专利名称：一种分区接种快速启动易酸败垃圾沼气利用的方法以甲烷为最终产物的厌氧消化，是实现垃圾处理和资源化的重要技术。不仅从中能获得清洁可再生能源，且其技术过程较为成熟，已有相当规模的工业化应用，具有广泛的应用前景。但在实际工程中存在反应器容积利用率低、消化过程不稳定等问题。如何控制消化过程的工艺稳定性，提高消化效率是目前该技术发展的主要方向。厌氧消化是指构成固体废物的各类有机物在缺氧或无氧环境下被微生物分解，形成各种代谢产物，并以甲烷为最终产物的过程。这一过程基本可概括成4个阶段水解、酸化、乙酸化和甲烷化。水解和酸化由发酵细菌完成，而乙酸化和甲烷化由产甲烷菌及其共生细菌实现，前后两大类微生物之间存在显著的生理生化差异。水解酸化的产物(各类酸、 醇、氢)既是乙酸化甲烷化的基质，也会对乙酸化甲烷化形成底物抑制作用，并对水解酸化过程形成产物抑制作用。我国城市生活垃圾的固体含量约20% -40%，厨余果皮等易水解有机成分占 60% -70%，此类固体废物厌氧消化的原料是较易水解酸化的有机物。当厌氧反应启动时， 有机物迅速水解酸化，有机物的水解酸化速率远大于乙酸化甲烷化速率，导致水解酸化产物的累积，严重抑制了后续的乙酸化甲烷化；同时，累积的水解酸化产物也会再抑制剩余部分有机物的水解酸化，使厌氧消化全过程受阻。导致垃圾常规沼气利用系统容易酸败、产气启动时间长、产气率、产气速率和垃圾的降解率低等问题。在实际应用的技术开发中，有三类手段用于解决这一酸败问题1)在垃圾原料中添加水分或难水解物料，以稀释缓冲酸化产物的积累；幻原料先与大比例的消化固相产物混合，实现易水解物料稀释缓冲和产甲烷菌群的富集；3)采用固液分离处理，将垃圾原料在酸化反应器中进行酸化变为液态物料，通过过滤或离心获得的酸化液，按照废水的方式进行处理，进入专门的废水甲烷化反应器中进行产气，以利用市场上相对发展已较成熟的废水甲烷化处理装置。尽管通过上述方法的应用，发展了一些实用的固体废物厌氧消化工艺，但现有工艺的原料对反应器的容积利用率均低于50%。比如1)垃圾原料进行稀释，会导致所需反应器按稀释率成比例增加，降低了反应器的有机负荷。2、原料与消化固相产物的大比例混合，也必然导致所需反应器的大幅增加。并且即便混合了大量的接种污泥，也很难启动垃圾的产气过程；当垃圾陷入酸败时，产气迅速停止，并且即便混合了大量的接种污泥，也很难再恢复。3)固液分离处理的工艺，需要另外增加一个大容积的废水甲烷化反应器以及固液分离设施，造成生产成本大幅增加；并且甲烷化反应器只能允许固体浓度很低的液体进入甲烷发酵罐。与之类似，中国发明专利CN 101200693A公开了一种用于有机材料厌氧发酵的方法，消化罐底部的消化固体产物与垃圾在消化罐外混合后一起从消化罐顶部泵入消化罐。后者在欧洲的运行经验显示，消化固体产物与垃圾的比例需高达6 1方能确保有效产气。中国发明专利CN1431159A公开了一种城市垃圾两步厌氧消化处理工艺，垃圾在酸发酵罐进行水解和酸化后，送入调解罐内调节酸碱度和负荷率，再将经过调解的酸化液输送到甲烷发酵罐，进行有机物分解产沼。中国发明专利CN 101805753 A公布了一种易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的方法，水解产酸相采用高固体渗滤床反应器，产甲烷反应器为纤维填料床。上述后两种方法均需设置单独的产甲烷反应器，生产成本较高。基于目前的现状，开发加速易酸败垃圾启动甲烷化的方法，对于缩短产气启动时间、提高垃圾的产气率和产气速率，减少残渣和废液处理量，降低反应器容积和运行成本， 减少对微生物菌剂的需求量，具有重要的实践意义。
