一种利用Fenton铁泥及含铁生物炭强化两相厌氧消化的装置与工艺

一种利用fenton铁泥及含铁生物炭强化两相厌氧消化的装置与工艺
技术领域
1.本发明涉及固体废弃物资源化技术的领域。


背景技术：

2.我国每年产生的市政污泥，餐厨垃圾、农产品废弃物、禽畜粪便等各类有机固体废物总量约63亿吨，通过厌氧消化将其转化为生物天然气的潜力可达上千亿m3，可大大减少我国化石等高碳能源的使用。一般认为，厌氧消化包括水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段，需要与之相对应的功能微生物协同完成。然而，由于产酸微生物代谢速度往往大于产甲烷菌，使得大分子有机物经水解、酸化生成小分子有机酸后不能及时被产甲烷菌利用，从而在反应器内积累，致使反应器酸化，产甲烷过程受到抑制。
3.两相厌氧工艺将水解酸化和产甲烷过程分开成两个独立的阶段，可以使酸化相和产甲烷相在空间上的分离，并通过控制运行条件如ph，水力停留时间、温度等，使两相能保持对应适宜反应条件够从而培养出各自优势的功能微生物种群，相比于传统的单相厌氧工艺运行更加稳定与高效。但是，目前的两相厌氧工艺仍存在以下问题：一是大分子水解酸化效率普遍较低，复杂有机物往往来不及水解成小分子就直接进入产甲烷相，给产甲烷过程带来负担；二是产甲烷相中，产酸菌与产甲烷菌之间互养代谢速率缓慢，电子主要通过氢气进行，传质效率低，极易因为产甲烷菌来不及消耗氢气而使前端的产酸过程受阻，最终使反应器运行崩溃。
4.目前，大量研究者发现铁基材料可富集铁还原菌激发异化铁还原过程强化复杂有机物的分解，从而解决复杂有机物水解酸化效率低的问题；而针对产酸菌与产甲烷菌之间互养代谢速率低的问题，研究者提出利用导电性的铁氧化物如四氧化三铁作为导电介质，实现产酸菌与产甲烷菌之间的直接种间电子传递(diet)过程，从而避免了氢气传质受限的影响，提高了厌氧体系的互养代谢效率。但铁氧化物种类繁多，性质各异，研究多针对于铁基材料对单相反应器厌氧消化过程的影响，而水解酸化相与产甲烷相在微生物生态上存在差异，使得其各自对铁氧化物性质的需求也有所不同。因此，应针对水解酸化与产甲烷的各自特性提出不同的铁氧化物投加策略。此外，外源引入的铁氧化物会提高工艺成本，也同样需要寻找廉价的铁源降低材料成本。


技术实现要素：

5.本发明是要解决两相厌氧工艺前相水解酸化效率低及后相产酸菌与产甲烷菌互养代谢速率缓慢的问题，提出一种利用fenton铁泥及含铁生物炭强化两相厌氧消化的装置与工艺。根据两相厌氧反应的需求，在水解酸化相投加fenton铁泥作为三价铁源强化水解酸化效率，在产甲烷相投加fenton铁泥制备的含铁生物炭强化微生物种间电子传递速率，同时实现两相厌氧工艺的稳定运行与fenton铁泥的资源化处置。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种利用fenton铁泥及含铁生物炭强化两相厌氧消化的装置，它的特点是：设有进料池1、脱水池2、水解酸化反应器3、沉淀池4、产甲烷反应器5、物料调节池6、炭化炉7。设有的泵i-p1经由管i-c1将进料池1与水解酸化反应器3底部连通。设有的泵ii-p2经由管ii-c2、管iii-c3、阀iv-v4的上、下两端和阀i-v1将脱水池2底部和水解酸化反应器3底部连通。设有的泵iii-p3经由管iv-c4将水解酸化反应器3上端出水口与沉淀池4顶部相连通。设有的泵iv-p4经由管v-c5将沉定池4的上清液区401与产甲烷反应器5的底部连通。设有的管vi-c6与阀iii-v3与产甲烷反应器5的出水口连通。设有的泵v-p5经由管viii-c8将污泥沉淀池4底部的沉降区402和物料调节池6连通。设有的管vii-c7和阀ii-v2将阀iv-v4的侧端与物料调节池6相连。炭化炉7一端经由管ix-c9与物料调节池6底部连通，另一端经由管x-c10与产甲烷反应器5的填料投加口503连通。水解酸化反应器3设有保温层301、搅拌机302、搅拌扇叶303、搅拌机302的主轴穿过所水解酸化反应器3的上盖伸入筒体内，搅拌扇叶303与搅拌机302转轴相连。产甲烷反应器5的筒体外设有保温层501、筒体底部设有填料区502、筒体一侧设有填料投加口503、顶部设有三相分离器504，填料区502含有填料，填料材质为聚氨酯海绵。物料调节池6设有元素分析仪601、电感耦合等离子光谱发生仪602、投料装置603，投料装置603底部与物料调节池6连通。炭化炉7设有气路701和保温层702。
