两段式发酵沼气工艺

1、3 两段式发酵工艺本研究采用两段式发酵工艺，将餐厨垃圾酸化和发酵产气分开进行，对菌种进行耐酸驯化，探索高TS餐厨垃圾的发酵条件，解决沼气发酵中易出现的酸化过度问题，达到高浓度发酵、节约占地、节约用水量、缩短发酵周期、降低工艺运行成本等目的，真正做到餐厨垃圾的无害化处理和资源化利用，实现最大限度、最高效率的资源回收和环境保护。为以后日处理2吨餐厨垃圾的中试打下良好基础。3.1 材料与方法3.1.1 微生物本研究采用活性污泥和新鲜牛粪混合接种餐厨垃圾进行厌氧发酵。新鲜牛粪，取自武汉市郊；活性污泥，取自武汉东西湖啤酒集团。3.1.2 发酵原料高校食堂餐厨垃圾产量大，易收集。本研究原料为餐厨垃圾,取自

2、华中科技大学武昌分校中区食堂泔水桶，经过分拣去杂、粉碎等预处理。3.1.3 主要试剂和仪器NaCl（化学纯）、NaOH（化学纯）、pH试纸、马弗炉(北京独创科技,DC-H)、电子天平(武汉衡瑞称重设备,HZQ-A10000)、电热鼓风干燥箱（天津市中环实验电路，DL-103BS），pH计（Mettler-Toledo Delta320型）。3.1.4 分析及测定方法(1)密度的测定：称取一定体积经过粉碎的匀浆，使用天平测得其质量。密度=质量/体积。(2)总固体含量（TS）的测定：采用烘干法，将一定量原料在104的烘箱内，烘至恒重，就是总固体（TS）。TS%=干重/总重100%(3)挥发性固体含

3、量（VS）的测定：通常用于表示样品中的有机物的量,采用灼烧法测定,常用mg/L表示。称取质量为m的样品，置于104的烘箱内，烘至恒重，将此质量记为m。再将样品放入冷的马弗炉中，加热到600灼烧60分钟（从温度达到600开始计时），在干燥器中冷却并称重，将此质量记为m。 VS%=（m-m）/m100%(4)pH值的测定：先使用广泛试纸确定范围，再使用对应范围的精密试纸测出pH值，需精确时用pH计测定。（5）产气量测定：采用排碱性饱和食盐水集气法，见下图3-1。集气瓶中所装液体为碱性饱和食盐水。碱性饱和食盐水配制方法：向热水中投加食盐至饱和，待冷却后加入NaOH，调节NaOH的浓度至0.1mol/

4、L。在此条件下，甲烷不溶而二氧化碳等酸性气体被吸收，集气瓶中收集的甲烷比较纯净，排出的水量即为即可认为是沼气体积。(6)实验装置:自制实验装置，见图3-1。(1)消化器 (2)集气瓶 (3)集水杯图3-1 实验装置示意图如图3-1所示，（1）号底口瓶为消化器，底部的号口用于放液，便于测量消化器内发酵液的pH值。调节发酵液pH时，NaOH溶液从号导管口通过注射器注入瓶内。消化器的导管口、号要求使用4层纱布包扎避免堵塞。（2）号瓶子为集气瓶，集气瓶要求体积足够大，至少可以盛下产气高峰时一天的产气量，集气瓶需有检气的导管。检气时，将、之间的塑料管用止水夹夹紧，气体由管口溢出，在管口处连接注射器头，进

5、行点火检气。（3）号大烧杯用于集水，通过测定排水体积确定产气量。3.1.5 工艺流程餐厨垃圾分拣、破碎酸化罐沼气发酵罐排水法集气新鲜牛粪、活性污泥体积检测工艺说明：采用酸化和产甲烷分开的两段式发酵工艺。先对沼气发酵罐投料，控制TS、pH、接种量、温度等关键因素使之旺盛产气，然后加入酸化罐中预酸化的物料，维持连续产气。该工艺将酸化和产沼气分开，酸化罐中产酸菌大量繁殖并旺盛生长，沼气发酵罐中产甲烷菌大量繁殖并旺盛生长，加入适当比例的酸化物料，pH波动不大，仍能正常产气；甲烷气体回流到酸化罐和沼气发酵罐，实现搅拌作用，有助于酸化罐和沼气发酵罐的料液混合均匀，提高酸化和产气效率，利于产气和工艺优化。3

6、.2 结果与分析3.2.1 餐厨垃圾理化性质分析表3-1 餐厨垃圾的主要理化性质项目第一次取料第二次取料第三次取料平均值密度（g/mL）1.1TS（%） 24.821.122.722.9VS（%）11.012.611.611.7初始pH6.06.06.06.0餐厨垃圾理化性质见表3-1。不经调节的餐厨垃圾物料密度为1.1 g/mL，TS平均为22.9%，厌氧发酵可以处理含固率为10%-25%的有机废弃物，正好在这个范围内。VS平均为11.7%。初始的pH为6，比较接近产甲烷菌最适应的酸碱条件。3.2.2 餐厨垃圾一段法产沼气的周期测定餐厨垃圾易降解的有机物含量高，厌氧消化时容

