專利名稱：一種通過生物相分離和優化技術提高生物質廢物厭氧消化性能的方法
技術領域：
本發明屬于固體廢棄物處理與資源化技術領域，涉及一種通過生物相分離優化技術提高生物質厭氧消化效率的方法。
背景技術：
節能環保和資源有效利用是當今世界社會和經濟發展的兩大主題。隨著我國的人口增長、農村產業結構的調整和居民生活水平的不斷提高，農產品的產量和消費量也不斷增多。以2009年為例，中國果蔬種植面積和產量分別占世界的43%和49%，均居世界第一。 與此同時，果蔬類食品在居民飲食中的比重越來越大，在其收獲、加工、儲運和食用過程中產生的廢棄物占果蔬作物總產量的25% 30%，大多被直接丟棄。這些果蔬廢棄物屬于生物質廢物，具有含水率高、易腐爛的特點，其產量隨季節的變化性大，如果處理不當，將會對環境造成嚴重的污染；另一方面，這類廢棄物中有機質含量極高，而且不含有毒有害成分， 具有資源化利用的可能性。據統計，我國每年約有1億噸的水果和蔬菜廢棄物被丟棄，城市生活垃圾中20% 50%的成分都是來自于果蔬加工、儲運和食用過程中產生的廢棄物，如果能使用先進技術將其轉化為可用的資源，將對城市發展和人居環境質量具有重要意義。厭氧消化技術是自20世紀50年代以來逐漸發展的生物處理技術，可以通過無氧或微氧環境下的微生物過程將生物質降解消化，并轉化為沼氣和富含養分的沼渣。沼氣中的主要成分是甲烷和二氧化碳，是一種清潔燃料，而沼渣可用來生產植物有機肥。該技術的規模化應用，將使得生物質廢物的無害化處置和再生利用成為可能。特別是對于不含有毒有害物質的果蔬廢棄物，可以全部轉化為沼氣能源和有機肥資源，從而實現生物質資源的循環生產，完全符合我國循環經濟建設和可持續發展的國策。厭氧消化工藝按照體系含水率可分為濕式消化和干法消化工藝，按照消化時序可分為單級消化和多級消化工藝，按照生物相特點又可分為單相消化和兩相消化工藝。果蔬廢棄物中含水率高、纖維素含量也很高，因此針對該種物料的濕式消化工藝已被證明是較優的，但是纖維素的高效降解工藝一直是阻礙轉化效率和大規模連續化生產的障礙。兩相厭氧消化工藝將微生物水解酸化相和產甲烷相分離開來，分別進行生物工程優化，可以高效轉化纖維素，同時大大提高微生物系統在較高進料負荷時的穩定性。然而該工藝的啟動技術和相分離優化技術一直沒有得到解決，阻礙了兩相厭氧消化技術的工業化推廣。
發明內容
本發明提供了一種針對生物質物料的兩相厭氧消化啟動和相分離優化技術，其工藝簡單、進料負荷高、體系穩定性好、生物質轉化率高。該技術的特點是將物料的固體殘渣和汁液分別進行不同條件下的厭氧消化處理，通過兩相厭氧消化的酸化相啟動優化和酸化 /甲烷化相間質量分配優化，保證不同物料組分的充分均勻的降解，還可以提高微生物體系的PH緩沖量，從而大大提高整個系統的進料負荷，減小反應器體積，降低處理成本，提高系統的轉化效率。為實現以上目的，本發明采取了如下的技術方案一種通過生物相分離優化技術提高生物質廢物厭氧消化沼氣產率的方法，采用的主要設備包括酸化相反應器和產甲烷相反應器，包括如下技術步驟(1)、生物質物料的固液分離首先去除待處理的物料中的堅硬雜物，然后使用粉碎機、壓榨機等設備將物料中的固形物和汁液分離開；O)、酸化相反應器的啟動與運行將步驟(1)固液分離后的固形物與厭氧消化菌種(接種污泥)按照F/M(vs/vs)(基質微生物比，Food-Microorganism ration) = 1 3的比例混合均勻，加入到酸化反應器中，啟動階段采用一次進料，進料后不再進料，待體系經過3 5天的培養，使產酸菌充分生長，然后進入到正常酸化反應階段，采用序批式進出料 (即每天進出料一次)；(3)、產甲烷相反應器的啟動與運行產甲烷相反應器中加入厭氧消化菌種(接種污泥)，使用步驟(1)中得到的汁液按厭氧污泥床式(ASBR模式)進出料進行馴化，待微生物種群已逐步適應厭氧消化條件后，加入步驟O)中的酸化相出料，從而實現酸化相和產甲烷相的耦合聯動，此后將酸化相出料和步驟(1)的汁液作為產甲烷相進料(實際一般情況下酸化相出料和步驟(1)的汁液的比例符合使此整個體系同步反應完全，即一批果蔬生物質物料中固形物產生的總的酸化相為體積a、汁液總體積b，那么產甲烷相進料中酸化相與汁液的體積比為a b，a和b均為實際產生的體積，沒有具體范圍限制)，實現生物質廢物厭氧消化。