一种用于餐厨、果蔬垃圾的自固定化生物膜高效厌氧消化方法

摘要

一种用于餐厨、果蔬垃圾的自固定化生物膜高效厌氧消化方法涉及有机物厌氧消化领域的厌氧消化技术领域。现有技术通过包埋、交联以及结合等方法形成的固定化载体技术，在应用于成分复杂的厌氧消化基质时，虽然可以获得较好的消化效果，但载体容易破碎，使用时间短，成本较高。本发明借助一种聚乙烯或聚丙烯三层空心圆形聚乙烯或聚丙烯三层空心圆形填料，利用微生物自生长特性，通过以顺搅拌桨运行方向固定成螺旋形后，在有机负荷率为1-3.25gVS·L

说明书

技术领域：

本发明涉及一种厌氧消化系统中厌氧微生物富集的固定化的方法，特 别是厌氧发酵微生物通过自生长、吸附的方式与固定载体材料形成的 固定化生物膜用于餐厨、果蔬等有机生活垃圾的高效厌氧消化的方法 。

背景技术：

进入21世纪以来，随着世界经济、工业以及人口的快速发展，环境污 染日趋严重、可利用的自然资源逐日递减，世界各国对固体废弃物的 处理已经从简单的处置转向高值资源化利用，其中以有机物的资源化 利用为重点，受到各国政府的重视和学者的研究。

随着国家”十二五”规划的出台，节能环保作为七大战略性产业之首 ，国家环境部也把固体废弃物处理与资源化作为环保重点方向。结合 我国生活垃圾含水率高、有机含量高、易腐败等特点，需开发符合我 国国情的生活垃圾处理设备、工艺与技术。厌氧消化技术效率高，资 源化利用率高，对节能减排效果明显，应该大力支持推广。

作为厌氧消化系统的核心，厌氧消化反应器要顺利启动并稳定运行， 较高的微生物量是一个先决条件。生物量即活性污泥浓度，活性污泥 浓度过高或过低都会影响底物的转化率。若活性污泥浓度较低，则污 泥进料负荷率就会升高，很有可能会引起污泥超过进料负荷现象，从 而影响到有机物的去除率和系统运行的稳定性；若活性污泥浓度较高 ，则相当于需要去除的有机物量变少，将会影响到微生物处理能力的 有效发挥，甚至有可能会出现微生物“自溶”现象。因此，任何系统 的活性污泥接种量都需要在适当的范围内，过高或过低均不适宜。此 外，在厌氧消化系统中，活性污泥的活性，也对后续厌氧消化的速率 和效率的改善具有至关重要作用。传统的厌氧消化工艺中，通常采用 连续或者序批式进料方式，厌氧消化反应器中的接种物一般会随出料 部分流失，因此，厌氧消化系统对新进原料需要不断适应和稳定。在 稳定和适应过程中，系统消耗一定数量的基质用于菌体生长，因此， 传统的厌氧消化系统存在系统稳定差，转化效率低等问题。采用细胞 固定化技术，可以有效地将厌氧消化系统中的微生物保留反应器中， 同时固定化技术可以保证厌氧消化体系中较高的活性微生物数量，从 而可以获得较好的厌氧消化效率。目前，常用的细胞固定化的方法为 结合法，交联法和包埋法三大类，主要是将微生物固定在具有一定形 状的载体内部，以凝胶小球多为常见。然而，餐厨、果蔬等垃圾的成 分复杂。传统的固定化载体，在含多价阴离子（磷酸盐，柠檬酸盐、 硫酸盐等）以及在较高浓度的电解质（K⁺、Na⁺等） 溶液中不稳定，载体易变软，裂口、甚至溶解；在传统的全混合式（ CSTR）或者流化床式（UASB）厌氧消化系统中，容易出现搅伤，破碎 等等方面的问题。此外，传统的固定化方法中，载体的致密结构，这 不利于基质和细胞之间的物质传递，和产生气体的释放；这些问题的 存在一定程度上限制传统的固定化技术在厌氧发酵体系中的应用和发 展。

