[发明专利]一种颗粒生物炭及其制备方法和在厌氧消化产甲烷中的应用

说明书

本发明提供一种用于厌氧消化的颗粒生物炭，是由若干片状生物炭通过水溶性复合粘合剂粘结形成的颗粒状生物炭，每个所述的片状生物炭，其长度和/或宽度是其厚度的5倍以上；所述的水溶性复合粘合剂，按重量百分比计，含有15％～100％的水溶性胶结材料和余量的助剂。本发明还提供制备所述颗粒生物炭的方法，和应用所述颗粒生物炭进行厌氧消化生产甲烷的方法。本发明的颗粒生物炭不仅不易产生粉尘、不易受潮、投加方式更加简便，而且在富水环境中可迅速分散、极易形成活性生物膜，可显著提升厌氧消化生产甲烷的效率和产品品质。

技术领域

本发明涉及生物炭技术领域，具体涉及一种改进的颗粒生物炭，及其制备方法和在厌氧消化处理有机废弃物中的应用。

背景技术

常见的吸附材料由活性炭或生物炭等颗粒碳材料制成，用途十分广泛，例如过滤和分离、催化、土壤改良、储能和碳封存等。其中生物炭是生物质在缺氧条件下热解得到的碳化物，其来源广泛，包括花生壳、农作物秸秆、木屑、稻壳、畜禽粪便以及市政污泥等，成本十分低廉。生物炭不仅含有大量的碳，还含有较为丰富的磷、钙、钾、镁元素。由于生物炭具有较大的比表面积、较高的化学和生物学稳定性、通常情况下呈碱等特点，在改善土壤生态系统、环境污染阻控及修复等方面得到了广泛应用，并被证实具有良好的环境效应。

近年来，随着工业生产和城市发展规模扩大，生态环境日益严峻，社会各界对环境问题愈发重视。厌氧消化技术作为一种处理畜禽粪污、农作物秸秆、餐厨废弃物、有机垃圾等有机废弃物的有效方式，既可以实现有机废弃物的资源化利用，还可以获得清洁的可再生能源——沼气，日益受到世界各国的重视和学者的关注。当前，已有有部分学者开始对生物炭在厌氧消化系统中的应用开展试验研究。结果表明，添加生物炭可以提高鸡粪、牛粪、农作物秸秆、污泥等厌氧消化产沼气潜力，并能提高所产沼气的甲烷含量，降低NH₃和H₂S的含量。同时发现，生物炭的添加量对产沼气潜力影响显著，生物炭粒径对沼气中甲烷含量的影响显著。在厌氧消化系统中添加生物炭，还可以结合抑制物质，如有机酸、氰化物、酚类、发酵液中的铵和硫化氢等，并支持产沼气微生物在其表面的生长，从而形成生产性生物膜，促进产甲烷。此外，添加的生物炭对沼液沼渣的后续使用也没有不利影响，反而提高了消化物的能量和肥料价值。

目前用于厌氧消化的炭基材料的主要缺点是表面体积比和表面质量比较低。炭基材料的有效性取决于表面吸附能力和厌氧微生物活性生物膜的可用空间。粒径小于10μm的粉状炭基材料，具有很高的内表面，可提高吸附能力，但这种细小的颗粒难以形成生物膜。此外，也不宜在沼气工程中存储，且在储存和运输过程中易产生扬尘。粒径过大的炭基材料虽然能够形成生物膜，但是随着时间的推移，过深的孔隙容易被发酵料液中的细颗粒和微生物堵塞，从而降低了炭基材料的吸附和解吸的能力，生长在内表面的生物膜也将因缺乏基质而受损。

因此，需要一种改进的炭基材料用于厌氧消化等发酵过程，同时需要开发与之适应的厌氧消化产甲烷方法。

发明内容

鉴于上述背景，本发明首要目的在于：提供一种改进的用于厌氧消化的颗粒生物炭，不仅不易产生粉尘、不易受潮、投加方式更加简便，而且在富水环境中可迅速分散、极易形成活性生物膜。

本发明的另一个目的在于：提供成本低廉的制备所述用于厌氧消化的颗粒生物炭的方法。

本发明的再一个目的在于：提供利用所述颗粒生物炭进行厌氧消化生产甲烷的方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

首先，提供一种用于厌氧消化的颗粒生物炭，是由若干片状生物炭通过水溶性复合粘合剂粘结形成的颗粒状生物炭，其中，每个所述的片状生物炭，其长度和/或宽度是其厚度的5倍以上；所述的水溶性复合粘合剂，按重量百分比计，含有15％～100％的水溶性胶结材料和余量的助剂。