CN102199630B - 一种厌氧干发酵产沼气的方法及其使用的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种厌氧干发酵产沼气的方法及其使用的系统，以农作物秸杆为原料，包括预处理和厌氧发酵两个阶段，所述预处理为：将农作物秸杆破碎、气爆后加入0.1～0.2％于农作物秸杆质量的复合菌剂，并补水后进行堆沤处理，然后将堆沤处理后的农作物秸杆与动物粪便混合，使碳氮比为20～30：1，得秸杆粪便混合物，混合后用沼液接种；所述厌氧发酵为：将接种后的秸杆粪便混合物在25～35℃进行厌氧发酵产生沼气。本发明的厌氧干发酵产沼气的方法，能够有效降解秸秆中纤维素，半纤维素和木质素，达到高产气率效果，防止有机酸过量积累，保证厌氧反应器内温度均衡。
Description
技术领域
本发明涉及利用农作物秸杆发酵产沼气的方法和装置，尤其涉及一种厌氧干发酵产沼气的方法及使用的装置。
背景技术
中国的秸秆资源非常丰富,每年秸秆产量达5.7～6 亿t, 占世界秸秆总产量的20～30%。大量秸秆转向露天焚烧, 导致严重的空气污染和资源浪费, 研究适用的方法处理利用秸秆, 实现其资源化, 将成为缓解当今我国面临的“粮食、能源、环境”三大危机的重要途径之一。
沼气干发酵是指以固体有机废物为原料, 在无流动水的条件下进行沼气发酵的工艺, 可以将传统的厌氧消化工艺中固态物含量由低于8%提高到35% 以上, 一般情况下干物质含量20% 左右较为适宜。干发酵不仅提高了池容产气率和池容效率, 而且消化后的产品不需脱水即可作为肥料或土壤调节剂使用,简化了操作处理, 降低了成本, 这些优点引起了国内外研究者对干发酵在处理城市生活垃圾和农林残余物方面的广泛重视。
我国在21世纪初开始了大型沼气干发酵研究,目前还处于小试研究阶段。国外对沼气干发酵技术的研究比我国早,整体技术水平较我国领先。从20世纪40年代起,德国、法国和阿尔及利亚就开始运用批量式沼气干发酵技术。20世纪80年代,德国、荷兰、瑞士、布基纳法索、尼日尔等国家对沼气干发酵进行了深入的研究。
沼气干发酵法由于其发酵原料为秸秆，秸秆中含有大量的纤维素，半纤维素等不易降解的物质，因此严重影响秸秆发酵产沼气效率。另外沼气发酵中进料的干物质浓度高而导致的进出料难、传热传质不均匀、沼液酸中毒等问题是沼气干发酵的技术难点。
发明内容
本发明旨在克服以上现有技术存在的不足，提供一种有效降解秸杆中的纤维素，提高产气率的厌氧干发酵产沼气的方法。
本发明的另一目的是提供一种厌氧干发酵产沼气系统。
本发明所述的厌氧干发酵产沼气的方法以农作物秸杆为原料，包括预处理和厌氧发酵两个阶段。
所述预处理为：将农作物秸杆破碎、气爆后加入0.1～0.2％于农作物秸杆质量的复合菌剂，并补水使混合物中水的质量百分数为60～70％后堆沤3～5天，然后将堆沤处理后的农作物秸杆与动物粪便混合，使碳氮比为20～30：1，最好是25：1得秸杆粪便混合物，混合后用沼液接种，沼液接种量为秸杆粪便混合物质量的20％，沼液接种后通过补加水调整秸杆粪便混合物中水的质量分数80％。
