專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種提高餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氫氣量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種能提高餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氫氣量的方法，具體是利用馴化的顆粒污泥為接種物，餐廚垃圾為發(fā)酵底物，不需要對(duì)顆粒污泥進(jìn)行熱處理(90~100°C，20~30分鐘)就能提高餐廚垃圾的氫氣產(chǎn)率。屬于固體廢物資源化領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：餐廚垃圾是城市生活垃圾中有機(jī)相的主要來(lái)源，一般產(chǎn)生于企事業(yè)單位、學(xué)校、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)、超市以及餐飲服務(wù)行業(yè)。以北京、上海、廣州等大城市為例，其餐廚垃圾日產(chǎn)量均超過(guò)了1000噸。餐廚垃圾以淀粉類(lèi)、食物纖維類(lèi)、動(dòng)物脂肪類(lèi)等有機(jī)物質(zhì)為主要成分，具有高水分、高油脂、高鹽分以及易腐發(fā)臭、易生物降解等特點(diǎn)。我國(guó)的餐廚垃圾除了用作詞養(yǎng)生豬外，絕大部分都是以填埋的形式處理，不僅占用了大量寶貴的土地資源，而且污染周邊環(huán)境。目前，餐廚垃圾的處理為厭氧發(fā)酵工藝，該技術(shù)源于工業(yè)污水、污泥的厭氧處理，是一種較成熟的應(yīng)用技術(shù)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于餐廚垃圾的厭氧處理也屢見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。餐廚垃圾厭氧生物處理的優(yōu)點(diǎn)在于厭氧微生物的高有機(jī)負(fù)荷承受能力，全封閉的生物反應(yīng)器減少了處理過(guò)程對(duì)環(huán)境的二次污染，更為重要的是在處理廢棄物的同時(shí)回收生物質(zhì)能(氫氣、甲垸)。這對(duì)于能源日益緊張的現(xiàn)今社會(huì)具有更為重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外，隨著社會(huì)對(duì)氫氣這一清潔能源需求量的增加，以及氫能利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)，利用餐廚垃圾為原料的生物制氫技術(shù)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。餐廚垃圾的生物制氫是基于碳水化合物在水解酸化過(guò)程中伴隨氫氣產(chǎn)生這一原理進(jìn)行的。由于餐廚垃圾中富含碳水化合物，因此從技術(shù)上講餐廚垃圾厭氧消化制氫可行性高。但是碳水化合物在水解酸化過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣極易被產(chǎn)甲垸菌及其他耗氫微生物利用，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為具有溫室效應(yīng)的甲垸氣體或其他物質(zhì)，因此，為了提高餐廚垃圾的水解酸化過(guò)程的氫氣凈得率，往往對(duì)餐廚垃圾生物產(chǎn)氫過(guò)程進(jìn)行一定的預(yù)處理措施，其目的在于滅除耗氫微生物。常用的預(yù)處理措施主要是接種物的熱處理、添加化學(xué)藥劑。接種物的熱處理操作方法一般為將接種物在90~100'C條件下加熱20~60分鐘，以滅除耗氫微生物、獲取可產(chǎn)生孢子的桿狀產(chǎn)氫菌。熱處理可以較為有效的去除耗氫微生物，一定程度上提高氫氣的產(chǎn)率，但是上述操作較為復(fù)雜，尤其是在較大規(guī)模下運(yùn)行時(shí)需要增加特定的設(shè)備，并且其自身的能耗高，從而造成了處理成本的增加(添加可以抑制部分耗氫菌的活性的特定的化學(xué)藥劑，這些化學(xué)藥劑包括甲硝唑類(lèi)抗生素、表面活性劑等等)。另外，化學(xué)藥劑的使用可以一定程度的提高氫氣的產(chǎn)率的同時(shí)，它們的降解效率低，發(fā)酵物料中往往殘留大量未降解的化學(xué)添加劑，影響了發(fā)酵物料的后續(xù)處理效果，例如后續(xù)的甲烷發(fā)酵過(guò)程常常因表面活性劑、甲硝唑的存在受到較大的影響。