CN111377429A - 一种有机废物沼渣热解制备的生物炭及循环利用方法 - Google Patents

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Abstract

一种有机废物沼渣热解制备的生物炭，通过下述方法得到：步骤1：取有机废物厌氧发酵沼渣，经干燥和粉碎，得到沼渣粉末，过筛；步骤2：将步骤1中得到的沼渣粉末在氮气氛围中于不同温度下分别热解，并于各自热解温度下分别热解不同时间，氮气下冷却至室温，得到不同热解温度和不同热解时间的生物炭。本发明还公开了上述生物炭的制备方法。本发明将制备的生物炭作为添加剂投加到有机废物的厌氧发酵过程中，不仅抑制产酸过程，提高产气效率，还能提高沼渣的热解能量释放，减少能耗，实现有机废物沼渣资源化的同时开辟了沼渣生物炭的高值化利用途径，实现“以污治污”资源循环利用。

Description

一种有机废物沼渣热解制备的生物炭及循环利用方法
技术领域
本发明属于有机固废的能源化与资源化技术领域，具体地涉及一种有机废物沼渣热解制备的生物炭。
本发明还涉及上述生物炭的循环利用方法。
背景技术
随着餐饮行业的快速发展，有机废物的占比和产量也急剧增长，目前我国有机废物占城市生活垃圾的比例已高达30％-50％，年产生量接近亿吨，严重的影响了城市生活环境。厌氧发酵是有机废物由污染特性向资源特性转变的重要途径之一，不仅能够将有机废物显著减容减量化，还能回收利用沼气能源，真正做到资源化处理。由于有机废物有机物含量较高，还具有高油脂和高盐分的特点，在厌氧发酵过程中会导致系统过度酸化影响发酵产气过程，对有机废物发酵效果影响较大。
同时，有机废物发酵沼气工程的迅速发展，大量的沼渣也随之产生。有机废物沼渣除富含营养成分外，还存在病原微生物等有害物质，进入环境后造成水体和土壤的二次污染和资源浪费，阻碍了沼气工程的进一步推广。因此，对有机废物沼渣进行无害化、资源化的处理是促进厌氧发酵工程发展的关键因素之一。
发明内容
为克服上述有机废物厌氧资源化的技术缺陷，本发明的目的是公开一种有机废物沼渣热解制备的生物炭。
本发明的又一目的是公开一种上述生物炭的循环利用方法。
为实现上述目的，本发明的有机废物沼渣热解制备的生物炭是通过下述方法得到：
步骤1：取有机废物厌氧发酵沼渣，经干燥和粉碎，得到沼渣粉末，过筛；
步骤2：将步骤1中得到的沼渣粉末在氮气氛围中于不同温度下分别热解，并于各自热解温度下分别热解不同时间，氮气下冷却至室温，得到不同热解温度和不同热解时间的生物炭。
所述的生物炭，其中，步骤1中厌氧发酵沼渣是指在无氧的环境下反应温度为25-35℃、初始pH值为6.5-7.5、发酵液中总固体浓度为10％-15％、发酵时间为25-35天的沼渣。
所述的生物炭，其中，步骤1中有机废物厌氧发酵沼渣的含水率为85％-95％，沼渣干燥温度为60-80℃。
所述的生物炭，其中，步骤2中的热解温度为300、400、500、600、700、800及900℃，热解时间为0.5小时、1小时、1.5小时及2小时。
本发明制备上述生物炭的方法，包括如下步骤：
步骤1：取有机废物厌氧发酵沼渣，经干燥和粉碎，得到沼渣粉末，过筛；
步骤2：将步骤1中得到的沼渣粉末在氮气氛围中于不同温度下分别热解，并于各自热解温度下分别热解不同时间，氮气下冷却至室温，得到不同热解温度和不同热解时间的生物炭。
所述的制备方法，其中，步骤1中厌氧发酵沼渣是指在无氧的环境下反应温度为25-35℃、初始pH值为6.5-7.5、发酵液中总固体浓度为10％-15％、发酵时间为25-35天的沼渣。
所述的制备方法，其中，步骤1中有机废物厌氧发酵沼渣的含水率为85％-95％，沼渣干燥温度为60-80℃。
所述的制备方法，其中，步骤2中的热解温度为300、400、500、600、700、800及900℃，热解时间为0.5小时、1小时、1.5小时及2小时。
本发明的生物炭的循环使用方法，是将步骤1得到的不同热解温度和不同热解时间制备的生物炭按比例混合，将混合后的生物炭添加到步骤1的有机废物发酵底物中，生物炭添加的量为有机废物发酵底物干物质重量的10％-15％。
