餐厨垃圾和污泥产氢酸化预处理提高甲烷生产速率的方法

摘要

本发明涉及生物质能利用技术，旨在提供一种餐厨垃圾和污泥产氢酸化预处理提高甲烷生产速率的方法。该方法包括：将粉碎预处理后的餐厨垃圾和污泥混合后，与硫酸溶液配制成混合液在135℃下水解处理得到发酵原料；向发酵原料加入酵母粉，接种暗发酵产氢菌，通入高纯氮气营造厌氧发酵环境，然后恒温37℃进行暗发酵产氢深度酸化预处理，得到产氢深度酸化预处理液体；加入产甲烷菌保持37℃厌氧环境进行发酵联产甲烷。本发明通过产氢深度酸化预处理显著提高了甲烷生产速率，使生产甲烷的速率峰值时间减少约50％，单位容积发酵罐设备对废弃物的处理降解时间减少约50％，使单个设备在单位时间内对废弃物的处理量提高了一倍左右。

说明书

技术领域

本发明是关于生物质能利用技术，特别涉及一种餐厨垃圾和污泥混合发酵通过产氢 深度酸化预处理提高生物甲烷生产速率的方法。

背景技术

化石能源日益短缺和环境污染严重是当今世界面临的两大危机难题，温室效应对气 候环境的严重影响使人们日益关注CO₂减排问题，大力发展新能源是我国能源安全和可 持续发展的必然要求。生物质能是地球上最普遍的一种可再生能源，其消费总量居可再 生能源之首。城乡有机废弃物是一种可再生的生物质资源，数量庞大，污染严重，如何 实现城乡废弃物的减量无害化处理和能源资源化利用，是目前经济社会发展的一个热点 和难点问题。利用生物质废弃物制取油气新能源，通过发酵生产氢气和甲烷制备成压缩 生物天然气，用作汽车发动机的清洁代油燃料，是国际能源环境领域的新兴前沿技术， 符合我国鼓励的新能源和节能环保等战略性新兴产业政策。

KIM S H等利用某食堂餐厨垃圾进行了发酵产甲烷的研究，获得了122.9mL/g碳水 化合物的发酵数据。Jae Kyoung等进行了餐厨垃圾甲烷化潜力(BMP)研究，结果表明： 餐厨垃圾具有较高厌氧甲烷化潜力，肉食、纤维素、米饭、卷心菜和混合废物的甲烷化 潜力分别为482、356、294、277、472mLCH4/gVS，厌氧可生物降解性分别为0.82、 0.92、0.72、0.73、0.86，但长期稳定试验效果不佳，产气率远达不至UBMP研究结果。 Yu.Sheng Wan等进行了餐厨垃圾与污泥联合发酵试验，结果表明：在一定的比例下， 餐厨垃圾发酵可以顺利进行。Kang等认为餐厨垃圾酸化液是抑制餐厨垃圾废物甲烷化 进程的主要原因。Ghanem等认为挥发酸的累积会导致系统产气的停滞，可通过减少挥 发酸浓度，恢复系统产气能力，继续进行甲烷化。然而城市垃圾的种类繁多，包括餐厨 垃圾、废水厂和食品厂污泥等，如何改进发酵生产工艺提高产甲烷速率是一个技术难题， 对于节能减排和发展新能源具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种餐厨垃圾和污泥混合发酵 通过产氢深度酸化预处理提高生物甲烷生产速率的方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种餐厨垃圾和污泥产氢酸化预处理提高甲烷生产速率的方法，具体包括下述 步骤：

(1)将粉碎预处理后的餐厨垃圾和污泥按照质量比1:1进行混合，得到预处理原 料；将预处理原料与质量浓度为1％的H₂SO₄溶液配制成混合液，混合液中预处理原料 的浓度为20～30g/L；将混合液在135℃下水解处理15min；

(2)将200～500ml的发酵原料加入容积为600ml的发酵瓶，用质量浓度为6mol/L 的NaOH调节pH为6.4～6.6；加入0.2～0.5g酵母粉，接种暗发酵产氢菌20～50ml，通入 高纯氮气20min营造厌氧发酵环境，然后恒温37℃进行暗发酵产氢深度酸化预处理， 得到产氢深度酸化预处理液体；

(3)用质量浓度为6mol/L的NaOH调节产氢深度酸化预处理液体使pH为 7.9～8.1，加入20～50ml产甲烷菌，保持37℃厌氧环境进行发酵联产甲烷。

本发明中，所述步骤(1)中的餐厨垃圾来源于居民家庭生活或餐饮业；所述污泥 来源于城市污水处理厂或食品加工厂。

本发明中，所述步骤(2)中，所述暗发酵产氢菌的优势菌种为丁酸梭菌，是由厌 氧消化污泥分离得到的：由厌氧消化污泥经过加热处理，杀死产甲烷菌并保留暗发酵产 氢菌的芽孢，培养富集三次，每72小时一次。

