[发明专利]酸性条件产甲烷的快速构建方法

说明书

技术领域

本发明属于环境保护和资源综合利用领域，涉及一种对废物进行厌氧消化处理产甲烷的工艺，尤其是涉及一种酸性条件产甲烷的快速构建并稳定处理高浓度有机物的方法。

背景技术

厨余垃圾、餐厨垃圾、食品加工废物、发酵工业废物等固体废物的产生量巨大，且由于其易降解有机组分，如淀粉、蛋白质、脂肪等的比例高，容易腐败，也被称为易腐有机废物。以上海市为例厨余垃圾日收运量已达13000吨/天，餐厨垃圾收运量达2797吨/天。数量如此巨大的易腐有机废物如得不到妥善处置，将对环境造成严重的二次污染。以甲烷为最终产物的厌氧消化，是实现废物处理和资源化的重要技术。不仅从中能获得清洁可再生能源，且其技术过程较为成熟，已有相当规模的工业化应用，具有广泛的应用前景。但在实际工程中存在反应器容积利用率低、消化过程不稳定等问题。如何控制消化过程的工艺稳定性，提高消化效率是目前该技术发展的主要方向。

厌氧消化是指构成固体废物的各类有机物在缺氧或无氧环境下被微生物分解，形成各种代谢产物，并以甲烷为最终产物的过程。这一过程基本可概括成4个阶段：水解、酸化、乙酸化和甲烷化。水解和酸化由发酵细菌完成，而乙酸化和甲烷化由产甲烷菌及其共生细菌实现，前后两大类微生物之间存在显著的生理生化差异。水解酸化菌可以适应较宽的pH范围，从pH 5至pH 9，而产甲烷菌则对pH有严格要求，需要严格控制在中性或偏碱性范围，一般为pH 6.5至pH 7.5。

但是易腐有机废物在进行厌氧消化的时候，由于其易降解性，容易导致水解酸化的速率远超过甲烷化速率，使得水解酸化产物如乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等迅速累积，这些有机酸累积浓度常达数百mM，导致pH迅速下降，低至pH 4-6，甚至有时候可能低至pH 3.5，严重抑制了通常产甲烷菌的生长，导致甲烷化失败，而且往往在数月内都无法恢复产甲烷，处于一种长期酸败的情况。由酸碱中和滴定曲线可知，中性pH 7处于等当点附近，曲线几乎是垂直线，加入少量酸碱pH就会发生很大的变化，即滴定突跃，因此中性范围是较难控制的，酸或碱稍微过量就会偏离pH 7控制点。由于废物的含固率高、粘度大、液体流动性差，常规的添加碱性药剂调节pH的措施很难均匀混合药剂，而且由于累积的有机酸量太高，中和需要添加大量的碱性药剂，反而会导致阳离子的过量投加抑制产甲烷菌的生长。

为了克服单相(单段)厌氧消化这一酸败问题，常见的解决方法主要有以下几种：1)大幅降低处理负荷，以控制有机酸的最高累积浓度；2)对进料废物进行稀释，同样是为了控制有机酸最高累积浓度；3)大比例投加含产甲烷菌的接种物，以使得产甲烷菌能迅速消耗生成的有机酸，避免有机酸的累积，其中接种物与易腐有机废物的有机质比一般需达到2∶1～4∶1以上才能避免酸败，使得反应器中用于处理废物的有效体积大大缩小(如中国发明专利：“一种垃圾联合发酵制沼气方法”(公布号：CN101988076A)、“一种立式无搅拌有机废物干式厌氧消化处理设备及方法”(公开号CN101381674A)、“有机材料厌氧发酵的方法和设备”(公开号CN101200693A))。可见这三大类方法都是以牺牲处理负荷来获取厌氧消化的稳定但低效运行。

还有一类解决途径是进行两相(两段)厌氧消化，即将水解酸化和甲烷化分别放在两个反应器中进行，分别进行条件控制，使得水解酸化可以在低pH条件下进行，而产甲烷反应器则依然通过上述降低有机负荷、加大产甲烷菌菌量、液体回流调节pH缓冲等措施以维持该反应器的pH控制在中性和偏碱性范围。该方面代表性的中国发明专利有：“一种分区接种快速启动易酸败垃圾沼气利用的方法”(公告号CN102492728B)、“餐厨垃圾两相湿式厌氧消化处理方法”(公布号CN101862747A)、“城市垃圾两步厌氧消化处理工艺”(公开号CN1431159A)、“一种餐厨垃圾的处理方法”(公布号CN101921809A)、“易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的方法”(公布号CN101805753A)、“有机固体废弃物联合厌氧发酵方法”(公开号CN101337838A)。两相厌氧消化的缺点是增加了反应器个数、需要增设液体运输控制设备等，从而增加了运行成本和难度。