CN101497893A - 基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺及制气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，包括以下步骤：A.将生物质秸秆原料进行物理与生物综合预处理；B.将步骤A中综合预处理的生物质秸秆原料充分降解后的与发酵接种菌种一并投入厌氧发酵反应器中厌氧反应并产生沼气；C.将步骤B产出的沼气进行脱硫后进入储气装置，然后经输送管网到达用户；D.将步骤B中厌氧反应完毕的沼渣、沼液排出，经过物理分离后，沼渣做固体有机肥料使用；沼液回流厌氧发酵反应器中二次利用。同时本发明还公开了一种基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气的装置。传统秸秆预处理时间为10～15天，利用本工艺秸秆降解时间仅为5天，而且降解效率为传统工艺的1.3～1.5倍。

Description

基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺及制气装置
技术领域
本发明涉及一种生物质制取沼气技术，特别涉及一种基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺及制气装置。
背景技术
目前我国是世界上最大的农业生产国，每年产生各类作物秸秆6~7亿吨，其利用率约为33％，其中经过技术处理利用的仅占2.6％。大量秸秆未被利用，不但浪费了资源，而且由于大量秸秆的露天焚烧，导致严重的大气污染、并引发火灾和影响高速公路与民航的运行安全。因此，如何有效的处理和利用秸秆是我国农村面临的主要资源环境问题之一。
另一方面，目前全国已建成户用沼气池2000多万户，建成畜禽养殖场大中型沼气工程2000多处，年产沼气总量达到70亿多立方米。计划到2010年，我国户用沼气总数要达到4000万户，2016年要达到6000万户。但是，我国目前沼气生产的主要原料是畜禽粪便，畜禽粪便只有在有养殖场的地方才可获得，并不是所有的地方都有。随着户用沼气的推广和社会主义新农村建设的发展，村镇建设趋于规模化，我国沼气生产需要在更大规模和更大范围内进行推广，沼气生产原料问题就逐步显露了出来，并将成为制约我国沼气大规模推广应用的“瓶颈”，因此，迫切需要开发其他的原料来源。秸秆分布在我国广大的种植区域，呈“面”分布，来源十分广泛，数量巨大，可充分利用，不像畜禽粪便那样受区域限制，是除畜禽粪便外，最便于利用的大宗沼气生产原料。2007年，农业部把秸秆沼气生产技术列为我国农业和农村“十大节能减排技术”之首。同时由于利用传统的湿法发酵进行秸秆制沼气困难较大，湿法技术的发酵耗材高、处理干物质的成本高等一系列缺点，限制了其适应的范围和地域。利用秸秆进行干法发酵制备沼气进行显得异常迫切。
但是，但是由于秸秆含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，并相互交织在一起，表面还包裹了一层蜡质层，起支撑、保护及避免微生物侵袭的作用，从而使得秸秆生物自然降解极其缓慢；另外秸秆还具有密度小、体积大，不具有流动性等物料特性，因此传统的秸秆沼气生产技术存在着反应器容积大、产气率低、易结壳、进出料难等一系列问题。由于秸秆不同的理化性质和难生物降解特性，从90年代起，欧美等国大量资助了新型的间歇式干法沼气发酵技术的研究，并有部分应用，但由于连续性干法沼气发酵工艺太复杂、成本过高，因此未能得到推广。目前，秸秆尚没有大规模用于沼气的生产。研究以秸秆为原料生产沼气技术显得十分必要，它对解决日益严重的秸秆污染问题，开发可再生清洁能源具有重要的意义，并具有更为广阔的发展前景。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种工艺简单、成本低、产气率高、易操作、设备结构简单的基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺及制气装置。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，包括以下步骤：
