专利名称：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
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技术领域
本发明属于有机固体废物处理领域，具体的来说涉及一种多原料混合近同步发酵协同作用提高厌氧产气性能的方法背景技术
我国是世界上有机固体废弃物产量最大的国家，其中每年产生7亿多吨的秸秆、 30多亿吨的畜禽粪便，并且每年约有1亿多吨的果蔬废物被丢弃，而仅北京的餐厨垃圾的日产量就达到了 1700t。单一以秸秆为发酵原料，秸秆碳氮比高、纤维素含量高、营养元素缺乏，不能满足正常发厌氧发酵的要求，原料厌氧发酵时启动时间行、消化周期长、降解率低； 粪便原料量少分布相对分散，不能完全满足大规模的沼气生产。单一以污泥、餐厨、果蔬为发酵原料，这些原料中含有多种易降解成分，发酵速度快，系统中碳氮等营养元素不均衡， 容易导致酸化，致使厌氧消化体系中VFA积累，pH降低，抑制产甲烷菌生理活性，从而导致产气性能降低，甚至厌氧消化失败。如何把发酵周期不同步的原料混合厌氧发酵，来克服单一发酵时的弊端，使混合厌氧消化充分改善微生物生存所需的营养元素，使各种原料的产气优势同步或者近同步，各种原料互相弥补各自缺点，产生优势互补，使其优势最大化，共同提高沼气产量势在必行。发明内容
本发明目的在于能够提供一种多原料近同步发酵协同作用提高厌氧产气性能的方法，本发明提出的原料近同步发酵可以促进协同作用产生，该方法可以解决单一原料厌氧消化存在的问题，从而为工程实践和提高产气量提供数据依据。
本发明包括两方面，一方面是如何使混合原料达到同步或近同步发酵，二是如何使混合原料在近同步发酵过程中产生协同作用。
1.产生同步或近同步发酵的方法
1)使发酵周期长的原料发酵周期缩短
将发酵周期长的有机固体废物(秸秆等)经物理(物理破碎、高温)、化学(酸预处理(稀硫酸等)、碱预处理(氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)和尿素(CO(NH2)3)等))或生物预处理(堆怄、白腐真菌等)与发酵周期短并且易发酵的物料 (生活垃圾(餐厨、果蔬等)、粪便等)混合厌氧发酵，发酵前期沼气主要是易发酵的物料降解产生的，中后期的沼气是两者共同作用产生的，平均日产气量可以连续维持在一个水平， 使其与厌氧发酵周期短的物料产气周期达到近同步，从而实现物料的近同步发酵。
2)用两相厌氧消化的方法来控制发酵周期短易酸化物料的酸化时间，使其酸化类型为有益于厌氧发酵的类型(如乙酸型发酵)将果蔬、餐厨等易发酵酸化时间短的物料粉粹后先进入酸化相反应器，经过3 10天后，大分子的蛋白质、脂肪等成分已经转化成可以被甲烷菌直接利用的乙醇和以乙酸为主的挥发性有机酸，此时将酸化相的出料加入甲烷相反应器中进行的厌氧消化，可以产生很好的效果。
3)发酵周期适中的物料进行预处理
对于发酵周期适中的物料，可以加入其发酵所需的微量元素，从而实现与发酵周期长或者发酵周期短混合厌氧消化中实现近同步厌氧消化。
2.混合原料在近同步发酵过程中产生协同作用的方法
所谓协同作用是指原料混合后的各项指标尽量符合厌氧消化条件的最佳指标，使混合物料中的每种原料的产气能力尽可能达到最大化，或其中一种或多种原料的降解可促进另一种或几种原料的产气性能。
1)易酸化物料与碱度高的物料混合
a)秸秆等物料经过预处理后在高负荷条件下厌氧消化时，常常会由于易酸化而导致发酵失败。而加入牛粪等碱度高的物料混合厌氧发酵会很好的避免酸化的发生，使厌氧消化正常进行。
b)将果蔬、餐厨等易酸化的物料与市政污泥这种碱度高的物料混合厌氧发酵，市政污染中元素丰富，可以很好的调节厌氧消化中所需的营养元素。当果蔬、餐厨以9 2 (TS 比)混合，并且所加污泥量为15000mg/L时，产气性能最优，此时反应体系中并没有出现 VFA (挥发性有机酸)积累，反应启动快，产气稳定。
2)富氮原料与富碳原料混合厌氧消化
