CN113526818A

CN113526818A - 一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺

Info

Publication number: CN113526818A
Application number: CN202110879319.6A
Authority: CN
Inventors: 叶人恺; 程洁红; 黄寿强
Original assignee: Jiangsu University of Technology
Current assignee: Jiangsu University of Technology
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2021-10-22

Abstract

本发明公开一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，S1：对城市污泥进行碱解处理，得到产甲烷用城市污泥；S2：对厨余垃圾进行粉碎和酸化处理，得到产甲烷用厨余垃圾；S3：将产甲烷用城市污泥、产甲烷用厨余垃圾和产甲烷接种物混合，得到产甲烷用混合固废；S4：将产甲烷用混合固废加入至厌氧产甲烷反应器，加入负载铁磁性催化剂，于35‑65℃下进行厌氧产甲烷反应，得到甲烷和混合物。本发明的负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，将厨余垃圾、城市污泥、负载铁磁性催化剂三种固体废物进行有机结合，在解决厨余垃圾以及城市污泥造成的环境污染问题的同时，对固体废物进行了资源回收，绿色环保，具有良好的应用前景。

Description

一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺

技术领域

本发明涉及有机固体废物处理技术领域，具体涉及一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺。

背景技术

城市污泥是城镇污水处理厂在生化处理生活污水过程中的副产物，随着经济发展，城市的污水处理率和处理深度不断提高，污泥产量逐年上升；如何对城市污泥进行处理也是污水厂面临的难题之一。城市中的厨余垃圾产生量大，目前年产量已达到9600万吨，若作为废弃物直接进行处理，需投入大量成本。

城市污泥的厌氧消化工艺是污泥稳定化处理的成熟工艺，添加厨余垃圾可增加有机物含量，有利于城市污泥的厌氧消化。城市污泥和厨余垃圾这类有机固体废物，经初期的厌氧消化可生成甲烷，后续若继续厌氧消化可产生甲烷。

若将污泥产生的甲烷回收，则能够实现有机固体废物的资源化利用，减少碳排放，实现双碳目标。因此将有机固体废物快速、高效产生甲烷是当前有机固体废物资源化利用的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，解决如何使有机固体废物快速、高效的产生甲烷的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，其特征在于，该工艺包括如下步骤：

S1：对城市污泥进行碱解处理，得到产甲烷用城市污泥；

S2：对厨余垃圾进行粉碎和酸化处理，得到产甲烷用厨余垃圾；

S3：将所述产甲烷用城市污泥、所述产甲烷用厨余垃圾和产甲烷接种物进行混合后，得到产甲烷用混合固废；

S4：将所述产甲烷用混合固废加入至厌氧产甲烷反应器，加入负载铁磁性催化剂，于35-65℃条件下进行厌氧产甲烷反应，得到甲烷和混合物。

本发明在进行厌氧消化处理之前，对厨余垃圾进行酸化预处理，对城市污泥进行碱解预处理，从而使得有机物易于分解，促进厌氧消化过程中产生甲烷。

厨余垃圾是城市固废，需要处理，本发明中加入厨余垃圾，对城市污泥和厨余垃圾协同处理，实现城市有机固废的资源化利用。

本发明提供的负载铁磁性催化剂可加速有机固体废物产生甲烷，通过以厨余垃圾、城市污泥、负载铁磁性催化剂为原料来进行厌氧消化处理，厨余垃圾、城市污泥的预处理有助于厌氧消化过程，产甲烷接种液提供更多的产甲烷微生物，负载铁磁性催化剂可提高产甲烷反应的速率、抑制甲烷菌、减少甲烷消耗，从而增加产甲烷量，达到使有机固体废物快速、高效产生甲烷的目的。

进一步地，步骤S1中所述的碱解处理包括如下步骤：

S1-1：对所述城市污泥进行重力浓缩，得到浓缩后的城市污泥；

S1-2：在所述浓缩后的城市污泥中加入烧碱，在pH为13的条件下进行碱解反应0.5-1.5小时，得到所述产甲烷用城市污泥。

具体的，浓缩后的城市污泥的含固率为4.9-5.18％。

进一步地，步骤S2中所述酸化处理的温度范围为50±1℃；酸化处理的时间为2±0.5h。

由于厨余垃圾中含有较大体积的固体物质，为便于厨余垃圾在厌氧消化过程中充分反应，本发明在对厨余垃圾进行酸化处理之前，还包括对厨余垃圾进行粉碎的过程；为便于产甲烷微生物能够充分发挥活性，本发明优选酸化处理的温度范围为50±1℃，同时优选酸化处理的时间范围为2±0.5h。

