專利名稱：提高城市有機垃圾混合厭氧消化定向水解酸化效果的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物質(zhì)固體廢物處理領(lǐng)域，尤其涉及一種提高混合原料定向厭氧水解酸化效果的方法。
背景技術(shù)：
城市有機垃圾是指人類生產(chǎn)生活過程中產(chǎn)生的源自生物質(zhì)的含水率高的固體廢物。具體如餐廚垃圾是指居民日常生活以外餐飲服務(wù)，單位供食等活動中產(chǎn)生的剩菜垃圾，俗稱泔水；果蔬垃圾是指食品加工過程中剔除的果皮蔬菜剩余物以及水果蔬菜包裝、運輸和銷售過程中產(chǎn)生的生物質(zhì)廢物。北京市人均日產(chǎn)生垃圾0.82公斤，全市日產(chǎn)垃圾1.15萬噸，餐廚和果蔬垃圾約1050噸和1000噸。在我國，垃圾處理的辦法主要有焚燒、填埋和堆肥。餐廚果蔬垃圾含水率高，不宜焚燒處理，填埋產(chǎn)生大量滲濾液難處理，堆肥將大量耗能在曝氣，也難獲得高質(zhì)的堆肥。餐廚垃圾具有易腐爛，高含水，營養(yǎng)物質(zhì)豐富的特點，還含有大量微量元素，適合培養(yǎng)厭氧細菌；果蔬垃圾揮發(fā)性固體含量高，易生物降解，糖類半纖維素含量高。單一餐廚和果蔬垃圾的處理需要分別投資建設(shè)厭氧消化設(shè)備和場地，耗資占地，系統(tǒng)緩沖能力低，運行負荷低，產(chǎn)氣性能難提升?？蓪煞N垃圾按一定比例混合，提高原料各組分的平衡性，采用厭氧消化技術(shù)，改善系統(tǒng)緩沖能力和產(chǎn)氣性能。但由于餐廚果蔬等生物質(zhì)垃易腐敗而酸化，厭氧消化效率不高，從而采用兩相厭氧消化技術(shù)。而兩相厭氧消化中酸化階段是限速步驟，其酸化效率和酸化類型直接影響甲烷化效果，進而影響甲烷產(chǎn)率，而乙醇和乙酸通過厭氧發(fā)酵較快轉(zhuǎn)化成甲烷，控制定向產(chǎn)乙醇和乙酸是酸化的關(guān)鍵。目前研究酸化的主要集中在單獨生物質(zhì)原料，不加入接種泥自然酸化方面，酸化產(chǎn)物不定向，因此本發(fā)明提出的多原料混合方法可促進營養(yǎng)元素的均衡、控制酸化條件、利用協(xié)同作用改善酸化效果，該方法可以提高城市有機垃圾混合生物質(zhì)原料在兩相厭氧酸化階段的水解酸化效果，解決兩相厭氧消化中酸化率低，酸化不定向的問題，通過控制條件使酸化產(chǎn)物得以控制，定向生產(chǎn)乙醇和乙酸，從而為工程實踐和提高后續(xù)甲烷化產(chǎn)氣性能提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明目的在于提供一種提高厭氧酸化階段定向水解酸化效果的方法，使進入甲烷相的有機酸濃度最大化，酸成分中乙醇和乙酸含量提高，利于甲烷化進程，從而顯著提高沼氣的產(chǎn)率。一種提高城市有機垃圾混合厭氧消化定向水解酸化效果的方法，其特征在于:將不同性質(zhì)的兩種生物質(zhì)原料按原料的可揮發(fā)性固體質(zhì)量VS比1:10 1:3混合均勻，再在有機負荷30 60g TS/L下即25.8 51.6g VS/L進行厭氧消化水解酸化處理，厭氧消化水解酸化處理中微生物接種采用厭氧消化污泥，接種量按F/M即原料VS/污泥VS為2-5 ;系統(tǒng)啟動的初始pH范圍4.60 6.20 ;反應(yīng)溫度控制在35 55°C，厭氧消化過程中保持體系的混合均勻，厭氧消化水解酸化處理時間為6-9天，實現(xiàn)控制酸成分定向轉(zhuǎn)化為乙醇和乙酸。進一步，城市有機生物質(zhì)原料為于城市生活垃圾中的生物質(zhì)成分、餐廚垃圾、果蔬垃圾、種植業(yè)生物質(zhì)廢物或養(yǎng)殖業(yè)生物質(zhì)廢物。