CN109554402A - 一种提高厌氧发酵有机负荷的方法 - Google Patents

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杨晓欢
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Abstract

本发明公开了一种提高厌氧发酵有机负荷方法，在有机负荷递增的消化系统中，定量投加生物炭至厌氧消化体系内，逐渐增加发酵基质的投加量提高负荷，发现伴随厌氧发酵负荷的提升，生物炭对厌氧发酵的促进作用也越明显，在高负荷厌氧系统中，生物炭加快产甲烷速率，明显缩短消化周期，有效提高系统的发酵能力，防止系统酸败，对工程应用具有一定的指导作用。

Description

一种提高厌氧发酵有机负荷的方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，特别涉及一种提高厌氧发酵有机负荷的方法。
背景技术
厌氧发酵系统处理城市有机固体废物时，因其含有的有机成分高，高负荷运行时，产甲烷速率低于水解酸化速率时，系统极易出现有机酸严重积累，Ph值显著降低，甲烷产量急剧下降等一系列酸中毒现象。一旦冲击负荷超出系统的缓冲能力，产甲烷菌活性难以恢复，产甲烷系统将面临崩溃。因此，负荷冲击制约了厌氧发酵系统的处理能力。如何提高厌氧发酵有机负荷增强厌氧发酵系统效率，并使得系统能在高负荷下依旧维持较高的发酵效率，是当前厌氧发酵处理固废的等有机垃圾厌氧处理领域需要解决的难题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高厌氧发酵有机负荷的方法，通过向厌氧发酵系统投加廉价且易得的生物炭，同时，在较高的负荷下，能获得高效的处理能力且相对于不投加生物炭能够达到更高的有机负荷，与此同时系统稳定运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种提高厌氧发酵有机负荷的方法，定量投加生物炭至厌氧消化体系内，逐渐增加发酵基质的投加量提高负荷，并对该过程中产气量、pH等指标进行监测。
所述负荷分别为0.25、0.75、1.5、2.25、3.0，均为发酵基质与种泥的VS之比，呈递增状态，在实施过程中，监控消化过程产甲烷速率、产甲烷延滞期。
所述生物炭的浓度为0g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L，优选10g/L。
所述发酵基质为餐厨垃圾和剩余污泥按湿重比的4：1配置而成。
所述厌氧发酵的温度为50-57℃，优选55℃。
所述生物炭源自木屑、麦秆、核桃皮、花生壳等固体废弃物。
本发明通过定量投加生物炭至厌氧消化体系内，对比负荷分别为0.25、0.75、1.5、2.25、3.0，均为基质与种泥的VS之比，通过定期监测产气量，pH等指标，监测投加生物炭和不投加生物炭对不同负荷厌氧发酵体系的影响，发现可以有效提高厌氧发酵有机负荷，使其能在高负荷下依然保持稳定运行。
与现有技术相比，本发明在有机负荷递增的消化系统中投加生物炭，随厌氧发酵负荷的提升，生物炭对厌氧发酵的促进作用也越明显，在高负荷厌氧系统中，生物炭加快产甲烷速率，明显缩短消化周期，有效提高系统的发酵能力，防止系统酸败，对工程应用具有一定的指导作用。
附图说明
图1不同负荷下投加生物炭和空白对照累计产甲烷图。
图2投加生物炭和空白对照pH变化图。
图3是反应前后生物炭表面扫描电镜分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
(1)生物炭的制备方式：木屑放入坩埚中，压实减少木屑间孔隙，加盖后，将木屑等固体废弃物置于500℃缺氧环境中，控制升温幅度为10-15℃/min，温度达到500℃后维持2h，降温后过筛，孔径控制在0.25mm-1mm之间，干燥储存备用。
(2)发酵基质及厌氧种泥参数：本研究采用的基质为餐厨垃圾和剩余污泥，餐厨垃圾模拟现实餐厨垃圾组分，具体成分为大米(15％)、面条(10％)、土豆(20％)、白菜(20％)、胡萝卜(13.8％)、猪肉(10％)、鸡肉(2％)、鸡蛋(5％)、油(1％)、盐(0.2％)，剩余污泥取自污水厂二沉池脱水后污泥，餐厨垃圾和剩余污泥按湿重比的4:1配置而成，在破壁料理机中将混合基质粒径破碎至1mm以下，混合均匀，通过加水控制基质的TS为9.5％-10％。种泥可以取自啤酒厂发酵罐，啤酒厂种泥一般为中温，对种泥可以先进行高温适应性驯化，驯化方法可以采用一般投加低浓度葡萄糖或者乙酸钠进行高温驯化。
