申請日2014.10.20

　　公開(公告)日2015.02.25

　　IPC分類號C12P5/02; C02F11/04; C12P3/00

　　摘要

　　本發(fā)明公開了一種污泥和餐廚垃圾混合發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，包括產(chǎn)氫接種污泥曝氣預(yù)處理和產(chǎn)甲烷接種污泥厭氧馴化培養(yǎng);污泥與破碎餐廚垃圾以優(yōu)化比例混合;產(chǎn)氫反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器有效體積比為1：5.5;產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器采用間歇投配方式進(jìn)料，產(chǎn)甲烷反應(yīng)器出泥按照與進(jìn)料體積比1:1回流到產(chǎn)氫反應(yīng)器;產(chǎn)氫反應(yīng)器溫度為55℃、pH值5.0-5.5、水力停留時間0.8-3.3d;產(chǎn)甲烷反應(yīng)器溫度為37℃、pH值7.0-7.5、水力停留時間4.5-18d;投加K2HPO4以提高反應(yīng)器的堿度和緩沖能力。本發(fā)明的主要目的在于開發(fā)簡單有效的兩相厭氧發(fā)酵工藝，在較少藥劑投加的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高效穩(wěn)定的產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷過程，同時達(dá)到處理污泥和餐廚垃圾兩種有機固體廢棄物的目的。

 
　　權(quán)利要求書

　　1.一種污泥和餐廚垃圾混合發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，包括以下步驟：

　　步驟一、將產(chǎn)氫接種污泥進(jìn)行曝氣預(yù)處理，將產(chǎn)甲烷接種污泥進(jìn)行厭氧馴化培養(yǎng);

　　步驟二、將污泥與破碎的餐廚垃圾按照餐廚垃圾占總揮發(fā)性固體質(zhì)量百分比為54%的 比例進(jìn)行混合;

　　步驟三、搭建包括有產(chǎn)氫反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷發(fā)酵裝置，其中，產(chǎn)氫 反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的有效體積比為1：5.5，接種產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷污泥，加入發(fā)酵底物， 經(jīng)過一個月的適應(yīng)馴化期，開始運行產(chǎn)氫反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器;

　　產(chǎn)氫反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器運行的工藝條件如下：

　　產(chǎn)氫反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器采用間歇投配的方式進(jìn)料，混合基質(zhì)用進(jìn)料泵送入產(chǎn)氫反 應(yīng)器，同時產(chǎn)氫反應(yīng)器中的固液相產(chǎn)物直接進(jìn)入產(chǎn)甲烷反應(yīng)器，產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的出泥按照 與進(jìn)料體積比為1:1回流到產(chǎn)氫反應(yīng)器;

　　產(chǎn)氫反應(yīng)器的溫度為55℃、pH值為5.0-5.5、水力停留時間為0.8-3.3d;產(chǎn)甲烷反應(yīng)器 的溫度為37℃、pH值為7.0-7.5、水力停留時間為4.5-18d。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種污泥和餐廚垃圾混合發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，其中，通 過投加K2HPO4控制產(chǎn)氫反應(yīng)器的pH值。

　　說明書

　　一種污泥和餐廚垃圾混合發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種環(huán)保領(lǐng)域的餐廚垃圾和污泥的處理及氫氣和甲烷的生產(chǎn)方法。特別是 涉及一種利用固體廢物連續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的方法。

　　背景技術(shù)

