申请日2018.12.06
公开(公告)日2019.02.22
IPC分类号C02F11/18; C02F11/00; C02F11/04; C10L3/00; C12P3/00; C12R1/01
摘要
本发明是一种利用淀粉高温热解制备生物炭，提升剩余污泥消化产H2的方法，该方法包括：1)以淀粉为原料高温热解制备生物炭;2)处理种泥抑制产甲烷菌活性;3)剩余污泥预处理，溶解细胞的细胞壁，使细胞彻底灭活;4)利用生物炭使剩余污泥消化产氢。利用该方法能够提高剩余污泥消化产氢的产率，通过研究对比，添加生物炭提升剩余污泥消化产气量，为研究清洁能源的生产效率提供理论支持，使作为清洁能源之一的氢气大量生产提供了广泛的前景。
权利要求书
1.一种使用生物炭提升剩余污泥消化产H2的方法，包括以下步骤：
(1)种泥处理：将种泥放置于烧杯中，加热，反应温度为80～100℃，时间为30～40min，抑制产甲烷菌活性。
(2)剩余污泥处理：将剩余污泥置于烧杯中，用4～5M NaOH溶液调节pH为11～12后搅拌加热，转速为80～90rpm/min，温度为35～40℃，反应时间6～8h，以打破污泥中细胞的细胞壁，细胞彻底灭活。
(3)将种泥、剩余污泥与生物炭放入反应器中，搅拌60～70rmp/min，时间200～240h，温度35～40℃。终污泥消化产气(H2)量为3660～17910mL。
2.如权利要求1所述的使用生物炭提升剩余污泥消化产H2的方法，其特征在于，步骤(3)所述种泥、剩余污泥与生物炭的比例为6-20：22-55：1，质量比。
3.如权利要求1或2所述的使用生物炭提升剩余污泥消化产H2的方法，其特征在于，步骤(3)所述反应器为CSTR反应器。
4.如权利要求1所述的使用生物炭提升剩余污泥消化产H2的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)种泥处理：将300～500mL的种泥放置于烧杯中，加热，反应温度为80～100℃，时间为30～40min，抑制产甲烷菌活性。
(2)剩余污泥处理：将900～1500mL的剩余污泥置于烧杯中，用4～5M NaOH溶液调节pH为11～12后放置于集热式恒温加热磁力搅拌器中搅拌加热，转速为80～90rpm/min，温度为35～40℃，反应时间6～8h，以打破污泥中细胞的细胞壁，细胞彻底灭活。
(3)将300～500ml的种泥、900～1500mL的剩余污泥与30～40g生物炭放入CSTR反应器中，搅拌60～70rmp/min，时间200～240h，温度35～40℃。
5.如权利要求1-4任一项所述的使用生物炭提升剩余污泥消化产H2的方法，其特征在于，所述生物炭采用下列方法合成：将淀粉置于陶瓷坩埚中，用马弗炉高温热解，反应温度为500～550℃，反应时间1～1.5h，冷却后研磨过筛，筛分后的生物炭颗粒粒径取0.25～1mm。
6.如权利要求5所述的使用生物炭提升剩余污泥消化产H2的方法，其特征在于，所述的生物炭，比表面积为23-25m2/g，孔隙率44～51%。
说明书
一种使用生物炭提升剩余污泥消化产H2产率的方法
技术领域
本发明涉及清洁能源生产领域，具体涉及一种由二次沉淀池排出的污泥厌氧消化产氢的研究方法。
背景技术
我国清洁能源技术和节能技术的应用取得了较大的进步，通过自主研发和引进国外的先进设备和技术，使得国内的许多行业从中受益，并且形成了良性的发展势头。能源效率有所提高，但与发达国家相比较，中国能源效率水平依然偏低。
清洁能源是不排放污染物的能源，氢气是一种非常重要的清洁能源。活性污泥的厌氧消化能够产生氢气和甲烷等清洁能源，能够代替煤炭、石油等化石燃料作为高效的新能源。剩余污泥中的有机物大部分为细胞物质，微生物要利用有机质使之转化为溶解性物质的水解过程造成污泥消化过程停留时间长。厌氧初期的水解酸化阶段会产生氢气，其会迅速被污泥中存在的甲烷菌和硫化菌等耗氢菌所消耗，在污泥的厌氧消化过程中获得更加有利用价值的氢气难度大。经过在活性污泥的厌氧消化阶段添加生物炭，活性污泥厌氧消化产生的更多的氢气，为研究清洁能源的生产效率提供理论支持，剩余污泥消化产气具有良好的开发前景。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种利用淀粉制备生物炭，提升剩余污泥消化产H2的方法。
一种使用生物炭提升剩余污泥消化产H2的方法，包括以下步骤：
(1)种泥处理：将种泥放置于烧杯中，加热，反应温度为80~100℃，时间为30~40 min，抑制产甲烷菌活性。
(2)剩余污泥处理：将剩余污泥置于烧杯中，用4~5M NaOH溶液调节pH为11~12后搅拌加热，转速为80~90 rpm/min，温度为35~40℃，反应时间6~8 h，以打破污泥中细胞的细胞壁，细胞彻底灭活。
(3)将种泥、剩余污泥与生物炭放入反应器中，搅拌60~70 rmp/min，时间200~240h，温度35~40℃。
最终，污泥消化产气(H2)量为3660~17910 mL。每毫升污泥产气量3.05 ~8.955mL。所述污泥包括种泥、剩余污泥，是种泥、剩余污泥的统称。
