WO2015006882A1 - 一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法 - Google Patents
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Definitions
- the invention belongs to the technical field of solid waste treatment, and particularly relates to a method for realizing zero discharge of pure straw anaerobic digestion biogas slurry. Background technique
- the treatment of biogas slurry is mainly concentrated on irrigation or foliar spraying as organic liquid fertilizer, extracting nutrients from it and adding other nutrients to make high-efficiency bacterial fertilizer and microbial agents, and discharging them after physical and biological treatment. Or return the biogas directly to the anaerobic digestion system.
- the reflux of biogas slurry can significantly reduce the discharge of biogas slurry and reduce the cost of treatment and disposal.
- direct recirculation easily leads to the accumulation of COD, ammonia nitrogen and other inhibitory substances in the reactor, which makes the system unable to operate stably for a long time, and is boring with pure orange stalk as raw material.
- Related research on oxygen digestion reactors is still very limited.
- Patent CN102586333 proposes a method of recycling part of biogas slurry to straw anaerobic digestion system to reduce biogas discharge, but the direct reuse of biogas slurry may cause the increase of system organic load and the accumulation of some anaerobic reaction inhibitors (such as ammonia nitrogen). The system can not be operated stably for a long time, and the complete reduction of biogas slurry can not be achieved.
- Patent CN102503019 proposes to carry out micro-oxidation and decolorization treatment of waste liquid produced in traditional industries such as sucrose and alcohol by biological fermentation, and then return to the original anaerobic.
- the oxygen digestion reactor relieves the impact of the direct reflux of the biogas slurry on the system, but the aerobic treatment process is complicated and is aimed at the alcohol fermentation industry.
- the invention proposes to combine the aerobic nitrification of the biogas liquid with the denitrification in the body to realize zero discharge and 100% reuse of the pure straw anaerobic fermentation biogas slurry.
- the research on the similar treatment of pure straw anaerobic digestion biogas slurry has not been reported. Summary of the invention
- the invention aims to provide a method for realizing zero discharge and 100% reuse of pure straw anaerobic digestion biogas slurry by combining aerobic nitrification of biogas liquid with denitrification in vivo.
- the purpose is to achieve zero discharge and 100% reuse of biogas slurry, avoid secondary pollution; completely replace the regulating water in the straw feeding process, significantly save water consumption and reduce operating cost; and maintain anaerobic digestion reactor Long-term stable operation and improved production efficiency.
- the present invention relates to a method for realizing zero discharge of pure straw anaerobic digestion biogas slurry, and the specific process thereof comprises The following steps:
- the straw is mechanically pulverized, and the pulverized straw has a particle diameter of 3 cm, preferably, a particle diameter of 1 cm; optionally, the pulverized straw is pretreated, and the pretreatment manner includes, but is not limited to, biological, chemical or physical methods, preferably, Soaking with 0.2-0.4% NaOH solution at medium temperature for 12-24h;
- Step 2 Adjust the C/N of the pretreated straw and feed it
- Adjusting the C N for the pretreated straw optionally, adding an N source such as urea; adding the biogas slurry and the straw to the semi-continuous or continuous anaerobic digestion reactor with stable operation;
- N source such as urea
- Step 3 The fermentation residue is discharged from the anaerobic digestion reactor, and the biogas slurry is separated therefrom.
- a corresponding amount of mixed discharge is discharged after daily feeding, and the mixed discharge is subjected to solid-liquid separation to obtain biogas slurry and biogas residue, the biogas residue is separated, and the biogas slurry is subjected to the next treatment.
- Step 4 The biogas slurry is subjected to aerobic nitrification and COD removal outside the anaerobic digestion reactor.
- the separated biogas slurry is sent to an aerobic aeration tank for continuous aeration for 20-24 hours, and the biogas slurry is subjected to in vitro nitrification reaction.
- the aerobic aeration process the ammonia nitrogen is completely converted into nitrite nitrogen and nitrate nitrogen by the nitrifying bacteria, and the ammonia nitrogen removal rate is 100%.