反應器進料負荷的提升和穩定化在整個體系中通過逐步提高酸化相的負荷從而提高產甲烷相的負荷，酸化相負荷由于不斷提高，其PH值、堿度都在逐步下降，為了避免酸化相系統的崩潰，可將產甲烷相排出的沼液按照酸化相進料體積的20% 40%的比例與物料中的固形物混合，一起作為酸化相反應器的進料，利用產甲烷相沼液中豐富的堿度維持酸化相體系的穩定。此外，利用產甲烷相的部分消化液對酸化相進行回流，不僅可以強化難降解物質的水解和酸化作用，而且在酸化相中富集少量的產甲烷菌，可以使已經水解酸化的有機物質得到更多的降解。與此同時還可將產甲烷相反應器的出料作為沼肥或土壤添加劑。所述步驟(1)中，生物質物料優選果蔬生物質物料。所述步驟O)中，酸化相反應器采用完全混合攪拌式厭氧發酵反應裝置(CSTR)， 反應溫度控制在中溫35士 1°C。為實現快速啟動，酸化相啟動有機負荷不大于20gvs · Γ1, 固形物與厭氧消化菌種按照F/^vs/vs) = 1 3的比例混合均勻，進行3 5天的批式(不進料也不出料)反應后，待系統的PH值穩定在4. 5 5. 5范圍內，開始序批式進料(每天進出料一次)，起始容積有機負荷率不大于IOgvs · L—1 · cf1，水力停留時間(HRT) = 3 5 天；當需要提升產甲烷相的容積有機負荷率時，通過提高酸化相的容積有機負荷率來滿足其要求，按照容積有機負荷率OLR為IOgvs · L-1 · cf1 18gvs · L-1 · d-1，HRT = 3 5天提高有機負荷率，優選 IOgvs · L—1 · d"\l2gvs · L—1 · d^U4gvs · L—1 · d"\l6gvs · L—1 · d—1、 18gvs -L"1 -(!^,HRT均為4天提升容積有機負荷率。通過實驗發現，當OLR = 18gvs -L"1 .cf1 時已達到優選最大值；所述步驟(3)中，產甲烷相反應器采用厭氧污泥床式反應裝置(ASBR)，反應溫度控制在中溫35士 1°C。產甲烷相啟動時，按照反應器所設定的有效容積加滿厭氧消化菌種 (接種污泥)，作為產甲烷菌源，菌種在實際運行溫度下適應3天后，單獨用物料的汁液馴化，起始進料容積有機負荷率設定在0. 5 1. Ogvs Μ—1范圍內，2 3周后，系統的ρΗ 穩定在7.2 7.6范圍內，開始加入酸化相出料；此后將酸化相出料和步驟(1)的汁液作為產甲烷相進料，產甲烷相按照OLR = Igvs ·廠1 · Cf1 5. 5gvs · Γ1 · cf1逐步提升容積有機負荷率，水力停留時間從30天到10天逐步縮短。優選OLR = Igvs · L—1 · d—1、HRT = 30 天，2gvs · L-1 · cf1、HRT = 20 天，3gvs · L-1 · cf^HRT = 20 天，4gvs · L-1 · cf^HRT = 20 天， 5gvs · Γ1 · cf1、HRT = 20天，5. 5gvs · Γ1 · cf^HRT = 10天逐步提升負荷。通過實驗發現， 當OLR = 5. 5gvs · Γ1 · cf1時已達到優選最大值。本發明的發明點在于通過厭氧消化酸化相和產甲烷相的分離和針對性優化技術， 改善了體系的啟動穩定性，提高了進料負荷，縮短了整體消化時間。