專利名稱：：礦化垃圾、滲濾液、餐廚垃圾及污泥生產(chǎn)甲烷和氫氣的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種礦化垃圾、滲濾液、餐廚垃圾及污泥生產(chǎn)甲烷和氫氣的方法。具體是上述廢棄生物質聯(lián)合厭氧發(fā)酵，同時獲得甲垸和氫氣的工藝。屬于有機廢物資源化
技術領域：
。
背景技術：
：化石燃料作為一次性能源正日漸枯竭，其大量使用也造成嚴重的環(huán)境污染問題，以石油等為代表的一次能源最終將被其他能源所取代。生物質能技術的研究與開發(fā)己成為世界重大熱門課題之一，但由于近年盲目發(fā)展生物質燃料，出現(xiàn)與糧爭地，從而可能繼發(fā)糧食饑荒、生態(tài)破壞。荷蘭等國開始紛紛叫停生物燃料，廢棄生物質能因此更倍受青睞。其中生物質的厭氧發(fā)酵處理由于能耗低，且能回收沼氣進行再利用而成為研究熱點。利用廢棄生物質產(chǎn)氫，減少溫室氣體排放的研究較多。中國專利申請"一種礦化垃圾協(xié)同泔腳廢物和污泥聯(lián)合產(chǎn)氫的方法"(申請?zhí)?00610027750.3)和"一種利用污水廠剩余污泥厭氧發(fā)酵制氫的方法與裝置"(申請?zhí)?00310116142.6)公開了厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氫氣的方法，但是氫氣的濃度通常最多為50-60%，無法直接加以利用。傳統(tǒng)的厭氧消化反應產(chǎn)生的沼氣主要成分是甲垸(CH4)和二氧化碳(C02)。甲烷占55%-65%，二氧化碳占35%-45%，還有少量氫、一氧化碳、硫化氫、氧和氮等氣體，其中氫的含量一般只有0.5%。沼氣發(fā)電可分為雙燃料式和全燒式兩種方式。壓燃式發(fā)動機采用柴油一沼氣雙燃料，通過壓燃少量柴油以點燃沼氣進行燃燒做功。這種發(fā)動機的特點是可調(diào)節(jié)柴油/沼氣燃料比，當沼氣不足甚至停氣時，發(fā)動機仍能正常工作，缺點在于系統(tǒng)復雜，而且必須使用石油燃料，不符合環(huán)保政策。西方一些發(fā)達國家已出臺相應政策制約雙燃料式發(fā)電機的發(fā)展，例如德國政府在2004年對《可再生能源法》的修訂條款中明確規(guī)定2007年l月1日以后所建的沼氣發(fā)電工程，若使用化石燃油將不能享受有關的優(yōu)惠政策。點燃式沼氣發(fā)動機也稱全燒式沼氣發(fā)動機，其特點是結構簡單，操作方便，而且無需輔助燃料，適合在大、中型沼氣工程條件下工作，這種發(fā)動機已成為沼氣發(fā)電技術實施中的主流機組，但是由于沼氣的燃燒速度慢，使得全燒沼氣發(fā)電中的燃燒持續(xù)期拉長，造成燃燒效率降低，后燃嚴重，排溫太高，可靠性不過關，經(jīng)濟性也不好。如果在不降低甲垸含量的條件下(不低于50%)提高沼氣中氫氣含量(約5-10%)，就能提高沼氣燃燒速度，不僅可以大大提高甲垸發(fā)電利用率，而且可以解決發(fā)電點火的難題。因此如何改變傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵工藝，提高沼氣中氫氣含量，成為研究工作者努力探索的焦點。厭氧消化一般在中溫或高溫下進行，中溫的最佳溫度為35度左右，高溫為55度左右。中溫消化設備簡單，造價比較低，但是處理效率不如高溫發(fā)酵。pH值方面，Lay等發(fā)現(xiàn)在pH值為6.6到7.8范圍之內(nèi)，水分含量為90%-96%時的產(chǎn)甲垸速率較高，pH值低于6.1或高于8.3時，產(chǎn)甲烷可能會停止。