CN115466751B - 一种提升高含固有机废弃物ch4产率和h2s控制率的方法及装置 - Google Patents

一种提升高含固有机废弃物ch4产率和h2s控制率的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请提出了一种提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的方法及装置。该方法包括以下步骤：采用半连续发酵方式将含固率为10～30％的高含固有机废弃物加入反应器中，并通过微孔曝气头往发酵罐底部均匀输入空气，1g干基有机质需要0.5～6mL空气，空气以微气泡的方式与发酵物料混合；发酵产生的沼气和残留物进行分别收集。本申请原理是微量空气提高难降解有机质如纤维素的微生物水解能力，且不抑制产CH4菌的活性，提高微生物氧化H2S的能力，最终提高原料的CH4产率和H2S去除率。

Description

一种提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的方法及 装置
技术领域
本申请涉及有机固废能源化技术领域，具体而言，一种提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的方法及装置。
背景技术
有机废弃物，主要包括畜禽粪便(不包括污水)、秸秆、餐厨垃圾、市政污泥，带来严重的环境污染问题。如何实现这些废弃物的无害化和资源化是急需解决的瓶颈问题。
厌氧消化是指在厌氧条件下微生物将有机质转化为沼气(主要含CH4和CO2)的过程，它能将废弃物中有机物转化为清洁能源CH4和有机肥，实现废弃物减量化、无害化和资源化，为解决包括环境污染、绿色能源、绿色农业、温室气体排放等关系人类可持续发展的重大问题提供了重要技术路径。
畜禽粪便、餐厨垃圾、市政污泥的固体物含量(TS)为10～30％，其中有机物含量(VS)为65～90％，富含纤维素(14～20％)、半纤维素 (17～27％)、木质素(4～15％)和腐殖质(5～10％)等非水溶性物质。大量生产实践证明，对于高含固(TS≥10％，富含非水溶性有机物)的有机废弃物，厌氧消化技术面临CH4产率低的技术瓶颈问题，严重制约其在生产中发挥作用。因此，提高厌氧消化的CH4产率对于实现猪粪能源化和有机肥化具有重要意义。
根据经典的四阶段理论，厌氧消化要经历水解、发酵产酸、产乙酸和产CH4四个生化阶段，当四个阶段相互协调时产CH4潜力达到最佳。研究表明，对于非水溶性固体物含量高的有机废弃物如猪粪、牛粪、秸秆和市政污泥，影响厌氧消化效率的关键环节是固体物的水解。为了提高固体物水解率且不影响产CH4菌的活性，研究者们提出将水解酸化和产CH4分别在两个反应器中进行的思路；在水解反应器采用碱处理、热处理和添加水解微生物等方法提高了水解率，最终提高了CH4产率。但是，添加碱、热水解等预处理方法存在增加成本和能耗的问题。
相比上述处理方法，空气(包括O2)是可低成本和无污染获取的资源。为提高富含木质纤维素的固体物水解效率，避免O2对严格厌氧菌特别是产CH4菌的伤害，在水解酸化相中供O2以增强微生物水解能力，而在产 CH4相中隔绝O2以避免产CH4菌活性降低。例如，有研究者用麦秆为原料，采用序批式工艺，在预处理段的含固率约为22.1％，按5mL·g-1(VS)一次性注入O2，维持3d后转入产CH4相中，沼气产率增加了7.2％。
总之，已有的工艺研究和工程实践表明，在两相发酵方面，在水解相中供O2能提高固体物水解率，然后在产CH4相中实现CH4增产生产，缺点是工艺复杂导致运行稳定性差和建设成本高；在单相发酵方面，多数的研究主要围绕低含固条件下原位供空气如何影响H2S释放和CH4生产，而针对高含固原料的研究未见报道。针对上述问题，本发明提供一种持续原位供空气提升有机废弃物CH4产率和H2S控制率的方法和装置。
发明内容
本申请的一个目的在于提供一种持续原位供空气提升有机废弃物CH4产率和H2S控制率的方法，该方法可以提高难降解有机质如纤维素的微生物水解能力，且不抑制产CH4菌的活性，提高微生物氧化H2S的能力，最终提高原料的CH4产率和H2S去除率。
本申请的另一目的在于提供一种持续原位供空气提升有机废弃物CH4产率和H2S控制率的装置，此装置结构简单，可以实现上述技术方案。
本申请解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一方面，本申请实施例提供一种提升高含固有机废弃物厌氧发酵CH4产率和H2S控制率的方法，包括以下步骤：
每天将含固率为10～30％的高含固有机废弃物通入反应器中(进料前先出料，出料量约为进料量的95％)；每天持续不断往高含固有机废弃物的底部输入强度为0.5～6.0mL/g(VS)的空气，通过微孔曝气头和机械搅拌器使微气泡空气与发酵物料充分混合发酵；每天发酵反应后的沼气和有机废弃物进行分别收集。
