CN101153289A - 以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法 - Google Patents

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Abstract

一种能源技术领域的以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法。本发明首先对原料蔬菜废弃物进行分拣预处理，调整碳氮比为20∶1～30∶1，加入接种物进行接种，混合，得到发酵原料，加水和炭粉进行发酵，调节发酵液的初始pH值在6.5～7.5，放入封闭发酵装置，置于恒温水浴中，进行完全混合一阶湿式发酵反应产气，经过1～2天产生沼气，发酵20～60天，然后采用排水法收集气体。本发明充分实现了蔬菜废弃物的资源化、减量化和无害化的利用，将构成环境污染的蔬菜废弃物转化成为生物质资源，经过厌氧发酵获得可燃的清洁能源沼气和优质的有机肥料。

Description

以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法
技术领域
本发明涉及的是一种能源技术领域的方法，具体的说，涉及的是一种以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法。
背景技术
随着我国农村产业结构的调整和城镇居民生活水平的不断提高，蔬菜作物的种植在农业中所占的比重越来越大，但大量质量不佳的蔬菜和净菜加工处理时产生的叶、根、茎和果实等都会最终成为固体废弃物，造成了资源浪费和环境污染。蔬菜废弃物的总固体含量为8％～19％，挥发固体的含量占总固体的80％以上，其生物质类型主要为75％的糖类和半纤维素，9％的纤维素及5％的木质素，其中糖类包括单糖、双糖、多糖(如淀粉)等。和城市生活垃圾以及农业废弃物相比，蔬菜废弃物具有高含水量(＞80％)、高挥发性固体含量(＞95％)和高生物降解性。正常种植的蔬菜废弃物除了部分发生病虫害的蔬菜组织外，不含有其他的有毒有害物质。另外，蔬菜废弃物的产生地主要集中在蔬菜种植田地中和蔬菜加工交易场所，不易和生活垃圾等混合，可以实现单独收集处理。如果将蔬菜废弃物简单按照一般生活垃圾的方式进行处理，不仅成本高，而且在某种程度上是资源浪费。
目前，处理蔬菜废弃物的主要措施为好氧堆肥处理，是将要堆腐的蔬菜废弃物与填充料混合，在合适的水分、通气条件下使微生物繁殖并降解有机质，从而产生高温，杀死其中的病原菌及杂草种子，使蔬菜废弃物达到稳定化。但是由于纯蔬菜废弃物含水率过高，必须添加膨松性的填充物质调节含水率，造成成本升高，处理效率降低；由于蔬菜废弃物的有机物含量高，好氧处理需要大量的动力消耗，且堆肥产品体积较大，运输成本较高，堆肥效益较差，影响了堆肥处理的经济性。
厌氧消化处理，指在厌氧微生物作用下，有控制地使废弃物中可生物降解的部分趋向稳定的生物化学过程，它的最大优点是可以回收沼气能源，而且消化后产生的残渣数量较少，其后续处理及运输所需的成本也相对较低，经过简单处理可作为优质的肥料和土壤改良剂。对于蔬菜废弃物来说，由于高含水率这一特点，已经符合一般厌氧处理的固体含量(10％左右)。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：200510044166.4，名称为：以城市生活有机废弃物生产沼气的工艺技术，该专利自述为：将饭店和食堂产生的泔脚、菜市场和食品加工厂产生的有机废弃物以及居民生活区的人粪便、城市郊区的植物秸秆作为有机废弃物集中收集，进行分拣、粉碎、杀菌消毒、酸化调节、厌氧发酵和脱硫，从而制取沼气。该技术不足在于：发酵原料成分比较复杂，没有经过有效的预处理，不能保证沼气发酵所需的原料碳氮比，进行顺利的产沼气。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，使其能够针对蔬菜废弃物的特殊性质以更低廉的成本来解决蔬菜废弃物污染，提高蔬菜废弃物资源经济效益、生态效益和改善生态环境。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
(1)对原料蔬菜废弃物进行分拣预处理；
(2)控制步骤(1)所得的预处理蔬菜废弃物的碳氮比为20∶1～30∶1；
(3)将步骤(2)所得的预处理蔬菜废弃物投入到发酵装置中，并加入接种物进行接种，混合，得到发酵原料，接种物的加入量占全部反应物料质量的比率为20％～50％；
