一种利用高浓度有机废水两相厌氧产氢烷的方法及应用

本发明涉及一种利用高浓度有机废水两相厌氧产氢烷的方法及应用，属于污水处理。

背景技术：

1、高浓度有机废水如畜禽养殖废水、食品加工废水、酿酒废液等具有有机物含量高、可生化性好、处理难度大等特点，其直接排放不仅造成严重的水环境污染，也导致了大量生物质能的浪费。厌氧消化技术因其能够实现污染物削减与氢气、甲烷能源同步回收的双重目标，已成为高浓度有机废水处理的主流工艺之一。其中，两相厌氧消化将产氢相与产甲烷相分离，分别为产氢细菌和产甲烷菌创造最适宜的生态环境，理论上可显著提高系统的处理效率和能源产出率，被广泛认为是传统单相厌氧消化的优化升级方向。

2、然而，现有两相厌氧技术在工程化应用中仍面临一系列关键瓶颈。在产氢相方面，传统工艺普遍采用批式运行方式，且对底物氧化还原电位orp有极为严苛的要求通常需≤-300 mv，以实现严格的厌氧环境。这一条件在实际工程中难以维持，导致产氢过程不稳定，产氢量呈现脉冲式波动，难以实现连续均匀的氢气产出；同时，反应器内ph值随运行时间发生剧烈变化从初始7.0左右迅速下降至4.8以下，且空间分布上缺乏有效调控手段，进一步加剧了系统的运行波动。上述问题使得传统产氢相的操作条件极为苛刻，工程可实施性差，严重制约了该技术的规模化应用。在产甲烷相方面，传统工艺对底物ph范围要求较窄6.5~8.5，而产氢相出水的低ph特性通常低于5.0直接进入产甲烷相后，极易对产甲烷菌产生强烈抑制作用，导致挥发性脂肪酸vfa大量积累、系统酸化崩溃。尽管实践中常采用化学加碱调节的方式，但这不仅增加了运行成本，也引入了额外的盐度问题，未能从根本上解决两相工艺的衔接稳定性难题。公开号为cn108892238b，发明创造名称为一种处理污水的产氢产甲烷反应器，其技术方案公开了该反应器具有相互独立的产氢反应区和产甲烷反应区，通过接种不同的污泥，实现产氢菌和产甲烷菌的分离。反应器内部产氢和产甲烷的反应区形成水力停留时间的差异，产氢反应区较低的水力停留时间能够淘汰生长较慢的产甲烷菌。产氢反应区采用降流式进水，生成的氢气通过上部收集以避免被进一步转化为甲烷。产甲烷反应区接种厌氧消化污泥或者颗粒污泥，上部设置三相分离器收集气体，从而使产甲烷反应区形成颗粒污泥床进而高效转化产氢过程中形成的酸和醇类。但是其排氢与进料经过同一布水器，造成布水器无法完全发挥其均匀布水的功能，且空间分布缺乏有效调控手段，进一步加剧了空间ph分布的巨大差异。公开号cn223674431u，发明创造名称为厌氧反应器旋流布水装置，其技术方案出水布料装置设置于厌氧发酵罐内；出水布料装置上设置有至少一个布水孔组，每个布水孔组均包括多个出水孔，每个布水孔组的多个出水孔中心对称点共面且圆周阵列排布，每个布水孔组的多个出水孔的中心对称点组成的平面均与厌氧发酵罐的底壁平行；每个第一布料器均通过分水器与原料池相连；目的在于解决现有厌氧发酵罐的布水器易出现污泥沉积且布水不均匀和造价高的问题。达到的技术效果为：保证布料均匀与发酵微生物充分混合，水流在发酵罐内螺旋上升，提高发酵效率，避免布水器内污泥沉积，降低成本和能耗。但是其未公开如何与分离器等元件进行配合，以防止流场对冲对分离的影响。公开号为cn202111078328，发明创造名称为一种采用多元物料混合两阶段厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其技术方案公开了采集发酵原料，所述发酵原料包括餐厨垃圾、鸡粪以及玉米秸秆；准备厌氧发酵接种物，将接种物除去杂质后，进行活化培养处理，待其产气中甲烷含量超过设定值后，停加营养物，培养直到无沼气产生，得到产甲烷接种物；对于产氢相，接种物进一步进行蒸煮以抑制产甲烷菌群活性，形成产氢相接种物；将采集的餐厨垃圾、鸡粪以及玉米秸秆混合，加入接种物进行两阶段厌氧发酵产氢产甲烷，其中：先加入产氢相接种物，当产氢相发酵终止后，再接入产甲烷接种物。本发明实现了各发酵原料协同作用，产氢产甲烷产气量显著提高，为解决餐厨垃圾单独发酵时产气效率低的问题提供可行方法。但是其工艺操作繁琐，调控成本高，不利于推广。

3、针对上述技术缺陷，目前尚无成熟的两相厌氧共发酵体系能够同时实现产氢相的连续稳定运行与产甲烷相的低ph耐受。如何突破传统两相厌氧工艺中底物严格厌氧要求高、产氢波动大、相间ph衔接困难等共性技术瓶颈，建立一套高效、稳定、具备工程可操作性的两相厌氧产氢烷方法，已成为高浓度有机废水能源化处理领域亟待解决的关键问题。

