负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法技术

本发明专利技术属于固体废物处理与资源化利用领域，尤其涉及一种负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法。具体包括以下步骤：将负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒与餐厨垃圾充分混合，混合后的物料加入到厌氧消化器，调节pH至中性，进行中温序批式厌氧消化产甲烷。之后可采用磁性分离的方法对负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒进行回收。将负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒应用于餐厨垃圾的厌氧消化生成甲烷的过程，补充了厌氧消化所需微量元素，缓解挥发性脂肪酸的积累，强化产酸菌与产甲烷菌之间的电子传递过程，对厌氧消化有明显改善效果。另外本发明专利技术还包括一种成本低廉的负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒的制备方法。的生物炭颗粒的制备方法。的生物炭颗粒的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法


[0001]本专利技术属于固体废物处理与资源化利用领域，尤其涉及一种负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法。

技术介绍

[0002]餐厨垃圾是城市有机固体废弃物的重要组成部分，其主要来源于家庭厨房、单位食堂及餐饮行业。随着城市生活水平的提高，餐厨垃圾产量不断增加，目前已达到8000万吨以上。餐厨垃圾的主要成分为碳水化合物、脂肪和蛋白质，易于生物降解。厌氧消化技术可以利用厌氧微生物的生化作用将餐厨垃圾转化为沼气(主要成分为甲烷)，能同步实现餐厨垃圾污染控制和资源化利用，回收甲烷能源，具有广阔的发展前景。但是，大量研究表明餐厨垃圾厌氧消化系统长期运行时易发生有机酸累积抑制，工艺稳定性差，限制了该技术的发展和应用。
[0003]生物炭是一种新型的炭材料，可由各种生物质废物在惰性气氛下高温热解产生。生物炭的原料来源十分广泛，包括果壳(椰子壳、花生壳、核桃壳等)、秸秆(小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆)以及木屑(苹果树枝、橡木、松木等)等常见的农林废弃物。农林废弃物通过热化学方法转化为生物炭，不仅实现了农林废物高效处理，而且所制成的生物炭具有比表面积大、孔隙多、表面活性官能团丰富及导电性高的特点，是一种优质的炭材料，在多个领域内有广阔的应用前景，资源化利用潜力巨大。
[0004]目前，生物炭被广泛用作有机固体废弃物厌氧消化工艺的添加剂。一方面，生物炭所具有较大比表面积的多孔结构，能够吸附、固定和富集互营产甲烷微生物，为微生物的生长提供适宜的载体和微环境。另一方面，基于生物炭的导电特性，还可以介导互营细菌和产甲烷菌之间的直接种间电子传递，能大幅提高有机酸互营产甲烷过程中的电子传递速率，强化有机酸降解速度，有效缓解餐厨垃圾厌氧系统有机酸累积抑制，提高甲烷产率。此外，生物炭的碱性高，加入厌氧系统后，还能提高系统的缓冲能力，改善工艺稳定性。
[0005]然而，在实际应用过程中，为达到良好的分散效果，生物炭粒径往往很小以致难以回收，不仅造成了生物炭的浪费，其对环境也有一定污染。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的问题，本专利技术的目的是提供一种负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法。具体包括以下步骤：
[0007]将负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒与餐厨垃圾充分混合，混合后的物料加入到厌氧消化器，调节pH至中性，进行中温序批式厌氧消化产甲烷。
[0008]所述餐厨垃圾在混合之前可以进行预处理，所述预处理的方法为：经过分选去除餐厨垃圾中难以生化降解的部分物质，比如骨头、鱼刺、餐巾纸等，并将分选后的餐厨垃圾打成浆状。
[0009]优选地，在充分混合时，负载纳米Fe3O4的生物炭在餐厨垃圾中的添加浓度为5
‑
15g/L。
[0010]优选地，所述中温序批式厌氧消化的条件为：物料加水稀释至含固率为10
‑
15％，用碱液调节物料pH至中性后不再加碱控制，温度30
‑
40℃，有机负荷10
‑
15gVS/L，接种率(kg VS
餐厨垃圾
/kg VS
接种物
)为1:(1
‑
2)。
[0011]进一步地，在完成厌氧消化后，可以对负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒材料进行回收和循环利用，具体如下：
[0012]厌氧消化产甲烷结束后，对沼渣和沼液进行分离，分离所得固体产品烘干后采用磁性分离对其中负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒进行回收，回收得到的负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒经过清洗、干燥后循环利用。
[0013]所述沼渣和沼液的分离可以采用离心分离的方式，离心速率为1800
‑
3600r/min；分离所得固体产品烘干温度为80
‑
105℃，时间为24
‑
48h。用于负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒回收的磁性分离可采用永磁锟式分离器，分选区场强为1.4
‑
1.5T。
[0014]关于负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒的清洗、干燥和循环利用过程，具体来说，回收得到的负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒的清洗可以采用乙醇和去离子水反复清洗的方式，清洗后颗粒的干燥温度为80
‑
105℃，时间为24
‑
48h，所述回收、循环利用的次数为2
‑
3次。
