一种厌氧发酵系统原位提质增效的稳定调控方法与流程

1.本发明属于厌氧发酵技术领域，特别涉及一种厌氧发酵系统原位提质增效的稳定调控方法。


背景技术：

2.在厌氧发酵功能菌群的作用下，厌氧发酵系统可将有机废弃物降解转化生成氢气、甲烷、短链脂肪酸等能源物质，解决环境污染问题的同时缓解能源危机。该技术在高浓度有机废水和有机固体废物处理领域均已得到广泛的工程化应用。但在实际工程应用中，厌氧发酵系统普遍存在运行负荷低而且提质增效难的问题。厌氧发酵系统效能的强化技术研究已成为学界和工程界普遍关注的热点。
3.厌氧发酵系统中添加生物炭、活性炭和纳米材料等方法可强化菌群的种间电子传递提升厌氧发酵系统的运行功效；通过添加生物酶和真菌等功能微生物也可强化厌氧发酵系统效能；采用混合基质策略可稀释抑制物、均衡微生物营养物，进一步强化厌氧发酵系统的运行效能。上述厌氧发酵系统效能的强化方法均具有一定的强化效能，但添加剂的低成本运行及其循环回用成为其大规模工程化应用的关键。如何在不投加添加剂的条件下，低成本原位实现厌氧发酵系统的提质增效，是厌氧发酵系统实际工程应用中亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种厌氧发酵系统原位提质增效的稳定调控方法，在维持厌氧发酵系统现有运行条件不变的前提下，通过厌氧发酵系统运行负荷增幅的合理调控获得高效功能菌群，原位实现厌氧发酵系统的提质增效。该方法操作简单易行，成本低廉，适用范围广；同时，该方法可获得高效厌氧发酵功能菌群，厌氧发酵系统排泥可作为高效厌氧发酵系统快速启动和运行效能强化的菌种来源。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种厌氧发酵系统原位提质增效的稳定调控方法，在维持厌氧发酵系统现有运行条件不变的前提下，在厌氧发酵系统启动阶段或低负荷运行阶段，采用运行负荷高增幅的调控策略，缩短厌氧发酵系统的启动时间，在短时间内提升厌氧发酵系统的效能，或者直接采用运行负荷低增幅的调控策略；在厌氧发酵系统高负荷运行阶段，采用运行负荷低增幅并逐渐缩小运行负荷增幅的调控策略，减少对厌氧发酵系统中功能菌群的负荷冲击和局部抑制，给予厌氧发酵系统功能菌群足够的适应和驯化时间，实现厌氧发酵系统的原位提质增效和高效稳定运行。
7.在一个实施例中，所述运行负荷高增幅的调控策略是指运行负荷增加范围为1-10g-cod/l/d；所述运行负荷低增幅的调控策略是指运行负荷增加范围为0.1-1g-cod/l/d。
8.在一个实施例中，所述运行负荷低增幅并逐渐缩小运行负荷增幅的调控策略中的低增幅指运行负荷增加范围为0.1-1g-cod/l/d，并根据观察检测的厌氧发酵系统指标(短
链脂肪酸和ph)判定逐渐缩小增幅至0.1g-cod/l/d。
9.在一个实施例中，通过提高基质浓度或缩短水力停留时间提升厌氧发酵系统运行负荷。其中，在有机固体废弃物厌氧发酵处理领域，优选通过缩短水力停留时间的方式提升厌氧发酵系统的运行负荷。
10.在一个实施例中，所述厌氧发酵系统现有运行条件除水力停留时间缩短引起的运行负荷增幅变化外，运行的温度、ph、搅拌速度、基质浓度等不作改变。
11.在一个实施例中，所述的厌氧发酵系统启动阶段或低负荷运行阶段，在已知所用反应器稳定运行可承受负荷值的范围内，采用运行负荷高增幅的调控策略，缩短厌氧发酵系统的启动时间，在短时间内提升厌氧发酵系统的效能；若不确定可承受负荷值，采用运行负荷低增幅的调控策略，运行时间为0.5-3.0个水力停留时间。
