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CN104372030A - 一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法 - Google Patents

一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法 Download PDF

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CN104372030A CN201410557609.9A CN201410557609A CN104372030A CN 104372030 A CN104372030 A CN 104372030A CN 201410557609 A CN201410557609 A CN 201410557609A CN 104372030 A CN104372030 A CN 104372030A
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李茹莹
刘新媛
季民
吴云奇
张迦北
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Tianjin University
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Tianjin University
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Abstract

本发明公开了一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法，包括产氢接种污泥曝气预处理和产甲烷接种污泥厌氧驯化培养；污泥与破碎餐厨垃圾以优化比例混合；产氢反应器和产甲烷反应器有效体积比为1：5.5；产氢和产甲烷反应器采用间歇投配方式进料，产甲烷反应器出泥按照与进料体积比1:1回流到产氢反应器；产氢反应器温度为55℃、pH值5.0-5.5、水力停留时间0.8-3.3d；产甲烷反应器温度为37℃、pH值7.0-7.5、水力停留时间4.5-18d；投加K2HPO4以提高反应器的碱度和缓冲能力。本发明的主要目的在于开发简单有效的两相厌氧发酵工艺，在较少药剂投加的基础上，实现高效稳定的产氢产甲烷过程，同时达到处理污泥和餐厨垃圾两种有机固体废弃物的目的。

Description

一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法
技术领域
本发明涉及一种环保领域的餐厨垃圾和污泥的处理及氢气和甲烷的生产方法。特别是涉及一种利用固体废物连续稳定地产氢产甲烷的方法。
背景技术
面对日益枯竭的化石燃料资源及其燃烧造成的大气污染，开发高效无污染的清洁能源尤为重要。氢气是单位质量热值最高的气体，其燃烧产物只有水，无温室气体产生，故氢气是最理想的能源物质。目前，氢气的制备方法主要是化学法，电解法、水煤气变换法及水蒸气重整法，其原理是从化合状态存在的水或烃类物质中制取氢气。这些氢气制备方法具有能耗高、设备要求高和产率低等的不足，并且部分氢气的制备原料本身即是可直接利用的燃料，故开发低能耗制取方法以及利用可再生原料是最具前景的制氢发展方向。生物制氢法在较温和的环境中，利用微生物的代谢作用消耗有机质产生氢气及其他代谢产物，能够极大地降低产氢能耗。厌氧暗发酵制氢与其他生物制氢法相比具有氢气产率高、不需外加光源、有效处理难降解有机质等优势，是最具发展潜质的生物制氢法。
污泥是污水处理过程中的副产物，随着污水处理厂的新建和现有污水处理厂升级改造进程的不断加快，污泥的排放量逐年增加。污泥含水率高、携带大量病原微生物及重金属等物质，其处理处置是污水处理厂的难题之一。作为厌氧发酵基质，污泥的碳氮比低，易降解有机质含量低，故氢气和甲烷产率较低，如何提高产气效率仍然是污泥厌氧发酵的研究难点。