將生物質物料進行固液分離，針對固相部分和液相部分的不同性質，使用不同的工藝參數和反應器進行降解轉化， 使得物料中各成分在兩相中重新分配，易于生物降解的液相直接進入產甲烷反應器，而固形物進入酸化反應器，其中的纖維素、淀粉等大分子經水解酸化過程后，再進入產甲烷反應器進行甲烷化，從而提高整個厭氧消化系統的消化速率和效率；通過優化進料/接種比以實現酸化相的快速啟動；酸化相采用批式法啟動，使啟動過程更加穩定可控；通過沼液回流，有效調節了酸化相體系的PH值、堿度等，為酸化相內的微生物創造了良好的作用環境， 有利于厭氧系統的平穩運行。與現有技術相比，本發明具有如下優點1、通過強化的厭氧酸化反應改善纖維素的降解效果厭氧消化原料中的固形物富含纖維素，在厭氧條件下不容易被降解，而固形物的水解是整個厭氧消化過程的限速步驟。 因此，通過一定途徑改善其水解速率具有重要的意義。本發明通過固液分離實現纖維素等大分子物質的富集，在酸化反應器中強化水解酸化，出料再進入甲烷化反應器，這樣不僅可以保證不同組分物料充分均勻的酸化，又可以減少二次水解酸化的物料量，減小反應體積， 降低處理成本，提高系統的消化效率和速率；2、通過反應器啟動時的物料和接種物比例優化，使得微生物體系分別保持在酸化和產甲烷化反應的最佳狀態，縮短啟動時間，提高了運行效率；3、酸化相采用批式法啟動，避免了反應器啟動時耐受性低，運行不穩定的問題。產甲烷相采用厭氧污泥床方式啟動和運行，在最大程度上保證了反應器中的微生物數量，提高了系統的穩定性；4、生物相間的耦合調配技術保證了系統在高負荷下的穩定性本發明采用兩相厭氧生物處理技術強化了生物質物料中不同成分的厭氧消化過程，更重要的是通過兩個反應器各自的工藝參數的優化，使得厭氧酸化微生物和厭氧產甲烷微生物都處于最適宜的代謝環境下，對進料負荷的耐受性大大提高；5、通過優化反應器的進料量和水力停留時間，實現了體系內部物料交換量的平衡。從整個兩相厭氧消化系統的角度來看，除了每天的進出料之外，不產生其他廢物，也不額外消耗接種物或水分。相比于傳統厭氧消化反應器需要定時添加水分以保證體系平衡的問題，本發明所提供的方法可大大減少系統的排放量。6、節能環保的廢物資源化循環利用技術整個厭氧消化過程在密閉的反應器中進行，產甲烷相厭氧消化過程中所產生的剩余物較少，將部分回流可以有效的維持酸化相的穩定運行，沼渣可以作為沼肥或土壤添加劑，從而實現了生物質廢物處理處置的減量化、資源化、無害化。
圖1為本發明方法的工藝流程圖；
具體實施例方式以上所述實施例只為本發明的較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故凡依本發明方法、原理等所作的等效變化，均應涵蓋于本發明的保護范圍。實施例1 一種通過生物相分離優化技術提高生物質廢物厭氧消化沼氣產率的方法，包括以下工藝步驟1、原料預處理將果蔬垃圾用粉碎機和榨汁機打碎成漿狀，并實現固液分離，榨汁機篩網孔徑為1mm，擠出力300 600N，總的汁液體積為b ；2、酸化相的啟動與運行酸化相反應器采用完全混合拌式厭氧發酵反應裝置 (CSTR)，有效工作體積為5L，反應溫度控制在35 士 1 °C，攪拌強度為120r · mirT1，每池攪拌 5min。酸化相啟動有機負荷20gvs -^,F/M = 2，進行4天的批式反應后，待系統的pH值穩定在4. 5 5. 5范圍內，H2含量在10%左右，CO2含量在80%左右，CH4和N2含量< 5%后， 開始序批式進料。反應階段固定HRT = 4天，按照容積有機負荷率OLR = IOgvs · L—1 · d—1、 12gvs · Γ1 · cr、14gvs · Γ1 · d"\l6gvs · Γ1 · d"\l8gvs · Γ1 · cf1 逐步提升容積有機負荷率，總的酸化相產率體積為a。