经现有技术的文献检索发现，中国专利申请号200810116806.1，发明 专利名称：一种厌氧发酵菌种活性污泥的固定化方法，该专利申请内 容涉及通过固体载体和浓缩活性污泥混合吸附后，置于交联剂中后， 烘干，制得固定化颗粒进一步交联和固化，获得可以用于餐饮有机废 弃物、秸秆、养殖场动物粪便以及其他有机废物的厌氧消化固定化载 体。从该专利的实例内容看，采用获得固定化活性污泥用于厌氧发酵 获得了较好的发酵效果，但最长运行时间为60天，整体时间不能满足 实际工程需要，同时涉及的固定化载体在制备工艺需消耗一定量的化 学试材，在一定程度上会增加厌氧消化生产沼气系统运行的成本。中 国环境科学，2002年22卷6期报道了一种固定化产甲烷菌用于厌氧发酵 生产甲烷的方法，其主要步骤包括以聚乙烯醇和海藻酸钠在水浴中溶 化冷却后，加入填充物和产甲烷菌浓缩物，搅拌均匀后，用注射器滴 入含2%氯化钙的饱和硼酸溶液，制成直径为1-4mm的颗粒，交联24h后 ，用于厌氧消化。获得固定化细胞载体最长使用时间为50天，同样不 能完全满足工程实际生产需求。中国给水排水，1999年15卷10期报道 一种借助载体材料，进行厌氧微生物固定，用于废水的厌氧消化处理 。涉及的厌氧微生物挂膜与固定的方法为，首先通过好氧微生物快速 繁殖并生成多糖的性能，在填料表面形成一层生物膜基，然后置于厌 氧消化反应器中，用于厌氧微生物附着、生长，此后用于厌氧消化。 该种利用载体进行微生物固定成膜的方式，在有机废水的厌氧处理过 程中表现出较好的抗冲击负荷能力，COD的去除率在90%以上，具有较 好的稳定性。但此法多适用于有机负荷较小的废水，而对于餐厨果蔬 垃圾有机负荷量较大的厌氧发酵体系其性能无法评估。此外，该法增 加了好氧膜基的培养过程，在实际工程中增加了该技术的运行成本。

发明内容：

本发明在克服现有技术的不足，提供工艺方法较为简单，适合于高有 机负荷量的厌氧消化。通过厌氧消化微生物的在固定的载体上自生长 -附着的方式将活性微生物以膜的形式固定在载体材料上，并通过自然 生长-吸附-脱落的方式在系统内提供足够数量的活性较高的厌氧微生 物体系。是一种厌氧消化性能稳定性，效率较高，运行寿命较长的自 固定化生物膜技术。将其在应用高有机负荷厌氧消化生产生物气的工 艺中，具有提高厌氧转化效率，降低生产成本的作用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明具体步骤如下：

1）. 取沼气工程或污水处理厂厌氧处理池底部活性污泥，先经20目 滤网粗滤去除较大的颗粒物和杂质，再经40目滤网，获得活性污泥用 于自固定化生物膜的筑膜接种物；

2）. 取有机生活垃圾经匀浆机粉碎匀浆后作为厌氧基质，用于培养 固定化生物膜以及厌氧发酵；

3）. 将步骤1）和步骤2）中获得的活性污泥和厌氧基质，按照体积 比1:1进行混合，并注入连续搅拌式厌氧消化反应器中；

4）. 选择径高为φ10×9mm - φ25×9mm圆柱型聚丙烯或聚乙烯材 质的三层空心圆填料作为生物膜形成与固定的载体，将该载体按照体 积装料量25%-35%（体积比）加载于上述连续搅拌式厌氧消化反应器中 ；填料的加载用线从上述填料的中心圆孔穿串，以螺旋形方式缠绕于 上述连续搅拌式厌氧消化反应器的搅拌桨上；