進一步，厭氧消化污泥先進行沉降7-14日，而后去除上清液。進一步，兩種生物質(zhì)原料的預(yù)處理方法為:將取來的新鮮生物質(zhì)原料進行分揀，分揀出金屬類，人工合成高分子有機物、硬度較大的大塊骨質(zhì)，去除殘余在表面的沙礫粘土；分揀后的生物質(zhì)原料進行充分破碎而后進行粉碎，粉碎后原料攪拌均勻呈半流體狀。本發(fā)明提供了一種通過改變進料負荷和溫度的方法來提高厭氧酸化階段定向水解酸化的效果，其步驟:I)原料準備。本發(fā)明所用酸化原料為城市有機高含水率生物質(zhì)原料(含水率75-94%)，包括但不限于城市生活垃圾中的生物質(zhì)成分、餐廚垃圾、果蔬垃圾、種植業(yè)生物質(zhì)廢物、養(yǎng)殖業(yè)生物質(zhì)廢物等。各種生物質(zhì)的元素成分和微觀結(jié)構(gòu)均有其獨特性，富含可供厭氧菌生存代謝的營養(yǎng)物質(zhì)，微量元素以及具有活性的酶。厭氧酸化接種物包含大量厭氧菌群，如污水處理廠厭氧消化污泥，沼氣站的消化污泥等，取用的接種活性污泥需沉降一周至兩周以富集活性菌群，所用的富集活性厭氧菌的接種物長時間待用需在4°c冰箱下保持細菌活性，短時間即用的接種物可在室溫厭氧保存，或液封保存。選用富含厭氧菌的消化活性污泥作為接種物，pH值為7.12 8.23，氨氮值為200 500mg/L，沉降后去除上清液的固體含量TS為4% 8%，可采取在3000_5000r/min的離心條件下離心5分鐘取得濃縮厭氧消化接種物，固體含量TS達到9%_13%即可，接種物無需培養(yǎng)馴化即可直接投入接種使用，其實驗的酸化效果良好。

2)原料預(yù)處理方法。將取來的新鮮生物質(zhì)原料進行分揀，分揀出金屬類，人工合成高分子有機物、硬度較大的大塊骨質(zhì)，去除殘余在果皮蔬菜表面的沙礫粘土。分揀后的生物質(zhì)原料進行充分破碎而后進行粉碎，粉碎后原料攪拌均勻呈半流體狀，在4°C冰箱內(nèi)冷藏保鮮，5天內(nèi)使用，否則棄用。3)參數(shù)限定。將已經(jīng)處理好的生物質(zhì)原料按VS含量比為1:10 1:3混合后放入?yún)捬跸磻?yīng)器中，運行負荷分別從25.Sg VS/L 51.6g VS/L進料，而后加入預(yù)處理后的接種物，按照VS計的F/M=2-5進行接種，系統(tǒng)啟動的初始pH范圍4.60 6.20，厭氧消化有效工作體積500mL，反應(yīng)溫度控制在35 55±2°C，厭氧消化過程提供120r/min的搖床回旋震蕩5min/h,每24小時取樣測定,酸化天數(shù)10天。4)厭氧酸化步驟。生物質(zhì)原料與接種物加入?yún)捬跸磻?yīng)器中，加自來水定容定容過程中充分攪拌混合使物料均一，定容體積為反應(yīng)器有效工作體積計，10組平行實驗組；封閉厭氧消化反應(yīng)器，反應(yīng)器出氣口通過輸氣管與計量沼氣的裝置相連，控制反應(yīng)溫度并保持恒溫，厭氧消化過程中提供搖床回旋震蕩并控制頻率和轉(zhuǎn)速，每24小時取樣測定消化液的pH、系統(tǒng)產(chǎn)氣量、系統(tǒng)產(chǎn)氣氣體成分、消化液VFA、消化液SC0D，所有數(shù)據(jù)用于表征酸化時間、酸化溫度、VFA濃度、酸化效果、單位VS產(chǎn)酸率。5)顯著結(jié)果。本發(fā)明的工藝簡單，可操作性強；該方法將不同種類的生物質(zhì)廢物(餐廚垃圾、果蔬垃圾、消化污泥)按照一定比例混合，使兩種易腐敗物料的厭氧酸化的營養(yǎng)元素更加全面。