CN113087332B - 一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法 - Google Patents

一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法，该方法为：向农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加铁镍羟基络合物，之后进行厌氧消化反应。与现有技术相比，本发明采用投加铁镍羟基络合物的方法，解决农村厕所粪便厌氧消化过程中存在的氨氮抑制及水解酸化速率缓慢等问题，通过改善厌氧消化环境，提高系统的微生物活性，发挥铁镍协同作用，促进厌氧消化系统的甲烷产量，同时提升系统有机负荷。

Description

一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法
技术领域
本发明属于农村厕所粪便处理技术领域，涉及一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法。
背景技术
传统的农村厕所粪污处理方式简单，仅经过简易收集后直接用于农田施肥，或者根本不处理而直接排放到自然环境中。人类粪便排泄量大、养分含量高，是环境污染物的重要来源之一。同时，粪便中含有大量致病菌，不当的处理容易导致肠道传染病、寄生虫病和血吸虫病等疾病的流行。目前对源分离粪便的处理方式主要有厌氧消化以及好氧堆肥等。其中，厌氧消化技术可以利用其中的有机质，将其转化为可直接利用的生物能源沼气，从而“变废为宝”，实现废弃物的资源化处理。因此，将农村厕所粪便通过厌氧消化处理不仅可以实现粪便的无害化处理，同时还能为可再生能源领域做出了贡献。
传统的厌氧消化技术存在产气率低、系统有机负荷低等许多问题，对于农村厕所粪便厌氧消化技术，同时还存在以下两个难点：(1)源分离粪便蛋白质含量高，厌氧消化过程高浓度的游离氨会对产甲烷过程产生抑制；(2)由于固体有机物含量高(占总有机物的53-85％)，因此底物的水解酸化过程缓慢。
因此，如何提高底物的水解酸化效率至关重要，如何强化源分离粪便厌氧消化、提高厌氧消化产甲烷的效率是研究者关注的重点。由于农村厕所粪便的特殊性，目前对于农村厕所粪便的处理，仍没有很好的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法。本发明采用投加铁镍羟基络合物的方法，解决农村厕所粪便厌氧消化过程中存在的氨氮抑制及水解酸化速率缓慢等问题，通过改善厌氧消化环境，提高系统的微生物活性，发挥铁镍协同作用，促进厌氧消化系统的甲烷产量，同时提升系统有机负荷。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法，该方法为：向农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加铁镍羟基络合物，之后进行厌氧消化反应。
进一步地，所述的铁镍羟基络合物中，铁为二价铁。
进一步地，所述的铁镍羟基络合物中，铁元素与镍元素的摩尔比为(100-200):1，铁元素与羟基的摩尔比为1:(1-4)。
进一步地，所述的铁镍羟基络合物的制备方法为：将亚铁盐和镍盐溶于水中，之后在搅拌状态下滴加碱性溶液，控制亚铁与氢氧根的摩尔比为1:(1-4)，得到铁镍羟基络合物，该铁镍羟基络合物的质量浓度为1-10g/L。
优选地，所述的水及碱性溶液中均不含溶解氧。
进一步地，所述的亚铁盐包括氯化亚铁、硝酸亚铁或碳酸亚铁中的一种或更多种，所述的镍盐包括氯化镍或硝酸镍中的一种或两种，所述的碱性溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氢氧化钙溶液中的一种或更多种。
进一步地，所述的铁镍羟基络合物在农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加的比例为0.1-1g/L。
进一步地，所述的农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中含有农村厕所粪便及接种物。
优选地，粪便与接种物按照一定VS比例混合，混合质量比为(0.5-4):1。
