CN112679061A - 污泥厌氧消化制备沼气的方法及获得的沼气 - Google Patents

Abstract

一种污泥厌氧消化制备沼气的方法及获得的沼气，该方法包括将新鲜污泥、接种污泥、生物炭在密闭无氧的条件下进行消化反应，得到所述沼气和第一消化污泥。本发明提出的消化污泥热解制备生物炭的方法，操作简单，成本低廉，所制备的生物炭具有良好的强化厌氧消化产沼气的效果；本发明还有利于减轻污泥的环境污染问题，且能够实现污泥的资源化利用。

Description

污泥厌氧消化制备沼气的方法及获得的沼气

技术领域

本发明属于有机固体废物处理处置及资源化领域，具体涉及一种污泥厌氧消化制备沼气的方法及获得的沼气。

背景技术

近年来中国污水处理厂规模逐渐扩大，污泥产量剧增。据住建部统计，2017年中国污泥产量已达3.62×10⁷吨。污泥成分复杂，含有有机物、重金属、病原体等多种物质，若处理不当，会生态环境造成不良影响。因此，污泥处置不容忽视。

目前污泥的处理方法主要有厌氧消化、焚烧、热解、气化等，其中厌氧消化是一种比较成熟的技术，其受污泥含水率的影响较小，可利用污水污泥作为底物，产生的沼气可用于供电和供热，抵消污水、污泥处理过程中使用的部分能量，同时可以杀死致病菌及寄生虫(卵)，是一种可以达到污泥减量化、资源化的有效技术。但厌氧消化具有两个缺陷：一是停留时间较长，这是由于由氢气产生甲烷是从脂肪酸或脂肪醇到二氧化碳的种间电子转移过程(种间电子转移)，该过程依靠扩散电子载体(氢或甲酸盐)介导，速率较慢，所以厌氧消化周期长，设备占地面积大；二是有机物降解不完全，通常污泥中仅约40至60％的有机物可在厌氧消化过程中转化为沼气，消化污泥中仍含有大量难以生物降解的有机物，仍具有较高的能量利用潜力，因此可以利用热化学方法回收其中能量。

热解是一种“零废物”热化学处理技术，其优势在于温室气体排放量低，可以将消化的污泥转化为生物油、合成气等有用生物能源，特别地，消化污泥热解还可制备生物炭。研究表明，向厌氧消化系统中添加生物炭后，种间电子转移过程可以直接通过生物炭进行(直接种间电子转移)，无需再经扩散电子载体(氢或甲酸盐)介导，该过程避免了与氢的生产和消耗相关的几个步骤，提高了能源效率及传输效率；此外生物炭能够吸附抑制产甲烷菌活性的有毒有机化合物，并为微生物生长提供高表面积，从而有利于提高厌氧消化性能。因此消化污泥热解生物炭回用，可强化厌氧消化过程，同时解决污泥中有机物在厌氧消化过程中降解不完全的问题。目前还未见到用此方法强化污泥厌氧消化产沼气的相关报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种污泥厌氧消化制备沼气的方法及获得的沼气，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种污泥厌氧消化制备沼气的方法，包括：

将新鲜污泥、接种污泥、生物炭在密闭无氧的条件下进行消化反应，得到所述沼气和第一消化污泥。

在本发明的一些实施例中，所述新鲜污泥与接种污泥的质量比为1：(0.15至0.25)。

在本发明的一些实施例中，所述生物炭的添加量为新鲜污泥与接种污泥的干质量总和的5至10wt％。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种沼气，采用如上所述方法制备得到。

基于上述技术方案可知，本发明的污泥厌氧消化制备沼气的方法及获得的沼气相对于现有技术至少具有以下优势之一：

(1)本发明制备生物炭所用原料为污水处理厂污泥，该原料常见且产量大，有利于大规模推广应用；

(2)本发明提出了一种消化污泥基生物炭用于强化污泥厌氧消化产沼气的方法，有利于减轻污泥的环境污染问题，且能够实现污泥的资源化利用；

(3)本发明的提出的方法路线形成了闭路循环，有利于促进“循环经济”；本发明首先将污泥进行厌氧消化，再将消化污泥进行热解制备生物炭，生物炭回用至厌氧消化罐，可强化厌氧消化过程，同时能够实现消化污泥资源化利用。