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用垃圾生产沼气的方法，该方法能缩短产气启动时间、提高垃圾的处理效率和产气率，降低反应器容积和对微生物菌剂需求量。为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的本发明中的垃圾为易酸败垃圾，具体是指生活垃圾、餐厨垃圾、果蔬垃圾、畜禽粪便、污水污泥或食品加工残渣等一种或一种以上，本发明可应用于固体浓度不同的干式或湿式或干湿组合式厌氧消化、可采用间歇或连续进出料的运行方式。垃圾与微生物菌剂分区装填，微生物菌剂通过菌剂填充球和分区穿孔隔板被限制于微生物菌剂装填区；垃圾在垃圾装填区停留数天后得水解酸化产物，被一起输送至微生物菌剂装填区，进行甲烷化消化产生沼气；未被甲烷化消化的垃圾和水解酸化产物重新返回垃圾装填区；如此循环反复多次后，实现垃圾最大限度地被转化为沼气。通过上述技术方案，实现如下技术功能(1)垃圾与微生物菌剂分区装填，避免了垃圾的快速酸败产生的有机酸和低pH值抑制了微生物菌剂进行甲烷化作用。垃圾流经微生物菌剂装填区后酸度下降，与垃圾装填区的物料混合，可提高垃圾装填区物料的碱度和PH值，避免了垃圾的快速酸败产生的有机酸和低PH值抑制了垃圾自身的水解酸化作用，从而促进垃圾的进一步降解。(2)微生物菌剂通过菌剂填充球被截留在微生物菌剂装填区，避免与垃圾装填区的混合，避免了微生物菌剂被垃圾携带而流失，避免了微生物菌剂被酸败垃圾过度包裹。小颗粒和液态物料可进出菌剂填充球，与微生物菌剂充分接触，被转化为沼气；大颗粒物料不能进入填充球，避免堵塞填充球。即便菌剂填充球表面的孔洞被物料堵塞，或者物料陷在填充球中较长时间，也会被填充球内大量的微生物菌剂迅速降解成小颗粒、液态物料和沼气， 从而解除被堵塞状态。一种利用垃圾生产沼气的方法，包含以下步骤(1)首先将垃圾进行预处理；(2)然后将垃圾送入垃圾装填区进行水解酸化；(3)将步骤O)中水解酸化后的物料以一定的流量从垃圾装填区送入到微生物菌剂装填区，在微生物菌剂的作用下进行产沼气反应；(4)使步骤(3)处理过的物料从微生物菌剂装填区流出，重新返回垃圾装填区，继续水解酸化过程，同时与垃圾装填区中原有的物料的混合，提高垃圾装填区中物料的碱度，5以促进物料的水解酸化；(5)多次循环上述步骤(2)、(3)、(4)，使垃圾持续被转化为沼气，使沼气中甲烷气体所占的比例上升，直至垃圾最大限度地被转化为沼气。所述的步骤(1)中的预处理为通过分拣、破碎和筛分去除垃圾中大于2cm的组分和生物不可降解的惰性组分和杂质，获得小于2cm较均质的垃圾。所述的步骤O)中的垃圾装填区中物料的固体浓度的运行范围是0% 40% ；所述的步骤⑵中的水解酸化的pH值为4 9，温度为30°C 60°C，停留时间1 20天。所述的步骤O)中垃圾进入垃圾装填区的形式为垃圾本身、垃圾与液态废物混合，或垃圾与半固态废物混合。所述的液态废物指固形物含量低于5 %的废物，优选畜禽粪便，污水厂浓缩污泥， 废水。所述的半固态废物为固形物含量为5% 20%的废物，优选污水厂脱水污泥。所述的步骤O)中垃圾进入垃圾装填区的方式为一次性进料、分批进料或连续进料。所述的步骤O)中的水解酸化是将垃圾中颗粒态的不可溶性物料发酵形成可溶性的水解酸化产物，其中水解酸化产物为有机质聚合物、有机质单体、有机酸或铵盐等中的几种。所述的步骤(3)中的流量为0 0. 2m3/ (m3 · d)。所述的步骤(3)中的产沼气反应的时间为10 60天。所述的步骤(3)中产沼气反应的反应温度为30°C 45°C或50°C 60°C。所述的步骤(3)，从微生物菌剂装填区流出的物料的pH值不低于6. 5，不高于8. 5。所述的步骤(3)中的微生物菌剂是富含产甲烷菌的剂料其中甲烷菌的含量是 IO5-IO13个/g。该微生物剂料可以是天然形成或人工压制获得的颗粒状菌剂，如从升流式厌氧污泥床(UASB)工艺、膨胀颗粒污泥床(EGSB)工艺及其衍生工艺获得的颗粒污泥，或者是无定形状的厌氧活性污泥或厌氧垃圾经冻干压模等方法获得的块状物。在开始启动垃圾的产沼气利用前，确保微生物菌剂具有一定的产甲烷活性(大于0.05g C0D-CH4/g VSS-day), 否则应对投加的微生物菌剂进行驯化，以恢复及提高其产甲烷活性。所述的步骤(3)中有机酸转化形成富含甲烷的沼气；其它可溶性水解酸化产物和垃圾中的不可溶性物料继续在其间延续发酵过程。所述的步骤(3)中进入微生物菌剂装填区的物料为经垃圾装填区排出的物料，或将垃圾装填区排出的物料经过滤或离心处理后得到的液体或半固体物料。