进一步地，所述的接种物为厌氧消化污泥。
进一步地，厌氧消化反应过程中，厌氧消化温度为35-55℃，厌氧消化时间为14-28天。
进一步地，厌氧消化反应过程中进行连续搅拌或间歇搅拌，搅拌转速为70-150r/min。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)由于铁镍羟基络合物缓慢的羟基释放，能维持系统pH稳定，协助系统抵御酸化冲击，加速厌氧消化的启动速度。
2)铁镍羟基络合物可以释放Fe(II)及微量Ni(II)，补充厌氧消化体系铁镍元素含量，提升微生物活性。
3)由于铁镍羟基络合物的存在，可以有效控制系统硫化氢浓度，减少了后续沼气的净化和提纯工作难度。溶解的Fe(II)的另一个有益效果是控制沼气中硫化氢(H2S)的含量。尽管该过程与铁促进甲烷生成没有直接关系，但它可以通过防止硫化物在消化池中的积累来提高甲烷的产生。添加铁盐，例如氯化亚铁(FeCl2)和氯化铁(FeCl3)，可以通过沉淀过程除去硫化物，如以下反应所示：
Fe(II)+S(II)→FeS↓
2Fe(III)+3S(II)→2FeS↓+S
该过程与甲烷生成效率间接相关，因为厌氧消化池中硫化物的存在会导致气态H2S的形成。非离子化的可溶性H2S可以在细胞膜上迅速扩散，并抑制微生物的代谢活性。产甲烷菌是最易受H2S毒性影响的群体之一。因此，通过Fe(II)或Fe(III)控制厌氧消化池中的硫化物浓度可以是一种间接增强甲烷生成的方法。
4)本发明的铁镍羟基络合物适用于中高温厌氧消化系统，可采用连续搅拌振荡或间歇搅拌振荡等运行方式，均可以提升系统甲烷产量。
5)通过铁镍羟基络合物的投加和控制反应条件，可以有效解决源分离厕所粪便厌氧消化氨抑制和有机负荷的问题，将难以进行的反应变得更为容易，而且工艺简单，操作方便。
附图说明
图1为实施例2中厌氧消化实验的累积产甲烷曲线图；
图2为实施例2中厌氧消化实验的pH变化曲线图。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
采用源分离厕所回收的源分离粪尿与水混合物作为基质，稳定运行的粪尿厌氧消化反应器中的厌氧消化污泥做接种物，再加入铁镍羟基络合物。实验可在35℃-55℃、70-150r/min条件下开展。实验过程中监测pH、挥发性脂肪酸含量，测定沼气产量和气体组分以及硫化氢浓度，测定厌氧消化前后的TS(Total Solid，总固体)、VS(Volatile Solid，挥发性固体)。
实施例2：
本实施例旨在以粪尿为基质的批次产甲烷实验中实施一种强化粪尿厌氧消化的方法。
采用源分离厕所回收的源分离粪尿与水混合物作为基质，稳定运行的粪尿厌氧消化反应器中的厌氧消化污泥做接种物，在500mL血清瓶中进行批次厌氧产甲烷实验。
再加入铁镍羟基络合物，其中Fe(II)与Ni(II)的摩尔比为100:1，Fe(II)与羟基的摩尔比为1:2，投加量为1000mg/L。同时设置了不添加铁镍羟基络合物的对照组和只有接种物的空白组以消除接种物的影响。
实验在35℃空气浴、120r/min摇床中开展。实验过程中监测pH、挥发性脂肪酸含量，测定沼气产量和气体组分以及硫化氢浓度，测定厌氧消化前后的TS(Total Solid，总固体)、VS(Volatile Solid，挥发性固体)。
如图1所示，累计甲烷产量呈现较大差别，投加铁镍羟基络合物能够明显提高粪尿厌氧消化累计甲烷产率，可提高四倍以上。
微量元素的任何轻微缺乏都会导致厌氧消化池中微生物的失活，并最终影响消化过程的稳定性。产甲烷菌需要若干金属，包括铁、镍、钴、钼、硒、钨等作为必需微量元素。其中，铁、镍尤为重要，因为其是参与能量代谢的关键功能蛋白的重要组成部分，例如含有Fe-S簇的铁硫蛋白，在产甲烷菌中广泛存在。从产酸到形成甲烷，大多数主要的酶都含有簇和包括铁在内的活性位点，表明产甲烷性能对铁有依赖性。铁镍羟基铁络合物可以释放大量Fe(II)及微量Ni(II)，补充厌氧消化体系铁镍元素含量，提升微生物活性。
如图2所示，投加铁镍羟基络合物可以稳定系统pH，使系统pH保持在一个相对稳定区间内，有利微生物生存。
铁镍羟基络合物针对粪尿厌氧消化，在高负荷条件下，前期较易酸化，多羟基结构态亚铁具有一定的缓冲能力，可以很好地协助系统抵御酸化冲击。
