本发明专利技术涉及一种利用外源氢气促进有机废物快速产甲烷的方法。按污泥∶生活垃圾＝1∶(2～4)重量比混合，混合物的挥发性物质(VS)含量为20～65％，含水率为18～68％。将上述混合物在35～37℃，pH值6.5～7.5下进行周期为7～14天的厌氧发酵反应，每个周期的第二天，将外源纯氢气在1.1～5.5MPa下从混合物底部通入，当通入量为50～150mL?H2/kg?VS时，甲烷最大日产量可达3.65L/kg·d，是不加氢时甲烷产量的2.81倍；甲烷浓度可由33.2％提高到75.5％。本发明专利技术成本低，操作简单，既解决了城市垃圾和温室气体的环境污染问题，又提供了清洁能源，从而具有良好的社会效益和经济效益。可广泛适用于中小型填埋场有机废物快速产甲烷。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于固体废物资源化及污染防治
技术介绍
随着经济持续发展和居民生活水平稳步提高，我国城市生活垃圾年产生量已达 1.5亿吨(人均日产生量为0.9 Ukg)，而且每年以8 10%的速度增长。我国大部分城市的生活垃圾处理方式仍以填埋为主，垃圾在填埋过程中会释放大量甲烷温室气体，含量高达50 60 %。在大型填埋场，填埋气会通过管道和专门的集气装置收集，但是对于中小型填埋场，由于产气不稳定，气体总量少，综合利用价值不高，产生的甲烷气体一般都直接排入大气，不仅加重了温室效应，而且对于如今能源缺乏的今天，沼气没有得到有效利用，是一种很大的浪费。因此，如何提高中小型生活垃圾填埋场的沼气产量使其有效利用， 是目前沼气利用研究的重要方向。甲烷的产生来源于垃圾的厌氧发酵，该过程分为三个阶段水解，产氢产乙酸和产甲烷阶段。在厌氧发酵过程中，一般条件下产甲烷阶段为限速步骤，故在发酵微生物中产甲烷菌为优势细菌。甲烷最终由产甲烷菌利用乙酸或者4/co2为主要基质(还有甲酸、甲醇和甲胺)转化而来。其中，利用吐/0)2生成的甲烷量占总甲烷产量的1/3，而以乙酸为基质 (也可利用甲醇和甲胺)生成的甲烷量占总甲烷产量的2/3。垃圾填埋场填埋气产率变化范围很大，准确预测填埋气的产率是很难办到的。实验室模拟得到的填埋气产率为0 488L/ kg/yr,现场中试测得的为13 37. 5L/kg/yr，而实际填埋场测得的为1 14L/kg/yr (均为干垃圾)。提高甲烷发酵过程效率的方法很多，一般采用如下方法1)添加接种物如活性污泥，有机肥料等；2)调节接种物与底物的比例，较高的接种浓度可以明显提高产气率；3)添加钠离子，钙离子等金属离子；4)分段两相厌氧消化，并分别调节反应参数，如pH，温度。5) 沼气回流。将水解、酸化阶段所产生的含有较多H2和CO2的沼气引入甲烷化阶段，为甲烷菌对吐和0)2的化合作用提供充足的物质基础，这一引入至少会增加30%的甲烷量。6)提高甲烷化阶段的温度。厌氧过程通常比好氧过程对温度的要求更高，当厌氧过程的温度分别达到35°C和55°C时，厌氧生物的代谢功能分别达到第一峰值和第二峰值，由此可以适当将甲烷化阶段的温度提高到35°C或55°C，这既有利于甲烷菌的生长繁殖，提高甲烷的生成量，又有利于已形成的甲烷及时地从反应器中解析出来。目前已报道的提高甲烷产量的方法虽然很多，但存在以下问题1、促进效果不明显，一些添加剂由于流失或者无法分布均勻，仅能增加5-10%左右的甲烷；2、操作复杂，不易控制。两相厌氧发酵虽然可以使产甲烷阶段的条件控制至最佳，但是调节发酵阶段的参数对于日处理量大的装置或者场地来说是一件浩大的工程，且含水率、温度等因素受外界天气条件影响大，不易人为控制；3、成本较高，不适用于规模较大的工程，譬如金属盐类添加剂，由于需要的量大，因此应用也不广泛。4、沼气回流也会有弊端。把前一阶段形成的H2与CO2引入到甲烷化阶段，将会引起H2严重不足。由甲烷形成机理可以看出，无论是碳水化合物还是脂类化合物，以及蛋白质在形成甲烷的过程中，H2与CO2的化合均是按4 1的关系进行的，但是在整个消化过程中两者所产生的比例却不是这个比例。CO2的过量势必引起PH值的下降，从而抑制甲烷菌的活性(甲烷菌的最佳条件是PH值为中性或略偏酸、偏碱性)，使甲烷量急剧减少。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开。具体是利用生物激励的原理，找到能够有效促进产甲烷菌群活性的添加剂，提高产甲烷菌的活性， 使厌氧消化过程持续大量地产生甲烷气体，以供收集利用，避免释放甲烷造成的温室效应。为了达到上述目的，本专利技术根据生活垃圾产量大，多相态共存，并且要在促进产甲烷的同时维持垃圾正常稳定化降解过程的要求，首先寻找一种能够兼顾生活垃圾厌氧产甲烷速率快，易扩散，对其它菌群没有抑制作用或抑制作用很小的添加剂。然后进行实验，找到高效提高产甲烷效果的运行方式。本专利技术通过补充适量的外源纯氢气，使之在甲烷菌的作用下与过量的(X)2充分化合，一则降低(X)2浓度，提高PH值，二则增加甲烷菌活性，加大甲烷的生成量，从而既避免了释放甲烷造成的温室效应，又可以将沼气收集资源化再利用。