(4)向步骤(3)中的发酵原料中加水和炭粉进行发酵；
(5)控制步骤(4)中的发酵液的初始pH值在6.5～7.5，不足时可添加碱类物质调节；
(6)封闭发酵装置，置于恒温水浴中，控制反应温度在30～45℃，搅拌，振荡，进行完全混合一阶湿式发酵反应产气，经过1～2天产生沼气，即目标产品；发酵20～30天，蔬菜废弃物中的可厌氧生物降解的有机物质基本被微生物的作用转化为沼气，当发酵装置每日反应产气量大幅度降低时，反应即可结束，进行新一轮发酵；
(7)采用排水法收集气体。
步骤(1)中，所述的分拣预处理，是指：将采集的蔬菜废弃物进行简单的分拣；把经过分拣的蔬菜废弃物水洗一次后，先切碎再用组织捣碎机粉碎为均匀的颗粒，粒径均匀在1～2cm左右，然后将其研磨。
步骤(2)中，由于蔬菜废弃物的碳氮比一般约为25∶1，因此不需要另加N源；某些蔬菜废弃物的碳氮比不在20∶1～30∶1范围内的可添加一定比例的含N元素物质混合，所述含N元素物质为发酵液总量0.03％～0.10％的尿素、0.10％～0.30％的碳酸氢铵或畜禽粪便等一种至多种。
步骤(3)中，所述接种物为正常产气沼气池的底物(沼渣、沼液)。
步骤(4)中，所述加水，其加入量确定方法为：设所需发酵液浓度用V表示，范围为5％～10％左右。接种物浓度用U表示，范围从20％～50％。要配置发酵液的总质量用Z表示，要加的原料质量用X表示，要加的接种物的质量用Y表示，要加的水的质量用W表示。先根据Y＝Z×U，计算得所需接种物的质量。根据方程TS猪粪×X+TS接种物×Y＝V×Z，求出X。然后用发酵液的总质量Z，减去物料质量X和接种物质量Y，就得到了所要加的水的质量W。
步骤(4)中，所述的炭粉是作为一种添加剂，用来提高产气速率，其所需加炭粉的质量按1000g发酵液加1g炭粉来计算。
步骤(5)中，所述的碱类物质为NaOH、NaHCO3或NaCO3等一种或多种。
步骤(6)中，所述搅拌，振荡，是指：每天搅拌2次，每次半小时，振荡速度为70次/分钟。
步骤(6)中，所述完全混合一阶湿式发酵，即将原料与接种物直接混合投加到发酵装置中，接种物的投加量不少于原料料液总质量的20％。反应开始后，定期通过外动力，比如水浴恒温震荡器等，对厌氧发酵反应物进行搅拌，可使微生物与原料充分接触，以提高反应效率；同时打破分层现象，防止沉渣沉淀，保持温度均一，促进气液分离等。反应结束后，须要全部清空反应器内的残渣进行新一轮投料接种。优点是反应效率高，发酵周期短，可以提高产气量；反应装置的设计和控制简单，可处理污染程度高的废弃物，并且投资少，比较适合发展中国家利用蔬菜废弃物生产沼气。
步骤(6)中，当发酵装置每日反应气量大幅度降低时，即日产气量低于平均日产气量的5％，停止厌氧发酵反应，进行重新投料开始新一轮反应。
步骤(7)中，采用排水法收集气体，即发酵原料在发酵装置内进行厌氧发酵产生的沼气通过导气管输入装有饱和食盐水的密闭集气装置中。
本发明的优点：本发明充分实现了蔬菜废弃物的资源化、减量化和无害化的利用，将构成环境污染的蔬菜废弃物转化成为生物质能源资源，经过厌氧发酵获得可燃的清洁能源沼气和优质的有机肥料，其工艺简单，操作简便，不仅改善了环境而且实现了循环经济的发展。与现有技术相比，本发明所用蔬菜废弃物经过预处理，破坏了蔬菜废弃物的内部组织，加速了纤维素的降解，提高了蔬菜废弃物对细菌和酶分解的敏感性，提高了产气效果，缩短了产气周期，且发酵启动快，1～2天即可产沼气，约在10天左右就可以得到最高甲烷含量。与传统的好氧堆肥的处理方法相比，厌氧消化过程不需要氧气，并且厌氧处理中1000kgCOD转化成的甲烷相当于12×106KJ热能，降低了好氧过程的动力消耗因而使用成本降低。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例中，所采用发酵装置主要由水浴恒温震荡器、发酵瓶、集气瓶、集水瓶等部分组成。采用1000ml的透明玻璃三角瓶作为发酵瓶，发酵瓶用适当大小的橡胶塞封口，在橡胶塞上钻出取样孔和输气孔。集气瓶用500ml的三角瓶，同样以橡胶塞封口，其上的橡胶塞钻出进气孔和导水孔。集水瓶为500ml普通的玻璃瓶。在这些孔上插入玻璃管作为连接口，然后用φ8mm的硅胶管连接管路，并用凡士林密封。
采用江苏省金坛市金城国盛实验仪器厂生产的WHY-2型水浴恒温震荡器进行搅拌，该水浴恒温震荡器可用来控制厌氧发酵发应的温度和振荡频率。
