申请日 2020.08.31
公开（公告）日 2020.12.08
IPC分类号 C02F11/04
摘要
本发明涉及一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，该方法主要包括以下步骤：(1)餐厨垃圾乙醇预发酵，将均匀粉碎后的餐厨垃圾送入产醇相反应器，通过外加酵母或pH值调节等，使餐厨垃圾快速高效厌氧发酵产乙醇，分别收集发酵液、发酵残渣；(2)污泥预处理，将污泥与餐厨垃圾发酵残渣混合后进行预处理；(3)厌氧消化产甲烷，将预处理后的产物与餐厨垃圾发酵液混合，在产甲烷相反应器进行厌氧消化产甲烷。本发明提出了新型协同厌氧消化的思路，餐厨垃圾发酵液中的乙醇可在产甲烷相富集电活性微生物，提高微生物种间电子传递速率，提高产甲烷效率。本发明通过多相反应在有效处理污泥和餐厨垃圾的同时强化了资源回收和沼气升级。
权利要求书
1.一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，该方法主要包括以下步骤：
(1)餐厨垃圾乙醇预发酵：将破碎后的餐厨垃圾送入产醇相反应器，通过外加酵母和pH值调节，使餐厨垃圾快速高效厌氧发酵产乙醇，分别收集发酵液、发酵残渣；
(2)污泥预处理：将污泥与步骤(1)餐厨垃圾发酵残渣混合后进入预处理反应器，强化有机质溶出和降解；
(3)厌氧消化产甲烷：将步骤(2)预处理后的产物与步骤(1)餐厨垃圾发酵液混合，在产甲烷相反应器进行厌氧消化产甲烷。
2.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的餐厨垃圾在乙醇预发酵前破碎至粒度小于10mm，并混合均匀；所述外加酵母为酿酒酵母，通过产醇发酵液循环接种；pH值通过回流发酵液调节至3.5-6.5。
3.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的餐厨垃圾乙醇预发酵时间为4h-48h，温度为20℃-30℃。
4.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的餐厨垃圾发酵残渣的总固体含量与污泥的总固体含量比为1：(0.1-10)。
5.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的污泥为污水处理厂初沉污泥、二沉污泥、剩余污泥、浓缩污泥或脱水污泥中的一种或多种，所述预处理包括酶、热水解、臭氧、超声或微波方法中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述厌氧消化产甲烷的反应时间为10d-30d，搅拌速度为60-120r/min。
7.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的产甲烷相反应器在中温(30℃-40℃)或高温(50℃-60℃)或过渡温度(40℃-50℃)中进行，产物与餐厨垃圾发酵液混合后的总固体含量调节为低含固(2％-10％)或高含固(15％-35％)。
8.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述产甲烷相反应器外源添加铁基、碳基或铁碳复合导电材料。
9.根据权利要求8所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，铁基材料包括磁铁矿、赤铁矿、针铁矿中的一种或多种，碳基材料包括生物炭、活性炭、石墨、石墨烯、碳布、碳纳米管中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述产甲烷相反应器耦合电化学装置，电化学装置提供的电压范围为0.1V-3.0V。
说明书
一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法
技术领域
本发明涉及有机废弃物处理与资源化领域，尤其是涉及一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法。
背景技术