- the nitrification reaction is as follows:
- the aerobic bacteria consume part of the COD in the biogas slurry during the growth process, and the COD removal rate is 50% ⁇ 60%, which effectively reduces the organic load of the biogas slurry;
- Step 5 Denitrification of the biogas slurry in an anaerobic digestion reactor
- 100% of the aerobic treated biogas slurry is mixed with the orange stalk in step 1 into a semi-continuous or continuous anaerobic digestion reactor with stable operation, and denitrified by a C source dissolved in the biogas slurry after digestion by the straw itself.
- the denitrification process no additional carbon source is needed, and the denitrification reaction in the biogas liquid can be realized, and NH 4 + -N is converted into N 2 , and the denitrification reaction is as follows; nitrate reducing bacteria
- the step 2 includes a step of detecting the biogas slurry TS; preferably, the biogas slurry TS after the solid-liquid separation is 0.5%, and if it is not satisfied, it should be changed.
- the separation method is such that the separated biogas slurry TS satisfies the above conditions.
- the aeration is increased or decreased during the aeration process.
- Strength control aeration tank DO concentration further comprising, after continuous aeration, a step of reducing Na + concentration by dilution; optionally, including detecting a reflux liquid TS, ammonia nitrogen and COD concentration after aeration, preferably, The aeration process and the reflux liquid satisfy DO 2.0 mg/L; biogas slurry TS 0.2%, COD 1500 mg/L, ammonia nitrogen 10 mg/L, Na+ 1000 mg/L; in another preferred embodiment of the present invention, ⁇ The feed in step 1 only includes refluxing biogas slurry and straw, excluding additional water distribution.
- the semi-continuous or continuous feed and discharge system refers to a conventional sequencing batch anaerobic digestion reactor, including but not limited to a CSTR, ASBR reactor, and the size and shape of the reactor do not affect the present invention. Implementation.
- the biogas slurry is extracted by solid-liquid separation
- the solid-liquid separation includes, but is not limited to, a combination of one or more of plate and frame filtration, high-speed centrifugation, and filter separation.
- the experimental material to which the present invention relates is pure crop orange stalks, not mixed with any other fermentation material, including but not limited to corn stalks, wheat straw, straw or combinations thereof.
- the process of the invention operates continuously for more than 300d, preferably for more than 350d.
- the invention Compared with the existing pure straw biogas slurry treatment technology, the invention has the advantages of combining the aerobic nitrification of the biogas liquid with the denitrification in the body, and the specific reaction process is shown in FIG. 2 .
- the aerobic aeration process ammonia nitrogen is converted into nitrite nitrogen and nitrate nitrogen under the action of nitrifying bacteria, and the ammonia nitrogen removal rate is stable at 100% for a long time.
- the aerobic bacteria consume the biogas slurry during their own growth. Part of the COD, COD removal rate of 50% to 60%, effectively reduce the organic load of biogas slurry.
- the biogas slurry is 100% reused in the orange stalk feeding process, and the nitrite nitrogen and nitrate nitrogen are converted into a nitrogen discharge system under the action of denitrifying bacteria, and the straw itself can provide sufficient denitrifying bacteria.
- the carbon source is denitrified without the need to add an additional carbon source.
- the invention effectively reduces the COD and ammonia nitrogen concentration of the biogas slurry, eliminates the inhibition effect of the biogas slurry 100% reuse system, and maintains the long-term stable operation of the anaerobic digestion reactor while achieving zero discharge of the biogas slurry and 100% reuse; Completely replace the regulated water in the straw feed to achieve significant water savings: In a hydraulic retention time (HRT) of pure straw anaerobic digestion, the unit reactor volume can save more than 50% of water, reducing operating costs.
- HRT hydraulic retention time
- Figure 1 is a schematic diagram showing the overall process of a method for realizing zero discharge of pure straw anaerobic digestion biogas slurry.
- FIG. 2 is a schematic diagram of the principle of aerobic nitrification treatment and denitrification treatment in the biogas liquid. detailed description
- the experimental apparatus used in this example was a CSTR anaerobic digestion reactor with a volume of 8 L, an anaerobic fermentation raw material of corn stover, and a loading load of 80 gTS/L (TS is the dry weight of corn stalks).