A.将生物质秸秆原料进行物理与生物综合预处理；
B.将步骤A中综合预处理的生物质秸秆原料充分降解后的与发酵接种菌种一并投入厌氧发酵反应器中厌氧反应并产生沼气；
C.将步骤B产出的沼气进行脱硫后进入储气装置，然后经输送管网到达用户；
D.将步骤B中厌氧反应完毕的沼渣、沼液排出，经过物理分离后，沼渣做固体有机肥料使用；沼液回流厌氧发酵反应器中二次利用。
所述步骤A和B中的生物质秸秆原料是玉米秸秆、小麦秸秆和稻草中的一种或多种组合。
所述步骤A中的物理预处理是指将生物质秸秆原料粉碎至丝状，将粉碎后的生物质秸秆原料放入预处理池。
所述粉碎是指粉碎机采用纵切方式将生物质秸秆原料粉碎至呈丝状，比头发丝略粗，此种粉碎方法最大程度的破坏了秸秆的外壳，更容易进行发酵，而且纵切揉搓相比传统粉碎工艺能耗并没有增加。
所述步骤A中的生物预处理是指将事先培养好的好氧复合菌种加入到已放入物理预处理完的生物质秸秆原料的预处理池，并搅拌均匀。
所述好氧复合菌种是指采用白腐菌与酵素菌培养组成的复合菌种，该复合菌种与生物质秸秆原料均匀混合后，有非常强大的秸秆降解作用。
所述步骤A中物理与生物综合预处理时间为5天。
一种基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气的装置，其为卧式厌氧发酵反应器，卧式厌氧发酵反应器内部搅拌装置为涡型叶片搅拌装置，涡型叶片搅拌装置包括三个涡型结构的叶片，三个涡型结构的叶片固定于厌氧发酵反应器的转动轴上。
所述卧式厌氧发酵反应器的进料端为螺旋结构，出料端采用输送带。
本发明中的预处理池、储气装置、输送管网和粉碎机均为现有设备；厌氧发酵反应器除了前述的结构外，均与现有设备一致；步骤C中的沼气脱硫、步骤D中的物理分离均为现有技术；采用白腐菌与酵素菌培养复合菌种为现有技术。综上所述的现有设备和现有技术在此不再赘述。
本发明采用一种利用好氧复合菌种进行纯秸秆快速降解的干发酵高效制取沼气装置与工艺技术。本工艺以玉米秸秆、小麦秸秆、稻草为主的生物质作为原料。
首先将原料进行物理与生物综合预处理；物理预处理将秸秆粉碎至丝状，最大程度的破坏了秸秆的外壳，将粉碎后的秸秆放入预处理池，然后将事先培养好的好氧复合菌种加入到预处理池并搅拌均匀。
5天后，秸秆完成充分降解，将充分降解后的秸秆与发酵接种菌种一并投入厌氧发酵反应器，厌氧反应器呈卧式结构，内部设有涡型叶片搅拌装置，对混合物进行强力搅拌，保证传热传质效果以及产气的顺畅性。
厌氧池可以连续产气40—60天，产出的沼气进行简单脱硫后进入储气装置方便用户安全使用，排出的沼渣、沼液经过简单的物理分离后，沼液回流厌氧发酵池二次利用，沼渣呈固态不仅便于运输，而且是上好的有机肥。
发明的特点：
1、秸秆物理与生物综合预处理：
作物秸秆的木质纤维素含量高，不易被厌氧菌消化，并且由于木质素在植物细胞壁中常与纤维素、半纤维素、碳水化合物等成分“包裹”在一起，还会进一步阻碍厌氧菌对半纤维素和纤维素的作用，导致物料的整体消化效率不高、产气量低，投入产出效益差；
秸秆预处理的方法一般分为物理法、生物法、化学法，物理法操作简单，成本低廉，生物法效果最好最直接。本技术采用物理法与生物法相结合，最大程度的对秸秆进行预处理，提高产气率与预处理时间。
1)粉碎，改横切为纵切，秸秆粉碎后呈丝状。比头发丝略粗，此种特殊的粉碎方法最大程度的破坏了秸秆的外壳，更容易进行发酵，而且纵切揉搓相比传统粉碎工艺能耗并没有增加。
2)加优选的好氧复合菌种进行预处理，短时间内充分降解秸秆
选择性能较好的好氧降解菌种可以使木质纤维素降解率大幅提高，为下一步的秸秆发酵产沼气打下坚实基础。本工艺采用白腐菌与酵素菌等集中菌类进行培养，组成复合菌种，改复合菌种与秸秆均匀混合后，有非常强大的秸秆降解作用。
传统秸秆预处理时间为10～15天，本工艺状态下利用物理方法与优选的好氧菌种共同配合作用，秸秆降解时间仅为5天，而且降解效率为传统工艺的1.3～1.5倍。以玉米秸秆为例，纤维素降解达60～65％，木质素达到15～18％左右。在接种后，原料产气率>0.45m3/kg(秸秆)容积产气率>0.7m3/m3.d.
