申請日2014.10.20

　　公開(公告)日2015.02.25

　　IPC分類號C12P5/02; C02F11/04; C12P3/00

　　摘要

　　本發明公開了一種污泥和餐廚垃圾混合發酵聯產氫氣和甲烷的方法，包括產氫接種污泥曝氣預處理和產甲烷接種污泥厭氧馴化培養;污泥與破碎餐廚垃圾以優化比例混合;產氫反應器和產甲烷反應器有效體積比為1：5.5;產氫和產甲烷反應器采用間歇投配方式進料，產甲烷反應器出泥按照與進料體積比1:1回流到產氫反應器;產氫反應器溫度為55℃、pH值5.0-5.5、水力停留時間0.8-3.3d;產甲烷反應器溫度為37℃、pH值7.0-7.5、水力停留時間4.5-18d;投加K2HPO4以提高反應器的堿度和緩沖能力。本發明的主要目的在于開發簡單有效的兩相厭氧發酵工藝，在較少藥劑投加的基礎上，實現高效穩定的產氫產甲烷過程，同時達到處理污泥和餐廚垃圾兩種有機固體廢棄物的目的。

 
　　權利要求書

　　1.一種污泥和餐廚垃圾混合發酵聯產氫氣和甲烷的方法，包括以下步驟：

　　步驟一、將產氫接種污泥進行曝氣預處理，將產甲烷接種污泥進行厭氧馴化培養;

　　步驟二、將污泥與破碎的餐廚垃圾按照餐廚垃圾占總揮發性固體質量百分比為54%的 比例進行混合;

　　步驟三、搭建包括有產氫反應器和產甲烷反應器的產氫產甲烷發酵裝置，其中，產氫 反應器和產甲烷反應器的有效體積比為1：5.5，接種產氫和產甲烷污泥，加入發酵底物， 經過一個月的適應馴化期，開始運行產氫反應器和產甲烷反應器;

　　產氫反應器和產甲烷反應器運行的工藝條件如下：

　　產氫反應器和產甲烷反應器采用間歇投配的方式進料，混合基質用進料泵送入產氫反 應器，同時產氫反應器中的固液相產物直接進入產甲烷反應器，產甲烷反應器的出泥按照 與進料體積比為1:1回流到產氫反應器;

　　產氫反應器的溫度為55℃、pH值為5.0-5.5、水力停留時間為0.8-3.3d;產甲烷反應器 的溫度為37℃、pH值為7.0-7.5、水力停留時間為4.5-18d。

　　2.根據權利要求1所述一種污泥和餐廚垃圾混合發酵聯產氫氣和甲烷的方法，其中，通 過投加K2HPO4控制產氫反應器的pH值。

　　說明書

　　一種污泥和餐廚垃圾混合發酵聯產氫氣和甲烷的方法

　　技術領域

　　本發明涉及一種環保領域的餐廚垃圾和污泥的處理及氫氣和甲烷的生產方法。特別是 涉及一種利用固體廢物連續穩定地產氫產甲烷的方法。

　　背景技術

　　面對日益枯竭的化石燃料資源及其燃燒造成的大氣污染，開發高效無污染的清潔能源 尤為重要。氫氣是單位質量熱值最高的氣體，其燃燒產物只有水，無溫室氣體產生，故氫 氣是最理想的能源物質。目前，氫氣的制備方法主要是化學法，電解法、水煤氣變換法及 水蒸氣重整法，其原理是從化合狀態存在的水或烴類物質中制取氫氣。這些氫氣制備方法 具有能耗高、設備要求高和產率低等的不足，并且部分氫氣的制備原料本身即是可直接利 用的燃料，故開發低能耗制取方法以及利用可再生原料是最具前景的制氫發展方向。生物 制氫法在較溫和的環境中，利用微生物的代謝作用消耗有機質產生氫氣及其他代謝產物， 能夠極大地降低產氫能耗。厭氧暗發酵制氫與其他生物制氫法相比具有氫氣產率高、不需 外加光源、有效處理難降解有機質等優勢，是最具發展潛質的生物制氫法。

　　污泥是污水處理過程中的副產物，隨著污水處理廠的新建和現有污水處理廠升級改造 進程的不斷加快，污泥的排放量逐年增加。污泥含水率高、攜帶大量病原微生物及重金屬 等物質，其處理處置是污水處理廠的難題之一。作為厭氧發酵基質，污泥的碳氮比低，易 降解有機質含量低，故氫氣和甲烷產率較低，如何提高產氣效率仍然是污泥厭氧發酵的研 究難點。

