CN101717792A - 利用水葫芦与水浮莲制取生物质能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用水葫芦与水浮莲制取生物质能的方法，属于环境保护与生物质能利用领域。放养水葫芦与水浮莲或将两者混养，轮流打捞，打捞后的水葫芦与水浮莲经强化酸化处理，再经螺旋式挤压固液分离，所获得的挤压汁与挤压渣分别进行厌氧发酵产沼气，将分离后的沼液再添加部分化学氮、磷等养分，回流到水体中。本发明大大提高了反应器有机负荷、滞留时间由1 5天缩短到3天、容积产气率由0.3m3/m3 d提高到0.8m3/m3 d以上与投资效率提高30％以上。厌氧发酵后的水葫芦与水浮莲渣，再经高温堆制后，可作为有机肥或栽培基质使用，这样可长期周年利用水葫芦与水浮莲制取获得生物质能，本发明开辟了一条生物质能利用的新途径。

Description

利用水葫芦与水浮莲制取生物质能的方法
技术领域：
本发明涉及利用水葫芦与水浮莲制取生物质能的方法，是利用水生植物捕获太阳能获取生物质的方法，同时，也是将富营养化水体修复及水葫芦与水浮莲能源化利用相结合的一种方法，是水葫芦与水浮莲能源化利用的关键技术，属于环境保护与生物质能利用领域。
背景技术：
将水葫芦用作厌氧发酵原料产沼气最早可追溯到上世纪的七十年代，国外Hanisak(1980)较早报道了水葫芦产气潜力，此后，又有大量试验研究结果。由于众多研究是在不同条件下进行，其水葫芦产气潜力结果相差较大，Ellegard etal(1983)以水葫芦为唯一底物，获得的产气潜力为400ml/gVS，而Chynoweth et al(1983)同样以水葫芦为唯一底物，其获得的产气潜力仅为190ml/gVS，Chanakya et al(1993)分别用鲜样与风干样水葫芦为底物，采用批次方法，常温下，发酵300天，所获得的鲜、风干样产气潜力分别为291、245ml/gTS，348、292ml/gVS。
我国四川成都食品公司水葫芦科研组，于1979-1980年进行了水葫芦与秸秆产气潜力对比研究，认为水葫芦产气潜力高于秸秆，可达400ml/gTS，查国君等(2006)报道的水葫芦在25℃恒温条件下，其TS产气潜力为634ml/g，VS产气潜力为834ml/g，新鲜原料产气潜力为33.36mL/g，该试验数据明显高于其它文献报道的结果。
Chanakya，et.al(1993)研究发现，水葫芦虽然含有较高的可发酵物质，具有较高的产气潜力，但因较高木素质含量，影响了水葫芦的实际生物产气量。此外，由于水葫芦比重轻，含水量高，不仅使反应器中有机负荷量调节困难，也由于它飘浮的特性，使反应器进出料增加难度且易堵塞，即是将水葫芦切碎在传统的批次反应器中仍然存在困难(Abbasi et al，1992)，因此，水葫芦的预处理技术对利用水葫芦进行产能利用尤为重要。
水葫芦的切碎处理，因增加微生物接触底物的比表面积，而有利于提高产气(Haung，1993)，Moorhead and Nordstedt(1993)在中温条件下，研究了不同接种量以及氮水平条件下，切碎不同长短对水葫芦产气的影响，当接种量最大(4.7∶10，W/V)与C/N比最小(C/N为15)条件下，切碎水葫芦为6.04mm长，较1.6与12.7mm长，可获得了更高的产气量。
兰吉武等(2004)比较了简单切分与粉碎对水葫芦产气率的影响，结果发现简单切分比粉碎可以获得更高的产气量与产气率，分析其原因认为：水葫芦酸化反应与甲烷化反应间存在一个平衡点，粉碎样水葫芦粒度小，酸化速度过快，不利于酸化反应与产甲烷反应之间的平衡；简单切分样酸化速率较慢，酸化反应与产甲烷反应达到更好的平衡，有利于反应进行。另一方面，简单切分样孔隙率高，产气更易溢出，在一定程度上促进了厌氧发酵反应的进行。
Patel et al(1993a)采用热化学方法，在pH值11、121℃条件下处理1小时，以减轻木素质对纤维素与半纤维素生物降解的影响，结果处理组产气效率与产气量较对照提高了60％；Ali et al，(2004)应用真菌或化学方法对水葫芦进行预处理，也增加了水葫芦产气量。
