CN101294168A - 污泥与秸秆类原料混合发酵制备生物燃气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种污泥与秸秆类原料混合发酵制备生物燃气的方法，采用污泥与秸杆类原料混合，并控制污泥与秸秆类原料混合物料的C/N值范围在10～25之间；将混合物料加入厌氧消化器中，按照混合物料的总质量的10～100％加入厌氧活性污泥进行接种后，加水进行稀释，稀释后物料的TS含量控制在5～10％之间，厌氧发酵15～20天，收集发酵所得生物燃气。本发明解决了发酵体系中物料C/N较低而不适于厌氧消化的问题，提高了污泥的实际分解率和产气量，具有极大的应用和推广价值。
Description
技术领域
本发明属能源环境工程技术领域，具体涉及一种污泥与秸秆类原料混合发酵制备生物燃气的方法，
发明背景
当前，随着人们对环境污染控制认识的加深，污水处理厂在各主要城市相继建成并投入运行，与此同时污水处理厂又产生大量的残渣即污泥。目前我国产生污泥已达900万t/a(合干污泥300～350万t/a)。污泥是由有机残片、细菌体、污泥颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。目前，国内外对污泥的处置及回用方法主要有以下几种：海洋处置、卫生填埋、污泥焚烧、污泥干化和热处理、污泥农用、污泥消化产沼气以及一些小范围的污泥利用方法，包括污泥制砖、污泥制生化纤维板、污泥制陶粒等。污泥的各种处置方法各有优缺点：
①投海已有多年历史，但是生物固体产生量巨大，毒性和重金属种类多，含量丰富，倒入海洋势必造成严重的甚至是灾难性后果。因此该方法近年来已被国际禁止。
②卫生填埋对污泥的无毒无害化处理成本低，并可以增加城市建设用地。然而，城市污泥卫生填埋也存在许多问题，如填坑中的有害物质会通过雨水的浸蚀和渗漏作用污染地下水环境，填埋处理所需时间较长等。
③污泥焚烧的优点是既解决了污泥的出路问题又充分地利用了污泥中的能源，而且污泥不需要作灭菌处理，缺点是成本较高，污泥中的重金属随着烟尘的扩散而污染空气。
④污泥农用可大量处置污泥，而且充分利用了污泥中的N、P、K等营养物质，但是因为人们对污泥农用的安全性存有疑虑，很大程度上限制了污泥农用。
⑤污泥工业化利用由于产品销路不畅，暂时还不可能成为污泥处置的一条主要途径。
⑥利用污泥消化产生物燃气使污泥处理基本实现稳定化、无害化、减量化、资源化4个目标。一方面发酵后产生的生物燃气可用于发电，是一种可再生能源；另一方面，剩余的熟污泥可根据其成分特点用于农业、燃料等行业。从沼气发电的成本估算可知，沼气发电是大中型污水厂的最佳方案，不但为处理厂解决了部分能源而且在经济上具有很大的效益。
污泥厌氧消化是目前我国最常用的污泥稳定处理工艺，一般有中温消化和高温消化。国内生产实践中，最常用的是中温消化(32℃～35℃)。随着该技术的进展，厌氧消化又发展为两相消化和两级消化，国内在实验研究中兴起的两级、两相消化工艺有：好氧-中温厌氧；中温-高温；高温酸化-中温甲烷化；兼氧-厌氧；厌氧-好氧；水解-酸化等。在正常的厌氧消化条件下，有机物含量越高的新鲜污泥获得的有机物分解率相对越高。近年来研究表明，采用生物法处理污水过程中产生的剩余污泥，其有机物含量大多超过65％，但由于剩余污泥的C/N值仅为4～7左右，远达不到厌氧消化最佳C/N值的范围(10～25)。因此在试验研究和实际工程中，获得剩余污泥厌氧消化的实际分解率＜30％，污泥厌氧消化的产气量较少，约为6～12m3/m3污泥，沼气中CH4含量较低，约占45％～55.9％。
发明内容
本发明的目的是为解决发酵体系中物料C/N较低而不适于厌氧消化的问题，提高污泥的实际分解率和产气量，提供一种污泥与秸秆类原料混合发酵制备生物燃气的方法。
本发明的目的是通过下列技术方案实现的：
一种污泥与秸秆类原料混合发酵制备生物燃气的方法，其特征在于采用污泥与秸杆类原料混合，并控制污泥与秸秆类原料混合后物料的C/N值范围在10～25之间；将混合物料加入厌氧消化器中，按照混合物料的总质量百分比的10～100％加入厌氧活性污泥进行接种后，加水进行稀释，稀释后物料的TS含量控制在5～10％之间，厌氧发酵15～20天，收集发酵所得生物燃气。