本发明中，所述步骤(3)中，产甲烷菌的优势菌种为甲烷八叠球菌(Methanosarcina) 和甲烷丝菌(Methanothrix)，是将不经过加热处理的沼气池活性污泥在厌氧培养箱中至 少3次以上富集培养得到的。

本发明通过暗发酵产氢深度酸化预处理显著提高生物甲烷的生产速率。

可以使用装备了热导检测器的气相色谱仪测试发酵气体中的氢气和甲烷成分；气相 色谱仪运行参数为：进样口温度为200℃，检测器温度为300℃，初始柱箱温度为65℃。 实验中的柱箱温度采用程序升温，总时间为6分钟，初始温度为65℃，保持1分钟， 随后升温速率设置为25℃/min，经过3.2分钟后直到最终温度达到145℃，随后继续保 持1.8分钟。载气氩气的流速为27ml/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

餐厨垃圾和污泥混合发酵通过产氢深度酸化预处理显著提高了甲烷生产速率，使生 产甲烷的速率峰值时间减少约50％，因而单位容积发酵罐设备对废弃物的处理降解时间 减少约50％，使单个设备在单位时间内对废弃物的处理量提高了一倍左右。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，餐厨垃圾和污泥产氢酸化预处理提高甲烷生产速率的方法具体包括下 述步骤：

(1)将餐厨垃圾和污泥粉碎预处理后，按照质量比为1:1进行混合，得到预处理 原料。然后与质量浓度为1％的H₂SO₄溶液配制成预处理原料浓度为20～30g/L的混合液， 将混合液在高温135℃水解处理15min，得到发酵原料；餐厨垃圾可以是居民日常生活 产生的餐厨垃圾或者是餐饮业产生的餐厨垃圾，污泥可以是城市污水处理厂污泥或者是 食品厂污泥；

(2)将200～500ml经过高温处理的发酵原料加入容积为600ml的发酵瓶，用质 量浓度为6mol/L的NaOH调节pH为6.4～6.6。加入0.2～0.5g酵母粉，接种暗发酵产氢 菌20～50ml，通入高纯氮气20min营造厌氧发酵环境，然后恒温37℃进行暗发酵产氢深 度酸化预处理，得到产氢深度酸化预处理液体；其中，酵母粉是指浓缩酵母浸出粉，购 自浙江省富阳市杭富生物制品厂；

暗发酵产氢菌采集自厌氧消化污泥分离得到，该污泥经过加热处理杀死产甲烷菌保 留暗发酵产氢菌的芽孢，培养富集三次(每72小时一次)得到优势菌种为丁酸梭菌。

(3)对产氢深度酸化预处理液体用质量浓度为6mol/L的NaOH调节pH为 7.9～8.1，加入20～50ml产甲烷菌，保持37℃厌氧环境进行发酵联产甲烷。

其中，产甲烷菌采用不经过加热处理的沼气池活性污泥，在厌氧培养箱中至少3次 以上富集培养得到，其优势菌种为甲烷八叠球菌(Methanosarcina)和甲烷丝菌 (Methanothrix)。

本发明可使用装备了热导检测器的气相色谱仪测试发酵气体中的氢气和甲烷成分。 气相色谱仪运行参数为：进样口温度为200℃，检测器温度为300℃，初始柱箱温度为 65℃。实验中的柱箱温度采用程序升温，总时间为6分钟，初始温度为65℃，保持1 分钟，随后升温速率设置为25℃/min，经过3.2分钟后直到最终温度达到145℃，随后 继续保持1.8分钟。载气氩气的流速为27ml/min。

实施例1

将餐厨垃圾和污泥粉碎预处理后，按照质量比为1:1进行混合，得到预处理原料。 然后与质量浓度为1％的H₂SO₄溶液配制成预处理原料浓度为20g/L的混合液，将混合液 在高温135℃水解处理15min，得到发酵原料；将200ml发酵原料加入容积为600ml的发 酵瓶，用质量浓度为6mol/L的NaOH调节混合液的pH为6.4。加入0.2g酵母粉，接种暗 发酵产氢菌20ml，通入高纯氮气20min营造厌氧发酵环境，然后恒温37℃进行暗发酵 产氢深度酸化预处理；暗发酵产氢菌采集自厌氧消化污泥分离得到，该污泥经过加热处 理杀死产甲烷菌保留暗发酵产氢菌的芽孢，培养富集三次(每72小时一次)得到优势 菌种为丁酸梭菌。对产氢深度酸化预处理液体用质量浓度为6mol/L的NaOH调节pH为 7.9，加入20ml甲烷菌，保持37℃厌氧环境进行发酵联产甲烷，通过产氢深度酸化预处 理使生物甲烷的生产速率提高了51％。产甲烷菌采用不经过加热处理的沼气池活性污 泥，在厌氧培养箱中至少3次以上富集培养得到，主要为甲烷八叠球菌和甲烷丝菌。