5）..密封连续搅拌式厌氧消化反应器，并通入氮气置换空气；

6）. 启动搅拌桨以转速120±10转/分钟，每3小时搅拌一次，每次搅 拌5min，在温度为35℃条件，有机负荷量为1-3.25gVS·L^-1·d^-1，进行 生物膜自固定，运行5-15天后，即可用于连续厌氧消化。

本发明的技术特点：本发明利用传统厌氧消化启动阶段，微生物在适 应过程中生长性能，结合搅拌式反应器的搅拌特征，将载体缠绕固定 在搅拌桨上，用于厌氧生物膜的形成和固定；此方法降低了传统生物 膜的耗氧培养过程，将载体固定，减少了生物膜的损坏和流失，同时 避免厌氧反应器在连续工作过程中载体堵塞管道。该方法工艺简单， 成本较低，载体使用寿命长，厌氧消化过程稳定，消化效果好，连续 运行时间长。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下实施实例：

实例1 本发明的不同直径载体用于自固定化生物膜

（一）材料

1. 活性污泥，取自北京市小红门污水处理厂厌氧消化池底部污泥；

2. 载体，三层空心圆形聚乙烯或聚丙烯填料；

3. 有机生活垃圾：餐厨垃圾，取自北京化工大学食堂泔水池；

4. 厌氧消化反应器：自制10L连续型搅拌式有机玻璃反应器；

（二）方法

1. 取活性污泥，先后经20目和40目滤网后，用于自固定化生物膜的 筑膜接种物；

2. 取餐厨垃圾，经匀浆机粉碎匀浆，用固定化生物膜培养基质和厌 氧发酵基质；分别取4L过滤后的活性污泥和4L发酵基质混合完全后， 泵注入连续搅拌式厌氧消化反应器中；

3. 选择直径为φ=10，15和25mm，高均为9mm圆柱型聚丙烯材质的三 层空心圆填料作为生物膜自固定化的载体，将该载体按照反应器装料 量的30%（体积比）用于自固定化生物膜的培育；

4.用直径为0.5-1mm尼龙线从填料的中心圆孔穿串，按厌氧消化反应器 搅拌桨转动方向，以螺旋形缠绕于搅拌桨上后，置入装有的培养基质 反应器中，密封并通入氮气置换空气30min；

5. 启动反应器的搅拌桨，以转速120±10转/分钟，每3小时搅拌一次 ，每次搅拌5min，在温度为35℃条件，以有机负荷量为2.0 gVS·L^-1·d^-1，进行生物膜自固定，运行10天，完成厌氧反应器生物膜自固定 化过程。

（三）实例结果

经测定，直径为φ=10，15和25mm的载体填料，经自固定化后，单位质 量载体的微生物固定量（干重）分别为195mg·g^-1，114mg·g^-1和74  mg·g^-1，均大于50mg·g^-1，可满足连续厌氧消化对菌体生物量的要求 。

实例2 本发明的不同载体填充量用于自固定化生物膜

（一）材料

1. 活性污泥，取自北京市小红门污水处理厂厌氧消化池底部污泥；

2. 载体，三层空心圆形聚乙烯或聚丙烯填料；

3. 有机生活垃圾：餐厨垃圾，取自北京化工大学食堂泔水池；

4. 厌氧消化反应器：自制10L连续型搅拌式有机玻璃反应器；

（二）方法

1. 取活性污泥，先后经20目和40目滤网后，用于自固定化生物膜的 筑膜接种物；

2. 取餐厨垃圾，经匀浆机粉碎匀浆后，做为固定化生物膜培养基质 和厌氧发酵基质；分别取4L过滤后的活性污泥和4L发酵基质混合完全 后，泵注入连续搅拌式厌氧消化反应器中；

3. 选择径高为φ=10×9mm圆柱型聚丙烯材质的三层空心圆填料作为 生物膜形成与固定的载体，将该载体按照装料量25%，30%，35%（体积 比）用于自固定化生物膜的培育；

