CN111826403A - 一种有机废弃物厌氧消化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机废弃物厌氧消化的方法，该方法为：将有机废弃物、接种物和富集高效微生物的催化剂加入到反应器中，进行搅拌反应，生产甲烷。催化剂以磁铁为基体，以四氧化三铁为表面吸附物，用于富集可高效厌氧转化有机废弃物的电活性微生物，使微生物快速与四氧化三铁结合在磁铁表面形成生物膜，加快厌氧消化产甲烷的速率，可提高厌氧消化系统的有机负荷和产甲烷量，减少反应周期。与现有技术相比，本发明的催化剂用于富集可高效厌氧转化有机废弃物的电活性微生物，使微生物快速与四氧化三铁结合在磁铁表面形成生物膜，加快厌氧消化产甲烷的速率，可提高厌氧消化系统的有机负荷和产甲烷量，减少反应周期。

Description

一种有机废弃物厌氧消化的方法
技术领域
本发明涉及有机废弃物处理与资源化领域，尤其是涉及一种有机废弃物厌氧消化的方法。
背景技术
随着资源消耗速度越来越快，面临的环境问题也随之增多。其中，有机废弃物中有机碳含量相当于10亿吨标准煤。厌氧消化技术在促进有机固体废弃物减量化、稳定化、无害化的同时实现了资源回收，是提高资源利用效率，支撑生态文明建设的重要技术保障。在有机废弃物厌氧消化过程中，复杂有机物需要经历水解、酸化、乙酸化等一系列生化步骤变成乙酸等小分子有机物，再进行产甲烷过程。
而在传统有机废弃物，比如城市污泥、餐厨或厨余垃圾、农作物秸秆的厌氧消化过程中，存在传质效果差、产甲烷效率低、反应周期长等一系列问题，限制了有机废弃物领域厌氧消化技术的应用。如何强化有机废弃物厌氧消化、提高厌氧消化产甲烷的效率是研究者关注的重点。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高高效微生物物种丰度，强化有机废弃物厌氧消化，促进甲烷生成的有机废弃物厌氧消化的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
互养产甲烷过程涉及到产酸微生物与产甲烷微生物的传质和种间电子传递过程。以氢气或甲酸为电子载体的种间间接电子传递过程受氢气、甲酸等电子载体的浓度梯度、传质速率的影响，互养产甲烷过程无法高效进行，而一旦系统产酸增加，极易出现氢气积累而使产氢产乙酸过程无法自发进行，从而系统酸化崩溃。
研究表明，地杆菌等微生物具有通过菌毛或细胞色素c等进行种间直接电子传递的能力，在厌氧消化产甲烷过程也观察到了这种现象。通过微生物培养或外源物质添加，可以在某些产酸微生物和产甲烷微生物之间形成电子传递的“通道”，加快种间电子传递的速率，从而加速产甲烷过程。四氧化三铁作为有稳定晶体结构、良好导电性和生物相容性的磁性材料，在厌氧消化系统的添加也能帮助建立和强化互养产甲烷微生物间的种间直接电子传递过程。
与此同时，添加四氧化三铁，有助于富集异化铁还原菌，促进有机物的水解酸化过程，提高厌氧消化的效率。然而城市污泥等有机废弃物组分复杂，可进行厌氧转化和种间直接电子传递的高效互养微生物在系统中丰度很低，系统流动和传质效果差，简单添加四氧化三铁既难以在复杂有机废弃物体系富集高效微生物，又难以和高效微生物紧密结合发挥稳定的效果，同时会出现大量的流失问题。
本发明在如上理论基础上改进后提供了一种可以富集并结合高效微生物，稳定提高有机废弃物厌氧消化产甲烷效率的经济可行的方法，具体方案如下：
一种有机废弃物厌氧消化的方法，该方法为：将有机废弃物、接种物和富集高效微生物的催化剂加入到反应器中，进行搅拌反应，生产甲烷。相比于传统有机固体废弃物厌氧消化，在同等有机负荷条件下，具有更高的有机物降解速率、产甲烷速率、甲烷在沼气中比例、产甲烷量。
