一种餐前与餐厨垃圾耦合厌氧发酵联产氢气与甲烷的方法

摘要

本发明公开了属于固废处理与生物能源技术领域的一种采用餐前垃圾与餐厨垃圾耦合厌氧发酵联产氢气与甲烷的绿色方法。该方法首先利用厌氧发酵产生的沼液对餐前垃圾进行浸泡预处理，同时餐厨垃圾采用湿热闪蒸预处理；然后将预处理后的餐前垃圾和餐厨垃圾混合，以产甲烷阶段后系统排出的沼渣作为接种物，通过厌氧发酵工艺制备氢气与甲烷。本发明适用于多种高有机质、高含水率、高纤维素的有机固体废弃物以氢气与甲烷的形式回收固体有机质中所含有的生物质能源。本发明集节能减排、可再生资源利用与污染治理于一身，是一套无污染、低能耗、产能高的餐厨垃圾厌氧发酵处理工艺，具有重要的环境效益与广阔的应用前景。

权利要求

1.一种餐前与餐厨垃圾耦合厌氧发酵联产氢气与甲烷的方法，其特征在于，其操作步骤为：首先利用产甲烷阶段后系统排出的沼液作为浸泡液对餐前垃圾进行浸泡预处理，同时餐厨垃圾采用湿热闪蒸预处理；然后将预处理后的餐前垃圾和餐厨垃圾混合，以产甲烷阶段后系统排出的沼渣作为接种物，通过厌氧发酵工艺制备氢气与甲烷；

所述的利用产甲烷阶段后系统排出的沼液作为浸泡液对餐前垃圾进行浸泡预处理的具体步骤为：首先将餐前垃圾破碎至粒径为2-20mm，然后餐前垃圾与浸泡液按质量比为(1:1)-(1:10)混合，餐前垃圾质量以干基质量计；向预处理浸泡罐中通入氮气5-20min，排除空气保持厌氧环境，温度保持在30-40℃，搅拌速率为60-100r/min，每小时搅拌

5-15min，浸泡时间为1-5天；所述的浸泡液为产甲烷阶段后系统排出的沼液并经过孔径

1-10mm的筛网过滤；

所述餐厨垃圾采用湿热闪蒸预处理的具体步骤为：首先将餐厨垃圾破碎至粒径为2-40mm，加水率为50-100wt％，控制压强为2-4Pa，搅拌速率在80-150r/min，温度为

90-150℃加热30-60min后冷却至室温，然后以4000-8000r/min离心或用压滤机压滤，去除可浮油，备用；

所述的将预处理后的餐前垃圾和餐厨垃圾混合，以产甲烷阶段后系统排出的沼渣作为接种物，通过厌氧发酵工艺制备氢气与甲烷的反应条件为：浸泡预处理后的餐前垃圾与经过湿热闪蒸预处理后的餐厨垃圾以VS比(1:1)-(1:5)混合，振荡混匀后将混合物料与接种-1 -1物以VS比(1:1)-(1:4)混合，控制系统初始有机负荷量在1-4.5kg·L d ，保证系统C/N在(10-15):1范围内，利用餐厨垃圾湿热闪蒸预处理后离心或压滤出的水调节物料含水率至90-95wt％后装罐；

产氢阶段：用0.5-2mol/L HCl和0.5-2mol/L NaOH调节pH值至4.5-6.5，以1-5mL/s流量通入高纯氮气2-15min，排除系统中的空气，保证系统内的厌氧环境，控制温度范围在

30-40℃，控制搅拌速率在100-300r/min范围内，系统运行2-7天之后进入产甲烷阶段；

产甲烷阶段：采用0.5-2mol/L HCl和0.5-2mol/LNaOH调节pH值至7-8，温度控制在30-40℃，搅拌速率控制在100-300r/min，保持厌氧条件，在停止产气两天后终止厌氧发酵；

所述的浸泡液与接种物的制备：按干基质量计，将餐厨垃圾与厌氧消化污泥按质量比(1:1)-(1:10)混合厌氧驯化1-2个月，待其不产气后，利用1-10mm筛网过滤得到厌氧发酵液，作为首批餐前垃圾浸泡液，其后餐前垃圾浸泡液均为产甲烷阶段后系统排出的沼液；经驯化过的活性污泥作为首批接种物，其后接种物均为产甲烷阶段后系统排出的沼渣。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的筛网过滤过程中保持厌氧，维持厌氧微生物活性。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的闪蒸后形成的高温蒸汽通过废热回收装置回收热量，利用回收的热量对厌氧发酵罐进行加温。