在不采用污泥熱處理方法以及不采用任何添加劑的餐廚垃圾產(chǎn)氫報(bào)導(dǎo)中，氫氣的產(chǎn)率一般為6070mLH2/g餐廚垃圾(干重)。目前國(guó)內(nèi)的科技文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)中，餐廚垃圾生物制氫所采用的污泥并非為厭氧顆粒污泥，絕大多數(shù)均采用的是城市污水處理廠(chǎng)的廢棄污泥。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)"一種礦化垃圾協(xié)同泔腳廢物和污泥聯(lián)合產(chǎn)氫的方法"，申請(qǐng)?zhí)枮?00610027750.3就是采用污水廠(chǎng)濃縮池污泥，以及礦化垃圾，泔腳廢物破碎混合，并采取干熱滅菌或濕熱滅菌(100°C~200°C，0.5~2h)的方法進(jìn)行預(yù)處理，于25。C55。C恒溫條件下進(jìn)行發(fā)酵，產(chǎn)生氫氣。該方法存在的問(wèn)題是成本較高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、產(chǎn)氣率高的餐廚垃圾厭氧消化生產(chǎn)氫氣的方法。特點(diǎn)是利用厭氧顆粒污泥為接種物，無(wú)需對(duì)污泥加熱、無(wú)需添加任何化學(xué)藥劑的方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明對(duì)厭氧顆粒污泥進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該顆粒污泥中含有大量的水解、酸化菌、產(chǎn)甲垸菌，這些微生物的共存形成了復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。餐廚垃圾在厭氧顆粒污泥的作用下，其厭氧降解過(guò)程可以被分為四個(gè)階段水解階段、酸化階段、產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲垸階段，每個(gè)階段的任務(wù)都由特定的微生物菌群(水解發(fā)酵細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌、同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌以及產(chǎn)甲烷菌群)來(lái)完成。因此，本發(fā)明采用厭氧顆粒污泥為餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氫的接種物，在產(chǎn)氫過(guò)程前無(wú)須對(duì)厭氧顆粒污泥進(jìn)行熱處理，也不需要在厭氧消化過(guò)程中添加任何添加物，通過(guò)控制餐廚垃圾和顆粒污泥的用量比，以及控制厭氧消化過(guò)程的時(shí)間，使發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生有機(jī)酸抑制顆粒污泥中的甲烷菌，使厭氧消化過(guò)程終止于產(chǎn)甲烷階段之前，從而提高了厭氧消化過(guò)程中副產(chǎn)物氫氣的凈得率，使采用本發(fā)明方法氫氣產(chǎn)率可達(dá)到93mLH2/g餐廚垃圾(干重)。本發(fā)明是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的第一步，對(duì)顆粒污泥進(jìn)行馴化先按照顆粒污泥餐廚垃圾=1份干重0.20.4份干重量取，將顆粒污泥置于玻璃瓶?jī)?nèi)，加入餐廚垃圾并向瓶?jī)?nèi)充入氮?dú)饣驓鍤猓芊馄靠?，?20。C下靜置培養(yǎng)，當(dāng)pH降至4.55.5時(shí)，結(jié)束馴化，待用；第二步，餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氫先按照餐廚垃圾第一步馴化好的顆粒污泥=1份干重0.0590.294份干重量取，然后將它們置于容器內(nèi)，混合均勻，充入氮?dú)饣驓鍤夂竺芊?，?05CTC下，采用速率為100130轉(zhuǎn)/分鐘條件下震蕩或攪拌方式開(kāi)始厭氧消化，氫氣產(chǎn)率為65.63mLH2/gVS94.04mLH2/gVS;氫氣停止產(chǎn)生后，剩余的尾料進(jìn)行后續(xù)的甲烷發(fā)酵，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄?。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)1.