进一步地，所述的催化剂以磁铁为基体，以四氧化三铁为表面吸附物。该催化剂用于富集可高效厌氧转化有机废弃物的电活性微生物，使微生物快速与四氧化三铁结合在磁铁表面形成生物膜，加快厌氧消化产甲烷的速率，可提高厌氧消化系统的有机负荷和产甲烷量，减少反应周期。所谓富集高效微生物，指的是富集具有分解或转化有机物、参与厌氧消化过程的细菌或古菌，尤其是可进行高效直接种间电子传递的电活性细菌和甲烷菌。高效微生物物种相对丰度与运用该催化剂前或未运用该催化剂相比丰度增加。
进一步地，所述的四氧化三铁与磁铁的质量比为1:(1-10)。
进一步地，所述的磁铁包括铁氧体磁铁或钕铁硼磁铁。
进一步地，所述的磁铁的形状包括球体、椭球体、圆柱体或长方体；磁铁的结构为实心结构、空心结构、多孔结构或板状结构；所述的四氧化三铁的粒径为10nm-0.5mm，纯度85％以上，可为纳米或微米级粒径。
进一步地，所述的有机废弃物的来源包括城市污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾或农作物秸秆中的一种或多种。其中，有机废弃物的VS/TS＝45.1-80.9％，TS＝1.5-23.3％。
进一步地，所述的生产方式包括批次、半连续或连续生产方式。方法适用于低温、中温、高温厌氧消化系统，可采用连续搅拌振荡或间歇搅拌振荡等运行方式，均可以在催化剂表面形成生物膜。半连续或连续生产中固体停留时间SRT＝10-20d。
进一步地，所述的接种物取自污泥厌氧消化反应器的出泥；即厌氧消化污泥，厌氧消化污泥中包含各种细菌，比如可高效进行种间电子传递的细菌和产甲烷菌等等；其中，厌氧消化污泥的VS/TS＝31.6-48.9％，TS＝2.0-6.3％。所述的接种物中挥发性固体和有机废弃物中挥发性固体的质量比为1:(0.5-2)。
进一步地，所述的四氧化三铁与有机废弃物中总固体的质量比为1:(1-6)。
进一步地，所述反应的温度为35-55℃，所述搅拌转速为75-120r/min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明首次采用以磁铁为基体，以四氧化三铁为表面吸附物的催化剂，该催化剂用于富集可高效厌氧转化有机废弃物的电活性微生物，使微生物快速与四氧化三铁结合在磁铁表面形成生物膜，加快厌氧消化产甲烷的速率，可提高厌氧消化系统的有机负荷和产甲烷量，减少反应周期；
(2)由于厌氧消化污泥中的电活性细菌与产甲烷菌在磁铁表面与四氧化三铁颗粒紧密结合，加快了传质与种间电子传递的速率，促进了有机物的转化，提高了产甲烷的效率；
(3)四氧化三铁在磁铁表面紧密吸附，在有机废弃物厌氧消化过程中效果稳定且不易流失，反应结束后可通过磁选等方式进行分离和重复利用，提高厌氧消化效率的同时降低了成本，具有良好的经济效益和应用前景；
(4)本发明的催化剂适用于低温、中温、高温厌氧消化系统，可采用连续搅拌振荡或间歇搅拌振荡等运行方式，均可以在催化剂表面形成生物膜。
附图说明
图1为本发明的催化剂富集高效微生物的原理图；
图2为实施例1、对比例1和对比例2中厌氧消化实验中累积产甲烷曲线；
图3为实施例2、对比例3-5中厌氧消化系统中相对丰度最高的二十种细菌；
图4为实施例2、对比例3-5中厌氧消化系统中相对丰度最高的二十种古菌；
图5为实施例3、对比例6中厌氧消化实验中产甲烷速率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例旨在以城市污泥为基质的批次产甲烷实验中实施一种富集高效微生物强化有机废弃物厌氧消化的方法。
采用污水处理厂的二沉池剩余污泥(VS/TS＝45.1-70.8％，TS＝1.5-5.1％)作为基质，稳定运行的反应器中的厌氧消化污泥(VS/TS＝33.2-48.9％，TS＝2.1-6.3％)做接种物，在500mL血清瓶中进行批次厌氧产甲烷实验。