进一步地，步骤S3中所述产甲烷接种物的制备，包括如下步骤：

S3-1：将城市污水处理厂厌氧池中的活性污泥放入厌氧消化反应器中，在30-40℃下反应60-70天；

S3-2：取反应后1/2-3/4的污泥作为接种物，按照城市污泥：厨余垃圾：接种物质量比为(2-11)：(2-3)：5的比例混合投加到厌氧消化反应器中，在30-40℃下反应30-40天，得到混合物；

S3-3：取所述1/2-3/4的混合物继续作为接种物，重复上述步骤3-5次，取污泥总量1/5-1/3作为产甲烷接种物。

具体的，该产甲烷接种物中含有丰富的产甲烷微生物，适用于连续反应或除初次启动外的间歇反应的运行中；而进行间歇反应或连续反应的初次启动中，均适合采用于30℃下水解后的厌氧污泥的上清液作为产甲烷接种物。

进一步地，步骤S3中所述产甲烷用所述产甲烷用城市污泥、所述产甲烷用厨余垃圾、所述产甲烷接种液的质量比为(2-11)：(2-3)：5。具体的，一方面为提高混合固废中各反应物的转化率，提高产甲烷量；另一方面为缩短反应时间，提高产甲烷反应速率，本发明优选步骤S3中产甲烷用城市污泥、产甲烷用厨余垃圾、产甲烷接种液的质量比为(2-11)：(2-3)：5。

进一步地，步骤S4中所述的负载铁磁性催化剂来源于三价铁与所述城市污泥，经混合、溶解、搅拌、离心、煅烧、研磨后，得到所述负载铁磁性催化剂。

进一步地，所述负载铁磁性催化剂含Fe不小于30wt％。

由于产甲烷微生物的细胞色素、酶的辅助因子和其铁硫蛋白中均含有铁，因此，负载铁磁性催化剂中的铁元素是产甲烷微生物生长过程中不可缺少的重要组分，也是参与丙酮酸产甲烷过程中的铁氧蛋白及铁氧蛋白氢化酶等物质的重要组成部分，铁元素有利于使微生物处于较低的氧化还原电位，从而维持有利于厌氧消化的环境，铁元素增加产甲烷微生物的活性，加速产甲烷反应，还可缓解硫离子对微生物产甲烷的生化反应抑制作用，维持系统pH处于中性和偏碱性范围，这些都促进厌氧消化过程中甲烷的产出。

进一步地，步骤S4中所述负载铁磁性催化剂与所述厨余垃圾和所述城市污泥质量之和的比值为1：(230-280)；所述厌氧产甲烷反应的时间范围为25-40天。

本发明提供的负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，具有如下有益效果：

(1)本发明提供的负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，通过以有机固体废物为原料，以负载铁磁性催化剂为添加剂进行产甲烷反应，在对厨余垃圾以及城市污泥进行治理的同时，产生能源气体甲烷。

(2)本发明的负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，通过将厨余垃圾、城市污泥、负载铁磁性催化剂三种固体废物进行有机结合，在解决厨余垃圾以及城市污泥造成的环境污染问题的同时，对固体废物进行了资源回收，绿色环保，具有良好的应用前景。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷工艺的启动阶段的操作过程：

S1：取污水厂重力浓缩城市污泥178吨(含固率4.91-5.08％)，加入烧碱，在pH为13的碱性条件下进行碱解反应1±0.5小时，得到产甲烷用城市污泥；

S2：取厨余垃圾50吨，经粉碎后(含固率为20.1-23.7％)，于50℃下进行酸化处理2±0.5h，得到产甲烷用厨余垃圾；

S3：初次启动时，将污水厂厌氧池中取来的厌氧污泥(含固率1％)15.9吨，于90℃条件下水解，水解后离心，收集上清液，作为产甲烷接种液；然后在35-38℃条件下进行厌氧培养一定时间后，与50吨产甲烷用厨余垃圾、178吨产甲烷用城市污泥和所得产甲烷接种液进行混合均匀，得到产甲烷用混合固废；

S4：将上述产甲烷用混合固废加入至有效体积为380m³的厌氧产甲烷反应器，并投加8.4吨负载铁磁性催化剂(含固率30％)，于35-38℃条件下进行厌氧产甲烷反应25-40天，即得到甲烷和含有机酸的沼渣混合物。