所述厌氧发酵为：将接种后的秸杆粪便混合物在25～35℃进行厌氧发酵产生沼气，以29～31℃为宜，最好是保持30℃左右，在厌氧发酵过程中，并且通过厌氧反应器的循环水加热锅炉保持秸杆粪便混合物的维持厌氧发酵温度，循环水加热锅炉所使用的燃料为厌氧反应器中产生的沼气，厌氧发酵过程中产生的沼渣经板框压滤机过滤后，脱水沼渣回收作为农田肥料，沼液用于秸杆粪便混合物接种，从而实现沼液的循环利用。
优选地，动物粪便与农作物秸杆的质量比为1：1，混合物的碳氮比为25：1时发酵效果最佳。
进一步地，在厌氧发酵过程中，采用回流的方式对厌氧反应器内的物料进行搅拌，在反应器启动初期和运行稳定期，采用不同的回流强度和回流间歇时间，保证猪粪与秸秆混合物的达到较高产气率水平。在产气初期（1-6天），每隔30min启动回流泵对反应器内的混合物搅拌10min。在产气旺盛期（7-20天）每隔1h启动回流泵对反应器内的混合物搅拌5min。采用此搅拌方式，能够有效防止有机酸过量积累。
所述的农作物秸杆为玉米杆、麦杆或稻杆中的一种或几种；所述的动物粪便为猪粪；预处理过程中所加的水为粪水、池塘水、河水、自来水或井水中的一种或几种，各种水的pH值均为6.5～7.5。
所述的复合菌剂中的各菌株组成及各菌株的细胞数在复合菌剂总的细胞数中的百分含量为：发酵噬纤维菌8-15%、溶纸棱菌25-30%、巴氏甲烷八叠球菌15-25%、伍氏醋酸杆菌5-10%、产黄纤维素单胞菌2-5%、溶纤维丁酸弧菌4-10%、产纤维二糖棱菌3-5%、白蚁梭菌1-5%、沃尔夫伴生单胞菌10-15%。
本发明的产沼气方法所使用的厌氧干发酵产沼气系统，包括粪便贮罐、混合罐和厌氧反应器；所述粪便贮罐通过管道和混合罐连通，并且粪便贮罐和混合罐之间设置有第一输送泵；所述混合罐通过管道与厌氧反应器连通，并且混合罐与厌氧反应器之间设置有第二输送泵；厌氧反应器外部设置有循环水加热锅炉，厌氧反应器底端设置有回流液出口和沼渣排出口，回流液出口通过回流泵与厌氧反应器的进料口连通，沼渣排放口与沼渣存放池连接，沼渣存放池通过输送输送管道连接板框压滤机，沼渣存放池与接板框压滤机之间设置有第三输送泵；板框压滤机还通过输送管道与混合罐连通，板框压滤机与混合罐之间设置有第四输送泵，使混合罐、第二输送泵、厌氧反应器、沼渣存放池、第三输送泵、板框压滤机、第四输送泵形成一个闭合回路。
本发明的有益效果如下：
1、发酵预处理中将气爆后的秸秆利用复合菌剂堆沤处理，能够有效降解秸秆中纤维素，达到高产气率效果。
2、设计固体进料浓度为20%左右，在此浓度下，可以利用泵将秸秆猪粪混合物通入厌氧反应器中，同时利用重力排走多余沼渣，维持系统物料平衡。
3、通过每天定时沼液回流，保证厌氧反应器内物料混合均匀，防止有机酸过量积累。
4、利用锅炉外循环水，维持厌氧反应器温度在30摄氏度左右，同时由于沼液回流作用，保证厌氧反应器内温度均衡。
附图说明
图1本发明所述的厌氧干发酵产沼气的方法的流程图；
图2为本发明所述的厌氧干发酵产沼气的系统图。
图中标记示意为：1-粪便贮罐、2-混合罐、3-厌氧反应器、4-板框压滤机、5-沼渣存放池、6-循环水加热锅炉、7-第四输送泵、8-回流泵、9-第二输送泵、10-第一输送泵、11-第三输送泵。
具体实施方式
实施例1
本实施例所述的厌氧干发酵产沼气的方法以农作物秸杆为原料，包括预处理和厌氧发酵两个阶段。