再加入了磁铁-四氧化三铁催化剂，其中磁铁为直径3cm的球状铁氧体磁铁，四氧化三铁粒径为200nm，四氧化三铁与磁铁质量比为1:2。剩余污泥的VS与接种物的VS质量比为2:1，四氧化三铁与剩余污泥TS的质量比为1:1。同时设置了只有接种物的空白组以消除接种物的影响。
实验在37℃空气浴、100r/min摇床中开展。实验过程中监测挥发性脂肪酸含量，测定沼气产量和气体组分，测定厌氧消化前后的TS(Total Solid，总固体)、VS(VolatileSolid，挥发性固体)。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，用等质量的四氧化三铁代替磁铁-四氧化三铁催化剂。
对比例2
与实施例1的不同之处在于，不添加磁铁-四氧化三铁催化剂。
如图2所示，对比例1与对比例2相比，在产甲烷速率和产甲烷量上没有明显区别，说明直接加入四氧化三铁未能强化城市污泥厌氧消化产甲烷，而实施例1和对比例1或对比例2相比，加入磁铁-四氧化三铁催化剂后，系统产甲烷速率得到了明显提高，在13d即达到了产气最大值，产的沼气中甲烷气体比例由65％提高到了75％以上，降解每克VS所产的甲烷量有明显提高。连续进行两次批次实验，对出泥中铁元素含量进行分析，结果如表1所示。
表1厌氧消化后出泥中的铁元素含量(％TS)a
Table 1 Iron content(％TS)in effluent sludge after anaerobicdigestiona
Figure BDA0002526443770000051
由表1中数据，对比例1中只加入四氧化三铁，有大量的铁元素流失，在批次一和批次二两次批式厌氧消化实验后流失铁元素含量占污泥TS的29％和18.9％，而在加入磁铁和四氧化三铁的实施例1中，铁元素的流失大大减少，在提高厌氧消化效率的同时降低了成本，具有良好的经济效益和应用前景。
实施例2
本实施例旨在以餐厨垃圾为基质的半连续产甲烷实验中实施一种富集高效微生物强化有机废弃物厌氧消化的方法。
采用经粉碎后的餐厨垃圾(VS/TS＝58.7-80.9％，TS＝10.6-23.3％)作为基质，稳定运行的厌氧消化反应器中的厌氧消化污泥(VS/TS＝31.6-48.9％，TS＝2.3-5.7％)做接种物，在工作容积为2L的反应器中进行半连续厌氧产甲烷实验。
再加入了磁铁-四氧化三铁催化剂，其中磁铁为直径4cm，高1cm的圆柱体钕铁硼磁铁，四氧化三铁粒径为100nm，四氧化三铁与磁铁质量比为1:10，加入四氧化三铁质量与餐厨垃圾TS比为1:3，餐厨垃圾的VS与接种物的VS质量比为2:1。同时设置了只有接种物的空白组以消除接种物的影响。
半连续反应器每日出料200mL、进料200mL，污泥停留时间SRT＝10d。反应器采用35-45℃空气浴加热，每搅拌1分钟停半分钟，搅拌速率为80-100r/min。实验过程中监测进出料挥发性脂肪酸、TS、VS含量，测定沼气产量和气体组分。
对比例3
与实施例2不同之处在于，用等质量四氧化三铁代替磁铁-四氧化三铁催化剂。
对比例4
与实施例2不同之处在于，用等质量磁铁代替磁铁-四氧化三铁催化剂。
对比例5
与实施例2的不同之处在于，不添加磁铁-四氧化三铁催化剂。
如图3-4所示，对比例3-5中出料的微生物(细菌、古菌)组成十分相似，未富集出高效电活性细菌，说明单独加入四氧化三铁或者磁铁均不能实现高效微生物的富集。相比于对比例3-5，实施例2中加入磁铁-四氧化三铁催化剂后，出料的微生物组成和丰度有明显差异，富集出可高效进行种间电子传递的细菌1和细菌2，古菌中产甲烷菌3，4和5丰度都有明显提高，实现了有效富集。实施例2中挥发性脂肪酸含量未出现积累，每日甲烷产量提高20％以上，甲烷在沼气中比例提高11％，并且保持了稳定运行。
