一種有機垃圾厭氧發酵酸化控制方法與流程
2023-12-01 20:43:11 1
本發明涉及一種有機生活垃圾的處理方法，具體是一種有機垃圾厭氧發酵酸化控制方法，屬於沼氣技術領域。
背景技術：
隨著經濟的發展，生活水平的提高，城鄉生活垃圾產量急劇增加，垃圾成分也發生了較大的變化。據報導，垃圾中75％為可生物降解的有機垃圾。垃圾問題，特別是城鎮有機垃圾汙染問題已成為地球公害，解決城鎮有機垃圾處理問題已成為社會關注的熱點、難點問題。
目前，城鎮有機垃圾處理技術主要有衛生填埋、焚燒和生物處理等技術。傳統的填埋處理存在土地佔用，地下水、土壤汙染隱患，浪費可回收資源等問題。焚燒技術對垃圾熱值有一定的要求，難於適應高含水率城鎮有機垃圾的處理，且一次性投資大，運行費用高，管理水平和設備維修要求較高，焚燒產生的煙氣可能產生「二惡英」汙染問題。
為了減少垃圾填埋量，對垃圾進行分類，針對有機垃圾生物處理是減少處理成本、回收能源的有效方法。有機垃圾的生物處理包括好氧生物處理(即堆肥化)和厭氧生物處理(即厭氧消化)。堆肥化過程能耗大、產生臭氣，高含水率垃圾可能導致堆體供氧不均，難以滿足無害化衛生要求。有機垃圾採用厭氧消化處理，不僅可以產生沼氣；厭氧消化後的殘渣和沼液是優質的有機肥料，可以施用於農田，改良土壤，增加肥效；厭氧消化還可以消除臭氣，減少甲烷和二氧化碳等溫室氣體的排放量。因此，有機垃圾厭氧消化處理具有明顯的環境和經濟優勢。
然而，有機垃圾厭氧消化技術瓶頸在於發酵惡化、消化時間長，均質困難。其中最主要的技術問題在於有機垃圾厭氧消化水解過程和甲烷化過程的速率不匹配，在發酵前期容易發生水解酸化速度過快導致的有機酸積累，常常導致系統啟動困難和運行失敗。為使厭氧消化能夠真正成為垃圾處理的主要方式，必須解決這些制約有機垃圾厭氧消化工程應用的關鍵問題。
國內目前的垃圾厭氧處理方法集中於餐廚垃圾和蔬菜廢棄物，少數研究側重於有機垃圾發酵的裝置。如中國專利文獻CN105420083A公開了一種有機垃圾聯合厭氧消化處理裝置及方法。該方法包括依次連接的改良型塞流式厭氧反應器和塞流式厭氧反應器，塞流式厭氧反應器內設置有沼液回流裝置，對改良型塞流式厭氧反應器內的原料進行調漿、接種、推流和保溫。中國專利文獻CN105695322A公開了一種好氧厭氧結合的垃圾發酵裝置及其發酵方法，由進料口、發酵桶、出料室、供氧裝置、進水管、排水管、排液管和控制系統組成，採用好氧厭氧結合的發酵方法，具有體積小，布置靈活，適合處理各類生活垃圾的特點。中國專利文獻CN104893958A公開了一種有機垃圾高溫乾式厭氧發酵裝置，包括水解酸化箱和臥式的厭氧發酵罐，實現了發酵裝置的間歇進料、連續工作、自動排料，既避免造成排料口的堵塞，還便於操作。
以上技術大多針對垃圾的物理特性對現有裝置進行改進，能夠實現固態垃圾的順利進出料，但並未對垃圾發酵過程的產酸因素進行控制，對垃圾發酵過程中的影響因素缺乏配套的技術手段和措施，不能保證垃圾的高效厭氧產氣。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明提供一種有機垃圾厭氧發酵酸化控制方法，該方法解決了有機垃圾厭氧發酵過程中有機酸積累導致的發酵惡化及產氣遲滯，提高垃圾厭氧發酵效率及沼氣產量。
術語說明
有機垃圾：有機垃圾又稱溼垃圾，是指生活垃圾中含有有機物成分的廢棄物。主要是紙、纖維、竹木、廚房菜渣等。城市生活垃圾中50％以上為有機垃圾。固含率以質量百分比計為15～40wt％。
