CN101407826A - 秸秆大规模厌氧发酵工艺及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种秸秆大规模厌氧发酵工艺及装置。发酵工艺包括秸秆生物预处理、厌氧发酵、厌氧菌分离，分离出厌氧菌液体再用于另一个循环。实施本方法的厌氧发酵装置，由进料装置、厌氧发生器、厌氧菌分离装置构成。本发明的工艺和装置，在秸秆发酵过程中不需再增加氮源，并且在秸秆厌氧过程中实现了连续进、出料，通过生物化学的方式改变了秸秆的分子结构，把大量难以厌氧消化的秸秆木质素转化为宜被生物降解的炭源，把保护秸秆的蜡质成分降解，可使厌氧菌顺利的进入秸秆的内部，使降解秸秆的速度提高，可实现低成本、大规模的生产。

Description

秸秆大规模厌氧发酵工艺及装置
技术领域
本发明涉及一种用于秸秆大规模厌氧发酵工艺及装置，特别涉及秸秆在流动状态下高负荷厌氧发酵工艺及装置。
背景技术
在国内外在针对秸秆物料特性的厌氧消化反应器方面的研究还非常少。在目前的研究中一致认为秸秆密度小、体积大、不具有流动性，因此，无法使用一般的“连续流”反应器。但是目前的“批式”反应器需要完全停机以装、卸物料，运转周期长，且不能连续、稳定地产气。因此要实现秸秆大规模厌氧，必须要解决秸秆的流化问题，以及在流化状态下厌氧菌种的大量保持问题。由此我们通过与山大的密切合作研发秸秆厌氧流化床生物转化工艺。该工艺借鉴了生物工程技术以方便进、出料。同时，针对不同反应器，研究最优的运行参数，实现专用反应器的高效率的运行。
污水处理中目前流行的厌氧技术如、UASB、EGSB、IC等由于有积负荷髙，出水水质好，自动化程度比较髙，操作管理方便等诸多优点，而被广泛应用于污水处理领域中。这些传统厌氧技术也被应用于有机物厌氧发酵生产沼气的领域中。如中国专利CN1896252(申请号200610088107.1)提供了”一种有机物高效厌氧发酵生产沼气的方法”包括步骤：a.固体有机物原料预处理；b.在厌氧水解反应器内，将预处理后的固态有机物在微生物胞外水解酶的催化作用下，进行高分子有机物水解形成有机小分子溶解在液体中；c.将厌氧水解反应器内形成的有机小分子溶液引入到后续厌氧发酵反应器进行厌氧发酵产甲烷。该发明通过控制厌氧水解反应器内pH值变化，提高有机物厌氧发酵的速率。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种秸秆大规模厌氧发酵工艺及装置。
本发明的技术方案如下：
一种秸秆大规模厌氧发酵工艺，步骤如下：
(1)秸秆预处理
向秸秆中加入白腐真菌(white rot fungi)，堆积3-5天，自然发酵，得到生物处理过的秸秆。通过本步骤预处理可大量分解秸秆中的木质素，释放厌氧可降解的纤维素以及其他多糖物质。
(2)厌氧发酵
将步骤(1)生物处理过的秸秆粉碎至3-8mm，送至厌氧发生器，均匀布料，在温度53±1℃搅拌反应6-7天。将得到的沼气储存，含有菌体的沼渣液体进入下一步骤厌氧菌分离。
在厌氧装置中经过预处理后的秸秆可以被水解酸化菌水解成可溶于水的小分子有机物以及乳状物，并且进一步的充分厌氧得到沼气和厌氧反应底物。产生的沼气及时与悬浮物分离，可提高传质效率。
(3)分离
