一种秸秆生物炭及其制备方法和在强化污泥产甲烷中的应用

技术领域

本发明涉及固体废弃物资源化处理技术领域，尤其涉及一种秸秆生物炭及其制备方法和在强化污泥产甲烷中的应用。

背景技术

近年来，畜禽粪污废水与生活污水的排放量高居不下。水体中的46.7％的化学需氧量来源于畜禽养殖业；19.6％的总氮来源于畜禽养殖业；38.0％的总磷来源于畜禽养殖业。由此可见，畜禽粪污废水是未来水污染源的重点防治对象。

畜禽粪污废水的综合处理以及合理利用一直是生态城市和文明城市建设的重要组成内容。近些年，随着畜禽养殖业数量的增加，畜禽粪污废水排放也随之增加，但相对应的畜禽粪污废水处理设施仍处于比较落后的阶段，导致畜禽粪污废水缺乏良好的处理和处置。作为畜禽养殖业的主要剩余产物，一方面，畜禽粪污废水中含有大量微生物和部分畜禽排放的污染物，如果不及时处理和处置，将会严重危害环境安全和人体健康；另一方面，畜禽粪污废水也是一种被放错地方的重要资源，其中含有大量的未被完全利用的畜禽的有机物质，通过适当的方法进行回收或利用符合当前碳减排的迫切需求。

厌氧消化作为一种广泛应用于固体有机废物的处理过程，也已经应用于畜禽粪污废水的处理处置过程中，即传统沼气池。厌氧消化不仅可以有效减少畜禽粪污的体积，也能够有效利用畜禽粪污废水中的可生物利用物质。在畜禽粪污废水厌氧消化过程中，其中的可生物利用物质将转化为更有价值的有机物，如甲烷、氢气以及短链脂肪酸等。然而，畜禽粪污废水厌氧消化过程具有水解速率低、产甲烷效率差、甲烷产量易受环境因素的影响等缺陷，限制了剩余畜禽粪污废弃物能源化与资源化的程度。

生物炭是一种稳定的富含碳质的绿色材料，通常是由城市固体废弃物、农业固体废弃物和剩余污泥等在限氧条件下热解制备得到。生物炭的有效性在很大程度上取决于其吸附性能、pH值、导电性能、表面官能团等。研究表明，在厌氧消化过程中添加生物炭可以有效地改善系统稳定性、增强微生物活性、减轻酸抑制，同时提高厌氧消化过程的发酵速率和甲烷产量。生物炭促进厌氧消化的主要作用机理包括辅助微生物固定化、提供缓冲效应和促进种间电子传递。

需要指出的是，不同原料、不同炭化温度和不同保持时间下所制备而得的生物炭具有的性质也有很大的差别。以往生物炭应用于厌氧消化的技术只是将生物炭作为外源投加物，并未充分利用生物炭的优势。因此，在厌氧消化开始前，利用生物炭对底物进行预处理，为进一步高效利用生物炭促进厌氧消化提供了新思路和新方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种秸秆生物炭及其制备方法和在强化污泥产甲烷中的应用。本发明采用秸秆生物炭对畜禽粪污废水进行预处理，从而活化生物炭，起到在后续阶段强化污泥厌氧消化的效果，为生物炭在厌氧消化中的应用提供了一种更有竞争力的新思路。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种秸秆生物炭的制备方法，将初步干化后的秸秆混合物切碎，经烘干，碳化，研磨，得到所述秸秆生物炭；

