一种基于生物炭投加的厌氧膜生物反应器的增效方法

技术领域

本发明涉及废弃物能源回收领域，特别是涉及一种基于生物炭投 加的厌氧膜生物反应器的增效方法。

背景技术

餐厨垃圾是城市有机废弃物的重要组成部分，其碳水化合物、蛋 白质、脂肪和盐类含量相对较高，因此回收利用价值高。采用厌氧发 酵技术可回收利用餐厨垃圾中的有机质，将其转化为可利用的能源物 质，并利用这些能源物质进行产能产电，实现处理过程零能源消耗。 采用厌氧技术处理餐厨垃圾时，由于餐厨垃圾主要成分为易生化降 解的碳水化合物和脂肪类物质，在高负荷条件下，酸化速度过快，造 成有机酸过量积累等问题，抑制厌氧微生物的活性，导致产甲烷效率 降低甚至系统崩溃。

厌氧膜生物反应器(AnMBR)是将厌氧生物处理与膜分离相结 合的高效处理技术。通过厌氧生物的协同作用将废弃物中的有机物转 化为甲烷，实现能源回收。同时膜的截留作用实现水力停留时间(HRT) 与污泥停留时间(SRT)的有效分离，使反应器维持在较高的污泥龄， 实现了在高有机负荷(OLR)条件下系统的稳定运行。但是在利用厌 氧膜生物反应器处理餐厨垃圾时，反应器内总固体(TS)浓度较高， 在过滤抽吸作用下，微生物释放的胞外聚合物，会黏附在膜表面形成 凝胶层，而且大分子、菌胶团、凝胶层等易通过一系列交联作用在膜 表面形成更厚的泥饼层，造成严重的膜污染，使膜通量下降。

发明内容

为了改善厌氧膜生物反应器在高有机负荷条件下处理效率低、 膜组件容易污染、系统稳定性差的问题，本发明提供了一种基于生 物炭投加的厌氧膜生物反应器的增效方法，借助生物炭巨大的比表 面积和多孔结构富集发酵系统中游离的互营菌群，生物炭表面的含 氧官能团可能激发互营产甲烷菌间种间电子直接传递，从而提高厌 氧膜生物反应器处理餐厨垃圾的效率，同时生物炭对大分子的富集 转化作用会削弱了其对膜的污堵潜力，且在曝气的过程中，生物炭 对膜表面的冲刷作用也会降低膜污染速率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于生物炭投加的厌氧膜生物反应器的增效方法，包括以下 步骤；

步骤一，制备核桃壳生物炭；

步骤二，将步骤一制得的核桃壳生物炭投加入启动成功的厌氧膜 生物反应器中，另外一个不投加核桃壳生物炭的反应器作为对照组；

步骤三，运行反应器，反应器在前30d为启动阶段，之后反应器 在HRT为30d时运行一个周期，然后提高有机负荷，使反应器在HRT 为20d运行一个周期，定期测量反应器内的各项指标。

所述步骤一中的核桃壳生物炭用固体废弃物自行制备，固体废弃 物包括木屑、核桃壳、椰壳和剩余污泥。

所述步骤一中核桃壳生物炭通过热解制备：向气氛炉中加入核桃 壳，通入氮气5分钟，然后启动仪器，设置程序，使其在700℃下维 持2h，在此期间持续通入氮气，结束后冷却取出，得到核桃壳生物炭， 将生物炭混匀研磨，依次通过16和10目筛，得到粒径为1-2mm的 核桃壳生物炭，用超纯水清洗数次，然后在105℃烘箱里烘干备用。

所述步骤二中厌氧膜生物反应器的有效体积为1.5L，膜组件采 用的是孔径为0.22μm的浸没式平板膜，膜的有效面积为0.0312㎡， 并设置有气体循环泵进行持续曝气，出水模式采用内循环加间歇出水 的方式(Filtration 1min；Relaxion 3min)。

所述步骤二中向厌氧膜生物反应器投加核桃壳生物炭的浓度为 3g/L，投加方式为一次投加。

所述步骤二中的厌氧膜生物反应器处理的是人工合成的餐厨垃 圾。

所述步骤三中厌氧膜生物反应器运行过程中维持温度在35±1℃。

本发明的有益效果：

生物炭可以利用固废自行制备，可实现固废的有效利用。

厌氧消化系统内产酸细菌的相对丰度高于互营菌群，在处理餐厨 垃圾时，由于水解速率过快，容易出现VFAs积累从而抑制产甲烷菌。 通过利用自制的核桃壳生物炭，投加在厌氧膜生物反应器中，厌氧微 生物会在其表面附着和富集，且生物炭表面的含氧官能团会激发互营 菌群种间电子直接传递，从而提高厌氧消化系统的稳定性，促进厌氧 消化。

厌氧膜生物反应器在处理餐厨垃圾时，反应器内污泥浓度较高， 膜污染速率较高。通过投加生物炭，利用生物炭对游离大分子的吸附 转化作用，降低其对膜的污堵潜力，而且在曝气的过程中，生物炭对 膜表面的冲刷作用也会降低膜污染速率，从而提高膜的寿命，降低运 营费用。

