CN1896252A - 利用有机物高效厌氧发酵生产沼气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于有机物厌氧发酵产沼气领域，特别涉及到一种利用有机物高效厌氧发酵生产沼气的方法，该方法包括以下步骤：a.固体有机物原料预处理；b.在厌氧水解反应器内，将预处理后的固态有机物在微生物胞外水解酶的催化作用下，进行高分子有机物水解形成有机小分子溶解在液体中；c.将厌氧水解反应器内形成的有机小分子溶液引入到后续厌氧发酵反应器进行厌氧发酵产甲烷。本发明由于较好地控制了厌氧水解反应器内pH值变化，提高了有机物厌氧发酵的速率。

Description

利用有机物高效厌氧发酵生产沼气的方法

技术领域

本发明涉及有机物的利用方法，特别是利用有机物厌氧发酵生产沼气的方法。

背景技术

利用有机物厌氧发酵生产沼气是解决能源短缺，同时减少有机垃圾的公知方法。这种有机物可来源于农业生产产生的作物秸秆，城市生活垃圾，水生植物，树木和树叶，工业有机废水和废渣等。

厌氧发酵包括有机大分子水解，酸化和产甲烷等过程。根据厌氧发酵生物过程原理，人们发展了一级和两级发酵方法。两级发酵方法，如US patent 4318993，采用在两个不同反应器分别依次完成有机物厌氧水解和酸化，厌氧发酵产甲烷。在水解酸化反应器内，挥发酸的浓度会大大提高，降低了大分子有机物如植物纤维和动物机体等水解过程进行的速度。植物纤维的主要成分是纤维素，半纤维素和木质素。其中木质素在通常的厌氧反应器内难以被水解，但木质素通常包围在纤维素和半纤维素外，妨碍纤维素和半纤维素的水解。由于高分子有机物，如纤维素，半纤维素，淀粉，蛋白质和脂肪等，通常处于固态，其水解比较缓慢，是厌氧发酵进行速度的决定步骤，含有植物纤维的有机物发酵通常比较缓慢。采用高温和一定压力，在碱性条件下，进行水解，替代生物水解，如US patent 6905600，能够高速水解，但是能耗较高，后处理复杂；在酸性条件下进行水解，是植物纤维利用的常规技术，也存在同样问题。中国专利CN01130972.5采用汽爆预处理来提高植物纤维在厌氧条件下的水解速率和可水解率，但是后续处理采用一级固态厌氧发酵生产沼气，由于水解酸化和甲烷化在一个反应器进行，发酵速率较低。US PATENT 5529692和Hack，P.J.F.M.and Brinkmann，J.A.等报道的厌氧工艺(New Process for HighPerformance Digestion，International Symposium on Anaerobic Digestion ofSolid Waste，Venice 14-17.4.92)，则通过增加固体有机物在水解池内的停留时间。由于在回流液加入能够进行水解和酸化的微生物，在水解池中，酸化过程与水解过程同步进行，这影响了水解过程的进行。中国专利CN1656043A采用氨吸收沼气中CO2形成的缓冲液回流到厌氧发酵池，减小pH值变化对有机物水解过程的影响，这种方法工艺复杂。

发明内容

有机高分子的厌氧水解过程通常是由微生物分泌产生的胞外水解酶催化，本发明基于此原理，针对有机物厌氧发酵现有的水解过程常常受到同步进行的酸化过程的制约，提出了一项提高高分子有机物的生物水解速率，通过厌氧发酵处理含有高分子有机物产生沼气的厌氧工艺。

本发明提出的有机物高效厌氧发酵生产沼气的工艺方法，其具体步骤包括：

a、固体有机物预处理；

b、在厌氧水解反应器内，将含有较高浓度水溶性或胶体高分子的废水，或预处理后的固态有机物在微生物胞外水解酶的催化作用下，进行高分子有机物水解形成有机小分子溶解在液体中；

c、将厌氧水解反应器内形成的有机小分子溶液引入到后续厌氧发酵反应器进行厌氧发酵产甲烷。

所述的厌氧发酵反应器可以是单级厌氧发酵反应器，完成酸化和发酵产沼气过程；也可以采用两级厌氧反应器包括厌氧酸化反应器和厌氧产甲烷反应器，这时，厌氧水解反应器内产生的有机小分子溶液被泵送到厌氧酸化反应器内进行酸化，形成的有机酸溶液被泵送到厌氧产甲烷反应器内发酵产沼气；