所选用的原料污泥为城市污水处理厂的污泥，其C/N值为4～7之间。
所述的秸秆类原料有水葫芦、水花生等水生植物和/或稻草、麦秆等农作物秸秆。
接种后维持在35℃或50～60℃进行厌氧发酵。
本发明具体步骤及计算方法可按照如下进行：
1.采用TOC测定仪测定所采用污泥的TOC(总有机碳)，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定污泥的TN(总氮)。采用烘干、恒重法测定其TS(总固体)，采用灼烧法测定其VS(挥发性固体)。
2.采用TOC测定仪测定所采用秸秆的TOC(总有机碳)，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定秸秆的TN(总氮)。采用烘干、恒重法测定其TS(总固体)，采用灼烧法测定其VS(挥发性固体)。
3.混合原料的碳氮比按下面公式进行计算：
K＝(C1X1+C2X2+C3X3…………)/(N1X1+N2X2+N3X3…………)
式中：K——混合原料的碳氮比C/N；
C——各种原料的碳素含量，％；
N——各种原料的氮素含量，％；
X——各种原料的重量，kg。
控制污泥与秸秆混合后的物料的C/N值范围在10～25之间。
4.将混合物料加入厌氧消化器中，按照混合物料的总质量的10～100％(质量百分比)加入厌氧活性污泥进行接种。
5.加水进行稀释，稀释后混合物料的TS含量控制在5～10％之间。并测定活性污泥的TS、VS(质量百分比)。最后计算厌氧消化器内的总TS(以质量计)、VS(以质量计)。TS总＝TS污泥+TS秸秆+TS活性污泥；VS总＝VS污泥+VS秸秆+VS活性污泥
6.维持在中温(35℃)或高温(50～60℃)进行厌氧发酵，15～20天后停止发酵。
7.所产生物燃气的体积V气体采用流量计或储气柜进行计量和收集。物料产气率(m3/kg)＝V气体/(VS总-VS剩余)
8.剩余的沼液沼渣测定其总TS剩余、VS剩余(以质量计)。物料的分解率η＝(1-VS剩余/VS总)×100％
本发明所述的“％”均为质量百分含量。
本发明的有益效果：单纯采用污泥发酵因为C/N低，沼气产量和污泥的分解率不高，本发明采用污泥与秸杆类物质混合发酵的方法，物料厌氧消化的分解率＞50％，污泥与秸秆类原料混合发酵比污泥单独发酵的产气量提高50％～100％，解决了发酵体系中物料C/N较低而不适于厌氧消化的问题，提高了污泥的实际分解率和产气量，降低成本，具有极大的应用和推广价值。
最佳条件的选择：
试验例1水葫芦、城市污泥不同配比、同一接种量制备沼气实验。
一、实验方案
1.发酵温度：中温35℃
2.接种量：30％
3.消化时间：20天
4.水葫芦/污泥：分别为0.5∶1、1∶1、2∶1
5.污泥与水葫芦混合后物料的12～30之间物料配比：
①835g水葫芦+1665g城市污泥+750g菌液+1750g水，城市污泥与水葫芦C/N值为11.4
②835g水葫芦+1665g城市污泥+750g菌液+1750g水，城市污泥与水葫芦C/N值为11.4
③1250g水葫芦+1250g城市污泥+750g菌液+1750g水，城市污泥与水葫芦C/N值为13.4
④1250g水葫芦+1250g城市污泥+750g菌液+1750g水，城市污泥与水葫芦C/N值为13.4
⑤1665g水葫芦+835g城市污泥+750g菌液+1750g水，城市污泥与水葫芦C/N值为15.04
⑥1665g水葫芦+835g城市污泥+750g菌液+1750g水，城市污泥与水葫芦C/N值为15.04
6.两次重复
7.物料特性：水葫芦TS为14.04％，VS为64.86％；菌液TS为1.08％，VS为37.5％；污泥TS为22.82％，VS为29％
二、实验数据及总结
1.产气量
各组20天总产气量如下表
| 组别 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 总产气量 | 59200 | 56500 | 75500 | 77600 | 76000 | 77900 |
1、2两组平均产气量为57850ml，即每1670g水葫芦和3330g污泥20天内产沼气为115.7L。