(4)本发明提出的方法有利于提高厌氧消化的电子传递效率，有助于缩短停留时间，减小反应器占地面积，降低污泥厌氧消化基建及运行成本。

(5)本发明提出的消化污泥热解制备生物炭的方法，操作简单，成本低廉，所制备的生物炭具有良好的强化厌氧消化产沼气的效果。

附图说明

图1为本发明实施例中污泥厌氧消化制备沼气的方法流程图。

附图标记说明如下：

1.新鲜污泥；2.厌氧消化反应器；3.沼气；4.消化污泥；5.烘箱；6.干燥消化污泥；7.热解油；8.合成气；9.管式炉；10.生物炭。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种污泥厌氧消化制备沼气的方法，其特征在于，包括：

将新鲜污泥、接种污泥、生物炭在密闭无氧的条件下进行消化反应，得到所述沼气和第一消化污泥。

其中，所述新鲜污泥与接种污泥的质量比为1∶(0.15至0.25)。

其中，所述生物炭的添加量为新鲜污泥与接种污泥的干质量总和的5至10wt％。

其中，所述消化反应的温度为30至40摄氏度；消化时间为18至23天；

其中，所述消化反应是在厌氧消化反应器中实现的；

其中，在所述消化反应的过程中搅拌，搅拌速率为650至850转/分钟。

其中，将得到的第一消化污泥经过处理后得到的生物炭循环用于所述消化反应中。

其中，所述生物炭的制备方法包括：

(1)将污泥原料在密闭无氧的条件下消化反应，得到第一消化污泥；

(2)将第一消化污泥过滤干燥后粉碎，得到第二消化污泥；

(3)将第二消化污泥热解后得到第一产物；

(4)将第一产物在酸溶液中煮沸后调节pH为中性，干燥后得到的固体即为所述的生物炭。

其中，步骤(1)中所述污泥原料包括新鲜污泥和接种污泥或所述污泥原料包括新鲜污泥、接种污泥和生物炭。

其中，步骤(1)中所述新鲜污泥与接种污泥的质量比为1∶(0.15至0.25)；

其中，步骤(1)中所述消化反应的温度为30至40摄氏度；消化时间为18至23天；

其中，步骤(1)中所述消化反应是在厌氧消化反应器中实现的；

其中，步骤(1)中在所述消化反应的过程中搅拌，搅拌速率为650至850转/分钟。

其中，步骤(2)中所述过滤步骤中采用定性滤纸过滤；

其中，步骤(2)中所述第二消化污泥的粒径为0.25至0.5毫米；

其中，步骤(3)中将第二消化污泥热解具体包括：将第二消化污泥置于管式炉中，以4至8摄氏度/分钟的升温速率升温至400至600摄氏度后保持1.5至2小时，得到所述第一产物。

本发明还公开了一种沼气，采用如上所述方法制备得到。

在一个示例性实施例中，本发明的污泥厌氧消化制备沼气的方法，利用消化污泥基生物炭回收用以促进污泥厌氧消化，包括如下步骤：

(1)污泥厌氧消化：取新鲜污泥与接种污泥置于1000毫升厌氧消化反应器内，新鲜污泥与接种污泥的质量比为1∶(0.15至0.25)，通入氮气5分钟以除去顶部空间的氧气，密封反应器，将反应器置于磁力搅拌恒温水浴反应器中，转速为750±100转/分钟，消化温度为36±1摄氏度，消化20天。

(2)消化污泥预处理：将消化污泥通过定性滤纸抽滤，将截留物在烘箱(105摄氏度)中干燥，并粉碎过筛，选取粒径为0.25-0.5毫米的消化污泥用于热解制备生物炭。

(3)消化污泥热解制备生物炭：称取10.0克消化污泥粉末置于石英舟内送入管式炉。从30摄氏度开始，以4-8摄氏度/分钟的升温速率进行加热，终温设置为400至600摄氏度，保持1.5至2小时。在整个过程中，N2用作载气，流速为100毫升/分钟。