　　面對日益枯竭的化石燃料資源及其燃燒造成的大氣污染，開發(fā)高效無污染的清潔能源 尤為重要。氫氣是單位質(zhì)量熱值最高的氣體，其燃燒產(chǎn)物只有水，無溫室氣體產(chǎn)生，故氫 氣是最理想的能源物質(zhì)。目前，氫氣的制備方法主要是化學(xué)法，電解法、水煤氣變換法及 水蒸氣重整法，其原理是從化合狀態(tài)存在的水或烴類物質(zhì)中制取氫氣。這些氫氣制備方法 具有能耗高、設(shè)備要求高和產(chǎn)率低等的不足，并且部分氫氣的制備原料本身即是可直接利 用的燃料，故開發(fā)低能耗制取方法以及利用可再生原料是最具前景的制氫發(fā)展方向。生物 制氫法在較溫和的環(huán)境中，利用微生物的代謝作用消耗有機質(zhì)產(chǎn)生氫氣及其他代謝產(chǎn)物， 能夠極大地降低產(chǎn)氫能耗。厭氧暗發(fā)酵制氫與其他生物制氫法相比具有氫氣產(chǎn)率高、不需 外加光源、有效處理難降解有機質(zhì)等優(yōu)勢，是最具發(fā)展?jié)撡|(zhì)的生物制氫法。

　　污泥是污水處理過程中的副產(chǎn)物，隨著污水處理廠的新建和現(xiàn)有污水處理廠升級改造 進(jìn)程的不斷加快，污泥的排放量逐年增加。污泥含水率高、攜帶大量病原微生物及重金屬 等物質(zhì)，其處理處置是污水處理廠的難題之一。作為厭氧發(fā)酵基質(zhì)，污泥的碳氮比低，易 降解有機質(zhì)含量低，故氫氣和甲烷產(chǎn)率較低，如何提高產(chǎn)氣效率仍然是污泥厭氧發(fā)酵的研 究難點。

　　在我國，餐廚垃圾排放量大、含水率高、不便運輸，易造成腐爛惡臭及其他不良的環(huán) 境影響，故亟需對餐廚垃圾進(jìn)行有效地處理。餐廚垃圾單獨發(fā)酵容易造成酸化過快的現(xiàn)象， 嚴(yán)重影響氣體產(chǎn)率，為了維持餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)氫反應(yīng)器的pH穩(wěn)定，需要投加大量化學(xué)藥劑。 有研究指出，在兩相厭氧發(fā)酵過程中，將產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的出水回流到產(chǎn)氫反應(yīng)器是一個維 持產(chǎn)氫反應(yīng)器pH穩(wěn)定的方法。以餐廚垃圾為基質(zhì)的兩相發(fā)酵工藝中，利用出水回流能夠?qū)?產(chǎn)氫反應(yīng)器的pH維持在5.3且無需外加堿度(T.Kobayashi,et al.Effect of sludge recirculation on characteristics of hydrogen production in a two-stage hydrogen–methane fermentation process treating food wastes[J].International Journal of Hydrogen Energy,2012,37(7),5602-5611.)。然 而在該文獻(xiàn)中，回流比必須達(dá)到2.9或者加入約20g-NaOH/d才能維持產(chǎn)氫反應(yīng)器的pH， 而較高的回流量不僅增加了運行費用還降低了產(chǎn)氫反應(yīng)器的有效體積。對于進(jìn)一步維持餐 廚垃圾產(chǎn)氫反應(yīng)體系pH并降低運行費用和藥劑消耗等方面的研究仍較少。

　　批式試驗證明，污泥和餐廚垃圾混合發(fā)酵對發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷具有促進(jìn)作用(X.Liu,et al. Hydrogen and methane production by co-digestion of waste activated sludge and food waste in the two-stage fermentation process:Substrate conversion and energy yield[J].Bioresource Technology,2013,146,317-323.)。目前，污泥與餐廚垃圾混合發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷主要集中在中 溫條件(35℃或37℃)。然而由于污泥難降解并且含有多種微生物，在中溫條件下，兩相反 應(yīng)器需要低負(fù)荷運行(Z.Siddiqui,et al.Energy optimization from co-digested waste using a two-phase process to generate hydrogen and methane[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(8),4792-4799.)，并且在產(chǎn)氫反應(yīng)器中容易滋生耗氫甲烷菌，需要定期采取 措施抑制產(chǎn)甲烷過程(Zhu H,et al.Eliminating methanogenic activity in hydrogen reactor to improve biogas production in a two-stage anaerobic digestion process co-digesting municipal food waste and sewage sludge[J].Bioresource technology,2011,102(14):7086-7092.)。利用污泥 與餐廚垃圾高溫發(fā)酵產(chǎn)氫的研究較少，而高溫條件更有利于有機物的水解酸化并能抑制耗 氫過程。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的主要目的在于開發(fā)簡單有效的兩相厭氧發(fā)酵工藝，在較少的藥劑投加的基礎(chǔ) 上，實現(xiàn)高效穩(wěn)定的產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷過程，同時達(dá)到處理污泥和餐廚垃圾兩種有機固體廢棄物 的目的。