由于本發(fā)明對(duì)厭氧顆粒污泥進(jìn)行了短暫馴化，抑制絕大部分甲垸菌的活性，并通過(guò)改變餐廚垃圾于顆粒污泥的用量比例，利用餐廚垃圾在水解酸化過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸進(jìn)一步更為有效的抑制甲垸菌活性，從而提高了餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中的氫氣產(chǎn)率，達(dá)到94.04mLH2/gVS。2.本發(fā)明通過(guò)42(TC常溫短時(shí)間馴化，就能使餐廚垃圾在水解酸化菌的作用下轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸并伴隨有大量的氫氣產(chǎn)生，此時(shí)由于大量有機(jī)酸的存在使甲烷菌受到顯著抑制，體系中無(wú)甲烷產(chǎn)生，與現(xiàn)有技術(shù)采用在90100。C條件下進(jìn)行2030分鐘的污泥常規(guī)熱處理比較，本發(fā)明大幅縮減了生產(chǎn)成本。3.相對(duì)于采用表面活性劑、抗生素添加劑促進(jìn)產(chǎn)氫的工藝而言，本發(fā)明未添加任何化學(xué)物質(zhì)，因此當(dāng)厭氧消化體系中氫氣停止產(chǎn)生后，剩余的尾料可進(jìn)行后續(xù)的甲烷發(fā)酵，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄椤?.在不采用污泥熱處理方法以及不采用任何添加劑的餐廚垃圾產(chǎn)氫報(bào)導(dǎo)中，氫氣的產(chǎn)率一般為6070mLH2/g餐廚垃圾(干重)，而采用本方法氫氣產(chǎn)率可達(dá)到93mLH2/g餐廚垃圾(干重)，產(chǎn)氣量顯著上升。5.本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，當(dāng)餐廚垃圾固含量為非恒定值時(shí)，僅需調(diào)整顆粒污泥濃度即可保證達(dá)到最佳產(chǎn)氫量，因此對(duì)于餐廚垃圾的規(guī)?；锂a(chǎn)氫有明顯的便利之處。6.本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，工藝成本明顯低，便于在工業(yè)化規(guī)模的餐廚垃圾生物制氫工程中應(yīng)用。圖1為本發(fā)明的工藝流程2為本發(fā)明的A1-E1五種反應(yīng)體系內(nèi)氫氣的產(chǎn)率圖圖3為本發(fā)明的A2-E2五種反應(yīng)體系內(nèi)氫氣的產(chǎn)率圖具體實(shí)施方式實(shí)施例1.請(qǐng)參閱附圖1。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先對(duì)顆粒污泥進(jìn)行馴化。馴化步驟為按照顆粒污泥餐廚垃圾=1份干重0.20.4份干重量取，將顆粒污泥置于玻璃瓶?jī)?nèi)，加入餐廚垃圾并向瓶?jī)?nèi)充入氮?dú)饣驓鍤?，密封瓶口，?2(TC下靜置培養(yǎng)，當(dāng)pH降至4.55.5時(shí)，結(jié)束馴化，待用。為了更好的了解在本工藝條件下熱處理以及非熱處理方法對(duì)產(chǎn)氫的影響，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)組取5個(gè)300ml血清瓶，每個(gè)瓶?jī)?nèi)稱(chēng)取破碎后的餐廚垃圾7.8g(干重)，然后分別向每個(gè)瓶?jī)?nèi)裝入馴化好的0.46、0.92、1.38、1.84、2.30g污泥(干重)，然后向各瓶?jī)?nèi)加入蒸餾水將5個(gè)血清瓶?jī)?nèi)顆粒污泥濃度分別調(diào)節(jié)到4.6;9.2;13.8;18.4;23g(干重)/L。隨后充入惰性氣體、封瓶。置于4050。C恒溫振蕩箱內(nèi)，振蕩速率100130轉(zhuǎn)/分鐘。特設(shè)一個(gè)對(duì)照組，對(duì)照組采用了在9010(TC條件下進(jìn)行20~30分鐘的污泥常規(guī)熱處理方法對(duì)顆粒污泥進(jìn)行預(yù)處理，但其余實(shí)驗(yàn)條件均與實(shí)驗(yàn)組相同。實(shí)驗(yàn)定期用采樣針從瓶?jī)?nèi)采集氣體，同時(shí)用氣相色譜測(cè)定氣體中的各個(gè)組分及其含量。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所示。6表l餐廚垃圾與顆粒污泥用量比對(duì)生物制氫過(guò)程產(chǎn)氫率的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由上述圖表可知，當(dāng)反應(yīng)體系內(nèi)餐廚垃圾濃度恒定在77.85g/L時(shí)(干重，以餐廚垃圾所含固形物VS計(jì)、g/L，下文均表示千重)，隨著顆粒污泥濃度從4.6上升到23g/L(干重，以污泥所含固形物VS計(jì)、g/L，下文均表示干重)，最終產(chǎn)氫量出現(xiàn)了明顯增加、氫氣產(chǎn)率有顯著的提高，厭氧消化過(guò)程的產(chǎn)氫滯后時(shí)間也大大縮短。