(4)生物炭收集与处理：冷却后，将石英方舟内的生物炭去除，在1∶9盐酸溶液中煮沸，并将酸洗样品在蒸馏水中漂洗直至pH为中性，在烘箱(105摄氏度)中干燥后备用。

(5)生物炭回用至厌氧消化反应器：以新鲜污泥与接种污泥的干质量总和的5至10wt％的添加量向厌氧消化反应器内加入生物炭，搅拌均匀，通入氮气5分钟以除去顶部空间的氧气，密封反应器，将反应器置于磁力搅拌恒温水浴反应器中，转速为750±100转/分钟，消化温度为36±1摄氏度，消化20天进行强化厌氧消化，得到沼气和消化污泥。

(6)步骤(5)产生的消化污泥重复步骤(1)-(4)得到生物炭，继续循环应用于步骤(5)中生产沼气。

其中，步骤1中所用的污泥来自天津市某污水处理厂，处理废水为生活污水。

其中，步骤(3)所用的管式炉配置石英管内径为10厘米，工作温度最高达1200摄氏度。炉底安装一对滑轨，可手动滑动。开始升温前，需要先以100毫升/分钟的流速通入氮气，吹扫10分钟，排尽管式炉中的空气。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

下述实施例中使用的化学药品和原料均为市售所得或通过公知的制备方法自制得到。

实施例1

(1)本实施例所用污泥来自天津市某污水处理厂，该污泥含水率为90.23％，将含水率调至95.0％后进行厌氧消化实验，该污泥的元素分析及工业分析如下：

表1元素分析(％)

表2工业分析(％)

其中，表2中固定碳*采用差减法计算

(2)本实施例中厌氧消化温度为36摄氏度，消化反应器体积为1000毫升，容积率取0.8，接种污泥比为0.2。如图1所示，具体操作步骤如下：

①分别取640毫升新鲜污泥1与160毫升接种污泥加入厌氧消化反应器2中，放入1颗转子，通入氮气5分钟以除去顶部空间的氧气，密封反应器。

②将反应器置于磁力搅拌恒温水浴反应器中，打开开关，将转速调至700转/分钟。

③将每个反应器上的排气口紧密连接到收集生物气的集气袋，并将集气袋阀门打开以收集沼气3。

④保持上述条件，连续消化20天，消化完成后，将消化污泥4通过定性滤纸抽滤，并将截留物在烘箱5(105摄氏度)中烘干，得到干燥消化污泥6。

⑤用粉碎机将烘干的干燥消化污泥6进行破碎，过筛，取0.25至0.5毫米粒径的消化污泥用于热解制炭10，同时生成热解油7和合成气9。

⑥称取10克消化污泥粉末置于石英舟，送入管式炉9内，封闭管式炉9。以100毫升/分钟的流速通入氮气，吹扫10分钟，排尽管式炉中的空气。从30摄氏度开始，以5摄氏度/分钟升温速率升至500摄氏度，保持1.5小时。

⑦热解结束，取出石英舟，将石英舟内的热解炭在1∶9盐酸溶液中煮沸，并将酸洗样品在蒸馏水中漂洗直至pH为中性。在烘箱(105摄氏度)中干燥后备用。

⑧分别取640毫升新鲜污泥与160毫升接种污泥加入厌氧消化反应器2中，以新鲜污泥1与接种污泥的干质量总和的5wt％的添加量向厌氧消化反应器2内加入生物炭10，搅拌均匀，如步骤①-③所述进行消化实验，记录每天产生的沼气体积并用气相色谱GC测定沼气的组分。

⑨另设一空白组，除未添加生物炭10外，其他条件与实验组完全相同，不再赘述。

⑩将实验组与空白组每日产生的气体体积与及产气甲烷含量进行对比，探究消化污泥基生物炭对污泥厌氧消化产气速率的促进程度。

本实施例进行3天，实验组产气量为185.5毫升，空白组的产气量为140毫升，实验组产气量相对空白组提高了32.5％；实验组沼气中甲烷含量为13.85％，空白组沼气中甲烷含量为12.09％，实验组沼气甲烷含量相比空白组提高了12.71％。