实施例中气体收集为：取一500ml的三角瓶作为集气瓶，向内注满饱和食盐水，以橡胶塞封口，其上的橡胶塞钻出进气孔和导水孔。集水瓶为500ml普通的玻璃瓶。用硅胶管将进气孔和发酵瓶的输气孔相连，导水孔的玻璃管套上橡胶管伸入到集水瓶中，每日定时通过测定集水瓶中食盐水体积得到日产气量。
实施例1
(1)原料蔬菜废弃物的分拣预处理：将采集的甘蓝菜叶废弃物进行简单的分拣；把经过分拣的甘蓝菜叶废弃物水洗一次后，先切碎再用组织捣碎机粉碎为均匀的颗粒，粒径均匀在1～2cm左右，然后将其研磨。测得甘蓝菜叶废弃物的C/N为22.35。
(2)将步骤(1)所得的预处理甘蓝菜叶废弃物667kg投入到实验室自行设计的发酵装置中，并加入接种物含水量为92.488％的正常产气沼气池的底物133kg进行接种，混合，得到发酵原料，接种物的加入量(指接种污泥占全部反应物料质量的比率)为20％，加入200ml的水控制发酵液的总固体含量为10％，然后加入1g炭粉进行发酵反应产气。
(3)向发酵液中添加NaOH调节其初始pH值在6.5～7.5。
(4)封闭发酵装置，置于恒温水浴中，控制反应温度在35℃，每天搅拌2次，每次半小时，振荡速度为70次/分钟，进行完全混合一阶湿式发酵产气。反应第2天即开始产气，反应进行了20天，每日反应气量大幅度降低时，即日产气量低于平均日产气量的5％，停止厌氧发酵反应，结束一轮反应进行另一轮投料和接种。
(5)气体的收集采用排水法，即发酵原料在发酵瓶内进行厌氧发酵产生的沼气通过导气管输入装有饱和食盐水的密闭集气装置中，每日定时用250ml的量筒测定集水瓶中食盐水体积得到日产气量。每5天在取气口用气体采样袋收集气体样品，用气相色谱测气体的成分。
结果如下：20天内的总产气量为4842.47ml，平均日产气量为242.12ml，CH4最高含量为16.9％。
实施例2
(1)原料蔬菜废弃物的分拣：将采集的甘蓝菜叶废弃物进行简单的分拣；把经过分拣的甘蓝菜叶废弃物水洗一次后，先切碎再用组织捣碎机粉碎为均匀的颗粒，粒径均匀在1～2cm左右，然后将其研磨。测得甘蓝菜叶废弃物的C/N为22.35。
(2)将步骤(1)所得的预处理甘蓝菜叶废弃物615kg投入到实验室自行设计的发酵装置中，并加入接种物含水量为92.488％的正常产气沼气池的底物184kg进行接种，混合，得到发酵原料，接种物的加入量(指接种污泥占全部反应物料质量的比率)为30％，加入200ml的水控制发酵液的总固体含量为10％，然后加入1g炭粉进行发酵反应产气。
(3)向发酵液中添加NaOH和NaHCO3调节其初始pH值在6.5～7.5。
(4)封闭发酵装置，置于恒温水浴中，控制反应温度在35℃，每天搅拌2次，每次半小时，振荡速度为70次/分钟，进行完全混合一阶湿式发酵产气。反应第2天即开始产气，反应进行了20天，每日反应气量大幅度降低时，即日产气量低于平均日产气量的5％，停止厌氧发酵反应，结束一轮反应进行另一轮投料和接种。
(5)气体的收集采用排水法，即发酵原料在发酵瓶内进行厌氧发酵产生的沼气通过导气管输入装有饱和食盐水的密闭集气装置中，每日定时用250ml的量筒测定集水瓶中食盐水体积得到日产气量。每5天在取气口用气体采样袋收集气体样品，用气相色谱测气体的成分。
结果如下：20天内的总产气量为7790.81ml，平均日产气量为389.54ml，CH4最高含量为42.814％。
实施例3
(1)原料蔬菜废弃物的预处理：将采集的甘蓝菜叶废弃物进行简单的分拣；把经过分拣的甘蓝菜叶废弃物水洗一次后，先切碎再用组织捣碎机粉碎为均匀的颗粒，粒径均匀在1～2cm左右，然后将其研磨。测得甘蓝菜叶废弃物的C/N为22.35。
(2)将步骤(1)所得的预处理甘蓝菜叶废弃物533kg投入到实验室自行设计的发酵装置中，并加入接种物含水量为92.488％的正常产气沼气池的底物266kg进行接种，混合，得到发酵原料，接种物的加入量(指接种污泥占全部反应物料质量的比率)为50％，加入200ml的水控制发酵液的总固体含量为10％，然后加入1g炭粉进行发酵反应产气。
(3)向发酵液中添加NaCO3溶液调节其初始pH值在6.5～7.5。
(4)封闭发酵装置，置于恒温水浴中，控制反应温度在35℃，每天搅拌2次，每次半小时，振荡速度为70次/分钟，进行完全混合一阶湿式发酵产气。反应第2天即开始产气，反应进行了20天，每日反应气量大幅度降低时，即日产气量低于平均日产气量的5％，停止厌氧发酵反应，结束一轮反应进行另一轮投料和接种。
(5)气体的收集采用排水法，即发酵原料在发酵瓶内进行厌氧发酵产生的沼气通过导气管输入装有饱和食盐水的密闭集气装置中，每日定时用250ml的量筒测定集水瓶中食盐水体积得到日产气量。每5天在取气口用气体采样袋收集气体样品，用气相色谱测气体的成分。