本实施例每天收集产生的气体，每隔24小时测试一次产气量、产甲烷气比率、CO₂比率、CH₄比率，以及混合固废的挥发性有机固体、pH、氧化还原电位ORP和上清液的挥发性有机酸VFA，通过上述指标的数值来判断产生甲烷工艺的启动效率；待甲烷产出至最高值并下降的过程趋于稳定时，停止运行；留16吨混合物作为下步运行的产甲烷接种物，按上述步骤反复运行3-4个批次，直至系统产气稳定。

上述实施例1中混合固废的各项理化指标参见表1；餐饮业，厨余垃圾以及城市污泥的理化标准参见表2。

表1为实验用混合有机固废的理化指标

参数	pH	含固率/(％)	VSS/(g·L<sup>-1</sup>)	TSS/(g·L<sup>-1</sup>)	VSS/TSS/(％)
						混合固废	7.04±0.24	7.57±0.66	54.03±0.36	75.80±0.57	70.12±0.42

表2为厨余垃圾、城市污泥的理化指标

参数	pH	含固率/(％)	VSS/(g·L<sup>-1</sup>)	TSS/(g·L<sup>-1</sup>)	VSS/TSS/(％)
						厨余垃圾	6.13～6.14	20.1～23.5	210～219	210～227	98.0～99.8
城市污泥	6.82～7.11	4.80～5.14	34.5～39.9	55.8～61.0	61.4～67.0

由上述表1的检测指标证明，本实施例中初次启动运行稳定，初次启动成功。

实施例2

一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺：将实施例1留下的16吨接种物与50吨产甲烷用厨余垃圾、178吨产甲烷用城市污泥混合均匀，得到混合固废；投加1.0吨负载铁磁性催化剂(含固率30％)，厌氧反应32天；其中负载铁磁性催化剂的成分同实施例1；其余部分均与实施例1中相同。

本实施例2累积产气量为5094m³，累积产甲烷气量2810m³；日产气量和产甲烷气量在第10-13天即达到高峰，分别为400m³和202m³。

实施例3

采样上述实施例2的混合固废为原料，不添加负载铁磁性催化剂，厌氧消化反应器有效体积380m³，停留32天，采用间歇式运行。累计产气量为3205m³，累计产甲烷量为1663m³。在第17天左右，混合有机固废的最高日产甲烷量为167m³，日产气量在第16天达到高峰，为231m³。

由上述实施例1-3的数据可以看出，本发明所提供的负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，在提高产甲烷速率的同时，增加了甲烷产量。

上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，其特征在于，该工艺包括如下步骤：

S1：对城市污泥进行碱解处理，得到产甲烷用城市污泥；

2.根据权利要求1所述的一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，其特征在于，步骤S1中所述的碱解处理包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，其特征在于，步骤S2中所述酸化处理的温度范围为50±1℃；酸化处理的时间为2±0.5h。

4.根据权利要求1所述的一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，其特征在于，步骤S3中所述产甲烷接种物的制备，包括如下步骤：

S3-2：取反应后的污泥作为接种物，按照城市污泥：厨余垃圾：接种物质量比为(2-11)：(2-3)：5的比例混合投加到厌氧消化反应器中，在30-40℃下反应30-40天，得到混合物；

S3-3：取所述混合物继续作为接种物，重复上述步骤3-5次，得到所述产甲烷接种物。

5.根据权利要求1所述的一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，其特征在于，步骤S3中所述产甲烷用所述产甲烷用城市污泥、所述产甲烷用厨余垃圾、所述产甲烷接种物的质量比为(2-11)：(2-3)：5。

6.根据权利要求1所述的一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，其特征在于，步骤S4中所述的负载铁磁性催化剂来源于三价铁与所述城市污泥，经混合、溶解、搅拌、离心、煅烧、研磨后，得到所述负载铁磁性催化剂。

7.根据权利要求6所述的一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，其特征在于，所述城市污泥在与所述三价铁混合前，先用生理盐水冲洗三次。

8.根据权利要求6所述的一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，其特征在于，所述负载铁磁性催化剂含Fe不小于30wt％。

9.根据权利要求1所述的一种负载铁磁性催化剂加速有机固体废物产生甲烷的工艺，其特征在于，步骤S4中所述负载铁磁性催化剂与所述厨余垃圾和所述城市污泥质量之和的比值为1：(230-280)；所述厌氧产甲烷反应的时间范围为25-40天。