一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法转让专利
申请号 : CN202010893337.5
文献号 : CN112047590B
文献日 : 2021-05-11
发明人 : 戴晓虎 , 李磊 , 高君 , 许颖 , 董滨 , 戴翎翎 , 刘志刚
申请人 : 同济大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法,其特征在于,该方法主要包括以下步骤:
(1)餐厨垃圾乙醇预发酵:将破碎后的餐厨垃圾送入产醇相反应器,通过外加酵母和pH值调节,使餐厨垃圾快速高效厌氧发酵产乙醇,分别收集发酵液、发酵残渣;
(2)污泥预处理:将污泥与步骤(1)餐厨垃圾发酵残渣混合后进入预处理反应器,强化有机质溶出和降解;
(3)厌氧消化产甲烷:将步骤(2)预处理后的产物与步骤(1)餐厨垃圾发酵液混合,在产甲烷相反应器进行厌氧消化产甲烷。
2.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述的餐厨垃圾在乙醇预发酵前破碎至粒度小于10mm,并混合均匀;所述外加酵母为酿酒酵母,通过产醇发酵液循环接种;pH值通过回流发酵液调节至3.5‑6.5。
3.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述的餐厨垃圾乙醇预发酵时间为4h‑48h,温度为20℃‑30℃。
4.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法,其特征在于,步骤(2)中,所述的餐厨垃圾发酵残渣的总固体含量与污泥的总固体含量比为1:(0.1‑10)。
5.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法,其特征在于,步骤(2)中,所述的污泥为污水处理厂初沉污泥、二沉污泥、剩余污泥、浓缩污泥或脱水污泥中的一种或多种,所述预处理包括酶、热水解、臭氧、超声或微波方法中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法,其特征在于,步骤(3)中,所述厌氧消化产甲烷的反应时间为10d‑30d,搅拌速度为60‑120r/min。
7.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法,其特征在于,步骤(3)中,所述的产甲烷相反应器在中温30℃‑40℃或高温50℃‑60℃或过渡温度40℃‑50℃中进行,产物与餐厨垃圾发酵液混合后的总固体含量调节为低含固2%‑10%或高含固15%‑35%。
8.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法,其特征在于,步骤(3)中,所述产甲烷相反应器外源添加铁基、碳基或铁碳复合导电材料。
9.根据权利要求8所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法,其特征在于,铁基材料包括磁铁矿、赤铁矿、针铁矿中的一种或多种,碳基材料包括生物炭、活性炭、石墨、石墨烯、碳布、碳纳米管中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法,其特征在于,步骤(3)中,所述产甲烷相反应器耦合电化学装置,电化学装置提供的电压范围为
0.1V‑3.0V。
说明书 :
一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法
技术领域
背景技术
持续发展必须解决的问题。厌氧消化技术是处理有机废弃物的主流技术,在促进有机废弃
物减量化、稳定化、无害化的同时实现了资源回收,是实现有机废弃物资源化利用与无害化
处理,支撑无废城市建设的重要技术保障。在有机废弃物的厌氧消化过程中,复杂有机物组
分需要经历水解、酸化、乙酸化等一系列生化步骤变成乙酸、乙醇等小分子有机物,再进行
产甲烷过程。污泥结构紧密组分复杂,有机物含量和碳氮比低,在厌氧消化中存在启动缓
慢、水解速率低、有机物降解率低、产甲烷效果差等问题;餐厨垃圾有机物含量高且糖类占
比高,在厌氧消化中容易出现系统酸化、产甲烷受抑制等问题。
(CN201010229805 .5)、专利“城市污泥、粪便和餐厨垃圾合并处理工艺”
(CN201110046401.7)、专利“一种多原料混合近同步发酵协同作用提高产气性能的方法”
(CN201210057486 .3)、专利“污泥、粪便和餐厨垃圾协同厌氧消化工艺”
(CN201910174596.X)均是基于这个思路出发进行技术研发。
餐厨垃圾等有机废弃物领域厌氧消化技术的进一步提高和应用。
(如甲烷鬃毛菌)通过微生物自身的菌毛和细胞色素c,或者外源添加的某些导电材料,进行
微生物种间的直接电子传递,完成有机物的高效分解产甲烷。由于进行种间直接电子传递
需要电活性微生物的参与,而乙醇是目前已知的核心电活性微生物地杆菌的最佳基质,因
此,在有机废弃物厌氧消化中进行乙醇型发酵是构建并强化种间直接电子传递途径的厌氧
甲烷化的有效策略。
装置与工艺”(CN201811113606.0)、专利“一种基于酵母发酵秸秆产乙醇耦合餐厨垃圾共消
化的两相厌氧处理方法”(CNCN201811113580.X)、专利“一种两相式高含固餐厨垃圾及城市
剩余污泥厌氧产甲烷技术”(CN201911092602.3)均是基于这个思路出发进行技术研发。然