(4)在本发明的一种实施方式中，驯化后种泥的性质：TS 89.102±5.601g/L，VS36.433±1.091g/L，T-COD 4.819±0.032g/L，S-COD 0.967±0.029g/L，Ph 8.01±0.03，碱度4.850±0.035gCaCO3/L，乙酸0.0582±0.016g/L，丙酸0.0084±0.0022g/L；基质的特性：TS 94.181±0.1077g/L，VS 77.805±0.02g/L，T-COD 138.19±2.50g/L，S-COD 49.18±1.405g/L，乙酸1.58±0.85g/L，丙酸0.166±0.0042g/L。
(3)反应运行方式：可以是反应器装置，也可以是批次实验:一次性投加反应原料，封闭反应直至甲烷产量不再增加。本发明实施方式是按不同负荷将基质或有机酸与厌氧发酵种泥进行混合，以添加生物炭和未添加的为对照，进行批次产甲烷。
(4)具体操作方法：1)发酵瓶容积为120mL，将5mL种泥分别与基质按负荷VS(基质)/VS(种泥)为低负荷(0.25)、中负荷(0.75、1.5)、高负荷(2.25、3.0)进行混合，添加自来水至90mL。2)将添加生物炭的发酵瓶分别投加0.9g木屑制成的生物炭。3)通入氮气两分钟，排除反应系统内的氧气，压盖密封后，于55℃水浴摇床进行厌氧发酵，浴摇床的摇晃频120～130r/min每天监测产气量及气体组分变化。
(5)在本发明的一种实施方式中，采用的发酵瓶体积为120mL，用玻璃注射器定量测产气量，当发酵瓶不再有压力时，玻璃注射器内气体不再上升。500uL进样针取气体，通过气相测定气体组分。甲烷产量由两部分组成：一是发酵瓶顶空部分气体，二是针管内的气体。观察累积甲烷产量随累计时间的变化。
累计产甲烷量如图1所示，对图1累计产甲烷量采用Gompertz模拟可得表1相关参数，在低负荷下，生物炭的促进作用并不明显，几乎和未添加生物炭的同步产甲烷；而在中高负荷下，生物炭表现出明显的促进作用，产甲烷速率提升至未添加生物炭的2倍，发酵周期缩短了一半，在负荷为3的消化系统中，生物炭的添加加快了产甲烷速率，延滞期较未添加生物炭的显著减少。
生物炭在体系内所起的作用主要有以下三点，1)制备的生物炭灰分中含有的碱金属或碱土金属可以为厌氧发酵系统提供适当的缓冲，对提高负荷起到一定的协助作用(图2)；2)本发明采用的生物炭具有空隙率高，比表面积大等特点可以微生物提供附着生长的载体，增加体系内的生物量，加快有机质的降解(图3)，如图3所示反应后生物炭表面富集了大量的微生物；3)生物炭具有良好的导电性，促进厌氧发酵反应过程中电子转移，进而加快产甲烷过程。
表1投加生物炭和未投加生物炭产气Gompertz模型参数
表2生物炭的基本特征

Claims (7)

1.一种提高厌氧发酵有机负荷的方法，其特征在于，定量投加生物炭至厌氧消化体系内，逐渐增加发酵基质的投加量提高负荷。
2.根据权利要求1所述提高厌氧发酵有机负荷的方法，其特征在于，所述负荷分别为0.25、0.75、1.5、2.25、3.0，均为发酵基质与种泥的VS之比，呈递增状态。
3.根据权利要求1所述提高厌氧发酵有机负荷的方法，其特征在于，所述生物炭的浓度为0g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L。
4.根据权利要求1所述提高厌氧发酵有机负荷的方法，其特征在于，所述发酵基质为餐厨垃圾和剩余污泥按湿重比的4：1配置而成。
5.根据权利要求1所述提高厌氧发酵有机负荷的方法，其特征在于，所述厌氧发酵的温度为50-57℃。
6.根据权利要求1所述提高厌氧发酵有机负荷的方法，其特征在于，所述厌氧发酵的温度为55℃。
7.根据权利要求1所述提高厌氧发酵有机负荷的方法，其特征在于，所述生物炭源自木屑、麦秆、核桃皮、花生壳等固体废弃物。
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