與進(jìn)行了顆粒污泥熱處理的對(duì)照實(shí)驗(yàn)組相比，對(duì)照實(shí)驗(yàn)組將厭氧顆粒污泥在90'C條件下加熱30分鐘以收獲可以產(chǎn)生孢子的桿狀產(chǎn)氫細(xì)菌。在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)照實(shí)驗(yàn)組氫氣產(chǎn)率僅僅在5-10mLH2/gVS。對(duì)照實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氫效果差的原因在于顆粒污泥中的微生物菌群相對(duì)單一，熱處理殺滅了包括產(chǎn)氫菌在內(nèi)的大量微生物，所以造成了產(chǎn)氫的失敗。同時(shí)也證明了在厭氧生物制氫中常常采用的污泥熱處理方法不僅適用于城市污水廠(chǎng)剩余污泥(非顆粒污泥)，而不適用于污水廠(chǎng)厭氧處理設(shè)施所產(chǎn)生的顆粒污泥。在實(shí)施例1中，實(shí)驗(yàn)組的最佳產(chǎn)氫率為94.04mL/gVS，對(duì)應(yīng)的餐廚垃圾濃度、顆粒污泥濃度以及用量比分別為77.85g/L、18.4g/L、4.23:1。實(shí)施例2.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先對(duì)顆粒污泥進(jìn)行馴化。馴化步驟為按照顆粒污泥餐廚垃圾=1份干重0.20.4份干重量取，將顆粒污泥置于玻璃瓶?jī)?nèi)，加入餐廚垃圾并向瓶?jī)?nèi)充入氮?dú)饣驓鍤猓芊馄靠?，?2(TC下靜置培養(yǎng)，當(dāng)pH降至4.55.5時(shí)，結(jié)束馴化，待用。為了更好的了解在本工藝條件下熱處理以及非熱處理方法對(duì)產(chǎn)氫的影響，本實(shí)驗(yàn)也設(shè)置了對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)組取5個(gè)300ml血清瓶，每個(gè)瓶?jī)?nèi)稱(chēng)取破碎后的餐廚垃圾7.8g(干重)，然后分別向每個(gè)瓶?jī)?nèi)裝入馴化好的0.46、0.92、1.38、1.84、2.30g顆粒污泥(干重)，隨后充入惰性氣體、封瓶。置于405(TC恒溫振蕩箱內(nèi)，振蕩速率100130轉(zhuǎn)/分鐘。與實(shí)驗(yàn)組不同的是，對(duì)照組采用了熱處理方法對(duì)顆粒污泥進(jìn)行預(yù)處理，但其余實(shí)驗(yàn)條件均與實(shí)驗(yàn)組相同。實(shí)驗(yàn)定期用采樣針從瓶?jī)?nèi)采集氣體，同時(shí)用氣相色譜測(cè)定氣體中的各個(gè)組分及其含量。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所示。表2餐廚垃圾與污泥用量比對(duì)生物制氫過(guò)程產(chǎn)氫率的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實(shí)施例2中5個(gè)反應(yīng)體系內(nèi)餐廚垃圾濃度、顆粒污泥濃度與實(shí)施例1中5個(gè)反應(yīng)體系內(nèi)餐廚垃圾濃度、顆粒污泥濃度均不同，但是實(shí)施例1中Al、Bl、Cl、Dl、El這5個(gè)反應(yīng)體系的餐廚垃圾用量與顆粒污泥的用量比例均分別與實(shí)施例2中A2、B2、C2、D2、E2反應(yīng)體系內(nèi)餐廚垃圾用量與污泥的用量比例相同。在實(shí)施例2中，當(dāng)反應(yīng)體系A(chǔ)2內(nèi)餐廚垃圾濃度為129.75g/L，餐廚垃圾與顆粒污泥用量比為16.9:1時(shí)，氫氣產(chǎn)率僅為1.16mLH2/gVS。而反應(yīng)體系B2、C2、D2、E2的氫氣產(chǎn)率分別為70.71、68.02、79.55、67.71mLH2/gVS?？梢钥闯鰧?shí)施例2中反應(yīng)體系A(chǔ)2的產(chǎn)氫率明顯低于實(shí)施例2中其他反應(yīng)體系，其原因主要是因?yàn)椴蛷N垃圾用量與顆粒污泥的用量比例過(guò)高，酸化過(guò)程加劇，從而導(dǎo)致氫氣產(chǎn)率的極具下降。