本發(fā)明屬于環(huán)境保護和資源綜合利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用碳材料改善合成氣厭氧發(fā)酵效果的方法。
背景技術(shù)：
木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料(如秸稈和木頭)不易被微生物直接降解并轉(zhuǎn)化成生物原料。若直接燃燒，在燃燒效率低的同時，還會形成大量空氣污染物，而將它們氣化或熱解為合成氣是實現(xiàn)其資源化能源化的有效處理方式之一。合成氣可以直接用于為工業(yè)鍋爐，燃氣輪機或燃料電池提供電力，也可以通過化學(xué)或生物技術(shù)進一步轉(zhuǎn)化成醛、醇、酸類、高純原料氣(如甲烷，氫氣)等產(chǎn)品。將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料氣化或熱解為合成氣的化學(xué)工藝很成熟，但通常需要在高溫高壓條件下進行，還需要恒定的co/h2比率，當混有其他雜質(zhì)時會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量變差【klassonkt,m.d.ackerson,clausenec,etal.1991.bioreactordesignforsynthesisgasfermentations.fuel70(5):605-614.】；而相比于化學(xué)工藝，采用開放式的混合菌厭氧發(fā)酵技術(shù)可以避免這些問題，其成本低和較易獲得的特點使其更具實際應(yīng)用價值【guiotsr,cimpoiar,carayong.potentialofwastewater-treatinganaerobicgranulesforbiomethanationofsynthesisgas.2011.environmentalscience&technology45(5):2006-12.】。
合成氣中一氧化碳占比10％-100％。一氧化碳營養(yǎng)型厭氧微生物的馴化和增殖通常需要很長的啟動時間，而一氧化碳對微生物的潛在毒性也會影響功能菌的代謝過程以及與其它微生物的合作【sanchons,cimpoiar,bruantg,etal.biomethanationofsyngasusinganaerobicsludge:shiftinthecatabolicrouteswiththecopartialpressureincrease[j].frontiersinmicrobiology,2016,7(147).】當這些一氧化碳營養(yǎng)型厭氧微生物不能及時降解完一氧化碳時，會導(dǎo)致厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的不穩(wěn)定【mohammadim,najafpourgd,younesih,etal.bioconversionofsynthesisgastosecondgenerationbiofuels:areview[j].renewable&sustainableenergyreviews,2011,15(9):4255-4273.】。因此，為解決上述問題，需要強化微生物的代謝能力和抗一氧化碳抑制的能力。
科技文章【sanchons,cimpoiar,bruantg,etal.biomethanationofsyngasusinganaerobicsludge:shiftinthecatabolicrouteswiththecopartialpressureincrease[j].frontiersinmicrobiology,2016,7(147).】報道：通過長期在1atm的一氧化碳分壓的氛圍下馴化厭氧污泥，使得污泥中微生物利用一氧化碳能力和產(chǎn)甲烷能力有了顯著的提升。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
基于上述背景，本發(fā)明提出了一種利用碳材料改善合成氣厭氧發(fā)酵效果的方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
一種利用碳材料改善合成氣厭氧發(fā)酵效果的方法，包括以下步驟：
(1)在以厭氧污泥作為啟動菌劑的厭氧反應(yīng)器中添加碳材料；
(2)以合成氣作為碳源，用曝氣的方式進行厭氧發(fā)酵。
所述的碳材料可由有機廢物熱解或氣化產(chǎn)生，也可根據(jù)其產(chǎn)物進一步加工制得，包括生物炭、活性炭等。
所述的碳材料粒徑<150微米，比表面積不低于100m2/g或者酸堿官能團含量不低于3mmol/g。
所述的碳材料在厭氧反應(yīng)器中的體積填充率小于1％。
所述的碳材料與作為啟動菌劑的厭氧污泥vs質(zhì)量比為0.8:1-1.2:1。
所述厭氧反應(yīng)器運行參數(shù)為：反應(yīng)溫度為30-40℃，ph6.5-7.8，氣體回流率為90％-100％，越高越好。
所述的合成氣由一氧化碳和其它氣體按一定比例配制成，合成氣中一氧化碳體積占比在10％-100％。
所述的合成氣為木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料經(jīng)熱解或氣化過程產(chǎn)生的富含一氧化碳的合成氣。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點及效果：