在我国，餐厨垃圾排放量大、含水率高、不便运输，易造成腐烂恶臭及其他不良的环境影响，故亟需对餐厨垃圾进行有效地处理。餐厨垃圾单独发酵容易造成酸化过快的现象，严重影响气体产率，为了维持餐厨垃圾发酵产氢反应器的pH稳定，需要投加大量化学药剂。有研究指出，在两相厌氧发酵过程中，将产甲烷反应器的出水回流到产氢反应器是一个维持产氢反应器pH稳定的方法。以餐厨垃圾为基质的两相发酵工艺中，利用出水回流能够将产氢反应器的pH维持在5.3且无需外加碱度(T.Kobayashi,et al.Effect of sludge recirculationon characteristics of hydrogen production in a two-stage hydrogen–methane fermentation processtreating food wastes[J].International Journal of Hydrogen Energy,2012,37(7),5602-5611.)。然而在该文献中，回流比必须达到2.9或者加入约20g-NaOH/d才能维持产氢反应器的pH，而较高的回流量不仅增加了运行费用还降低了产氢反应器的有效体积。对于进一步维持餐厨垃圾产氢反应体系pH并降低运行费用和药剂消耗等方面的研究仍较少。
批式试验证明，污泥和餐厨垃圾混合发酵对发酵产氢产甲烷具有促进作用(X.Liu,et al.Hydrogen and methane production by co-digestion of waste activated sludge and food waste inthe two-stage fermentation process:Substrate conversion and energy yield[J].BioresourceTechnology,2013,146,317-323.)。目前，污泥与餐厨垃圾混合发酵产氢产甲烷主要集中在中温条件(35℃或37℃)。然而由于污泥难降解并且含有多种微生物，在中温条件下，两相反应器需要低负荷运行(Z.Siddiqui,et al.Energy optimization from co-digested waste using atwo-phase process to generate hydrogen and methane[J].International Journal of HydrogenEnergy,2011,36(8),4792-4799.)，并且在产氢反应器中容易滋生耗氢甲烷菌，需要定期采取措施抑制产甲烷过程(Zhu H,et al.Eliminating methanogenic activity in hydrogen reactor toimprove biogas production in a two-stage anaerobic digestion process co-digesting municipalfood waste and sewage sludge[J].Bioresource technology,2011,102(14):7086-7092.)。利用污泥与餐厨垃圾高温发酵产氢的研究较少，而高温条件更有利于有机物的水解酸化并能抑制耗氢过程。
发明内容
本发明的主要目的在于开发简单有效的两相厌氧发酵工艺，在较少的药剂投加的基础上，实现高效稳定的产氢产甲烷过程，同时达到处理污泥和餐厨垃圾两种有机固体废弃物的目的。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
本发明提供一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法，包括以下步骤：
步骤一、将产氢接种污泥进行曝气预处理，将产甲烷接种污泥进行厌氧驯化培养；
步骤二、将污泥与破碎的餐厨垃圾按照优化的混合比例进行混合，即餐厨垃圾占总挥发性固体质量百分比为54％；
步骤三、搭建包括有产氢反应器和产甲烷反应器的产氢产甲烷发酵装置，其中，产氢反应器和产甲烷反应器的有效体积比为1：5.5，接种产氢和产甲烷污泥，加入发酵底物，经过一个月的适应驯化期，开始运行产氢反应器和产甲烷反应器；
产氢反应器和产甲烷反应器运行的工艺条件如下：