所述的循环使用方法，其中，不同热解温度和不同热解时间制备的生物炭混合比例与热解温度及热解时间成反比。
本发明的有益效果是：
1)本发明针对有机废物进行厌氧消化处理，实现有机废物的减量化。
2)对有机废物消化沼渣进行热解处理，无需添加化学药剂，可以大规模化应用，且可最大程度实现有机废物沼渣的资源化利用。
3)混合生物炭添加到厌氧发酵系统，低温、短时热解生物炭含氧官能团多，能够与发酵体系中的氮反应，有效抑制氨氮累积，缩短发酵启动时间；高温、长时热解生物炭含有较多碱性官能团，能有效缓解发酵产酸阶段酸积累，提高了系统对酸的耐受性，提高系统的稳定性。此外高温、长时热解生物炭还具有丰富的孔隙结构和比表面积，能促进厌氧发酵过程微生物的富集和定殖，提高产甲烷菌的丰度，提升种间电子传递效率，有效提升厌氧发酵产甲烷效率。相比单一热解温度生物炭，本发明的混合生物炭能最大程度发挥不同生物炭的作用，添加到厌氧发酵协同抑制厌氧发酵氨氮和酸累积，提升发酵系统稳定性，提高厌氧发酵系统的沼气产量和沼气中甲烷的含量，提升厌氧发酵效率，有效解决当前有机废物厌氧发酵易酸化、不稳定、产气效率低的问题。
4)混合生物炭中的低温、短时热解组分进入沼渣，并经再次热解的时候，可以提高沼渣的热解能量释放，减少能耗。
5)沼渣回收用于厌氧发酵工程，不仅实现了物质循环，而且开辟了沼渣的高值化利用途径，对生产实践具有重要的指导意义。有机废物生物炭的原料沼渣来自厌氧发酵本身，无需额外购买，成本较低。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，结合实例作进一步详细地描述，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
本发明利用有机废物沼渣热解生物炭作为添加剂投加到以有机废物为发酵底物的厌氧发酵过程，其中生物炭是通过下述方法制备得到：
1)有机废物厌氧发酵：发酵原料为取自中国环境科学研究院教职工食堂的有机废物，经人工挑选去除其中的纸类，骨头，塑料袋及其他杂物，并用粉碎机将其粉碎至糊状，充分搅拌保证底物混合均匀；接种物取自北京市顺义区东华山沼气服务站的发酵沼液；实验装置采用自制的发酵袋，采取中温厌氧发酵工艺，接种比为35％。
2)沼渣的提取：有机废物经厌氧发酵后，会产生沼气、沼液和沼渣。取步骤1的沼渣，其含水率为85.2％。
3)沼渣热解生物炭的制备：取步骤2的沼渣进行干化处理，干化处理是在80℃干化至含水率低于10％，获得固态有机废物沼渣，在氮气环境下进行不同温度和不同时间的热解。
在本发明的一个实施例中，将步骤2的沼渣分成7份，分别在氮气环境下进行高温热解，以5℃/min的升温速率，热解终温分别为300℃热解时间为0.5h、400℃热解时间为1.5h、500℃热解时间0.5h、600℃热解时间2h、700℃热解时间1h、800℃热解时间1.5h及900℃热解时间2h，分别得到不同热解温度和不同热解时间的生物炭。
需要说明的是，根据沼渣产量和热解设备负荷，为提升沼渣热解效率，本发明在同一热解温度下可以保持不同的热解时间，设置沼渣热解进料和出料的量，利用生物炭的高温快速提升新鲜沼渣温度。在上个实施例中，300℃热解的生物炭可以先于该温度下保持热解0.5h后取出部分生物炭，剩余的生物炭继续热解，同时补充部分新鲜沼渣，热解至1.5小时，在氮气下冷却至室温，得到热解温度300℃而热解时间不同(0.5h和1.5h)的生物炭，提升沼渣的热解效率；同样地，700℃热解的生物炭可以先于该温度下保持热解1h后取出部分生物炭，同时补充部分新鲜沼渣继续热解至2小时，在氮气下冷却至室温，得到热解温度700℃而热解时间不同(1h和2h)的生物炭。
上述各温度下热解的生物炭可以等比例地混合，也可以按照生物炭热解温度及热解时间成反比地混合，即热解温度和热解时间越高的生物炭加入比例越少，在一个实施例中，300℃的生物炭占总重量的30％(其中热解时间0.5h的生物炭占20％，热解时间1.5h的生物炭占10％)，400℃的生物炭占总重量的20％，500℃的生物炭占总重量的18％，600℃的生物炭占总重量的12％，700℃的生物炭占总重量的8％(其中热解时间1h的生物炭占5％，热解时间2h的生物炭占3％)，800℃的生物炭占总重量的5％，900℃的生物炭占总重量的2％。按上述比例混合后的生物炭按照有机废物发酵底物干物质重量15％的比例返回步骤1，加入到有机废物中进行厌氧消化处理。