4.用直径为0.5-1mm尼龙线从填料的中心圆孔穿串，按厌氧消化反应器 搅拌桨转动方向，以螺旋形缠绕于搅拌桨上后，置入装有的培养基质 反应器中，密封并通入氮气置换空气30min；

5. 启动反应器的搅拌桨，以转速120±10转/分钟，每3小时搅拌一次 ，每次搅拌5min，在温度为35℃条件，有机负荷量为2.0 gVS·L^-1· d^-1，进行生物膜自固定，运行10天，完成厌氧反应器生物膜自固定化 过程。

（三）实例结果

经测定，按照装料量25%，30%，35%（体积比）用于自固定化生物膜的 培育后，单位质量载体的微生物固定量（干重）分别为155 mg·g^-1， 195mg·g^-1，和234 mg·g^-1。均可满足连续厌氧消化对菌体生物量的 要求。

实例3 本发明的有机负荷率用于自固定化生物膜

（一）材料

1. 活性污泥，取自北京市小红门污水处理厂厌氧消化池底部污泥；

2. 载体，三层空心圆形聚乙烯或聚丙烯填料；

3. 有机生活垃圾：餐厨垃圾取自北京化工大学食堂泔水池；

4. 厌氧消化反应器：自制10L连续型搅拌式有机玻璃反应器；

（二）方法

1. 取活性污泥，先后经20目和40目滤网后，用于自固定化生物膜的 筑膜接种物；

2. 取餐厨垃圾，经匀浆机粉碎匀浆，用做固定化生物膜培养基质和 厌氧发酵基质；分别取4L过滤后的活性污泥和4L发酵基质混合完全后 ，泵注入连续搅拌式厌氧消化反应器中；

3. 选择径高为φ=25×9mm圆柱型聚丙烯材质的三层空心圆填料作为 生物膜形成与固定的载体，将该载体按照装料量30%（体积比）用于自 固定化生物膜的培育；

4. 用直径为0.5-1mm尼龙线从填料的中心圆孔穿串，按厌氧消化反应 器搅拌桨转动方向，以螺旋形缠绕于搅拌桨上后，置入装有的培养基 质反应器中，密封并通入氮气置换空气30min；

5. 启动反应器的搅拌桨，以转速120±10转/分钟，每3小时搅拌一次 ，每次搅拌5min，在温度为35℃条件，有机负荷量为1 gVS·L^-1·d^-1，1.5 gVS·L^-1·d^-1，2 gVS·L^-1·d^-1，2.5 gVS·L^-1·d^-1，3 gVS ·L^-1·d^-1，3.25 gVS·L^-1·d^-1，进行生物膜自固定，运行10天，完成 厌氧反应器生物膜自固定化过程。

（三）实例结果

经测定，有机负荷量为1 gVS·L^-1·d^-1，1.5 gVS·L^-1·d^-1，2 gVS ·L^-1·d^-1，2.5 gVS·L^-1·d^-1，3 gVS·L^-1·d^-1，3.25 gVS·L^-1·d ^-1，进行生物膜自固定后，单位质量载体的微生物固定量（干重）分别 为24 mg·g^-1，47 mg·g^-1，74.5 mg·g^-1， 142 mg·g^-1，310mg ·g^-1，和322 mg·g^-1。 除有机负荷量为1 gVS·L^-1·d^-1和1.5 gVS·L^-1·d^-1的挂膜量小于50  gVS·L^-1·d^-1外，其余均可满足连续厌氧消化对菌体生物量的要求， 但如果使用直径较小的载体，可以有效的提高单位质量载体的微生物 固定量2.8倍，因此有机负荷率在1-3.25 gVS·L^-1·d^-1范围内均可实 现厌氧消化的正常运行。