采用单级厌氧发酵反应器时，所述的微生物胞外水解酶来源于所述的厌氧发酵反应器内混合液固液分离得到的上清液。

采用两级厌氧发酵反应器时，所述微生物胞外水解酶来源于所述的厌氧发酵反应器内混合液固液分离得到的上清液。

所述的微生物胞外水解酶还可来源于专用的反应器，在所述的专用反应器内，生产微生物胞外水解酶的专用反应器内通过纤维素原料培养里氏木霉，可生产纤维素酶，也可培养梭菌属微生物，产生纤维素酶，通过沉淀等固液分离方法处理所述专用反应器内混合液得到含有纤维素酶的上清液。

固体有机物预处理是指：

(1)、如有机物是城市垃圾，其所述预处理包括无机有机垃圾分离，有机垃圾破碎后，经汽爆处理；

(2)、如有机物是农作物秸秆，其所述预处理为农作物秸秆破碎后，经汽爆处理；

(3)、如有机物是水生植物，所述预处理包括将原料机械粉碎，固液分离，固体经汽爆处理后送入到所述厌氧水解反应器，液体送到厌氧发酵反应器；

(4)、如有机物是动物性废渣，所述预处理为破碎处理。

水生植物中水生漂浮植物水葫芦，浮萍，水浮莲，可通过在富营养化水体养殖进行批量生产，作为生产沼气的原料。

所述的厌氧水解反应器和厌氧发酵反应器，在处理以生物大分子有机物为主时，将产生大量剩余污泥，本发明中方案之一是将剩余污泥经加热杀菌或好氧杀菌处理后，经固液分离，固体送入到厌氧水解反应器处理，液体送往厌氧发酵反应器处理。

所述的汽爆处理，是将有机物添加碱后或直接送到汽爆设备内，在温度为100-400度和压力1-3Mpa下，保持3-30min后，突然释放到常压下，得到汽爆后的发酵原料；所述的汽爆处理添加的碱可以是氨，氢氧化钾，氢氧化钙，氢氧化钠。

所述的厌氧水解反应器，向其中回流厌氧发酵反应器内混合液固液分离得到的上清液，或/和在回流液中补加水，是较好的技术方案。

含有高分子的有机物可以源自植物、动物或工业废料等。含水分较高的有机固体原料先进行机械破碎和固液分离处理后，液体部分直接进厌氧发酵反应器，固体部分进入厌氧水解反应器处理后形成溶解性水溶解，进入厌氧发酵反应器发酵生产沼气。如果有机原料是含有较高浓度水溶性或胶体状态高分子的废水，废水进厌氧水解反应器处理。厌氧发酵反应器可采用一级发酵反应器或两级发酵反应器。微生物胞外水解酶通常以胶体形式悬浮在水中，可来源于专用反应器产生，或来源于单级厌氧发酵反应器内混合液固液分离的上清液，或两级厌氧发酵反应器中厌氧产甲烷反应器内混合液固液分离的上清液。采用专用反应器产生胞外水解酶，可以提高水解酶活性。因此，本发明的优点是将高分子有机物直接在微生物分泌的胞外水解酶作用下水解，水解产生的小分子有机物进行厌氧发酵处理生产沼气，由于在不同的反应器内进行水解过程和酸化过程，排除了酸化过程产生的大量挥发性有机酸对水解过程的阻碍作用，提高了厌氧发酵的效率。生产微生物胞外水解酶的专用反应器是通过纤维素原料培养里氏木霉，生产纤维素酶，或培养梭菌属微生物，产生纤维素酶，通过沉淀，膜过滤等固液分离方法处理所述专用反应器内混合液，得到含有纤维素酶的上清液。

以植物纤维为主的有机物，如作物秸秆，生活垃圾的有机部分，其固体部分，在进入水解反应器前，先经过汽爆处理。这种处理方法，提高了半纤维素的溶解性，使之在厌氧水解反应器中，溶解到水中，从而破坏了植物纤维的天然结构，有利于植物纤维在厌氧条件下的水解。在汽爆处理时，还可添加碱。一方面，在碱性条件下，植物纤维中的木质素溶解度加大，提高了汽爆处理的效率；另一方面，由于含有纤维素水解酶的液体中存在少量微生物，它们在厌氧水解反应器中，仍然使水解形成的小分子有机产物发生酸化过程，增加水解反应器内的酸度，汽爆处理加入的碱起到中和作用，促进了植物纤维的厌氧水解作用。碱可以是氢氧化钠，氢氧化钾，氨，氢氧化钙等，其中所添加的碱中的阳离子最终都进入到厌氧发酵产生的沼液中，因此，采用氢氧化钾和氨作为植物纤维汽爆处理中的添加剂是优化的选择，提高了沼液作为肥料的养分。其中采用氢氧化钾做碱性添加剂是较好的方案，因为它对植物纤维厌氧水解有更好的增强效果。而采用氢氧化钠或氢氧化钙等碱作为植物纤维汽爆处理的添加剂，无论沼液做肥料还是通过进一步处理后排入天然水体，都增加了环境中的盐分，是不利于环境的。