這樣不但同時處理了兩種有機固體廢物，而且提高了各種物料混合后厭氧消化中生物質(zhì)的乙醇乙酸的轉(zhuǎn)化程度，并且可為工程設(shè)計減少重復(fù)設(shè)施的投資。在45°C、51.6g VS/L的條件下乙醇和乙酸型發(fā)酵都受到促進，乙醇含量在第9天達到含量高峰最高乙醇含量為10933mg/L，比相同負荷的高出36% 143%，比相同溫度的高出52% 234% ;乙酸從I到9天呈現(xiàn)直線增長趨勢，最高含量達到8115mg/L比相同負荷的高出128% 242%，比相同溫度的高出118% 446% ;厭氧水解酸化處理時間在10天內(nèi)。此條件下有機酸的產(chǎn)生峰值出現(xiàn)在6-9天。在45°C、51.6g VS/L的條件下VFA總量比相同負荷的高出72% 100%，比相同溫度的高出72% 216% ；在45°C、51.6g VS/L的條件下SCOD含量較高，水解效果好，但與相同負荷相比要稍低，少20% 30%，比相同溫度的高出15% 50% ;因此能維持較高酸化率；乙醇從VFA總量的84%下降到56%，而乙酸所占比例則相應(yīng)提高，達到42%，發(fā)酵類型典型由乙醇型逐漸轉(zhuǎn)為乙酸型發(fā)酵?；旌衔锪系目蓳]發(fā)性有機酸VFA總量最高可大于19176.99mg. Λ以酸化率參數(shù)VFA/SC0D作為評價，產(chǎn)酸條件好的實驗組酸化率可大于30%，單位VS產(chǎn)酸率大于37.1%。乙醇和乙酸含量可占總VFA含量98%以上，乙醇可占57%，乙酸可占41%，丙酸含量低于1%，由乙醇型發(fā)酵逐漸轉(zhuǎn)為乙酸型發(fā)酵，并且乙醇發(fā)酵未被抑制。本發(fā)明得到的結(jié)果同其他文獻結(jié)果的區(qū)別在于:I)與趙杰紅等人研究的溫度對廚余垃圾兩相厭氧消化中水解和酸化過程的影響，研究方法不同，文獻實驗大部分采用自然酸化，沒有接種污泥，原料單一僅是廚余垃圾并且實驗其結(jié)果VFA中乙酸比例不超過56.4%，沒有定向酸化，沒有呈現(xiàn)時間與酸成分變化的關(guān)系。本實驗研究采用了污水處理廠的污泥，原料采用廚余和果蔬垃圾混合，營養(yǎng)均衡，從而培養(yǎng)了酸化菌，呈現(xiàn)乙醇和乙酸的含量隨時間變化的趨勢，定向酸化后VFA成分中乙醇和乙酸總含量可超過90%，最聞到達98%。2)與蔡偉民等人研究對 比，其餐廚酸化中最佳單位VS產(chǎn)酸率29.7%，本研究的單位VS產(chǎn)酸率高于36.9%，高于文獻研究最佳結(jié)果的24%。3)與劉振玲等研究的食品廢棄物產(chǎn)乙酸的單位VS產(chǎn)乙醇和乙酸總產(chǎn)率的29.19%，本研究的單位VS產(chǎn)乙醇和乙酸總產(chǎn)率達到36.9%，高于文獻研究最佳效果26%，且其他酸成分不超過2%。


圖1a為實施例1中的35°C原料負荷30g TS/L即為25.8g VS/L單位VS產(chǎn)酸率圖；圖1b為實施例1中的35°C下各負荷SCOD含量圖。圖2a為實施例2中的45°C原料負荷60g TS/L即為51.6g VS/L單位VS產(chǎn)酸率圖；圖2b為實施例2中的45°C下各負荷SCOD含量圖；圖3a為實施例3中的55°C原料負荷50g TS/L即為43g VS/L單位VS產(chǎn)酸率圖；圖3b為實施例3中的55°C下各負荷SCOD含量圖。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明進行進一步的闡述在以下所有實驗中，厭氧酸化發(fā)酵反應(yīng)器的總體積為1L，有效工作體積為500mL。