8.一种使用上述装置，利用fenton铁泥和fenton铁泥制备的含铁生物炭强化有机固体废物两相厌氧处理的工艺，包括以下工序：
9.1)采用厌氧污泥消化反应器的消化污泥作为引种污泥来启动水解酸化反应器3和产甲烷反应器5，使水解酸化反应器3和产甲烷反应器5内污泥体积占比分别为20％-40％和30％-50％。
10.2)打开泵i-p1，使进料池1内有机固体废物经由管i-c1进入水解酸化反应器3内。有机固体废弃物可以是餐厨垃圾、城市剩余污泥、禽畜粪便中的任意一种，有机固体废弃物的含固率为1％-10％。
11.3)打开泵ii-p2和阀i-v1，使脱水池2中的fenton铁泥经由管ii-c2、阀iv-v4和管iii-c3进入到水解酸化反应器3内。fenton铁泥为fenton工艺末端产生的含铁污泥，脱水后含固率为20％-40％，含铁量在污泥干重的20％-40％。
12.4)启动水解酸化反应器3的搅拌机302，控制转速在60-100rpm/min，使水解酸化反应器3内的引种污泥、fenton铁泥、有机固体废物混合均匀。水解酸化反应器3内的污泥停留时间为48-72小时，ph控制在4.5-5.5之间，温度控制在30-35℃之间。
13.5)打开泵iii-p3，使酸化后的发酵液经由管iv-c4流入沉淀池4。
14.6)打开泵v-p5，使沉淀池4的沉淀区402中的污泥经由管viii-c8流入物料调节池6。
15.7)取物料调节池6内的污泥送入元素分析仪601分析污泥中的碳元素含量，另取污泥送入电感耦合等离子光谱发生仪602分析污泥中的铁元素含量。
16.8)关闭阀i-v1，打开阀ii-v2，启动泵ii-p2，使脱水池2中的fenton铁泥经由管ii-c2、阀iv-v4、阀ii-v2和管vii-c7流入投料装置603，随后根据fenton铁泥中的铁元素含量和污泥中的铁、碳元素含量，在物料调节池6内调节fenton铁泥与污泥比例，使最终fenton铁泥和污泥的混合物中铁碳比例为1:1-1:2。
17.9)取物料调节池6底部调节好铁碳比例的混合物经由管ix-c9送入管式炉7内，烧
制得到fenton铁泥和污泥制备的含铁生物炭。
18.10)将工序9)含铁生物炭经由管v-c10填料投加口503投加到填料区502的聚氨酯海绵内。
19.11)打开泵iv-p4，使沉淀池4的上清液区401出水经由管x-c5流入产甲烷反应器5，由下至上，流经填料区502与工序9)的含铁生物炭和聚氨酯填料上生长的微生物充分混合。产甲烷反应器5的水力停留时间控制在72-96小时，ph控制在6.5-8.0之间，保温层501温度控制在30-35℃之间。
20.12)打开阀iii-v3，使产甲烷反应器5的出水经由管vi-c6流出，产甲烷反应器5内的气体经由三相分离器504排出，并进一步收集。
21.一种利用fenton铁泥和污泥制备含铁生物炭的方法，包括如下步骤：
22.1)将脱水池2中的fenton铁泥与沉淀池4的污泥在物料调节池6内混合，使混合物的铁碳元素比例为1:1-1:2。
23.2)将工序1)混合物送入管式炉7内，打开气路701，使管式炉7的炉管内充满氮气，气体流速在100-200ml/min。
24.3)打开管式炉7的温控开关，使温度以10℃/min升至500℃，随后在500℃条件下烧制生物炭，烧制温度保持2小时，使污泥的生物质转化为生物炭，三价铁转化为四氧化三铁。
25.4)待管式炉7内自然恢复至室温时，取出烧制好的生物炭研磨成粉并过100目筛，所得样品即为fenton铁泥制备的含铁生物炭。
26.这种利用fenton铁泥及含铁生物炭强化两相厌氧消化的装置与工艺，具有的特点是：
27.(1)将采用两相厌氧消化工艺将厌氧消化分为水解酸化和产甲烷两个过程，并针对两个过程中各自微生物代谢方式，投加不同的铁基材料强化微生物代谢活性。