实例4 本发明自固定化生物膜时间

（一）材料

1. 活性污泥，取自北京市小红门污水处理厂厌氧消化池底部污泥；

2. 载体，三层空心圆形聚乙烯或聚丙烯填料；

3. 有机生活垃圾：餐厨垃圾取自北京化工大学食堂泔水池；

4. 厌氧消化反应器：自制10L连续型搅拌式有机玻璃反应器；

（二）方法

1. 取活性污泥，先后经20目和40目滤网后，用于自固定化生物膜的 筑膜接种物；

2. 取餐厨垃圾，经匀浆机粉碎匀浆，用做固定化生物膜培养基质和 厌氧发酵基质；分别取4L过滤后的活性污泥和4L发酵基质混合完全后 ，泵注入连续搅拌式厌氧消化反应器中；

3. 选择径高为φ=10×9mm圆柱型聚丙烯材质的三层空心圆填料作为 生物膜形成与固定的载体，将该载体按照装料量30%（体积比）用于自 固定化生物膜的培育；

4.用直径为0.5-1mm尼龙线从填料的中心圆孔穿串，按厌氧消化反应器 搅拌桨转动方向，以螺旋形缠绕于搅拌桨上后，置入装有的培养基质 反应器中，密封并通入氮气置换空气30min；

5. 启动反应器的搅拌桨，以转速120±10转/分钟，每3小时搅拌一次 ，每次搅拌5min，在温度为35℃条件，有机负荷量为2 gVS·L^-1·d^-1，进行生物膜自固定，分别运行5天，10天和15天，进行厌氧反应器生 物膜自固定化过程。

（三）实例结果

经测定，运行5天，10天和15天进行生物膜自固定后，单位质量载体的 微生物固定量（干重）分别为63 mg·g^-1，195 mg·g^-1，217 mg· g^-1。均可满足连续厌氧消化对菌体生物量的要求。

实例5本发明用于果、蔬垃圾厌氧消化

（一）材料

1. 活性污泥，取自北京市小红门污水处理厂厌氧消化池底部污泥；

2. 载体，径高为φ=10×9mm圆柱型聚丙烯材质的三层空心圆填料；

3. 有机生活垃圾：果、蔬垃圾取自北京化工大学食堂后厨前加工环 节；

4. 厌氧消化反应器：自制10L厌氧序批式有机玻璃反应器（有搅拌桨 ）；

（二）方法

1. 取活性污泥，先后经20目和40目滤网后，用于固定化生物膜的筑 膜接种物；

2. 取果、蔬垃圾，经匀浆机粉碎匀浆，用做固定化生物膜培养基质 和厌氧发酵基质；分别取4L过滤后的活性污泥和4L发酵基质混合完全 后，泵注入序批式厌氧消化反应器中；

3. 选择径高为φ=10×9mm圆柱型聚丙烯材质的三层空心圆填料作为 生物膜形成与固定的载体，将该载体按照装料量30%（体积比）用于自 固定化生物膜的培育；

4.用直径为0.5-1mm尼龙线从填料的中心圆孔穿串，按厌氧消化反应器 搅拌桨转动方向，以螺旋形缠绕于搅拌桨上后，置入装有的培养基质 反应器中，密封并通入氮气置换空气30min；

5. 启动反应器的搅拌桨，以转速120±10转/分钟，每3小时搅拌一次 ，每次搅拌5min，在温度为35℃条件，以有机负荷量为1 gVS·L^-1· d^-1启动进行生物膜自固定，运行15天。

6此后，分别按照有机负荷率为1.5gVS·L^-1·d^-1（水力停留时间=30d） 、2gVS·L^-1·d^-1（水力停留时间=20d）、2.5gVS·L^-1·d^-1（水力停留 时间=20d）、2.75gVS·L^-1·d^-1（水力停留时间=20d）、3 gVS·L^-1· d^-1（水力停留时间=20d）、3.25gVS·L^-1·d^-1（水力停留时间=20d）、 3.5gVS·L^-1·d^-1（水力停留时间=20d）提升有机负荷，进行果、蔬垃 圾的厌氧消化，总共运行260天；

