一种有机固体废弃物厌氧发酵方法

技术领域

本发明涉及厌氧发酵技术领域，具体涉及一种有机固体废弃物厌氧发酵方法。

背景技术

我国目前有机固体废弃物主要包括生活源(城市污泥、生活垃圾、园林垃圾 等)、农业源(农业秸秆、地膜、畜禽粪便等)与工业源(油泥、药渣、菌渣等) 三类，年产量超过60亿吨，占固体废物总产生量的60％以上，但科学合理的管 理与安全处理技术体系尚未形成。有机固体废弃物具有典型的污染属性，成分复 杂且有害介质多，占地堆存与周边环境形成多相复合型交叉污染。因此，对有机 固体废弃物进行合理、科学的处理，是实现其无害化处置的必要措施。

鉴于有机固体废弃物较高的有机质含量，具有易腐败的特性，厌氧消化技术 在有机固体废弃物的处理中具有明显优势。厌氧消化不仅能实现有机固体废弃物 的减量化，还可以生产生物沼气当作能源，兼具能源、环保和生态三方面的收益。 有机质可以在厌氧条件下通过厌氧微生物的作用获得具有较高价值的清洁能源 物质——甲烷。甲烷有较高的燃烧热值(802.3kJ/mol)，是理想的能源物质。然 而，由于有机固体废弃物大部分属于难生物降解的物质，厌氧消化停留时间长， 一般在20～30天的停留时间下才能达到中等程度的降解约30～50％。有机固体废 弃物在消化系统内的停留时间过长，造成池体体积庞大，操作管理复杂。目前国 内外诸多学者提出用预处理的方法促进有机固体废弃物的厌氧发酵，如投加酸碱、 热处理、微波处理等，但由于这类方法一般都成本高、能耗大，因此难以得到有 效推广，人们仍在寻找更廉价、更易于推广的污泥厌氧发酵促进方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种有机固体废弃物厌氧发酵方法，通过 有机固体废弃物厌氧发酵过程中加入锆金属有机骨架材料作为催化剂，促进有机 固体废弃物的液化和分解过程，同时促进产甲烷活性，加大产甲烷量与产气速率。

本发明提供一种有机固体废弃物厌氧发酵方法，有机固体废弃物厌氧发酵过 程中加入锆金属有机骨架材料作为催化剂。

进一步地，所述锆金属有机骨架材料为MOF-808(Zr)；所述有机固体废弃 物为湿垃圾、污水厂污泥、农业秸秆和菌渣中的一种或多种混合物。

MOF-808(Zr)是一种以金属六锆簇作为次级结构单元，以均苯三甲酸为有 机配体，通过桥连作用形成超四面体，再与有机配体连接向三维空间不断延伸， 最终形成具有两种不同孔笼的MTN拓扑结构，金属氧簇或有机配体作为结构中 的高活性位点，其在中性环境(厌氧发酵过程为中性或微碱性环境)中也具有高 的催化活性，MOF-808(Zr)材料的多孔性及巨大的比表面积有助于反应物扩散 到其中的活性位点进行催化反应并有利于产物快速排出，催化加速厌氧消化的生 物反应过程，促进有机固体废弃物的液化和分解过程，同时促进产甲烷活性，加 大产甲烷量与产气速率。

进一步地，所述锆金属有机骨架材料的加入形式为粉末状在体系内的混合、 利用二次晶种法在反应内壁生长MOF-808薄膜或以压模成型材料形式在系统内 应用。

进一步地，具体包括以下步骤：将有机固体废弃物、厌氧微生物和锆金属有 机骨架材料混合均匀后得混合物，混合物置于厌氧发酵罐中密闭厌氧发酵收集发 酵过程产生的沼气。

进一步地，有机固体废弃物与厌氧微生物按照有机质含量1:2～2:1的质量比 添加；所述锆金属有机骨架材料的添加量为0.5g/L；混合物中有机固体废弃物、 厌氧微生物和锆金属有机骨架材料的混合物料含固率低于10％。

进一步地，所述厌氧微生物来自于厌氧发酵罐排出的沼渣。

进一步地，厌氧发酵罐初次启动时，取污水处理厂厌氧发酵罐出泥或动物瘤 胃液作为厌氧微生物。

进一步地，厌氧发酵时间30天，厌氧发酵温度37-55℃；厌氧发酵过程中搅 拌，搅拌速率80rpm。

进一步地，厌氧发酵结束后所得的厌氧消化后混料进行泥水分离，所得沼渣 用于下一批次发酵的接种微生物。

进一步地，所述泥水分离为静置12小时、离心脱水或板框压滤，

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过在厌氧发酵过程中引入锆金属有机骨架材料，提高厌氧发酵效率 以及甲烷产量，有利于加速有机固体废弃物经过厌氧发酵的减量，发酵后的沼渣 含有大量的氮磷元素和其他微量元素，可用于资源回收或当作肥料应用于农业生 产过程。本发明方法的运维成本低，技术操作简单，处理能力强，可以应用于新 建的有机固体废弃物厌氧发酵设备或现有设备的升级改造。