说明书

一种餐前与餐厨垃圾耦合厌氧发酵联产氢气与甲烷的方法

技术领域

[0001] 本发明属于固废处理与生物能源技术领域，涉及一种厌氧发酵联产氢气与甲烷的技术，具体涉及一种采用餐前垃圾与餐厨垃圾耦合厌氧发酵联产氢气与甲烷的绿色方法。

背景技术

[0002] 随着全球不可再生能源的日益枯竭以及化石燃料能源燃烧所产生的环境大气污染问题，严重威胁了人类的可持续发展与生存环境。氢气被认为是21世纪的重要清洁能源之一，甲烷也是最有可能替代天然气的可再生能源，备受人们的关注。在许多种生物燃气制备方法中，厌氧发酵因为其环境友好性、低能耗、高能源产出等特点吸引了大量的国内外学者对其进行了研究。近年来，随着人们生活水平的提高，餐厨垃圾产生量不断提高，呈急剧增长趋势，2008年仅北京市餐厨垃圾日产生量为1600吨，且目前我国部分地区餐厨垃圾处于无序管理状态，通常简易堆放，滋生蚊蝇，产生恶臭，对环境污染以及人体健康产生极大风险。利用传统的填埋法进行处理不仅会造成餐厨垃圾中营养价值的损失，而且容易产生恶臭气体、渗滤液等二次污染；焚烧法处理餐厨垃圾由于餐厨垃圾含水率较高，其热值较低，且产生大量有害气体，严重影响周边生态环境与人类居住环境质量。

[0003] 厌氧生物处理是利用微生物作用在厌氧条件下降解有机物的过程。现有的餐厨垃圾厌氧发酵处理方法主要以两段法厌氧消化工艺与整体一段法为主。两段法把消化过程中的水解酸化阶段和甲烷发酵阶段分离开来，而一段法整合了这两个阶段。目前在中国餐厨垃圾处理行业中整体一段法占据优势地位，其主要优点为投资少、工艺运行简单、产气周期短，但是其缺点也较为明显，在处理过程中整体一段法相较于两段法而言产气波动较大，难以实现处理中的精确控制，从而影响系统长期运行的稳定性，而且应用于混合物料发酵时，不同物料的发酵周期差异较大，难以实现物料中有机质的高效率利用，物料处理不完全现象较为明显，而且产生的大量沼渣沼液无法达到排放标准，通常需要再次处理，加大了厌氧发酵成本。餐厨垃圾中常常混有餐前垃圾，餐前垃圾主要为菜叶、半腐烂果蔬等纤维素含量较高的植物残体，以其为底物进行厌氧发酵时，通常系统启动速度慢，餐厨垃圾主要是残羹剩饭混杂在一起，其油脂含量、含水率、有机质含量较高，进行厌氧发酵时，通常酸化速度快，导致系统一般在低负荷下运行，且难以保持系统运行的稳定性。此两种垃圾在进行氢气甲烷联产时所需最佳条件不同，总体的处理技术还不够完善，在如何进一步提高餐厨垃圾的能源回收效率问题还需要进一步的系统研究。

[0004] 因此，研发一种利用不同预处理方式分别处理餐前、餐厨垃圾，并将餐前垃圾与餐厨垃圾耦合进行厌氧发酵联产氢气、甲烷，使二者优势互补，有效的提高餐厨垃圾能源回收效率，并可以保证厌氧发酵联产反应器的长期稳定运行，不仅解决了餐厨垃圾用传统方法难以处置、易于产生二次污染的问题，而且较普通厌氧发酵技术处理餐厨垃圾提高了生产绿色生物能源的能力，减少了对传统能源物质的依赖性，为我国的能源结构优化、提高可持续发展能力以及生态环境的改善有一定的贡献。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种餐前与餐厨垃圾耦合厌氧发酵联产氢气与甲烷的方法。本发明适用于多种高有机质、高含水率、高纤维素的有机固体废弃物，如生活垃圾、禽畜粪便、果蔬垃圾、农作物残体、动物残肢、水产废物等垃圾以氢气与甲烷的形式回收固体有机质中所含有的生物质能源。本发明集节能减排、可再生资源利用与污染治理于一身，是一套无污染、低能耗、产能高的餐厨垃圾厌氧发酵处理工艺，具有重要的环境效益与广阔的应用前景。

[0006] 本发明所述的餐前与餐厨垃圾耦合厌氧发酵联产氢气与甲烷的方法是：首先利用产甲烷阶段后系统排出的沼液作为浸泡液对餐前垃圾进行浸泡预处理，同时餐厨垃圾采用湿热闪蒸预处理；然后将预处理后的餐前垃圾和餐厨垃圾混合，以产甲烷阶段后系统排出的沼渣作为接种物，通过厌氧发酵工艺制备氢气与甲烷。