所述预处理为：将玉米秸杆破碎、气爆后加入0.1％于玉米秸杆质量的复合菌剂，并补水使混合物中水的质量百分数为60％后堆沤4天，然后将堆沤处理后的玉米秸杆与猪粪混合，使碳氮比为20：1得秸杆粪便混合物，混合后用沼液接种，沼液接种量为秸杆粪便混合物质量的20％，沼液接种后通过补加水调整秸杆粪便混合物中水的质量分数80％。
所述厌氧发酵为：将接种后的秸杆粪便混合物在25℃进行厌氧发酵产生沼气，厌氧发酵过程中产生的沼渣经板框压滤机过滤后，脱水沼渣回收作为农田肥料，沼液用于秸杆粪便混合物接种，从而实现沼液的循环利用。
所述的复合菌剂中的各菌株组成及各菌株的细胞数在复合菌剂总的细胞数中的百分含量为：发酵噬纤维菌8%、溶纸棱菌30%、巴氏甲烷八叠球菌15%、伍氏醋酸杆菌10%、产黄纤维素单胞菌5%、溶纤维丁酸弧菌4%、产纤维二糖棱菌5%、白蚁梭菌1%、沃尔夫伴生单胞菌15%。
在厌氧发酵过程中，采用回流的方式对厌氧反应器内的物料进行搅拌，在反应器启动初期和运行稳定期，采用不同的回流强度和回流间歇时间，保证猪粪与秸秆混合物的达到较高产气率水平。在产气初期（1-6天），每隔30min启动回流泵对反应器内的混合物搅拌10min。在产气旺盛期（7-20天）每隔1h启动回流泵对反应器内的混合物搅拌5min。采用此搅拌方式，能够有效防止有机酸过量积累。
本发明的产沼气方法所使用的厌氧干发酵产沼气系统，包括粪便贮罐1、混合罐2和厌氧反应器3；粪便贮罐1通过管道和混合罐2连通，并且粪便贮罐1和混合罐2之间设置有第一输送泵10；混合罐2通过管道与厌氧反应器3连通，并且混合罐2与厌氧反应器3之间设置有第二输送泵9；厌氧反应器3外部设置有循环水加热锅炉6，循环水加热锅炉6所使用的燃料为厌氧反应器产生的沼气，厌氧反应器3底端设置有回流液出口和沼渣排出口，回流液出口通过回流泵8与厌氧反应器的进料口连通，沼渣排出口与沼渣存放池5连接，沼渣存放池5通过输送输送管道连接板框压滤机4，沼渣存放池5与板框压滤机4之间设置有第三输送泵11；板框压滤机4还通过输送管道与混合罐2连通，板框压滤机4与混合罐2之间设置有第四输送泵7，使混合罐2、第二输送泵9、厌氧反应器3、沼渣存放池5、第三输送泵11、板框压滤机4、第四输送泵7形成一个闭合回路。
实施例2
本实施例所述的厌氧干发酵产沼气的方法以农作物秸杆为原料，包括预处理和厌氧发酵两个阶段。
所述预处理为：将小麦秸杆破碎、气爆后加入0.2％于小麦秸杆质量的复合菌剂，并补水使混合物中水的质量百分数为70％后堆沤4天，然后将堆沤处理后的小麦秸杆与猪粪按质量比1：1混合，使碳氮比为25：1得秸杆粪便混合物，混合后用沼液接种，沼液接种量为秸杆粪便混合物质量的20％，沼液接种后通过补加水调整秸杆粪便混合物中水的质量分数80％。
所述厌氧发酵为：将接种后的秸杆粪便混合物在35℃进行厌氧发酵产生沼气，厌氧发酵过程中产生的沼渣经板框压滤机过滤后，脱水沼渣回收作为农田肥料，沼液用于秸杆粪便混合物接种，从而实现沼液的循环利用。
所述的复合菌剂中的各菌株组成及各菌株的细胞数在复合菌剂总的细胞数中的百分含量为：发酵噬纤维菌15%、溶纸棱菌27%、巴氏甲烷八叠球菌20%、伍氏醋酸杆菌7%、产黄纤维素单胞菌4%、溶纤维丁酸弧菌7%、产纤维二糖棱菌3%、白蚁梭菌3%、沃尔夫伴生单胞菌10%。