接種物：指為了加快沼氣發酵的啟動速度和提高沼氣池產氣量而向沼氣池加入的富含沼氣細菌的物質。接種物是由厭氧消化細菌、懸浮物質和膠體物質組成的厭氧活性汙泥。
TS：固形物含量，是指廢棄物中乾物質質量佔廢棄物總質量的百分比。
本發明的技術方案如下：
一種有機垃圾厭氧發酵酸化控制方法，該方法包括：
(1)向待處理有機垃圾中加入接種物或接種物和產鹼促進菌劑，進料於厭氧發酵反應器中進行厭氧發酵，所述的接種物為正常產氣沼氣池中的沼渣；
(2)發酵過程中進行發酵液回流或加入產鹼促進菌劑；發酵過程中判定發酵系統是否酸化，如發酵系統已酸化，調整發酵液回流量和添加產鹼促進菌劑；或添加草木灰或石灰水澄清液；
(3)發酵25～40d後，產氣結束，有機垃圾降解率大於等於50％，發酵剩餘物可作為有機肥施用於農田。
本發明優選的，步驟(1)待處理有機垃圾在加入接種物之前進行分類、粉碎，粉碎至粒徑1～2cm，根據垃圾的TS濃度將垃圾分為a、b、c三類；
a類為TS含量在15～20％的有機垃圾
b類為TS含量在20～25％的有機垃圾
c類為TS含量在25％以上的有機垃圾。
進一步優選的，步驟(1)厭氧發酵前不同種類的有機垃圾具體處理如下：
a類垃圾加入佔有機垃圾TS含量30％～50％的接種物，並加入產鹼促進菌劑，產鹼促進菌劑的加入量與有機垃圾的質量比為1:(150～200)，接種物的加入量以TS計；
b類垃圾加入佔有機垃圾TS含量20％～30％的接種物，接種物的加入量以TS計；
c類垃圾加水或沼液稀釋至TS 20～25％，然後加入佔有機垃圾TS含量20％～30％的接種物，接種物的加入量以TS計。
本發明優選的，步驟(1)沼渣含水率為質量百分比80％～85％，優選的，沼渣含水率為50％～60％。正常產氣沼氣池中的沼渣含水率比較高，可以採用固液分離的方式降低其含水率。
本發明優選的，步驟(1)中，產鹼促進菌劑由地衣芽孢桿菌Bacillus licheniformis ATCC 14580、蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus ATCC 4342、枯草芽孢桿菌Bacillus subtilis ATCC 21005分別經液體發酵獲得發酵液混合製得，微生物製劑中有效活菌數總計：(13～26)×108cfu/mL，其中，地衣芽孢桿菌：蠟樣芽孢桿菌：枯草假單胞菌的有效活菌數比為：(3～6)：(3～6)：(2～4)。以上菌株均購自美國典型培養物保藏中心。
液體發酵按本領域現有常規技術進行。
本發明優選的，步驟(1)中進料時將待處理有機垃圾與接種物或接種物和產鹼促進菌劑充分攪拌混合進行進料，a類垃圾採用半連續式發酵，進料頻率為3～5d一次，每次進料量為反應器池容的10～15％；b類垃圾和稀釋後的c類垃圾採用批次發酵方式。
本發明優選的，步驟(1)厭氧發酵為中溫發酵，溫度30～35℃。
本發明優選的，步驟(2)中，a類垃圾正常發酵時，進行發酵液回流，發酵液回流比為20％～30％；b、c類垃圾在發酵第2～4d加入產鹼促進菌劑，產鹼促進菌劑的加入量與有機垃圾的質量比為1:(100～200)。
本發明優選的，步驟(2)中，發酵過程中以發酵液pH、VFA(揮發性脂肪酸)和TIC鹼度比值來判定發酵系統是否酸化。
進一步優選的，發酵系統是否酸化具體判定標準如下：
a類垃圾pH小於6.0，且VFA/TIC＞0.8，則發酵系統已處於酸化狀態；
b、c類垃圾pH小於5.5，且VFA/TIC＞1.0，則發酵系統已處於酸化狀態；
其餘情況均為發酵系統正常發酵。