具体工艺是首先，量取污泥生活垃圾=1 O 4)重量比，混合，并使混合物的挥发性物质(W)含量为20 65%重量百分比，，含水率为18 68%重量百分比；然后，将上述混合物放置在温度35 37°C，pH值6. 5 7. 5条件下进行厌氧发酵反应3_5个周期，每个周期为7 14天，在每个周期的第二天将压力为1. 1 5. 5MPa的外源纯氢气从混合物底部通入，以促进混合物中有机物分解，提高甲烷产量；氢气通入量为50 150mL H2/kg VS时(此时氢气在体系中的浓度为3 5% )，反应启动时间及产气高峰可提前4 7天，相比常规厌氧节省了反应驯化期，整个厌氧消化周期缩短了约1/2。用气相色谱仪持续监测混合物顶部气体出口处的气体组分和含量，待出口处气体中甲烷含量下降幅度每小时不超过时，停止纯氢气的通入，继续厌氧发酵，一个周期结束，再次重复上述操作，如此周期性地反复通入氢气，能持续性地获得最大日产量达3. 65L/kg. d甲烷产量，是不加氢状态下甲烷产量的2. 81倍；甲烷浓度可由33. 2%提高到75. 5% ；有机废物转化为甲烷的能源转化率由 1. 04%提高到 2. 93%。本专利技术具有如下的优点1.由于本专利技术添加了氢气，厌氧发酵反应启动时间及产气高峰可提前4 7天，相比常规厌氧节省了反应驯化期，整个厌氧消化周期可缩短约1/2。而且，产气量迅速上升，很快达到产气高峰，与有机废物直接厌氧消化相比，日平均产甲烷量可提高2. 81倍，同时甲烷浓度也由35%以下提高到75%以上，满足了甲烷再利用的最低浓度要求(甲烷作为燃气利用的最低浓度为35%，而用作发电时最低浓度为40% )。2.由于厌氧发酵产酸阶段容易积累挥发性脂肪酸，且产甲烷阶段生成的二氧化碳相比氢气过量，因此，反应系统的PH易降低到6. 5以下，产甲烷菌活性受到抑制，因此，本专利技术通过补充一定量的外源氢气使之在甲烷菌的作用下，与过量的(X)2充分化合，降低(X)2浓度，提高PH值和产甲烷菌的活性。3.在厌氧消化过程中生成的(X)2的不断排放，除了不能与氢气化合成甲烷气造成浪费外，二氧化碳本身作为温室气体，对环境也是有害的。因此，本专利技术通过外加氢气，一则减少了二氧化碳温室气体的排放，二则充分利用了生成的二氧化碳，使有机废物可以持续高效的产生甲烷，从而加快了有机废物的分解和稳定化进程。4.本专利技术氢气添加前后有机废物产甲烷的能源转化率由1. 04%提高到2. 93%。 因此，可以较低的成本实现甲烷的高效产出。同时，有机废物作为原料和能源，氢气的引入使其利用率及能源转化率都大大提高，从而避免了甲烷释放造成温室效应。附图说明图1为本专利技术的工艺流程2为本专利技术的不同含量氢气对单位甲烷日产量的影响效果3为本专利技术的不同含量氢气对甲烷浓度的影响效果4为本专利技术的补充氢气对反应体系pH的影响效果图具体实施例方式请参阅附图1-4。实施例1将含水率为50 60%的生活垃圾简单破碎后，称取12份生活垃圾样品，每份 0.070kg。同时准备含水率为60 本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种利用外源氢气促进有机废物快速产甲烷的方法，其特征是：首先，量取污泥∶生活垃圾＝１∶（２～４）重量比，混合，并使得到的混合物的ＶＳ含量为２０％～６５％重量百分比，含水率为１８％～６８％重量百分比；然后，将混合物置于３５～３７℃和ｐＨ值为６．５～７．５条件下进行厌氧发酵反应３－５个周期，每个周期为７～１４天，每个周期从第二天开始将压力为１．１～５．５ＭＰａ的纯氢气从混合物底部通入，氢气通入量为５０～１５０ｍＬ Ｈ２／ｋｇ ＶＳ；同时，用气相色谱仪持续监测混合物顶部气体出口处的气体组分和含量；待出口处气体中甲烷含量下降幅度每小时不超过１％时，停止纯氢气的通入，继续厌氧发酵一个周期结束，再次重复上述操作，如此周期性地反复通入氢气厌氧发酵，能持续性获得最大日产量达３．６５Ｌ／ｋｇ·ｄ甲烷产量，是不加氢状态下甲烷产量的２．８１倍；甲烷浓度可由３３．２％提高到７５．５％；有机废物转化为能源甲烷的转化率由１．０４％提高到２．９３％。
【技术特征摘要】
1. 一种利用外源氢气促进有机废物快速产甲烷的方法，其特征是首先，量取污泥 生活垃圾=1 O 4)重量比，混合，并使得到的混合物的VS含量为20% 65%重量百分比，含水率为18% 68%重量百分比；然后，将混合物置于35 37°C和pH值为6. 5 7. 5条件下进行厌氧发酵反应3-5个周期，每个周期为7 14天，每个周期从第二天开始将压力为1. 1 5. 5MPa的纯氢气从混合物底部通入，氢气通入量为50 150mL H2/...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵由才，韩丹，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31
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