- the specific steps are as follows: 1. In a stable semi-continuous anaerobic digestion experiment, 15.05 g of mashed corn stalks with a particle size of 0.3 cm per day were pretreated by immersion in NaOH solution (the amount of NaOH powder and water added was 0.2 dry weight of corn stalk, respectively). % and 600%, NaOH solution concentration is 0.33%), and the treatment time is ld.
- the orange stalk is adjusted to a C N of 25 and then sent to the CSTR anaerobic digestion reactor, and the discharge of the day is 180mlo.
- the discharge was centrifuged at 8400 rpm for 10 min in a high-speed centrifuge to obtain about 80 ml of the upper biogas slurry, and the TS was determined to be 0.44%, which satisfies the requirements.
- This example has been continuously operated for 380 days in the laboratory. There is no phenomenon of straw digestion and gas production inhibition. The pH is stable and the system is operating normally.
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Abstract
本发明公开了一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法,包括(1)对纯秸秆原料进行预处理;(2)对预处理好的秸秆调节C/N,并进料;(3)从厌氧消化反应器中排出发酵剩余物,并从中分离出沼液;(4)沼液在厌氧消化反应器外进行好氧硝化处理;(5)好氧处理后的沼液在秸秆进料过程中100%回流至厌氧消化***,沼液在厌氧消化反应器内进行反硝化处理。本发明的方法将沼液体外好氧硝化与体内反硝化相结合,有效降低沼液COD及氨氮浓度,在反硝化过程中无需额外添加碳源,消除沼液回用对***的抑制作用,实现沼液零排放和100%回用,避免二次污染;同时用沼液完全代替秸秆进料中的调节水,实现显著节水,降低运行成本并能维持厌氧消化反应器长期稳定运行。
Description
一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法 技术领域
本发明属于固体废物处理技术领域, 具体涉及一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方 法。 背景技术
中国是传统的农业大国, 秸秆资源十分丰富。 除少量被有效利用外, 露天焚烧仍是主要 的处置方式, 在造成空气污染的冋时浪费大量资源。 秸秆湿式厌氧消化技术以其低耗能、 高 产能等特点, 近年来得到越来越广泛地工程应用, 但消化后沼液的处置却成为阻碍桔秆厌氧 消化技术发展的主要问题之一。 传统的沼气工程都配有沼液沼渣存放池, 占地面积大, 投资 成本高而且后续处理困难, 大量沼液常无序排放, 导致严重二次污染。
目前沼液的处理方式主要集中在将其作为有机液肥进行灌溉或叶面喷洒, 从中提取营养 物质并加入其他营养成分制成高效菌肥和微生物菌剂, 对其进行物理、 生物等处理后排放或 将沼液直接回流至厌氧消化***等方面。 其中沼液回流可以显著减少沼液排放量, 降低处理 处置成本, 但直接回流易导致反应器中 COD、 氨氮等抑制物质的积累, 使***无法长期稳定 运行, 且对以纯桔秆为原料的厌氧消化反应器的相关研究还十分有限。