反应器的进料和回流方式：产氢反应器和产甲烷反应器采用间歇投配的方式进料，即混合基质用进料泵送入产氢反应器，同时产氢反应器中的固液相产物直接进入产甲烷反应器，产甲烷反应器的出泥按照与进料体积比为1:1回流到产氢反应器；
反应器运行方式及连续产氢产甲烷：其中，产氢反应器的温度为55℃、pH值为5.0-5.5、水力停留时间为0.8-3.3d；产甲烷反应器的温度为37℃、pH值为7.0-7.5、水力停留时间为4.5-18d；为了维持产氢反应器pH值，可以通过投加一定量的K2HPO4，以提高反应器的碱度和缓冲能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用污泥和餐厨垃圾制取氢气和甲烷，既减少了有机固体废弃物排放所造成的环境污染，又利用可再生资源创造了清洁能源。本发明利用混合基质的协同作用优化厌氧发酵产氢产甲烷工艺，增加产气量，降低运行成本。一方面餐厨垃圾含有大量易降解有机物促进污泥发酵产氢产甲烷，通过混合发酵平衡发酵基质的碳氮比，有利于厌氧发酵产气；另一方面利用污泥中大量pH缓冲物质弥补餐厨垃圾碱度不足的缺点，通过产甲烷反应器出水回流的方式缓解产氢反应器酸化过快现象，使得混合发酵与单独餐厨垃圾发酵相比，回流比及外加碱度均较低，进而减少了运行成本。此外，本发明利用高温产氢与中温产甲烷联合的两相厌氧发酵工艺处理餐厨垃圾和污泥，大大降低了水力停留时间，缩小了发酵罐总体积，有效地分离产氢阶段和产甲烷阶段，并获得稳定、高产率的氢气和甲烷。
附图说明
图1是实现本发明方法所采用的装置及工艺流程。
图中：1-产氢反应器，2-产甲烷反应器，3-进料池，4-进料泵，5-排泥池，6-产氢气体流量计，7-产甲烷气体流量计，8-恒温水浴锅，9-产甲烷控制器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，本发明提供实施例是为了准确理解，绝不是限制本发明。
本发明实施例中所搭建的产氢产甲烷发酵装置如图1所示，该装置包括产氢反应器1，产甲烷反应器2，进料池3，进料泵4，排泥池5，产氢气体流量计6，产甲烷气体流量计7，恒温水浴锅8，产甲烷控制器9。其中，产氢反应器和产甲烷反应器的有效体积比为1：5.5，接种产氢和产甲烷污泥，加入发酵底物，经过一个月的适应驯化期，开始运行产氢反应器和产甲烷反应器。
本实施例中装置的运行过程如下：发酵底物浓度调节为43.5g-VS/L，将等体积的发酵底物与产甲烷出泥在进料池3中混合均匀，混合基质用进料泵4送入产氢反应器1中。与此同时，产氢反应器1的出泥(即固液相产物)直接自流进入产甲烷反应器2中，产甲烷反应器的出泥按照与进料体积比为1:1回流到产氢反应器。为了维持产甲烷反应器的有效体积不变，进料之前从产甲烷反应器2排出两倍进料体积的污泥到排泥池5，回流一倍体积污泥到进料池3并排掉一倍体积污泥。产氢反应器1和产甲烷反应器2均为完全混合式反应器，气体流量分别通过设置在产氢反应器1的排气管道上的产氢气体流量计6和设置在产甲烷反应器2排气管道上的产甲烷气体流量计7进行计量。通过恒温水浴锅8将产氢反应器1的温度控制为55℃，产甲烷反应器2的搅拌和温度控制均由产甲烷控制器9实现(该控制器为发酵罐商品自带)，产甲烷反应器2的温度控制为37℃。
实施例1：
将厌氧消化污泥，曝气1-3h，加入葡萄糖或餐厨废水厌氧培养1d，重复曝气培养1周，再以葡萄糖为底物进行发酵驯化1周，最后作为产氢接种污泥加入到产氢反应器1中；将厌氧消化污泥接种到产甲烷反应器2中，定期加入少量餐厨垃圾，进行厌氧培养。
发酵底物为污泥及破碎处理的餐厨垃圾的混合物，将污泥与破碎的餐厨垃圾按照餐厨垃圾占总挥发性固体质量百分比为54％的比例进行混合；
采用上述搭建产氢产甲烷发酵装置，其中，产氢反应器1运行温度为55℃，水力停留时间为3.3d，产氢反应器1的pH值通过回流控制在5.0-5.5，未外加碱度，发酵底物在产氢反应器1中进行水解酸化，产气通过产氢气体流量计6进行计量，液固相代谢产物进入产甲烷反应器2，进一步进行消化，产甲烷反应器2的温度为37℃，水力停留时间为18d，pH在7.0-7.5之间。
