一种高含碳基质与微藻共消化回收N、P及净化沼气的方法技术

本发明专利技术涉及净化沼气的方法技术领域，特别涉及一种高含碳基质与微藻共消化回收N、P及净化沼气的方法。该方法包括预处理、厌氧消化、微藻光反应器脱除二氧化碳以及细菌矿化阶段。该方法能够实现高含碳基质与微藻的资源回收、又能提高厌氧消化性能以及甲烷转化率。

A Co-digestion Method of Recovering N and P from High Carbon Matrix and Microalgae and Purifying Biogas

【技术实现步骤摘要】
一种高含碳基质与微藻共消化回收N、P及净化沼气的方法
本专利技术涉及净化沼气的方法，特别涉及一种高含碳基质与微藻共消化回收N、P及净化沼气的方法。
技术介绍
随着化石燃料衰竭、温室效应加剧等问题日益突出，寻找可替代的再生能源成为全球的紧迫问题。厌氧消化产生的沼气作为一种生物质能源，对解决全球性能源危机、改善能源结构有巨大的促进作用。我国沼气工程拥有优越的自然发展条件，可作为生产沼气的原料种类繁多，数量巨大，具有显著优势，污泥、厨余垃圾、秸秆、动物粪便、木材废物等这些都是可作为厌氧消化原料的高含碳有机质。沼液作为沼气工程的副产物，由于具有存储运输困难、经济性价值相对较低、碳氮比失衡等特点，在处理利用上存在许多难题，此外沼气中二氧化碳含量较高也成为限制沼气工程进一步发展的关键因素之一。微藻因其生长速率快、光合效率高、能利用各种污水为底物、固定二氧化碳等突出优势，被认为是最有可能取代化石燃料的第三代生物质能。微藻的厌氧消化产沼气技术，不需脱水干燥和严格的产品分离，可以充分利用现有污水处理厂厌氧消化设施，避免了额外的建设投资，具有产业化的技术实践基础。虽然微藻生物质具有良好的厌氧产甲烷潜力，然而大部分微藻的厌氧消化受温度、pH、碱度以及有毒物质的抑制等问题影响，使微藻生物质的甲烷转化率都低于50％，使其实际产甲烷率处于甚至低于活性污泥的水平。目前沼液中的N、P资源的回收多采用鸟粪石结晶回收工艺，但是污水中往往富含氮、磷而缺少镁，并且鸟粪石结晶沉淀还需要较高的pH，因此，鸟粪石结晶工艺需要向含有氮、磷的污水中添加镁源，并通过加入碱源调节pH到合适范围，从而促进鸟粪石沉淀。然而，镁试剂(如MgCl2、MgSO4)和碱试剂(如NaOH)的添加将大大增加鸟粪石结晶回收的成本，再加上传统非生物沉淀鸟粪石工艺主要处理无机氮磷，而对有机氮磷的处理能力很弱，限制了鸟粪石结晶法回收氮磷的经济可行性。因此，找到一种合适的高含碳基质与微藻共消化回收N、P及净化沼气的方法，既能将高含碳基质与微藻的资源回收，又能提高厌氧消化性能以及甲烷转化率，具有重要意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种高含碳基质与微藻共消化回收N、P及净化沼气的方法，以完成高含碳基质与微藻的资源回收、又能提高厌氧消化性能以及甲烷转化率。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种高含碳基质与微藻共消化回收N、P及净化沼气的方法，具体包括以下步骤：S1、将高含碳基质与微型小球藻(Chlorellasp.)混合进行热超声处理，在超声处理过程中投加纳米零价铁(NZVI)进行预处理后进行厌氧消化，厌氧消化过程中的固液比为10-15％，厌氧消化过程中产生粗沼气，厌氧消化结束后将发酵料液固液分离，得到沼渣和浓沼液；本专利技术利用高含碳基质与微藻共消化，解决了微藻单独厌氧消化时碳氮比失衡而造成的厌氧消化效率低的问题。其中，调整热超声预处理的固液比有利于提高有机质的溶解量，使固相中可溶性的物质充分转入到液相，同时有利于提高后续厌氧消化过程中的传质速率；固体浓度越高，所需的超声能量阈值越低，这是固体浓度提高后颗粒有更多机会和空化气泡接触所致。因此，提高固体浓度对提升超声波处理的效率至关重要，当然过高的固体浓度将增加黏性，会抑制空化气泡形成，固液比以10％～15％为宜。作为优选，所述热超声处理的温度为120～150℃，时间为1～2h，超声波处理频率为20～30kHz。热超声预处理可以强化微藻细胞的破壁，降低纤维素的结晶度，溶解难降解有机物，为厌氧消化提供充足的底物，进而提高甲烷产率和产甲烷速率。当温度≤100℃时，主要破坏结合较弱的氢键和部分溶解微藻细胞(约20％)，当温度为120℃时能部分溶解半纤维素，当温度＞150℃时可溶解纤维素。在高温高压条件下，超声的协同空化作用更易破坏细胞壁结构，释放胞内物质，溶解大分子，部分水解高聚物。