专利 CN102586333提出将部分沼液循环回用至秸秆厌氧消化***的方法, 以减少沼液排 放, 但沼液直接回用易造成***有机负荷升高和部分厌氧反应抑制物 (如氨氮) 的积累, 导 致***不能长期稳定运行, 且无法实现沼液的完全减排; 专利 CN102503019提出对生物发酵 法生产蔗糖、 酒精等传统工业中产生的废液进行微氧化及脱色等处理后再回流至原厌氧消化 反应器, 虽缓解了因沼液直接回流对***造成的冲击, 但好氧处理工序复杂且针对的是酒精 发酵工业。
本发明提出将沼液体外好氧硝化与体内反硝化相结合, 实现纯秸秆厌氧发酵沼液的零排 放和 100%回用。 目前对纯秸秆厌氧消化沼液进行类似处理的研究尚未见报道。 发明内容
本发明旨在提供一种通过将沼液体外好氧硝化与体内反硝化相结合, 真正实现纯秸秆厌 氧消化沼液零排放和 100%回用的方法。 其目的在于实现沼液零排放和 100%回用, 避免二次 污染; 将沼液完全代替秸秆进料过程中的调节水, 显著节约用水量, 减少运行成本; 同时能 维持厌氧消化反应器长期稳定运行, 提高生产效率。
如图 1所示, 本发明涉及一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法, 其具体工艺包括
如下步骤:
歩骤 h 对纯秸秆原料进行预处理
将秸秆进行机械粉碎, 粉碎后秸秆粒径 3cm, 优选的, 粒径 lcm; 任选地, 对粉碎好 的秸秆进行预处理,预处理方式包括但不限于生物、化学或物理法,优选的, 可采用 0.2-0.4% 的 NaOH溶液在中温条件下浸泡 12-24h;
歩骤 2: 对预处理好的秸秆调节 C/N, 并进料
对预处理好的秸秆调节 C N, 任选的, 包括添加尿素等 N源; 将沼液和秸秆加入运行稳 定的半连续或连续厌氧消化反应器中;
步骤 3 : 从厌氧消化反应器中排出发酵剩余物, 并从中分离出沼液
在半连续或连续进出料***中, 每天进料后会排出对应量的混合出料, 混合出料经过固 液分离得到沼液和沼渣, 所述的沼渣分离, 沼液进行下一歩处理;
歩骤 4: 沼液在厌氧消化反应器外进行好氧硝化处理和 COD 去除
将分离得到的沼液送入好氧曝气池中连续曝气 20-24h, 沼液进行体外硝化反应。 沼液在 好氧曝气过程中, 利用硝化菌将氨氮全部转化成亚硝态氮和硝态氮, 氨氮去除率为 100%, 硝 化反应式如下:
亚硝酸菌
2NH4+ + 02 ► 2 Ν02' + 4Η+ + 2 Η20
硝酸菌
2 Ν02" ► 2 Ν03"
同时, 好氧菌在自身生长过程中消耗沼液中的部分 COD, COD去除率达 50%~60%, 有 效降低沼液有机负荷;
歩骤 5: 沼液在厌氧消化反应器内进行反硝化处理
将好氧处理后的沼液 100%的与步骤 1 中的桔秆混合加入运行稳定的半连续或连续厌氧 消化反应器中, 利用秸秆本身消化后溶解在沼液中的 C源进行反硝化, 在反硝化过程中无需 额外添加碳源, 可实现沼液体内反硝化反应, 将 NH4 +-N转变为 N2, 反硝化反应式如下; 硝酸盐还原菌
NCV +C (秸秆中的) ^ N02- + C02 + H20
τ^ . ^ ί+3:τ ^ ήΑ, 亚肖酸盐还原 ι ί 、τ ^八 τ τ ^
Ν02 + C (秸秆中的) ► Ν2 + C02 + H20 重复歩骤 1-5, 重复的次数可以根据需要进行合理选择。
在本发明的一个优选实施方式中, 所述的歩骤 2中, 包括对沼液 TS的检测步骤; 优选 的, 所述固液分离后的沼液 TS应 0.5%, 若不满足则应改变分离方式使分离后沼液 TS满足 上述条件。
在本发明的一个优选实施方式中, 所述的步骤 3中, 在曝气过程中通过增大或减少曝气
强度控制曝气池 DO浓度; 在连续曝气之后还包括通过稀释法降低 Na+浓度的步骤; 任选地, 包括对曝气之后的回流液 TS、 氨氮和 COD浓度进行检测, 优选的, 所述曝气过程及回流液 满足 DO 2.0 mg/L; 沼液 TS 0.2%、 COD 1500 mg/L、 氨氮 10 mg/L、 Na+ 1000 mg/L; 在本发明的另一个优选实施方式中, 歩骤 1 中的加料仅包括回流的沼液和秸秆, 不包括 额外的配水。
