申请日2014.10.20
公开(公告)日2015.02.25
IPC分类号C12P5/02; C02F11/04; C12P3/00
摘要
本发明公开了一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法，包括产氢接种污泥曝气预处理和产甲烷接种污泥厌氧驯化培养;污泥与破碎餐厨垃圾以优化比例混合;产氢反应器和产甲烷反应器有效体积比为1：5.5;产氢和产甲烷反应器采用间歇投配方式进料，产甲烷反应器出泥按照与进料体积比1:1回流到产氢反应器;产氢反应器温度为55℃、pH值5.0-5.5、水力停留时间0.8-3.3d;产甲烷反应器温度为37℃、pH值7.0-7.5、水力停留时间4.5-18d;投加K2HPO4以提高反应器的碱度和缓冲能力。本发明的主要目的在于开发简单有效的两相厌氧发酵工艺，在较少药剂投加的基础上，实现高效稳定的产氢产甲烷过程，同时达到处理污泥和餐厨垃圾两种有机固体废弃物的目的。
权利要求书
1.一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法，包括以下步骤：
步骤一、将产氢接种污泥进行曝气预处理，将产甲烷接种污泥进行厌氧驯化培养;
步骤二、将污泥与破碎的餐厨垃圾按照餐厨垃圾占总挥发性固体质量百分比为54%的 比例进行混合;
步骤三、搭建包括有产氢反应器和产甲烷反应器的产氢产甲烷发酵装置，其中，产氢 反应器和产甲烷反应器的有效体积比为1：5.5，接种产氢和产甲烷污泥，加入发酵底物， 经过一个月的适应驯化期，开始运行产氢反应器和产甲烷反应器;
产氢反应器和产甲烷反应器运行的工艺条件如下：
产氢反应器和产甲烷反应器采用间歇投配的方式进料，混合基质用进料泵送入产氢反 应器，同时产氢反应器中的固液相产物直接进入产甲烷反应器，产甲烷反应器的出泥按照 与进料体积比为1:1回流到产氢反应器;
产氢反应器的温度为55℃、pH值为5.0-5.5、水力停留时间为0.8-3.3d;产甲烷反应器 的温度为37℃、pH值为7.0-7.5、水力停留时间为4.5-18d。
2.根据权利要求1所述一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法，其中，通 过投加K2HPO4控制产氢反应器的pH值。
说明书
一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法
技术领域
本发明涉及一种环保领域的餐厨垃圾和污泥的处理及氢气和甲烷的生产方法。特别是 涉及一种利用固体废物连续稳定地产氢产甲烷的方法。
背景技术
面对日益枯竭的化石燃料资源及其燃烧造成的大气污染，开发高效无污染的清洁能源 尤为重要。氢气是单位质量热值最高的气体，其燃烧产物只有水，无温室气体产生，故氢 气是最理想的能源物质。目前，氢气的制备方法主要是化学法，电解法、水煤气变换法及 水蒸气重整法，其原理是从化合状态存在的水或烃类物质中制取氢气。这些氢气制备方法 具有能耗高、设备要求高和产率低等的不足，并且部分氢气的制备原料本身即是可直接利 用的燃料，故开发低能耗制取方法以及利用可再生原料是最具前景的制氢发展方向。生物 制氢法在较温和的环境中，利用微生物的代谢作用消耗有机质产生氢气及其他代谢产物， 能够极大地降低产氢能耗。厌氧暗发酵制氢与其他生物制氢法相比具有氢气产率高、不需 外加光源、有效处理难降解有机质等优势，是最具发展潜质的生物制氢法。
污泥是污水处理过程中的副产物，随着污水处理厂的新建和现有污水处理厂升级改造 进程的不断加快，污泥的排放量逐年增加。污泥含水率高、携带大量病原微生物及重金属 等物质，其处理处置是污水处理厂的难题之一。作为厌氧发酵基质，污泥的碳氮比低，易 降解有机质含量低，故氢气和甲烷产率较低，如何提高产气效率仍然是污泥厌氧发酵的研 究难点。
