一种用于有机垃圾厌氧干发酵的填料衬垫及其制备方法和应用与流程

本发明涉及有机垃圾处理和资源化技术领域，具体地说是一种用于有机垃圾厌氧干发酵的填料衬垫及其制备方法和应用。

背景技术：

生活垃圾分类收集是我国可持续社会发展的必经阶段。厌氧发酵技术为分类收集后的有机垃圾(包括厨余和果蔬废物)“资源化”处理提供了可行的技术路径。在各种厌氧发酵模式当中，厌氧干发酵由于其容积产气率大、沼液产生量少、能耗低、运行稳定等优点，逐步成为国内外研究和实践的重点领域。

我国生活垃圾中易腐部分含量较高，极易在厌氧干发酵过程中发生严重的过酸化现象，从而对系统的产气造成显著的抑制作用。为解决上述问题，工程上一般采取减少进料、降低负荷，外加碱液或者增大污泥回流(接种)等手段来抑制酸积累现象的出现。但是，上述操作不仅影响工艺运行的稳定性，而且增加了后续沼液、沼渣处理的难度，其实际效果并不理想。

通过在厌氧发酵过程中投加外加物，借助外加物的有关特性调节厌氧系统微环境，强化微生物代谢能力，成为改善高浓度有机垃圾厌氧发酵的重要手段之一。零价铁作为一种廉价、环境友好的还原剂，近年来在上述领域中使用较广。其中，零价铁的作用机制，主要包括：中和过酸化体系、建立还原气氛、降低氧化还原电位、强化厌氧微生物和酶活性、提供微量元素和供电子、增加产甲烷所需基质产量(氢气和有机酸)、抑制硫酸盐还原菌的代谢等。目前，在有机垃圾厌氧干发酵当中，传统的零价铁使用方式仍以混合投加为主，该方式虽能达到预期效果，但从工程角度而言，混合投加需要在进料之前增设混料设备将零价铁与发酵底物混合完全，一方面对设备产生磨损较严重；另一方面，在厌氧发酵结束后，剩余零价铁将很难从沼渣中分离，不仅较低了材料的使用效率，而且增加了发酵残渣后续处置的难度。

总而言之，虽然零价铁在强化有机物厌氧发酵方面的研究日益成熟，但在实际工程中的应用明显滞后，人们仍然在寻求一种操作简单、效果显著的零价铁的使用方式。进一步讲，相关工艺的开发和实践对于促进我国生活垃圾分类收集和有机物资源化行业的发展具有十分重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种用于有机垃圾厌氧干发酵的填料衬垫及其制备方法。

本发明的第二目的在于提供上述填料衬垫在有机垃圾厌氧干发酵过程的应用方法，从而实现有机物加速降解和产甲烷效率提高的目标。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种用于有机垃圾厌氧干发酵的填料衬垫，所述填料衬垫包括：底层的非织造土工布、中间层的铁基复合填料和表层的非织造土工布；所述中间层的铁基复合填料通过针刺法固定在所述的底层的非织造土工布和表层的非织造土工布之间。

优选地，所述的非织造土工布单位面积质量不小于200g/m²；所述底层的非织造土工布的厚度为1.7-5.0mm，所述表层的非织造土工布的厚度为1.7-5.0mm；所述的铁基复合填料的使用量每平米不小于5.3kg。

优选地，所述铁基复合填料由以下质量百分比的组分形成：

零价铁粉60.0％-65.0％；

植物秸秆或竹木粉25.0％-30.0％；

沸石粉5.0％-15.0％。

最优的，所述的铁基复合填料由以下质量百分比的组分形成：

零价铁粉65.0％；

植物秸秆或竹木粉25.0％；

沸石粉10.0％。

所述零价铁粉的原料为单质铁、废铁屑、还原性铁粉中的一种以上；所述零价铁粉的粒度为80-200目。

优选地，所述的植物秸秆或竹木粉的原料来自于农业废弃物或园林废弃物；所述植物秸秆或竹木粉为经过自然风干、粉碎后粒径为0.074-0.613mm的粉末。

优选地，所述的沸石粉的原料为天然沸石或人造沸石，粒度为80-200目。

本发明还提供一种所述的用于有机垃圾厌氧干发酵的填料衬垫的制备方法，包括以下步骤：

(1)原料准备：将获取的铁基原料粉碎后过筛，获得零价铁粉，备用；将获取的秸秆或竹木原料经自然风干后粉碎，备用；将获取的沸石原料粉碎后过筛，获得沸石粉，备用；

(2)将步骤(1)得到的质量百分比为60.0％-65.0％的零价铁粉、质量百分比为25.0％-30.0％的植物秸秆或竹木粉、质量百分比为5.0％-15.0％的沸石粉充分混合后，得到铁基复合填料备用；

