CN111118066A - 一种生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法 - Google Patents

一种生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，包括如下步骤：(1)将城市污泥浓缩至固含量为10％～12％，然后与果蔬废弃物混合，并加入生物炭固体酸，发酵至混合体系固体去除率达到50％；(2)从混合体系中分离出发酵液，进行产气反应。本发明采用两相厌氧消化，将水解产酸和产甲烷两个过程分开进行，避免果蔬废弃物在短时间内产生大量有机酸抑制产甲烷阶段反应，同时生物炭固体酸可促进果蔬废弃物和城市污泥中木质纤维素快速降解，缩短城市污泥水解产酸阶段反应时间，提升反应器的处理能力和效率，同时提高果蔬废弃物与城市污泥的资源化利用率。

Description

一种生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物治理和利用技术领域，尤其涉及一种生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法。
背景技术
果蔬废弃物在日常生活中生产量大，产地相对集中，同时具有含水率大、有机含量和营养物高等特性，采用最适宜的厌氧消化工艺，能有效的进行果蔬废弃物的减量化处理，减少对环境的污染和对其他固体垃圾处理的影响，同时产生沼气，实现资源化。城市污泥作为污水处理厂不可避免的副产物，容易对环境造成二次污染，大大降低污水处理设施的环境效益，但同时城市污泥主要由微生物构成，其中含有大量的有机物，可通过厌氧消化产生甲烷、氢气等高附加值产物，实现了污泥资源化利用。
厌氧消化处理果蔬废弃物和城市污泥具有很大的技术优势和广阔的应用前景，但由于技术发展和工艺水平的限制，实际中果蔬废弃物的厌氧消化仍处于研究阶段，并未被广泛地商业化运作。高效稳定的厌氧消化工艺需要保证水解产酸过程和产乙酸产甲烷过程之间的平衡，因为产甲烷菌对有机酸的耐受浓度较低，累积浓度到13000mg/L时就会完全抑制产甲烷活性。果蔬废弃物的主要成份为多糖、淀粉、膳食纤维、蛋白质和脂类，它们属于容易水解酸化的物质，在厌氧消化过程中水解产酸速率较快，与之相比，产甲烷过程是整个厌氧消化过程的限速步骤，导致果蔬废弃物的厌氧消化容易形成有机酸抑制。同时，我国污水处理厂主要采用的厌氧消化工艺由于污泥细胞壁的慢速水解，厌氧消化效率低、基建费用较高。此外，水解酸化菌和产甲烷菌对营养、生理性和环境条件(pH、温度)的需求和敏感程度不同，常引起厌氧反应器酸化，导致产甲烷过程失败。
发明内容
本发明的目的在于解决现有利用果蔬废弃物和城市污泥产沼气过程中，产甲烷过程受到产酸过程制约的问题，提供一种生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法。
本发明的一种生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法包括如下步骤：
(1)将城市污泥浓缩至固含量为10％～12％，然后与果蔬废弃物混合，并加入生物炭固体酸，发酵至混合体系固体去除率达到50％；
(2)从混合体系中分离出发酵液，进行产气反应。
进一步，所述生物炭固体酸由生物质依次经碳化和磺化而得。
进一步，所述碳化温度为250～450℃，所述磺化温度为120～160℃。在实际制备中，可将生物质在250～450℃下碳化1h左右，随后用浓硫酸在120～160℃下磺化6～12h，即得生物炭固体酸。
进一步，所述城市污泥与果蔬废弃物的干质量比为1：1～3：1。
进一步，所述城市污泥和果蔬废弃物的混合物料与生物炭固体酸的体积比为1：1～1：3。
进一步，所述发酵温度为35～55℃。
进一步，所述发酵时间为5～7天。
进一步，所述发酵液pH为6～8。
进一步，所述发酵液固含量≤50％。
进一步，所述发酵液中丙酸含量≥80％。
进一步，所述果蔬废弃物固体含量为6％～9％，可挥发性固体含量为7％～8％，pH值为4.5～5.5。可选自果蔬种植、采摘收割、加工、包装、运输、销售等多个过程中产生的任意一种有机废弃物。
相对于现有技术，本发明采用两相厌氧消化，将水解产酸和产甲烷两个过程分开进行，避免果蔬废弃物在短时间内产生大量有机酸抑制产甲烷阶段反应，同时生物炭固体酸可促进果蔬废弃物和城市污泥中木质纤维素快速降解，缩短城市污泥水解产酸阶段反应时间，提升反应器的处理能力和效率，同时提高果蔬废弃物与城市污泥的资源化利用率。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，包括如下步骤
(1)使用常规污泥浓缩机将从普通市政污水处理厂获取的城市污泥浓缩至固含量为10％备用。将从菜市场收集的果蔬废弃物中的沙石、塑料等无法进行生物分解的物质去除后，切碎成尺寸约5mm的小块，分析测得其固体含量为8.38％，挥发性固体含量为7.73％，pH值为5.00。然后将果蔬废弃物与浓缩后的城市污泥按照质量比为2：1的比例混合，再加入与果蔬废弃物和城市污泥混合物体积比为1：1的生物炭固体酸，在产酸反应器中进行堆沤厌氧发酵5天，使得混合体系pH为6～8，城市污泥和果蔬废弃物的固体去除率达到50％。对混合体系进行过滤，得到VFAs总量相对较低，主要组分为乙酸、丙酸和丁酸，其中丙酸含量≥80％，pH为6～8的滤液(发酵液)。
