一种外源CO2固定协同有机废弃物厌氧甲烷化的方法技术

本发明专利技术公开了一种外源CO2固定协同有机废弃物厌氧甲烷化的方法，所述方法包括：步骤(1)，将接种污泥和基质混合溶液引入厌氧消化罐中，再加入生物炭，通入氮气将罐体顶空的氧气排除，压盖密封；步骤(2)，将CO2注入液面以下，CO2气体流量为1.5L/min，通入时间为2

【技术实现步骤摘要】
一种外源CO2固定协同有机废弃物厌氧甲烷化的方法


[0001]本专利技术属于废物综合处理
，尤其涉及一种外源CO2固定协同有机废弃物厌氧甲烷化的方法。

技术介绍

[0002]由于人类社会的快速发展，温室气体因工业能源利用、交通运输、农业林业发展等被大量释放。CO2作为温室气体的重要组成部分，2022年全球二氧化碳排放量达到375亿吨，减碳行动迫在眉睫。自碳中和目标确立以来，大气中CO2减量化、资源化进程被持续推进。现行的碳捕获、利用和储存(CCUS)技术包括地质利用、化工利用和生物利用三个部分。前两者为主流技术。但地质利用对前期地质勘查和环境评估的要求较高，且注入能力有限、程序繁琐，灵活性差。化工利用则存在化学吸收剂生产成本高，易造成二次污染的缺点，且两者相对于生物利用能耗较高，并局限于高浓度二氧化碳。植被固碳是生物利用的主要方式，然而植被生长周期长、种植区域受限，这些都是造成生物利用技术低效的重要原因。厌氧消化作为CO2的生物利用法之一，能将其纳入有机废物资源化过程，进而转化为甲烷、生物质或其他可利用资源，不受二氧化碳浓度和总量的限制。目前通CO2大多采用以下四种方式：CO2气体加压、通CO2和H2混合气、周期性通CO2纯气体以及投加碳酸氢钠。然而前两种具备较大的安全隐患和能源消耗，周期性通CO2纯气体较多应用在中式规模及以上的复杂基质工程实验中，将碳酸氢钠作为CO2的替代品进行探究会造成一定程度的效果偏差。
[0003]厌氧消化是处理工业废水、动物粪便、城市固体废弃物的常用方法。在降解有机质过程中，会产生甲烷、乙醇、有机酸等可再利用资源，且只产生少量污泥，同时实现废弃物的减量化和资源化。然而，脂肪酸等难降解中间产物的乙酸化、甲烷化过程通常是造成厌氧消化低效的限速步骤之一。目前，存在投加铁材料、碳材料等提高体系电子传递能力，进而促进甲烷化的方法，但这些材料的回收利用是一大难点。
[0004]将外源CO2通入厌氧消化体系将其转化为生物质或其他可利用资源，属于CO2的生物利用法，该方法不受二氧化碳浓度和总量的限制。然而，目前将CO2与厌氧消化相结合的技术中多以沼气回用脱除CO2、提高甲烷纯度为目的，局限于体系内，与CO2固定大环境脱离，碳减排效果有限。也有采用H2和CO2混合气或CO2加压来提高体系甲烷产率，但这存在较大的耗能及安全问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于现有技术的上述缺陷，专利技术人将外源CO2引入难降解物质厌氧消化体系进行生物利用，生成甲烷、乙酸等可利用资源，实现外源CO2的固定，还利用生物炭等材料对固碳效果进行调控，该方法不受CO2浓度限制，无需另加药剂，操作简单、工艺安全，从而完成本专利技术。
[0006]因此，本专利技术提供一种外源CO2固定协同有机废弃物厌氧甲烷化的方法，所述方法包括：
[0007]步骤(1)，将接种污泥和基质混合溶液引入厌氧消化罐中，再加入生物炭，所述生物炭的加料量为10g/L
溶液
，通入氮气将罐体顶空的氧气排除，压盖密封；
[0008]步骤(2)，将CO2注入液面以下，CO2气体流量为1.5L/min，通入时间为2
‑
40min/L，通入完毕后立即关闭进气管道阀门，打开气袋集气；
[0009]步骤(3)，使反应器处于35℃恒温的条件下进行厌氧消化，直至产气量小于总产气量的1％时，停止该循环，再次加基质、通CO2开启下一个循环。
[0010]进一步地，步骤(1)中，所述接种污泥为厌氧颗粒污泥，来自污水厂中处理生活、化工、市政废水的升流式厌氧污泥床(UASB)或IC厌氧反应器，所述厌氧颗粒污泥中，总固体含量(TS)约11％，挥发性固体含量(VS)约9％，VS/TS大于0.7，颗粒直径范围在0.3
‑
3mm，沉降速率范围在50
‑
150m/h。所述接种污泥具有生物活性，以加速生物过程的初始阶段，其中含有产乙酸菌、产甲烷古菌等厌氧微生物。