本發明優選的，步驟(2)中，a類垃圾發酵系統酸化時，調整a類垃圾進料頻率為6～8d，發酵液回流比調整為30％～50％，進料時同時添加產鹼促進菌劑，菌劑用量同步驟(1)。
本發明優選的，步驟(2)中，b、c類垃圾發酵系統酸化時，添加有機垃圾質量比5％～10％的草木灰或3％～5％的石灰水澄清液。
本發明優選的一個技術方案：
一種有機垃圾厭氧發酵過程酸化控制方法，包括步驟如下：
(1)將生活垃圾分類後的有機垃圾粉碎至1～2cm，備用，根據垃圾的TS濃度將垃圾分為a、b、c三類；
(2)a類垃圾加入佔有機垃圾TS含量30％～50％的接種物，並加入產鹼促進菌劑，產鹼促進菌劑的加入量與有機垃圾的質量比為1:(150～200)，接種物的加入量以TS計；
b類垃圾加入佔有機垃圾TS含量20％～30％的接種物，接種物的加入量以TS計；
c類垃圾加水或沼液稀釋至TS 20～25％，然後加入佔有機垃圾TS含量20％～30％的接種物，接種物的加入量以TS計；
(3)將待處理有機垃圾與接種物或接種物和產鹼促進菌劑充分攪拌混合進料於厭氧發酵反應器中進行厭氧發酵，所述的接種物為正常產氣沼氣池中的沼渣，含水率為質量百分比80％～85％；
a類垃圾採用半連續式發酵，進料頻率為3～5d一次，每次進料量為反應器池容的10～15％；
b類垃圾和稀釋後的c類垃圾採用批次發酵方式；
(4)a類垃圾正常發酵時，進行發酵液回流，發酵液回流比為20％～30％，每次進料時進行回流；b、c類垃圾在發酵第2～4d加入產鹼促進菌劑，產鹼促進菌劑的加入量與有機垃圾的質量比為1:(100～200)；
(5)發酵過程中以發酵液pH、VFA(揮發性脂肪酸)和TIC鹼度比值來判定發酵系統是否酸化。
進一步優選的，發酵系統是否酸化具體判定標準如下：
a類垃圾pH小於6.0，且VFA/TIC＞0.8，則發酵系統已處於酸化狀態；
b、c類垃圾pH小於5.5，且VFA/TIC＞1.0，則發酵系統已處於酸化狀態；
其餘情況均為發酵系統正常發酵；
a類垃圾發酵系統酸化時，調整a類垃圾進料頻率為6～8d，發酵液回流比調整為30％～50％，進料時同時添加產鹼促進菌劑，菌劑用量同步驟(1)。
b、c類垃圾發酵系統酸化時，添加有機垃圾質量比5％～10％的草木灰或3％～5％的石灰水澄清液；
(6)發酵25～40d後，產氣結束，有機垃圾降解率超過50％，發酵剩餘物可作為有機肥施用於農田。
上述粉碎可採用粉碎機進行，優選型號為普通粉碎機，市場有售。
上述有機垃圾厭氧發酵酸化控制方法可採用現有反應裝置進行實施。
a類垃圾採用半連續式發酵厭氧反應器，在實際生產中可用公開號為CN103614288B的「一種有機垃圾高固體厭氧反應裝置及厭氧反應方法」中發明的厭氧反應器。
b、c類垃圾採用批次發酵厭氧反應器，可選用車庫式厭氧反應器。
本發明優選的，TIC、VFA測定採用Nordmann滴定法，具體方法如下：
首先將樣品進行過濾處理，去除大塊雜質物。取體積為V的樣品溶液，採用0.05mol/L的稀硫酸滴定溶液至pH值為5.0，記錄消耗的稀硫酸體積讀數V1，此過程消耗的稀硫酸為將溶液中HCO3－或H2CO3等無機碳完全轉化為CO2，繼續滴定溶液至pH值為4.4，記錄此時的稀硫酸體積讀數V2，V2－V1的稀硫酸作用為將溶液中VFA由離子態轉化為分子態。VFA與TIC質量濃度計算公式為：
VFA/TIC＝[(V2-V1)×6.64-0.15]×500/V1×1000
本發明所用原料及設備未加特殊說明的均為現有技術。