另一方面，本申请实施例提供实现上述方法的装置，包括反应器本体，反应器本体上分别设置有进料口和出料口，还包括精确计量空气泵、沼气收集装置和搅拌器，进空气泵通过气管连接至反应器本体的底部微孔曝气头，沼气收集装置通过气管连接至反应器本体的顶部，搅拌器固定在反应器本体的腔体内。
相对于现有技术，本申请的实施例至少具有如下特点和优点：
第一、本发明的处理对象是高含固有机物(TS：10～30％)，与现有技术中普遍处理低含固有机物的工艺不同，本申请的处理原料范围更广；第二、采用长期持续供微量空气方法，而不是间断或瞬时供空气的方法，空气强度为0.5～6.0mL/g(VS)；第三、采用适当密度的空气微气泡结合机械搅拌，实现空气与发酵物的均匀混合；第四、空气直接进入沼气发酵设备，而不是进入预处理(水解酸化)设备；第五、空气中O2被发酵物吸收利用比例高，沼气中的O2和N2含量几乎不增加，CH4含量几乎不减少，保障了沼气的安全和优质；第六，与热、碱和O2处理相比，本申请在实现沼气产率提高21％以上和H2S控制率达到82％以上的同时，建设和处理成本大大下降。
本发明的原理：向高含固厌氧消化反应器中持续输入微量空气(强度为0.5～6.0mL/g(VS))，采用空气微气泡结合机械搅拌的方法实现微量空气与发酵物的均匀混合，提高难降解有机质如纤维素的微生物水解能力，且不抑制产CH4菌的活性，提高微生物氧化H2S的能力，最终提高原料的 CH4产率(提高了21％以上)和H2S去除率(达到80％以上)，适合处理高含固(TS:10～30％)有机废弃物。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例的装置结构示意图；
图2为实验例1中空气对猪粪(TS＝10％)厌氧发酵的影响，其中左边为图2a，右边为图2b。
图标：1-进料口；2-出料口；3-微孔曝气头；4-搅拌器；5-空气计量预警器；6-高精度空气泵；7-沼气收集装置；8-水封装置；9-控温夹套；10- 进料器；11-出料器；12-排沙口；13-空气管；14-沼气管。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本申请。
一种提升高含固有机废弃物厌氧发酵CH4产率和H2S控制率的方法，包括以下步骤：
采用半连续发酵工艺将含固率为10～30％的高含固有机废弃物加入反应器中，然后将空气打入反应器底部，每1g干基有机质的空气用量为 0.5～6.0mL，空气以微气泡形式与有机废弃物充分混合，并搅拌发酵；
发酵反应后的沼气和有机废弃物进行分别收集。
在本申请的一些实施例中，上述高含固有机废弃物为富含木质纤维素难降解有机质，具体包括猪粪、牛粪、鸡粪、秸秆和市政污泥中的一种或多种。
在本申请的一些实施例中，上述搅拌的频率为4～12次/天，5～ 20min/次，转速为40～80转/min。
在本申请的一些实施例中，上述发酵温度为30～40℃，发酵时间为15～45d。
一种实现上述方法的装置，包括反应器本体，上述反应器本体上分别设置有进料口1和出料口2，还包括高精度空气泵6、沼气收集装置7和搅拌器4，上述高精度空气泵6通过空气管13连接至位于上述反应器本体底部的微孔曝气头3，上述沼气收集装置7通过沼气管14连接至上述反应器本体的顶部，上述搅拌器4固定在上述反应器本体的腔体内。
在本申请的一些实施例中，上述进高精度空气泵6的入口端安装有空气计量预警器5，可以准确监测进入反应器的空气量。
在本申请的一些实施例中，微孔曝气头3的孔径为20～200um，曝气孔间距为1～50mm，相邻微孔曝气头3的间距为5～50cm。
在本申请的一些实施例中，上述反应器本体下设置有排沙口12。
在本申请的一些实施例中，上述反应器本体的外表面还设置有一层控温夹套9，上述反应器本体的上部采用水封装置8进行密封。
在本申请的一些实施例中，上述进料口1处设置有螺旋进料器10，上述出料口2处设置有螺旋出料器11。
在本申请的一些实施例中，上述进料口1处设置有氮气管。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种提升高含固有机废弃物厌氧发酵CH4产率和H2S控制率的装置，如图1所示，包括反应器本体，本实施例的反应器本体可以采用CSTR发酵罐，上述反应器本体上分别设置有进料口1和出料口2，进料口1设置在反应器本体的下部，连接有斜向上设置的进料管，方便进行加料；出料口2设置在反应器本体的中部，连接有斜向上设置的出料管，出料管的出口高度高于内部反应物的高度，防止内部有机废弃物溢出。
本实施例装置还包括进高精度空气泵6、沼气收集装置7和搅拌器4，上述高精度空气泵6通过空气管13连接至上述反应器本体的底部，高精度空气泵6将外界的空气输送至反应器本体的底部，通过位于反应器本体底部的微孔曝气头3进行分散，与有机废弃物进行混合发酵反应。上述沼气收集装置7通过沼气管14连接至上述反应器本体的顶部，沼气收集装置7用于收集在反应器本体内发酵反应产生的沼气，对其进行资源化利用；上述搅拌器4固定在上述反应器本体的腔体内，搅拌器4用于在反应器本体中将空气和有机废弃物进行充分接触和混合。