研究结果表明，加入生物炭处理后，发酵系统中pH比对照组高0.5，,在厌氧发酵过程的35天内，累积产沼气量较对照组提高了41％，甲烷含量达到75.8％，较对照组提高了23％。
本发明将沼渣混合生物炭作为添加剂投加到有机废物的厌氧发酵过程中，不仅抑制产酸过程，提高产气效率，还能提高沼渣的热解能量释放，减少能耗，实现有机废物沼渣资源化的同时开辟了沼渣生物炭的高值化利用途径，实现“以污治污”资源循环利用。
本发明一方面解决沼渣回收利用的技术问题，另一方面解决有机废物厌氧发酵过程易酸化、产气量低、沼气质量不高、运行过程不稳定的技术问题，本发明利用有机废物沼渣热解产生的生物炭回用于有机废物厌氧消化处理系统，不仅实现了有机废物沼渣资源化利用，还改善了有机废物厌氧消化产甲烷的效果。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，比如热解温度的范围和热解时间的范围均可以根据有机废物沼渣的种类进行选择和改进，这些选择和改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种有机废物沼渣热解制备的生物炭，通过下述方法得到：
步骤1：取有机废物厌氧发酵沼渣，经干燥和粉碎，得到沼渣粉末，过筛；
步骤2：将步骤1中得到的沼渣粉末在氮气氛围中于不同温度下分别热解，并于各自热解温度下分别热解不同时间，氮气下冷却至室温，得到不同热解温度和不同热解时间的生物炭。
2.根据权利要求1所述的生物炭，其中，步骤1中厌氧发酵沼渣是指在无氧的环境下反应温度为25-35℃、初始pH值为6.5-7.5、发酵液中总固体浓度为10％-15％、发酵时间为25-35天的沼渣。
3.根据权利要求1所述的生物炭，其中，步骤1中有机废物厌氧发酵沼渣的含水率为85％-95％，沼渣干燥温度为60-80℃。
4.根据权利要求1所述的生物炭，其中，步骤2中的热解温度为300、400、500、600、700、800及900℃，热解时间为0.5小时、1小时、1.5小时及2小时。
5.权利要求1所述生物炭的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取有机废物厌氧发酵沼渣，经干燥和粉碎，得到沼渣粉末，过筛；
步骤2：将步骤1中得到的沼渣粉末在氮气氛围中于不同温度下分别热解，并于各自热解温度下分别热解不同时间，氮气下冷却至室温，得到不同热解温度和不同热解时间的生物炭。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，步骤1中厌氧发酵沼渣是指在无氧的环境下反应温度为25-35℃、初始pH值为6.5-7.5、发酵液中总固体浓度为10％-15％、发酵时间为25-35天的沼渣。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其中，步骤1中有机废物厌氧发酵沼渣的含水率为85％-95％，沼渣干燥温度为60-80℃。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其中，步骤2中的热解温度为300、400、500、600、700、800及900℃，热解时间为0.5小时、1小时、1.5小时及2小时。
9.权利要求1所述生物炭的循环使用方法，是将步骤1得到的不同热解温度和不同热解时间制备的生物炭按比例混合，将混合后的生物炭添加到步骤1的有机废物发酵底物中，生物炭添加的量为有机废物发酵底物干物质重量的10％-15％。
10.根据权利要求9所述的循环使用方法，其中，不同热解温度和不同热解时间制备的生物炭混合比例与热解温度及热解时间成反比。
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