RoblesMartinez研究了pH值對于家庭垃圾的生物降解作用。當垃圾用水飽和，pH值調(diào)整到6.5以上后，降解明顯提高。在厭氧消化方面，一般來說酸化要保持在略偏酸性，產(chǎn)甲垸要略偏堿性。70年代初，S.Ghosh和F.G.PHoland根據(jù)厭氧生物分解機理和微生物類群的理論首先提出了兩相厭氧消化的概念；將產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌分別置于兩個串聯(lián)的反應器中并且提供各自所需的最佳條件，使這兩類細菌群都能發(fā)揮最大的活性，提高反應器的處理效率。Schere用厭氧消化處理有機垃圾產(chǎn)氣量達到了理論產(chǎn)氣量的98%。B.G.Yeoh對兩相厭氧消化工藝和單相厭氧消化工藝進行了對比實驗研究，結果表明，兩相厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷活性明顯高于單相厭氧消化系統(tǒng)。但是傳統(tǒng)的兩相反應器中水解相主要是產(chǎn)酸，除C02外基本無其它氣體生成。不過在目前工業(yè)實際應用中，單相反應器占有絕對優(yōu)勢，這主要是因為傳統(tǒng)的兩相反應器相比單相反應器而言造價高且不易操作和維護。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是公開一種工藝簡單、成本低廉的利用滲濾液、餐廚垃圾以及污泥和礦化垃圾廢棄生物質為基質進行厭氧發(fā)酵，能同時獲取甲烷和氫氣的方法，用本發(fā)明得到的甲烷和氫氣能提高沼氣發(fā)電利用率，且解決發(fā)電點火的難題。為了達到上述目的，本發(fā)明采用一體式的反應器(專利號:200710047071.7)，但又滲入兩相反應器的理念(反應器前端為水解酸化相，隨著反應器的推進則進入產(chǎn)甲烷相)。通過調(diào)節(jié)污泥、滲濾液以及餐廚垃圾等的配比來滿足初始pH為5.8-6.2,初始C/N為7.0-7.5，然后將這些經(jīng)過一定配比的廢棄生物質進行聯(lián)合厭氧發(fā)酵，從而使污泥、滲濾液及餐廚垃圾等基質在水解酸化期生成大量揮發(fā)酸同時還獲得一定量的氫氣(體積百分比4-10%)。在產(chǎn)甲垸期，一方面由于污泥以及滲濾液中主要成分為蛋白質，這些蛋白質的降解使體系pH升高至甲烷菌適合生長的范圍，另一方面水解酸化產(chǎn)生的短鏈脂肪酸被甲烷菌利用從而產(chǎn)生甲烷。本發(fā)明是通過以下步驟實現(xiàn)的第一步，餐廚垃圾和污泥的預處理先對餐廚垃圾進行破碎，破碎粒徑為5-10mm。然后將污泥通過1.25111111過篩處理。接著分別測定它們的pH、含水率以及C/N，并添加自來水，使含水率均為90%;第二步，調(diào)整污泥、滲濾液、餐廚垃圾及礦化垃圾配比取第一步的含水率為90%的污泥和餐廚垃圾，按污泥餐廚垃圾滲濾液=(10%-90%):(5%-45%):(5%-45%)重量百分比量取，再量取礦化垃圾的量為餐廚垃圾、滲濾液和污泥總重量的5%，然后將它們混合，充分攪勻，此時混合物的pH為5.8-6.2，C/N為7.0-7.5;第三步，聯(lián)合發(fā)酵將第二步配比好的pH和C/N符合上述要求的滲濾液、餐廚垃圾、污泥及礦化垃圾混合物置于密閉容器中，充入氮氣以驅除容器中的氧氣，在20-55'C下，采用100130轉/分鐘速率震蕩或攪拌方式開始厭氧消化，反應時間持續(xù)15天，得到含55-57%體積CH4和4-10%體積H2的CH4和&混合氣。