　　為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

　　本發(fā)明提供一種污泥和餐廚垃圾混合發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，包括以下步驟：

　　步驟一、將產(chǎn)氫接種污泥進(jìn)行曝氣預(yù)處理，將產(chǎn)甲烷接種污泥進(jìn)行厭氧馴化培養(yǎng);

　　步驟二、將污泥與破碎的餐廚垃圾按照優(yōu)化的混合比例進(jìn)行混合，即餐廚垃圾占總揮 發(fā)性固體質(zhì)量百分比為54%;

　　步驟三、搭建包括有產(chǎn)氫反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷發(fā)酵裝置，其中，產(chǎn)氫 反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的有效體積比為1：5.5，接種產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷污泥，加入發(fā)酵底物， 經(jīng)過一個月的適應(yīng)馴化期，開始運行產(chǎn)氫反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器;

　　產(chǎn)氫反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器運行的工藝條件如下：

　　反應(yīng)器的進(jìn)料和回流方式：產(chǎn)氫反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器采用間歇投配的方式進(jìn)料，即 混合基質(zhì)用進(jìn)料泵送入產(chǎn)氫反應(yīng)器，同時產(chǎn)氫反應(yīng)器中的固液相產(chǎn)物直接進(jìn)入產(chǎn)甲烷反應(yīng) 器，產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的出泥按照與進(jìn)料體積比為1:1回流到產(chǎn)氫反應(yīng)器;

　　反應(yīng)器運行方式及連續(xù)產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷：其中，產(chǎn)氫反應(yīng)器的溫度為55℃、pH值為5.0-5.5、 水力停留時間為0.8-3.3d;產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的溫度為37℃、pH值為7.0-7.5、水力停留時間為 4.5-18d;為了維持產(chǎn)氫反應(yīng)器pH值，可以通過投加一定量的K2HPO4，以提高反應(yīng)器的堿 度和緩沖能力。

　　與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

　　本發(fā)明利用污泥和餐廚垃圾制取氫氣和甲烷，既減少了有機固體廢棄物排放所造成的 環(huán)境污染，又利用可再生資源創(chuàng)造了清潔能源。本發(fā)明利用混合基質(zhì)的協(xié)同作用優(yōu)化厭氧 發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷工藝，增加產(chǎn)氣量，降低運行成本。一方面餐廚垃圾含有大量易降解有機 物促進(jìn)污泥發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷，通過混合發(fā)酵平衡發(fā)酵基質(zhì)的碳氮比，有利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣; 另一方面利用污泥中大量pH緩沖物質(zhì)彌補餐廚垃圾堿度不足的缺點，通過產(chǎn)甲烷反應(yīng)器出 水回流的方式緩解產(chǎn)氫反應(yīng)器酸化過快現(xiàn)象，使得混合發(fā)酵與單獨餐廚垃圾發(fā)酵相比，回 流比及外加堿度均較低，進(jìn)而減少了運行成本。此外，本發(fā)明利用高溫產(chǎn)氫與中溫產(chǎn)甲烷 聯(lián)合的兩相厭氧發(fā)酵工藝處理餐廚垃圾和污泥，大大降低了水力停留時間，縮小了發(fā)酵罐 總體積，有效地分離產(chǎn)氫階段和產(chǎn)甲烷階段，并獲得穩(wěn)定、高產(chǎn)率的氫氣和甲烷。