28.(2)fenton铁泥中包含大量的三价铁，主要存在形式为氢氧化铁，将fenton铁泥投加到水解酸化反应器内可作为铁源富集铁还原菌，激发异化铁还原过程强化复杂有机物的分解；此外，在缺少氧气等电子受体的厌氧环境中，铁氧化物可有效接纳微生物分解有机物产生的电子和氢离子，防止反应器内出现电子和氢离子的积累，推动有机物分解反应持续进行；此外，fenton铁泥中的氢氧化铁为无定型铁氧化物，相较于其他晶体铁氧化物(如三氧化二铁和四氧化三铁)的氧化还原电势更高，更易接收电子，因此其对大分子有机物降解的促进作用也更优。
29.(3)以水解酸化反应器排料中的污泥和fenton铁泥为原料，利用fenton铁泥调节污泥中的铁元素含量，可制备出性质更为优良的含铁生物炭。其特点在于，fenton铁泥中的三价铁可在无氧高温过程中被污泥中的碳部分还原成二价，从而形成四氧化三铁，相比于一般的生物炭提高材料的导电性。而在500℃条件下，污泥中的生物质并未完全碳化和石墨化，保留了大量的官能团，增加了材料的氧化还原性，相比于单一的四氧化三铁又提高了材料的生物相容性。
30.(4)向产甲烷反应器内投加fenton铁泥制备的含铁生物炭，利用磁铁矿可富集地杆菌等具有胞外电子传递能力的微生物，而生物炭丰富的空隙和较大的比表面积则为微生物提供附着的空间；借助含铁生物炭的导电性与生物相容性，产酸菌和产甲烷菌可有效建立直接种间电子传递过程，提高小分子有机酸的互养代谢效率，提高产甲烷速率，并减少酸
性积累，维持产甲烷反应器稳定。
31.(5)通过将芬顿铁泥投加到水解酸化反应器和与污泥混合制备含铁生物炭，可有效实现fenton铁泥的减量化，减少fenton铁泥的处理费用，同时提高有机物厌氧消化效果和甲烷产量，达到以废治废的目的。
附图说明
32.本发明共有附图4张，其中：
33.图1是一种利用fenton铁泥及含铁生物炭强化两相厌氧消化的装置与工艺过程示意图；
34.图2是实施例1与对比例1中水解酸化反应器内挥发性有机酸的生成图；
35.图3是实施例1与对比例1中产甲烷反应器内甲烷的生成图；
36.图4是实施例2与对比例2所制备的生物炭的电导率对比图。
37.图1中：1、进料池，2、脱水池，3、水解酸化反应器，301、水解酸化反应器保温层，302、搅拌机，303、搅拌扇叶，4、沉淀池，401、上清液区，402、沉淀区，5、产甲烷反应器，501、产甲烷反应器保温层，502、填料区，503、填料投加口，504、三相分离器，6、物料调节池，601、元素分析仪，602、电感耦合等离子光谱发生仪，603，投料装置，7、炭化炉，701、气路，702、炭化炉保温层，c1、管i，c2、管ii，c3、管iii，c4、管iv，c5、管v，c6、管vi，c、管vii，c8、管viii，c9、管ix，c10、管x，p1、泵i，p2、泵ii，p3、泵iii，p4、泵iv，p5、泵v，v1、阀i，v2、阀ii，v3、阀iii。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：如图1所示，这种利用fenton铁泥及含铁生物炭强化两相厌氧消化的装置，具有以下技术特征：设有进料池1、脱水池2、水解酸化反应器3、沉淀池4、产甲烷反应器5、物料调节池6、炭化炉7。设有的泵i-p1经由管i-c1将进料池1与水解酸化反应器3底部连通。设有的泵ii-p2经由管ii-c2、管iii-c3、阀iv-v4的上、下两端和阀i-v1将脱水池2底部和水解酸化反应器3底部连通。设有的泵iii-p3经由管iv-c4将水解酸化反应器3上端出水口与沉淀池4顶部相连通。设有的泵iv-p4经由管v-c5将沉定池4的上清液区401与产甲烷反应器5的底部连通。设有的管vi-c6与阀iii-v3与产甲烷反应器5的出水口连通。设有的泵v-p5经由管viii-c8将污泥沉淀池4底部的沉降区402和物料调节池6连通。设有的管vii-c7和阀ii-v2将阀iv-v4的侧端与物料调节池6相连。