而,秸秆由于含有半纤维素和木质素等难降解有机物,发酵产乙醇的效率低,且不管是秸秆
还是餐厨垃圾,产完醇后直接与污泥混合去厌氧消化,仍无法解决污泥结构复杂、降解率低
的实质问题,限制了技术的应用与推广。
发明内容
产甲烷相高效产甲烷的强化污泥厌氧消化的方法。
值调节等,使餐厨垃圾快速高效厌氧发酵产乙醇,分别收集发酵液、发酵残渣;(2)污泥预处
理,将污泥与餐厨垃圾发酵残渣混合后进入预处理反应器;(3)厌氧消化产甲烷,将预处理
后的产物与餐厨垃圾发酵液混合,在产甲烷相反应器进行厌氧消化产甲烷。
氧消化前破碎粒度的要求,方便后续进行预醇化过程。产醇相外加酵母为酿酒酵母,可通过
产醇发酵液循环接种,pH值通过回流发酵液调节至3.5‑6.5。酿酒酵母活化后可促进餐厨垃
圾快速产醇,且发酵液的pH值适宜酵母菌存活,因此周期驯化后无需重复接种。
种。城市污泥产量大,类型多,有低含固率的初沉污泥、二沉污泥、剩余污泥、浓缩污泥,也有
高含固率的脱水污泥,本发明可处理多种来源及含固率的污泥,配合餐厨垃圾发酵残渣将
污泥的含固率、有机物含量、碳氮比调至更适宜的范围,通过多种预处理手段,促进污泥和
发酵残渣的有机质溶出,提升有机物的降解性能,为后续提高有机物降解率、强化产甲烷提
供更适宜的基质。
固(2%‑10%)或高含固(15%‑35%)。产甲烷菌有嗜中温产甲烷菌和嗜热产甲烷菌,中温有
利于产甲烷过程而高温则更促进用于产甲烷的底物的产生,在两个温度中间的过渡温度则
可能同时保留这两类温度的特点而产生更理想的效果。经过预处理后的产物与餐厨垃圾发
酵液混合可调节甲烷相的物料含固率和碳氮比,并为产甲烷过程提供丰富的乙醇等基质,
富集地杆菌等电活性微生物,促进种间直接电子传递的构建与强化,从而提高产甲烷效率。
可大大缩短乙醇预发酵的时间,并且20℃‑30℃的温度适宜酵母菌的生长繁殖和营养代谢,
从而实现餐厨垃圾可持续的高效乙醇预发酵。
厌氧甲烷化过程的有机物降解率和产甲烷效率有明显促进作用。
含量有不同的反应时间,通过合适的搅拌加强传质和反应效果,从而提升污泥和餐厨垃圾
中复杂有机物的降解率以及最后的甲烷产量、甲烷在沼气中比例,提高整个厌氧消化过程
的效率。
米管。导电材料有助于构建和强化种间直接电子传递途径,可以进一步提升本发明强化有
机废弃物厌氧消化的效果。
高甲烷比例。在产甲烷相可以耦合提供微电压的电化学装置,进一步提升本发明的效果。
利用餐厨垃圾预醇化能够快速转化餐厨垃圾至富含乙醇的发酵产物,有助于在产甲烷相富
集更多电活性微生物,通过预处理污泥和餐厨垃圾发酵残渣打破污泥和餐厨难降解有机物
的降解屏障,强化有机质溶出和降解性能,进一步为产甲烷相提供更加适宜的基质和反应
条件。通过这两步的结合使得产甲烷速率和有机质降解率大大提高。与此同时,产甲烷相通
过耦合外源导电材料和/或电化学装置,强化产甲烷过程的种间电子传递,进一步提升了本
发明强化有机废弃物厌氧消化的效果。
资源回收和沼气升级,并通过发酵液回流和酵母循环接种降低了运行成本,具有优良的应
用前景和经济效益。
附图说明
具体实施方式
性能。
(VS/TS=46.2‑68.8%,TS=18.1‑25.5%)。
器,预处理采用热水解(温度160℃,时间30min)方法,经预处理后的产物和发酵液混合调整
pH(6.8‑7.2)后进入产甲烷相反应器。
定厌氧消化前后的TS和VS。
例2相比,系统的最大产甲烷速率由对比例1的20.87mL/(g VSadd·d)和对比例2的23.28mL/
(g VSadd·d)提高到30.26mL/(g VSadd·d),较对比例1和对比例2分别提高了45%和30%,
有机质降解率由对比例1的51.7%和对比例2的49.9%提高到59.5%,较对比例1和对比例2
分别提高了15%和19%。
效率上的优越性能。
器,预处理采用超声(频率24kHz,功率250W,时间15min)方法,经预处理后的产物和发酵液
混合调整pH(6.8‑7.2)后进入产甲烷相反应器。
监测进出料挥发性脂肪酸、TS、VS含量,测定沼气产量和气体组分。
中虽然检测出了电活性细菌,但相对丰度很低,仅为0.03%。相比于对比例3和4,实施例2稳
定运行后的微生物组成和丰度有明显差异,电活性微生物相对丰度可增加至20%以上。在
厌氧消化性能上,实施例2中有机物降解率为62.7%,较对比例4提高11%,平均每日甲烷产
量为113.91mL/g VSadd,较对比例4提高20%以上,并且保持了稳定运行。
气中比例上的优越性能。
62.1%,TS=17.3‑25.2%)。
器,预处理采用酶处理(蛋白酶和糖酶)方法,经预处理后的产物和发酵液混合调整pH(6.8‑
7.2)后进入产甲烷相反应器。
水浴、90r/min搅拌条件下开展连续流实验。实验过程中监测进出料挥发性脂肪酸、TS、VS含
量,测定沼气产量和气体组分。
大。在实施例3与对比例5和6均运行稳定时,实施例3的产甲烷速率为152.15mL/(g VSadd·
d),较对比例5的128.91mL/(g VSadd·d)和对比例6的124.71mL/(g VSadd·d)分别增加约
18%和22%,沼气在甲烷中比例为87.1%,较对比例5的73.2%和对比例6的77.8%分别提
高约19%和12%,并保持了稳定运行。
理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域
技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保
护范围之内。