7、易水解酸化，往往出现严重酸化现象而抑制产甲烷菌，pH的控制尤为重要10。本过程主要对pH进行监控和回调。食堂取样8千克，经过分拣去除塑料袋等不能利用的垃圾，经搅拌机初步粉碎匀浆。做两套反应装置，每套装置总料量为4000mL，投入餐厨垃圾匀浆2000mL、接种量10%（活性污泥240g、牛粪160g接种），加水稀释至4000 mL，避免固形物含量过高，导致酸化过度。混匀后，使用NaCO调节1#装置pH值为6.5,2#装置pH值为6.8。将发酵装置置入37恒温水浴锅中恒温发酵，记录每天的pH值变化及产气量，结果见表3-2，产气量的变化曲线图见图3-2。表3-2 pH变化及产气量时间（d）pH值产气

8、量（mL）1#2#1#2#调前调后调前调后06.06.56.06.86.0370031006.01700190034.0105016506.07008506.040095065.56.04300500075.56.06850790086.06.53400525096.06.56501500106.06.5550550116.06.0400650125.56.027502750135.56.018001700145.05.5450350155.05.500总产气量（mL）2870034100两套反应

9、装置:TS%=22.9%2000/4000=11.5%；VS%=11.7%2000/4000=5.9%.由表2可以看出，1#装置和2#装置相比较，1#装置一直在略偏酸的环境，一定程度上影响了沼气的产量，2#装置的产量比1#装置高出了18.8%，这说明pH是影响沼气发酵的一个重要因素，且理想的pH范围在6.0以上，通过调节，可以避免酸化过度；前5天每天都需对反应系统加碱调节以保持产甲烷菌的活性。6天后PH趋于稳定，表明这时产甲烷菌和酸化菌的代谢处于平衡状态，反应体系进入旺盛产甲烷期。14天后，pH稍有下降，产气结束。0100020003000400050006000700080009000012

10、34567777777778910111213141516发酵天数（d）产气量（mL)1#装置2#装置图3-2 日产气量由图3-2可见，两套发酵装置具有较好的重现性，曲线趋势一致。本次发酵产沼气的产气周期为15天，前后共有三个产气小高峰，其中第一个小高峰在第1到3天，产生的主要是二氧化碳气体，此时反应体系处于强酸化过程，pH下降迅速，每天均需对PH进行调节。第二、三个产气高峰分别在第7天和第12天。在第7天进行点火检气实验，气体点燃，可以看见清晰的淡蓝色火焰，火焰高度约2cm。结合表2和图1的数据，采用两段式发酵产沼气，最佳的补酸化物料的时间为第1214天之间。3.2.3 酸化时间的确定做三套

11、酸化反应装置，每套装置装料2000mL， TS为22.9%，接种活性污泥120g、牛粪80g进行酸化，将酸化装置置入37恒温水浴锅中恒温酸化，记录每天的pH值变化及产气量，观察酸化瓶里的物料的稠度，确定酸化时间。三套反应装置的平均结果见下表3-3。表3-3 酸化时间的确定酸化时间（d）pH产气量（mL）料液稠度06.00大颗粒、浓稠14.12450较大颗粒、浓稠23.71300颗粒细小、略稀33.5300颗粒细小、略稀43.580料液变稀53.5料液变稀由表3-2和表3-3可见，TS的高低对酸化周期影响不大，产气及pH变化规律基本一致，酸化物料酸化5天，产气停止，产酸已较多，且pH不再下降，酸

12、化瓶中的物料变得稀而细腻，故两段式发酵酸化5天比较适宜。3.2.4 酸化补料量的确定做三套酸化反应装置，每套装置装料量分别为2000mL、1400 mL、 1000 mL，TS均为22.9%，按照10%的接种量接种活性污泥和牛粪（其中活性污泥占3/5，牛粪占2/5）进行酸化，酸化5天，测其pH值为3.3。另做三套条件同2.2的4000mL产甲烷的发酵反应装置，通过pH调节，使其进入旺盛产甲烷期，经过检测，13天时达到高产甲烷量，规律同2.2结论，pH回升达到6.1左右。三套反应装置均分为三层，中间层有大量沼液产生。对三套反应装置分别添加1/2，1/3，1/4的不同比例的酸化物料，操作如下：分别

13、从反应装置中吸出2000mL、1400 mL、 1000 mL沼液，并加入对应量的酸化物料，即加入的酸化物料分别占总发酵物料量的1/2，1/3，1/4，不调节pH，监测pH波动情况及产气量的多少，分析不同比例添加量的影响，见下图3-3和表3-4。图3-3 不同比例的酸化物料对发酵系统的影响表3-4 加入酸化物料后pH的变化情况加料比第0天（PH）第1天（PH）第2天（PH）第3天（PH）第4天（PH）第5天（PH）第6天（PH）1/4.11/5.51/5.9对比图3-3和表3-4可