1、碳材料的多孔性和比表面積較大的特性能夠為微生物生存提供附著位點和較大空間，改善微生物的生長、發(fā)育和代謝。它們還含有豐富的官能團，能調(diào)節(jié)材料周邊的液相環(huán)境。此外它們都是導(dǎo)電的材料，能促進電子傳遞，加快物質(zhì)的降解，從而有助于提高微生物抗抑制的能力。
2、添加了碳材料的反應(yīng)器啟動時間縮短，一氧化碳降解速率和甲烷產(chǎn)生速率得以大幅提升，合成氣厭氧發(fā)酵效果得以改善。
3、木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料(如木頭，秸稈)經(jīng)熱解或氣化過程可產(chǎn)生富含一氧化碳的合成氣，生物炭和活性炭等碳材料也可以由熱解過程產(chǎn)生。用合成氣和碳材料分別作為微生物厭氧發(fā)酵過程的碳源和添加劑，可以實現(xiàn)廢物的生物精煉和高值化。
附圖說明
圖1為本發(fā)明中閉合升流式厭氧反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中各標號如下：1-進氣口；2-曝氣頭；3-微生物；4-酸液罐；5-堿液罐；6-厭氧反應(yīng)器；7-循環(huán)泵；8-輸送泵；9-氣泡；10-出氣口；11-ph控制系統(tǒng)；12-氣袋；13-出氣管。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
實施例1
本實施例采用的厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所述，為閉合升流式厭氧反應(yīng)器。厭氧反應(yīng)器6底部設(shè)有進氣口1，在進氣口1上方設(shè)置曝氣頭2，在厭氧反應(yīng)器6內(nèi)部填充有微生物3，在厭氧反應(yīng)器6頂端設(shè)有出氣口10，在厭氧反應(yīng)器6外設(shè)有填充合成氣的氣袋12，氣袋12通過進氣管與進氣口1連通，在進氣管上設(shè)有循環(huán)泵7，從出氣口10引出回流管與出氣管13，回流管與氣袋12連通，出氣管13直接通入大氣中。
合成氣從進氣口1進入后通過曝氣頭2形成許多氣泡9，氣泡9會通過微生物3，以合成氣作為碳源，用曝氣的方式進行厭氧發(fā)酵。
在厭氧反應(yīng)器6外設(shè)有酸液罐4與堿液罐5，酸液罐4與堿液罐5同時與酸堿液補充管連接，酸堿液補充管伸入到厭氧反應(yīng)器6內(nèi)，在酸堿液補充管上設(shè)有輸送泵8，在厭氧反應(yīng)器6內(nèi)設(shè)有ph控制系統(tǒng)11，通過ph控制系統(tǒng)11控制酸液罐4與堿液罐5加入到厭氧反應(yīng)器內(nèi)的量，進而控制厭氧反應(yīng)器6內(nèi)的ph范圍。
本實施例利用碳材料改善合成氣厭氧發(fā)酵效果的方法，步驟如下：
(1)取厭氧活性污泥作為啟動菌劑，污泥投加量為60g，其ts和vs分別為12％和73％。按污泥vs質(zhì)量與生物炭質(zhì)量比近似等于1比1，投加生物炭5克，生物炭粒徑為75-150微米，其酸堿官能團含量為4.6mmol/g。
(2)生物炭在厭氧反應(yīng)器中的體積填充率為0.7％。
(3)如圖1，在閉合升流式厭氧反應(yīng)器中，合成氣從氣袋中由循環(huán)泵泵入?yún)捬醴磻?yīng)器，最終回流到同一氣袋中，回流率為100％，合成氣中一氧化碳在反應(yīng)器中的含量依次遞增，本實施例考量一氧化碳分壓分別為0.07atm、0.21atm、0.41atm、0.69atm的四個狀態(tài)；
(4)厭氧反應(yīng)器采用溫控設(shè)備維持反應(yīng)器內(nèi)溫度為35℃，采用ph控制系統(tǒng)維持反應(yīng)器內(nèi)ph為6.5-7.8。
采用如上述的處理方法，當一氧化碳初始分壓為0.21atm時，一氧化碳降解速率最高可提高149％，甲烷產(chǎn)生速率最高可提高49％；當一氧化碳初始分壓為0.41atm，一氧化碳降解速率最高可提高57％，甲烷產(chǎn)生速率最高可提高238％。發(fā)酵啟動時間提前40％。
實施例2
本實施例利用碳材料改善合成氣厭氧發(fā)酵效果的方法，步驟如下：
(1)取厭氧顆粒污泥作為啟動菌劑，污泥投加量為60g，其ts和vs分別為12％和73％。按污泥vs質(zhì)量：活性炭質(zhì)量近似等于1：1投加活性炭5克?；钚蕴苛綖?5-150微米，比表面積為644m2/g。
(2)活性炭在厭氧反應(yīng)器中的體積填充率為0.7％。
(3)如圖1，在閉合升流式厭氧反應(yīng)器中，合成氣從氣袋中由循環(huán)泵泵入反應(yīng)器，最終回流到同一氣袋中，回流率為100％，氣袋中的氣兩天更換一次，合成氣中一氧化碳在反應(yīng)器中的含量依次遞增，本實施例考量一氧化碳分壓分別為0.07atm、0.21atm、0.41atm、0.69atm的四個狀態(tài)；
(4)厭氧反應(yīng)器采用溫控設(shè)備維持反應(yīng)器內(nèi)溫度為35℃，采用ph控制系統(tǒng)維持反應(yīng)器內(nèi)ph為6.5-7.8。
采用如上述的處理方法，當一氧化碳初始分壓為0.21atm時，一氧化碳降解速率最高可提高193％，甲烷產(chǎn)生速率最高可提高45％；當一氧化碳初始分壓為0.41atm，一氧化碳降解速率最高可提高60％，甲烷產(chǎn)生速率最高可提高186％。發(fā)酵啟動時間提前20％。
上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。