本發明的方法控制了有機垃圾厭氧發酵過程中有機酸積累，減少產氣遲滯，有機垃圾通過厭氧發酵產沼氣，初始階段將垃圾TS控制在20～25％之間，處於較為不易酸化的範圍，這是由於如果濃度過低，則水解酸化速度過快；如果濃度過高，則物料難以均質，局部毒性物質積累。TS濃度過低過高都容易造成發酵惡化。如濃度低於20％，本發明方法採用了加入產鹼促進菌劑，提高接種量的做法，可以調配發酵菌群，中和系統酸鹼度，促進產甲烷菌的優勢作用。如果系統已經出現酸化現象，則及時通過加入菌劑、調節回流比及調整進料頻率等技術手段，抑制產酸菌的過度繁殖，可以有效維持系統微生物之間的協調，避免產酸菌與產甲烷菌的拮抗作用，解決了有機酸積累導致的發酵惡化及產氣遲滯的技術難題，提高垃圾厭氧發酵效率及沼氣產量。
本發明的優點如下：
本發明針對有機垃圾厭氧發酵時易酸化、傳質不均、發酵惡化等問題，提供一種有機垃圾厭氧發酵過程酸化控制方法，以達到正常發酵高效產氣的目的。
1、本發明方法針對性強。本發明針對不同TS濃度有機垃圾厭氧發酵的具體特點，採用不同的技術方法，實現高效發酵。
2、本發明方法技術合理。本發明通過微生物技術和工藝技術相結合的方法，調節有機垃圾厭氧發酵過程中的微生物菌群，促進產甲烷菌正常作用，提高產氣效率。
3、本發明方法適用性廣。本發明中的有機垃圾厭氧發酵酸化控制方法，可適用於包括廚餘、蔬果廢棄物、人畜糞便、紙類等多類及混合垃圾的處理，並可根據不同發酵物料選取不同的發酵參數，適用範圍廣。
4、本發明技術方法操作方便。發酵過程中採用的指標，檢測方便，採用的技術手段操作簡單，取材方便，實用性強，可在農村地區大規模推廣應用。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明做進一步說明，實施例用於對本發明進行進一步的說明，以使本領域技術人員進一步理解本發明，不能理解為對本發明保護範圍的限制。實施例中未詳加說明的均按本領域現有技術。
實施例中使用的菌劑均為市購產品，地衣芽孢桿菌Bacillus licheniformis ATCC 14580、蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus ATCC 4342、枯草芽孢桿菌Bacillus subtilis ATCC 21005均購自美國典型培養物保藏中心。
實施例1：農村有機生活垃圾，TS 16～18％。
農村有機生活垃圾主要成分為廚餘、蔬果菜葉、紙類等。
農村有機生活垃圾厭氧發酵過程酸化控制方法，包括步驟如下：
(1)根據該垃圾的TS濃度將垃圾定為a類垃圾，分類後的有機垃圾粉碎至1～2cm，備用；
(2)在垃圾中加入50％的接種物，並加入產鹼促進菌劑，產鹼促進菌劑的加入量與有機垃圾的質量比為1:200。
所述的產鹼促進菌劑為地衣芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌分別經液體發酵獲得發酵液混合均勻製得，抑制酸化微生物製劑中有效活菌數總計：20×108cfu/mL，其中，地衣芽孢桿菌：蠟樣芽孢桿菌：枯草芽孢桿菌的有效活菌數比為：4：4：3；
(3)將以上物料充分攪拌混合，裝入CN103614288B所述的高固體厭氧發酵反應器內。採用半連續式發酵，進料頻率為4d一次，每次進料量為反應器池容的12％。
(4)每次進料時進行發酵液回流，垃圾發酵液回流比為25％。
(5)發酵過程中以發酵液pH、VFA(揮發性脂肪酸)和TIC鹼度比值來判定系統是否酸化。