在厌氧发酵过程中，采用回流的方式对厌氧反应器内的物料进行搅拌，在反应器启动初期和运行稳定期，采用不同的回流强度和回流间歇时间，保证猪粪与秸秆混合物的达到较高产气率水平。在产气初期（1-6天），每隔30min启动回流泵对反应器内的混合物搅拌10min。在产气旺盛期（7-20天）每隔1h启动回流泵对反应器内的混合物搅拌5min。采用此搅拌方式，能够有效防止有机酸过量积累。
本实施例中所使用的厌氧干发酵产沼气系统与实施例1中的系统相同。
实施例3
本实施例所述的厌氧干发酵产沼气的方法以农作物秸杆为原料，包括预处理和厌氧发酵两个阶段。
所述预处理为：将水稻秸杆破碎、气爆后加入0.15％于水稻秸杆质量的复合菌剂，并补水使混合物中水的质量百分数为65％后堆沤4天，然后将堆沤处理后的水稻秸杆与猪粪混合，使碳氮比为30：1得秸杆粪便混合物，混合后用沼液接种，沼液接种量为秸杆粪便混合物质量的20％，沼液接种后通过补加水调整秸杆粪便混合物中水的质量分数80％。
所述厌氧发酵为：将接种后的秸杆粪便混合物在30℃进行厌氧发酵产生沼气，厌氧发酵过程中产生的沼渣经板框压滤机过滤后，脱水沼渣回收作为农田肥料，沼液用于秸杆粪便混合物接种，从而实现沼液的循环利用。
所述的复合菌剂中的各菌株组成及各菌株的细胞数在复合菌剂总的细胞数中的百分含量为：发酵噬纤维菌12%、溶纸棱菌25%、巴氏甲烷八叠球菌25%、伍氏醋酸杆菌5%、产黄纤维素单胞菌5%、溶纤维丁酸弧菌10%、产纤维二糖棱菌4%、白蚁梭菌5%、沃尔夫伴生单胞菌13%。
在厌氧发酵过程中，采用回流的方式对厌氧反应器内的物料进行搅拌，在反应器启动初期和运行稳定期，采用不同的回流强度和回流间歇时间，保证猪粪与秸秆混合物的达到较高产气率水平。在产气初期（1-6天），每隔30min启动回流泵对反应器内的混合物搅拌10min。在产气旺盛期（7-20天）每隔1h启动回流泵对反应器内的混合物搅拌5min。采用此搅拌方式，能够有效防止有机酸过量积累。
本实施例中所使用的厌氧干发酵产沼气系统实施例1中的系统相同。
具体实施中，所使用的原料还可以是除实施例中所列出的其它农作物秸杆，所补加的水可以是粪水、池塘水、河水、自来水或者井水。
本发明中所述的复合菌剂中的各种菌的特性及来源如下：
发酵噬纤维菌(Cytophaga fermentans)：细胞呈可弯曲杆状，兼性厌氧，有氧条件下分解纤维素产生乙酸、丙酸、琥珀酸、H2和CO2等，同时可产生黄色素；菌株保藏编号ATCC 19072，DSM 9555
伍氏醋酸杆菌(Acetobacterium woodii)：细胞椭圆或短杆，单生，成对偶尔成断链，严格厌氧，氧化氢、还原CO2生成乙酸，也发酵果糖和其他底物产生乙酸；菌株保藏编号ATCC 29683,DSM 1030
产黄纤维素单胞菌(Cellulomonas flavigena)：细长杆状，能分解纤维素，还可以利用葡萄糖和其他碳水化合物在好氧和厌氧条件下产酸；菌株保藏编号ATCC 482,DSM 20109
溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibrio fibrisolvens)，弧菌，严格厌氧，分解纤维素产生有机酸，同时可产生降解半纤维素的半纤维素酶；菌株保藏编号ATCC 19171， DSM3071
溶纸棱菌(Clostridium papyrosolvens)：弯曲或直杆状，水解纤维素产生纤维二糖等；菌株保藏编号ATCC 35413 ， DSM 2782