优选的，步骤(3)所述种泥、剩余污泥与生物炭的比例为6-20：22-55：1，质量比。
步骤(3)所述反应器为CSTR反应器。所述CSTR反应器，为连续搅拌反应器系统，或称全混合厌氧反应器(continuous stirred tank reactor)，简称CSTR，是一种使发酵原料和微生物处于完全混合状态的厌氧处理技术。
一种使用生物炭提升剩余污泥消化产H2的方法，包括以下步骤：
(4)种泥处理：将300~500 mL的种泥放置于烧杯中，加热，反应温度为80~100℃，时间为30~40 min，抑制产甲烷菌活性。
(5)剩余污泥处理：将900~1500 mL的剩余污泥置于烧杯中，用4~5M NaOH溶液调节pH为11~12后放置于集热式恒温加热磁力搅拌器中搅拌加热，转速为80~90 rpm/min，温度为35~40℃，反应时间6~8 h，以打破污泥中细胞的细胞壁，细胞彻底灭活。
(6)将300~500 ml的种泥、900~1500 mL的剩余污泥与30~40 g生物炭放入CSTR反应器中，搅拌60~70 rmp/min，时间200~240 h，温度35~40℃。终污泥消化产气(H2)量为3660~17910 mL。
优选的，所述生物炭采用下列方法合成：将淀粉置于陶瓷坩埚中，用马弗炉高温热解，反应温度为500~550℃，反应时间1~1.5 h，冷却后研磨过筛，筛分后的生物炭颗粒粒径取0.25~1 mm。此条件下得到的生物炭比表面积为23-25m2/g，孔隙率44~51%。
所述种泥为厌氧颗粒污泥，粒径1~4㎜。
所述剩余污泥为二沉池产生的剩余污泥，含水率为 98. 5%左右。
设置对照试验，将300~500 mL的种泥、900~1500 mL的剩余污泥放入CSTR反应器中，搅拌60~70 rmp/min，时间200~240 h，温度35~40℃。终污泥消化产气(H2)量为2040~6120 mL。
通过实验结果对照表明，在活性污泥厌氧发酵过程中，添加一定量的生物炭，可以促进厌氧消化过程中氢气的产量。
本发明的优点：
(1)生物炭上有巨大的比表面积和许多微小的空隙，其具有吸附微生物和有机物的能力，让微生物和有机物在其附近聚集，形成群落，微生物能够有足够的养分，更有利于提高微生物的活性。
(2)生物炭可以聚集微生物，使微生物之间的相对距离缩短，促进了互养型细菌之间代谢产物的传递，增加了其对营养物质的摄取速率，从而促进了厌氧发酵的生物气产率。
(3)本发明通过工艺的调整，以及各工艺条件的配合，使得终污泥消化产气(H2)量提升50%以上。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合实例对本发明优选实是方案进行描述。
实施例1
一种使用生物炭提升剩余污泥消化产H2的方法，包括以下步骤：
(1)合成生物炭：将淀粉置于陶瓷坩埚中，用马弗炉高温热解，反应温度为500℃，反应时间1 h，冷却后研磨过筛，筛分后的生物炭颗粒粒径取0.25mm。
(2)种泥处理：将300 mL的种泥放置于烧杯中，加热，反应温度为80℃，时间为30min，抑制产甲烷菌活性。
(3)剩余污泥处理：将900 mL的剩余污泥置于烧杯中，用4M NaOH溶液调节pH为11后放置于集热式恒温加热磁力搅拌器中搅拌加热，转速为80 rpm/min，温度为35℃，反应时间6h，以打破污泥中细胞的细胞壁，细胞彻底灭活。
(4)将300 ml的种泥、900 mL的剩余污泥与30 g生物炭放入CSTR反应器中，搅拌60rmp/min，时间200 h，温度35℃。终污泥消化产气(H2)量为3660mL。
设置对照试验，将300 mL的种泥、900 mL的剩余污泥放入CSTR反应器中，搅拌60rmp/min，时间200 h，温度35℃。其他条件与上述实验相同。终污泥消化产气(H2)量为2040mL。
实施例2
一种使用生物炭提升剩余污泥消化产H2的方法，包括以下步骤：
(1)合成生物炭：将淀粉置于陶瓷坩埚中，用马弗炉高温热解，反应温度为550℃，反应时间1.5 h，冷却后研磨过筛，筛分后的生物炭颗粒粒径取1 mm。
(2)种泥处理：将500 mL的种泥放置于烧杯中，加热，反应温度为100℃，时间为40min，抑制产甲烷菌活性。
(3)剩余污泥处理：将1500 mL的剩余污泥置于烧杯中，用5M NaOH溶液调节pH为12后放置于集热式恒温加热磁力搅拌器中搅拌加热，转速为90 rpm/min，温度为40℃，反应时间8 h，以打破污泥中细胞的细胞壁，细胞彻底灭活。
(4)将500 ml的种泥、1500 mL的剩余污泥与40 g生物炭放入CSTR反应器中，搅拌70 rmp/min，时间240 h，温度40℃。终污泥消化产气(H2)量为17910 mL。
设置对照试验，将500 mL的种泥、1500 mL的剩余污泥放入CSTR反应器中，搅拌70rmp/min，时间240 h，温度40℃。其他条件与上述实验相同。终污泥消化产气(H2)量为6120mL。