3、產甲烷相的啟動與運行產甲烷相反應器采用厭氧污泥床式反應裝置(ASBR)， 有效工作體積為10L，反應溫度控制在35 士 1°C，攪拌強度為120r · mirT1，每池攪拌5min。 產甲烷相啟動時，加入厭氧消化菌種(接種污泥)10L，作為產甲烷菌源，菌種復活三天，之后單獨用果蔬汁馴化15d，果蔬汁進料容積有機負荷率OLR = 0. 5gvs · L-1 · cf1，HRT = 30 天，15天后，系統的pH穩定在7. 2 7. 6范圍內，開始加入酸化相出料與果蔬汁作為產甲烷相的每天進料，每天進料中酸化相出料與果蔬汁的體積比符合a b，實現兩相的耦合聯動。產甲烷相進料的起始容積有機負荷率OLR = Igvs · Γ1 · cf1，HRT = 30天，待產甲烷相在該負荷率下運行30 60天后，即運行1 2個水力停留時間，負荷產氣率穩定在800 850mL · gvs"1之間，甲烷含量在55% 60%范圍內穩定波動，pH穩定在7. 6左右，即可提高容積有機負荷率至2gvs · L—1 · cf1，由于容積有機負荷率的升高，進料體積隨之增加，因此水力停留時間也相應的縮短至20天。在產甲烷相運行期間，按照OLR = Igvs · Γ1 · cf1、 HRT = 30 天，2gvs · Γ1 · cf1、HRT = 20 天，3gvs · Γ1 · cf1、HRT = 20 天，4gvs · Γ1 · cf1、HRT =20 天，5gvs · Γ1 · cf1、HRT = 20 天，5. 5gvs · Γ1 · cfl、HRT = 10 天的步驟逐步提升容積有機負荷率。4、反應器進料負荷的提升和穩定化酸化相負荷由于不斷提高，其pH值、堿度和系統穩定性都在逐步下降，為了避免酸化相系統的抑制，將產甲烷相溢流出的沼液按照酸化相進料體積的20% 40%的比例加入到酸化相反應器中，經過長期運行發現，向酸化相中加沼液可以很好的維持酸化相體系的穩定。此外還可將產甲烷相反應器的出料作為沼肥或土壤添加劑。以有機負荷=20gvs · F/M = 2，HRT = 4天為啟動參數啟動酸化相，可使其快速進入到產酸階段；產甲烷相采用低負荷啟動，單獨用果蔬汁馴化，果蔬汁起始進料容積有機負荷率為0. 5gvs -Γ1 -d-\HRT = 30天，經過15天的培養馴化后，改用酸化相出料與果蔬汁作為產甲烷相的進料。在產甲烷相運行期間，當容積有機負荷率OLR = Igvs -L-1.^1 5. 5gvs · Γ1 · cf1，HRT = 30 10天時，果蔬垃圾的負荷產氣率在850 450mL · gvs-1之間，甲烷含量在 60%范圍內穩定波動，pH穩定在7. 2 7. 6之間。實施例具體實施方式
如下一種通過生物相分離優化技術提高生物質廢物厭氧消化沼氣產率的方法，包括以下工藝步驟1、原料預處理將果蔬垃圾用粉碎機和榨汁機打碎成漿狀，并實現固液分離，榨汁機篩網孔徑為1mm，擠出力300 600N ；2、酸化相的啟動與運行酸化相反應器采用完全混合拌式厭氧發酵反應裝置 (CSTR)，有效工作體積為5L，反應溫度控制在35 士 1 °C，攪拌強度為120r · mirT1，每池攪拌 5min。酸化相啟動有機負荷20gvs -^,F/M = 2. 5，進行3天的批式反應后，待系統的pH值穩定在4. 5 5. 5范圍內，H2含量在10%左右，(X)2含量在80%左右，CH4和N2含量< 5%后， 開始序批式進料。