在厌氧水解反应器内，加大回流厌氧发酵反应器排出的上清液，可以为厌氧水解反应器提供更多的水解酶，同时及时溶解排出固体有机物表面水解产生的小分子有机物，从而提高了高分子有机物的水解效率。在厌氧水解反应器内，补加水分，可以及时溶解排出固体有机物表面水解产生的小分子有机物，从而提高了高分子有机物的水解效率。

采用植物纤维或动物性废料做原料，大规模工业化应用时，由于原料中含有较多的纤维素和半纤维素，蛋白质等大分子，它们在水解酸化时，微生物具有较高的生长比率，产生较多的厌氧微生物，在现有的处理工艺里，它们被当作沼渣处理，本发明对厌氧发酵反应器内产生的微生物通过分级沉淀等分离手段，与沼渣中无机固体分离，采用好氧消毒处理1-5小时，或通入水蒸汽加热到70度以上保持3-50min，加快厌氧微生物死亡。将死亡的厌氧微生物经沉淀等固液分离处理，上清液送入厌氧发酵反应器处理，固体部分送入到厌氧水解反应器进行处理。由于死亡的厌氧微生物能够发酵产生沼气，本方法减少了沼渣排放量，提高了沼气产生量。

所处理的有机物可以是水生植物，特别是水生漂浮植物如水葫芦，浮萍和水浮莲等。在富营养化水体，养殖的水生漂浮植物，既净化了水体，减轻了水体富营养化水平，又能在一年的大多数时间里，稳定生长，从而均匀地为厌氧发酵工业化生产提供原料；而且可通过水面机械化采集，运输，便于收集利用。水葫芦等含有较低的木质素，有较高的可消化率，是较好的厌氧发酵产沼气原料。

本发明提高了厌氧发酵的速率。

具体实施方式

实施例1

在富营养化严重的水体中养殖水葫芦，通过机械收割船采集，运送到厌氧处理工厂，水葫芦经破碎成20mm左右长度，经水力漩流器进行固液分离，液体直接送入到厌氧发酵反应器内发酵，固体装入到汽爆罐内，通入高温高压蒸汽，到150度，1.2Mpa，维持10min，打开放料阀门，瞬间减压释放，即得到汽爆处理的水葫芦。将汽爆后的水葫芦与厌氧发酵反应器内混合液经固液分离得到的上清液一起送入到厌氧水解反应器，厌氧水解反应器内不断回流厌氧发酵反应器内混合液经固液分离得到的上清液，将厌氧水解反应器内水解形成的小分子溶解，排出，然后泵送到厌氧发酵反应器内形成沼气。对厌氧发酵反应器内产生的微生物通过分级沉淀，与沼渣中无机固体分离，通入固体水葫芦汽爆处理释放的水蒸汽到温度70度以上，保持30min，使厌氧微生物死亡。将死亡的厌氧微生物经沉淀等固液分离处理，上清液送入厌氧发酵反应器处理，固体部分送入到厌氧水解反应器进行处理。其中固液分离后的固体水葫芦在厌氧水解反应器内停留时间控制在3-5天，有机原料鲜水葫芦总的停留时间为4-6天，水葫芦所含有机物在系统中分解率达到80％以上。

实施例2

将稻草破碎成5mm左右长度，添加0.1％KOH后，装入到连续汽爆机内，汽爆机通入高温高压蒸汽，保持200度，1.8Mpa，通过控制加料量，维持稻草在汽爆机内停留时间为3min，爆出端连续得到汽爆处理的稻草。将汽爆后的稻草与专用反应器内培养的纤维素水解酶溶液一起送入到厌氧水解反应器，厌氧水解反应器内不断回流厌氧发酵反应器内混合液经固液分离得到的上清液，并补加等量的水分，将厌氧水解反应器内水解形成的小分子溶解，排出，然后泵送到厌氧酸化反应器内发酵形成挥发性有机酸，再泵送到厌氧产甲烷反应器内形成沼气。在专用反应器内，采用机械粉碎到1mm的稻草经汽爆处理后做原料，培养梭菌属细菌，形成的含有细菌，胞外纤维素水解酶的混合液，经沉淀将细菌与胞外纤维素水解酶水溶液分离。对厌氧发酵反应器内产生的微生物通过分级沉淀，与沼渣中无机固体分离，通入空气保持好氧状态50min，使厌氧微生物死亡。将死亡的厌氧微生物经沉淀等固液分离处理，上清液送入厌氧发酵反应器处理，固体部分送入到厌氧水解反应器进行处理。其中汽爆处理后的稻草在厌氧水解反应器内停留时间控制在6-8天，厌氧发酵总的停留时间为7-9天，稻草所含有机物在系统中分解率达到70％以上。