[0015]负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒的示意图如图1所示，纳米Fe3O4颗粒的粒径小、导电性强，将其加入餐厨垃圾厌氧消化系统中，能够作为纳米导线替代微生物菌毛充介导互营细菌和产甲烷菌之间的直接种间电子传递，强化餐厨垃圾厌氧消化产甲烷。纳米Fe3O4往往由于粒径较小和磁性作用发生聚集，在厌氧消化中效果显著降低，将纳米Fe3O4颗粒负载并分散到多孔载体生物炭的孔隙和表面后，可以避免其团聚。将生物炭与纳米Fe3O4颗粒结合，制成负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒加入餐厨垃圾厌氧消化系统，生物炭则可为互营微生物提供丰富的附着位点和生长的微环境，同时又能以生物炭为导电基材、辅以电子传递效率更高的纳米Fe3O4颗粒为纳米导线来传递电子，达到优势互补的效果。此外，由于纳米Fe3O4颗粒具有磁性，可以利用这一特点，对负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒进行回收和循环利用，进一步提高其经济性和实用性。
[0016]上述方法中，负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒可采用以下制备方法：在去离子水中加入生物炭与聚乙烯亚胺PEI配制成悬浮液，悬浮液经过超声分散后得到生物炭与PEI的均匀混合液，之后将纳米Fe3O4在水中经过超声分散后，加入生物炭与PEI的均匀混合液中，充分搅拌后磁性分离出负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒。
[0017]PEI在制备过程中起到保护剂的作用，可以配合超声分散工艺，促进纳米Fe3O4在生物炭中的均匀分散，同时可以起到一定粘合剂的作用，有效地将纳米Fe3O4附着到生物炭的表面和孔洞中。既实现了生物炭的可回收性，又避免了纳米Fe3O4因磁性发生团聚。相比相比于水热法、化学共沉淀法等向生物炭上负载纳米Fe3O4的方法，本方法工艺简便、条件温和、成本低廉，在餐厨垃圾厌氧消化中同时发挥生物炭和纳米Fe3O4的作用，有利于大批量应用。
[0018]在上述负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒的制备过程中，优选地：生物炭与PEI质量比为(1
‑
2):5，所述悬浮液中生物炭浓度为10
‑
20mg/mL，悬浮液的超声分散时间为1
‑
2h，频率为20
‑
40kHz，功率为3000
‑
4000W；所述纳米Fe3O4粒径为10
‑
20nm，纳米Fe3O4在水中的超声分散时间为10min
‑
1h，频率为20
‑
106kHz；所述搅拌的时间为1
‑
2h，搅拌速度为100
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法，其特征在于，包括以下步骤：将负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒与餐厨垃圾充分混合，混合后的物料加入到厌氧消化器，调节pH至中性，进行中温序批式厌氧消化产甲烷。2.根据权利要求1所述的负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法，其特征在于，厌氧消化产甲烷结束后，对沼渣和沼液进行分离，分离所得固体产品烘干后采用磁性分离对其中负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒进行回收，回收得到的负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒经过清洗、干燥后循环利用。3.根据权利要求1或2所述的负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法，其特征在于，所述负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒的制备方法包括以下步骤：在去离子水中加入生物炭与聚乙烯亚胺PEI配制成悬浮液，悬浮液经过超声分散后得到生物炭与PEI的均匀混合液；将纳米Fe3O4在水中经过超声分散后，加入生物炭与PEI的均匀混合液中，充分搅拌后磁性分离出负载纳米Fe3O4的生物炭颗粒。4.根据权利要求3所述的负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法，其特征在于，所述生物炭的制备方法为：以生物质废弃物作为原料，经过烘干后，破碎、过筛后得到生物质废弃物粉末，在以氮气为气氛的条件下，在500
‑
800℃下进行热解碳化1
‑
2h，冷却后经过洗涤并烘干制得生物炭。5.根据权利要求1或2所述的负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法，其特征在于，所述餐厨垃圾经预处理后再进行混合，所述预处理为经过分选去除餐厨垃圾中难以生化降解的物质，并将分选后的餐厨垃圾打成浆状。6.根据权利要求1或2所述的负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法，其特征在于，所述负载纳米Fe3O4的生物炭在餐厨垃圾中的添加浓度为5
‑
15g/L，所述中温序批式厌氧消化的条件为：物料加水稀释至含固率为10
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15％，用碱液调节物料pH至中性后不再加碱控制，温度30
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40℃，有机负荷10
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15gVS/L，接种率为1:(1
‑
2)。7.根据权利要求2所述的负载纳米Fe3O4的生物炭应用于餐厨垃圾厌氧消化的方法，其特征在于，所述沼渣和沼液的分离采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张万里，孔天岐，李彦龙，邢万丽，李润东，杨天华，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：