在他们之间建立互营体系，使厌氧体系中氢分压降低，从而打破丁酸向乙酸转化的热力学屏障；进一步，零价铁继续在嗜乙酸产甲烷菌和丁酸氧化菌之间的互营关系建立和微生物胞外电子传递中发挥重要作用，使导致体系过酸化的丁酸浓度迅速降低，甲烷大量产生，从而实现过酸化现象的消除。

（3）在有机生活垃圾厌氧消化过程中，特别是高负荷条件下运行时，生物气泡累积是导致反应器不能正常运行的主要因素之一，并且该现象与挥发性有机酸积累存在较强的正相关性。因此，零价铁也会对生物泡沫的产生起到良好的抑制效果。

本发明的有益效果如下：

本发明通过内置零价铁粉的方式，调节系统pH值，同时增强食氢和食乙酸产甲烷菌代谢活性，降低反应器体系内氢分压比例，进而使丁酸等不能被产甲烷菌利用的VFAs转化为乙酸这种可被产甲烷菌直接利用的物质，并进一步降解。最终达到抑制或缓解高负荷餐厨垃圾厌氧消化反应过程中可能出现的“过酸化现象”，保证产甲烷过程正常进行。

高负荷餐厨垃圾厌氧消化反应器连续运行时，受到有机冲击负荷和重新启动两种工况下生物气泡产生现象，零价铁对该现象有抑制的效果。

附图说明

图1为本发明实施例1零价铁对厌氧反应器过酸化消除效果对比图；

图2为本发明实施例4和实施例5投加零价铁反应器（A）与未投加零价铁反应器（B）物料对比；

图3为本发明实施例4不同运行负荷下反应器中物料的VFAs浓度随时间变化图。

具体实施方式

实施例1

以接种污泥和餐厨垃圾VS比为1:2启动厌氧反应器，反应器总容积600mL，其中物料有效容积400mL，调整混合液含固率10%，此时反应器负荷为50g VS·L^-1。分别向几个反应器中内置零价铁粉和铁屑，投加量分别为0.1，0.3，0.4和0.5g ZVI/gVS，以及一个没有零价铁粉的反应器。反应共持续95天。

如图1所示，各反应器的最终累积产甲烷量均在10000--10800 mL，相应的甲烷产率也没有明显差别，为380±6 mLCH₄/gVS_Fwadded。但不同投加量对缓解过酸化现象所需时间有显著影响，此外，铁粉的比表面积大于铁屑。当投加量为0.4 g ZVI/g VS时，反应进入大量产甲烷阶段用时最短，约为30天左右，投加量为0.1，0.3和0.5 g ZVI/g VS时，抑制期持续时间在35-42天。对于未内置零价铁的厌氧反应器，甲烷产量极少，累积产量仅为1000mL。

实施2

通过调控反应器中混合液含固率分别为4%，6%，8%和10%，在这几种条件下，当内置零价铁粉量为0.4 g ZVI/g VS时，均对产生的“过酸化现象”有明显缓解作用，但在较低的含固率条件下，缓解“过酸化现象”所需的延滞期要比高含固率时短。当含固率为4%时，内置零价铁粉的反应器基本不会出现“过酸化现象”，而作为对照的未内置零价铁粉反应器仍出现“过酸化现象”。

实施3

设置两个餐厨垃圾高负荷厌氧反应器（6%TS，负荷为30gVS/L），反应器容积2.5L，物料有效容积1.5L，经过45天运行，两个反应器均已稳定处于“过酸化”阶段，产生气体体积少，且甲烷体积百分比低于30%，pH均在5.2-5.4之间，VFA/ALK值远大于系统稳定时的范围（>1.0）。第45天时，向其中一个反应器中内置零价铁粉0.4 g ZVI/g VS，然后“过酸化现象”开始缓解，在内置零价铁粉20天后，CH₄体积百分数达到60%，VFA/ALK逐渐降低，最终低于0.2。

实施4

连续式反应器启动时，向反应器中投加400g零价铁粉，在5 kgVS/m³/d和7.5 kgVS/m³/d两种负荷下运行时，投加零价铁反应器和对照组反应器均能正常产甲烷，但前者较后者提高2.5-11.3%。而当反应器受到10 kgVS/m³/d的冲击负荷时，对照组反应器在短时间内（12小时内）产生了大量生物泡沫，使反应器中物料膨胀并将导气管路堵塞，进一步，物料从进料口涌出，反应器不能正常运行（如图2）。相反，投加零价铁反应器在5天时间内未产生明显的生物气泡，甲烷比例在65%以上，反应器中物料的VFAs浓度显著低于对照组反应器（图3）。

实施例5

实施例4中的两组反应器在5和7.5kgVS/m³/d负荷下运行50天后，停止运行一段时间，然后以5kgVS/m³/d负荷重新启动反应器。投加零价铁反应器在重新启动前，补加零价铁200g。投加零价铁反应器可以正常启动，平均甲烷产率可达735.6 mLCH₄/gVS/d，而对照组反应器在重新启动24小时内即出现了生物气泡，反应器重新启动失败。

Claims

1.一种零价铁抑制餐厨垃圾在高负荷厌氧消化过程中过酸化现象的方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种零价铁抑制餐厨垃圾在高负荷厌氧消化过程中过酸化现象的方法，其特征在于：第一步中所述接种污泥和餐厨垃圾的挥发性固体VS的比为1:2，混合物的含固率为4%-10%。

3.根据权利要求1所述的一种零价铁抑制餐厨垃圾在高负荷厌氧消化过程中过酸化现象的方法，其特征在于：第三步中所述零价铁粉的投加量为0.1-0.5gZVI/gVS。