反應階段固定HRT = 3天，按照容積有機負荷率OLR = IOgvs · L—1 · d—1、 12gvs · L—1 · d"\l4gvs · L—1 · d^U6gvs · L—1 · d^U8gvs · L—1 · cf1 不斷提升負荷，總的酸化相產率體積為a。3、產甲烷相的啟動與運行產甲烷相反應器采用厭氧污泥床式反應裝置(ASBR)， 有效工作體積為10L，反應溫度控制在35 士 1°C，攪拌強度為120r · mirT1，每池攪拌5min。 產甲烷相啟動時，加入厭氧消化菌種(接種污泥)10L，作為產甲烷菌源，菌種復活三天，之后單獨用果蔬汁馴化15d，果蔬汁進料容積有機負荷率OLR = 0. 5gvs · L-1 · cf1，HRT = 30 天，15天后，系統的pH穩定在7. 2 7. 6范圍內，開始加入酸化相出料與果蔬汁作為產甲烷相的每天進料，每天進料中酸化相出料與果蔬汁的體積比符合a b，實現兩相的耦合聯動。產甲烷相進料的起始容積有機負荷率OLR = Igvs · Γ1 · cf1，HRT = 30天，待產甲烷相在該負荷率下運行30 60天后，即運行1 2個水力停留時間，負荷產氣率穩定在800 850mL -gvs"1之間，甲烷含量在55% 60%范圍內穩定波動，pH穩定在7. 6左右，即可提高容積有機負荷率至2gvs · L—1 · cf1，由于容積有機負荷率的升高，進料體積隨之增加，因此水力停留時間也相應的縮短至20天。在產甲烷相運行期間，按照OLR = Igvs · Γ1 · cf1、HRT =30 天，2gvs · L-1 · cf1、HRT = 20 天，3gvs · L-1 · cf1、HRT = 20 天，4gvs · L-1 · cf1、HRT = 20 天，5gvs · Γ1 · cf1、HRT = 20 天，5. 5gvs · Γ1 · cf1、HRT = 10 天的步驟逐步提升容積有機負荷率。4、反應器進料負荷的提升和穩定化酸化相負荷由于不斷提高，其pH值、堿度和系統穩定性都在逐步下降，為了避免酸化相系統的抑制，將產甲烷相溢流出的沼液按照酸化相進料體積的20% 40%的比例加入到酸化相反應器中，經過長期運行發現，向酸化相中加沼液可以很好的維持酸化相體系的穩定。此外還可將產甲烷相反應器的出料作為沼肥或土壤添加劑。
以有機負荷=20gvs · F/M = 2. 5，HRT = 3天為啟動參數啟動酸化相，可使其快速進入到產酸階段 ’產甲烷相采用低負荷啟動，單獨用果蔬汁馴化，果蔬汁起始進料負荷為0. 5gvs · Γ1 · cf1、HRT = 30天，經過15天的培養馴化后，改用酸化相出料與果蔬汁作為產甲烷相的進料。在產甲烷相運行期間，當容積有機負荷率OLR = Igvs · L—1 · cf1 5. 5gvs · Γ1 · cf1，HRT = 30 10天時，果蔬垃圾的負荷產氣率在850 450mL · gvs-1之間，甲烷含量在 60%范圍內穩定波動，pH穩定在7. 2 7. 6之間。
權利要求
1.一種通過生物相分離和優化技術提高生物質廢物厭氧消化性能的方法，采用的主要設備包括酸化相反應器和產甲烷相反應器，包括如下技術步驟(1)、生物質物料的固液分離首先去除待處理的物料中的堅硬雜物，然后使用粉碎機、 壓榨機將物料中的固形物和汁液分離開；O)、酸化相反應器的啟動與運行將步驟(1)固液分離后的固形物與厭氧消化菌種按照F/M(vs/vs) = 1 3的比例混合均勻，加入到酸化反應器中，啟動階段采用一次進料，進料后不再進料，待體系經過3 5天的培養，使產酸菌充分生長，然后進入到正常酸化反應階段，采用序批式進出料(即每天進出料一次)；(3)、產甲烷相反應器的啟動與運行產甲烷相反應器中加入厭氧消化菌種，使用步驟 (1)中得到的汁液按厭氧污泥床式進出料進行馴化，待微生物種群已逐步適應厭氧消化條件后，加入步驟O)中的酸化相出料，從而實現酸化相和產甲烷相的耦合聯動，此后并將酸化相出料和步驟(1)的汁液作為產甲烷相進料，實現生物質廢物厭氧消化。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，將產甲烷相排出的沼液按照酸化相進料體積的20% 40%的比例與步驟(1)物料中的固形物混合，一起作為酸化相反應器的進料。