3、4两组平均产气量为76550ml，即每2500g水葫芦和2500g污泥20天内产沼气为153.1L。比1、2组增长37.4L增长32.32％
5、6两组平均产气量为76950ml，即每3330g水葫芦和1670g污泥20天内产沼气为153.9L。比1、2组增长38.2L增长了33.02％；与3、4组相当。
从上表可见，在水葫芦/污泥在0.5∶1、1∶1的配比下，随着水葫芦比例的增大，在物料总量相同的情况下，总沼气产量呈明显的上升趋势。但是在比例为1∶1、2∶1的时候沼气的产量没有太大的变化。故选择水葫芦/污泥＝1∶1是比较合适的。
采用水葫芦单独发酵，每1000g水葫芦20天内总产气量为15.1L，采用污泥单独发酵，每1000g城市污泥20天产气量为20L。按照此比例，则2500g水葫芦、污泥单独发酵的总产气量应为87.75L。与2500g水葫芦和2500g污泥组合发酵20天内产沼气153.1L相比减少了65.35L，即组合发酵比单独发酵的产气量提高了74％。可见，采取水葫芦与污泥组合发酵是适宜的。
试验例2水葫芦、城市污泥同一配比、不同接种量制备沼气实验。
一、实验方案
1.发酵温度：35℃
2.接种量：30％、50％、100％
3.消化时间：20天
4.水葫芦/污泥：1∶1
5.两次重复
6.物料配比：
①1250g水葫芦+1250g城市污泥+750mL菌液+1750mL水，城市污泥与水葫芦C/N值为13.4
②1250g水葫芦+1250g城市污泥+750mL菌液+1750mL水，城市污泥与水葫芦C/N值为13.4
③1250g水葫芦+1250g城市污泥+1250mL菌液+1250mL水，城市污泥与水葫芦C/N值为13.4
④1250g水葫芦+1250g城市污泥+1250mL菌液+1250mL水，城市污泥与水葫芦C/N值为13.4
⑤1250g水葫芦+1250g城市污泥+2500mL菌液，城市污泥与水葫芦C/N值为13.4
⑥1250g水葫芦+1250g城市污泥+2500mL菌液，城市污泥与水葫芦C/N值为13.4
7.物料特性：水葫芦TS为14.04％，VS为64.86％；菌液TS为1.08％，VS为37.5％；污泥TS为22.82％，VS为29％
二、实验数据及总结
1.产气量
各组20天总产气量如下表
| 组别 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 总产气量 | 75400 | 76800 | 85700 | 83900 | 93700 | 94380 |
1、2两组平均产气量为76100ml，即每1250g水葫芦和1250g污泥在接种量为30％、20天内产沼气为76.1L。
3、4两组平均产气量为84800ml，即每1250g水葫芦和1250g污泥在接种量为50％、20天内产沼气为84.8L。比1、2组增长11.4％；
5、6两组平均产气量为93750ml，即每1250g水葫芦和1250g污泥在接种量为100％、20天内产沼气为93.75L。比1、2组增长23.2％；
从上表可见，在水葫芦/污泥在1∶1的配比下，随着接种量的增大，在物料总量相同的情况下，总沼气产量呈明显的上升趋势。但是在接种量为50％、100％的时候沼气的产量没有太大的变化。故选择接种量为50％是比较合适的。
对比例：
一、实验方案
1.发酵温度：35℃
2.接种量：50％
3.消化时间：20天
4.两次重复
5.物料配比：
①2500g城市污泥+1250mL菌液，城市污泥C/N值为5.4
②2500g城市污泥+1250mL菌液，城市污泥C/N值为5.4
二、实验数据
两组20天总产气量如下表：
| 组别 | 1 | 2 |
| 总产气量 | 49800 | 50140 |
两组平均产气量为49970ml。
具体实施方式
实施例1水葫芦、污泥组合发酵制备沼气
1.采用TOC测定仪测定所采用污泥(来源城市污水处理厂)的TOC为21％(相对于污泥的VS)；水葫芦的TOC为54％(相对于水葫芦的VS)；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定污泥的TN为3％(相对于污泥的VS)，水葫芦的TN为3％(相对于水葫芦的VS)。采用烘干、恒重法测定污泥TS为22.82％，水葫芦TS为14.04％，采用灼烧法测定污泥VS为29％(相对于污泥的TS)，水葫芦VS为64.86％(相对于水葫芦的TS)。测定厌氧活性TS为1.08％，厌氧活性污泥VS为37.5％(相对于厌氧活性污泥的TS)；