如表1所示，投加铁镍羟基络合物可以降低系统硫化氢产量，在1000mg/L投加条件下，硫化氢产量基本为0，这有利于产甲烷菌活性的提升。
表1硫化氢产量数据
Figure BDA0002966284750000051
实施例3：
本实施例旨在以粪尿为基质的批次产甲烷实验中实施一种强化粪尿厌氧消化的方法。
采用源分离厕所回收的源分离粪尿与水混合物作为基质，稳定运行的粪尿厌氧消化反应器中的厌氧消化污泥做接种物，在500mL血清瓶中进行批次厌氧产甲烷实验。
再加入铁镍羟基络合物，其中Fe(II)与Ni(II)的摩尔比为150:1，Fe(II)与羟基的摩尔比为1:1，投加量为500mg/L。同时设置了不添加铁镍羟基络合物的对照组和只有接种物的空白组以消除接种物的影响。
方案在35℃空气浴、150r/min摇床中开展，实验过程中监测pH、挥发性脂肪酸含量，测定沼气产量和气体组分以及硫化氢浓度，测定厌氧消化前后的TS(Total Solid，总固体)、VS(Volatile Solid，挥发性固体)。
结果表明，投加铁镍羟基络合物能够明显提高粪尿厌氧消化累计甲烷产率，稳定系统pH，降低系统硫化氢产量。
实施例4：
本实施例旨在以粪尿为基质的批次产甲烷实验中实施一种强化粪尿厌氧消化的方法。
采用源分离厕所回收的源分离粪尿与水混合物作为基质，稳定运行的粪尿厌氧消化反应器中的厌氧消化污泥做接种物，在500mL血清瓶中进行批次厌氧产甲烷实验。
再加入铁镍羟基络合物，其中Fe(II)与Ni(II)的摩尔比为200:1，Fe(II)与羟基的摩尔比为1:4，投加量为100mg/L。同时设置了不添加铁镍羟基络合物的对照组和只有接种物的空白组以消除接种物的影响。
方案在55℃空气浴、70r/min摇床中开展，实验过程中监测pH、挥发性脂肪酸含量，测定沼气产量和气体组分以及硫化氢浓度，测定厌氧消化前后的TS(Total Solid，总固体)、VS(Volatile Solid，挥发性固体)。
结果表明，投加铁镍羟基络合物能够明显提高粪尿厌氧消化累计甲烷产率，稳定系统pH，降低系统硫化氢产量。
实施例5：
本实施例旨在以粪尿为基质的连续产甲烷实验中实施一种强化粪尿厌氧消化的方法。
采用源分离厕所回收的源分离粪尿与水混合物作为基质，稳定运行的粪尿厌氧消化反应器中的厌氧消化污泥做接种物，在体积为2L的CSTR反应器中进行批次厌氧产甲烷实验。
加入铁镍羟基络合物，其中Fe(II)与Ni(II)的摩尔比为200:1，Fe(II)与羟基的摩尔比为1:4，投加量为100mg/L。同时设置了不添加铁镍羟基络合物的对照组。水力停留时间分别为10天、20天、30天三个阶段。
方案在35℃水浴、120r/min机械搅拌条件下，实验过程中监测pH、挥发性脂肪酸含量，测定沼气产量和气体组分以及硫化氢浓度，测定厌氧消化前后的TS(Total Solid，总固体)、VS(Volatile Solid，挥发性固体)。
结果表明，投加铁镍羟基络合物能够明显提高粪尿厌氧消化累计甲烷产率，稳定系统pH，降低系统硫化氢产量。
实施例6：
一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法，该方法为：向农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加铁镍羟基络合物，之后进行厌氧消化反应。
其中，铁镍羟基络合物中，铁为二价铁，铁元素与镍元素的摩尔比为100:1，铁元素与羟基的摩尔比为1:4。
铁镍羟基络合物的制备方法为：将亚铁盐和镍盐溶于水中，之后在搅拌状态下滴加碱性溶液，得到铁镍羟基络合物，该铁镍羟基络合物的质量浓度为5g/L。亚铁盐为氯化亚铁，镍盐为氯化镍，碱性溶液为氢氧化钠溶液。
铁镍羟基络合物在农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加的比例为0.1g/L。
农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中含有农村厕所粪便及接种物。接种物为厌氧消化污泥。
厌氧消化反应过程中，厌氧消化温度为55℃，厌氧消化时间为14天；厌氧消化反应过程中进行连续搅拌，搅拌转速为150r/min。
实施例7：