(3)将步骤(2)得到的铁基复合填料均匀铺撒在所述的非织造土工布上，形成铁基复合填料层，然后再在其上平铺一层非织造土工布；

(4)采用针刺法将所述的铁基复合填料固定在所述的两层非织造土工布之间，制成所述的填料垫。

优选地，所述过筛后的零价铁粉粒度为80-200目；所述植物秸秆或竹木粉为经过粉碎后粒径为0.074-0.613mm的粉末；所述过筛后的沸石粉粒度为80-200目。

一种所述的用于有机垃圾厌氧干发酵的填料衬垫的应用，在有机垃圾厌氧干发酵过程中，所述填料衬垫和有机垃圾通过层状交叉排列的方式从下到上按照一层填料衬垫、一层有机垃圾的顺序铺设至厌氧反应器的设计堆高，如进料垃圾含固率和有机物含量较高时(含固率>35％wt，有机物含量>85％ts)，可在垃圾堆体底层和顶部适当加铺衬垫。

优选地，每米有机垃圾堆高铺设不少于2层的填料衬垫；每层填料衬垫能够连续使用3-5个有机物厌氧发酵周期，每个有机物厌氧发酵周期为30-40天。

本发明提供的用于有机垃圾厌氧干发酵的填料衬垫在使用时的具体作用机理是：有机垃圾在厌氧环境下产生的水解液自上而下通过填料衬垫时，即可发挥复合填料的预期效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述的填料衬垫用于有机垃圾厌氧干发酵，充分利用了零价铁独特的还原性、强化酶活性、调节微生物代谢途径等特点，有利于提高系统的产甲烷效率。所述的填料衬垫的中间层的铁基复合填料包含一定比例的植物秸秆或竹木粉和沸石粉，其并不是多种材料成分的简单直接叠加，而是可形成以下耦合效果：

1)与零价铁形成无数个微小原电池，加快电子的释放和传递；

2)配合当中的垃圾水解液的回灌，材料本身的多孔结构可以捕获充足的微生物和营养物质，增加了二者的接触面积，有利于微生物代谢活性的提高；

3)填料中的沸石粉具有吸收沼液中氨氮的作用，从而减少其对产甲烷菌的抑制作用。

2、本发明的填料衬垫的中间层的铁基复合填料所使用的零价铁原料可以采用废铁屑，而植物秸秆或者竹木来源于农业和园林废弃物，均为废物的资源化利用，成本低廉。

3、本发明的填料衬垫的中间层的铁基复合填料通过针刺法与无纺土工布固定，形成标准化的衬垫产品。所采用的无纺土工布同时起到反滤作用，防止了垃圾中颗粒物质对填料层的堵塞，促进了有机垃圾水解液的均匀分布。采用衬垫的方式可以很好的实现填料与发酵底物的完全分离，完全避免了沼渣中零价铁粉分离困难的问题。单批次有机垃圾降解完成后，填料衬垫可在回收后再次使用。

4、本发明的填料衬垫用于有机垃圾厌氧干发酵的方法，具有铺设简单，不需要额外装置/设施的特点，施工效率高，可靠性强。

附图说明

图1是本发明一种用于有机垃圾干发酵的填料衬垫及其制备方法和应用的示意图；

图2是实施例1中填料衬垫强化有机垃圾干式厌氧发酵产甲烷曲线。从图2中可以看出，在铺设填料衬垫的情况下，有机垃圾厌氧消化产气速率显著改善，产气滞后期缩短75％以上。

图3是实施例2中填料衬垫强化有机垃圾干式厌氧发酵产甲烷曲线。

图4是实施例1中填料衬垫多次回收使用过程累积产甲烷情况。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

1、有机垃圾组成

实施例所用的生活垃圾来自于北京市某填埋场的新鲜垃圾(具体组成见表1)。经人工剔除其中的石块、金属、塑料和瓷器等惰性物质后，剩余的厨余、纸张，以及不易分拣的树叶和其他部分作为试验所用的有机垃圾。该有机垃圾经破碎(<120mm)和均匀混合后，备用。

表1：生活垃圾基本组成(湿基％)

2、本实施例中试验组填料衬垫的制备包括如下步骤：

(1)准备原料：将单质铁粉磨，获得200目的零价铁粉，备用；将获取的植物秸秆经自然风干、粉碎后，过0.125mm的筛子，取过筛部分备用；将获取的天然沸石粉碎后过筛，获得200目的沸石粉，备用。