這種混合氣使沼氣發(fā)電效率提高10-15%，并解決沼氣發(fā)電點火困難的問題。上述的污泥為生化污水處理廠的壓濾污泥。上述的滲濾液為焚燒廠新鮮滲濾液。上述的礦化垃圾是填埋8年以上礦化垃圾。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點1.本發(fā)明打破傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵的酸化理念，通過調(diào)整污泥、滲濾液、餐廚垃圾及礦化垃圾配比，滿足聯(lián)合厭氧發(fā)酵甲烷和氫氣的初始pH以及C/N要求，在一體式的反應器中同時獲取55%左右體積百分比CH4和5%左右體積百分比H2,實現(xiàn)了CH4和H2濃度較好的結合，使甲烷發(fā)電效率提高了10-15%，且很好地解決了沼氣發(fā)電點火困難的問題。2.由于本發(fā)明通過調(diào)整污泥、滲濾液、餐廚垃圾及礦化垃圾配比，滿足初始pH為5.8-6.2，C/N為7.0-7.5，無須另外投加C源或N源，也無須另外加酸堿進行pH調(diào)節(jié)，因此，操作簡單、成本低廉，具有可貴的經(jīng)濟效益。3.由于本發(fā)明的污泥、滲濾液、餐廚垃圾及礦化垃圾均屬于廢棄物，因此具有廢棄物資源化的可貴的社會效益。圖1為本發(fā)明的工藝流程圖圖2為本發(fā)明的實施例1的所產(chǎn)氫氣在混合氣中的含量曲線圖圖3為本發(fā)明的實施例1的所產(chǎn)甲烷在混合氣中的含量曲線圖具體實施例方式實施例l請參閱附圖l。對餐廚垃圾以及污泥進行預處理先將餐廚垃圾中的筷子、硬骨等揀出以免損壞破碎機，然后破碎到粒徑為5-10mm;污泥過1.25111111篩；再測定它們的pH、含水率以及C/N，然后依據(jù)含水率測定結果添加相應質量的自來水將含水率調(diào)節(jié)為90%重量百分比。量取表l所列重量的污泥、餐廚垃圾、滲濾液以及礦化垃圾(表1中體系1-3為實驗組，體系4為對照組)。然后將其混合均勻，置于250ml血清瓶(實際容積300毫升)，充氮氣lmin以驅除容器中的氧氣，迅速密封，在20-55'C下，采用速率為100130轉/分鐘條件下震蕩或攪拌方式開始厭氧消化，反應時間持續(xù)15天。表1所示1-4體系的C/N和pH初始指標及累積產(chǎn)氫和甲垸量見表2。相應的所產(chǎn)氫氣在混合氣中的體積百分比含量見圖2，所產(chǎn)甲垸在混合氣中的體積百分比含量見圖3。對照組即體系4氫氣未檢出，甲垸量高達3500ml。體系l雖然有氫氣生成，但濃度很低，主要原因是初始pH偏高；體系3氫氣大量生成，濃度最大達到52%體積百分比，但是未有甲垸檢出，主要原因是C/N較高；體系2在大量生成甲烷的同時又有一定的氫氣量生成，主要原因是這兩個體系的初始pH及C/N控制在較理想的范圍。表1為污泥、餐廚垃圾、滲濾液以及礦化垃圾配比<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2為各實驗1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例2本實例所實施的厭氧發(fā)酵罐為兩相一體式的反應器(專利號200710047071.7)，反應器前端為水解酸化相，隨著反應器的推進則進入產(chǎn)甲垸相。具體實施步驟如下將餐廚垃圾分揀去除硬骨，筷子等雜物再破碎到粒徑為5-10mm，測定pH、含水率以及C/N，結果見表3。