结果如下：20天内的总产气量为6529.79ml，平均日产气量为326.50ml，CH4最高含量为26.408％。

Claims (10)

1.一种以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对原料蔬菜废弃物进行分拣预处理；
(2)控制步骤(1)所得的预处理蔬菜废弃物的碳氮比为20∶1～30∶1；
(3)将步骤(2)所得的预处理蔬菜废弃物投入到发酵装置中，并加入接种物进行接种，混合，得到发酵原料，接种物的加入量占全部反应物料质量的比率为20％～50％；
(4)向步骤(3)中的发酵原料中加水和炭粉进行发酵；
(5)控制步骤(4)中的发酵液的初始pH值在6.5～7.5；
(6)封闭发酵装置，置于恒温水浴中，控制反应温度在30～45℃，搅拌，振荡，进行完全混合一阶湿式发酵反应产气，经过1～2天产生沼气，发酵20～60天，蔬菜废弃物中的可厌氧生物降解的有机物质基本被微生物的作用转化为沼气，当发酵装置每日反应产气量以大的幅度降低时，发应结束，进行新一轮发酵；
(7)采用排水法收集气体。
2.根据权利要求1所述的以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，其特征是，步骤(1)中，所述的分拣预处理，是指：将采集的蔬菜废弃物进行分拣，把经过分拣的蔬菜废弃物水洗一次后，先切碎再用组织捣碎机粉碎为均匀的颗粒，粒径均匀在1～2cm，然后将其研磨。
3.根据权利要求1所述的以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，其特征是，步骤(2)中，通过添加含N元素物质调节碳氮比在20∶1～30∶1之间，所述含N元素物质为发酵液总量0.03％～0.10％的尿素、0.10％～0.30％的碳酸氢铵或畜禽粪便中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，其特征是，步骤(3)中，所述接种物为正常产气沼气池的底物。
5.根据权利要求1所述的以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，其特征是，步骤(4)中，所述加水，其加入量确定方法为：设所需发酵液质量浓度用V表示，范围为5％～10％，接种物质量浓度用U表示，范围从20％～50％，要配置发酵液的总质量用Z表示，要加的原料质量用X表示，要加的接种物的质量用Y表示，要加的水的质量用W表示，先根据Y＝Z×U，计算得所需接种物的质量，根据方程TS猪粪×X+TS接种物×Y＝V×Z，求出X，然后用发酵液的总质量Z，减去物料质量X和接种物质量Y，就得到了所要加的水的质量W。
6.根据权利要求1或5所述的以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，其特征是，步骤(4)中，所述的炭粉，其加入的质量按1000g发酵液加1g炭粉来计算。
7.根据权利要求1所述的以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，其特征是，步骤(5)中，初始pH值不足6.5～7.5时，添加碱类物质调节，所述的碱类物质为NaOH、NaHCO3或NaCO3中一种或多种。
8.根据权利要求1所述的以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，其特征是，步骤(6)中，所述搅拌，振荡，是指：每天搅拌2次，每次半小时，振荡速度为70次/分钟。
9.根据权利要求1所述的以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，其特征是，步骤(6)中，所述完全混合一阶湿式发酵反应，是指：将原料与接种物直接混合投加到发酵瓶中，接种物的投加量等于或大于原料料液总质量的20％，反应开始后，定期通过外动力对厌氧发酵反应物进行搅拌，使微生物与原料充分接触，反应结束后，全部清空反应器内的残渣进行新一轮投料接种。
10.根据权利要求1或9所述的以蔬菜废弃物为原料发酵制备沼气的方法，其特征是，步骤(6)中，当发酵装置每日反应气量低于平均日产气量的5％，停止厌氧发酵反应，进行重新投料开始新一轮反应。
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