2、反应器的改进——增加了涡型强力搅拌装置
本流程中厌氧发酵反应器采用内部带有涡型强化搅拌装置的“卧式”厌氧发酵反应器，有效地克制了入料后易“膨胀”、“上浮”和传热性能差等问题，改善了生物反应条件，显著提高了厌氧消化速率；进、出料采用螺旋和输送带，大大降低了劳动强度，提高了生产效率。
涡型强力搅拌装置主要通过三个涡型结构的叶片，在旋转中由于独特的涡型结构，力量传导均匀，搅拌阻力相对较小，可以最大范围的破坏结壳的物料，增加传热传质效果。
附图说明
图1是本发明工艺图；
图2是制气装置的涡型叶片结构示意图；
其中1.叶片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1中，一种基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，包括以下步骤：
A.将生物质秸秆原料进行物理与生物综合预处理；
B.将步骤A中综合预处理的生物质秸秆原料充分降解后的与发酵接种菌种一并投入厌氧发酵反应器中厌氧反应并产生沼气；
C.将步骤B产出的沼气进行脱硫后进入储气装置，然后经输送管网到达用户；
D.将步骤B中厌氧反应完毕的沼渣、沼液排出，经过物理分离后，沼渣做固体有机肥料使用；沼液回流厌氧发酵反应器中二次利用。
步骤A和B中的生物质秸秆原料是玉米秸秆、小麦秸秆和稻草中的一种或多种组合。
步骤A中的物理预处理是指将生物质秸秆原料粉碎至丝状，将粉碎后的生物质秸秆原料放入预处理池。
粉碎是指粉碎机采用纵切方式将生物质秸秆原料粉碎至呈丝状，比头发丝略粗，此种粉碎方法最大程度的破坏了秸秆的外壳，更容易进行发酵，而且纵切揉搓相比传统粉碎工艺能耗并没有增加。
步骤A中的生物预处理是指将事先培养好的好氧复合菌种加入到已放入物理预处理完的生物质秸秆原料的预处理池，并搅拌均匀。
好氧复合菌种是指采用白腐菌与酵素菌培养组成的复合菌种，该复合菌种与生物质秸秆原料均匀混合后，有非常强大的秸秆降解作用。
步骤A中物理与生物综合预处理时间为5天。
本工艺以玉米秸秆、小麦秸秆、稻草为主的生物质作为原料。
首先将原料进行物理与生物综合预处理；物理预处理将秸秆粉碎至丝状，最大程度的破坏了秸秆的外壳，将粉碎后的秸秆放入预处理池，然后将事先培养好的好氧复合菌种加入到预处理池并搅拌均匀。
5天后，秸秆完成充分降解，将充分降解后的秸秆与发酵接种菌种一并投入厌氧发酵反应器，厌氧反应器呈卧式结构，内部设有涡型叶片搅拌装置，对混合物进行强力搅拌，保证传热传质效果以及产气的顺畅性。
厌氧池可以连续产气40—60天，产出的沼气进行简单脱硫后进入储气装置方便用户安全使用，排出的沼渣、沼液经过简单的物理分离后，沼液回流厌氧发酵池二次利用，沼渣呈固态不仅便于运输，而且是上好的有机肥。
秸秆物理与生物综合预处理：
作物秸秆的木质纤维素含量高，不易被厌氧菌消化，并且由于木质素在植物细胞壁中常与纤维素、半纤维素、碳水化合物等成分“包裹”在一起，还会进一步阻碍厌氧菌对半纤维素和纤维素的作用，导致物料的整体消化效率不高、产气量低，投入产出效益差；
秸秆预处理的方法一般分为物理法、生物法、化学法，物理法操作简单，成本低廉，生物法效果最好最直接。本技术采用物理法与生物法相结合，最大程度的对秸秆进行预处理，提高产气率与预处理时间。
1)粉碎，改横切为纵切，秸秆粉碎后呈丝状。比头发丝略粗，此种特殊的粉碎方法最大程度的破坏了秸秆的外壳，更容易进行发酵，而且纵切揉搓相比传统粉碎工艺能耗并没有增加。
2)加优选的好氧复合菌种进行预处理，短时间内充分降解秸秆
选择性能较好的好氧降解菌种可以使木质纤维素降解率大幅提高，为下一步的秸秆发酵产沼气打下坚实基础。本工艺采用白腐菌与酵素菌等集中菌类进行培养，组成复合菌种，改复合菌种与秸秆均匀混合后，有非常强大的秸秆降解作用。
传统秸秆预处理时间为10～15天，本工艺状态下利用物理方法与优选的好氧菌种共同配合作用，秸秆降解时间仅为5天，而且降解效率为传统工艺的1.3～1.5倍。以玉米秸秆为例，纤维素降解达60～65％，木质素达到15～18％左右。在接种后，原料产气率>0.45m3/kg(秸秆)容积产气率>0.7m3/m3.d.
