阅读说明：本技术 一种提高水热炭强化厌氧消化产甲烷效率的方法 (Method for improving efficiency of methane production through hydrothermal carbon enhanced anaerobic digestion ) 是由 罗刚 任爽 张士成 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种提高水热炭强化厌氧消化产甲烷效率的方法。通过对水热炭进行球磨改性处理,可提高水热炭强化厌氧消化产甲烷的效率,添加球磨改性水热炭的实验组比添加未改性水热炭实验组的产甲烷速率高出12.5%,达到了未添加水热炭对照组的3.44倍。本方法具体步骤即将生物质通过水热转化制备水热炭,进一步将水热炭采用球磨改性,然后投加有机废弃物/废水厌氧消化产甲烷反应器中即可显著提升产甲烷速率。本方法可有效提高厌氧消化反应器产甲烷速率,提高厌氧消化反应器的稳定性,有利于更有效地将有机废弃物减量和资源化利用。(The invention provides a method for improving the efficiency of methane production by hydrothermal carbon enhanced anaerobic digestion. The ball milling modification treatment is carried out on the hydrothermal carbon, so that the efficiency of methane production by hydrothermal carbon enhanced anaerobic digestion can be improved, and the methane production rate of an experimental group added with the ball milling modified hydrothermal carbon is 12.5% higher than that of an experimental group added with unmodified hydrothermal carbon, and reaches 3.44 times of that of a control group without the hydrothermal carbon. The method specifically comprises the steps of preparing hydrothermal carbon from biomass through hydrothermal conversion, further performing ball milling modification on the hydrothermal carbon, and then adding the hydrothermal carbon into an organic waste/wastewater anaerobic digestion methane production reactor to remarkably improve the methane production rate. The method can effectively improve the methane production rate of the anaerobic digestion reactor, improve the stability of the anaerobic digestion reactor, and is beneficial to more effectively reducing and recycling organic wastes.)

一种提高水热炭强化厌氧消化产甲烷效率的方法

技术领域

本发明属于有机废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种提高有机废弃物厌氧消化产甲烷效率的方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，城市废弃物的产生量迅速增加，其中有机废弃物包括餐厨垃圾、粪便和污水处理过程产生的剩余污泥等。厌氧消化（anaerobic digestion,AD）是一种既可以实现有机废弃物减量，又能产生甲烷的理想的有机废弃物处理方式。但厌氧反应器却会因进料量与进料性质的不稳定而造成可挥发性有机酸（VFA）积累，从而无法实现稳定的运行。厌氧消化速率和稳定性的提升，对有机废弃物的有效处理具有重要意义。

水热炭（hydrochar）是生物质废弃物通过水热反应产生的固体产物（文献SoilResearch, 2010, 48: 618-626）。水热转化过程一般是在亚临界条件下（温度： 220-370 °C，压力： 5-10 MPa）以水为反应溶剂液化有机质，获取生物油、化学品以及水热炭的过程（文献Chemical Engineering & Technology: Industrial Chemistry-Plant Equipment-Process Engineering-Biotechnology, 2008: 667-677）。有报道发现，水热炭能促成厌氧消化体系中的直接电子传递（direct interspecies electron transfer, DIET），从而强化厌氧消化，提升产甲烷速度（文献Environmental science & technology, 2020: 5755–5766），而与水热炭强化厌氧消化最相关的性质是表面含氧官能团的丰度（文献Environmental science & technology, 2020: 5755–5766）。球磨能够提高水热炭的比表面积，增大水热炭含氧官能团的接触面（文献ACS Sustainable Chemistry &Engineering, 2017: 9568-9585）。然而并无研究将水热炭进行球磨处理来提高其促进厌氧消化的能力。

本发明通过对将要投加到厌氧消化反应器中的水热炭进行球磨处理，提高了其强化厌氧消化的性能，进一步加快产甲烷速度，使厌氧消化产甲烷系统能够更稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高水热炭强化厌氧消化效率的方法，本发明通过对水热炭进行球磨，增加其表面暴露的含氧官能团丰度，提高其在厌氧消化体系中介导直接电子传递的能力，提高产甲烷速率，进一步提升有机废弃物的处置效率。

本发明提出的一种提高水热炭强化厌氧消化效率的方法，具体步骤如下：

（1）利用生物质废弃物通过水热反应转化为水热炭；用有机溶剂洗去生物质废弃物表面生物油后，烘干，进一步进行球磨处理，无需其他预处理步骤；

（2）将步骤（1）得到的球磨改性的水热炭投加到利用有机废弃物/废水等厌氧消化产甲烷的反应器中，产甲烷速率相比于添加未球磨水热炭的实验组提高了12.5%以上。

本发明中，步骤（1）中所述生物质废弃物为玉米秸秆、污泥或藻类等中任一种。

本发明中，步骤（1）中所述水热反应温度260-320℃，反应时间1-8 h。

本发明中，步骤（1）中所述有机溶剂为酒精、四氢呋喃或二氯甲烷等中任一种。

本发明中，步骤（1）中所述球磨处理时间为4-8小时，转速为300-500 rmp。

本发明的有益效果在于：本发明以生物质废弃物为原料制备水热炭，对水热炭进行球磨，球磨后的水热炭比未球磨的水热炭强化厌氧消化的能力更强，能有效实现有机废弃物的减量和资源化。

附图说明

图1 球磨前后的水热炭对厌氧消化产甲烷的影响；

图2实施例2三个反应器中累计甲烷产量。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。

实施例１：

（1）将玉米秸秆粉末300 g和2 L水加入到3 L的高温高压反应釜中，在260℃下反应1小时制备水热炭，用酒精将水热炭表面可溶性有机物洗去并烘干；

（2）将烘干后的水热炭放入行星球磨机中以300 rpm的转速球磨8小时。

（3）设置三组厌氧反应器，每个反应器体积为108 mL，装有60 mL浓度为4 g/L的葡萄糖溶液，接种有等量的微生物（F/M=2），调节反应器中初始pH为7.5，分别不投加水热炭、投加10 g/L未球磨水热炭和投加10 g/L球磨水热炭，氮气吹脱制造厌氧环境后，将三组反应器置于37℃反应器中进行厌氧发酵，发酵过程中定时用取样针取微量气体样品并用气相色谱仪测定气体组分含量。三个反应器中累计甲烷产量如图１所示。

从图1可以看出，经球磨处理的水热炭促进厌氧消化产甲烷的效果优于未经处理的水热炭。

实施例２：

（1）将玉米秸秆粉末300 g和2 L水加入到3 L的高温高压反应釜中，在260℃下反应8小时制备水热炭，用酒精将水热炭表面可溶性有机物洗去并烘干；

（2）将烘干后的水热炭放入行星球磨机中以300 rpm的转速球磨8小时。

（3）设置三组厌氧反应器，每个反应器体积为108 mL，装有60 mL浓度为4 g/L的葡萄糖溶液，接种有等量的微生物（F/M=2），调节反应器中初始pH为7.5，分别不投加水热炭、投加10 g/L未球磨水热炭和投加10 g/L球磨水热炭，氮气吹脱制造厌氧环境后，将三组反应器置于37℃反应器中进行厌氧发酵，发酵过程中定时用取样针取微量气体样品并用气相色谱仪测定气体组分含量。三个反应器中累计甲烷产量如图2所示。

从图2可以看出，经球磨处理的水热炭促进厌氧消化产甲烷的效果优于未经处理的水热炭。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。