14、见，加料量为1/2时，体系pH下降至4.4，投料后因为未进行pH调节，超出产甲烷菌能够耐受的酸度范围，总产气量很少，第3天即停止产气。将加料量分别为1/3和1/4的进行对比，体系pH均有所下降，产甲烷菌仍能够以体系的酸为前体进行产甲烷代谢，表现为随着代谢进行，体系的pH都慢慢略有回升。加料量占1/4时，总产气量还略高于1/3的加料量，维持的产气时间达到6天，最终pH能够回升到5.9，可以进行下一轮的酸化补料。故比较理想的酸化物质加料量为发酵物料总量的1/4，且可以逐渐驯化得到耐酸的产甲烷菌，利于高TS发酵。第3天进行点火实验时，可以看见清晰的淡蓝色火焰，火焰高度约2cm，可将报纸点燃。3.3

15、结 论（1）采用新鲜牛粪和活性污泥混合接种，发酵产气效果良好，37、11.5%TS条件下产气周期为15天；（2）采用气体回流对酸化罐和沼气发酵罐的物料进行搅拌，有助于料液均匀，缩短周期，提高酸化和产气效率；在本系统中采用的搅拌方法是将产生的沼气回流至安装在酸化池底部的沼气输送管，从沼气释放口回流至池内，由于沼气气泡迅速上升，造成的湍流可使酸化池内部的物料得以充分混合，防止浮渣形成，实现传质传热过程；加快酸化池内物质酸化反应的速度。沼气搅拌装置与酸化池的形状和发酵液液面无关，结构简单、操作容易；（3）采用加入氢氧化钠的饱和食盐水吸收二氧化碳气体，而甲烷在其中的溶解度低，能更大程度上排出并纯化甲烷

16、气体，利于提高沼气中甲烷气体的含量；（4）采用酸化和甲烷发酵分开的两段式发酵工艺，有利于酸化菌和产甲烷菌分别在两个反应体系中的驯化和旺盛代谢，两段式发酵酸化5天比较适宜，能够实现高TS发酵；（5）采用补料工艺实现连续发酵，探索出酸化补料量为发酵总量的1/4时,无需调节系统的pH值，降低成本，利于高校餐厨垃圾的沼气发酵处理；（6）两段式发酵工艺中，发酵温度、接种量、pH控制等因素还需作进一步细致探索，不同原料自身特性不同，产气量也不相同，评价指标主要是BOD、COD、C/N值等。对物料能够达到的理论产气量需进行核算，并和实际进行对比，进一步对工艺进行优化，为中试打下良好的基础。结 论 （1）餐厨

17、垃圾具有丰富的营养，实现餐厨垃圾的减量化和资源化，具有社会价值和经济价值。 （2）现阶段餐厨垃圾的处理技术有：填埋法、焚烧法、好氧堆肥法、饲料化处理法、厌氧发酵法。本研究采用厌氧发酵法。（3）现阶段餐厨垃圾厌氧发酵的处理工艺有：中温与高温工艺、湿法与干法工艺、一段式与两段式工艺、分批式与连续式工艺。本研究采用中温（37），两段式连续发酵。（4）两段式发酵，水解酸化阶段与产甲烷阶段在独立的反应器内进行，驯化得到的酸化菌和产甲烷菌，实现餐厨垃圾高固体含量（TS）发酵，降低水力负荷，缩短发酵周期。餐厨垃圾TS平均为22.9%，初始pH为6。两段式发酵工艺：TS为22.9%的物料进行酸化，酸化5天后，

18、按1/4的加料量加料到产沼气发酵罐中，pH波动不大且逐渐回升，不用调节PH，能够正常产气，5天后可进行第二轮加料。对酸化罐和产气发酵罐不断补料，逐渐得到优良的酸化菌和产甲烷菌。采用气体回流的物料搅拌方式，利于料液混合均匀，缩短发酵周期，提高效率。 （5）发酵剩余物经过离心脱水后还会产生沼液及沼渣，沼液和沼渣中富含有氮，磷，钾，微量元素等植物所需的营养物质，用来制作培养花卉的营养土，真正实现餐厨垃圾的无公害化。致 谢参 考 文 献1 宗望远,严继红,袁巧霞.厨余垃圾厌氧发酵工艺研究J.SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION,2010(35):26-27.2 王星,王德汉,

19、李俊飞等.餐厨垃圾的厌氧消化技术现状分析J.中国沼气，2006，24（2）：35.3 文科军,杨丽.厨余有机垃圾产沼量的条件分析研究J.环境科学与技术,2008,31（9）：92-94.4 李仕平,高正阳,项阳阳.一种针对厨余垃圾的不间断产气沼气罐J.应用能源技术，2010（7）：48-50.5 Kim S H,Han S K,Shin H S.Feasibility of biohydrogen production by anaerobic co-digestion of food waste and sewage J.International Journal of Hydrogen Energy, 2004,29:1607-1616.6 MICHELE ARESTA,MARCELLA NARRACCI,IMMA-COLATA TOMMASL. Influence of iron nickel and cobalt on biogas production during the anaerobic ferme