在我国，餐厨垃圾排放量大、含水率高、不便运输，易造成腐烂恶臭及其他不良的环 境影响，故亟需对餐厨垃圾进行有效地处理。餐厨垃圾单独发酵容易造成酸化过快的现象， 严重影响气体产率，为了维持餐厨垃圾发酵产氢反应器的pH稳定，需要投加大量化学药剂。 有研究指出，在两相厌氧发酵过程中，将产甲烷反应器的出水回流到产氢反应器是一个维 持产氢反应器pH稳定的方法。以餐厨垃圾为基质的两相发酵工艺中，利用出水回流能够将 产氢反应器的pH维持在5.3且无需外加碱度(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 而在该文献中，回流比必须达到2.9或者加入约20g-NaOH/d才能维持产氢反应器的pH， 而较高的回流量不仅增加了运行费用还降低了产氢反应器的有效体积。对于进一步维持餐 厨垃圾产氢反应体系pH并降低运行费用和药剂消耗等方面的研究仍较少。
批式试验证明，污泥和餐厨垃圾混合发酵对发酵产氢产甲烷具有促进作用(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，污泥与餐厨垃圾混合发酵产氢产甲烷主要集中在中 温条件(35℃或37℃)。然而由于污泥难降解并且含有多种微生物，在中温条件下，两相反 应器需要低负荷运行(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.)，并且在产氢反应器中容易滋生耗氢甲烷菌，需要定期采取 措施抑制产甲烷过程(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 与餐厨垃圾高温发酵产氢的研究较少，而高温条件更有利于有机物的水解酸化并能抑制耗 氢过程。
发明内容
本发明的主要目的在于开发简单有效的两相厌氧发酵工艺，在较少的药剂投加的基础 上，实现高效稳定的产氢产甲烷过程，同时达到处理污泥和餐厨垃圾两种有机固体废弃物 的目的。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
本发明提供一种污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的方法，包括以下步骤：
步骤一、将产氢接种污泥进行曝气预处理，将产甲烷接种污泥进行厌氧驯化培养;
步骤二、将污泥与破碎的餐厨垃圾按照优化的混合比例进行混合，即餐厨垃圾占总挥 发性固体质量百分比为54%;
步骤三、搭建包括有产氢反应器和产甲烷反应器的产氢产甲烷发酵装置，其中，产氢 反应器和产甲烷反应器的有效体积比为1：5.5，接种产氢和产甲烷污泥，加入发酵底物， 经过一个月的适应驯化期，开始运行产氢反应器和产甲烷反应器;
产氢反应器和产甲烷反应器运行的工艺条件如下：
反应器的进料和回流方式：产氢反应器和产甲烷反应器采用间歇投配的方式进料，即 混合基质用进料泵送入产氢反应器，同时产氢反应器中的固液相产物直接进入产甲烷反应 器，产甲烷反应器的出泥按照与进料体积比为1:1回流到产氢反应器;
反应器运行方式及连续产氢产甲烷：其中，产氢反应器的温度为55℃、pH值为5.0-5.5、 水力停留时间为0.8-3.3d;产甲烷反应器的温度为37℃、pH值为7.0-7.5、水力停留时间为 4.5-18d;为了维持产氢反应器pH值，可以通过投加一定量的K2HPO4，以提高反应器的碱 度和缓冲能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用污泥和餐厨垃圾制取氢气和甲烷，既减少了有机固体废弃物排放所造成的 环境污染，又利用可再生资源创造了清洁能源。本发明利用混合基质的协同作用优化厌氧 发酵产氢产甲烷工艺，增加产气量，降低运行成本。一方面餐厨垃圾含有大量易降解有机 物促进污泥发酵产氢产甲烷，通过混合发酵平衡发酵基质的碳氮比，有利于厌氧发酵产气; 另一方面利用污泥中大量pH缓冲物质弥补餐厨垃圾碱度不足的缺点，通过产甲烷反应器出 水回流的方式缓解产氢反应器酸化过快现象，使得混合发酵与单独餐厨垃圾发酵相比，回 流比及外加碱度均较低，进而减少了运行成本。此外，本发明利用高温产氢与中温产甲烷 联合的两相厌氧发酵工艺处理餐厨垃圾和污泥，大大降低了水力停留时间，缩小了发酵罐 总体积，有效地分离产氢阶段和产甲烷阶段，并获得稳定、高产率的氢气和甲烷。