一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法及系统

1.本发明属于厌氧消化水解技术领域，尤其涉及一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法及系统。


背景技术：

2.厌氧消化(anaerobic digestion,ad)是一种微生物介导的成熟技术，其不但能解决废物无害化处理等问题，还可产生富含甲烷的沼气。但是ad是以微生物为主体的多相、多阶段的生化过程，每个阶段有各自独特的微生物，这些微生物有各自的营养需求、环境要求且对环境压力的敏感性各不相同，然而它们却共存于混合基质中进行串联有序的代谢反应，上一个代谢群组的代谢产物往往是下一个群组的底物。所以导致ad过程对扰动非常敏感，任何一个环节的失稳，都会导致整个过程的崩溃。例如
①
缓慢的水解速率，特别是对于复杂的底物(如木质纤维素等)；
②
从可快速生物降解的底物中产生挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,vfa)(如食物垃圾)；
③
产生抑制性产物，如氨和硫化氢；
④
系统稳定性差对环境因素变化的高度敏感性。这些缺点中的一些可以通过采用各种预处理或添加剂来解决。然而，因其工艺复杂、高能量和化学品高需求，加上二次污染物的产生等因素导致在实际应用中较少且工业规模上成本高昂。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：工艺复杂、高能量和化学品高需求，产生二次污染物且工业规模上成本高昂。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法及系统。
5.本发明是这样实现的，一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，包括：制备纳米气泡水(nanobubble water,nbw)；将纳米气泡水与牛粪混合装瓶；选择适宜的nbw类型再进行ad过程。
6.进一步，强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法包括以下步骤：
7.步骤一，纳米气泡水的制备方法：通过纳米气泡发生器分别引入air、co2、n2和he气体，将容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中20分钟；
8.步骤二，将制备好的不同类型纳米气泡水与牛粪进行1:1混合装瓶，用消化反应专用盖密封；
9.步骤三，选择改善效果较好且经济实用的nbw类型再进行ad过程。
10.进一步，步骤一中通过纳米气泡发生器的温度为20
±
2℃。
11.进一步，步骤一中在制备nbw期间，压力控制在0.4mpa～0.5mpa。
12.进一步，步骤二中厌氧发酵瓶类型分别为co
2-nbw、he-nbw、n
2-nbw、air-nbw以及空白对照组dw。
13.进一步，步骤二中消化反应专用盖上有两个小孔(内径6毫米)，硅胶管(内径6毫
米)将一个孔与气袋相连，用于沼气取样，另一个孔中使用蠕动泵收集消化样本。
14.进一步，步骤二中分别在高温(55
±
1℃)和中温(37
±
1℃)的条件下进行ad过程。
15.进一步，步骤三中选择air-nbw类型。
16.进一步，步骤三中将air-nbw与牛粪分别进行1:1、2:1及4:1混合装瓶，并设置相对应的三组空白对照dw:cm＝1:1、2:1、4:1，分别在高温(55
±
1℃)和中温(37
±
1℃)的条件下进行ad过程。
17.本发明的另一目的在于提供一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法在强化牛粪厌氧消化水解和提高甲烷产量的应用。
18.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
19.第一，针对现有工艺复杂、高能量、化学品高需求和二次污染物的产生等问题，本发明提供了一种利用nbs技术对有机固废ad性能进行改善的方法，该方法首先通过纳米气泡发生器分别引入air、co2、n2和he气体，将容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中制备不同类型的纳米气泡水；将制备好的不同类型纳米气泡水与牛粪进行1:1混合装瓶，用消化反应专用盖密封；选择改善效果较好且经济实用的nbw类型再进行ad过程。
20.第二，本发明利用nbs对ad系统进行改进，技术优点如下：
21.①
促进水解速率：nbs可以提高水解酶(如碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、α-葡萄糖苷酶)的活性从而促进水解速率。此外，水解速率和水迁移率之间呈正相关，而nbs可以干扰水的氢键网络，从而增加水的迁移率。
22.②
增强稳定性：nbs技术可以缓解ad系统中的酸抑制和氨抑制，使ad系统更稳定。如空气纳米气泡水(air-nanobubble water,air-nbw)可以为电子传递系统的更高效率创造微需氧环境，从而通过增强兼性细菌活性来减少挥发性脂肪酸，从而缓解酸抑制；同时其具有更高的流动性和ζ电位(绝对值)来缓解氨抑制。
23.③
