本发明属于环境工程，涉及一种微好氧预处理协同纳米零价铁强化有机固废厌氧消化产沼气的方法。
背景技术：
1、有机固体废弃物处置成为生态环保领域重要发展方向。厌氧消化(anaerobicdigestion)利用发酵菌和产甲烷菌在中温(35℃)或高温(55℃)条件下，将有机物降解产生甲烷、二氧化碳和水，实现有机固废减量化、稳定化、无害化与资源化。
2、厌氧消化既能降解有机物，实现减量化、稳定化，还能产生生物沼气作为清洁能源，已经成为污泥、餐厨垃圾、农作物秸秆等有机固废处置的最佳技术路线。
3、厌氧消化通常包括水解、酸化、产乙酸、产甲烷4个阶段，在实际运行中，由于有机固废存在难降解有机物(例如，剩余污泥的胞外聚合物、农作物秸秆的纤维素等)、产甲烷菌活性不高、中间产物(挥发性脂肪酸vfa)积累等问题，造成厌氧消化工程产气率低、效益差，难以高效稳定运行。目前，为解决有机固废厌氧消化存在的上述问题，主要通过增强预处理、添加功能性材料来提升产甲烷效率和系统运行稳定性。有机固废预处理工艺主要包括热处理、超声波处理、微波处理、机械处理、臭氧处理、碱处理等，由于存在能耗高、成本高等问题，难以在实际工程中应用推广。有机固废厌氧消化可添加的功能性材料包括微量金属元素、导电材料等，其中铁离子、钴离子、镍离子等微量元素可以提高厌氧消化关键微生物菌群相对丰度(如提高甲烷八叠球菌在古生菌中的相对丰度)和关键生物酶活性(如铁氧化还原蛋白酶、丙酮酸甲酸裂解酶)，从而提升厌氧消化效能；四氧化三铁、纳米零价铁、生物碳等导电纳米材料可以通过促进厌氧消化微生物直接种间电子传递(directinterspecies electron transfer，diet)提升产甲烷效率。但由于功能材料成本通常较高，有机固废组分复杂，且在连续生产运行中各组分性质具有时变性，因此在实际厌氧消化工程中难以确定合适的功能材料投加浓度，投加浓度过低产气效率提升不明显，投加浓度过高反而抑制微生物活性，造成有机物降解率和产气率下降。
4、有机固废是人类社会生产生活的末端产物，也是一种可利用的资源,厌氧消化与沼气利用可以实现有机固废减量化、稳定化、无害化和资源化。在全球水污染、能源危机的严峻形势下，提高有机固废厌氧消化效率和经济效益，对于建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明提供了一种微好氧预处理协同纳米零价铁强化有机固废厌氧消化产沼气的方法，该方法有效提高了有机固废厌氧消化有机物降解率和沼气产气率(指有机固废体积产气率，即单位体积有机固废的沼气产量)，实现有机固废减量化和资源化处置，并且大幅减少厌氧消化过程中硫化氢等恶臭气体产生，降低沼气净化成本，显著提升厌氧消化工程经济效益。
2、为了达到上述目的，本发明提供了一种微好氧预处理协同纳米零价铁强化有机固废厌氧消化产沼气的方法，根据有机固废的种类对其进行微好氧预处理，以提高有机固废中溶解性有机物的浓度，然后在厌氧消化过程中，根据有机固废中总cod确定纳米零价铁的投加浓度，通过纳米零价铁的加入，协同提高沼气产气率。
3、可以理解的是，本方法中首先采用微好氧工艺对有机固废进行预处理，根据有机固废种类确定微好氧预处理工艺参数，通过提供微好氧环境，丰富厌氧消化系统水解酸化功能微生物种类，提高关键微生物种群丰度和活性，使有机固废中难降解的大分子有机物快速水解产生易于被厌氧微生物利用的小分子有机物，提高溶解性有机物的浓度，为后续产甲烷阶段提供充足底物。可以理解的是，有机固废中的有机物(总cod)分为溶解性有机物和大分子难溶性有机物，为进一步提高厌氧消化产气率，通过强化预处理和添加功能材料以将大分子难溶性有机物降解为小分子溶解性有机物，以提高有机物去除率和沼气产气率。在厌氧消化过程中，根据有机固废中总cod确定合适的纳米零价铁投加浓度，通过投加纳米零价铁来提高厌氧消化过程中产甲烷关键微生物和生物酶的活性；同时，纳米零价铁作为电子导体可以促进直接种间电子传递来提升产甲烷效率，从而增加沼气产量，增加有机物去除率，并减少硫化氢等恶臭气体的产生。
4、作为优选，纳米零价铁的粒径范围为20nm-10μm，优选200-300nm。可以理解的是，200-300nm的纳米零价铁可以较为均匀地分散在厌氧消化体系中，较快地释放出铁离子，加快难降解有机物分解效率，提高厌氧消化关键微生物菌群相对丰度(如提高甲烷八叠球菌在古生菌中的相对丰度)和关键生物酶活性(如铁氧化还原蛋白酶、丙酮酸甲酸裂解酶)；同时，作为导电纳米材料，通过促进厌氧消化微生物直接种间电子传递(directinterspecies electron transfer，diet)提升产甲烷效率。
5、作为优选，根据有机固废中总cod确定合适的纳米零价铁投加浓度时，纳米零价铁以纳米零价铁悬浊液的形式加入，其中，纳米零价铁悬浊液通过以下方式获得：
6、将纳米零价铁用1mmol/l的十二烷基硫酸钠溶液进行分散，以形成30000mg/l的纳米零价铁悬浊液。
7、作为优选，厌氧消化过程中，纳米零价铁悬浊液的投加体积va为(0.001×b×v0)/(30000-0.001×b)～(0.006×b×v0)/(30000-0.006×b)，其中，b为有机固废总cod，单位mg/l；v0为厌氧消化体系的有机固废体积，单位l；va，单位l。
8、可以理解的是，纳米零价铁悬浊液的投加体积va是通过以下方式计算获得的：
9、检测有机固废总cod为b(单位：mg/l)，厌氧消化过程中纳米零价铁投加浓度w应控制在0.001×b～0.006×b，优选0.0025×b(单位：mg/l)；进而设置厌氧消化过程中的有机固废体积为v0，纳米零价铁悬浊液投加体积为va，则可以得到w＝(va×30000)/(va+v0)，则可以计算得到纳米零价铁悬浊液投加体积va的计算方式如上所述。优选va为(0.0025×b×v0)/(30000-0.0025×b)，单位l。