实施例2

本实施例所用热解、厌氧消化系统及原料等同实施例1，不予赘述。不同之处在于本实施例消化天数为5天。

本实施例进行5天，实验组产气量为171.05毫升，空白组的产气量为136.9毫升，实验组产气量相对空白组提高了24.94％；实验组沼气甲烷含量为39.33％，空白组沼气中甲烷含量为34.23％，实验组沼气甲烷含量相比空白组提高了14.99％。

实施例3

本实施例所用热解、厌氧消化系统及原料等同实施例1，不予赘述。不同之处在于本实施例消化天数为15天。

本实施例进行15天，实验组产气量为151.15毫升，空白组的产气量为125.36毫升，实验组产气量相比空白组提高了20.57％；实验组沼气甲烷含量为54.72％，空白组沼气甲烷含量为46.43％，实验组沼气甲烷含量相比空白组提高了17.85％。

实施例4

本实施例所用热解、厌氧消化系统及原料等同实施例1，不予赘述。不同之处在于本实施例中生物炭添加量为新鲜污泥与接种污泥的干质量总和的7.5wt％。

本实施例进行15天，实验组产气量为141.21毫升，空白组的产气量为117.52毫升，实验组产气量相比空白组提高了20.16％；实验组沼气甲烷含量为64.78％，空白组沼气甲烷含量为49.56％，实验组沼气甲烷含量相比空白组提高了30.71％。

实施例5

本实施例所用热解、厌氧消化系统及原料等同实施例1，不予赘述。不同之处在于本实施例中生物炭添加量为新鲜污泥与接种污泥的干质量总和的10wt％。

本实施例进行15天，实验组产气量为181.48毫升，空白组的产气量为152.31毫升，实验组产气量相比空白组提高了19.15％；实验组沼气甲烷含量为57.65％，空白组沼气甲烷含量为49.76％，实验组沼气甲烷含量相比空白组提高了15.85％。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种污泥厌氧消化制备沼气的方法，其特征在于，包括：

将新鲜污泥、接种污泥、生物炭在密闭无氧的条件下进行消化反应，得到所述沼气和第一消化污泥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述新鲜污泥与接种污泥的质量比为1∶(0.15至0.25)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述生物炭的添加量为新鲜污泥与接种污泥的干质量总和的5至10wt％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述消化反应的温度为30至40摄氏度；消化时间为18至23天；

所述消化反应是在厌氧消化反应器中实现的；

在所述消化反应的过程中搅拌，搅拌速率为650至850转/分钟。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

将得到的第一消化污泥经过处理后得到的生物炭循环用于所述消化反应中。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述生物炭的制备方法包括：

(1)将污泥原料在密闭无氧的条件下消化反应，得到第一消化污泥；

(2)将第一消化污泥过滤干燥后粉碎，得到第二消化污泥；

(3)将第二消化污泥热解后得到第一产物；

(4)将第一产物在酸溶液中煮沸后调节pH为中性，干燥后得到的固体即为所述的生物炭。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

步骤(1)中所述污泥原料包括新鲜污泥和接种污泥或所述污泥原料包括新鲜污泥、接种污泥和生物炭。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

步骤(1)中所述新鲜污泥与接种污泥的质量比为1∶(0.15至0.25)；

步骤(1)中所述消化反应的温度为30至40摄氏度；消化时间为18至23天；

步骤(1)中所述消化反应是在厌氧消化反应器中实现的；

步骤(1)中在所述消化反应的过程中搅拌，搅拌速率为650至850转/分钟。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

步骤(2)中所述过滤步骤中采用定性滤纸过滤；

步骤(2)中所述第二消化污泥的粒径为0.25至0.5毫米；

步骤(3)中将第二消化污泥热解具体包括：将第二消化污泥置于管式炉中，以4至8摄氏度/分钟的升温速率升温至400至600摄氏度后保持1.5至2小时，得到所述第一产物。

10.一种沼气，采用根据权利要求1至9任一项所述方法制备得到。

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