附图说明

图1为厌氧膜生物反应器构造图。

图2为COD的去除率和膜截留率变化图。

图3为蛋白质的去除率和膜截留率变化图。

图4厌氧膜生物反应器跨膜压差变化图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明具体实施方式如下：以人工合成的餐厨垃圾作为基质，添 加在厌氧膜生物反应器中，当厌氧膜生物反应器的气组和气量达到理 论值，即认为反应器启动成功，然后向其中的一个反应器投加生物炭， 在运行过程中，定期测量反应器的产气量和气体组分，每周两到三次 取样测出水和污泥的COD、多糖、蛋白含量，同时实时记录跨膜压差 的变化来监测膜污染情况，具体步骤如下。

(1)制备核桃壳生物炭：取一定量的核桃壳放置在气氛炉中， 通入氮气5分钟以排除炉内的氧气，然后开机设置程序，使其在700℃ 下维持2h，在此期间持续通入氮气，结束后待温度降到200℃关闭氮 气阀门，打开气氛炉，使其温度降至100℃，然后关闭电源，待其冷 却至室温取出。将制得的生物炭用超纯水重复清洗数次，然后放置在 105℃烘箱里干燥备用。

(2)厌氧膜生物反应器的启动：反应器有效体积为1.5L，采用 水浴恒温器维持温度在35℃左右，每天进基质8次(基质参数见下 表)，基质为人工合成的餐厨垃圾。膜组件采用材料为PVDF的浸没 式平板膜，孔径为0.22μm，有效面积为0.0312㎡。每天测量反应器 产气量、气体组分和VFAs浓度。反应器产气量和气体组分达到理论 值，即认为反应器启动成功。待反应器启动成功后，向其中一个反应 器中投加浓度为3g/L的生物炭，另外一个反应器作为对照组。

表一基质的参数指标

(3)厌氧膜生物反应器的运行：反应器在HRT为30d时运行 一个周期，提高反应器的有机负荷率，使反应器在HRT为20d运行 一个周期。反应器设有气体循环泵进行连续曝气，有两个目的，其 一是搅拌反应器使反应器内传质均匀，另一方面曝气产生纵向剪切 力对膜表面进行清洁。反应器顶部直接连接气体流量计，测量每天 的产气量，同时测量收集到气体的组分。出水采用内循环加间歇出 水的方式(Filtration 1min；Relaxion 3min)，同时设有压力传感器在 线实时记录跨膜压差(TMP)。运行过程中SRT为90d，每3d排泥 50ml用于测样。每周进行两次测定出水和污泥的COD、蛋白质和 多糖的浓度，对反应器的情况进行监控。

本发明通过自制生物炭，投加在启动成功的厌氧膜生物反应器 中，利用生物炭的巨大比表面积，使微生物进行附着和富集，同时 生物炭表面的含氧官能团可能激发互营菌群种间电子直接传递，促 进厌氧消化，提高能源回收效率。利用生物炭对游离大分子的吸附 转化作用，降低其对膜的污堵潜力，而且在曝气的过程中，生物炭 对膜表面的冲刷作用也会降低膜污染速率。本发明的优点主要体现 在：①生物炭可以利用固废自行制备，实现资源的有效利用；②生 物炭能够提高厌氧膜生物反应器对有机物的去除和截留作用；③生物炭能够降低厌氧膜生物反应器膜污染速率，降低反应器运行成 本。

本发明中生物炭作为一种外源介导物质，投加在反应器内，其巨 大的比表面积和多孔结构能富集发酵系统中游离的互营菌群，其表面 的含氧官能团可能激发互营产甲烷菌间种间电子直接传递，从而促进 厌氧发酵。同时生物炭游离对大分子的富集转化作用会削弱了其对膜 的污堵潜力，且在曝气的过程中，生物炭对膜表面的冲刷作用也会降 低膜污染速率。

本发明提供一种基于生物炭投加的厌氧膜生物反应器的增效方 法，对厌氧膜生物反应器处理餐厨垃圾技术的开发和应用提供经验和 依据。

如图2-图4所示：实验结果发现，当反应器的HRT从30d降低 到20d时，空白组反应器对COD、蛋白质的截留率分别降低至 66.33％、47.12％，而加炭组反应器为80.23％、65.21％，另外观察 出水指标发现，加炭组出水中COD、蛋白质的浓度都明显低于空白 组，这表明添加生物炭能够提高厌氧膜生物反应器对有机物的截留 作用对。这可能是厌氧微生物在生物炭表面附着和富集，提高了有 机物的传质效率，而且生物炭和微生物的聚合体也更容易捕获系统 中游离的小分子物质，同时生物炭表面的含氧官能团可能会激发互 营菌群种间电子直接传递，促进有机物的厌氧转化，从而促进厌氧 膜生物反应器对有机物去除和截留作用。

通过观察厌氧膜生物反应器的跨膜压差变化，能够发现无论是在 HRT为30d或者20d，加炭组跨膜压差明显低于空白组，这表明投加 生物炭可以降低膜污染速率。这是利用生物炭对游离大分子的吸附转 化作用，降低其对膜的污堵潜力，而且在曝气的过程中，生物炭对膜 表面的冲刷作用也会降低膜污染速率。