10、作为优选，有机固废的种类包括市政污水处理厂剩余污泥、农作物秸秆和园林垃圾、餐厨垃圾中的至少一种。
11、作为优选，根据有机固废的种类对其进行微好氧预处理，具体为：
12、对于市政污水处理厂剩余污泥，微好氧工艺通气比设置为5×10-6×b～1×10-5×b vvm，预处理时间为12～24h，机械搅拌速率为50～80r/min；优选通气比为8×10-6×bvvm，预处理时间为15h，机械搅拌速率为60r/min。
13、对于农作物秸秆和园林垃圾，微好氧工艺通气比设置为1×10-5×b～2×10-5×bvvm，预处理时间为16～28h，机械搅拌速率为50～90r/min；优选通气比为1.5×10-5×bvvm，预处理时间为22h，机械搅拌速率为70r/min；
14、对于餐厨垃圾，微好氧工艺通气比设置为3×10-6×b～7×10-6×b vvm，预处理时间为8～15h，机械搅拌速率为50～80r/min；优选通气比为5×10-6×b vvm，预处理时间为10h，机械搅拌速率为60r/min。
15、作为优选，根据有机固废的种类对其进行微好氧预处理，具体为：
16、市政污水处理厂剩余污泥、农作物秸秆和园林垃圾、餐厨垃圾在有机固废中的所占体积比例依次为n1、n2、n3，n1+n2+n3＝100％，cod分别为b1、b2、b3(单位：g/l)，则通气比为(5×10-6×b1×n1+1×10-5×b2×n2+3×10-6×b3×n3)～(1×10-5×b1×n1+2×10-5×b2×n2+7×10-6×b3×n3)vvm，预处理时间为10～24h，机械搅拌速率为50～90r/min；n1、n2、n3为0％～100％范围的任意数值；
17、其中，b为cod，单位mg/l；通气比，单位vvm，为每分钟通气量与预处理有机固废体积的比值。
18、作为优选，通气比为(8×10-6×b1×n1+1.5×10-5×b2×n2+5×10-6×b3×n3)，预处理时间为(15×n1+22×n2+10×n3)h，机械搅拌速率为(60×n1+70×n2+60×n3)r/min；
19、其中，b为cod，单位g/l；通气比，单位vvm，为每分钟通气量与预处理有机固废体积的比值。
20、作为优选，预处理结束后，对有机固废通氮气来排除氧气，氮气通气比为0.2～0.8vvm，通气时间为2～5min；优选通气比为0.5vvm，通气时间为3min。
21、作为优选，与仅微好氧预处理和仅投加纳米零价铁相比，沼气产气率分别提高30-50％、20-30％。
22、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
23、本发明提供了一种通过微好氧预处理和投加纳米零价铁协同强化有机固废厌氧消化的方法，有效提高了有机固废厌氧消化有机物降解率和沼气产气率，与仅微好氧预处理和仅投加纳米零价铁相比，沼气产气率分别提高30-50％、20-30％，实现有机固废减量化和资源化处置，并且大幅减少厌氧消化过程中硫化氢等恶臭气体产生，降低沼气净化成本，显著提升厌氧消化工程经济效益，适于推广应用。
1.一种微好氧预处理协同纳米零价铁强化有机固废厌氧消化产沼气的方法，其特征在于，根据有机固废的种类对其进行微好氧预处理，以提高有机固废中溶解性有机物的浓度，然后在厌氧消化过程中，根据有机固废中总cod确定纳米零价铁的投加浓度，通过纳米零价铁的加入，协同提高沼气产气率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，纳米零价铁的粒径范围为20nm-10μm，优选200-300nm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据有机固废中总cod确定纳米零价铁的投加浓度时，纳米零价铁以纳米零价铁悬浊液的形式加入，其中，纳米零价铁悬浊液通过以下方式获得：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，厌氧消化过程中，纳米零价铁悬浊液的投加体积va为(0.001×b×v0)/(30000-0.001×b)～(0.006×b×v0)/(30000-0.006×b)，其中，b为有机固废总cod，单位mg/l；v0为厌氧消化体系的有机固废体积，单位l；va，单位l。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，有机固废的种类包括市政污水处理厂剩余污泥、农作物秸秆和园林垃圾、餐厨垃圾中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据有机固废的种类对其进行微好氧预处理，具体为：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据有机固废的种类对其进行微好氧预处理，具体为：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通气比为(8×10-6×b1×n1+1.5×10-5×b2×n2+5×10-6×b3×n3)，预处理时间为(15×n1+22×n2+10×n3)h，机械搅拌速率为(60×n1+70×n2+60×n3)r/min；
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预处理结束后，对有机固废通氮气来排除氧气，氮气通气比为0.2～0.8vvm，通气时间为2～5min。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，与仅微好氧预处理和仅投加纳米零价铁相比，沼气产气率分别提高30-50％、20-30％。
