[发明专利]一种基于中空纤维膜回收氨以提高禽畜粪便厌氧消化产甲烷的方法

说明书

本发明公开了一种基于中空纤维膜回收氨以提高禽畜粪便厌氧消化产甲烷的方法，包括：S1：禽畜粪便前处理；S2：在反应器瓶中，控制总固体含量及初始pH值；在反应器瓶中通入氮气，保证其在厌氧条件下孵育，将孵育后的禽畜粪便过滤，分为消化液与固态粪便；S3：将NaOH溶液加入消化液pH值调节至10后，置于45℃恒温水浴中，并通过蠕动泵将所述消化液泵入中空纤维膜的壳侧，将反萃取液泵入中空纤维膜的腔侧，进行氨氮回收；S4：将消化液与固态粪便混合置于厌氧瓶中，接种厌氧消化污泥置于摇床中孵育产生甲烷。本发明解决了禽畜粪便厌氧消化过程中的氨抑制问题，提高了沼气产量的同时有效回收了优质氮。

技术领域

本发明创造属于粪便生物处理领域，主要涉及一种基于中空纤维膜回收氨以提高禽畜粪便厌氧消化产甲烷的方法。

背景技术

源自禽畜粪便的生物能源是具有与石油竞争的可再生能源之一。随着人口的快速增长，对动物产品的需求不断增加，导致畜牧业的迅速扩张。据联合国粮食及农业组织统计，2000年至2030年，南亚、东欧和中亚、中东和北非以及东亚和太平洋地区的畜牧业产量预计将分别增长271％、116％、97％和91％。中国是全球最大的牧畜生产国，每年生产20亿吨畜禽粪便。因此，需要对禽畜粪便进行有效的处理。

厌氧消化是共识作为处理禽畜粪便的主要方法之一，因为它可以实现禽畜粪便废物的减量化、同时产生能源甲烷并减少污染物排放(气味、温室气体和动物病原体等)。禽畜粪便含有大量已被生物降解的有机物，是厌氧消化良好的底物。厌氧消化可根据总固体含量分别大于15％、10％-15％或小于10％分为固态、半固态或湿式。通常，湿式厌氧消化由于易于操作和维护、污泥产量低和甲烷产量高而被用于实验室和工业规模操作。然而，湿式厌氧消化在出水管理上存在成本高的障碍，占运行成本的30％以上。为控制成本，在过去的十年中，高固体含量原料的厌氧消化受到关注。高固厌氧消化具有有机负荷率高、维持温度所需的能量低、反应器体积小、甲烷产量高和流出物管理成本低等优势。

然而，畜禽粪便高固厌氧消化存在养分不平衡问题，即C/N比低，氮含量高。禽畜粪便中大约90％的总有机氮转化为游离氨(NH₃)和铵(NH⁴⁺)。铵通常是无害的，而氨进入微生物细胞通过改变细胞内pH值、扰乱细胞稳态进而抑制微生物产甲烷酶的活性，这也是影响厌氧消化过程的主要原因。禽畜粪便与不同原料共同消化可以提供均衡的养分，可以提高共发酵底物C/N比，具有成本效益并提高固态厌氧消化性能。然而，共发酵C/N比在连续运行的厌氧生物反应器中是很难控制的。此外，尽管共发酵降低了C/N比，但系统中高浓度的氨可能会导致导致挥发性脂肪酸积累，进而将导致整个消化器运行中断。因此去除禽畜粪便中的氨对于提高厌氧消化性能至关重要。过去，人们更多地是在能量回收的角度通过生物、物理、物理化学和化学过程去除氨。然而，当前的回收方式成本高，回收的氨也无法直接再利用。

发明内容

本发明创造的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提出了一种基于中空纤维膜回收氨以提高禽畜粪便厌氧消化产甲烷的方法。

本发明创造的目的是这样实现的，一种基于中空纤维膜回收氨以提高禽畜粪便厌氧消化产甲烷的方法包含如下步骤：

S1：禽畜粪便前处理：将禽畜粪便中不可生物降解的成分剔除，用研磨机将禽畜粪便粉碎；

S2：短期干式厌氧预水解：将S1中所述粉碎后的禽畜粪便置于反应器瓶中，控制总固体含量及初始pH值；在反应器瓶中通入氮气，保证其在厌氧条件下于孵育摇床中以120rpm的速度孵育5天，将孵育后的禽畜粪便过滤，分为消化液与固态粪便；

S3：氨氮回收：将NaOH溶液加入步骤S2所述的消化液pH值调节至10后，将所述消化液置于液体瓶中，所述液体瓶置于45℃恒温水浴中，并通过蠕动泵将所述消化液泵入中空纤维膜的壳侧，将反萃取液泵入中空纤维膜的腔侧，进行氨氮回收；