产纤维二糖棱菌(Clostridium cellobioparum)：弯曲或直杆状，水解纤维素产生纤维二糖等；菌株保藏编号ATCC 15832， DSM 1351
白蚁梭菌(Clostridium termitidis) ：弯曲或直杆状，水解纤维素产生乙酸，乙醇和H2等；菌株保藏编号ATCC51846，DSM5398
沃尔夫伴生单胞菌(Syntrophomonas Wolfei)：轻微螺杆状，不产芽孢，分解丁酸产生乙酸和H2；菌株保藏编号ATCC 43021，DSM4212
巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)：不对称球形，能够不规则聚集成团，利用甲醇、三甲胺、乙酸和H2/CO2生长产甲烷。菌株保藏编号 ATCC43241，DSM1538
以上菌株均通过北京中原公司代理从美国标准菌种收藏所ATCC购买。
Claims (6)
1.一种厌氧干发酵产沼气的方法，以农作物秸杆为原料，包括预处理和厌氧发酵两个阶段，其特征在于：
所述预处理为：将农作物秸秆破碎、气爆后加入0.1-0.2%于农作物秸秆质量的复合菌剂，并补水后进行堆沤处理，然后将堆沤处理后的农作物秸秆与动物粪便混合，使碳氮比为20-30：1，得秸秆粪便混合物，混合后用沼液接种，沼液的接种量为秸秆粪便混合物质量的20%，沼液接种后通过补加水调整秸杆粪便混合物中水的质量分数80%；
其中，所述复合菌剂中的各菌株组成及各菌株的细胞数在复合菌剂总的细胞数中的百分含量为：发酵噬纤维菌8-15%、溶纸棱菌25-30%、巴氏甲烷八叠球菌15-25%、伍氏醋酸杆菌5-10%、产黄纤维素单胞菌2-5%、溶纤维丁酸弧菌4-10%、产纤维二糖棱菌3-5%、白蚁梭菌1-5%、沃尔夫伴生单胞菌10-15%；
所述厌氧发酵为：将接种并补水后的秸秆粪便混合物在25-35℃进行厌氧发酵产生沼气；
在厌氧发酵过程中，采用回流的方式对厌氧反应器内的物料进行搅拌，在产气初期，每隔30min启动回流泵对反应器内的混合物搅拌10min，在产气旺盛期每隔1h启动回流泵对反应器内的混合物搅拌5min，并且通过厌氧反应器的循环水加热锅炉保持秸秆粪便混合物的厌氧发酵温度为29-31℃，循环水加热锅炉所使用的烯料为厌氧反应器中产生的沼气。
2.根据权利要求1所述的厌氧干发酵产沼气的方法，其特征在于：厌氧发酵产生的沼气渣经板框压滤机过滤后，脱水沼渣回收作为农田肥料，沼液用于秸杆粪便混合物接种。
3.根据权利要求1所述的厌氧干发酵产沼气的方法，其特征在于：农作物秸秆加入复合菌剂并补水后，混合物中水的质量百分数为60-70%。
4.根据权利要求1所述的厌氧干发酵产沼气的方法，其特征在于：所述堆沤时间为3-5天。
5.根据权利要求1所述的厌氧干发酵产沼气的方法，其特征在于：动物粪便与农作物的质量比为1：1，混合物的碳氮比为25：1。
6.根据权利要求1所述的厌氧干发酵产沼气的方法，其特征在于：所述的农作物秸秆为玉米秆、麦秆或稻秆中的一种或几种；所述的动物粪便为猪粪；预处理过程中所加的水为粪水、河水、自来水或井水中的一种或几种，各种水的pH值均为6.5-7.5。
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