申请日2016.02.24
公开(公告)日2017.09.01
IPC分类号C12P3/00
摘要
本发明涉及一种提高污泥生物发酵生产氢气的方法，所述方法包括如下步骤：以污水处理厂的污泥以原料，对其进行加热预处理，然后投加铁粉，在密封厌氧设备内与污泥中的产氢微生物联合作用，通过厌氧发酵将污泥中非溶解状态的有机物转化为氢气。所述方法产生了多种优异和有益效果，在环境治理、废弃资源的综合利用等方面具有良好的应用前景，可以切实实现环境的绿色和综合治理，具有优异的工业化生产潜力。
权利要求书
1.一种提高污泥生物发酵生产氢气的方法，所述方法包括如下步骤：以污水处理厂的污泥以原料，对其进行加热预处理，然后投加铁粉，在密封厌氧设备内与污泥中的产氢微生物联合作用，通过厌氧发酵将污泥中非溶解状态的有机物转化为氢气。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述加热预处理温度为80-120℃。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述加热预处理的时间为20-40分钟。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述铁粉为毫米级铁粉、微米级铁粉和纳米级铁粉中的任意一种或任意多种的混合物，其粒径范围为100nm-0.5mm。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述铁粉的粒径范围为100nm-0.1mm。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述铁粉的用量与污泥干重的质量比为0.002-0.6∶1。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述铁粉的用量与污泥干重的质量比优选为0.02-0.1∶1。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述污泥在反应器中厌氧发酵温度控制为20-55℃。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述厌氧发酵温度为20-35℃。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述厌氧发酵的运行时间为4-8天。
说明书
一种提高污泥生物发酵生产氢气的方法
技术领域
本发明涉及一种生产氢气的方法，更具体地涉及一种提高污泥生物发酵生产氢气的方法，属于环境保护以及资源化技术领域。
背景技术
随着城镇化进程的加快，我国污水处理率显著提高，但污水处理过程中产生的污泥(初沉污泥和剩余污泥)也大量增加。据估计，截止到2015年底，我国的污泥产量将达到3400万吨(80%含水率)。如果污泥处理处置不当，排放后将造成严重的环境二次污染。目前，在国家节能减排政策影响下，污泥处理处置技术正逐步由先前的焚烧、填埋等转向产甲烷、产氢等方向为主的资源化利用方向。
厌氧生物发酵技术利用厌氧微生物的作用，可将污泥中大量存在的有机物降解转化为氢气(H2)、甲烷(CH4)等可再次利用的能源物质。作为一种“清洁能源”，氢气燃烧过程中只产生水而不产生其它污染物，可实现真正的“零”排放，而且在已知燃料中，氢气燃烧热值最高(142.35kJ/g，是汽油的2.75倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍)。
此外，氢气作为重要的化工原料在石油化工，化工制药，电子工业，金属加工及低温超导等行业也具有广泛用途。根据美国国家氢气规划，到2025年，氢气在整个能源市场上的份额将占8-10%，2040年氢能及其运输系统可以遍布美国的各个区域。
因此，鉴于能量与环保等方面的优势，氢气已成为未来极具潜力的替代能源。利用有机质生物产氢是未来能源发展研究的重要方向，已成为世界各国普遍重视的研究领域。污泥中含有的有机质高达其自身干重的50-70%，因此开发资源化利用新技术以氢气、甲烷等生物发酵形式最大化地提取污泥中有机物利用价值一直是国内外污泥处理处置领域研究的热点。