4、因此，亟需提出一种利用高浓度有机废水两相厌氧产氢烷的方法及应用，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，提供一种利用高浓度有机废水两相厌氧产氢烷的方法及应用，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、一种利用高浓度有机废水两相厌氧产氢烷的方法，包括以下步骤：

4、s1、去除废水中固体杂物；

5、s2、将废水通过底部侧面的进水口输送到产氢反应器的下部，废水与产氢反应器内部污泥混合，并通过旋流布水装置在产氢反应器反应区形成上升旋流水力流态；

6、通过两级三相分离器截留产酸反应器上部废水中的沉降性能好的污泥，截留的污泥回流到反应器底部，同时，将产氢反应器上部的废水部分输送到产氢反应器底部均匀布水，形成内循环，产生的h2和co2排出至集气装置，分离后的废水通过自流的方式输送至产甲烷区进料池，调配后输送至产烷反应器进行第二项的产甲烷发酵；

7、s3、废水产烷反应器的下部污泥混合，并在产烷反应器反应区形成上升旋流；

8、截留产烷反应器上部废水中的污泥，截留的污泥回流到反应器底部，同时，将产烷反应器上部的废水部分输送到产酸反应器底部均匀布水，将分离的ch4和co2排出至集气装置，分离后的废水从产烷反应器排出。

9、优选的：所述方法采用一种利用高浓度有机废水两相厌氧产氢烷装置，包括：第一进料池、第一进料泵、第一旋流布料器、第一内循环泵、第二进料池、第二进料泵、第二旋流布料器、第二内循环泵、产烷反应器、第一分离器组、产酸反应器、第二分离器组；

10、第一旋流布料器设置在产酸反应器的底部，第一旋流布料器的一个输入端通过第一进料泵与第一进料池连接，第一旋流布料器的另一个输入端通过第一内循环泵与产酸反应器反应区的上部连接，产酸反应器反应区的上部与第一内循环泵的连接部的上方设置有第一分离器组，产酸反应器的顶部具有氢气出口，产酸反应器的顶部与第一分离器组之间设置有第一溢流口，第一溢流口与第二进料池连接；

11、第二旋流布料器设置在产烷反应器的底部，第二旋流布料器的一个输入端通过第二进料泵与第二进料池连接，第二旋流布料器的另一个输入端通过第二内循环泵与产烷反应器反应区的上部连接，产烷反应器反应区的上部与第二内循环泵的连接部的上方设置有第二分离器组，产烷反应器的顶部与第二分离器组之间设置有第二溢流口。

12、优选的：所述装置还包括沉淀池，第一溢流口通过第一溢流管与沉淀池入口连接，沉淀池的出口通过第二溢流管与第二进料池连接，沉淀池的底部具有沉淀池排泥口。

13、优选的：s1中，高浓度有机废水首先进入集水池，经固液分离后进入调节池，水力停留时间控制在1.5~3 h，通过回流部分产甲烷出水将orp控制在-50 mv以下，水温控制在25~35 ℃，ph控制在7.5~10.0。

14、优选的：s2中，产氢反应器呈圆柱形，高径比为2~3.5，反应区水温控制在35 ℃，ph控制在5.7±0.3，水力上升流速控制在1~3 m/h，容积负荷控制在2~10 kg cod/m3·d。

15、优选的：沉淀池去除可沉淀的固形物，溢流水进入第二进料池，第二进料池内有搅拌装置，间歇运行。

16、优选的：s3中，第二进料池出水在第二进料泵的作用下，进入产烷反应器，产烷反应器高径比为2~3.5，主反应区水温控制在34~39 ℃，ph值控制在6.8~8.0，水力上升流速控制在2~7 m/h，容积负荷控制在3~10 kgcod/m3·d。

17、优选的：s2中，第一分离器组包括产氢反应器下层三相分离器和产氢反应器上层三相分离器，分离器通过氢气管与氢气出口连接；

18、s3中，第二分离器组包括产烷反应器下层三相分离器和产烷反应器上层三相分离器，产烷反应器下层三相分离器、产烷反应器上层三相分离器通过沼气管将沼气输送到上部的沼气出口。

19、基于一种利用高浓度有机废水两相厌氧产氢烷方法的应用，所述方法应用于畜禽养殖废水、食品加工废水、酿酒废液。

20、本发明具有以下有益效果：

21、本发明通过对产氢相运行方式的根本性革新，无需严格厌氧条件，同时通过精准调控污泥停留时间和污泥量，富集高浓度产酸菌并有效限制产甲烷菌数量，实现了产氢相的长期稳定运行与连续均匀产氢；产甲烷相，结合微生物定向驯化，使系统能够耐受低至5.5的进料ph冲击，大幅拓宽了传统产甲烷相的ph适应范围，有效解决了低ph底物导致系统酸化崩溃的技术难题。实现了有机废水的高效处理和梯级能源同步回收。