具体的，在本实施例中，反应器本体的顶部开设有三个通孔，一个是空气管13，一个是沼气管14，一个是搅拌器4的搅拌棒穿设。
一种提升高含固有机废弃物厌氧发酵CH4产率和H2S控制率的方法，包括以下步骤：
将含固率为10％的高含固有机废弃物通入反应器本体中，并通过进料口1往高含固有机废弃物的底部输入强度为2mL/g的空气，打开搅拌器4，空气经过微孔曝气头3和搅拌器4与高含固有机废弃物进行充分均匀混合，搅拌器4的搅拌频率为10次/天，8min/次，转速为80转/min，通过反应器本体外的控温夹套9控制反应器内的发酵温度为35℃，发酵过程中通过沼气管14将发酵产生的气体输送至沼气收集装置7中，共发酵30天，每天通过进料口1进1/15～1/30料(进料前先出料，处理量约为进料的95～98％)，以此实现有机废弃物的持续进料和出料。
实施例2
本实施例提供一种提升高含固有机废弃物厌氧发酵CH4产率和H2S控制率的装置，如图1所示，其与实施例1提供的装置大致相同，相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中的高精度空气泵6的入口端安装有空气计量预警器5，所述反应器本体的底部设置有微孔曝气头3，所述空气管13与所述微孔曝气头3相连，微孔曝气头3的孔径为20～200um，相邻微孔曝气头3的间距为2～50cm，可以将空气转化为微气泡。
在本实施例中，通过空气计量预警器5对进入反应器内部的空气量进行严格控制，控制有机废弃物的发酵；在反应器底部安装有微孔曝气头3，空气管13伸入反应器的那端与微孔曝气头3连接，微孔曝气头3的孔径为50μm，孔间距为5mm，可以使得空气在反应器底部进行均匀且分散的分布。
实施例3
本实施例提供一种提升高含固有机废弃物厌氧发酵CH4产率和H2S控制率的装置，如图1所示，其与实施例1提供的装置大致相同，相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中的反应器本体下设置有排沙口12。
在本实施例中，在反应器本体的底部设置排沙口12，用于在结束反应后排出TS为5～10％的污泥和沉积的沙子。
实施例4
本实施例提供一种提升高含固有机废弃物厌氧发酵CH4产率和H2S控制率的装置，如图1所示，其与实施例1提供的装置大致相同，相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中的反应器本体的外表面还设置有一层控温夹套9，所述反应器本体的上部采用水封装置8进行密封。
在本实施例中，控温夹套9具体为水浴控温夹套，加入蒸馏水后即可实现罐内与外界空气隔绝，通过循环水浴器内的热水对反应器本体进行加温和保温，从而控制反应器内部发酵的温度。采用水封装置8(本实施例中具体为水封圈)对反应器进行密封，避免反应器与外部空气接触。
实施例5
本实施例提供一种提升高含固有机废弃物厌氧发酵CH4产率和H2S控制率的装置，如图1所示，其与实施例1提供的装置大致相同，相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中的反应器本体的进料口1处设置有螺旋进料器10，所述出料口2处设置有螺旋出料器11。通过螺旋式的进料器10和出料器11，可以更快速进行加料和出料。
实施例6
本实施例提供一种提升高含固有机废弃物厌氧发酵CH4产率和H2S控制率的装置，如图1所示，其与实施例1提供的装置大致相同，相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中的反应器本体的进料口1处设置有氮气管。通过氮气管对进料口1进行吹扫，阻隔进料口1处的空气管路，防止空气进入。
实验例1
本试验采取贵州省余庆县长坪生猪养殖场猪粪(含固率为10％)为原料设计了两组试验，采用11L的CSTR发酵罐，对应水力停留时间(Hydraulic Retention Time，HRT)为15d，有机负荷率6～8kg.m- 3·kg(VS)-1，发酵温度保持在35℃，搅拌频次为4h/次、10min/次。采用持续微量供空气的方法，每天进出料1次(半连续)，每次进料、出料的体积为0.6L，并且进料时用通入氮气反吹空气。设置8种供空气梯度，分别是0mL/g(VS)、1mL/g(VS)、2mL/g(VS)、3mL/g(VS)、4mL/g(VS)、8 mL/g(VS)、12mL/g(VS)、16mL/g(VS)，每个梯度发酵20天，共运行160天。
