CN112322665A - 一种村镇有机生活垃圾厌氧发酵的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种村镇有机生活垃圾厌氧发酵的方法，具体涉及一种氨氮吸附膜材料应用于厌氧发酵过程的方法，所述氨氮吸附膜材料制备方法如下：首先制备FeZn普鲁士蓝类化合物，再将聚丙烯腈（PAN）溶于N,N二甲基甲酰胺（DMF），搅拌至完全溶解后加入FeZn普鲁士蓝类化合物，继续搅拌分散均匀，得静电纺丝液；将静电纺丝液加入静电纺丝机的注射器中，经纺丝得到FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜。该复合纳米纤维膜对氨氮的吸附量大、性能稳定、制备方法简单，对于农村有机生活垃圾厌氧发酵过程中吸附氨氮氨氮、消除氨抑制具有很大的应用潜力。

Description

一种村镇有机生活垃圾厌氧发酵的方法
技术领域
本发明属于厌氧发酵技术领域，涉及一种村镇有机生活垃圾厌氧发酵的方法。
背景技术
村镇有机生活垃圾适宜作为厌氧发酵原料，而且具有很高的产沼气潜力，所以厌氧发酵是一种合适的处理村镇有机生活垃圾的方法。而干式厌氧发酵因可以处理固体含量高的废弃物，而且无后续沼液处理问题，容积产气率高，处理成本低等优点，所以利用干式厌氧发酵处理有机生活垃圾成为目前的研究热点。干式厌氧发酵是一个复杂的生物反应过程，其中有产酸菌和产甲烷菌，这两者的生长条件和营养条件差别较大，因此干式厌氧发酵对环境变化非常敏感。所以要保持这两种细菌的平衡，一旦这种平衡被打破，则会造成发酵系统内挥发性脂肪酸积累，产气量下降，甲烷含量降低，更严重造成系统崩溃。村镇有机生活垃圾主要是剩饭剩菜等餐厨垃圾和菜叶果皮等，由于餐厨垃圾含有较高蛋白质、油脂等成分较为复杂的有机物，在厌氧发酵过程中容易造成系统失稳，如其中的蛋白质和氨基酸以及其他的含氮有机物经过水解产生的氨氮。发酵前期用于细胞合成的氨氮量较少，加上在厌氧处理有机生活垃圾中不能去除其他的含氮类物质，所以，大量的氮都是以氨氮的形式排出，造成系统中氨氮浓度积累，当氨氮积累到一定的程度后，就会对细胞产生毒性作用，抑制甲烷的生成。另外，较高的油脂含量在厌氧发酵过程中经过分解形成中间代谢产物长链脂肪酸也会对厌氧发酵系统的稳定性造成影响。但是在实际的农村有机生活垃圾中，餐厨垃圾中的油脂含量不高，而且除餐厨垃圾外，其中还有菜叶和瓜果皮等物质，因此在有机生活垃圾中氨氮含量被认为是引起厌氧发酵系统失稳的一个重要影响因素。
有机生活垃圾的C/N普遍偏低，所以，在发酵中过多的氮会转化为过量的氨氮，造成氨抑制现象。目前国内对于有机生活垃圾的干式厌氧发酵的研究还处于初期摸索的阶段。现有的工作主要集中在有机生活垃圾的产气潜力的研究上，对于有机垃圾干式厌氧发酵的产气情况研究较少，所以，本发明就是在中温(37±1℃)的条件下，进行村镇有机生活垃圾干式厌氧发酵实验，研究其在发酵过程可能出现的各种抑制情况，并提出解决办法，从而提高村镇有机生活垃圾干式厌氧发酵的产气性能，为以后农村有机生活垃圾干式厌氧发酵规模化处理提供参考依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种村镇有机生活垃圾厌氧发酵的方法，将村镇有机生活垃圾与污泥混合进行厌氧发酵，在发酵过程中加入氨氮吸附膜材料。
所述村镇有机生活垃圾为新鲜菜叶和瓜果皮，使用粉碎机粉碎至粒径小于4mm，置于冰箱冷冻保存备用。
所述污泥为养殖场污泥经过37℃条件下驯化获得，取用前利用搅拌器装置使其搅拌均匀。
所述氨氮吸附膜材料为FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，装入无纺布袋中置于发酵罐中。FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜上的Na2ZnFe(CN)6晶体内的Na+与沼液中的
Figure BDA0002754611240000021
进行交换，得到(NH4)2ZnFe(CN)6晶体，从而降低沼液中氨氮的浓度。
本发明还提供了所述FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜的制备方法，具体如下：
步骤1，分别制备氯化锌溶液和亚铁氰化钠溶液；在亚铁氰化钠溶液中加入固体氯化物得混合溶液；将氯化锌溶液滴加到混合溶液中，边滴加边搅拌后得白色悬浊液，静置后离心分离，用去离子水多次清洗后烘干，得FeZn普鲁士蓝类化合物；
步骤2，将聚丙烯腈(PAN)溶于N，N二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌至完全溶解，得聚丙烯腈N，N二甲基甲酰胺分散液，后加入FeZn普鲁士蓝类化合物粉末，搅拌至分散均匀，得静电纺丝液；
步骤3，静电纺丝液通过静电纺丝得到FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜。