（三）实例结果

通过测定过程中沼气日产量和甲烷含量的结果如下表1所示。

表1自固定化生物膜用于果蔬垃圾在不同负荷下厌氧消化产气性能

表2果、蔬垃圾自固定化生物膜厌氧消化与无自固定化生物膜厌氧消化 性能对比

注：变异系数越小，系统离散性就越小，系统运行越稳定；

可见，在低负荷运行下，有自固定化生物膜厌氧消化的产气性能并无 显著的提高，但是随着负荷的升高，有自固定化生物膜的厌氧消化产 气量比无自固定化生物膜的厌氧消化产气量高出10%左右，而且TS、V S去除率较高，运行稳定性更好。可见，自固定化生物膜技术更适合高 有机负荷率的厌氧消化。

实例6 本发明用于果蔬、餐厨混合垃圾厌氧消化

（一）材料

1. 活性污泥，取自北京市小红门污水处理厂厌氧消化池底部污泥；

2. 载体，径高为φ=10×9mm圆柱型聚丙烯材质的三层空心圆填料；

3. 有机生活垃圾：果蔬垃圾取自北京化工大学食堂后厨前加工环节 ，餐厨垃圾取自北京化工大学食堂泔水池；

4. 厌氧消化反应器：自制10L厌氧序批式有机玻璃反应器（有搅拌桨 ）；

（二）方法

1. 取活性污泥，先后经20目和40目滤网后，用于固定化生物膜的筑 膜接种物；

2. 分别取果、蔬垃圾和餐厨垃圾，经匀浆机粉碎匀浆，按体积比5： 8比例混合均匀，用于固定化生物膜培养基质和厌氧发酵基质；分别取 4L过滤后的活性污泥和4L混合发酵基质混合完全后，泵注入序批式厌 氧消化反应器中；

3. 选择径高为φ=25×9mm圆柱型聚丙烯材质的三层空心圆填料作为 生物膜形成与固定的载体，将该载体按照装料量30%（体积比）用于自 固定化生物膜的培育；

4.用直径为0.5-1mm尼龙线从填料的中心圆孔穿串，按厌氧消化反应器 搅拌桨转动方向，按螺旋型缠绕于搅拌桨上后，置入装有的培养基质 反应器中，密封并通入氮气置换空气30min；

5. 启动反应器的搅拌桨，以转速120±10转/分钟，每3小时搅拌一次 ，每次搅拌5min，在温度为35℃条件，以有机负荷量为1 gVS·L^-1· d^-1启动进行生物膜自固定，运行15天。

6此后，有机负荷率按照1.5gVS?L^-1?d^-1（水力停留时间=30 d）、2 gVS?L^-1?d^-1（水力停留时间=30 d）、、3gVS?L^-1?d^-1（水力停留时 间=20 d）、3.25gVS?L^-1?d^-1（水力停留时间=20 d）和3.5gVS?L ^-1?d^-1（水力停留时间=20 d）不断提高进料负荷并调整水力滞留时间 ，最终固定HRT=20 d，直至系统酸化严重，产气性能严重下降，系统 无法继续运行则结束厌氧消化。

（三）实例结果

通过测定过程中沼气产量和甲烷含量的结果如下表3。

表3自固定化生物膜用于果、蔬和餐厨混合垃圾在不同负荷下厌氧消化 产气性能

通过测定结果计算，对于有无自固定化生物膜厌氧消化果、蔬和餐厨 混合垃圾日产气量稳定性比较如表4所示，

表4 果、蔬和餐厨混合垃圾有无自固定化生物膜厌氧消化日产气量稳 定性对比

注：标准差越小，产气性能越稳定

通过测定，对于有无自固定化生物膜用于果蔬和餐厨混合垃圾厌氧消 化性能比较如表5所示，

表5挥发性固体降解率对比

通过上面的实验结果可以看出进行自固定化生物膜系统可以使单相厌 氧消化，在1-3.5 gVS·L^-1·d^-1有机负荷率的情况，产气性能提高1. 9%-21.1%。同时可以提高单相系统对VS的降解率和产气稳定性。