專利名稱：一種固體有機廢棄物厭氧干發(fā)酵氫甲烷聯(lián)產(chǎn)的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及環(huán)境保護、能源與化工技術領域，尤其涉及一種固體有機廢棄物厭氧干發(fā)酵 連續(xù)生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法。
背景技術：
現(xiàn)有的有機廢棄物厭氧發(fā)酵技術絕大部分采用濕式厭氧發(fā)酵技術，存在占地面積大，用 水多，主要是戶用型生產(chǎn)方法，不利于以甲垸為主的生物燃氣高產(chǎn)能、具有經(jīng)濟性的連續(xù)化 生產(chǎn)。與濕法厭氧沼氣發(fā)酵技術相比，干式厭氧沼氣發(fā)酵固含率高，發(fā)酵基質(zhì)的濃度和負荷 高，不需要大量的水進行稀釋，設備占地面積小，降低了資源和能源消耗，單位容積的產(chǎn)氣 量多，能提高發(fā)酵和產(chǎn)能效率。
但高濃度厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術存在以下缺點1)發(fā)酵初期與發(fā)酵結束時發(fā)酵室沼氣
濃度與空氣濃度達到臨界點15:85時的防爆安全，需要高度安全可靠的自動控制系統(tǒng)。2) 發(fā)酵菌在發(fā)酵物中的繁殖速度保障。3)由于濃度過高，有機物降解所產(chǎn)生的酸不能及時稀釋， 導致局部酸積累。
厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的過程是由一系列的發(fā)酵反應組成，這些反應由幾大類群不同種類的細 菌組成的微生物群落共同完成的，主要是產(chǎn)酸細菌和產(chǎn)甲垸菌。但這兩種菌的生理生化特性 不同。前一種代謝能力強，繁殖速度快，環(huán)境適應性強等，而產(chǎn)甲烷菌，能利用的基質(zhì)少， 繁殖速度慢，易受環(huán)境影響。要維持傳統(tǒng)的單相厭氧反應器的正常、高效運行，就必須在一 個反應器內(nèi)維持上述兩種特性炯異的細菌之間的平衡，即要保證由發(fā)酵和產(chǎn)酸細菌所產(chǎn)生的 有機酸等產(chǎn)物能夠及時有效地被產(chǎn)甲烷細菌所利用并最終轉化為甲烷和二氧化碳等無機終產(chǎn)物，否則，會造成反應器內(nèi)有機酸的積累，嚴重時導致反應器內(nèi)ra值下降，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。
在單純產(chǎn)沼氣過程中，以葡萄糖為例,理論能源回收效率最高達83.2%(實際能源回收率 達55%)。而在單純厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程中，由于厭氧發(fā)酵制氫不能完全回收有機質(zhì)中的能量, 理論能源回收效率最高僅為33. 5%。
現(xiàn)有的厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷存在酸化現(xiàn)象，菌群之間沒能充分發(fā)揮作用，有機物能源轉化 率沒有充分利用。
若采用厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷結合的技術，在產(chǎn)氫階段，產(chǎn)氫細菌發(fā)酵生活有機垃圾生 成氫氣和中間代謝產(chǎn)物(醇類和VFA);在產(chǎn)甲垸階段，產(chǎn)甲烷細菌利用中間產(chǎn)物以及產(chǎn)氫階 段的殘余物進一步生成甲烷，理論能源回收效率可以提高到89%。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供一種固體有機廢棄物厭氧干發(fā)酵進行氫氣和甲烷聯(lián)產(chǎn)的方法， 以克服現(xiàn)有技術的缺陷，提高產(chǎn)甲烷相反應器中產(chǎn)甲垸菌的活性，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 實現(xiàn)厭氧干發(fā)酵氫氣和甲垸的連續(xù)生產(chǎn)。
本發(fā)明方法包括如下步驟
(1)厭氧干發(fā)酵預處理過程 將收集的城市垃圾、農(nóng)業(yè)有機廢棄物等生物質(zhì)資源進行分選，將分選后的有機廢棄物進
行潤洗，堆放濕度為100%的儲存室中，同時按原料重量的5%加菌劑，按原料重量的1.5%
加碳酸氫銨，混勻，好氧堆積，當有白色放線菌及觸摸感覺原料變軟時，將原料送入反應器。
所述原料為難降解的、含高濃度有機物的固體廢棄物，主要為收集的城市垃圾和農(nóng)業(yè)有機廢棄物。有機廢棄物固體濃度為20-30%為佳。 (2)厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氫過程
將預處理后的原料送入?yún)捬醢l(fā)酵產(chǎn)氫反應器中，接種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，加入水使產(chǎn)氫過程
中固液比為20%-30%，在攪拌器作用下混合均勻，調(diào)節(jié)ra值，產(chǎn)生氫氣的同時，將有機物降
解成低分子酸，為產(chǎn)甲烷過程作準備。
所述反應條件為固液比為20%-30%，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫反應器中反應溫度為常溫或中溫， ra值5.4-6.2之間，在產(chǎn)氫反應器內(nèi)產(chǎn)氫過程持續(xù)時間為1-2天；