具体的，所述步骤1的氯化锌溶液的浓度为1mol/L，亚铁氰化钠溶液的浓度为1mol/L，固体氯化物和亚铁氰化钠的物质的量之比为1∶2。
具体的，所述步骤2的聚丙烯腈和FeZn普鲁士蓝类化合物的质量比为1∶1.5～2。
具体的，所述步骤3静电纺丝的电压为12～14KV，接收距离为10～15cm，推注速率为0.008～0.012mL/min。
本发明提供的村镇有机生活垃圾厌氧发酵的方法，在发酵体系中加入FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜作为氨氮吸附膜材料，利用FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜上的Na2ZnFe(CN)6晶体内的Na+与农村有机生活垃圾厌氧发酵沼液中的
Figure BDA0002754611240000031
进行交换，而且该纳米纤维膜制备方法简单、比表面积大、柔韧性好，对于农村有机生活垃圾厌氧发酵过程中吸附氨氮、消除氨抑制具有很大的应用潜力。
附图说明
图1为FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜实拍图。
图2为FeZn普鲁士蓝类化合物扫描电镜图。
图3为FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实例进一步阐述本发明。
实施例1
接种物取自江苏省常州市金坛区永康农牧科技公司养殖场的污泥，呈黑色絮状，取回将其密封好之后置于37℃的水浴锅中进行驯化，保存备用，取用前利用搅拌器装置使其搅拌均匀。实验所用的有机生活垃圾是参考沛县大屯街道有机生活垃圾组成自行制备，其主要成分是新鲜菜叶和瓜果皮，使用粉碎机粉碎至粒径小于4mm，置于冰箱冷冻保存。
实验装置是由固体厌氧发酵罐、排水瓶和集气瓶组成。发酵罐体积为30L，发酵罐的有效容积设为24L，按TS为20％进料，调节pH值为7.5，之后密封开始发酵。发酵罐配有搅拌装置，每隔8h搅拌1次，每次搅拌5min，通过电加热装置，保持发酵罐内温度在37±2℃范围内，排气口设置在罐体右侧连接排水瓶和集气瓶，每天定时监测罐内的气体产量及气体成分。出料口设置在发酵罐底部，采用阀门控制，发酵过程中，氨氮吸附膜材料装入无纺布袋中置于发酵罐中，可根据发酵物总量选择所需添加吸附膜的数量。发酵结束后回收吸附膜材料，可循环使用吸附材料。
前期每隔三天从此处取发酵样品，取样时需进行搅拌，检测其VFA、氨氮，pH等指标，发酵稳定后每隔10d检测1次。
上述发酵过程中加入的氨氮吸附膜材料为FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，制备方法如下：
称取27.264g的氯化锌，配制200mL物质的量浓度为1moL/L的氯化锌溶液；称取60.782g的普鲁士蓝类亚铁氰化钠，配制200mL物质的量浓度为1moL/L的亚铁氰化钠溶液；在所述亚铁氰化钠溶液中加入5.844g的固体氯化钠，搅拌均匀，使氯化钠完全溶于亚铁氰化钠溶液中，得亚铁氰化钠与氯化钠的混合溶液；将氯化锌溶液滴加到上述混合溶液中，边滴加边进行磁力搅拌，滴加完成后继续搅拌3h，得白色悬浊液；将所述白色悬浊液静置24小时后离心分离，得白色固体；将所述白色固体用去离子水多次清洗，然后55℃条件下烘干，即得普鲁士蓝类化合物。
称取0.8g聚丙烯晴(PAN)溶于10mL的N，N二甲基甲酰胺(DMF)，60℃下磁力搅拌3h，使其完全溶解，然后加入1.5g普鲁士蓝类化合物，搅拌至分散均匀，得静电纺丝液。
将静电纺丝液倒入10mL的注射器中，将静电纺丝机电压设为12KV，距离10cm，推注速率0.01mL/min，纺丝得到FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，如图1所示。
实施例2
FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，制备方法如下：称取0.75g聚丙烯晴(PAN)溶于10mL的N，N二甲基甲酰胺(DMF)，60℃下磁力搅拌3h，使其完全溶解，然后加入1.5g普鲁士蓝类化合物，搅拌至分散均匀，得静电纺丝液。
将静电纺丝液倒入10mL的注射器中，将静电纺丝机电压设为13KV，距离15cm，推注速率0.012mL/min，纺丝得到FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜。
发酵方法其他参数同实施例1。
实施例3
FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，制备方法如下：称取1.0g聚丙烯晴(PAN)溶于10mL的N，N二甲基甲酰胺(DMF)，60℃下磁力搅拌3h，使其完全溶解，然后加入1.5g普鲁士蓝类化合物，搅拌至分散均匀，得静电纺丝液。