通常，污泥厌氧生物发酵主要可分为三个阶段，即溶解水解阶段、产氢产酸阶段和产甲烷阶段，氢气的生产主要是由前两个阶段控制完 成。一般认为，水解阶段速率较慢，是污泥发酵产氢的限速阶段。因此，大部分研究侧重于探寻提高污泥水解速率的方法来缩短发酵系统的污泥停留时间，同时提高氢气产量。目前，已经得到广泛认可的用于提高污泥水解速率的方法主要有：热处理、冻融处理，机械处理、超声波处理、化学处理(包括pH的调节，表面活性剂的投加等)，基本原理都是使污泥中那些非溶解性颗粒态的有机物分解转化为小分子的溶解性物质被微生物利用。同时，也应注意到，污泥厌氧发酵为微生物控制过程，在产氢过程中提高产氢微生物的活性同样也可以大幅度提高污泥产氢量。
众所周知，铁是微生物体进行新陈代谢所必学的元素，其在以微生物酶为主导的有机物定向转化过程中起着无比关键的作用。在污泥厌氧生物发酵系统中通过强化铁元素在生物发酵过程中的作用，提高产氢微生物的活性以增加氢气产量和产生速率。然而，此方面的研究鲜有报道。
因此，开发新型的污泥生物发酵生产氢气的方法，仍是目前本领域中的研究热点和重点，这也正是本发明得以完成的动力所在和基础所倚。
发明内容
为了克服目前现有技术中的缺陷以及开发新型的污泥生物发酵生产氢气的方法，本发明人进行了深入的研究和探索，在付出了足够的创造性劳动后，从而完成了本发明。
具体而言，本发明的目的是提供一种提高污泥生物发酵生产氢气的方法。
更具体而言，本发明提供一种利用铁粉以提高污泥生物发酵生产氢气的方法，所述方法包括如下步骤：以污水处理厂的污泥以原料，对其进行加热预处理，然后投加铁粉，在密封厌氧设备内与污泥中的产氢微生物联合作用，通过厌氧发酵将污泥中非溶解状态的有机物转化为氢气。
在本发明的所述方法中，所述加热预处理温度为80-120℃，例如可为80℃、90℃、100℃、110℃或120℃。
在本发明的所述方法中，所述加热预处理的时间为20-40分钟，例如可为20分钟、30分钟或40分钟。
在本发明的所述方法中，所述铁粉为毫米级铁粉、微米级铁粉和纳米级铁粉中的任意一种或任意多种的混合物，其粒径范围为100nm-0.5mm，例如可为100nm、500nm、1μm、10μm、100μm、200μm、300μm、400μm或0.5mm;
其中，所述铁粉的粒径范围优选为100nm-0.1mm，例如可为100nm、500nm、1μm、10μm或0.1mm;
在本发明的所述方法中，所述铁粉的用量与污泥干重的质量比为0.002-0.6∶1，例如可为0.002∶1、0.004∶1、0.006∶1、0.008∶1、0.01∶1、0.02∶1、0.04∶1、0.05∶1、0.06∶1、0.08∶1、0.1∶1、0.2∶1、0.3∶1、0.4∶1、0.5∶1或0.6∶1;
其中，所述铁粉的用量与污泥干重的质量比优选为0.02-0.1∶1，例如可为0.02∶1、0.04∶1、0.06∶1、0.08∶1或0.1∶1。
在本发明的所述方法中，所述污泥在反应器中厌氧发酵温度控制为20-55℃，例如可为20℃、30℃、40℃、50℃或55℃;
其中，所述厌氧发酵温度优选为20-35℃，例如可为20℃、25℃、30℃或35℃。
在本发明的所述方法中，所述厌氧发酵的运行时间为4-8天，例如可为4天、5天、6天、7天或8天;
其中，所述厌氧发酵的运行时间优选为4-6天，例如可为4天、5天或6天。
在本发明的所述方法中，所述非溶解状态的有机物主要为蛋白质和/或多糖类物质，这些都是污泥中通常大量存在的常规物质，在此不再一一赘述。
在本发明的所述方法中，所述密封厌氧设备属于本领域中的公知和常规设备，在此不再进行详细描述。
在本发明的所述方法中，所述产氢微生物也是本领域中的常规微生物，本领域技术人员可进行合适的选择与确定，在此不再进行详细描述。
如上所述，本发明提供了一种利用铁粉以提高污泥生物发酵生产 氢气的方法，通过特定的工艺操作和技术手段的综合使用与协同，本发明的方法获得了多种优势以及实际运用中可产生多种效果，例如：
1.利用城市污水处理厂自身产生的污泥厌氧发酵生产氢气，不但实现了污泥的资源化，而且大幅度降低了污泥体积，降低了污泥中有机污染物可能产生的环境污染，复合循环经济的理念。
2.污泥厌氧生物发酵不但能够产生具有高热能的氢气作为一种“清洁能源”，实现真正的“零”排放，而且氢气产品还可以作为石油化工、化工制药、电子工业、金属加工及低温超导等行业所需的重要化工原料。
3.铁粉的投加可以为厌氧微生物特别是产氢微生物提供进行良好生理代谢所需的Fe元素，显著提高产氢微生物的活性，加快污泥生物发酵产氢速率，最终提高氢气产量，减少污泥处理系统的容积，降低运行成本。
综上所述，本发明提供了一种利用铁粉以提高污泥生物发酵生产氢气的方法，所述方法产生了多种优异和有益效果，在环境治理、废弃资源的综合利用等方面具有良好的应用前景，可以切实实现环境的绿色和综合治理，具有优异的工业化生产潜力。