接種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌時，所用接種物為城市污水處理廠的厭氧污泥，接種量為進料量的20% 到30%，所述產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌是按現(xiàn)有的微生物分離技術從城市污水處理廠的厭氧污泥中分離 得到的菌種。也可以采用現(xiàn)有技術的其他產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，其接種量按現(xiàn)有技術確定。
(3)厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程
將產(chǎn)氫過程中的小分子有機酸和醇類泵入?yún)捬醍a(chǎn)甲烷反應器中，接種復合產(chǎn)甲垸菌劑， 所用接種物為運行正常的沼氣池中的厭氧污泥，接種量為產(chǎn)氫階段后泵入產(chǎn)甲烷階段的進料 量的30%-40%，調(diào)節(jié)產(chǎn)甲烷反應器的反應參數(shù)如溫度，PH，防止有毒物質(zhì)進入，控制負荷以 維持酸化和甲烷化速度的平衡，達到發(fā)酵旺盛、高產(chǎn)甲烷量的目的。同時在產(chǎn)甲烷的同時， 還產(chǎn)生一些副產(chǎn)物如二氧化碳， 一氧化碳等。
反應條件為中溫34-37。C或高溫54-65°C， PH值6. 8-7. 5， C/N 20-30: 1，產(chǎn)甲烷過 程持續(xù)時間20-40天。
接種復合產(chǎn)甲垸菌劑時，所用接種物為運行正常的沼氣池中的厭氧污泥，接種量為產(chǎn)氫 階段后泵入產(chǎn)甲烷階段的進料量的30%-40%,所述復合產(chǎn)甲烷菌劑是按現(xiàn)有的微生物分離技 術從運行正常的沼氣池中的厭氧污泥分離得到的菌種。也可以采用現(xiàn)有技術的其他產(chǎn)甲垸菌， 其接種量按現(xiàn)有技術確定。2009
(4)生物燃氣凈化
收集反應混合氣，其中含H2、 CH4、 C02、 C0等，進行分離、凈化，提質(zhì)后即可使用。
本發(fā)明原料主要是城市垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物，在解決環(huán)保問題的同時實現(xiàn)以甲烷為主的生 物燃氣的連續(xù)生產(chǎn)。由于采用產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷階段的分離的方法，避免了常規(guī)產(chǎn)沼氣技術存在 的酸積累、抑制產(chǎn)甲垸菌活性、對原料適應性差等問題，從而有效地綜合了單純產(chǎn)氫和單純 產(chǎn)甲烷工藝的優(yōu)點，避免了各自的缺點，提高有機廢棄物的能源利用效率。


圖1是本發(fā)明的工作流程示意圖。
附圖標記說明1固體廢棄物儲存地；2固液調(diào)節(jié)池；3泵；4液體流量計；5進 料器；6PH控制儀；7產(chǎn)氫反應器；8三相分離器；9泵；IO氣液分離器；11泵； 12中間調(diào)節(jié)池；13泵；14液體流量計；15泵； 16產(chǎn)甲垸反應器；17氣體流量
計；18氣體凈化器。
具體實施方式
下面結合附圖是實施例對本發(fā)明內(nèi)容做進一步說明-
如圖1所示將收集的城市垃圾和農(nóng)業(yè)有機廢棄物進行分選，將分選后的有機廢棄物在
固體廢棄物儲存地1進行預處理，將原料進行分選并潤洗后，按原料重量的加5°/。菌劑，按原 料重量的1.5%添加碳酸氫銨，混勻，好氧堆積3 — 5天，當有白色放線菌及觸摸感覺原料變 軟后。在調(diào)節(jié)池2中與來自產(chǎn)甲烷反應器16中的沼液混合構成20%-30%的高濃度溶液。
將高濃度溶液經(jīng)泵3、流量計4、進料器5引入產(chǎn)氫反應器 中，向產(chǎn)氫反應器7接種城 市污水處理廠的污泥，接種污泥量為進料量20%-30%,以接種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，攪拌均勻。反 應器內(nèi)的溫度為34-37°C 。利用在線PH控制儀6將ra值控制在5. 4-6. 2之間。產(chǎn)生的氫氣混合氣體從反應器頂部的三相分離器8分離出來，經(jīng)泵9進入氣體分離器10。同時產(chǎn)氫反應 器7中生成的有機酸溶液進入中間調(diào)節(jié)池12調(diào)節(jié)溶液濃度，由泵13通過液體流量計14泵入 產(chǎn)甲烷反應器16，接種復合產(chǎn)甲烷菌劑，所用接種物為運行正常的沼氣池中的厭氧污泥，接 種污泥量為產(chǎn)氫階段后泵入產(chǎn)甲垸階段的進料量的30%-40%。產(chǎn)甲烷反應器16外有加熱和保 溫材料，可將溫度控制在中溫(34-37°C )或高溫(54-65。C )， PH控制儀6調(diào)節(jié)PH值為6. 8-7. 2, 調(diào)節(jié)C/N比為20-30: 1。產(chǎn)生的甲烷在產(chǎn)甲烷反應器16頂部的三相分離器8中分離出來， 由泵15泵入氣體分離器10，分離的氣體經(jīng)氣體流量計17進入脫硫、脫C02的氣體凈化器18 中，凈化后的以甲垸為主的生物燃氣可直接使用，或加壓制成車用壓縮天然氣。而氣體分離 器10中的液相則由泵11泵入產(chǎn)氫反應器7中。同時產(chǎn)甲垸反應器16中的沼液通過添加酸或 加堿如KOH或NaOH (0. lmol/L)溶液調(diào)節(jié)PH 5. 5左右后直接泵入產(chǎn)氫反應器7中或加到原 料預處理設備1中。實現(xiàn)100%零排放。亦可多加一個氣體分離器，將氫氣分離出來單獨使用。