提高甲烷产量：辅酶f
420
是氢营养甲烷生成中的必需氢化物载体，它的活性高低影响着甲烷的产量。而nbs技术可以提高辅酶f
420
的活性从而提高甲烷产量。
24.④
nbs技术工艺简单，无化学品添加，成本低廉，绿色环保,和ad高度适配。
25.第三，本发明的主要的每个步骤所取得的显著的技术进步如下：
26.步骤一：纳米气泡水的制备方法
27.该步骤中，明确了通过纳米气泡发生器分别引入air、co2、n2和he气体，并将容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中20分钟的方法，可以使得纳米气泡水的制备更加规范化、标准化。
28.步骤二：将制备好的不同类型纳米气泡水与牛粪进行1:1混合装瓶，用消化反应专用盖密封
29.该步骤中，明确了混合装瓶的比例为1:1，并用消化反应专用盖密封，可以避免其他空气成分进入反应体系，从而保证了反应的准确性和稳定性。
30.步骤三：选择改善效果较好且经济实用的nbw类型再进行ad过程
31.该步骤中，提出了“选择改善效果较好且经济实用的nbw类型再进行ad过程”的具体实现方案，可以根据实际情况选择适合的nbw类型进行ad过程，从而提高了方法的适用性和实用性。
32.综上所述，每个步骤都进一步明确了实施方法和操作步骤，从而提高了方法的稳定性、可靠性和实用性，具有更高的技术进步。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明实施例提供的强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法流程图；
35.图2是本发明实施例提供的纳米气泡水的制备机理图；
36.图3是本发明实施例提供的厌氧消化的容器
‑‑
厌氧发酵瓶图；
37.图4是本发明实施例提供的高温和中温条件下厌氧消化过程中ph、ta、tvfa/ta的变化图；
38.图5是本发明实施例提供的高温和中温条件下厌氧消化过程中scod、tan、fan的变化图；
39.图6是本发明实施例提供的高温和中温条件下厌氧消化过程中累计甲烷产率和每天产甲烷速率的变化图。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
41.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
42.如图1所示，本发明实施例提供的强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，包括以下步骤：
43.s101，制备纳米气泡水；
44.s102，将纳米气泡水与牛粪混合装瓶；
45.s103，选择适宜的nbw类型再进行ad过程。
46.作为优选实施例，本发明实施例提供的强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，具体包括以下步骤：
47.步骤1，纳米气泡水的制备方法：通过纳米气泡发生器分别引入air、co2、n2和he气体，将容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中20分钟(如图2)；
48.步骤2，将制备好的不同类型纳米气泡水与牛粪进行1:1混合装瓶，用消化反应专用盖密封；
49.步骤3，选择改善效果较好且经济实用的nbw类型再进行ad过程。
50.进一步，步骤1中通过纳米气泡发生器的温度为20
±
2℃。
51.进一步，步骤1中在制备nbw期间，压力控制在0.4mpa～0.5mpa。
52.进一步，步骤2中厌氧发酵瓶类型分别为co
2-nbw、he-nbw、n
2-nbw、air-nbw以及空
白对照组dw。
53.进一步，步骤2中消化反应专用盖上有两个小孔(内径6毫米)，硅胶管(内径6毫米)将一个孔与气袋相连，用于沼气取样，另一个孔中使用蠕动泵收集消化样本(如图3)。
54.进一步，步骤2中分别在高温(55
±
1℃)和中温(37
±
1℃)的条件下进行ad过程。
55.进一步，步骤3中选择air-nbw类型。
56.进一步，步骤3中将air-nbw与牛粪分别进行1:1、2:1及4:1混合装瓶，并设置相对应的三组空白对照dw:cm＝1:1、2:1、4:1，分别在高温(55
±
1℃)和中温(37
±
1℃)的条件下进行ad过程。
57.本发明的应用实施例提供了一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法在牛粪厌氧消化水解和产甲烷的应用。
58.本发明将总固体(total solids,ts)、挥发性固体(volatile solids,vs)、气体体积、甲烷产率、微量元素(c、n、h、s)、溶解性化学需氧量(soluble chemical oxygen demand,scod)、ph、vfa、总氨氮(total ammonia nitrogen,tan)、游离氨(free ammonia nitrogen,fan)、总碱度(total alkalinity,ta)和微生物群落分析作为测试指标，在第0、5、12、22、35、50天分别进行取样。
59.ph值是ad的一个重要指标，在高温条件下，ad过程中每组消化液的ph稳定在8.06～8.45之间；在中温条件下，每组消化液的ph稳定在7.55～8之间。ta与缓冲能力密切相关，在ad系统中是由含氮有机物脱氨形成的氨氮提供的，高温组的ta大约为8958.55～11883.87mg caco3l-1