[0007] 所述的利用产甲烷阶段后系统排出的沼液作为浸泡液对餐前垃圾进行浸泡预处理的步骤为：首先将餐前垃圾破碎至粒径为2-20mm，然后餐前垃圾与浸泡液按质量比为(1:1)-(1:10)混合，餐前垃圾质量以干基质量计；向预处理浸泡罐中通入氮气5-20min，排除空气保持厌氧环境，温度保持在30-40℃，搅拌速率为60-100r/min，每小时搅拌5-15min，浸泡时间为1-5天；所述的浸泡液为产甲烷阶段后系统排出的沼液并经过孔径
1-10mm的筛网过滤。

[0008] 上述筛网过滤过程中保持厌氧，维持厌氧微生物活性。

[0009] 所述餐厨垃圾采用湿热闪蒸预处理的步骤为：首先将餐厨垃圾破碎至粒径为2-40mm，加水率为50-100wt%，控制压强为2-4Pa，搅拌速率在80-150r/min，温度为90-150℃加热30-60min后冷却至室温，然后以4000-8000r/min离心或用压滤机压滤，去除可浮油，备用。

[0010] 上述闪蒸后形成的高温蒸汽通过废热回收装置回收热量，利用回收的热量对厌氧发酵罐进行加温。

[0011] 所述的将预处理后的餐前垃圾和餐厨垃圾混合，以产甲烷阶段后系统排出的沼渣作为接种物，通过厌氧发酵工艺制备氢气与甲烷的反应条件为：浸泡预处理后的餐前垃圾与经过湿热闪蒸预处理后的餐厨垃圾以VS比(1:1)-(1:5)混合，振荡混匀后将混合物料与-1 -1接种物以VS比(1:1)-(1:4)混合，控制系统初始有机负荷量在1-4.5kg·L d ，保证系统C/N在(10-15):1范围内，利用餐厨垃圾湿热闪蒸预处理后离心或压滤出的水调节物料含水率至90-95wt%后装罐；

[0012] 产氢阶段：用0.5-2mol/LHCl和0.5-2mol/LNaOH调节pH值至4.5-6.5，以1-5mL/s流量通入高纯氮气2-15min，排除系统中的空气，保证系统内的厌氧环境，控制温度范围在30-40℃，控制搅拌速率在100-300r/min范围内，系统运行2-7天之后进入产甲烷阶段；

[0013] 产甲烷阶段：采用0.5-2mol/LHCl和0.5-2mol/LNaOH调节pH值至7-8，温度控制在30-40℃，搅拌速率控制在100-300r/min，保持厌氧条件，在停止产气两天后终止厌氧发酵。

[0014] 产甲烷阶段完成后得到的沼液作为浸泡液，沼渣作为接种物，按上述步骤继续循环操作，对餐前与餐厨垃圾进行耦合厌氧发酵联产氢气与甲烷。

[0015] 按干基质量计，将餐厨垃圾与厌氧消化污泥按质量比(1:1)-(1:10)混合厌氧驯化1-2个月，待其不产气后，利用1-10mm筛网过滤得到厌氧发酵液，作为首批餐前垃圾浸泡液，其后餐前垃圾浸泡液均为产甲烷阶段后系统排出的沼液；经驯化过的活性污泥作为首批接种物，其后接种物均为产甲烷阶段后系统排出的沼渣。

[0016] 本发明的原理在于利用厌氧发酵液中丰富的微生物对高纤维素含量的餐前垃圾进行预处理，增加了反应器启动阶段的微生物活性，减小了反应器内基质粘性，并且利用厌氧发酵液的碱度来减缓与餐厨垃圾混合后产酸过快而产生的有机酸积累抑制产气的现象，同时也可以提高反应器内的含水量，促进有机组分与酶的均匀分布，提高厌氧发酵的效率。针对餐厨垃圾中油脂含量过高的现象采用湿热闪蒸处理技术对餐厨垃圾进行预处理，将餐厨垃圾中存在的分散油、乳化油、溶解油、含油固体等难以脱出的油脂转变为可浮油，利用压滤设备脱出，防止高油脂对厌氧发酵产气的抑制作用，同时利用高温高压使餐厨垃圾中物质结构改变，使其更易被微生物所利用。

[0017] 本发明的优点在于：

[0018] （1）本发明利用厌氧发酵系统自排的沼液对餐前垃圾进行浸泡处理，在一定程度上解决了厌氧发酵系统产生沼液的二次处理问题。

[0019] （2）本发明利用厌氧发酵系统自排的厌氧发酵液对餐前垃圾进行浸泡处理，由于厌氧发酵液中含有丰富的微生物，尤其是产氢菌、产甲烷菌与纤维素分解菌，可以有效的缩短厌氧发酵系统的启动时间。