如果pH小於6.0，且VFA/TIC＞0.8，則發酵系統已處於酸化狀態。其餘情況系統可正常發酵。
如發酵系統已酸化，採取以下方式進行調整：
a類垃圾將進料頻率調整為6～8d，進料時同時添加產鹼促進菌劑，菌劑用量同步驟(2)。發酵液回流比調整為40％。
(6)正常運行3d後池容產氣率可達1.0m3沼氣/m3池容，有機垃圾降解率60％，減少產氣遲滯期15d以上，發酵剩餘物可作為有機肥施用於農田。
實施例2：集約蔬菜區蔬菜廢棄物垃圾，TS 20～23。
集約蔬菜區蔬菜廢棄物垃圾主要成分為蔬菜秸稈、剩菜葉、剩瓜果等。
集約蔬菜區蔬菜廢棄物垃圾厭氧發酵過程酸化控制方法，包括步驟如下：
(1)根據該垃圾的TS濃度將垃圾定為b類垃圾，分類後的有機垃圾粉碎至1～2cm，備用；
(2)垃圾中加入垃圾TS含量25％的接種物。
(3)將以上物料充分攪拌混合，裝入車庫式厭氧發酵反應器內，進行批次發酵。發酵周期30d。
(4)在發酵第3d加入產鹼促進菌劑，產鹼促進菌劑的加入量與有機垃圾的質量比為1:150。
所述的產鹼促進菌劑為地衣芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌分別經液體發酵獲得發酵液混合均勻製得，抑制酸化微生物製劑中有效活菌數總計：15×108cfu/mL，其中，地衣芽孢桿菌：蠟樣芽孢桿菌：枯草芽孢桿菌的有效活菌數比為：4：3：4；
(5)發酵過程中以發酵液pH、VFA(揮發性脂肪酸)和TIC鹼度比值來判定系統是否酸化。
如果pH小於5.5，且VFA/TIC＞1.0，則發酵系統已處於酸化狀態。其餘情況系統可正常發酵。
如發酵系統已酸化，採取以下方式進行調整：
添加垃圾質量比5％～10％的草木灰。
(6)發酵期間池容產氣率可達1.0m3沼氣/m3池容。發酵35d後，產氣結束，與不經酸化控制垃圾相比，縮短發酵周期10d以上，發酵期間有機垃圾降解率50％，發酵剩餘物可作為有機肥施用於農田。
實施例3：分散養殖戶有機垃圾，TS 25～30％。
分散養殖戶有機垃圾主要成分為畜禽糞便、秸稈、有機生活垃圾等。
分散養殖戶有機垃圾厭氧發酵過程酸化控制方法，包括步驟如下：
(1)根據該垃圾的TS濃度將垃圾定為c類垃圾，分類後的有機垃圾粉碎至1～2cm，備用；
(2)將垃圾加水或沼液稀釋至TS 22％，並在垃圾中加入垃圾TS含量30％的接種物。
(3)將以上物料充分攪拌混合，裝入車庫式厭氧發酵反應器內，進行批次發酵。發酵周期33d。
(4)在發酵第4d加入產鹼促進菌劑，產鹼促進菌劑的加入量與有機垃圾的質量比為1:150。
所述的產鹼促進菌劑為地衣芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌分別經液體發酵獲得發酵液混合均勻製得，抑制酸化微生物製劑中有效活菌數總計：13×108cfu/mL，其中，地衣芽孢桿菌：蠟樣芽孢桿菌：枯草芽孢桿菌的有效活菌數比為：3：4：4；
(5)發酵過程中以發酵液pH、VFA(揮發性脂肪酸)和TIC鹼度比值來判定系統是否酸化。
如果pH小於5.5，且VFA/TIC＞1.0，則發酵系統已處於酸化狀態。其餘情況系統可正常發酵。
如發酵系統已酸化，採取以下方式進行調整：
添加垃圾質量比3％～5％的石灰水澄清液。
(6)發酵期間池容產氣率可達1.0m3沼氣/m3池容。發酵35d後，產氣結束，與不經酸化控制垃圾相比，縮短發酵周期10d以上，有機垃圾降解率55％，發酵剩餘物可作為有機肥施用於農田。