本实施例1混合发酵产氢产甲烷的方法能够连续稳定的运行30d，无需外加碱度，在该运行条件下，去除单位质量有机固体的氢气和甲烷产率分别为62.3mL/g-VS和437.4mL/g-VS，氢气和甲烷的平均浓度为60.0％和81.3％。每克固体的能量产率为4.8kJ/g-VS，而相同的发酵底物下，单相产甲烷的能量产率只有4.5kJ/g-VS。
实施例2:
实施例2在实施例1的基础上改变其中的部分工艺条件继续运行，与实施例1不同之处是：产氢反应器1的水力停留时间为1.6d，产甲烷反应器2的水力停留时间为9d。在该实施例2条件下，产氢产甲烷发酵装置仍连续稳定运行36d，由于有机负荷增加，回流污泥的碱度不足以维持产氢反应器的pH，故需外加碱度103mg-CaCO3/d(将加入的K2HPO4转化为碱度单位，即按照HPO4 2-转化为H2PO4 -所需的H+浓度进行计算，因为在pH为5.0-7.0时磷酸盐主要形态为HPO4 2-/H2PO4 -)。该条件下，去除单位质量有机固体的氢气和甲烷产率分别为95.8mL/g-VS和541.5mL/g-VS，氢气和甲烷的平均浓度为60.9％和76.6％。每克固体的能量产率为5.4kJ/g-VS，而相同的发酵底物下，单相产甲烷的能量产率只有3.3kJ/g-VS。
实施例3：
本实施例3在实施例2的基础上改变其中的部分工艺条件继续运行，与实施例2不同之处是：产氢反应:1的水力停留时间为1.1d，产甲烷反应器2的水力停留时间为6d。该实施例条件下，产氢产甲烷发酵装置仍连续稳定运行30d，由于有机负荷进一步增加，需提高外加碱度至164mg-CaCO3/d。该条件下，去除单位质量有机固体的氢气和甲烷产率分别为159.8mL/g-VS和554.3mL/g-VS，氢气和甲烷的平均浓度为60.0％和80.6％。每克固体的能量产率为6.2kJ/g-VS，而相同的发酵底物下，单相产甲烷的能量产率只有2.8kJ/g-VS，并且碱度的投加量提高到了620mg-CaCO3/d，说明了两相发酵工艺在高负荷条件具有明显的优势。
实施例4：
本实施例4在实施例3的基础上改变齐总部分工艺条件继续运行，与实施例3不同之处是：产氢反应器1的水力停留时间为0.8d，产甲烷反应器2的水力停留时间为4.5d。该实施例下，产氢产甲烷发酵装置仍连续稳定运行了24d，由于有机负荷进一步增加，需提高外加碱度至437mg-CaCO3/d，该外加碱度量仍明显低于餐厨废物单独产氢时所需的碱度。该条件下，去除单位质量有机固体的氢气和甲烷产率分别为207.5mL/g-VS和475.2mL/g-VS，氢气和甲烷的平均浓度为54.4％和71.5％。每克固体的能量产率为6.1kJ/g-VS，而相同的发酵底物下，单相产甲烷的能量产率只有2.7kJ/g-VS，并且碱度的投加量需提高到1321mg-CaCO3/d才能维持单相产甲烷反应器pH的稳定。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法，包括以下步骤：
步骤一、将产氢接种污泥进行曝气预处理，将产甲烷接种污泥进行厌氧驯化培养；
步骤二、将污泥与破碎的餐厨垃圾按照餐厨垃圾占总挥发性固体质量百分比为54％的比例进行混合；
步骤三、搭建包括有产氢反应器和产甲烷反应器的产氢产甲烷发酵装置，其中，产氢反应器和产甲烷反应器的有效体积比为1：5.5，接种产氢和产甲烷污泥，加入发酵底物，经过一个月的适应驯化期，开始运行产氢反应器和产甲烷反应器；
产氢反应器和产甲烷反应器运行的工艺条件如下：
产氢反应器和产甲烷反应器采用间歇投配的方式进料，混合基质用进料泵送入产氢反应器，同时产氢反应器中的固液相产物直接进入产甲烷反应器，产甲烷反应器的出泥按照与进料体积比为1:1回流到产氢反应器；
产氢反应器的温度为55℃、pH值为5.0-5.5、水力停留时间为0.8-3.3d；产甲烷反应器的温度为37℃、pH值为7.0-7.5、水力停留时间为4.5-18d。
2.根据权利要求1所述一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法，其中，通过投加K2HPO4控制产氢反应器的pH值。
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