将预处理后的富碳原料(玉米秸、麦秸和稻草等)与富氮原料(人粪、鸡粪、猪粪和牛粪等)混合厌氧消化可以很好的调节消化中所需的营养元素，充分发挥各种物料的协同作用从而使产气时间、速率均衡，混合厌氧发酵使微生物生存所需的营养元素均衡，两者的协同作用是其产气量提高的重要因素，混合厌氧消化大大缩短了反应时间，消化液的碱度处于厌氧消化的最佳范围。
本发明提供了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，其特征在于
将有机固体废物进行物理破碎，餐厨和果蔬粉碎成流体态渣状，秸秆粉碎成1 5cm后进行经过质量浓度为2 %的NaOH溶液预处理3天后，秸秆预处理后与粪便按干物质 TS质量比为0.4 1 6 1的比例充分混合，干物质指新鲜原料减去水分后的物质，以下比例如无说明均为干物质TS质量比；
混合后的物料放入厌氧消化反应器中，加入接种污泥，所用的接种污泥是运行稳定的污水处理厂或沼气站的消化污泥，其pH值为7. 0 8. 2，TS为3 % 13 %，氨氮值为100 800mg/L，充分搅拌使物料均一，接种污泥的添加量为10000 20000mg/L，质量以TS计，体积为反应器工作体积；加水定容使反应器中物质的浓度为20g SOgTS · L—1， 封闭厌氧消化反应器，反应器出气口通过输气管与计量沼气的装置相连，反应温度控制在 35士2°C，厌氧消化过程中提供搅拌，12小时内即可产生沼气。
或者将果蔬、餐厨和接种污泥混合厌氧发酵，果蔬和接种污泥经过离心倒掉上清液后与餐厨以14 5 11 1的比例在厌氧消化反应器中充分混合进行厌氧发酵，所加污泥量为10000 20000mg/L，加水定容反应器中物质的浓度为使20gTS .L—1 60gTS -L"1,， 封闭厌氧消化反应器，反应器出气口通过输气管与计量沼气的装置相连，反应温度控制在 35士2°C，厌氧消化过程中提供搅拌，12小时内即可产生沼气。
进一步，将经过NaOH预处理后的玉米秸与鸡粪以1 1 2 1的比例混合厌氧发酵，NaOH预处理后的麦秸与牛粪以1 1 6 1混合；预处理后的麦秸与人粪以2. 75 0.4 1比例混合。
进一步，其特征在于餐厨、果蔬以9 2比混合，所述比例为干物质TS质量比。
进一步，其特征在于接种污泥的添加量为15000mg/L，质量以TS计。
进一步，NaOH预处理后的玉米秸与鸡粪以1 2的比例混合厌氧发酵，预处理后的麦秸与人粪以0.4 1比例混合。
(1)每天计量产气量以及气体成份，当CH4含量达到50%以上时，认为进入甲烷化阶段并且反应器成功启动。经过50 60天厌氧消化，产气量明显下降，当日容积产气量低于反应器体积的5% 10%时，认为厌氧消化产气结束。
(2)通过采用步骤(1)的方法将经过2% (质量浓度)NaOH预处理后的玉米秸与鸡粪以1 1 2 1的比例混合厌氧发酵，反应体系中的C :N达到18 M之间，推荐比例为1 2时系统的消化性能和稳定性能均为最优，其碱度值在3360 8400mg NaOH预处理后的麦秸与牛粪以1 1 6 1混合，厌氧体系的氨氮值为210mg · L—1 336mg .L—1，在有益范围之内，碱度值为2230mg -L"1 5320mg .L—1，有很好的系统缓冲能力； 预处理后的麦秸与人粪以2. 75 0.4 1比例混合，推荐比例为0.4 1时其产气性能达到最优。单一秸秆和单一粪便厌氧发酵的水力停留时间(HRT)分别为50天和20天，而混合厌氧消化的水力停留时间可以缩短至15 30天。消化液的碱度可以达到3300mg ·厂1 7800mg · L—1，系统有很强的稳定性。
(3)将易酸化的物料(果蔬、餐厨)和碱度高的市政污泥混合厌氧发酵，采用与步骤(1)相同的实验方法，果蔬和市政污泥经过离心倒掉上清液后与餐厨以14 5 11 1 的比例充分混合进行厌氧发酵，果蔬和市政污泥经过离心体积大大减少，推荐的比例和污泥量为餐厨、果蔬以9 2(TS比)混合，所加污泥量为15000mg/L，此时产气性能最优，此时反应体系中并没有出现VFA(挥发性有机酸)积累，反应启动快，产气稳定。
本发明的有益效果
1.工艺简单，可操作性强