实施例3

生活垃圾经分选后，将有机部分破碎成20mm左右粒径，固体装入到连续汽爆机内，汽爆机通入高温高压蒸汽，保持120度，2.3Mpa，通过控制加料量，维持有机垃圾在汽爆机内停留时间为15min，爆出端连续得到汽爆处理的有机垃圾。将汽爆后的有机垃圾与专用反应器内培养的纤维素水解酶溶液一起送入到厌氧水解反应器，厌氧水解反应器内不断回流厌氧发酵反应器内混合液经固液分离得到的上清液，并补加两倍的水分，将厌氧水解反应器内水解形成的小分子溶解，排出，然后泵送到厌氧发酵反应器内发酵形成沼气。在专用反应器内，采用机械粉碎到1mm的稻草经汽爆处理后做原料，培养里氏木霉，形成的含有里氏木霉和胞外纤维素水解酶的混合液，经沉淀将里氏木霉与胞外纤维素水解酶水溶液分离。对厌氧发酵反应器内产生的微生物通过分级沉淀，与沼渣中无机固体分离，通入空气保持好氧状态50min，使厌氧微生物死亡。将死亡的厌氧微生物经沉淀分离，上清液送入厌氧发酵反应器处理，固体部分送入到厌氧水解反应器进行处理。其中汽爆处理后的有机垃圾在厌氧水解反应器内停留时间控制在3-5天，厌氧发酵总的停留时间为4-6天，有机物在系统中分解率达到75％以上。

Claims (10)

1.一种利用有机物高效厌氧发酵生产沼气的方法，其特征包括以下步骤：

a、固体有机物预处理；

b、在厌氧水解反应器内，将含有较高浓度水溶性或胶体高分子的废水，或预处理后的固态有机物在微生物胞外水解酶的催化作用下，进行高分子有机物水解形成有机小分子溶解在液体中；

c、将厌氧水解反应器内形成的有机小分子溶液引入到后续厌氧发酵反应器进行厌氧发酵产甲烷。

2.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述的厌氧发酵反应器包括厌氧酸化反应器和厌氧产甲烷反应器，所述厌氧水解反应器内产生的有机小分子溶液被泵送到厌氧酸化反应器内水解酸化，形成的有机酸溶液被泵送到厌氧产甲烷反应器内发酵产沼气，所述微生物胞外水解酶来源于所述的厌氧发酵反应器内混合液固液分离得到的上清液。

3.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述的微生物胞外水解酶来源于所述的厌氧发酵反应器内混合液固液分离得到的上清液。

4.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述的微生物胞外水解酶来源于专用的反应器，在所述的专用反应器内，生产微生物胞外水解酶的专用反应器内通过纤维素原料培养里氏木霉，可生产纤维素酶，也可培养梭菌属微生物，产生纤维素酶，通过沉淀等固液分离方法处理所述专用反应器内混合液得到含有纤维素酶的上清液。

5.如权利要求书1-4之一所述的方法，其特征在于，固体有机物预处理是指：

(1)、如有机物是城市垃圾，其所述预处理包括无机有机垃圾分离，有机垃圾破碎后，经汽爆处理；

(2)、如有机物是农作物秸秆，其所述预处理为农作物秸秆破碎后，经汽爆处理；

(3)、如有机物是水生植物，所述预处理包括将原料机械粉碎，固液分离，固体经汽爆处理后送入到所述厌氧水解反应器，液体送到厌氧发酵反应器；

(4)、如有机物是动物性废渣，所述预处理为破碎处理。

6.如权利要求书5所述的方法，其特征在于水生植物是指水生漂浮植物水葫芦，浮萍，水浮莲，其来源于富营养化水体养殖生产的。

7.如权利要求书5或6所述的方法，其特征在于，所述的汽爆处理，是将有机物添加碱后或直接送到汽爆设备内，在温度为100-400度和压力1-3Mpa下，保持3-30min后，突然释放到常压下，得到汽爆后的发酵原料。

8.如权利要求书7所述的方法，其特征在于，所述的汽爆处理添加的碱可以是氨，氢氧化钾，氢氧化钙，氢氧化钠。

9.如权利要求书1-8之一所述的方法，其特征在于，所述的厌氧水解反应器、厌氧酸化反应器和厌氧发酵反应器产生的剩余污泥，经加热杀菌或好氧杀菌处理后，经固液分离，固体送入到厌氧水解反应器处理，液体送往厌氧发酵反应器处理。

10.如权利要求书1-9之一所述的方法，其特征在于，向所述的厌氧水解反应器补加水，或/和回流厌氧发酵反应器内混合液固液分离得到的上清液。