社会发展和人类活动产生了大量有机废弃物，在中国，每年有超过1亿吨餐厨垃圾和6千万吨城市污泥产生，如何合理处理处置这些有机废弃物是保障生态文明建设、实现可持续发展必须解决的问题。厌氧消化技术是处理有机废弃物的主流技术，在促进有机废弃物减量化、稳定化、无害化的同时实现了资源回收，是实现有机废弃物资源化利用与无害化处理，支撑无废城市建设的重要技术保障。在有机废弃物的厌氧消化过程中，复杂有机物组分需要经历水解、酸化、乙酸化等一系列生化步骤变成乙酸、乙醇等小分子有机物，再进行产甲烷过程。污泥结构紧密组分复杂，有机物含量和碳氮比低，在厌氧消化中存在启动缓慢、水解速率低、有机物降解率低、产甲烷效果差等问题；餐厨垃圾有机物含量高且糖类占比高，在厌氧消化中容易出现系统酸化、产甲烷受抑制等问题。
污泥和餐厨垃圾的协同厌氧消化被认为是平衡有机物组成与含量、提高厌氧消化系统稳定性的有效技术手段。专利“一种利用造纸污泥和餐厨垃圾联合发酵产甲烷的方法”(CN201010229805.5)、专利“城市污泥、粪便和餐厨垃圾合并处理工艺”(CN201110046401.7)、专利“一种多原料混合近同步发酵协同作用提高产气性能的方法”(CN201210057486.3)、专利“污泥、粪便和餐厨垃圾协同厌氧消化工艺”(CN201910174596.X)均是基于这个思路出发进行技术研发。
然而，将污泥和餐厨垃圾混合进行协同厌氧消化，仍无法避免系统传质效果差、有机物降解率有限、产气效率低、甲烷气体比例不高、反应周期长等一系列问题，限制了污泥、餐厨垃圾等有机废弃物领域厌氧消化技术的进一步提高和应用。
如何强化有机废弃物厌氧消化、提高厌氧消化产甲烷的效率是研究者关注的重点。近年来，研究发现在有机物厌氧消化过程中，电活性微生物(如地杆菌)可与产甲烷菌(如甲烷鬃毛菌)通过微生物自身的菌毛和细胞色素c，或者外源添加的某些导电材料，进行微生物种间的直接电子传递，完成有机物的高效分解产甲烷。由于进行种间直接电子传递需要电活性微生物的参与，而乙醇是目前已知的核心电活性微生物地杆菌的最佳基质，因此，在有机废弃物厌氧消化中进行乙醇型发酵是构建并强化种间直接电子传递途径的厌氧甲烷化的有效策略。
专利“一种玉米秸秆乙醇型发酵耦合城市污泥厌氧共消化的装置与工艺”(CN201811113595.6)、专利“一种小麦秸秆发酵产乙醇混合城市餐厨垃圾的两相厌氧处理装置与工艺”(CN201811113606.0)、专利“一种基于酵母发酵秸秆产乙醇耦合餐厨垃圾共消化的两相厌氧处理方法”(CNCN201811113580.X)、专利“一种两相式高含固餐厨垃圾及城市剩余污泥厌氧产甲烷技术”(CN201911092602.3)均是基于这个思路出发进行技术研发。然而，秸秆由于含有半纤维素和木质素等难降解有机物，发酵产乙醇的效率低，且不管是秸秆还是餐厨垃圾，产完醇后直接与污泥混合去厌氧消化，仍无法解决污泥结构复杂、降解率低的实质问题，限制了技术的应用与推广。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用餐厨垃圾预醇化富集电活性微生物，预处理污泥和餐厨垃圾发酵残渣强化有机质溶出和降解性能，产甲烷相高效产甲烷的强化污泥厌氧消化的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，该方法主要包括以下步骤：(1)餐厨垃圾乙醇预发酵，将均匀破碎后的餐厨垃圾送入产醇相反应器，通过外加酵母和pH值调节等，使餐厨垃圾快速高效厌氧发酵产乙醇，分别收集发酵液、发酵残渣；(2)污泥预处理，将污泥与餐厨垃圾发酵残渣混合后进入预处理反应器；(3)厌氧消化产甲烷，将预处理后的产物与餐厨垃圾发酵液混合，在产甲烷相反应器进行厌氧消化产甲烷。
优选地，所述的餐厨垃圾乙醇预发酵前破碎至粒度小于10mm，并混合均匀。此过程满足了中华人民共和国行业标准《餐厨垃圾处理技术规范》(CJJ184-2012)中对餐厨垃圾厌氧消化前破碎粒度的要求，方便后续进行预醇化过程。产醇相外加酵母为酿酒酵母，可通过产醇发酵液循环接种，pH值通过回流发酵液调节至3.5-6.5。酿酒酵母活化后可促进餐厨垃圾快速产醇，且发酵液的pH值适宜酵母菌存活，因此周期驯化后无需重复接种。
