一种沼渣生物炭提升高有机负荷易腐有机固废厌氧消化性能的方法

本发明属于固体废弃物处理与资源化，涉及一种沼渣生物炭提升高有机负荷易腐有机固废厌氧消化性能的方法。

背景技术：

1、近年来，我国有机固废的产量持续增加。特别是上海市实行《上海市生活垃圾管理条例》以来，易腐有机固废(又称“湿垃圾”)的分出量显著增加，其主要包含高蛋白质、糖类和油脂的餐饮垃圾和主要成分为碳水化合物和纤维素的厨余垃圾和菜市场垃圾。易腐有机固废具有有机物含量高和含水率高等特点，易发生变质、腐败酸化甚至传播细菌和病毒，若得不到合理处置，将导致严重的资源浪费和环境污染。

2、厌氧消化是由兼性和厌氧菌参与的，将可生物利用的有机物降解，最终生成生物沼气(甲烷、二氧化碳和少量氢气的混合气体)的技术。厌氧消化技术不仅能够实现易腐有机固废减量化与稳定化处置，还可回收可再生能源，是目前资源化处理易腐有机固废的主流手段。

3、产甲烷效率和系统稳定性能够直观地反映厌氧消化性能。易腐有机固废中可生物降解有机质含量高，在高有机负荷下，有机质降解速度快，产酸过程过快，挥发性脂肪酸(vfas)产生和消耗之间的不平衡状态加剧，导致vfas积累以及ph值下降，出现严重的酸化现象，会抑制产甲烷效率和导致系统不稳定。因此，酸抑制是厌氧消化体系稳定性的抑制因素之一；此外，由于餐饮垃圾中蛋白质含量高，其降解代谢过程会产生氨氮，高氨氮浓度能够影响产甲烷菌生长，厌氧系统中氨氮浓度的抑制阈值与基质类型和反应条件相关，在氨氮浓度高于1500mg/l常会引起氨氮抑制，氨氮抑制往往伴随着甲烷产率降低。酸抑制和氨氮抑制是影响产甲烷效率和系统稳定性的主要因素。

4、中和剂(如氢氧化钠等)和缓冲剂(如碳酸氢盐等)常被用于厌氧消化体系以在短时间内缓解酸化现象但是这些化学药剂会对厌氧消化过程中的微生物产生负面影响且经济成本较高。因此，在厌氧消化过程中发生严重酸化抑制时，需要探索更高效和安全的助于ph值回升、改善系统稳定性和甲烷产生的技术手段。

5、cn109282390a公开了一种添加颗粒活性炭强化易酸化废水(物)的方法，cn112960880a公开了一种基于添加碳布提高厌氧共消化废油脂和污泥产甲烷的方法。但活性炭和碳布成本昂贵，不利于实际工程应用。大量的研究报道了各种碳基材料在污泥、餐厨垃圾等各种有机固废厌氧消化过程中的应用。生物炭，是一种比表面积大、导电性质优良和孔隙结构发达的碳基材料，能够为微生物提供定殖“位点”，已被证实能够促进有机固废厌氧消化过程中甲烷产生。而以厌氧发酵后的沼渣为原料制成的沼渣生物炭，可以解决大量的沼渣的后续处理问题，此外，将沼渣生物炭应用于有机固废厌氧消化过程，降低了投加其他种类添加剂的购买成本，很大程度上能够实现废物资源化。目前关于沼渣生物炭提升易腐有机固废厌氧消化性能的报道较少。

技术实现思路

1、本发明针对易腐有机固废厌氧消化过程中由于高有机负荷导致的“系统不稳定”问题，提供一种沼渣生物炭添加缓解易腐有机固废高有机物含量厌氧消化体系中酸抑制和氨抑制，提升厌氧消化性能的方法。