2.取“1”中所述污泥1665g与水葫芦835g混合，
混合原料的碳氮比按下面公式进行计算：
K＝(C1X1+C2X2+C3X3…………)/(N1X1+N2X2+N3X3…………)
＝(1665×0.2282×0.29×0.21+835×0.1404×0.6486×0.54)/(1665×0.2282×0.29×0.03+835×0.1404×0.6486×0.03)
＝11.5
污泥与水葫芦混合后的物料的C/N值为11.5。
3.将混合物料加入厌氧消化器中，按照混合物料的总质量的20％(质量百分比)加入厌氧活性污泥进行接种。厌氧活性污泥的加入量为500g。
4.混合物料加水7051ml进行稀释，稀释后物料的TS含量为5％。并测定活性污泥的TS、VS(质量百分比)分别为1.08％、37.5％。最后计算厌氧消化器内的总TS(以质量计)、VS(以质量计)。
TS总＝TS污泥+TS秸秆+TS活性污泥
＝1665×0.2282+835×0.1404+500×0.0108
＝502g
VS总＝VS污泥+VS秸秆+VS活性污泥
＝1665×0.2282×0.29+835×0.1404×0.6486+500×0.0108×0.375
＝188g
5.维持在高温50～60℃进行厌氧发酵，15天后停止发酵。
6.所产生物燃气的体积V气体采用储气柜进行计量和收集。
物料产气率(m3/kg)＝V气体/(VS总-VS剩余)
＝50.3L/(188-90.8)g
＝0.517m3/kg
7.剩余的沼液沼渣测定其总TS剩余、VS剩余(以质量计)。
物料的分解率η＝(1-VS剩余/VS总)×100％
＝(1-90.8/188)×100％
＝51.7％
实施例2麦秆、污泥组合发酵制备沼气
1.采用TOC测定仪测定所采用污泥的TOC为21％(相对于污泥的VS)；麦秆的TOC为46％(相对于麦秆的VS)；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定污泥的TN为3％(相对于污泥的VS)；麦秆的TN为0.53％(相对于麦秆的VS)。采用烘干、恒重法测定污泥TS为22.82％，麦秆TS为82％，采用灼烧法测定污泥VS为29％(相对于污泥的TS)；麦秆VS为83.2％(相对于麦秆的TS)。测定厌氧活性污泥TS为1.08％，厌氧活性污泥VS为37.5％。
2.取“1”中所述污泥1250g与麦秆130g混合，混合原料的碳氮比按下面公式进行计算：
K＝(C1X1+C2X2+C3X3…………)/(N1X1+N2X2+N3X3…………)
＝(1250×0.2282×0.29×0.21+130×0.82×0.832×0.46)/(1250×0.2282×0.29×0.03+130×0.82×0.832×0.0053)
＝19.6
即污泥与麦秆混合后的物料的C/N值为19.6。
3.将混合物料加入厌氧消化器中，按照混合物料的总质量的90％(质量百分比)加入厌氧活性污泥进行接种。厌氧活性污泥的加入量为1242g。
4.混合物料加水2443ml进行稀释，稀释后物料的TS含量为8％。并测定活性污泥的TS、VS(质量百分比)分别为1.08％、37.5％。最后计算厌氧消化器内的总TS(以质量计)、VS(以质量计)。
TS总＝TS污泥+TS秸秆+TS活性污泥
＝1250×0.2282+130×0.82+1242×0.0108
＝405.26g
VS总＝VS污泥+VS秸秆+VS活性污泥
＝1250×0.2282×0.29+130×0.82×0.832+1242×0.0108×0.375
＝176.44g
5.维持在35℃进行厌氧发酵，20天后停止发酵。
6.所产生物燃气的体积V气体采用储气柜进行计量和收集。
物料产气率(m3/kg)＝V气体/(VS总-VS剩余)
＝78.2L/(176.44-71.14)g
＝0.743m3/kg