；中温组的ta大约为9672.06～12481.8mg caco3l-1
(图4)。
60.tvfa/ta是ad稳定性的良好指标。本发明高温条件下，各组第5天的tvfa/ta分别为dw组0.78、co2组0.38、n2组0.75、he组0.62、air组0.52；中温条件下，各组第5天的tvfa/ta分别为dw组0.72、co2组0.63、n2组0.83、he组0.51、air组0.34。表明air组厌氧消化的稳定性最好(图4)。
61.scod是代表消化物溶解还原物质的重要指标。高温条件下各组第5天的scod分别为dw组18112.99mg l-1
、co2组16978.49mg l-1
、n2组18179.76mg l-1
、he组22178.28mg l-1
、air组24163.66mg l-1
；中温条件下各组的scod分别为dw组24640.86mg l-1
、co2组24829.94mg l-1
、n2组23922.34mg l-1
、he组25132.48mg l-1
、air组25208.11mg l-1
(图5)。air组厌氧消化有机质的效果最理想。
62.高温条件下各组tan在1219～1633.33mg l-1
之间，各组fan在353.04～419.47mg l-1
之间；中温条件下各组tan在1132.16～1606.66mg l-1
之间，各组fan在50.62～167.62mg l-1
之间(图5)，表明中温组产甲烷菌并不受fan的影响。
63.在高温条件下ad过程中各组的累计甲烷产率分别为dw组192.90ml g-1
vs
added
、co2组226.12ml g-1
vs
added
(与dw组相比增加了17.22％)、n2组198.98ml g-1
vs
added
(与dw组相比增加了3.15％)、he组184.74ml g-1
vs
added
、air组227.09ml g-1
vs
added
(与dw组相比增加了17.72％)；在中温条件下各组的累计甲烷产率分别为dw组148.05ml g-1
vs
added
、co2组151.20ml g-1
vs
added
(与dw组相比增加了2.12％)、n2组140.37ml g-1
vs
added
、he组154.85ml g-1
vs
added
(与dw组相比增加了4.59％)、air组162.39ml g-1
vs
added
(与dw组相比增加了9.68％)(图6)。air组对ad过程的改善效果最好，各组产甲烷速率的变化趋势基本一致，都是先增加后降低，最后趋于平缓。
64.以下是本发明提供的每个实施例的具体方案：
65.1.养殖业废弃物处理方案：
66.步骤一：使用纳米气泡发生器制备纳米气泡水，具体步骤为：分别引入air、co2、n2和he气体，在容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中20分钟。
67.步骤二：将制备好的纳米气泡水与养殖业废弃物按1:1比例混合，放入消化反应专用盖密封的容器中。
68.步骤三：选择适宜的nbw类型进行ad过程，具体可根据处理对象特点和实际需求选择合适的nbw类型。
69.2.城市污泥处理方案：
70.步骤一：使用纳米气泡发生器制备纳米气泡水，具体步骤为：分别引入air、co2、n2和he气体，在容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中20分钟。
71.步骤二：将制备好的纳米气泡水与城市污泥按1:1比例混合，放入消化反应专用盖密封的容器中。
72.步骤三：选择适宜的nbw类型进行ad过程，具体可根据处理对象特点和实际需求选择合适的nbw类型。
73.3.农业废弃物处理方案：
74.步骤一：使用纳米气泡发生器制备纳米气泡水，具体步骤为：分别引入air、co2、n2和he气体，在容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中20分钟。
75.步骤二：将制备好的纳米气泡水与农业废弃物按1:1比例混合，放入消化反应专用盖密封的容器中。
76.步骤三：选择适宜的nbw类型进行ad过程，具体可根据处理对象特点和实际需求选择合适的nbw类型。
77.4.厨余垃圾处理方案：
78.步骤一：使用纳米气泡发生器制备纳米气泡水，具体步骤为：分别引入air、co2、n2和he气体，在容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中20分钟。
79.步骤二：将制备好的纳米气泡水与厨余垃圾按1:1比例混合，放入消化反应专用盖密封的容器中。
80.步骤三：选择适宜的nbw类型进行ad过程，具体可根据处理对象特点和实际需求选择合适的nbw类型。
81.5.生物质能源处理方案：
82.步骤一：使用纳米气泡发生器制备纳米气泡水，具体步骤为：分别引入air、co2、n2和he气体，在容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中20分钟。
83.步骤二：将制备好的纳米气泡水与生物质能源按1:1比例混合，放入消化反应专用盖密封的容器中。