如图2所示，一种基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气的装置，其为卧式厌氧发酵反应器，卧式厌氧发酵反应器内部搅拌装置为涡型叶片搅拌装置，涡型叶片搅拌装置包括三个涡型结构的叶片1，三个涡型结构的叶片1固定于厌氧发酵反应器的转动轴上。
流程中厌氧发酵反应器采用内部带有涡型强化搅拌装置的“卧式”厌氧发酵反应器，有效地克制了入料后易“膨胀”、“上浮”和传热性能差等问题，改善了生物反应条件，显著提高了厌氧消化速率；卧式厌氧发酵反应器的进料端为螺旋结构，出料端采用输送带，大大降低了劳动强度，提高了生产效率。
涡型强力搅拌装置主要通过三个涡型结构的叶片1，在旋转中由于独特的涡型结构，力量传导均匀，搅拌阻力相对较小，可以最大范围的破坏结壳的物料，增加传热传质效果。

Claims (9)

1.一种基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，其特征在于，包括以下步骤：
A.将生物质秸秆原料进行物理与生物综合预处理；
B.将步骤A中综合预处理的生物质秸秆原料充分降解后的与发酵接种菌种一并投入厌氧发酵反应器中厌氧反应并产生沼气；
C.将步骤B产出的沼气进行脱硫后进入储气装置，然后经输送管网到达用户；
D.将步骤B中厌氧反应完毕的沼渣、沼液排出，经过物理分离后，沼渣做固体有机肥料使用；沼液回流厌氧发酵反应器中二次利用。
2.根据权利要求1所述的基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，其特征在于：所述步骤A和B中的生物质秸秆原料是玉米秸秆、小麦秸秆和稻草中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，其特征在于：所述步骤A中的物理预处理是指将生物质秸秆原料粉碎至丝状，将粉碎后的生物质秸秆原料放入预处理池。
4.根据权利要求3所述的基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，其特征在于：所述粉碎是指粉碎机采用纵切方式将生物质秸秆原料粉碎至呈丝状，此种粉碎方法最大程度的破坏了秸秆的外壳，更容易进行发酵，而且纵切揉搓相比传统粉碎工艺能耗并没有增加。
5.根据权利要求1所述的基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，其特征在于：所述步骤A中的生物预处理是指将事先培养好的好氧复合菌种加入到已放入物理预处理完的生物质秸秆原料的预处理池，并搅拌均匀。
6.根据权利要求5所述的基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，其特征在于：所述好氧复合菌种是指采用白腐菌与酵素菌培养组成的复合菌种，该复合菌种与生物质秸秆原料均匀混合后，有非常强大的秸秆降解作用。
7.根据权利要求1所述的基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，其特征在于：所述步骤A中物理与生物综合预处理时间为5天。
8 一种基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气的装置，其为卧式厌氧发酵反应器，其特征在于：卧式厌氧发酵反应器内部搅拌装置为涡型叶片搅拌装置，涡型叶片搅拌装置包括三个涡型结构的叶片，三个涡型结构的叶片固定于厌氧发酵反应器的转动轴上。
9.根据权利要求8所述的基于复合菌种降解的纯秸秆发酵制取沼气工艺，其特征在于：所述卧式厌氧发酵反应器的进料端为螺旋结构，出料端采用输送带。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090805