然后依據(jù)含水率測定結果添加相應質量的自來水將污泥和餐廚垃圾的含水率調(diào)節(jié)為90%重量百分比。將污泥、餐廚垃圾以及滲濾液按60%:10%:30%重量百分比比例混合均勻，礦化垃圾的添加量為5g/100g聯(lián)合基質(污泥、餐廚垃圾以及滲濾液濕重)，將礦化垃圾和聯(lián)合基質組成的混合基質連續(xù)泵入?yún)捬醢l(fā)酵罐中，并充入氮氣以驅除其中的氧氣，反應器溫度為20-55°C。15天內(nèi)平均甲垸產(chǎn)量50L/kg混合基質，氫氣濃度在5-8%體積百分比波動，甲垸濃度為52-57%體積百分比。表3為污泥、餐廚垃圾、滲濾液及混合基質基本初始指標<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權利要求1.礦化垃圾、滲濾液、餐廚垃圾及污泥生產(chǎn)甲烷和氫氣的方法，其特征在于第一步，餐廚垃圾和污泥的預處理先將餐廚垃圾破碎到粒徑為5-10mm，然后將污泥通過1.25mm過篩處理，接著分別測定它們的pH、含水率以及C/N，并添加自來水，使含水率均為90％；第二步，調(diào)整污泥、滲濾液、餐廚垃圾及礦化垃圾配比取第一步的含水率為90％的污泥和餐廚垃圾，按污泥∶餐廚垃圾∶滲濾液＝(10％-90％)∶(5％-45％)∶(5％-45％)重量百分比量取，再量取餐廚垃圾、滲濾液和污泥總重量的5％的礦化垃圾，然后將它們混合，充分攪勻，此時混合物的pH為5.8-6.2，C/N為7.0-7.5；第三步，聯(lián)合發(fā)酵將第二步的滲濾液、餐廚垃圾、污泥及礦化垃圾混合物置于密閉容器中，充入氮氣以驅除容器中的氧氣，在20-55℃下，采用100～130轉/分鐘速率震蕩或攪拌方式開始厭氧消化，反應時間持續(xù)15天，得到含55-57％體積CH4和4-10％體積H2的CH4和H2混合氣。2.根據(jù)權利要求1所述的礦化垃圾、滲濾液、餐廚垃圾及污泥生產(chǎn)甲垸和氫氣的方法，其特征在于所述的污泥為生化污水處理廠的壓濾污泥。3.根據(jù)權利要求1所述的礦化垃圾、滲濾液、餐廚垃圾及污泥生產(chǎn)甲烷和氫氣的方法，其特征在于所述的滲濾液為焚燒廠新鮮滲濾液。4.根據(jù)權利要求1所述的礦化垃圾、滲濾液、餐廚垃圾及污泥生產(chǎn)甲垸和氫氣的方法，其特征在于所述的礦化垃圾是填埋8年以上礦化垃圾。全文摘要本發(fā)明涉及一種礦化垃圾、滲濾液、餐廚垃圾及污泥生產(chǎn)甲烷和氫氣的方法。先對餐廚垃圾進行破碎，對污泥過1.25mm篩，再將污泥和餐廚垃圾的含水率調(diào)節(jié)為90％重量百分比。接著按污泥∶餐廚垃圾∶滲濾液＝(10％-90％)∶(5％-45％)∶(5％-45％)量取，再添加餐廚垃圾、滲濾液和污泥總重量的5％的礦化垃圾，并滿足C/N為7.0-7.5，pH為5.8-6.2。將它們泵入?yún)捬醢l(fā)酵罐中，充入氮氣以驅除容器中的氧氣，在20-55℃反應15天，得到H₂濃度達到4～10％體積百分比，CH₄濃度達到55～57％體積百分比的CH₄和H₂混合氣。本發(fā)明操作簡單、成本低廉，具有可貴的經(jīng)濟和社會效益，用本發(fā)明的混合氣使甲烷發(fā)電效率提高了10-15％，且很好地解決了沼氣發(fā)電點火困難的問題。文檔編號C12P5/02GK101318848SQ20081004059公開日2008年12月10日申請日期2008年7月15日優(yōu)先權日2008年7月15日發(fā)明者劉常青,柴曉利,牛冬杰,峰秦,趙愛華,趙由才申請人:同濟大學