I)原料準備。本發(fā)明所用酸化原料為城市有機高含水率生物質(zhì)原料(含水率75-94%)，包括但不限于城市生活垃圾中的生物質(zhì)成分、餐廚垃圾、果蔬垃圾、種植業(yè)生物質(zhì)廢物、養(yǎng)殖業(yè)生物質(zhì)廢物等。各種生物質(zhì)的元素成分和微觀結(jié)構(gòu)均有其獨特性，富含可供厭氧菌生存代謝的營養(yǎng)物質(zhì)，微量元素以及具有活性的酶。餐廚垃圾的含水率一般在75-85%，果蔬垃圾的含水率在85-94%，實驗選用餐廚垃圾的TS為16.80-22.40%，VS為 14.68-20.35%,果蔬垃圾的 TS 為 9.62-13.32%, VS 為 7.22-10.73%,初始 pH 值范圍為4.60-6.20。厭氧酸化接種物包含大量厭氧菌群，取用的接種活性污泥需沉降7日到14日以富集活性菌群，所用的富集活性厭氧菌的接種物長時間待用需在4°C冰箱下保持細菌活性，短時間即用的接種物可在室溫厭氧保存，或液封保存。選用富含厭氧菌的消化活性污泥作為接種物，PH值為7.12 8.23，氨氮值為200 500mg/L，沉降后去除上清液的固體含量TS為4% 8%，采取在3000-5000r/min的離心條件下離心5分鐘取得濃縮厭氧消化接種物，固體含量TS達到9%-13%，接種物無需培養(yǎng)馴化直接投入接種使用。實施例中所用的接種泥接種量均按VS計算的F/M=4:1接種。2)原料預(yù)處理方法。將取來的新鮮生物質(zhì)原料進行分揀，分揀出金屬類，人工合成高分子有機物、硬度較大的大塊骨質(zhì)，去除殘余在果皮蔬菜表面的沙礫粘土。分揀后的生物質(zhì)原料進行充分破碎而后進行粉碎，粉碎后原料攪拌均勻呈半流體狀，在4°C冰箱內(nèi)冷藏保鮮，5天內(nèi)使用，否則棄用。3)參數(shù)限定。將已經(jīng)處理好的生物質(zhì)原料按VS含量比為1:10 1:3混合后放入?yún)捬跸磻?yīng)器中，運行負荷分別從25.Sg VS/L 51.6g VS/L進料，而后加入預(yù)處理后的接種物，按照VS計的F/M=2-5進行接種，系統(tǒng)啟動的初始pH范圍4.60 6.20，厭氧消化有效工作體積500mL，反應(yīng)溫度控制在35 55±2°C，厭氧消化過程提供120r/min的搖床回旋震蕩5min/h,每24小時取樣測定,酸化天數(shù)10天。4)厭氧酸化步驟。生物質(zhì)原料與接種物加入?yún)捬跸磻?yīng)器中，加自來水定容定容過程中充分攪拌混合使物料均一，定容體積為反應(yīng)器有效工作體積計，10組平行實驗組；封閉厭氧消化反應(yīng)器，反應(yīng)器出氣口通過輸氣管與計量沼氣的裝置相連，控制反應(yīng)溫度并保持恒溫，厭氧消化過程中提供搖床回旋震蕩并控制頻率和轉(zhuǎn)速，每24小時取樣測定消化液的pH、系統(tǒng)產(chǎn)氣量、系統(tǒng)產(chǎn)氣氣體成分、消化液VFA、消化液SC0D，所有數(shù)據(jù)用于表征酸化時間、酸化溫度、VFA濃度、酸化效果、單位VS產(chǎn)酸率。實施例1:將粉碎完的餐廚和果蔬，按照VS比3:1混合均勻，餐廚垃圾的TS為22.40%, VS為20.07%,果蔬垃圾的TS為13.32%，VS為9.95%，負荷設(shè)定30g TS/L即上料負荷為25.8gVS/L、然后將已經(jīng)沉降7日的厭氧消化污泥去除上清液，pH值為8.23，氨氮值為496mg/L，沉降后去除上清液的固體含量TS為7.86%，在4000r/min的離心條件下離心5分鐘取得的濃縮厭氧消化污泥，固體含量TS達到12.46%，VS達到6.14%，用VS計F/M=4:1的接種量進行接種，初始pH值為6.20。

