[发明专利]一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法

说明书

技术领域

本发明属于固废资源化领域，涉及一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法。

背景技术

随着我国城镇化进程的加快，城市内产生的废弃物量也随着显著增加。以典型的城市生物质废弃物城市污泥和生活垃圾为例，污泥的年发生量约3600万吨、生活垃圾堆存量超过70亿吨，两者的发生量均以每年约10%的速度增加，传统的土地填埋、露天堆放和外运等方式已经无法适应日趋严格的处理处置标准，近年来，全球能源结构正经历以矿物能源为主向多种能源并存的方向的转变，粮食安全和环境恶化等问题也日益突出，采用厌氧消化技术回收生物质废弃物中的非粮生物质能源——沼气逐渐得到重视。

在生物质废弃物的厌氧消化过程中，参与物质与能量转化的微生物主要包括发酵细菌、产氢产乙酸细菌、同型产乙酸菌和产甲烷菌,有机质的甲烷化过程就是在这些微生物的作用下，通过一系列生物化学转化来实现的。这些过程可简单的分为两步，一是水解、酸化和乙酸化，二是中间产物乙酸、氢和二氧化碳转化为甲烷。因此，维持这些微生物处于适宜其代谢的环境对于保证厌氧消化系统的效率和稳定性至关重要。然而，在厌氧消化过程中，参与生化反应的这几类微生物的最适理化环境如温度、pH值等是不同的，在传统的厌氧消化工艺中，这些反应在同一个反应器中同时在进行着，不同的微生物均处于相同的理化环境中，没有最大化的实现厌氧消化效率。通过多相系统分别维持适宜不同微生物生长代谢的适宜条件将有助于提高厌氧消化效率。对于厌氧消化系统来说，厌氧消化效率主要体现在有机质的降解率上，除此之外，厌氧消化系统的甲烷产率、沼气中的甲烷含量也是衡量一个厌氧消化系统是否处于良好状态的重要参数。而沼气中甲烷含量和甲烷产率的提升可以通过对产甲烷底物的控制和产甲烷菌活性的提升来实现。

关于提高有机质的厌氧消化效率，目前已有的方法主要集中在通过物理（如热、光、声、电）、化学（如酸、碱）或生物（如酶，强化生物酸化）等方法对物料进行改性预处理，以此作为厌氧消化工艺的第一段或第一相，然后进行甲烷化过程（以此作为厌氧消化工艺的第二段或第二相）。在提升系统甲烷产率方面，已有方法通常是通过提有机质降解率间接实现的。这些方法均有别于本发明的技术路线。本发明将公开一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法，通过使水解酸化和甲烷化过程分别能够在最佳条件下进行，而提高整个厌氧消化过程的反应速率和产气率；同时，通过产甲烷底物控制提高沼气中甲烷含量，从而进一步提升厌氧消化系统的经济效能。

本发明的技术方案是：首先，将整个厌氧消化过程的微生物分别富集在两个串联的厌氧消化系统中，其中，第一段富集水解发酵细菌，第二段富集乙酸化和产甲烷菌。微生物分段富集过程是通过调节各段的温度和微生物停留时间来实现的。在此基础上，将第一段产生的气体（主要是CO₂和H₂）通入第二段厌氧消化系统中，CO₂和H₂在第二段厌氧消化系统中合成CH₄，从而提高沼气中的甲烷含量和系统的整体甲烷产率。

本发明提出的一种提升有机质废弃物厌氧消化效率和沼气中甲烷含量的方法，将整个厌氧消化过程的微生物分别富集在两个串联的厌氧反应器中，其中，第一段为强化产酸产氢段，富集水解发酵细菌，第二段为强化产甲烷段，富集乙酸化和产甲烷菌；并充分利用强化产酸产氢段的气相产甲烷底物以提高沼气中甲烷含量。具体步骤如下：

(1)强化产酸产氢段：将高有机质废弃物作为密闭的完全混合式厌氧反应器的物料，以连续或半连续进料的方式控制物料在该厌氧反应器中的停留时间为2-4天，控制物料温度为50-60℃。使物料处于厌氧或缺氧的条件下，通过控制停留时间可富集发酵细菌，通过控制物料温度可进一步强化发酵细菌的水解、产酸速率得到的强化产酸产氢气体主要成分为CO₂，H₂和CH₄；