使用装备了热导检测器的气相色谱仪(购置于Agilent 7820A，美国)测试发酵气体 中的氢气和甲烷成分。气相色谱仪运行参数为：进样口温度为200℃，检测器温度为 300℃，初始柱箱温度为65℃。实验中的柱箱温度采用程序升温，总时间为6分钟， 初始温度为65℃，保持1分钟，随后升温速率设置为25℃/min，经过3.2分钟后直到 最终温度达到145℃，随后继续保持1.8分钟。载气氩气的流速为27ml/min。

实施例2

将餐厨垃圾和污泥粉碎预处理后，按照质量比为1:1进行混合，得到预处理原料。 然后与质量浓度为1％的H₂SO₄溶液配制成预处理原料浓度为25g/L的混合液，将混合液 在高温135℃水解处理15min，得到发酵原料；将300ml经过高温处理的混合液加入容 积为600ml的发酵瓶，用质量浓度为6mol/L的NaOH调节混合液的pH为6.5。加入0.3g 酵母粉，接种暗发酵产氢菌30ml，通入高纯氮气20min营造厌氧发酵环境，然后恒温 37℃进行暗发酵产氢深度酸化预处；暗发酵产氢菌采集自厌氧消化污泥分离得到，该污 泥经过加热处理杀死产甲烷菌保留暗发酵产氢菌的芽孢，培养富集三次(每72小时一 次)得到优势菌种为丁酸梭菌。对产氢深度酸化预处理液体用质量浓度为6mol/L的NaOH 调节pH为8.0，加入30ml甲烷菌，保持37℃厌氧环境进行发酵联产甲烷，通过暗发酵产 氢深度酸化预处理使生物甲烷的生产速率提高了55％。产甲烷菌采用不经过加热处理的 沼气池活性污泥，在厌氧培养箱中至少3次以上富集培养得到，主要为甲烷八叠球菌和 甲烷丝菌。

使用装备了热导检测器的气相色谱仪(购置于Agilent 7820A，美国)测试发酵气体 中的氢气和甲烷成分。气相色谱仪运行参数为：进样口温度为200℃，检测器温度为 300℃，初始柱箱温度为65℃。实验中的柱箱温度采用程序升温，总时间为6分钟， 初始温度为65℃，保持1分钟，随后升温速率设置为25℃/min，经过3.2分钟后直到 最终温度达到145℃，随后继续保持1.8分钟。载气氩气的流速为27ml/min。

实施例3

将餐厨垃圾和污泥粉碎预处理后，按照质量比为1:1进行混合，得到预处理原料。 然后与质量浓度为1％的H₂SO₄溶液配制成预处理原料浓度为30g/L的混合液，将混合液 在高温135℃水解处理15min，得到发酵原料；将500ml经过高温处理的混合液加入容 积为600ml的发酵瓶，用质量浓度为6mol/L的NaOH调节混合液的pH为6.6。加入0.5g 酵母粉，接种暗发酵产氢菌50ml，通入高纯氮气20min营造厌氧发酵环境，然后恒温 37℃进行暗发酵产氢深度酸化预处；暗发酵产氢菌采集自厌氧消化污泥分离得到，该污 泥经过加热处理杀死产甲烷菌保留暗发酵产氢菌的芽孢，培养富集三次(每72小时一 次)得到优势菌种为丁酸梭菌。对产氢深度酸化预处理液体用质量浓度为6mol/L的NaOH 调节pH为8.1，加入50ml甲烷菌，保持37℃厌氧环境进行发酵联产甲烷，通过暗发酵产 氢深度酸化预处理使生物甲烷的生产速率提高了48％。产甲烷菌采用不经过加热处理的 沼气池活性污泥，在厌氧培养箱中至少3次以上富集培养得到，主要为甲烷八叠球菌和 甲烷丝菌。

使用装备了热导检测器的气相色谱仪(购置于Agilent 7820A，美国)测试发酵气体 中的氢气和甲烷成分。气相色谱仪运行参数为：进样口温度为200℃，检测器温度为 300℃，初始柱箱温度为65℃。实验中的柱箱温度采用程序升温，总时间为6分钟， 初始温度为65℃，保持1分钟，随后升温速率设置为25℃/min，经过3.2分钟后直到 最终温度达到145℃，随后继续保持1.8分钟。载气氩气的流速为27ml/min。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于 以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接 导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。