12.在一个实施例中，所述运行负荷低增幅并逐渐缩小运行负荷增幅的调控策略稳定运行至少3.0-5.0个水力停留时间，即系统中没有酸抑制后再在现有的高负荷运行基础上进行提升运行负荷的调控操作。
13.在一个实施例中，所述厌氧发酵系统在负荷调控过程中，需检测的厌氧发酵系统指标主要包括短链脂肪酸和ph，当短链脂肪酸累积超过15g-cod/l或ph低于6.5时，需及时降低厌氧发酵系统的运行负荷，解除酸抑制后再调控厌氧发酵系统运行负荷至可稳定运行的最大运行负荷。
14.在一个实施例中，所述厌氧发酵系统的主体反应器构型为完全混合式反应器(cstr)、厌氧膜生物反应器(anmbr)、升流式厌氧污泥床反应器(uasb)或动态膜生物反应器(dmbr)，处理的对象为高浓度有机废水或有机固体废弃物。
15.在一个实施例中，以温度区分，所述厌氧发酵系统为中温厌氧发酵系统或高温厌氧发酵系统；以是否在同一反应器区分，厌氧发酵系统为单相厌氧发酵系统或两相厌氧发酵系统的产酸相和产甲烷相。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.(1)本发明可实现厌氧发酵系统的原位提质增效和高效稳定运行，即在维持厌氧发酵系统现有运行条件(运行的温度、ph、搅拌速度、基质浓度)不变的前提下，通过合理调控水力停留时间即控制泵的流速调控厌氧发酵系统运行负荷增幅，可原位实现厌氧发酵系统的提质增效，操作简单易行，成本低廉，适用范围广。
18.(2)本发明给予厌氧发酵系统功能菌群足够的适应和驯化时间，可获得适应高运行负荷的高效厌氧发酵功能菌群，本发明所应用的厌氧发酵系统排泥可作为高效厌氧发酵系统启动和运行效能强化的菌种来源。
附图说明
19.图1是本发明实施例中cstr随时间变化所加负荷量和随负荷变化的生物气量的变化。
具体实施方式
20.下面将详细说明本发明的实施方式。
21.本发明为一种厌氧发酵系统原位提质增效的稳定调控方法，在维持厌氧发酵系统
现有运行条件(运行的温度、ph、搅拌速度、基质浓度等)不变的前提下，在厌氧发酵系统启动阶段或低负荷运行阶段，在已知所用反应器稳定运行可承受负荷值的范围内，采用运行负荷高增幅的调控策略，缩短厌氧发酵系统的启动时间，在短时间内提升厌氧发酵系统的效能；若不确定可承受负荷值，采用运行负荷低增幅的调控策略；在厌氧发酵系统高负荷运行阶段，采用运行负荷低增幅并逐渐缩小运行负荷增幅的调控策略，减少对厌氧发酵系统中功能菌群的负荷冲击和局部抑制，给予厌氧发酵系统功能菌群足够的适应和驯化时间，实现厌氧发酵系统的原位提质增效和高效稳定运行。
22.本发明中，厌氧发酵系统低负荷运行阶段一般指的是截止范围在10-25g-cod/l/d，高负荷运行一般指的是截止范围在25-70g-cod/l/d。本发明涉及厌氧发酵系统的主体反应器构型可为完全混合式反应器(cstr)、厌氧膜生物反应器(anmbr)、升流式厌氧污泥床反应器(uasb)或动态膜生物反应器(dmbr)，处理的对象为高浓度有机废水或有机固体废弃物。
23.以温度区分，本发明厌氧发酵系统可为中温厌氧发酵系统或高温厌氧发酵系统；以是否在同一反应器区分，厌氧发酵系统可为单相厌氧发酵系统或两相厌氧发酵系统的产酸相和产甲烷相。
24.在一个实施例中，负荷高增幅的调控策略，指运行负荷增加范围为1-10g-cod/l/d；运行负荷低增幅的调控策略，指运行负荷增加范围为0.1-1g-cod/l/d。观察检测的厌氧发酵系统指标(短链脂肪酸和ph)逐渐缩小增幅至0.1g-cod/l/d。