2、本发明提供了一种沼渣生物炭提升高有机负荷易腐有机固废厌氧消化性能的方法，包括以下步骤：

3、步骤(1)、取有机固废厌氧发酵后的沼渣，通过高温热解获得沼渣生物炭；

4、步骤(2)、将易腐有机固废、接种物和水混合，获得混合基质；

5、步骤(3)、将步骤(2)中的混合基质和步骤(1)中获得的沼渣生物炭加入厌氧消化反应器内，进行厌氧消化反应；

6、步骤(4)、对厌氧消化过程中产生的生物气进行收集并测定其中的甲烷及二氧化碳含量，定期测定反应器内发酵液ph值、挥发性脂肪酸vfas浓度和铵根离子浓度。

7、本发明中，所述“高有机负荷易腐有机固废”指易腐有机固废含量较高的反应体系，本发明中，接种物的挥发性固体(volatile solid，vs)含量定为10g/l，易腐有机固废与接种物的vs比为2：1和3：1时，体系易腐有机固废的负荷较高。

8、本发明中，步骤(1)的具体步骤为：将取自于有机废物处理厂的厌氧消化池的沼渣，在105±5℃烘箱中烘干，研磨后在温度为550℃的密闭管式炉中进行热解2小时，过程中不断充进氮气以保证无氧条件，获得所述沼渣生物炭。

9、本发明中，步骤(2)中，所述易腐有机固废为餐厨垃圾和果蔬垃圾混合的混合物料；所述接种物为取自稳定运行的有机固废中温厌氧消化反应器的沼渣，在加入厌氧反应器前经37±0.2℃环境中驯化14d；设置所述接种物的vs含量为10g/l，所述易腐有机固废与接种物vs比为(0.5-3)：1，优选地，为0.5：1、1：1、2：1、3：1四种接种比，分别加入水至体系总反应体积达到80ml。

10、本发明中，步骤(3)中，所述沼渣生物炭为步骤(1)中的沼渣生物炭过100目筛后获得的粉末生物炭，所述沼渣生物炭的投加量设置为5g/l-10g/l，优选地，为5g/l；所述混合基质是指步骤(2)中易腐有机固废、接种物和水的混合物。

11、本发明中，步骤(3)中，所述厌氧消化反应器为120ml血清瓶，工作体积为80ml。

12、本发明中，步骤(3)中，所述厌氧消化反应是将厌氧消化反应器用丁基橡胶塞和铝盖将反应器进行密封后，使用99.999％的高纯度氮气冲洗反应器顶空位置约1min，消除反应器内氧气以保证厌氧条件，最后将反应器置于37±0.2℃的恒温振荡器中，设定振荡频率为150rpm，开始厌氧消化反应。

13、本发明中，步骤(4)中，所述生物气的成分包括甲烷、二氧化碳、硫化氢、水分等；所述对厌氧消化过程产生的生物气进行收集时，使用气密玻璃注射器收集反应器内产生的生物气，并记录生物气的体积，使用装载热导检测器的气相色谱仪分析生物气中甲烷和二氧化碳的含量。

14、本发明中，步骤(4)中，所述反应器内发酵液ph值、vfas浓度和铵根离子浓度分别为第5、10、18、30、50d取样测得。

15、在一个具体实施方式中，所述方法包括以下步骤：

16、第一步，将沼渣在105±5℃烘箱中烘干，研磨后在温度为550℃的密闭管式炉中热解2小时，过程中不断充进氮气以保证无氧条件，获得沼渣生物炭，并过100目筛，获得粉末生物炭。

17、第二步，将接种物、易腐有机固废和水混合，接种物的vs含量为10g/l，易腐有机固废与接种物vs比为(0.5-3)：1，具体地，选择比例为0.5：1、1：1、2：1、3：1，得到混合基质，置于厌氧反应器内。