作为优选，所述投加纳米零价铁(NZVI)的浓度为500～1000mg/L；所述厌氧消化的时间为20-30天，厌氧消化的温度为35℃；NZVI在高温以及超声的空化作用下，热运动加剧，使得NZVI的尺寸效应更易吸附在细胞膜并穿刺细胞膜，促进胞内物质溶出。同时NZVI反应活性提高可产生超氧自由基和其他活性氧化物，使得脂质过氧化，破坏细胞壁细胞膜，降解胞外聚合物；预处理阶段未完全反应的NZVI在厌氧消化阶段可发生析氢腐蚀，为厌氧消化系统提供氢气，促进氢营养型产甲烷菌将二氧化碳转化为甲烷。NZVI还可以与含硫有机物反应，生成FeS等沉淀，使硫化物固定，降低硫化氢的含量；同时，NZVI产生的铁离子有助于污泥的絮凝，使得发酵后的物料更易固液分离，产生的沼渣外运填埋。作为优选，所述高含碳基质为污泥、厨余垃圾、秸秆、动物粪便或木材废物一种或几种。作为优选，预处理后的物料在进入厌氧消化池之前将pH调整为7.2～7.6。S2、所述粗沼气和浓沼液分别进入微藻光反应器，起始反应时加入微型小球藻(Chlorellasp.)，所述粗沼气经过所述微藻光反应器脱除二氧化碳得到精沼气，所述浓沼液进入微藻光反应器中促进小球藻进行生长得到浓藻液；作为优选，所述微藻光反应器的温度为20-25℃，向所述微藻光反应器的浓沼液中加水将所述浓沼液的浓度稀释一倍，浓沼液停留的时间为5-10天。通过微藻光反应器，浓沼液中含有的N、P浓度较高，这些N、P是小球藻所需营养，小球藻只需要在初期投加一次足以，后期可利用沼液中的营养和二氧化碳进行生长，通过微型小球藻(Chlorellasp.)既去除了浓沼液中的N、P，又将粗沼气通过光合作用脱除二氧化碳得到精沼气，同时又利用沼液中的营养和二氧化碳避免了小球藻的再次加入。微藻光反应器内，白天可利用太阳光提供光源，夜间则利用人工合成光源；高浓度沼液所含营养物质较高，会对微藻生长产生抑制作用，且沼液本身具有一定的浊度，浊度太高不利于光的透过，对微藻的光合作用有负面影响，而浓度太低所含的营养物质也有限，不利于微藻的生长，因此，将所述微藻光反应器的浓沼液中加水稀释一倍。S3、所述精沼气生物脱硫后回到下一轮的厌氧消化过程中，所述浓藻液进行固液分离后得到藻渣和清藻液，所述藻渣回流到下一轮的厌氧消化过程中，所述清藻液进入细菌矿化阶段；所述精沼气生物脱硫后采用生物洗涤塔，沼气自下而上进入生物洗涤塔，在出口处经过固体吸附剂进行脱水，固体吸附剂可以为分子筛、活性氧化铝、硅胶以及复合式干燥剂，最后储存并用于下一轮的预处理供热。S4、在细菌矿化阶段接种金属肠杆菌EMB19(Enterobactersp.EMB19)，并投加氧化镁(MgO)回收清藻液中N、P生成鸟粪石，液相继续回流到下一轮的厌氧消化过程中；作为优选，所述S4中投加的氧化镁(MgO)量与清藻液体积浓度为0.5～1.0g/L，停留时间为3～5天，温度为30℃，沉淀之后的鸟粪石回收后用作农业肥料。目前大多采用直接投加钙镁盐的方式得到磷酸盐沉淀回收沼液中的氮磷，如磷酸铵镁(俗称鸟粪石)，本专利技术通过细菌的代谢活动将沼液中的有机氮和有机磷转化为无机氮磷，提高了氮磷回收效率，促进鸟粪石沉淀，而传统非生物沉淀鸟粪石工艺主要处理无机氮磷。同时，细菌细胞以及细胞碎片可以充当成核位点，降低鸟粪石成核能垒，进一步促进矿化的发生。通过细菌本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高含碳基质与微藻共消化回收N、P及净化沼气的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、将高含碳基质与微型小球藻(Chlorella sp.)混合进行热超声处理，在超声处理过程中投加纳米零价铁(NZVI)进行预处理后进行厌氧消化，厌氧消化过程中的固液比为10‑15％，厌氧消化过程中产生粗沼气，厌氧消化结束后将发酵料液固液分离，得到沼渣和浓沼液；S2、所述粗沼气和浓沼液分别进入微藻光反应器，起始反应时加入微型小球藻(Chlorella sp.)，所述粗沼气经过所述微藻光反应器脱除二氧化碳得到精沼气，所述浓沼液进入微藻光反应器中促进小球藻进行生长得到浓藻液；S3、所述精沼气生物脱硫后回到下一轮的厌氧消化过程中，所述浓藻液进行固液分离后得到藻渣和清藻液，所述藻渣回流到下一轮的厌氧消化过程中，所述清藻液进入细菌矿化阶段；S4、在细菌矿化阶段接种金属肠杆菌EMB19(Enterobacter sp.EMB19)，并投加氧化镁(MgO)回收清藻液中N、P生成鸟粪石，液相继续回流到下一轮的厌氧消化过程中。