众多研究结果还发现，在以水葫芦为底物的厌氧发酵试验中，一些金属元素的添加，如：Fe3+，Zn2+，Ni2+，Co2+，and Cu2+，不仅有利产气，提高产气量，还可以提高气体中甲烷含量与系统运行的稳定性(Patel et al，1993b)。Geeta et al(1990)报道在水葫芦厌氧发酵过程中添加Ni，同样可以增加水葫芦或水葫芦与奶牛粪便混合的产气量。添加不同形态的硼化合物也起到促进水葫芦中有机物降解、提高产气量的作用(Singh，et al 1993)。Patel et al(1992)还试验了不同吸附材料对水葫芦产气效率的影响，结果表明在厌氧反应器中添加一定的的活性碳、硅胶及铝粉等，均一定程度上提高了产气率，同时还减少了出水中COD、BOD的量。
将水葫芦与其它畜禽粪便或人粪尿混合发酵，因粪便可以为水葫芦发酵提供更多微生物数量、更丰富的生物多样性以及更多的养分，而可以增加水葫芦本身的产气量与产气效率(El-Shinnawi et al.，1989；Kumar，2005)。
为了克服水葫芦易飘浮、易堵塞进出料管道以及进料困难、产气效率低的缺点，许多科技工作者，进行了不同工艺发酵试验，Annachhatre and Khanna(1987)用碱进行预处理、结合细胞固定化技术，采用两相法，即：酸化相与产甲烷相，获得了比批次工艺高得多的产气效率(0.44l/g·d(干基)。
近年，直接从水葫芦酸化过程中提取挥发性脂肪酸，然后采用液体进料方式进行连续发酵产沼气研究工作，也有众多报道(Abbasi and Ramasamy，1996、1999)。Abbasi等(1996)试验将水葫芦放在一个可连续搅拌的酸化反应器中，用部分畜禽粪便作为接种物，让水葫芦进行发酵，将发酵产生的挥发性有机酸引入UAF反应器中，用经驯化过的污泥作接种物，进行厌氧发酵，获得了甲烷含量60％、产气量为0.38m3/kgVAF d的结果。Kivaisi and Mtila(1998)通过对有机负荷、水力滞留时间以及在酸化反应器中稀释度进行优化，酸化采用瘤胃式反应器，厌氧反应采用UASB工艺，结果水葫芦酸化过程中产生的有机酸100％地转化成了沼气。
针对农村水压式沼气池畜禽粪便来源短缺的问题，Sankar Ganesh等(2005)1设计了一种简便的水葫芦产酸相反应器，把从酸化相中产生的VFA导入沼气池，该方法与以畜禽粪便为唯一底物的对照池相比，产气量提高了20％。Sharma et al(1999)设计了一种批次三相厌氧发酵工艺，即碱预处理反应器、酸化反应器与厌氧消化反应器；Ganesh et al(2005)在综合各种资料及试验结果后，认为：在小型厌氧发酵装置上，可以采用一种更经济、更简便的方法，构建成水葫芦两相发酵反应器，并指出可以用塑料桶、带有龙头的塑料袋以及皮管等作为获取水葫芦酸解液的反应器。
以上的大量研究报道，均是以水葫芦为材料进行了实验室研究结果，其技术主要针对水葫芦处置以及小型发酵装置，均未将水葫芦作为能源作物进行了能源化利用研究工作。
有关水葫芦能源利用技术，国内已有部分专利公开，其中：
公开号为CN1740328专利，提出了一种综合利用水葫芦植株残体生产沼气的方法及装置，其步骤包括：用除草剂对水葫芦叶面进行喷雾，使水葫芦根系腐烂，植株失水而散架，水葫芦失水减重后，打捞收集水葫芦植株残体；将水葫芦植株残体置于浸泡池中与生活废水混合并浸泡，通过双剪切机将植株破碎，加入适量发酵剂，制得水葫芦植株残体发酵料；再将发酵料送到水葫芦植株残体发酵池进行厌氧发酵，生产沼气。
公开号为CN101407827的专利，提出了一种提高沼气发酵原料产气率的方法。所述方法包括：制备植物源接种物，植物源接种物的原料包括水葫芦干基、EM菌和沼液，其中，水葫芦干基来自打捞江河的水葫芦经切碎、晒干所得；取发酵池沼液加温至23℃-25℃，倒入EM菌拌匀，投入水葫芦干基，在23℃-25℃的环境中浸泡24小时，得植物源接种物，然后将植物源接种物与发酵原料一并投入沼气发酵池内；沼气发酵池的温度为大于或等于23℃。