在本发明的另一个优选实施方式中, 半连续或连续进出料***是指传统的序批式厌氧消 化反应器, 包括但不限于 CSTR、 ASBR反应器, 反应器的大小形状不影响本发明的实施。
在本发明的一个优选实施方式中, 沼液的提取方式为固液分离, 固液分离包括但不限于 板框过滤、 高速离心、 带滤机分离方式中的一种或多种方式的组合。
在本发明的另一个优选实施方式中, 本发明所涉及的实验原料为纯农作物桔秆, 不与任 何其他发酵原料混合, 包括但不限于玉米秸、 麦秸、 稻草或其组合。
在本发明的另一个优选实施方式中, 本发明的方法连续运行 300d以上, 优选的, 连续运 行 350d以上。
本发明与现有的纯秸秆沼液处理技术相比, 优势在于将沼液体外好氧硝化与体内反硝化 相结合, 具体反应过程如图 2所示。 沼液在好氧曝气过程中, 氨氮在硝化菌的作用下转化成 亚硝态氮和硝态氮, 氨氮去除率长期稳定在 100%; 同时, 好氧菌在自身生长过程中消耗沼液 中的部分 COD, COD去除率达 50%~60%, 有效降低沼液有机负荷。 经过好氧硝化后的沼液 在桔秆进料过程中 100%回用, 亚硝态氮和硝态氮在反硝化细菌的作用下转化成氮气排出系 统, 秸秆本身可为反硝化菌提供充足碳源进行反硝化反应, 无需添加额外碳源。 本发明有效 降低沼液 COD 及氨氮浓度, 消除沼液 100%回用对***的抑制作用, 在实现沼液零排放和 100%回用的同时维持厌氧消化反应器长期稳定运行; 用沼液完全代替秸秆进料中的调节水, 实现显著节水: 在纯秸秆厌氧消化的一个水力停留时间 (HRT) 内, 单位反应器容积可节约 用水 50%以上, 减少运行成本。 附图说明
图 1为一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法总体流程示意图。
图 2为沼液体外好氧硝化处理与体内反硝化处理原理示意图。 具体实施方式
下面结合具体的实例对本发明做进一歩的说明。
本例所用实验装置为 CSTR厌氧消化反应器, 容积为 8L, 厌氧发酵原料为玉米秸, 上料 负荷为 80 gTS/L ( TS为玉米桔干重)。 具体歩骤如下:
1. 在运行稳定的半连续厌氧消化实验中,每天将 15.05g粉碎至粒径为 0.3cm的玉米秸通 过 NaOH溶液浸泡进行预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为玉米秸干重的 0.2%和 600%, NaOH溶液浓度为 0.33%), 处理时间为 ld。
2. 将预处理完成后的桔秆调节 C N为 25后送入 CSTR厌氧消化反应器, 同时排出当天 的出料 180mlo
3. 出料通过高速离心机在 8400 rpm的转速下离心 10 min后得到上层沼液约 80ml, 测定 其 TS=0.42%, 满足要求。
4. 将沼液抽出后灌入容积 3L的好氧曝气池。
5. 监测曝气池中的各项参数, 其 DO=6.7 mg/L。 连续曝气 24h 后发现各项参数为 TS=0.17%, COD=1250 mg/L; 氨氮 =21.8mg/L; Na+=2051 mg/L; 发现 Na+浓度超标, 故对沼 液进行稀释使 Na+浓度达到要求。
6. 将曝气之后的沼液 75ml和歩骤 1所述的秸秆混合, 无须补充清水, 加入 CSTR厌氧 发酵***中, 并排出当天的出料。
7. 重复 3至 6歩。
本实例在实验室持续运行了 380d, 没有出现秸秆消化产气抑制的现象, pH稳定, *** 运行正常。
以上所述, 仅为本发明的具体实施方式, 但本发明的保护范围并不局限于此, 任何不经 过创造性劳动想到的变化或替换, 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此, 本发明的保护 范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims
1. 一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法, 包括如下工艺步骤:
( 1 ) 对纯秸秆原料进行预处理;
(2) 对预处理好的秸秆调节 C/N, 并进料;
( 3 ) 从厌氧消化反应器中排出发酵剩余物, 并从中分离出沼液;