[0011]进一步地，步骤(1)中，所述基质为有机废弃物，尤其是含有难降解的脂肪酸物质的有机废弃物，反应器中基质浓度为1000mgCOD/L。在一个实施方式中，所述基质为丙酸钠溶液，作为典型难降解中间产物，反应器中丙酸钠浓度为859.136mg/L。
[0012]进一步地，步骤(1)中，所述生物炭为由木质纤维素气化或热解获得的生物炭，优选地，其制备方法包括：将木质纤维素放置于固定床气化器的多孔网上，控制空气以300ml/min的速度进气，炉子以40℃/min的加热速率加热至800℃并持续30min，待生物炭冷却到室温后从气化器中取出，冷却期间将惰性N2气体作为载气，最后用球磨机将粗糙的生物炭颗粒研磨成细颗粒，并过筛优选出粒径范围在1
‑
10μm的颗粒，以确保有足够的比表面积和活性位点。
[0013]通过投加生物炭吸附固定更多量的CO2，使其停留在体系中缓慢释放。生物炭具备一定的孔隙率、比表面积和活性位点，可以用于吸附CO2并富集菌群。提高体系CO2溶解量，进而提高产甲烷效率。
[0014]进一步地，步骤(2)中，CO2气体通入时间优选40min/L。
[0015]进一步地，步骤(2)中，厌氧消化在pH为6.7
‑
7.7条件下进行。
[0016]本专利技术的外源CO2固定协同有机废弃物厌氧甲烷化的方法。其作用原理为：
[0017]1.CO2参与厌氧消化中部分路径：
[0018]其一可通过发生在产乙酸菌中的反向电子传递得到电子，并与H
+
结合生成甲酸，随后进行甲烷化；
[0019]其二可与体系内释放的H2反应直接生成甲烷，有效实现CO2的定向甲烷化，提高固碳效率和体系产甲烷效率；
[0020]2.CO2气体溶于厌氧消化体系产生碳酸，释放H
+
，调节体系pH：
[0021]将体系pH由7.8
‑
8.3调节至6.7
‑
7.7，营造厌氧微生物的适宜生长环境；
[0022]3.参与产甲烷古菌中无定形碳的生成，提高体系电子转移效率，或氧化还原活性，促进甲烷生成，利用外源CO2作为推动乙酸化过程的加速剂，反向电子传递发生在产乙酸菌种内，能节省能量推动热力学不利的反应进行。CO2作为反向电子传递链的最终电子受体，可通过提高浓度，促进电子传递，强化乙酸化过程。
[0023]本专利技术的方法具有以下技术效果：
[0024]1.有效实现CO2的定向甲烷化，提高固碳效率和体系产甲烷效率，有利于大气中CO2减量化、资源化，符合碳中和、碳达峰等环保要求。
[0025]2.将体系初始pH由7.8
‑
8.3调节至6.7
‑
7.7，营造厌氧微生物的适宜生长环境，更进一步促进了厌氧消化体系的发酵效率，外源CO2的通入与生物炭配合，成功促进了脂肪酸等难消化物质的厌氧消化，提高甲烷转化率，还对CO2通入后体系电子转移活性、反向电子传递本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外源CO2固定协同有机废弃物厌氧甲烷化的方法，所述方法包括：步骤(1)，将接种污泥和基质混合溶液引入厌氧消化罐中，再加入生物炭，所述生物炭的加料量为10g/L溶液，通入氮气将罐体顶空的氧气排除，压盖密封；步骤(2)，将CO2注入液面以下，CO2气体流量为1.5L/min，通入时间为2
‑
40min/L，通入完毕后立即关闭进气管道阀门，打开气袋集气；步骤(3)，使反应器处于35℃恒温的条件下进行厌氧消化，直至产气量小于总产气量的1％时，停止该循环，再次加基质、通CO2开启下一个循环。2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中，所述接种污泥为厌氧颗粒污泥，来自污水厂中处理生活、化工、市政废水的升流式厌氧污泥床(UASB)或IC厌氧反应器。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述厌氧颗粒污泥中，总固体含量(TS)为11％，挥发性固体含量(VS)为9％，VS/TS大于0.7。4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述厌氧颗粒污泥颗粒直径范围在0.3
‑
3mm，沉降速率...

【专利技术属性】
技术研发人员：张景新，邱洋，何义亮，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：