25.本发明可通过提高基质浓度或缩短水力停留时间(控制泵的流速)提升厌氧发酵系统运行负荷。其中，在有机固体废弃物厌氧发酵处理领域，优选通过缩短水力停留时间的方式提升厌氧发酵系统的运行负荷。
26.本发明在厌氧发酵系统启动阶段或低负荷运行阶段，依据厌氧发酵系统所处理的基质类型及其运行状况进行判定，采用运行负荷高增幅的调控策略或运行负荷低增幅的调控策略，运行时间为0.5-3.0个水力停留时间。
27.本发明运行负荷低增幅并逐渐缩小运行负荷增幅的调控策略稳定运行至少3.0-5.0个水力停留时间，即系统中没有酸抑制后再在现有的高负荷运行基础上进行提升运行负荷的调控操作。
28.本发明厌氧发酵系统在负荷调控过程中，需检测的厌氧发酵系统指标主要包括短链脂肪酸和ph，当短链脂肪酸累积超过15g-cod/l或ph低于6.5时，需及时降低厌氧发酵系统的运行负荷，解除酸抑制后再调控厌氧发酵系统运行负荷至可稳定运行的最大运行负荷。
29.下面结合使用cstr的实例进一步说明本发明的实施方法。但本发明的方法并不仅限于cstr，且不设置条件适应各种反应器：
30.(1)本发明的应用在实验室规模的cstr下进行，设置两组反应器cstr
‑ⅰ
和cstr
‑ⅱ
，如附图所示，cstr
‑ⅰ
通过高幅度增加负荷，cstr
‑ⅱ
如本方法启动阶段或低负荷运行阶段，采用高负荷增幅的调控方法，高负荷运行阶段，采用低负荷增幅并逐渐缩小负荷增加幅度的调控方法。反应器温度都保持在中温条件(39℃
±
1℃)，原料从基质罐半连续泵送至cstr。
31.(2)在启动期间最初向反应器内接种0.7l的污泥，并以1.40g-cod/l/d的低有机负
荷进料。在启动期间，有机负荷在20g-cod/l/d前可以采用高负荷增幅以减少调控时间，之后的高负荷阶段采用低负荷增幅并逐渐缩小负荷增加幅度。
32.(3)在cstr中只需要调节泵就可调节水力停留时间，实现原位调节，操作简单。如图1，cstr
‑ⅰ
在启动期间(1-117天)，有机负荷增加至5.11g-cod/l/d，生物气产量逐渐增至2.5l/l/d。随后的118-327天，随着有机负荷从5.11g-cod/l/d增至18.7g-cod/l/d，水力停留时间从25d减少至7.14d，生物气产量继续增至5l/l/d，而cstr
‑ⅱ
前期与cstr
‑ⅰ
在甲烷产率上并无明显差别，可cstr-i在继续高负荷增幅的189天会迅速崩溃。
33.(4)如图1，cstr
‑ⅱ
在高负荷阶段中低负荷增幅并逐渐缩小负荷增加幅度，即使有机负荷达到50g-cod/l/d，系统也未崩溃，生物气产量高达10l/l/d。该调控方法给予厌氧发酵系统功能菌群足够的适应和驯化时间，在高负荷运行时仍保持较高的功能菌群活性和厌氧发酵酶活性，同时生物气产量、水解转化率均保持较高水平。
34.(5)整个过程中，即使水力停留时间缩短至2.56-2.63d，酸化和甲烷化之间的平衡也可通过低负荷增幅的机制来维持，同时厌氧发酵系统的生物气产量也能得到保障。
35.综上，本发明体现了如下的优点：
①
可实现厌氧发酵系统的原位提质增效和高效稳定运行；
②
操作简单易行，成本低廉，适用范围广；
③
给予厌氧发酵系统功能菌群足够的适应和驯化时间，可获得高效厌氧发酵功能菌群，厌氧发酵系统排泥可作为高效厌氧发酵系统快速启动和运行效能强化的菌种来源。