( 4) 沼液在厌氧消化反应器外进行好氧硝化处理和 COD去除;
( 5 ) 好氧处理后的沼液在秸杆进料过程中 100%回流至厌氧消化反应器中, 沼液在厌氧 消化反应器内进行反硝化处理。
重复 1-5步。
2. 一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法, 其具体工艺包括如下步骤: 步骤 1 : 对纯秸秆原料进行预处理
将秸秆进行机械粉碎, 粉碎后秸秆粒径 3cm, 优选的, 粒径 lcm; 任选的, 包括采用 0.2-0.4%的 NaOH溶液在中温条件下浸泡 12-24h对秸秆进行预处理;
步骤 2: 对预处理好的桔秆调节 C/N, 并进料
对预处理好的秸秆调节 C N, 任选的, 包括添加尿素等 N源; 将沼液和秸秆加入运行稳 定的半连续或连续厌氧消化反应器中;
歩骤 3 : 从厌氧消化反应器中排出发酵剩余物, 并从中分离出沼液
在半连续或连续进出料***中, 每天进料后会排出对应量的混合出料, 混合出料经过固 液分离得到沼液和沼渣, 所述的沼渣分离, 沼液进行下一步处理;
歩骤 4: 沼液在厌氧消化反应器外进行好氧硝化处理和 COD 去除
将分离得到的沼液送入好氧曝气池中连续曝气 20-24h, 沼液进行体外硝化反应。 沼液在 好氧曝气过程中, 利用硝化菌将氨氮全部转化成亚硝态氮和硝态氮, 氨氮去除率为 100%, 硝 化反应式如下:
亚硝酸菌
2NH4 + + 02 ► 2 Ν02' + 4Η+ + 2 Η20 同时, 好氧菌在自身生长过程中消耗沼液中的部分 COD, COD去除率达 50%~60%, 有 效降低沼液有机负荷;
歩骤 5 : 沼液在厌氧消化反应器内进行反硝化处理
将好氧处理后的沼液 100%的与歩骤 1 中的秸秆混合加入运行稳定的半连续或连续厌氧 消化反应器中, 利用秸秆本身消化后溶解在沼液中的 C源进行反硝化, 在反硝化过程中无需 额外添加碳源, 可实现沼液体内反硝化反应, 将 NH -N转变为 N2, 反硝化反应式如下;
N03- +C (秸秆中的) 囊 ^ N02- + C02 + H20 N02- + C (秸秆中的) 亚销酸盐还原 N2 + C02 + H20
重复歩骤 1-5, 2次以上。
3.根据权利要求 2所述的一种实现纯秸杆厌氧消化沼液零排放的方法,所述的歩骤 2中, 包括对沼液 TS的检测步骤; 优选的, 所述固液分离后的沼液 TS 0.5%, 若不满足, 通过进 一歩分离使分离后沼液 TS满足上述条件。
4.根据权利要求 2所述的一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法,所述的歩骤 3中, 在曝气过程中通过增大或减少曝气强度控制曝气池 DO浓度; 在连续曝气之后还包括通过稀 释法降低 Na+浓度的歩骤; 任选地, 包括对曝气之后的回流液 TS、 氨氮和 COD浓度进行检 测, 优选的, 所述曝气过程及回流液满足 DO 2.0 mg/L; 沼液 TS 0.2%、 COD ^ 1500 mg/L 氨氮 10 mg/L、 Na+^ 1000 mg/L;
5. 根据权利要求 2所述的一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法, 步骤 1中的加料 仅包括回流的沼液和秸秆, 不包括额外的配水和 /或其它发酵原料。
6. 根据权利要求 2所述的一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法, 半连续或连续进 出料***选自 CSTR或 ASBR反应器。
7. 根据权利要求 2所述的一种实现纯桔秆厌氧消化沼液零排放的方法, 固液分离选自板 框过滤、 离心、 带滤机分离方式中的一种或多种方式的组合。
8. 根据权利要求 2所述的一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法, 所述的秸秆选自 玉米桔、 麦秸、 稻草等或其组合。
9. 根据权利要求 2所述的一种实现纯秸秆厌氧消化沼液零排放的方法, 所述方法连续运 行 300d以上, 优选的, 连续运行 350d以上。
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