炭化炉7一端经由管ix-c9与物料调节池6底部连通，另一端经由管x-c10与产甲烷反应器5的填料投加口503连通。水解酸化反应器3设有保温层301、搅拌机302、搅拌扇叶303，搅拌机302的主轴穿过所水解酸化反应器3的上盖伸入筒体内，搅拌扇叶303与搅拌机302转轴相连。产甲烷反应器5的筒体外设有保温层501、筒体底部设有填料区502、筒体一侧设有填料投加口503、顶部设有三相分离器504，填料区502含有填料，填料材质为聚氨酯海绵。物料调节池6设有元素分析仪601、电感耦合等离子光谱发生仪602、投料装置603。投料装置603底部与物料调节池6连通。炭化炉7设有气路701和保温层702。
39.实施例1
40.一种使用上述装置处理有机固体废弃物工艺包括以下具体操作工序：
41.以某生活污水处理厂产生的剩余污泥作为有机固体废弃物原料，用自来水稀释至含固率约为6.3％，稀释后污泥总cod浓度约为65000g/l。以某垃圾渗滤液处理厂产生的fenton铁泥为原料，经脱水后含固率为20％，含铁量(以铁元素计)为40％，有机物含量为14％。
42.分别采用工作体积为1l和2l上流式厌氧污泥床反应器作为水解酸化反应器和产甲烷反应器，接种厌氧发酵罐污泥，使反应器内引种污泥体积占比分别为20％和40％。
43.将脱水后的fenton铁泥和剩余污泥投加到水解酸化反应器内，污泥停留时间控制在48小时，温度控制在35℃，搅拌器转速控制在70rpm/min，ph控制在5.5。
44.水解酸化反应器出水进入沉淀池，沉降至沉淀池底部的污泥测定其铁、碳元素含量后与fenton铁泥在物料调节池底部混合，混合物的铁碳比为1:2。随后将混合物送入炭化炉，制备含铁生物炭。接着，制备好的含铁生物炭投加到产甲烷反应器的填料区内。
45.沉淀池上清液区的出水进入产甲烷反应器内，流经填料区与含铁生物炭和聚氨酯填料上生长的引种污泥充分混合；产甲烷反应器的水力停留时间控制在72小时，ph控制在7.5；温度控制在35℃。
46.实验过程中监测水解酸化反应器内的挥发性脂肪酸(vfas)含量和厌氧反应器体系中气体的产量和组分。
47.对比例1
48.与实施例1的不同之处在于，水解酸化反应器内不投加fenton铁泥，沉淀池底部的污泥不进行元素调节，直接送入炭化炉烧制成生物炭，同时进行实施例1中的剩余污泥两相厌氧处理实验。
49.如图2所示，监测实施例1和对比例1中水解酸化反应器内vfas的生成情况可以发现，实施例1中总vfas含量为4081mg/l，而对比例1中仅有3118mg/l，酸化效率提高30.8％，这说明fenton铁泥作为铁源可激发异化铁还原过程加速大分子有机物的分解，生成更多vfas供后续产甲烷菌利用。
50.如图3所示，监测实施例1和对比例1中产甲烷反应器内甲烷的生成情况可以发现，实施例1中甲烷产量为270ml/g vs(vs，挥发性有机物)，而对比例1中仅有223ml/g vs，产甲烷效率提高21.1％，这说明fenton铁泥与污泥混合物制备的含铁生物炭比单一污泥制备的传统生物炭更能促进甲烷生成。
51.实施例2
52.一种利用污泥和fenton铁泥制备含铁生物炭的方法，包括以下步骤：
53.利用元素分析仪测定fenton铁泥和厌氧污泥的中的铁、碳元素含量。
54.将fenton铁泥与沉淀池的污泥在物料调节池内混合，使混合物的铁碳元素比例1:1，随后装入石英舟。
55.将装有混合物的石英舟送入管式炉内，在500℃、氮气氛围下烧制2小时，使污泥的生物质转化为生物炭，三价铁转化为四氧化三铁。
56.待管式炉内自然恢复至室温时，取出烧制好的生物炭研磨成粉并过100目筛，所得样品即为fenton铁泥制备的含铁生物炭。
57.对比例2
58.与实施例2的不同之处在于，将制备含铁生物炭的原料污泥和fenton铁泥替换为
等量(干重)的污泥作为单一原料进行无氧高温煅烧，得到传统污泥基生物炭。
59.如图4所示，实施例2中的fenton铁泥制备的含铁生物炭的电导率为12.3μm/s，而传统的污泥基生物炭电导率为5.29μm/s，说明fenton铁泥中铁源的引入可提高生物炭的导电性，进而当其应用于厌氧产甲烷反应器时，可提高微生物种间电子传递能力。