将静电纺丝液倒入10mL的注射器中，将静电纺丝机电压设为14KV，距离12cm，推注速率0.008mL/min，纺丝得到FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜。
发酵方法其他参数同实施例1。
实施例4
本实施例为氨氮吸附应用实例。
FeZn普鲁士蓝类化合物的扫描电镜图如图2所示，呈直径在150nm左右的球形，形状均匀一致，比表面积大。FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜扫描电镜图如图3所示，图中每条线上都有凸起，这是普鲁士蓝类化合物附着在纳米纤维膜上，显著增加了普鲁士蓝类化合物与氨氮的接触面积。
分别取10mL浓度为1000mg/L的模拟氨氮废水，用0.1moL/L的NaOH溶液调节pH值，使其达到7，向其中加入实施例1制备的FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，在35℃条件下反应至吸附平衡，然后用纳氏试剂分光光度法检测氨氮平衡时的浓度。
按同样的步骤，把模拟氨氮废水换成农村有机生活垃圾干式厌氧发酵的末期沼液，测定FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜在沼液中的吸附量。
FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜在模拟氨氮废水中的吸附量为85.17mg/g，循环20次使用后吸附量为62.33mg/g，在沼液中的氨氮吸附量为72.83mg/g，循环20次使用后吸附量为46.62mg/g。表明该吸附材料有较好的循环利用价值。
本发明制备的FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜具有很好的柔韧性、稳定性、氨氮吸附量大且易于制备，在农村有机生活垃圾厌氧发酵过程中氨氮吸附方面及优化厌氧发酵过程中具有很好的应用前景。

Claims (9)

1.一种村镇有机生活垃圾厌氧发酵的方法，将村镇有机生活垃圾与污泥混合进行厌氧发酵，其特征在于，在发酵过程中加入氨氮吸附膜材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述村镇有机生活垃圾为新鲜菜叶和瓜果皮，使用粉碎机粉碎至粒径小于4mm，置于冰箱冷冻保存备用。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述污泥为养殖场污泥经过37℃条件下驯化获得，取用前利用搅拌器装置使其搅拌均匀。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氨氮吸附膜材料为FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜，装入无纺布袋中置于发酵罐中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜上的Na2ZnFe(CN)6晶体内的Na+与沼液中的
Figure FDA0002754611230000011
进行交换，得到(NH4)2ZnFe(CN)6晶体，从而降低沼液中氨氮的浓度。
6.权利要求1所述氨氮吸附膜材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
步骤1，分别制备氯化锌溶液和亚铁氰化钠溶液；在亚铁氰化钠溶液中加入固体氯化物得混合溶液；将氯化锌溶液滴加到混合溶液中，边滴加边搅拌后得白色悬浊液，静置后离心分离，用去离子水多次清洗后烘干，得FeZn普鲁士蓝类化合物；
步骤2，将聚丙烯腈(PAN)溶于N,N二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌至完全溶解，得聚丙烯腈N,N二甲基甲酰胺分散液，后加入FeZn普鲁士蓝类化合物粉末，搅拌至分散均匀，得静电纺丝液；
步骤3，静电纺丝液通过静电纺丝得到FeZn普鲁士蓝/聚丙烯腈复合纳米纤维膜。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤1的氯化锌溶液的浓度为1mol/L，亚铁氰化钠溶液的浓度为1mol/L，固体氯化物和亚铁氰化钠的物质的量之比为1：2。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2的聚丙烯腈和FeZn普鲁士蓝类化合物的质量比为1：1.5～2。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3静电纺丝的电压为12～14KV，接收距离为10～15cm，推注速率为0.008～0.012mL/min。
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