结果如图2所示，图2a为发酵对产CH4的影响，图2b为发酵对产 H2S的影响。与未供空气相比，供空气量在1mL.g(VS)-1、2mL.g(VS)-1、3 mL.g(VS)-1时CH4产率分别提高了0.21L、3.20L(34％)、1.70L，供空气量在4mL.g(VS)-1、8mL.g(VS)-1、12mL.g(VS)-1、16mL.g(VS)-1时CH4产率分别下降了1.57L、2.79L、3.09L、4.26L；与未供空气相比，H2S排放的控制率达到了90.5±0.5％。上述实验表明，在含固率为10％的CSTR发酵中，当供空气强度为2mL/g(VS)时CH4产率平均提高34％，且H2S去除率平均达 87.5％，空气过量时CH4产率下降达57％，但H2S去除率保持不变。
特别说明，当空气强度为2mL/g(VS)时，进空气量(90±9mL/d)为产沼气量19100±890mL/d(19.1±0.9L/d)的0.48％，发酵液的O2吸收率达到 83±9％，沼气中O2含量为0.1～0.2％，N2含量在0.8～4.6％，甲烷含量 63±2％。
实验例2
猪粪含固率为20％的实验设计和结果。条件同实验例1，设置2种供空气梯度，分别是0mL/g(VS)、2mL/g(VS)，每个梯度发酵10d，共运行20 d。
结果如表1所示。
表1
从表1中可以看出，与未供空气相比，供空气量在2mL/g(VS)时，CH4产率平均提高21％(增加2.18L)，H2S去除率达86％。进空气量 (75±6mL/d)为产沼气量12100±910mL/d(12.1±0.9L/d)的0.61％，发酵液的 O2吸收率达到81±7％，沼气中O2含量为0.1～0.2％，N2含量在0.8～5.5％，甲烷含量62±2％。
因此，本发明加入空气的方法几乎不导致沼气中O2的提高，CH4含量与不加空气的对照几乎无差异，保障沼气安全和优质。
综上所述，本申请实施例的一种提升高含固有机废弃物厌氧发酵CH4产率和H2S控制率的方法及装置。本申请通过向高含固厌氧消化反应器中持续输入微量空气(强度为0.5～6.0mL/g(VS))，提高难降解有机质如纤维素的微生物水解能力，且不抑制产CH4菌的活性，提高微生物氧化H2S 的能力，最终提高原料的CH4产率(提高了21％以上)和H2S去除率(达到80％以上)。适合处理高含固(TS:10～30％)有机废弃物。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用半连续发酵工艺将含固率为10～30%的高含固有机废弃物加入反应器中，然后将空气持续不断打入反应器底部，每1g干基有机质的空气用量为0.5～6.0mL，空气以微气泡形式与有机废弃物充分混合，并搅拌发酵；所述微气泡的直径为20～200μm。
2.根据权利要求1所述的提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的方法，其特征在于，所述高含固有机废弃物为富含木质纤维素难降解有机质，具体包括猪粪、牛粪、鸡粪、秸秆和市政污泥中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的方法，其特征在于，所述搅拌的频率为4～12次/天，5～20min/次，转速为20～80转/min；所述发酵温度为30～40℃，发酵时间为15～45d。
4.一种实现权利要求1～3任一项所述提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的方法的装置，包括反应器本体，所述反应器本体上分别设置有进料口和出料口，其特征在于，还包括高精度空气泵、沼气收集装置和搅拌器，所述高精度空气泵通过空气管连接至位于所述反应器本体底部的微孔曝气头，所述沼气收集装置通过沼气管连接至所述反应器本体的顶部，所述搅拌器固定在所述反应器本体的腔体内。
5.根据权利要求4所述的一种提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的装置，其特征在于，所述高精度空气泵的入口端安装有空气计量预警器。
6.根据权利要求4所述的一种提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的装置，其特征在于，所述微孔曝气头的孔径为20～200um，曝气孔间距为1～50mm，相邻微孔曝气头的间距为5～50cm。
7.根据权利要求4所述的一种提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的装置，其特征在于，所述反应器本体的外表面还设置有一层控温装置，所述反应器本体的上部采用水封装置进行密封。
8.根据权利要求4所述的一种提升高含固有机废弃物CH4产率和H2S控制率的装置，其特征在于，所述进料口处设置有螺旋进料器，所述出料口处设置有螺旋出料器。
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