本发明的处理对象为有机固体废弃物，经厌氧资源化处理后，产物有气液固 三种，沼气沼液沼渣，沼气是清洁能源，沼液沼渣是肥料。通过在发酵过程中添 加锆金属有机骨架材料使沼气产量更多，产气效率提升。

附图说明

图1为本发明实施例1利用锆金属有机骨架材料催化有机固体废弃物厌氧发 酵的结构示意图；

图中1—调配池，2—调配池搅拌系统，3—输送泵，4—管道，5—进料口， 6—厌氧发酵罐，7—发酵罐搅拌系统，8—出气口，9—排泥口。

图2为本发明实施例1利用锆金属有机骨架材料催化有机固体废弃物厌氧发 酵和对比例1中无外源添加时的净累计沼气产量对比图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明 的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本 发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和 下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述 值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小 范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的 常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但 是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材 料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关 的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式 做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书 得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅 是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性 的用语，即意指包含但不限于。

实施例1

如图1所示，为本实施例利用锆金属有机骨架材料催化有机固体废弃物厌氧 发酵的结构示意图，图中1—调配池，2—调配池搅拌系统，3—输送泵，4—管 道，5—进料口，6—厌氧发酵罐，7—发酵罐搅拌系统，8—出气口，9—排泥口。

具体步骤如下：

(1)MOF-808(Zr)的合成：分别称取均苯三甲酸和四水氯化锆溶于盛有 N,N-二甲基酰胺/甲酸(体积比1:1)烧瓶中，搅拌1h，随后将所得混合溶液在 400KW条件下微波处理20min，待反应结束后，冷却至室温，所得固体经抽滤， 洗涤，干燥，研磨得到MOF-808(Zr)粉末；其中均苯三甲酸和四水氯化锆的 摩尔比为1：2。

所得的MOF-808(Zr)化学式为Zr

(2)厌氧发酵：将待处理的有机固体废弃物(湿垃圾)与厌氧微生物(污 水处理厂厌氧发酵罐出泥)按照有机质含量1:2的比例添加到调配池1中，按照 混合体系内0.5g/L的浓度加入MOF-808(Zr)粉末，开启搅拌电机2进行搅拌， 使待处理的有机固体废弃物与MOF-808(Zr)、厌氧微生物混合均匀，加水调节 调配池内含固率低于10％得混合液。开启输送泵3，将获得的混合液通过管道4 经进料口5注入厌氧发酵罐6中，密闭发酵罐，进行厌氧发酵，发酵时间为30 天，发酵温度为50-55℃，发酵罐顶部装有搅拌系统7，搅拌速率为80rpm，使发酵罐内有机固体废弃物、厌氧微生物及MOF-808(Zr)充分混合，发酵罐上 部设用于收集沼气的出气口8，同时检测厌氧发酵过程中的沼气。

(3)发酵结束后，停止搅拌，消化后混料通过排泥口9排出，静置12小时 泥水分离，剩余沼渣留作下一批次发酵的接种微生物。

对比例1

同实施例1，区别在于厌氧发酵过程不加入MOF-808(Zr)粉末。

实施例1利用锆金属有机骨架材料催化有机固体废弃物厌氧发酵和对比例1 中无外源添加时的净累计沼气产量对比图见图2。

由图2可以明显得出，在厌氧发酵过程中加入0.5g/L的锆金属有机骨架材 料后厌氧发酵700h时净累计沼气产量为442.47mL(g·VS)，消化结束时顶空甲 烷含量57.77±5.67；无外源添加情况下700h时净累计沼气产量为 316.35mL(g·VS)，消化结束时顶空甲烷含量50.06±6.28。因此，锆金属有机骨 架材料可以显著提高厌氧发酵效率，提高沼气产量。锆金属有机骨架材料是一种 替代生物酶的理想催化剂且具有生物相容性，选择的锆金属有机骨架材料 MOF-808(Zr)是一种难得的在中性环境也有高催化活性的MOFs类物质，MOF-808(Zr)材料在系统内催化加速厌氧消化的生物反应过程，能促进有机固 体废弃物的液化和分解过程，同时促进产甲烷活性，加大产甲烷量与产气速率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范 围之内。