(2)将上述质量百分比约为62.0％的零价铁粉，质量百分比约为28.0％的植物秸秆粉，质量百分比为10.0％的天然沸石粉充分混合后，备用。

(3)将步骤(2)得到的铁基复合填料均匀铺撒在所述的非织造土工布上(220g/m²)。之后在上述铁基复合填料的上平铺一层非织造土工布(220g/m²)。采用针刺法将所述的铁基复合填料固定在所述的两层非织造土工布之间，制备得到。其中，铁基复合填料的用量约为5.6kg/m²，整个填料衬垫重量约为6.1kg/m²。

3、有机垃圾干式厌氧发酵

准备两个完全相同的干式厌氧反应器(试验组和控制组)，每个反应器拟填装2.5t垃圾。其中，控制组有机垃圾的填充高度在1.5米左右。基于本发明内容，于试验组反应器内共铺设三层填料衬垫，位置分别在：垃圾堆体底部，垃圾堆体的二分之一处和垃圾堆体的上部。其具体的实施步骤如下：将填料衬垫和有机垃圾通过层状交叉排列的方式依次铺设，从下到上依次为：底层填料衬垫、75cm厚有机垃圾、中层填料衬垫、75cm厚有机垃圾和顶层填料衬垫。示意图如图1所示。

上述步骤完成后，将反应器置于恒温室内，整个反应器运行过程中维持温度在37±2℃。厌氧试验开始前分别向两个反应器按照垃圾总重量(湿基)的20％添加接种污泥，同时调节垃圾含水至65％-75％。产生的发酵沼液用于反应器回灌(1次/日)。试验运行周期至日产气量低于积累产气量的1％为止。

基于上述试验方案，有机物干式厌氧发酵试验共持续45天。期间对产生的沼气进行收集，并对其成分进行分析，结果如图2所示。铺设填料衬垫的试验组产甲烷滞后期显著缩短，沼气中甲烷含量明显增加。整个试验周期内，试验组获得总产气量为714.3l/kgvs，其中甲烷的平均含量为59.3％，高于控制组457.7l/kgvs的情况。

实施例2：

1、有机垃圾组成

配置同实施例1。

2、本实施例中试验组填料衬垫的制备包括如下步骤：

(1)准备原料：将单质铁粉磨，获得80目的零价铁粉，备用；将获取的植物秸秆自然风干、粉碎后，过0.613mm的筛子，取过筛部分备用；将获取的天然沸石粉碎后过筛，获得80目的沸石粉，备用。

(2)将上述质量百分比约为65.0％的零价铁粉，质量百分比约为30.0％的植物秸秆，质量百分比为5.0％的天然沸石粉充分混合后，备用。

(3)将步骤(2)得到的铁基复合填料均匀铺撒在所述的非织造土工布上(200g/m²)。之后在上述铁基复合填料的上平铺一层非织造土工布(200g/m²)。采用针刺法将所述的铁基复合填料固定在所述的两层非织造土工布之间，制备得到。其中，铁基复合填料的用量约为6.8kg/m²，整个填料衬垫重量约为7.2kg/m²。

3、有机垃圾干式厌氧发酵

操作方法同实施例1。

图3是本发明实施例2对有机物厌氧干发酵产气强化的效果图。从图3可以看出，通过铺设填料衬垫，沼气中甲烷含量迅速增加，厌氧发酵持续44天，获得沼气产量为760l/kgvs，平均甲烷含量58.4％，显著高于控制组的情况。而控制组有机垃圾干式厌氧发酵前期产生的酸抑制(渗滤液ph＝5.0-6.3)是其产甲烷效率低下的主要原因。

实施例3：

相对于实施例1，仅将所铺设的填料衬垫回收后重复使用，其余填料衬垫制备和试验方法与实施例1保持一致。每层填料衬垫共完成6个周期的有机垃圾干式厌氧发酵测试，以验证其长期效果和重复使用的可靠性。

测定的试验组产气效果如图4所示。填料衬垫自第5次使用起，产气效率有所下降，仅为第一次使用时的90％左右；而第6次使用时，产气量仅为第一次使用时的82％左右。因此，按照本发明所述的填料衬垫的应用，推荐每层填料衬垫的使用次数为3-5个发酵周期。

实施例4：

相对于实施例1，仅改变零价铁粉的来源，且使用竹木粉作为原料制备铁基复合填料。具体为：零价铁粉的原料为废铁屑；而竹木来自于园林废弃物。其他衬垫制备步骤和试验条件均与实施例1相同。

测定的强化产气效果和厌氧发酵周期缩短情况同实施例1。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。