7.剩余的沼液沼渣测定其总TS剩余、VS剩余(以质量计)。
物料的分解率η＝(1-VS剩余/VS总)×100％
＝(1-71.14/176.44)×100％
＝59.68％
实施例3稻草、污泥组合发酵制备沼气
1.采用TOC测定仪测定所采用污泥的TOC为21％(相对于污泥的VS)，稻草的TOC为42％(相对于稻草的VS)；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定污泥的TN为3％(相对于污泥的VS)，稻草的TN为0.63％(相对于稻草的VS)。采用烘干、恒重法测定污泥TS为22.82％，稻草的TS为83％，采用灼烧法测定污泥VS为29％(相对于污泥的TS)，稻草的VS为84％(相对于稻草的TS)。测定厌氧活性污泥TS为1.08％，厌氧活性污泥VS为37.5％(相对于厌氧活性污泥的TS)；
2.取“1”中所述污泥1250g与稻草240g混合。
混合原料的碳氮比按下面公式进行计算：
K＝(C1X1+C2X2+C3X3…………)/(N1X1+N2X2+N3X3…………)
＝(1250×0.2282×0.29×0.21+240×0.83×0.84×0.42)/(1250×0.2282×0.29×0.03+240×0.83×0.84×0.0063)
＝24.8
污泥与稻草混合后的物料的C/N值为24.8。
3.将混合物料加入厌氧消化器中，按照混合物料的总质量的50％(质量百分比)加入厌氧活性污泥进行接种。厌氧活性污泥的加入量为745g。
4.混合物料加水2690ml进行稀释，稀释后物料的TS含量为10％。并测定活性污泥的TS、VS(质量百分比)分别为1.08％、37.5％。最后计算厌氧消化器内的总TS(以质量计)、VS(以质量计)。
TS总＝TS污泥+TS秸秆+TS活性污泥
＝1250×0.2282+240×0.83+745×0.0108
＝492.5g
VS总＝VS污泥+VS秸秆+VS活性污泥
＝1250×0.2282×0.29+240×0.83×0.84+745×0.0108×0.375
＝253.07g
5.维持在35℃进行厌氧发酵，18天后停止发酵。
6.所产生物燃气的体积V气体采用储气柜进行计量和收集。
物料产气率(m3/kg)＝V气体/(VS总-VS剩余)
＝101.76L/(253.07-113.8)g
＝0.731m3/kg
7.剩余的沼液沼渣测定其总TS剩余、VS剩余(以质量计)。
物料的分解率η＝(1-VS剩余/VS总)×100％
＝(1-113.8/253.07)×100％
＝55.03％
Claims (4)
1、一种污泥与秸秆类原料混合发酵制备生物燃气的方法，其特征在于采用污泥与秸杆类原料混合，并控制污泥与秸秆类原料混合后物料的C/N值范围在10～25之间；将混合物料加入厌氧消化器中，按照混合物料的总质量的10～100％加入厌氧活性污泥进行接种后，加水进行稀释，稀释后混合物料的TS含量控制在5～10％之间，厌氧发酵15～20天，收集发酵所得生物燃气。
2、根据权利要求1所述的污泥与秸秆类原料混合发酵制备生物燃气的方法，其特征是所述的秸秆类原料为水生植物或农作物秸秆。
3、根据权利要求2所述的污泥与秸秆类原料混合发酵制备生物燃气的方法，其特征是所述的水生植物为水葫芦或水花生；所述的农作物秸秆为稻草或麦秆。
4、根据权利要求1所述的污泥与秸秆类原料混合发酵制备生物燃气的方法，其特征是厌氧发酵温度为35℃或50～60℃。
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| CNA2008101240774A CN101294168A (zh) | 2008-06-23 | 2008-06-23 | 污泥与秸秆类原料混合发酵制备生物燃气的方法 |
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- 2008-06-23 CN CNA2008101240774A patent/CN101294168A/zh active Pending
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