公开号为CN101275150的专利，提出一种水葫芦沼气能源化发酵方法。包括：水葫芦粉碎后直接发酵或将水葫芦汁液发酵，pH值调节为6～8；C/N调节为20～30∶1；采用厌氧活性污泥或已有的沼液进行微生物接种，接种量10～40％；冬季设定20℃～40℃，夏季设定40℃～55℃；用水泵将发酵罐底部发酵液抽出再从发酵罐顶部淋喷或利用机械搅拌使发酵原料分布均匀。
公开号为CN1699582专利，提出了一种以水浮莲为主原料提取酒精的方法，该方法是将新鲜水浮莲洗净切碎，然后将其高温蒸煮或机械澎化与曲霉糖化剂混合后进行干放糖化，而后加入酒母粉及发酵种进行再次糖化，再将糖化后的混合料装缸、加水、密封发酵，将发酵好的混合料蒸馏、冷却后提取粗酒精，最后再精馏、用纯苯进行脱水即得。
以上专利发明虽提出了水葫芦厌氧发酵产沼气的方法，但没有提出人工放养水葫芦、水浮莲作为能源植物而加以能源化利用，也没有人提出将水浮莲通过厌氧技术途径进行能源化利用，其次，部分专利或文章提出了将水葫芦酸化，但没有提出强化酸化技术，再其次，虽有研究者提出将水葫芦酸化后，将酸化液进行厌氧发酵，但没有提出对酸化的水葫芦与水浮莲进行机械固液分离处理，同时，也没有提出将固液分离后的残渣进行固态厌氧产沼气，因此，现有技术难以适应工程化应用，且将水葫芦作为能源化利用的效率也较低。
发明内容：
技术问题  本发明的目的在于，通过人工放养水葫芦与水浮莲，并将水葫芦产生的沼液回流到水体，再通过添加部分氮、磷养分或吸纳部分生活污水，可实现水葫芦与水浮莲长年不断生长且获得较高的生产量；通过对水葫芦与水浮莲强化酸化处理，不仅便于后续的固液分离，同时，使更多的可生化降解的物质进入到挤压汁中，可以大大提高水葫芦与水浮莲的能源化利用效率，将水葫芦挤压渣进行固态厌氧发酵，可以获得更多的生物质能。
技术方案
利用水葫芦与水浮莲制取生物质能的方法，其特征在于：
1)原料  放养水葫芦或水浮莲或将两者混养，轮次打捞，打捞的水葫芦与水浮莲粉碎。水葫芦与水浮莲按面积比为1∶1进行混养。
2)强化处理  第一次先按体积比0.05％的量接种乳酸菌种子液，种子液中乳酸菌数量为2×108CFU/ml；再添加干物质重量比0.05％的糖蜜，进行酸化，使水葫芦与水浮莲2-3天酸化到pH值4.5以下，螺旋挤压机进行固液分离；
从第二次开始，将固液分离后的挤压汁按需处理原料体积的10％回流到酸化池中，并不再接种乳酸菌，使水葫芦与水浮莲2-3天酸化到pH值4.5以下，酸化处理后，再采用型螺旋挤压机进行固液分离；
3)挤压汁发酵处理
固液分离后的挤压汁，液体中COD浓度为15000-20000mg/L，留占需要酸化处理原料体积的10％挤压汁作为接种物，回流到酸化池；其余挤压汁，采用1000立方米的CSTR厌氧消化池进行厌氧发酵产沼气，水力滞留时间HRT为72小时；经厌氧发酵后产生的沼液作为肥料利用，可以将水葫芦与水浮莲挤压汁经厌氧发酵后产生的沼液，采用网孔为200目的斜振动筛进行分离，分离后的沼液，当放养水葫芦与水浮莲的水体中氮、磷低于5mg/L、0.5mg/L时，将沼液添加化学肥料氮磷后，回流到水葫芦、水浮莲原料生长的水体中，添加的氮磷量须使水体中氮磷含量维持在5mg/L、0.5mg/L以上，为不断生长的水葫芦、水浮莲提供营养。可以按每立方沼液添加1公斤尿素、1公斤过磷酸钙的量添加化学氮、磷养分后将沼液回流到水葫芦、水浮莲原料生长的水体中，为不断生长的水葫芦、水浮莲提供营养。
4)挤压渣发酵处理
挤压后的水葫芦与水浮莲渣采用批次厌氧发酵方法产沼气，即将挤压渣650吨放入一10×20×3.5米的水泥池中，池顶用软性塑料进行封闭，同时按体积比20％接种沼渣，然后进行厌氧发酵产沼气，厌氧发酵20天；
发酵结束后，将厌氧发酵残余物送至堆肥厂进行有氧高温(65℃)堆肥30天，然后进行风干，作为有机肥。
有益效果