(2)使用水泵将发酵液加入产气反应器进行产气反应，温度为35～55℃。
上述的生物炭固体酸由生物质在250～450℃下碳化1h左右后用浓硫酸在120～160℃下磺化6～12h得到。
在实际操作中，产生的沼气可用于制备生物燃气，步骤(2)将发酵液过滤后的发酵剩余物可进一步固液分离得到沼液和沼渣，其中沼液可运回到污水厂继续处理，沼渣进行好氧堆沤以获得有机肥作为土壤改良剂，一部分沼渣还可制备成生物炭作为固体酸催化剂基质。
经检测，在产气反应阶段，产气量为0.6～1.5L/h，产气稳定，N2体积含量为1％～5％，CH4体积含量为60％～80％和CO2体积含量为10％～30％，且发酵液进入产气反应器后立即产气，产气阶段反应基本没有延滞期。说明果蔬废弃物的渗滤液是很好的产甲烷原料，小分子有机酸能迅速被产甲烷菌利用合成甲烷。
实施例2
本实施例提供一种生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，包括如下步骤
(1)使用常规污泥浓缩机将城市污泥浓缩至固含量为11％，与果汁厂广柑榨汁后排出的果渣废液按干质量比1：1的比例混合作为两相厌氧发酵原料。然后加入与果渣废液、城市污泥混合物体积比为1：2的生物炭固体酸，在产酸反应器中进行堆沤厌氧发酵4天，使得混合体系pH为6～8，城市污泥和果蔬废弃物的固体去除率达到50％。
(2)使用水泵将发酵液加入产气反应器进行产气反应。
在实际操作中，产生的沼气可用于制备生物燃气，步骤(2)将发酵液分离后的发酵剩余物可进一步固液分离得到沼液和沼渣，其中沼液可运回到污水厂继续处理，沼渣进行好氧堆沤以获得有机肥作为土壤改良剂，一部分沼渣还可制备成生物炭作为固体酸催化剂基质。
经检测，在产气反应阶段，产气量为0.8～2L/h，N2体积含量为1％～5％，CH4体积含量为60％～80％和CO2体积含量为8％～25％，产甲烷阶段反应基本没有延滞期，说明果蔬废弃物的渗滤液是很好的产甲烷原料，小分子有机酸能迅速被产甲烷菌利用合成甲烷。
对比例1
本对比例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：不添加生物炭固体酸。
经检测，本对比例在产气反应阶段，产气量为0.5～1.4L/h，产生的沼气中N2体积含量为1％～5％，CH4体积含量为60％～80％，CO2体积含量为8％～25％，且产甲烷阶段反应基本没有延滞期说明果蔬废弃物的渗滤液是很好的产甲烷原料，小分子有机酸能迅速被产甲烷菌利用合成甲烷。相较实施例1，不添加生物炭固体酸产气量有所减少。
对比例2
本对比例与实施例2相同之处不再赘述，不同之处在于：不添加生物炭固体酸。
经检测，本对比例在产气反应阶段，产气量为0.5～1.8L/h，产生的沼气中N2体积含量为2％～8％，CH4体积含量为55％～75％，CO2体积含量为10％～30％，且产甲烷阶段反应基本没有延滞期说明果蔬废弃物的渗滤液是很好的产甲烷原料，小分子有机酸能迅速被产甲烷菌利用合成甲烷。相较实施例2，不添加生物炭固体酸甲烷含量有所减少。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将固含量为10％～12％的城市污泥与果蔬废弃物混合，并加入生物炭固体酸，发酵至混合体系固体去除率达到50％；
(2)从混合体系中分离出发酵液，进行产气反应。
2.根据权利要求1所述生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述生物炭固体酸由生物质依次经碳化和磺化而得。
3.根据权利要求2所述生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述碳化温度为250～450℃，所述磺化温度为120～160℃。
4.根据权利要求1所述生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述城市污泥与果蔬废弃物的干质量比为1：1～3：1。
5.根据权利要求3所述生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述城市污泥和果蔬废弃物的混合物料与生物炭固体酸的体积比为1：1～1：3。
6.根据权利要求5所述生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述发酵的温度为35～55℃。
7.根据权利要求6所述生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述厌氧发酵时间为5～7天。
8.根据权利要求7所述生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述发酵液pH为6～8。
9.根据权利要求1～8任一项所述生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述发酵液固含量≤50％。
10.根据权利要求9所述生物炭固体酸强化的两相厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于：所述发酵液中丙酸含量≥80％。
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