将步骤(2)得到含有菌体的沼渣液体送进厌氧菌分离装置，保持固体总有机物的含量为78-82克/升，分离得到厌氧菌液体和秸秆有机肥。
在这一步骤中，固体物(总有机物)含量在罐中一直保持稳定，这样才能即能保证罐内的混合液的流动性，又能保证厌氧装置的容积负荷一直处于高负荷状态。
(4)步骤(3)分离出厌氧菌液体再用于另一个循环，与经步骤(1)预处理的秸秆直接混合，重复进行步骤(2)和步骤(3)操作。
进一步的，将步骤(3)分离出秸秆有机肥脱水、装袋。
进一步的，将步骤(2)得到的沼气进入储气囊储存，加压后可直接使用。
以上各步骤中，本发明未进行详细限定的工艺条件技术人员均可参照传统的厌氧工艺和相关现有技术加以确定。
步骤(1)秸秆预处理中所用的白腐真菌(white rot fungi)可以从菌种保藏中心购得，也可以按现有技术自行制备。
由于在厌氧过程中要消耗一定水分，所以要根据厌氧菌分离过程中检测的总有机物含量适量在步骤(2)中添加水分，使该步骤中的水份含量为15-25％wt。
在原料中，玉米秸秆的热值，约为每公斤3700大卡，每公斤的秸秆可以产生约0.47立方沼气，每立方米沼气的热值相当于5500大卡。本发明使玉米秸秆转化为沼气能量的转化率达到70％，属于充分厌氧，也就是说在秸秆中的有机质大部分转化为甲烷与富含无机元素N、P、K的有机物。
实施本发明的厌氧发酵装置，由进料装置、厌氧发生器、厌氧菌分离装置构成。其中，厌氧发生器顶部设储气囊，用于收集储存产生的沼气，厌氧发生器内上部进料处设有布料装置，用于均匀布料，厌氧发生器内中部设有搅拌装置，厌氧发生器壁设有加热装置和保温层。厌氧发生器下部与厌氧菌分离装置连通，厌氧菌分离装置底部设有厌氧菌液体流出口、上部设有秸秆有机肥输出管口。
所述的进料装置，包括拌料池和泵，拌料池上方设有厌氧菌液体回流进口与厌氧菌分离装置中的厌氧菌液体出口连通。
所述的厌氧反应器中设有料位计、液位计、温度计、pH计、氧化还原电位计等显示反应器中的各项参数的检测装置。
所述厌氧发生器顶部的储气囊优选橡胶囊。
所述厌氧发生器壁上的加热装置是蒸气加热管盘。
本发明的技术特点下：
1、秸秆流体化
秸秆流体化是大规模秸秆厌氧发酵的必须步骤，通过秸秆流体化可以实现大规模、连续操作的同时进行，更重要的是通过秸秆流体化使后续厌氧过程中传质效率能够得到大幅提高。本发明采用的秸秆流体化方法是：首先通过白霉菌真菌预处理对秸秆中的成份调整，大量分解秸秆中的木质素，释放厌氧可以降解的纤维素以及其他多糖物质，然后粉碎。然后通过水泵把预处理后的秸秆输送至厌氧发生器，在厌氧装置中经过预处理后的秸秆可以被水解酸化菌水解成可溶于水的小分子有机物，以及乳状物。通过秸秆的流化预处理，使得厌氧速度大幅提高，并且使搅拌、加热等控制厌氧反应的手段更容易实施。
2、厌氧菌分离
这是保障厌氧高效率的重要手段，传统意义上的秸秆沼渣包含着大量厌氧菌种，在排放沼渣的同时把水中的氮磷营养物质以及大量的菌种液排出反应器，造成了厌氧菌数量下降、厌氧反应速度降低的后果。本发明采用厌氧菌分离装置将厌氧菌种进行分离，将分离得到的厌氧菌种循环回厌氧反应器中，目的就是为了保持厌氧反应器中厌氧菌高浓度，在操作的过程中仅仅排放秸秆厌氧反应残渣，使厌氧反应器中一直保存大量的厌氧菌。这样就能够保持最大的厌氧效率，现在污水处理中的厌氧装置也是在发明了三项分离技术以后才能够保持大量厌氧菌的同时获得更大的厌氧效率的。另外，正是通过厌氧菌分离装置使反应器中的营养成分得以保留，使纯秸秆发酵不需再添加氮磷等营养物。