所述秸秆混合物包括玉米秸秆和芦苇秸秆；

所述碳化过程中的升温速度为5～10℃/min，所述碳化时的热解温度为500～650℃，所述热解温度下的保持时间为1～2h。

优选的，所述切碎后的秸秆混合物的长度为1～5cm。

优选的，所述初步干化的温度为10～30℃，时间为24～48h；所述烘干的温度为100～110℃，时间为24～48h。

优选的，所述研磨后过100～140目筛网，所得筛下物为所述秸秆生物炭。

本发明还提供了一种上述制备方法制得的秸秆生物炭。

本发明还提供了一种上述秸秆生物炭在强化污泥产甲烷中的应用，包括如下步骤：

(1)用秸秆生物炭预处理畜禽粪污废水，得到预处理混合体系；

(2)将所述预处理混合体系与厌氧消化污泥混合，进行厌氧消化。

优选的，所述秸秆生物炭与所述畜禽粪污废水中VS的质量比为(0.5～2.0)：1；所述畜禽粪污废水中VS与所述厌氧消化污泥中VS的质量比为1：(1～2)。

优选的，所述预处理时的转速为100～150转/分钟，所述预处理的温度为30～40℃，所述预处理的时间为1～24h。

优选的，步骤(2)所述混合后的体系pH为6.9～7.1。

优选的，所述厌氧消化时的转速为100～150转/分钟，所述厌氧消化的温度为33～38℃，所述厌氧消化的时间为35～40天。

本发明提供了一种秸秆生物炭及其制备方法和在强化污泥产甲烷中的应用。针对现有厌氧消化技术存在可供微生物利用的底物浓度较低；EPS结构复杂，大分子有机物无法直接与水解酶接触，阻碍水解反应的进行；微生物之间的电子传递速率不高，产甲烷效率低下等不足，本发明基于玉米秸秆和芦苇秸秆原料经过高温碳化处理法制备得到的秸秆生物炭(制备流程如图1所示)，利用秸秆生物炭对畜禽粪污废水进行预处理，活化生物炭，充分利用了生物炭具有的优势，同时，生物炭表面还有丰富的含氧活性官能团，能够在厌氧消化过程中的各个阶段作为电子供体或电子受体，直接介导厌氧消化过程中的直接种间电子转移过程，有效促进厌氧消化过程中的电子传递性能，高效充分利用生物炭，操作简单，成本低廉，提供了一种利用生物炭电子传递性能强化厌氧消化产甲烷性能的新方法。

本发明以秸秆生物炭的投加量为2.0g/g VS，对畜禽粪污废水进行预处理，能够使厌氧消化过程甲烷产量提高108.85％，利用秸秆生物炭预处理畜禽粪污废水以促进污泥厌氧消化过程的方法能够明显提升厌氧消化过程的产能，有效利用了畜禽粪污废水，实现了畜禽粪污废弃物资源化利用。