[0020] （3）本发明对餐厨垃圾进行湿热闪蒸预处理，有效降低了餐厨垃圾中油脂含量，并在一定程度上改变了餐厨垃圾中有机质的内在结构，使其变的更易被微生物所分解利用，从而达到缩减处理周期的目的。

[0021] （4）本发明解决了在酸化阶段餐后垃圾酸化过快，有机酸大量积累抑制产气的问题，提高了反应器的有机负荷，保证了反应过程中产气的高效率与反应器的稳定性。

[0022] （5）本发明对大量湿热闪蒸产生的高温高压热蒸汽进行废热回收，并利用其对厌氧发酵罐进行加热保温，提高能源利用效率。

[0023] （6）本发明将不同预处理方式处理过的餐前垃圾与餐厨垃圾混合进行厌氧发酵，两种不同底物通过各自的预处理之后，均更适合进行厌氧发酵联产氢气甲烷，较两种底物单独进行厌氧发酵产气量有大幅度的提高。

[0024] （7）本发明易于操作调控，投资少，省去了用于沼渣沼液处理的资金投入，反应条件温和，稳定性较高，适合工程化应用。

附图说明

[0025] 图1为本发明设计的餐前与餐厨垃圾耦合厌氧发酵联产氢气与甲烷的工艺流程图。

[0026] 图2为实施例1中循环操作第四次厌氧发酵产氢气阶段气相产物的色谱图。

[0027] 图3为实施例1中循环操作第四次厌氧发酵产甲烷阶段气相产物的色谱图。

具体实施方式

[0028] 实施例1

[0029] 采用来自食堂的餐前垃圾与餐厨垃圾。

[0030] 将餐前垃圾破碎至粒径为2-20mm，厌氧发酵液用孔径1mm的筛网过滤取滤液，筛网过滤过程中保持厌氧；将餐前垃圾与厌氧发酵液以质量比1:2比例混合，餐前垃圾质量以干基质量计；通入高纯氮气氮吹5min，并保持厌氧环境，温度保持在35℃左右，搅拌速率为80r/min，每小时搅拌10min，浸泡2天，待用；

[0031] 将餐厨垃圾破碎至粒径为2-40mm，加水率50%，压强保持在2Pa，搅拌速率在100r/min，湿热预处理90℃加热30分钟，冷却至室温后8000r/min离心去除可浮油，备用；

[0032] 将餐厨垃圾与采自污水处理厂的厌氧消化污泥以质量比1:10混合厌氧驯化2个月，待其不产气后，利用1mm筛网过滤得到厌氧发酵液，作为首批餐前垃圾浸泡液，其后用作餐前垃圾浸泡液的厌氧发酵液均产自产甲烷阶段后系统排出的沼液；经驯化过的活性污泥作为首批接种物，其后接种物均为产甲烷阶段后系统排出的沼渣；

[0033] 将浸泡处理后的餐前垃圾与经过湿热闪蒸预处理过的餐厨垃圾以VS比1:4混合，-1 -1振荡混匀后将混合物料与接种物以VS比1:4混合，控制系统有机负荷量在1kg·L d ,保证系统C/N在13:1范围内，利用餐厨垃圾湿热闪蒸预处理后离心出的水调节含水率至90%，装罐；

[0034] 产氢阶段：用0.5mol/LHCl与2mol/LNaOH调节pH值至5.5，流量5mL/s通入高纯氮气5min进行氮吹，排除系统中的空气，保证系统内的厌氧环境，控制温度范围在35℃，控制搅拌速率在150r/min范围内，开始厌氧发酵产氢，系统运行4天后进入产甲烷阶段；

[0035] 产甲烷阶段：用0.5mol/LHCl与2mol/LNaOH调节pH值至7.5，温度控制在35℃，搅拌速率控制在150r/min，保持厌氧条件，进入产甲烷阶段，在停止产气2天后终止厌氧发酵。

[0036] 产甲烷阶段完成后得到的沼液作为浸泡液，沼渣作为接种物，按上述步骤继续循环操作，对餐前与餐厨垃圾进行耦合厌氧发酵联产氢气与甲烷。

[0037] 采用气相色谱仪与液相色谱仪测定厌氧发酵后气相和液相产物组成，湿式气体流量计测定产气量。采用SP-6890型气相色谱仪测定厌氧发酵气相产物组成成分与浓度，气相色谱条件为：TCD热导池检测器，高纯氩气作为载气，进气压力为1.6p，柱温120℃，检测器和进样口温度为150℃，进样量为1mL，以峰面积定量，校正归一法计算气体各组分含量。循环操作第四次产生生物气各成分测定的色谱图参见图2和3。