經(jīng)測試，主要原料采用城市垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物，在產(chǎn)氫階段，原料氫氣產(chǎn)氣量6L/Kg氫
氣含量20%;在產(chǎn)甲烷階段，原料沼氣產(chǎn)氣量74L/Kg甲烷含量60%
權利要求
1、一種固體有機廢棄物厭氧干發(fā)酵氫甲烷聯(lián)產(chǎn)的方法，以城市垃圾和農(nóng)業(yè)有機廢棄物為原料，其特征在于包括如下步驟(1)厭氧干發(fā)酵預處理過程將原料進行分選得到有機廢棄物并進行潤洗，堆放濕度為100％的儲存室中，同時按原料重量的5％加菌劑，按原料重量的1.5％加碳酸氫銨，混勻，好氧堆積，當有白色放線菌及觸摸感覺原料變軟時，將原料送入反應器；(2)厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氫過程將預處理后的原料送入?yún)捬醢l(fā)酵產(chǎn)氫反應器中，接種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸的復合菌劑，加入水使產(chǎn)氫過程中固液比為20％-30％，在攪拌器作用下混合均勻，反應溫度為常溫或中溫，調(diào)節(jié)PH值在5.4-6.2之間，產(chǎn)氫過程持續(xù)時間為1-2天；產(chǎn)生氫氣的同時，將有機物降解成低分子酸，為產(chǎn)甲烷過程作準備；(3)厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程將產(chǎn)氫過程中的小分子有機酸和醇類泵入?yún)捬醍a(chǎn)甲烷反應器中，接種復合產(chǎn)甲烷菌劑，調(diào)節(jié)產(chǎn)PH值為6.8-7.5，C/N為20-30∶1，反應溫度為中溫或高溫，防止有毒物質(zhì)進入，控制負荷以維持酸化和甲烷化速度的平衡，達到發(fā)酵旺盛、高產(chǎn)甲烷量的目的；產(chǎn)甲烷過程持續(xù)時間20-40天；(4)生物燃氣凈化收集反應混合氣，進行分離、凈化，提質(zhì)后即可使用。
2、 根據(jù)權利要求l所述的固體有機廢棄物厭氧干發(fā)酵氫甲垸聯(lián)產(chǎn)的方法，其特征在于所述中溫為34-37°C，高溫為54-65°C。
3、 根據(jù)權利要求l所述的固體有機廢棄物厭氧干發(fā)酵氫甲烷聯(lián)產(chǎn)的方法，其特征在于所述原料為收集的城市垃圾和農(nóng)業(yè)有機廢棄物，有機廢棄物固體濃度為20-30%。
4、 根據(jù)權利要求l所述的固體有機廢棄物厭氧干發(fā)酵氫甲垸聯(lián)產(chǎn)的方法，其特征在于所述步驟(2)中接種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸的復合菌劑所用接種物為城市污水處理廠的厭氧污泥，接種量為進料量的20%到30%。
5、 根據(jù)權利要求l所述的固體有機廢棄物厭氧干發(fā)酵氫甲垸聯(lián)產(chǎn)的方法，其特征在于所述步驟(3)中接種復合產(chǎn)甲烷菌劑所用接種物為運行正常的沼氣池中的厭氧污泥，接種量為產(chǎn)氫階段后泵入產(chǎn)甲烷階段的進料量的30%-40%。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種利用固體有機廢棄物厭氧干發(fā)酵可連續(xù)生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法。本發(fā)明是城市垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物的厭氧消化處理的方法，采用產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷階段的分離的方法。包括步驟為(1)厭氧干發(fā)酵預處理過程；(2)厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氫過程；(3)厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程；(4)生物燃氣凈化。避免了常規(guī)產(chǎn)沼氣技術存在的酸積累、抑制產(chǎn)甲烷菌活性、對原料適應性差等問題，實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)氫氣和沼氣，從而有效地綜合了單純產(chǎn)氫氣和單純產(chǎn)沼氣工藝的優(yōu)點，避免了各自的缺點，提高有機廢棄物的能源利用效率，在解決環(huán)保問題的同時實現(xiàn)以甲烷為主的生物燃氣的連續(xù)生產(chǎn)。
文檔編號C12P5/02GK101638670SQ20091004091
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權日2009年7月7日
發(fā)明者孔曉英, 孫永明, 東 李, 李連華, 袁振宏, 馬隆龍 申請人:中國科學院廣州能源研究所