本发明的优良效果如下：
1、本发明的方法和装置，通过对秸秆进行生物预处理、然后经过粉碎。使之具有流动性，同时经过厌氧菌的水解酸化过程，使悬浮有机物分解成可溶于水、或者是乳浊液方式的微小有机物，这样在传质过程中效率增加了很多，经过实际运行表明厌氧速度明显提高，是传统秸秆厌氧的10倍以上，并且经过厌氧产生的沼渣通过10多天的高温厌氧，形成细腻的厌氧底物脱水效果好，并且由于在厌氧的过程中微生物的作用，使厌氧底物的氮、磷、钾、腐殖酸的含量大大增加。虽然本发明利用了传统的厌氧工艺，但是不同的是，在秸秆的发酵过程中，不需要再增加氮源，并且在秸秆厌氧过程中真正实现了持续进料与持续出料的方法，并且我们通过生物化学的方式改变了秸秆的分子结构，把大量难以厌氧消化的秸秆木质素转化为宜被生物降解的炭源，把保护秸秆的蜡质(木质素)成分降解，可以使厌氧菌顺利的进入秸秆的内部。这样使降解秸秆的速度就大大提高，使低成本、低造价大规模的秸秆厌氧成为现实。
2、本发明的工艺和装置没有任何的污水、废气、废渣的排放。产生大量的沼气可以作热能使用，能减少废气排放。
3、本发明装置具有重大的经济效益，首先传统的沼渣中含有大量的寄生虫卵、害虫虫卵、以及有害病菌是因为厌氧环境造成的，目前的秸秆厌氧需要添加粪便等厌氧所需的营养物质，并且在常温厌氧下进行，而且没有对原料进行预处理。所以尽管发酵时间很长(6个月以上)，但还是属于不完全厌氧，沼渣的成份中仍存在很多有机成份。因此传统沼渣的经济价值很低，同时由于效率很低，造成产出相对成本偏高，只有沼气能够产生极小的经济价值，但是无法形成商业利润。本发明通过完全厌氧充分杀死秸秆中的生物虫卵，可以作为优质的全营养有机栽培基质使用，本发明可以生产大量优质能源沼气的同时生产高品质的有机基质，该有机肥营养成分高(是传统沼渣的5倍以上)、并且不含任何有害成分，是现代农业的理想基质。本发明使秸秆厌氧综合效益明显增加，每处理一吨秸秆可以产生200元以上的经济效益。可以从根本上解决政府补贴沼气的作法，把秸秆沼气能够真正实现企业化发展。
附图说明
图1是本发明的厌氧发酵装置示意图，其中，1、料池，2、料池上的厌氧菌液体回流口，3、泵，4、厌氧发生器，5、储气囊，6、布料装置，7、搅拌装置，8、加热管盘，9、厌氧菌分离装置，10、厌氧菌液体流出口，11、秸秆有机肥输出管口，12、接料车。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限于此，本领域的技术人员可以根据现有技术进行适当等同替代，达到同样的技术效果。
实施例1：
厌氧发酵装置，结构如图1所示，料池1上设有厌氧菌液体回流口2，料池中的原料通过泵3进入厌氧发生器4，厌氧发生器4顶部有橡胶储气囊5，厌氧发生器4内上部有布料装置6，搅拌装置7位于厌氧发生器4内中间，蒸气加热管盘8盘绕在厌氧发生器4壁上，其外是保温层。厌氧发生器4下部连通厌氧菌分离装置9，厌氧菌分离装置9底部有厌氧菌液体流出口10，厌氧菌分离装置9上部有秸秆有机肥输出管口11，秸秆有机肥输出管口11下方是接料车12。厌氧反应器还设有料位计、液位计、温度计、pH计、氧化还原电位计等显示反应器中的各项参数的检测装置。