84.步骤三：选择适宜的nbw类型进行ad过程，具体可根据处理对象特点和实际需求选择合适的nbw类型。
85.6.污水处理方案：
86.步骤一：使用纳米气泡发生器制备纳米气泡水，具体步骤为：分别引入air、co2、n2和he气体，在容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中20分钟。
87.步骤二：将制备好的纳米气泡水与污水按1:1比例混合，放入消化反应专用盖密封的容器中。
88.步骤三：选择适宜的nbw类型进行ad过程，具体可根据处理对象特点和实际需求选择合适的nbw类型。
89.这些具体方案的实施都需要注意消化反应的控制温度、控制ph值、控制cod的浓度等参数，以保证ad反应的有效性和高效性。同时，对于不同的废弃物处理对象，需结合实际情况选择不同的nbw类型，从而提高ad过程的效率和产气量。
90.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，其特征在于，包括：制备纳米气泡水；将纳米气泡水与牛粪混合装瓶；选择适宜的nbw类型再进行ad过程。2.如权利要求1所述的强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，其特征在于，强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法包括以下步骤：步骤一，纳米气泡水的制备方法：通过纳米气泡发生器分别引入air、co2、n2和he气体，将容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中20分钟；步骤二，将制备好的不同类型纳米气泡水与牛粪进行1:1混合装瓶，用消化反应专用盖密封；步骤三，选择改善效果较好且经济实用的nbw类型再进行ad过程。3.如权利要求2所述的强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，其特征在于，步骤一中通过纳米气泡发生器的温度为20
±
2℃；步骤一中在制备nbw期间，压力控制在0.4mpa～0.5mpa。4.如权利要求2所述的强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，其特征在于，步骤二中厌氧发酵瓶类型分别为co
2-nbw、he-nbw、n
2-nbw、air-nbw以及空白对照组dw。5.如权利要求2所述的强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，其特征在于，步骤二中消化反应专用盖上有两个小孔，硅胶管将一个孔与气袋相连，用于沼气取样，另一个孔中使用蠕动泵收集消化样本。6.如权利要求2所述的强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，其特征在于，步骤二中分别在高温(55
±
1℃)和中温(37
±
1℃)的条件下进行ad过程。7.如权利要求2所述的强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，其特征在于，步骤三中选择air-nbw类型。8.如权利要求2所述的强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法，其特征在于，步骤三中将air-nbw与牛粪分别进行1:1、2:1及4:1混合装瓶，并设置相对应的三组空白对照dw:cm＝1:1、2:1、4:1，分别在高温(55
±
1℃)和中温(37
±
1℃)的条件下进行ad过程。9.一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的系统，其特征在于，包括：纳米气泡水制备模块：通过纳米气泡发生器制备纳米气泡水；该发生器引入air、co2、n2和he气体，并将容器中的蒸馏水循环到发生器循环系统中，保持循环20分钟，从而制备纳米气泡水；牛粪与纳米气泡水混合模块：将制备好的纳米气泡水与牛粪按照1:1的比例进行混合，并装瓶封闭，使用消化反应专用盖密封；nbw类型选择模块：根据需要，选择适宜的nbw类型来进一步加强牛粪厌氧消化水解和产甲烷的过程；在该模块中，可以根据改善效果和经济实用性等因素选择合适的nbw类型。10.如权利要求1～8任意一项所述的一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法在强化牛粪厌氧消化水解和提供甲烷产量的应用。

技术总结
本发明属于厌氧消化水解技术领域，公开了一种强化牛粪厌氧消化水解和产甲烷的方法及系统，该方法首先通过纳米气泡发生器分别引入Air、CO2、N2和He气体，将容器中的蒸馏水再循环到发生器循环系统中制备不同类型的纳米气泡水；将制备好的不同类型纳米气泡水与牛粪进行1:1混合装瓶，用消化反应专用盖密封；选择改善效果较好且经济实用的NBW类型再进行AD过程。本发明NBs对AD系统进行改进，促进水解速率、增强稳定性、提高甲烷产量。提高甲烷产量。提高甲烷产量。


技术研发人员：王天烽 许梓莹 吴若愚 蒲佳佳 王杰 张庆芳 周友飞
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/9/19