2.该方法将有机废物(秸秆、生活垃圾、粪便等)进行预处理，使发酵周期长的物料(如秸秆等)发酵周期缩短，使其接近于混合物料的平均发酵周期，使易消化的物料(如餐厨垃圾、粪便等)的发酵周期适当延长，预处理后的物料混合接种厌氧消化产沼气，使得厌氧消化周期长的物料与周期短的物料产气周期达到近同步，从而实现物料的近同步发酵。不但同时处理了两种及以上的有机固体废物，而且提高了各种物料混合厌氧消化中生物质的生物转化率。预处理玉米秸和鸡粪不同比例混合厌氧消化的产气性能明显好于单一原料的产气性能，其中预处理玉米秸与鸡粪干物质比例为1 2的累积产气量最高比同一负荷下单一玉米秸的同期累积产气量分别高出162. 21%,86. 75%,28. 86% ；预处理麦秸和牛粪不同比例混合厌氧消化时，其混合物料厌氧消化的累积产气量在6 1的时候达到最大值，其中eSgTS·!/1下的单位VS产气量可以达到335. Seml^gVS—1，为所有比例和负荷中的最大值；预处理麦秸和人粪不同比例混合厌氧消化时，当混合比例为0.4 1的累积产气量达到混合比例中的最高值，此时的C/N比为25 1为厌氧消化的最佳值，其单位VS产气量可以达到M0-330mL vVS—1 ；餐厨垃圾、果蔬垃圾与污泥不同比例混合厌氧消化时干物质比例为9 2的累积产气量最高，其单位TS甲烷产量可以达到MOmL -gTS"1 600mL -gTS"1.
3.将有机废物预处理后混合厌氧消化充分改善了微生物生存所需的营养元素，多种物料的协同作用是其产气量提高的重要因素，不同物料混合厌氧发酵时其协同作用的贡献率平均可以达到13. 21% 45%。混合厌氧消化大大缩短了反应时间，其水力停留时间可以缩短至15 30天。并且不用再加入尿素等化学试剂来调节反应物料的C :N，减少投资。
图1 (a)为实施例1中的日产气量图
图1 (b)为实施例1中的累积产气量图
图2(a)为实施例2中的日产气量图
图2 (b)为实施例2中的单位TS产气量图
图3为实施例3中的单位VS产气量图
图4为实施例4的单位TS甲烷总产量图具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步的阐述
实施例1
预处理玉米秸和鸡粪不同比例混合厌氧消化产气性能
1)玉米秸秆经秸秆粉碎机粉碎至1 5cm，与2 % (质量浓度)NaOH溶液(NaOH的添加量为玉米秸秆干重的2% )混合进行预处理，处理时间为3天；
2)将步骤1所述粉碎并预处理的玉米秸秆与去除杂质后的鸡粪按干物质质量比 (干物质指新鲜原料减去水分后的物质)1 OU 1、1 2、2 1、0 1的比例(其中 10和01分别为为纯玉米秸和纯鸡粪)充分混合；
3)将步骤2所得的混合物质放入2L的锥形瓶厌氧消化反应器中，加入接种污泥(该污泥取自北京市顺义郊区南坞沼气站)，充分混合，接种污泥的添加量为10000 20000mg/L(质量以TS计，体积为反应器工作体积)，加水定容到1. 5L ；
4)经过步骤3后反应器中物质的浓度分别为50gTS · r\65gTS · r\80gTS · Λ 此时共3个负荷，每个负荷5种比例。用橡胶塞封闭锥形瓶厌氧消化反应器，反应器出气口通过输气管与排水记气的装置相连，反应温度通过空气浴控制在(35 士幻°C，厌氧消化过程中通过控温摇床提供充分的搅拌，12小时内即可产生沼气。
经过50 60天厌氧消化，产气量明显下降，当日容积产气量低于反应器体积的 5% 10%时，认为厌氧消化产气结束。
其中厌氧消化所用的接种污泥是运行稳定的沼气站的消化污泥，其pH值为7. 2 8. 2，TS为5% 13%，氨氮值为200 600mg/L，其性质随季节和原料的不同会有所变化， 但是作为厌氧消化的污泥均可以达到相同的产气效果。