优选地，所述的污泥为污水处理厂初沉污泥、二沉污泥、剩余污泥、浓缩污泥、脱水污泥等污泥中的一种或多种，预处理包括酶、热水解、臭氧、超声、微波等方法中的一种或多种。城市污泥产量大，类型多，有低含固率的初沉污泥、二沉污泥、剩余污泥、浓缩污泥，也有高含固率的脱水污泥，本发明可处理多种来源及含固率的污泥，配合餐厨垃圾发酵残渣将污泥的含固率、有机物含量、碳氮比调至更适宜的范围，通过多种预处理手段，促进污泥和发酵残渣的有机质溶出，提升有机物的降解性能，为后续提高有机物降解率、强化产甲烷提供更适宜的基质。
优选地，所述的产甲烷在中温(30℃-40℃)或高温(50℃-60℃)或过渡温度(40℃-50℃)中进行，产物与餐厨垃圾发酵液混合后的总固体含量(Total Solid,TS)调节为低含固(2％-10％)或高含固(15％-35％)。产甲烷菌有嗜中温产甲烷菌和嗜热产甲烷菌，中温有利于产甲烷过程而高温则更促进用于产甲烷的底物的产生，在两个温度中间的过渡温度则可能同时保留这两类温度的特点而产生更理想的效果。经过预处理后的产物与餐厨垃圾发酵液混合可调节甲烷相的物料含固率和碳氮比，并为产甲烷过程提供丰富的乙醇等基质，富集地杆菌等电活性微生物，促进种间直接电子传递的构建与强化，从而提高产甲烷效率。
优选地，所述的餐厨垃圾乙醇预发酵时间为4h-48h，温度为20℃-30℃。相比于传统的通过调控温度和pH来诱导有机废弃物乙醇型发酵的策略，通过酿酒酵母的高效发酵，可大大缩短乙醇预发酵的时间，并且20℃-30℃的温度适宜酵母菌的生长繁殖和营养代谢，从而实现餐厨垃圾可持续的高效乙醇预发酵。
优选地，所述的餐厨垃圾发酵残渣的总固体含量与污泥的总固体含量比为1：(0.1-10)。预处理反应器可满足餐厨垃圾发酵残渣和污泥的多种混合比例，均对提升后续厌氧甲烷化过程的有机物降解率和产甲烷效率有明显促进作用。
优选地，所述的步骤(3)中，产甲烷相的反应时间为10d-30d，搅拌速度为60-120r/min。产甲烷相通过种间直接电子传递高效进行厌氧甲烷化，并根据进料的含固率和有机物含量有不同的反应时间，通过合适的搅拌加强传质和反应效果，从而提升污泥和餐厨垃圾中复杂有机物的降解率以及最后的甲烷产量、甲烷在沼气中比例，提高整个厌氧消化过程的效率。
优选地，所述的步骤(3)中，产甲烷相可外源添加铁基、碳基或铁碳复合导电材料，铁基材料有磁铁矿、赤铁矿、针铁矿，碳基材料有生物炭、活性炭、石墨、石墨烯、碳布、碳纳米管。导电材料有助于构建和强化种间直接电子传递途径，可以进一步提升本发明强化有机废弃物厌氧消化的效果。
优选地，所述的步骤(3)中，产甲烷相可耦合电化学装置，电化学装置提供的电压范围为0.1V-3.0V。外加微电压可以有效促进有机废弃物水解酸化，强化种间电子传递、提高甲烷比例。在产甲烷相可以耦合提供微电压的电化学装置，进一步提升本发明的效果。
本发明利用餐厨垃圾预醇化强化污泥厌氧消化的方法，相比现有技术，本发明的关键步骤为餐厨垃圾乙醇预发酵以及将污泥与餐厨垃圾发酵残渣混合对污泥预处理，通过利用餐厨垃圾预醇化能够快速转化餐厨垃圾至富含乙醇的发酵产物，有助于在产甲烷相富集更多电活性微生物，通过预处理污泥和餐厨垃圾发酵残渣打破污泥和餐厨难降解有机物的降解屏障，强化有机质溶出和降解性能，进一步为产甲烷相提供更加适宜的基质和反应条件。通过这两步的结合使得产甲烷速率和有机质降解率大大提高。与此同时，产甲烷相通过耦合外源导电材料和/或电化学装置，强化产甲烷过程的种间电子传递，进一步提升了本发明强化有机废弃物厌氧消化的效果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明区别于传统协同厌氧消化技术，提出了新型协同厌氧消化的思路，以废治废，提出了有机废弃物处理处置的优化新方案；
(2)在利用餐厨垃圾预醇化的同时通过预处理手段强化了污泥和发酵残渣的有机质溶出和降解性能，有利于富集电活性微生物的同时提高有机质降解率；
(3)产甲烷相同时具备了适宜的反应基质和高效的微生物体系，可高效进行产甲烷过程，提高了甲烷产率、甲烷在沼气中比例和厌氧消化效率；
(4)本发明克服了现有各种技术无法同时满足高厌氧消化效率、高甲烷产率、高甲烷比例、高有机物降解率的要求，通过多相反应在有效处理污泥和餐厨垃圾的同时强化了资源回收和沼气升级，并通过发酵液回流和酵母循环接种降低了运行成本，具有优良的应用前景和经济效益。（发明人 戴晓虎;李磊;高君;许颖;董滨;戴翎翎;刘志刚）