上述實驗做10個平行，均用自來水將厭氧消化反應(yīng)器有效工作容積定容到500mL,封閉進料口，反應(yīng)器開口處連接一個氣體計量裝置，將厭氧消化反應(yīng)器放入設(shè)定35°C的恒溫搖床中，搖床設(shè)定120r/min，回旋震蕩時間是5min/h，檢測10天的10組平行樣品中的VFA、SCOD、pH值、氣體成分，產(chǎn)氣量。實驗結(jié)果如下表I所示:表I
權(quán)利要求
1.一種提高城市有機垃圾混合厭氧消化定向水解酸化效果的方法，其特征在于:將不同性質(zhì)的兩種生物質(zhì)原料按原料的可揮發(fā)性固體質(zhì)量VS比1:10 1:3混合均勻，再在有機負荷30 60g TS/L下即25.8 51.6g VS/L進行厭氧消化水解酸化處理，厭氧消化水解酸化處理中微生物接種采用厭氧消化污泥，接種量按F/M即原料VS/污泥VS為2-5 ;系統(tǒng)啟動的初始pH范圍4.60 6.20 ;反應(yīng)溫度控制在35 55°C，厭氧消化過程中保持體系的混合均勻，厭氧消化水解酸化處理時間為6-9天，實現(xiàn)控制酸成分定向轉(zhuǎn)化為乙醇和乙酸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高城市有機垃圾混合厭氧消化定向水解酸化效果的方法，其特征在于:城市有機生物質(zhì)原料為于城市生活垃圾中的生物質(zhì)成分、餐廚垃圾、果蔬垃圾、種植業(yè)生物質(zhì)廢物或養(yǎng)殖業(yè)生物質(zhì)廢物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高城市有機垃圾混合厭氧消化定向水解酸化效果的方法，其特征在于厭氧消化污泥先進行沉降7-14日，而后去除上清液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高城市有機垃圾混合厭氧消化定向水解酸化效果的方法，其特征在于兩種生物質(zhì)原料的預(yù)處理方法為:將取來的新鮮生物質(zhì)原料進行分揀，分揀出金屬類，人工合成高分子有機物、硬度較大的大塊骨質(zhì)，去除殘余在表面的沙礫粘土 ；分揀后的生物質(zhì)原料進行充分破碎而后進行粉碎，粉碎后原料攪拌均勻呈半流體狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能提高城市有機垃圾混合厭氧消化定向水解酸化效果的方法，該方法將不同的城市有機生物質(zhì)原料按一定比例混合，并使用厭氧污泥按一定比例進行接種，在進料有機負荷30～60TS/L即25.8～51.6g VS/L、溫度35～55℃下進行厭氧消化酸化水解處理，控制pH值在4.60～6.20范圍，產(chǎn)物中有機酸的含量明顯高于對照組的結(jié)果，酸成分定向控制，主要為乙醇和乙酸。該方法工藝簡單，可操作性強，通過厭氧酸化技術(shù)同時處理多種生物質(zhì)廢物，不同原料間的適當配比有助于體系中的元素平衡，使得總有機酸產(chǎn)量比未定向酸化的高72～216%，乙醇和乙酸占總酸的98%，可為有機酸生產(chǎn)，有機酸定向控制或兩相厭氧消化的后續(xù)甲烷化處理提供優(yōu)質(zhì)原料。
文檔編號C12P5/02GK103074382SQ20131003059
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月27日
發(fā)明者李秀金, 江志堅, 朱保寧, 袁海榮, 鄒德勛 申請人:北京化工大學(xué)