每天计量储气瓶中的沼气产量，各混合比例在SOgTS·!/1的日产气量如图1(a)所示，从图中可以明显的看出，混合物料在反应期的前中后均有沼气产生，没有出现不产气和产气量严重下降的时期，并且产气周期比纯玉米秸秆短10天左右。各混合比例的累积产气量如图1(b)所示，可以看出预处理玉米秸与鸡粪干物质比例为1 2的累积产气量最高，其中50gTS · Γ1下的单位干物质产气量可以达到610mL · gVS—1，为所有比例和负荷中的最大值，并且混合比例为1 2的混合原料的T9tl分别为22天、26天、31天，比相同负荷下单一玉米秸T9tl分别提前了 20天、12天、7天，比同一负荷下单一玉米秸的同期累积产气量分别高出162. 21%,86. 75%,28. 86%，可以看出50gTS ·厂1的T9tl最短，在同一负荷下混合比例为1 2的T9tl最短并且累积产气量为该负荷中的最大值。再以SOgTS·!/1为例分析玉米秸和鸡粪混合厌氧消化中这两种物料的协同作用(见下表)说明玉米秸和鸡粪含量相同时，混合厌氧消化的产气性能更好，这主要是由于两种物料的协同作用，其协同作用的贡献率可以达到14. 38% 19. 21%。鸡粪与玉米秸混合可以很好的调节消化体系中的营养元素，提高系统的缓冲能力。
表1玉米秸和鸡粪混合厌氧消化的协同作用(50gTS · Γ1)
权利要求
1.一种多原料混合近同步发酵协同作用提高产气性能的方法，其特征在于将有机固体废物进行物理破碎，餐厨和果蔬粉碎成流体态渣状，秸秆粉碎成1 5cm后进行经过质量浓度为2%的NaOH溶液预处理3天后，秸秆预处理后与粪便按干物质TS质量比为0.4 1 6 1的比例充分混合，干物质指新鲜原料减去水分后的物质，以下比例如无说明均为干物质TS质量比；混合后的物料放入厌氧消化反应器中，加入接种污泥，所用的接种污泥是运行稳定的污水处理厂或沼气站的消化污泥，其PH值为7. 0 8. 2，TS为3% 13%，氨氮值为100 800mg/L，充分搅拌使物料均一，接种污泥的添加量为10000 20000mg/L，质量以TS计，体积为反应器工作体积；加水定容使反应器中物质的浓度为20g SOgTS化-1，封闭厌氧消化反应器，反应器出气口通过输气管与计量沼气的装置相连，反应温度控制在35士2°C，厌氧消化过程中提供搅拌，12小时内即可产生沼气。或者将果蔬、餐厨和接种污泥混合厌氧发酵，果蔬和接种污泥经过离心倒掉上清液后与餐厨以14 5 11 1的比例在厌氧消化反应器中充分混合进行厌氧发酵，所加污泥量为10000 20000mg/L,加水定容反应器中物质的浓度为使20gTS · L-1 60gTS · L-1，， 封闭厌氧消化反应器，反应器出气口通过输气管与计量沼气的装置相连，反应温度控制在 35士2°C，厌氧消化过程中提供搅拌，12小时内即可产生沼气。
2.根据权利要求1所述的多原料混合近同步发酵协同作用提高产气性能的方法，其特征在于将经过NaOH预处理后的玉米秸与鸡粪以1 1 2 1的比例混合厌氧发酵，NaOH 预处理后的麦秸与牛粪以1 1 6 1混合；预处理后的麦秸与人粪以2. 75 0.4 1 比例混合。
3.根据权利要求1所述的多原料混合近同步发酵协同作用提高产气性能的方法，其特征在于餐厨、果蔬以9 2比混合，所述比例为干物质TS质量比。
4.根据权利要求1所述的多原料混合近同步发酵协同作用提高产气性能的方法，其特征在于接种污泥的添加量为15000mg/L，质量以TS计。
5.根据权利要求1所述的多原料混合近同步发酵协同作用提高产气性能的方法，其特征在于=NaOH预处理后的玉米秸与鸡粪以1 2的比例混合厌氧发酵，预处理后的麦秸与人粪以0.4 1比例混合。
全文摘要
本发明属于有机固体废物处理领域，公开了一种多原料近同步发酵协同作用提高厌氧产气性能的方法。该方法将有机废物(秸秆、生活垃圾、粪便等)通过各种方法使其实现多种原料近同步发酵，如进行预处理，使发酵周期长的物料(如秸秆等)发酵周期缩短，使其接近于混合物料的平均发酵周期，使易消化的物料(如餐厨垃圾、粪便等)的发酵周期适当延长，预处理后的物料混合接种厌氧消化产沼气，使得厌氧消化周期长的物料与周期短的物料产气周期达到近同步，从而实现物料的近同步发酵。该方法工艺简单，可操作性强，不但同时处理了两种及以上的多种有机固体废物，而且单位VS(可挥发性固体)物质的累积产气量平均可以提高15％～60％。
文档编号C02F11/04GK102559773SQ20121005748
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者任鹏, 冯亚君, 刘茹飞, 朱保宁, 李秀金, 袁海荣, 邹德勋, 高健 申请人:北京化工大学