附图说明

图1为本发明利用玉米秸秆制备生物炭的过程示意图。

图2为实施例1各组厌氧消化过程的单位生物量累积甲烷产量图。

具体实施方式

本发明提供了一种秸秆生物炭的制备方法，将初步干化后的秸秆混合物切碎，经烘干，碳化，研磨，得到所述秸秆生物炭。

在本发明中，所述秸秆混合物优选包括玉米秸秆和芦苇秸秆。

在本发明中，所述初步干化的温度优选为10～30℃，进一步优选为25℃。

在本发明中，所述初步干化的时间优选为24～48h，进一步优选为24h。

在本发明中，所述切碎后的秸秆混合物的长度优选为1～5cm，进一步优选为4cm。

在本发明中，所述切碎后的秸秆混合物(主要为玉米秸秆和芦苇秸秆)优选再用去离子水冲洗，完全去除原料表面的灰尘等杂质。

在本发明中，所述烘干的温度优选为100～110℃，进一步优选为105℃。

在本发明中，所述烘干的时间优选为24～48h，进一步优选为24h。

所述烘干后的秸秆混合物的水分含量优选为8％～10％，进一步优选为10％。

在本发明中，所述碳化过程中的升温速度优选为5～10℃/min，进一步优选为10℃/min。

在本发明中，所述碳化时的热解温度优选为500～650℃，进一步优选为600℃。

在本发明中，所述热解温度下的保持时间优选为1～2h，进一步优选为1h。

在本发明中，所述研磨后优选过100～140目筛网，所得筛下物为所述秸秆生物炭，进一步优选过120目筛。

本发明还提供了一种上述制备方法制得的秸秆生物炭。

本发明还提供了一种上述秸秆生物炭在强化污泥产甲烷中的应用，包括如下步骤：

(1)用秸秆生物炭预处理畜禽粪污废水，得到预处理混合体系；

(2)将所述预处理混合体系与厌氧消化污泥混合，进行厌氧消化。

本发明用秸秆生物炭预处理畜禽粪污废水，得到预处理混合体系。

在本发明中，所述秸秆生物炭与所述畜禽粪污废水中VS的质量比优选为(0.5～2.0)：1，进一步优选为2：1。

在本发明中，所述预处理时的转速优选为100～150转/分钟，进一步优选为120转/分钟。

在本发明中，所述预处理的温度优选为30～40℃，进一步优选为35℃。

在本发明中，所述预处理的时间优选为1～24h，进一步优选为6h。

本发明将所述预处理混合体系与厌氧消化污泥混合，进行厌氧消化。

在本发明中，所述畜禽粪污废水中VS与所述厌氧消化污泥中VS的质量比优选为1：(1～2)，进一步优选为1：2。

在本发明中，所述混合后的体系pH优选为6.9～7.1，进一步优选为7.0。

在本发明中，所述厌氧消化时的转速优选为100～150转/分钟，进一步优选为120转/分钟。

在本发明中，所述厌氧消化的温度优选为33～38℃，进一步优选为35℃。

在本发明中，所述厌氧消化的时间优选为35～40天，进一步优选为40天。

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种秸秆生物炭，及其在强化污泥产甲烷中的方法，具体过程如下：

(1)制备秸秆生物炭

收集玉米秸秆和芦苇秸秆混合，作为秸秆混合物原料，用自来水冲洗后，于室温下通风处放置24h，将秸秆混合物进行初步干化。将初步干化后的秸秆混合物切碎处理，平均长度为4cm，再用去离子水冲洗，完全去除原料表面的灰尘等杂质；将秸秆混合物在105℃烘箱中烘干24h，得到含水量为10％的秸秆混合物。

将烘干后的秸秆混合物置于真空管式炉内，设置升温速率为10℃/min，当温度上升至600℃时，在该温度下热解1h。热解过程中持续通入99.999％的高纯度氮气以保证管式炉内的无氧环境，获得玉米秸秆生物炭。用研钵研磨，过120目筛，筛下物为秸秆生物炭。

(2)甲烷生产

向300mL血清瓶内加入86.4mL畜禽粪污废水(畜禽粪污废水中VS为15.824±0.15g/L)，按照秸秆生物炭：畜禽粪污废水中VS＝2:1的质量比，加入步骤(1)制得的秸秆生物炭，将血清瓶摇晃均匀，无需调节pH，将血清瓶放置于35℃、120rpm的恒温摇床内，预处理6h。预处理结束后，得到预处理混合体系。

按照VS(畜禽粪污废水)：VS(厌氧消化污泥)＝1：2的质量比，向预处理混合体系内接种厌氧消化污泥，厌氧消化污泥的VS为19.190±0.043mg/L，并调节体系pH为7.0。

使用99.999％的高纯度氮气对血清瓶反应器进行曝气处理2min，以去除血清瓶内以及顶空的氧气，保持血清瓶内全程厌氧。用丁基橡胶塞和铝盖将血清瓶反应器进行密封，并在瓶口处包裹上封口膜。最后将血清瓶置于35℃、120rpm的恒温摇床内培养。厌氧消化反应器持续运行40天。

上述处理为预处理组。为了验证秸秆生物炭和畜禽粪污废水对污泥产甲烷的强化作用，本实施例还设置了对照组(Control)和非预处理组。

对照组与预处理组的区别在于，不添加秸秆生物炭。其他操作与预处理组相同。

非预处理组与预处理组的区别在于，将秸秆生物炭与畜禽粪污废水混合后，不进行预处理，直接接种厌氧消化污泥。其他操作与预处理组相同。

在整个实验过程中，定期用排水法测定生物气产气量，用气相色谱仪测定生物气内的组成成分，并测定甲烷含量。汇总各组甲烷产量，结果如图2所示。可以看出，与对照组和非预处理组相比，预处理组的单位生物量累积产甲烷量得到了明显的提高。相较于对照组，提升了厌氧消化过程甲烷产量108.85％。这可能是因为生物炭表面丰富的C-OH、C＝C和C＝O含氧官能团，加速了挥发性脂肪酸等物质向甲烷转化。而相比之下，添加相同浓度的秸秆生物炭，但未经过预处理的非预处理组，不仅没有起到提高累积产甲烷量，还抑制了50.91％的厌氧消化累积产甲烷量。表明，利用秸秆生物炭预处理畜禽粪污废水能够明显提升厌氧消化过程的产能效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。