【技术特征摘要】
1.一种高含碳基质与微藻共消化回收N、P及净化沼气的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、将高含碳基质与微型小球藻(Chlorellasp.)混合进行热超声处理，在超声处理过程中投加纳米零价铁(NZVI)进行预处理后进行厌氧消化，厌氧消化过程中的固液比为10-15％，厌氧消化过程中产生粗沼气，厌氧消化结束后将发酵料液固液分离，得到沼渣和浓沼液；S2、所述粗沼气和浓沼液分别进入微藻光反应器，起始反应时加入微型小球藻(Chlorellasp.)，所述粗沼气经过所述微藻光反应器脱除二氧化碳得到精沼气，所述浓沼液进入微藻光反应器中促进小球藻进行生长得到浓藻液；S3、所述精沼气生物脱硫后回到下一轮的厌氧消化过程中，所述浓藻液进行固液分离后得到藻渣和清藻液，所述藻渣回流到下一轮的厌氧消化过程中，所述清藻液进入细菌矿化阶段；S4、在细菌矿化阶段接种金属肠杆菌EMB19(Enterobactersp.EMB19)，并投加氧化镁(MgO)回收清藻液中N、P生成鸟粪石，液相继续回流到下一轮的厌氧消化过程中。2.如权利要求1所述的高含碳基质与微藻共消化回收N、P及净化沼气的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述热超声处理的温度为120～150℃，时间为1～2h，超声波处...

【专利技术属性】
技术研发人员：周骏，由晓刚，宫磊，周营，王瑾，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37