為了更好的了解在本工藝條件下熱處理以及非熱處理方法對(duì)產(chǎn)氫的影響，實(shí)施例2中也設(shè)置了采用污泥熱處理的對(duì)照組，在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)照實(shí)驗(yàn)組氫氣產(chǎn)率在0.3-2.4mLH2/gVS。此結(jié)果再次證明污泥熱處理促進(jìn)氫氣產(chǎn)生的方法不適用于顆粒污泥。在實(shí)施例2中的實(shí)驗(yàn)組中我們發(fā)現(xiàn)隨著餐廚垃圾濃度的下降以及餐廚垃圾與顆粒污泥用量比的上升，厭氧消化過(guò)程的氫氣產(chǎn)量有明顯的提高。當(dāng)反應(yīng)體系內(nèi)餐廚垃圾濃度為86.50g/L，顆粒污泥濃度為20.44g/L時(shí)，產(chǎn)氫率達(dá)到最高值79.55mLH2/gVS，而此時(shí)餐廚垃圾與顆粒污泥用量比為同樣是4.23:1,該值與實(shí)施例1中產(chǎn)氫率達(dá)到最高值時(shí)餐廚垃圾與污泥的用量比相同。通過(guò)實(shí)施例1、2可以發(fā)現(xiàn)，即使餐廚垃圾濃度、顆粒污泥濃度出現(xiàn)波動(dòng)，只要餐廚垃圾與顆粒污泥用量比在4.23:1時(shí)，厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氫效率最高。綜上所述，使用厭氧顆粒污泥為接種物，可以在不采用顆粒污泥熱處理時(shí)，使餐廚垃圾厭氧消化生物制氫成為可能。而常規(guī)的餐廚垃圾生物制氫方法往往采用城市污水廠(chǎng)污泥為接種物，并且必須對(duì)污泥進(jìn)行熱處理。本方法與常規(guī)方法相比操作簡(jiǎn)單、能耗低、效果好。權(quán)利要求1.一種提高餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氫氣量的方法，其特征在于第一步，對(duì)顆粒污泥進(jìn)行馴化先按照顆粒污泥餐廚垃圾＝1份干重0.2～0.4份干重量取，將顆粒污泥置于玻璃瓶?jī)?nèi)，加入餐廚垃圾并向瓶?jī)?nèi)充入氮?dú)饣驓鍤?，密封瓶口，?～20℃下靜置培養(yǎng)，當(dāng)pH降至4.5～5.5時(shí)，結(jié)束馴化，待用；第二步，餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氫先按照餐廚垃圾第一步馴化好的顆粒污泥＝1份干重0.059～0.294份干重量取，然后將它們置于容器內(nèi)，混合均勻，充入氮?dú)饣驓鍤夂竺芊?，?0～50℃下，采用速率為100～130轉(zhuǎn)/分鐘震蕩或攪拌方式開(kāi)始厭氧消化，氫氣產(chǎn)率為65.63mL/gVS～94.04mL/gVS；氫氣停止產(chǎn)生后，剩余的尾料進(jìn)行后續(xù)的甲烷發(fā)酵，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄?。全文摘要一種提高餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氫氣量的方法，涉及一種餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氫氣量的方法。先按顆粒污泥∶餐廚垃圾＝1∶0.2～0.4份干重量取，將它們加入瓶?jī)?nèi)并充入氮?dú)饣驓鍤?，密封，?～20℃下靜置培養(yǎng)，當(dāng)pH降至4.5～5.5時(shí)，結(jié)束馴化，待用；再按餐廚垃圾∶馴化好的顆粒污泥＝1份干重∶0.059～0.294份干重量取后將它們置于容器內(nèi)，混勻，充入氮?dú)饣驓鍤夂竺芊?，?0～50℃下，速率為100～130轉(zhuǎn)/分鐘震蕩或攪拌開(kāi)始厭氧消化，氫氣產(chǎn)率為65.63mL/gVS～94.04mL/gVS；氫氣停止產(chǎn)生后，余料進(jìn)行后續(xù)的甲烷發(fā)酵，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄?。本發(fā)明具有能耗低，成本低，熱值凈輸出率高的特點(diǎn)，用本發(fā)明氫氣產(chǎn)率可達(dá)到93mL/g餐廚垃圾(干重)，比現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)氫率上升20～30％。文檔編號(hào)C12P3/00GK101250554SQ20081003544公開(kāi)日2008年8月27日申請(qǐng)日期2008年4月1日優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日發(fā)明者明李,牛冬杰,星王,峰秦,趙愛(ài)華,趙由才申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)