一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法，该方法为：向农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加铁镍羟基络合物，之后进行厌氧消化反应。
其中，铁镍羟基络合物中，铁为二价铁，铁元素与镍元素的摩尔比为200:1，铁元素与羟基的摩尔比为1:1。
铁镍羟基络合物的制备方法为：将亚铁盐和镍盐溶于水中，之后在搅拌状态下滴加碱性溶液，得到铁镍羟基络合物，该铁镍羟基络合物的质量浓度为10g/L。亚铁盐为硝酸亚铁，镍盐为硝酸镍，碱性溶液为氢氧化钾溶液。
铁镍羟基络合物在农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加的比例为1g/L。
农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中含有农村厕所粪便及接种物。接种物为厌氧消化污泥。
厌氧消化反应过程中，厌氧消化温度为35℃，厌氧消化时间为28天；厌氧消化反应过程中进行间歇搅拌，搅拌转速为70r/min。
实施例8：
一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法，该方法为：向农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加铁镍羟基络合物，之后进行厌氧消化反应。
其中，铁镍羟基络合物中，铁为二价铁，铁元素与镍元素的摩尔比为150:1，铁元素与羟基的摩尔比为1:2。
铁镍羟基络合物的制备方法为：将亚铁盐和镍盐溶于水中，之后在搅拌状态下滴加碱性溶液，得到铁镍羟基络合物，该铁镍羟基络合物的质量浓度为1g/L。亚铁盐为碳酸亚铁，镍盐为氯化镍，碱性溶液为氢氧化钙溶液。
铁镍羟基络合物在农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加的比例为0.5g/L。
农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中含有农村厕所粪便及接种物。接种物为厌氧消化污泥。
厌氧消化反应过程中，厌氧消化温度为45℃，厌氧消化时间为21天；厌氧消化反应过程中进行连续搅拌，搅拌转速为110r/min。
上述的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 (3)

1.一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法，其特征在于，该方法为：向农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加铁镍羟基络合物，之后进行厌氧消化反应；
所述的铁镍羟基络合物中，铁为二价铁；
所述的铁镍羟基络合物中，铁元素与镍元素的摩尔比为(100-200):1，铁元素与羟基的摩尔比为1:(1-4)；
所述的铁镍羟基络合物的制备方法为：将亚铁盐和镍盐溶于水中，之后在搅拌状态下滴加碱性溶液，得到铁镍羟基络合物，该铁镍羟基络合物的质量浓度为1-10g/L；
所述的亚铁盐包括氯化亚铁、硝酸亚铁或碳酸亚铁中的一种或更多种，所述的镍盐包括氯化镍或硝酸镍中的一种或两种，所述的碱性溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氢氧化钙溶液中的一种或更多种；
所述的铁镍羟基络合物在农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中投加的比例为0.1-1g/L；
所述的农村厕所粪便厌氧消化系统的反应器中含有农村厕所粪便及接种物；
厌氧消化反应过程中，厌氧消化温度为35-55℃，厌氧消化时间为14-28天。
2.根据权利要求1所述的一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法，其特征在于，所述的接种物为厌氧消化污泥。
3.根据权利要求1所述的一种强化农村厕所粪便厌氧消化的方法，其特征在于，厌氧消化反应过程中进行连续搅拌或间歇搅拌，搅拌转速为70-150r/min。
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