所述的步骤(4)的水解酸化的pH值为4 9，温度为30°C 60°C，停留时间1 60天。所述的步骤(5)的反复循环过程不低于30次，循环次数的上限不超过5次/天。所述的步骤(5)中沼气最大产率为700-800m3/t-干垃圾有机质。所述的步骤(5)中，当垃圾装填区流出液的pH值大于7.0，并且沼气的产气速率低于3L · kg"1 · Cf1时，可以开始新一批的间歇进料。所述的步骤(5)中，当垃圾装填区流出液的pH值大于7.0，并且沼气的甲烷含量超过60 %时，可以开始进行连续进料。所述的垃圾与微生物菌剂的分区，是在同一消化罐内的不同空间区域以及分别设置在不同的消化罐内，两种方式中的一种。所述的步骤(5)，在垃圾被转化为沼气的初期阶段或称启动阶段反复循环过程的刚开始前面几个循环，产生的沼气以二氧化碳为主，当沼气中甲烷气体所占的比例超过 40%，说明垃圾进入稳定产沼阶段，可提高步骤C3)所述的循环流量，但不得高于0. 2m3/ (m3 · d)。微生物菌剂被限制在微生物菌剂装填区是通过所述的菌剂填充球和分区穿孔隔板实现的。菌剂填充球由两个穿孔半球壳对合而成，壳内形成的空间用于放置微生物菌剂， 球壳上的穿孔孔径控制在2 5mm。分区穿孔隔板的穿孔孔径小于菌剂填充剂的外直径。与现有技术相比，本发明的有益效果是使用少量的微生物菌剂(可仅为垃圾干重的5%)即可在2 3内启动易酸败垃圾的产沼作用，以及维持稳定的产沼作用。与传统的易酸败垃圾单相厌氧消化工艺相比，本方法所需的微生物菌剂仅为前者的-5%;与传统的固液分离式两相厌氧消化工艺相比，本方法所需的微生物菌剂也是非常少的，而且无需为微生物菌剂提供大型的反应器和填料。本发明的方法由于固体含量高的物料可顺利穿透微生物菌剂装填区，不会引起堵塞，因此既适用于固体含量介于15% 40%的高固体含量垃圾的沼气利用，也适用于固体含量低于15%的低固体和液态垃圾的沼气利用。与传统的垃圾厌氧消化工艺相比，采用本发明方法能够显著提高垃圾的处理率和产沼率，垃圾处理率能从30 % 60 %提高到80 % 90 %，单位干重垃圾的甲烷产率能从低于 50L/kg 提高到 400L/kg。本发明方法的垃圾与微生物菌剂的分区能在同一消化罐中的不同空间实现，避免了增加设置单独的甲烷化反应器，以及避免了消化物料回流至酸化反应器所需的设备，从而降低生产成本。而且，由于微生物菌剂的需求量较少，微生物菌剂装填区仅占消化罐的小部分空间，可提高垃圾的消化罐容积利用率，节约消化罐容积空间和系统操作空间，降低运行成本，适用于固体含量在0% -40%的物料的沼气利用。本发明方法工艺运行管理简单，厌氧消化产沼气性能稳定可靠。克服了垃圾常规沼气利用系统易酸败、产气启动时间长、产气率和产气速率低等缺点。可实现以少量的菌剂就能大大加快易酸败垃圾的产气过程，提高垃圾产气率，减少残渣和废液量，降低反应器容积和运行成本。图1是本发明方法的装置流程图。图2是本发明方法所述的菌剂填充球结构示意图。附图中标记01-垃圾；02-出料；03-沼气；04-消化罐；05-垃圾装填区；06-菌剂填充球；07-分区穿孔隔板；08-布料板；09-分流隔板；10-物料液面；11-进料泵；12-进料口 ；13-出料泵；14-排料口 ；15-回料管；16-回料口 ；17-自循环回路；18-微生物菌剂装填区；19-压力和沼气成分监测装置；20-穿孔半球壳；21-对接螺纹；22-微生物菌剂。


本发明属于固体废物污染控制技术领域，涉及一种利用垃圾生产沼气的方法，包含以下步骤(1)将垃圾进行预处理；(2)将垃圾送入垃圾装填区进行水解酸化；(3)将步骤(2)中水解酸化后的物料输送入到微生物菌剂装填区，在微生物菌剂的作用下进行产沼气反应；(4)使步骤(3)处理过的物料从微生物菌剂装填区流出，返回垃圾装填区，继续水解酸化；(5)多次循环上述步骤(2)～(4)，直至垃圾最大限度地被转化为沼气。本发明克服了垃圾常规沼气利用系统易酸败、产气启动时间长、产气率和产气速率低等缺点，可实现以少量的菌剂就能大大加快易酸败垃圾的产气过程，提高垃圾产气率，减少残渣和废液量，降低反应器容积和运行成本。