18、第三步，将沼渣生物炭加入厌氧反应器内，与基质充分混合。

19、第四步，用丁基橡胶塞和铝盖将反应器进行密封。使用99.999％的高纯度氮气冲洗反应器顶空位置约1min，消除反应器内氧气以保证厌氧条件。

20、第五步，将反应器置于恒温振荡器(37±0.2℃)，设定振荡频率为150rpm，开始厌氧消化反应。

21、第六步，对厌氧消化过程中产生的生物气进行收集并测定其中的甲烷和二氧化碳含量，定期测定反应器内发酵液ph值、挥发性脂肪酸vfas浓度和铵根离子浓度。

22、第一步中沼渣即第二步中接种物，取自稳定运行的有机固废中温厌氧消化反应器，在加入厌氧反应器前经37±0.2℃环境中驯化14d。

23、第二步中易腐有机固废为由餐厨垃圾和果蔬垃圾的混合物料。所述厌氧反应器为120ml血清瓶，工作体积为80ml。

24、第三步中，沼渣生物炭为过100目筛的粉末生物炭，投加量设置为5-10g/l，优选地，为5g/l。

25、第六步中，所述生物气的成分包括甲烷、二氧化碳、硫化氢、水分等；所述对厌氧消化过程产生的生物气进行收集时，使用气密玻璃注射器收集反应器内产生的生物气，并记录生物气的体积，使用装载热导检测器的气相色谱仪分析生物气中甲烷和二氧化碳的含量；所述反应器内发酵液ph值、vfas浓度和铵根离子浓度分别为第5、10、18、30、50d取样测得。

26、本发明中沼渣生物炭在有机物含量体系厌氧消化过程中发挥作用的机理：(1)在厌氧消化早期，高有机负荷下vfas积累，抑制产甲烷菌活性，产甲烷过程停滞。沼渣生物炭添加显著促进了vfas消耗和ph值回收缓解酸化现象，提升了甲烷产量。沼渣生物炭添加能够为微生物生长提供有利环境，促进微生物与消化底物间的接触，改变细菌和古菌群落结构，显著促进了互营vfas氧化细菌以及直接电子传递相关微生物富集，从而可能通过直接电子传递过程促进了vfas降解和甲烷产生；

27、(2)在厌氧消化体系内，沼渣生物炭周围可能形成生物团聚体，促进微生物之间的能量和电子传递，利于互营产氢产酸细菌和产甲烷菌从厌氧消化初期的酸化抑制中恢复，进而促进vfas向甲烷转化过程；

28、(3)沼渣生物炭具有良好的吸附性能，在厌氧消化体系中能够吸附一些抑制产甲烷菌活性的物质如氨氮，缓解氨抑制，形成适宜的微生物代谢环境。

29、本发明相对于现有技术，具有如下有益效果：

30、与低有机负荷城镇易腐有机固废相比，沼渣生物炭在高有机负荷下，能够有效促进城镇易腐有机固废厌氧消化甲烷产生，并且随着有机负荷的提高，沼渣生物炭的提升效果越显著。该方法操作简单，具有较优的工程应用价值。与添加中和剂(如氢氧化钠等)和缓冲剂(如碳酸氢盐等)相比，添加沼渣生物炭不需要人为调控厌氧消化系统ph值，不会对微生物产生不利影响。与添加活性炭或碳纤维布等方法相比，沼渣生物炭成本较低。添加沼渣生物炭能够实现同时缓解高有机物含量厌氧消化体系酸抑制和氨抑制。该方法将有机固废厌氧发酵后产生的沼渣通过高温热解得到沼渣生物炭，再将其加入几种不同有机负荷的易腐有机固废厌氧消化体系中，进行厌氧消化产甲烷。沼渣生物炭添加量为5g/l时，可提高易腐有机固废厌氧消化产甲烷产量，在高有机负荷下最高可使甲烷产量提升21.37％。本发明所述方法操作简单，可同时缓解高有机物含量厌氧消化体系酸抑制和氨抑制且促进甲烷产生，能为强化易腐有机固废厌氧消化产甲烷效率和提升体系稳定性提供技术支撑。