实施例3
本实施例旨在连续流产甲烷实验中实施一种富集高效微生物强化有机废弃物厌氧消化的方法。
采用二沉池剩余污泥(VS/TS＝50.9-68.8％，TS＝1.7-4.8％)作为基质，稳定运行的厌氧消化反应器中的厌氧消化污泥(VS/TS＝33.1-45.8％，TS＝2.0-5.5％)做接种物，在工作容积为4L的反应器中进行连续流产甲烷实验。
再加入了磁铁-四氧化三铁催化剂，其中磁铁为内径2cm，外径4cm，高1cm的铁氧体磁铁环，四氧化三铁粒径为150nm，四氧化三铁与磁铁质量比为1:1，剩余污泥的VS与接种物的VS质量比为2:1。同时设置了只有接种物的空白组以消除接种物的影响。
采取连续进出料方式启动，SRT＝20d。反应器采用42℃水浴加热，每搅拌1分钟停1分钟，搅拌速率为75r/min。实验过程中监测进出料挥发性脂肪酸、TS、VS含量，测定沼气产量和气体组分。
对比例6
与实施例3的不同之处在于，用等质量的四氧化三铁代替磁铁-四氧化三铁催化剂。
由图5所示，将实施例3与对比例6对比后发现，在启动初期实施例3和对比例6产气速率均快速增加，在十四天后，实施例3的产气速率高于对比例6，且速率差距随时间逐渐变大。在实施例3与对比例6均运行稳定时，实施例3的产气速率较对比例6增加约50％，且挥发性脂肪酸未出现积累，证明了加入了磁铁-四氧化三铁催化剂的反应器稳定运行的效果。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有机废弃物厌氧消化的方法，其特征在于，该方法为：将有机废弃物、接种物和富集高效微生物的催化剂加入到反应器中，进行搅拌反应，生产甲烷。
2.根据权利要求1所述的一种有机废弃物厌氧消化的方法，其特征在于，所述的催化剂以磁铁为基体，以四氧化三铁为表面吸附物。
3.根据权利要求2所述的一种有机废弃物厌氧消化的方法，其特征在于，所述的四氧化三铁与磁铁的质量比为1:(1-10)。
4.根据权利要求2所述的一种有机废弃物厌氧消化的方法，其特征在于，所述的磁铁包括铁氧体磁铁或钕铁硼磁铁。
5.根据权利要求2所述的一种有机废弃物厌氧消化的方法，其特征在于，所述的磁铁的形状包括球体、椭球体、圆柱体或长方体；磁铁的结构为实心结构、空心结构、多孔结构或板状结构；所述的四氧化三铁的粒径为10nm-0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种有机废弃物厌氧消化的方法，其特征在于，所述的有机废弃物的来源包括城市污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾或农作物秸秆中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种有机废弃物厌氧消化的方法，其特征在于，所述的生产方式包括批次、半连续或连续生产方式。
8.根据权利要求1所述的一种有机废弃物厌氧消化的方法，其特征在于，所述的接种物取自污泥厌氧消化反应器的出泥；所述的接种物中挥发性固体和有机废弃物中挥发性固体的质量比为1:(0.5-2)。
9.根据权利要求1或2所述的一种有机废弃物厌氧消化的方法，其特征在于，所述的四氧化三铁与有机废弃物中总固体的质量比为1:(1-6)。
10.根据权利要求1所述的一种有机废弃物厌氧消化的方法，其特征在于，所述反应的温度为35-55℃，所述搅拌转速为75-120r/min。
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