实施例2：一种秸秆大规模厌氧发酵工艺，利用实施例1的装置进行，步骤如下：
(1)秸秆预处理
向秸秆中加入白腐真菌(white rot fungi)，堆积5天，自然发酵，得到生物处理过的秸秆。
(2)厌氧发酵
将步骤(1)生物处理过的秸秆粉碎至4-5mm，放入料池1，用泵3送至厌氧发生器4，通过布料装置6均匀布料，在温度53±1℃搅拌反应7天。将得到的沼气储存于厌氧发生器4我顶部有橡胶储气囊5，含有菌体的沼渣液体进入下一步骤厌氧菌分离。
本步骤中pH计设置为7.2±0.1、氧化还原电位计设置为-150～400。
(3)分离
将步骤(2)得到含有菌体的沼渣液体输送进厌氧菌分离装置9，保持固体总有机物的含量为80克/升，分离得到厌氧菌液体和秸秆有机肥。
(4)步骤(3)分离出厌氧菌液体从厌氧菌分离装置9底部有厌氧菌液体流出口10通过厌氧菌液体回流口2再进入料池1与生物处理过的秸秆混合，用于下一循环，重复进行步骤(2)和步骤(3)操作。
(5)将步骤(3)分离得到的秸秆有机肥脱水、装袋。
将步骤(2)得到的沼气进入储气囊储存，加压后可直接使用。

Claims (7)

1.一种秸秆大规模厌氧发酵方法，步骤如下：
(1)秸秆预处理
向秸秆中加入白腐真菌(white rot fungi)，堆积3-5天，自然发酵，得到生物处理过的秸秆；
(2)厌氧发酵
将步骤(1)生物处理过的秸秆粉碎至3-8mm，送至厌氧发生器，均匀布料，在温度53±1℃搅拌反应6-7天；将得到的沼气储存，含有菌体的沼渣液体进入下一步骤厌氧菌分离；
(3)分离
将步骤(2)得到含有菌体的沼渣液体送进厌氧菌分离装置，保持固体总有机物的含量为78-82克/升，分离得到厌氧菌液体和秸秆有机肥；
(4)步骤(3)分离出厌氧菌液体再用于另一个循环，与经步骤(1)预处理的秸秆直接混合，重复进行步骤(2)和步骤(3)操作。
2.如权利要求1所述的秸秆大规模厌氧发酵方法，其特征在于，进一步将步骤(3)分离出秸秆有机肥脱水、装袋。
3.如权利要求1所述的秸秆大规模厌氧发酵方法，其特征在于，进一步将步骤(2)得到的沼气进入储气囊储存，加压后使用。
4.一种实施权利要求1方法的的厌氧发酵装置，其特征在于由进料装置、厌氧发生器、厌氧菌分离装置构成；其中，厌氧发生器顶部设储气囊，用于收集储存产生的沼气，厌氧发生器内上部进料处设有布料装置，用于均匀布料，厌氧发生器内中部设有搅拌装置，厌氧发生器壁设有加热装置和保温层；厌氧发生器下部与厌氧菌分离装置连通，厌氧菌分离装置底部设有厌氧菌液体流出口、上部设有秸秆有机肥输出管口。
5.如权利要求4所述的厌氧发酵装置，其特征在于所述的进料装置，包括拌料池和泵，拌料池上方设有厌氧菌液体回流进口与厌氧菌分离装置中的厌氧菌液体出口连通。
6.如权利要求4所述的厌氧发酵装置，其特征在于所述厌氧发生器顶部的储气囊是橡胶囊。
7.如权利要求4所述的厌氧发酵装置，其特征在于所述厌氧发生器壁上的加热装置是蒸气加热管盘。
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