　　在我國，餐廚垃圾排放量大、含水率高、不便運輸，易造成腐爛惡臭及其他不良的環 境影響，故亟需對餐廚垃圾進行有效地處理。餐廚垃圾單獨發酵容易造成酸化過快的現象， 嚴重影響氣體產率，為了維持餐廚垃圾發酵產氫反應器的pH穩定，需要投加大量化學藥劑。 有研究指出，在兩相厭氧發酵過程中，將產甲烷反應器的出水回流到產氫反應器是一個維 持產氫反應器pH穩定的方法。以餐廚垃圾為基質的兩相發酵工藝中，利用出水回流能夠將 產氫反應器的pH維持在5.3且無需外加堿度(T.Kobayashi,et al.Effect of sludge recirculation on characteristics of hydrogen production in a two-stage hydrogen–methane fermentation process treating food wastes[J].International Journal of Hydrogen Energy,2012,37(7),5602-5611.)。然 而在該文獻中，回流比必須達到2.9或者加入約20g-NaOH/d才能維持產氫反應器的pH， 而較高的回流量不僅增加了運行費用還降低了產氫反應器的有效體積。對于進一步維持餐 廚垃圾產氫反應體系pH并降低運行費用和藥劑消耗等方面的研究仍較少。

　　批式試驗證明，污泥和餐廚垃圾混合發酵對發酵產氫產甲烷具有促進作用(X.Liu,et al. Hydrogen and methane production by co-digestion of waste activated sludge and food waste in the two-stage fermentation process:Substrate conversion and energy yield[J].Bioresource Technology,2013,146,317-323.)。目前，污泥與餐廚垃圾混合發酵產氫產甲烷主要集中在中 溫條件(35℃或37℃)。然而由于污泥難降解并且含有多種微生物，在中溫條件下，兩相反 應器需要低負荷運行(Z.Siddiqui,et al.Energy optimization from co-digested waste using a two-phase process to generate hydrogen and methane[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(8),4792-4799.)，并且在產氫反應器中容易滋生耗氫甲烷菌，需要定期采取 措施抑制產甲烷過程(Zhu H,et al.Eliminating methanogenic activity in hydrogen reactor to improve biogas production in a two-stage anaerobic digestion process co-digesting municipal food waste and sewage sludge[J].Bioresource technology,2011,102(14):7086-7092.)。利用污泥 與餐廚垃圾高溫發酵產氫的研究較少，而高溫條件更有利于有機物的水解酸化并能抑制耗 氫過程。

　　發明內容

　　本發明的主要目的在于開發簡單有效的兩相厭氧發酵工藝，在較少的藥劑投加的基礎 上，實現高效穩定的產氫產甲烷過程，同時達到處理污泥和餐廚垃圾兩種有機固體廢棄物 的目的。

　　為了解決上述技術問題，本發明采取以下技術方案：

　　本發明提供一種污泥和餐廚垃圾混合發酵聯產氫氣和甲烷的方法，包括以下步驟：

　　步驟一、將產氫接種污泥進行曝氣預處理，將產甲烷接種污泥進行厭氧馴化培養;

　　步驟二、將污泥與破碎的餐廚垃圾按照優化的混合比例進行混合，即餐廚垃圾占總揮 發性固體質量百分比為54%;

　　步驟三、搭建包括有產氫反應器和產甲烷反應器的產氫產甲烷發酵裝置，其中，產氫 反應器和產甲烷反應器的有效體積比為1：5.5，接種產氫和產甲烷污泥，加入發酵底物， 經過一個月的適應馴化期，開始運行產氫反應器和產甲烷反應器;

　　產氫反應器和產甲烷反應器運行的工藝條件如下：

　　反應器的進料和回流方式：產氫反應器和產甲烷反應器采用間歇投配的方式進料，即 混合基質用進料泵送入產氫反應器，同時產氫反應器中的固液相產物直接進入產甲烷反應 器，產甲烷反應器的出泥按照與進料體積比為1:1回流到產氫反應器;

　　反應器運行方式及連續產氫產甲烷：其中，產氫反應器的溫度為55℃、pH值為5.0-5.5、 水力停留時間為0.8-3.3d;產甲烷反應器的溫度為37℃、pH值為7.0-7.5、水力停留時間為 4.5-18d;為了維持產氫反應器pH值，可以通過投加一定量的K2HPO4，以提高反應器的堿 度和緩沖能力。

　　與現有技術相比，本發明的有益效果是：

　　本發明利用污泥和餐廚垃圾制取氫氣和甲烷，既減少了有機固體廢棄物排放所造成的 環境污染，又利用可再生資源創造了清潔能源。本發明利用混合基質的協同作用優化厭氧 發酵產氫產甲烷工藝，增加產氣量，降低運行成本。一方面餐廚垃圾含有大量易降解有機 物促進污泥發酵產氫產甲烷，通過混合發酵平衡發酵基質的碳氮比，有利于厭氧發酵產氣; 另一方面利用污泥中大量pH緩沖物質彌補餐廚垃圾堿度不足的缺點，通過產甲烷反應器出 水回流的方式緩解產氫反應器酸化過快現象，使得混合發酵與單獨餐廚垃圾發酵相比，回 流比及外加堿度均較低，進而減少了運行成本。此外，本發明利用高溫產氫與中溫產甲烷 聯合的兩相厭氧發酵工藝處理餐廚垃圾和污泥，大大降低了水力停留時間，縮小了發酵罐 總體積，有效地分離產氫階段和產甲烷階段，并獲得穩定、高產率的氫氣和甲烷。