3.按照權利要求1或2的方法，其特征在于，所述步驟O)中，酸化相反應器采用完全混合攪拌式厭氧發酵反應裝置，反應溫度控制在中溫35士 1°C，酸化相啟動有機負荷不大于 20gvs · L—1，進行3 5天的批式反應后，待系統的pH值穩定在4. 5 5. 5范圍內，開始序批式進料，起始容積有機負荷率不大于IOgvs · L—1 · cf1，水力停留時間HRT = 3 5天，按照OLR為IOgvs · L-1 · cf1 18gvs · L-1 · cf1不斷提升容積有機負荷率。
4.按照權利要求1或2的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，產甲烷相反應器采用厭氧污泥床式反應裝置，反應溫度控制在中溫35士 1，產甲烷相啟動時，按照反應器所設定的有效容積加滿厭氧消化菌種，作為產甲烷菌源，菌種在實際運行溫度下適應3天后，單獨用物料的汁液馴化，起始進料負荷設定在0. 5 1. Ogvs · L—1 · cf1范圍內，2 3周后，系統的 PH穩定在7. 2 7. 6范圍內，開始加入酸化相出料；此后將酸化相出料和步驟(1)的汁液作為產甲烷相進料，按照OLR = Igvs · Γ1 · cf1 5. 5gvs · Γ1 · cf1逐步提升容積有機負荷率，水力停留時間從30天到10天逐步縮短。
5.按照權利要求1或2的方法，其特征在于，步驟(1)生物質物料中汁液總體積b、固形物在步驟( 產生的總的酸化相為體積a，那么步驟C3)產甲烷相進料中酸化相與汁液的體積比為a b。
6.按照權利要求3的方法，其特征在于，步驟⑵中按照OLR=IOgvs · L—1 · cf1、 12gvs · Γ1 · (T、14gvs · Γ1 · (T、16gvs · Γ1 · (T、18gvs · Γ1 · cf1，HRT 均為 4 天，不斷提升容積有機負荷率。
7.按照權利要求4的方法，其特征在于，步驟(3)中按照OLR=Igvs-L-1.^1, HRT = 30 天，2gvs · L—1 · d—1、HRT = 20 天，3gvs · L—1 · d—1、HRT = 20 天，4gvs · L—1 · d—1、HRT = 20 天，5gvs · L-1 · cf1、· = 20天，5. 5gvs · L-1 · cf1、· = 10天的步驟逐步提升容積有機負荷率。
全文摘要
一種通過生物相分離和優化技術提高生物質廢物厭氧消化性能的方法，屬于固體廢棄物處理與資源化技術領域。該技術的特點是將物料的固體殘渣和汁液分別進行不同條件下的厭氧消化處理，液相直接進入產甲烷反應器，而固形物進入酸化反應器，通過兩相厭氧消化的酸化相啟動優化，然后再進入產甲烷反應器，優化酸化/甲烷化相間質量分配，實現酸化相和產甲烷相的耦合聯動，保證不同物料組分的充分均勻的降解，還可以提高微生物體系的pH緩沖量，從而大大提高整個系統的進料負荷，減小反應器體積，降低處理成本，提高系統的轉化效率。
文檔編號C12P5/02GK102559771SQ20121000658
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者劉研萍, 朱保寧, 李秀金, 蔡文婷, 袁海榮, 鄒德勛 申請人:北京化工大學