本发明的优点在于：可利用滩涂框围而成的水体或富营养化河流、湖泊或相对封闭的水体，如断头浜、小型湖泊、水库等水体作为能源植物生产基地，不与粮食、经济等作物争农田，且利用水葫芦与水浮莲生长快、繁殖能力强、生物量的特点，获取最大的生物质能，此外，还可以与富营养化水体修复相结合，在制取生物质能的同时，获得生态环境与社会效益；针对水葫芦与水浮莲整株植物厌氧发酵易漂浮、滞留时间长、容积产气率低等困难与缺点，发明的强化酸化以及将酸化液与固体部分分开进行厌氧发酵，可大大提高反应器有机负荷、缩短滞留时间、提高容积产气率与投资效率等，从而使水葫芦与水浮莲作为能源植物利用进行企业化运行成为可能。
本发明的技术总体性能指标与同类技术比较的优势在于：利用水体作为能源植物生产基地，不与粮食、经济等作物争农田，制取生物质能，对打捞的水葫芦与水浮莲进行强化酸化处理，可以有效地缩短酸化时间、提高酸化效率，同时有利于后续的固液分离、获得较低含水量的挤压渣，将经酸化处理的水葫芦与水浮莲进行固液分离，然后分别进行厌氧发酵，可以大大提高反应器有机负荷、缩短滞留时间(由15天缩短到3天)、提高容积产气率(由0.3m3/m3·d提高到0.8m3/m3·d以上)与投资效率(提高30％以上)等，从而使水葫芦与水浮莲作为能源植物利用进行企业化运行成为可能。
具体实施方式
实施例1
结合太湖水污染治理，在太湖的竺山湖控制性(即用围网将水葫芦围住，防范水葫芦逃逸)放养水葫芦3000亩，采用打捞船进行打捞，打捞后的水葫芦，经粉碎，粉碎细度为小于5厘米长。
第一次按先按水葫芦的0.05％(w/w)的量接种乳酸菌(Lactobacillus plantarum ACCC11016，来自中国农业微生物菌种保荐中心)种子液，种子液中乳酸菌数量为2×108CFU/ml；再添加干物质重量比0.05％的糖蜜，进行酸化，使水葫芦与水浮莲2-3天酸化到pH值4.5以下；
采用XY型螺旋挤压机(江苏海门农牧机械厂生产)进行固液分离；
从第二次开始，将固液分离后的挤压汁按需处理水葫芦的10％(体积比)回流到酸化池中，并不再接种乳酸菌，使水葫芦与水浮莲2-3天酸化到pH值4.5以下，酸化处理后，再采用XY型螺旋挤压机(江苏海门农牧机械厂生产)进行固液分离；
固液分离后的挤压汁，留约占需要酸化处理水葫芦体积的10％挤压汁作为接种物，回流到酸化池；其余挤压汁(液体中COD浓度为15000-20000mg/L)，采用1000立方米的CSTR厌氧消化池(江苏农业学报2009 25(4)：787-790)进行厌氧发酵产沼气，水力滞留时间(HRT)为72小时，容积产气量为0.8m3/m3·d。经厌氧发酵后产生沼液，贮存后，用吸粪车送到附近桃园作为肥料利用。
挤压后的水葫芦渣采用批次厌氧发酵方法产沼气，即将挤压渣650吨放入一10×20×3.5米的水泥池中，池顶用软性塑料进行封闭，同时按体积比为20％，混合沼渣作为接种物，然后进行厌氧发酵产沼气(农业环境科学学报2009，28(6)：1273-1278)，厌氧发酵20天，容积产气量平均为0.5m3/m3·d，产气量为150ml/gTS。
发酵结束后，采用抓斗机将厌氧发酵残余物清理出水泥池，送至堆肥厂进行有氧常规高温(65℃)堆肥30天，然后进行风干，作为有机肥。
实际收获的含水量为94.5％的水葫芦产量为25吨/亩，获得沼气量为390立方米，其中甲烷含量平均为62％。大大提高反应器有机负荷、滞留时间由15天缩短到3天、容积产气率由0.3m3/m3·d提高到0.8m3/m3·d以上，投资效率提高30％以上。
实施例2
利用一闲置的鱼塘，面积8亩，进行水生能源化植物放养与利用工程，采用水葫芦与水浮莲混养，水葫芦与水浮莲按面积比为1∶1，采用人工打捞，打捞后的水葫芦与水浮莲，经粉碎细度为小于5厘米后，第一次按先按水葫芦与水浮莲0.05％(w/w)的量接种乳酸菌(Lactobacillus plantarum ACCC 11016，来自中国农业微生物菌种保荐中心)种子液，种子液中乳酸菌数量为2×108CFU/ml；再添加干物质重量比0.05％的糖蜜，进行酸化，使水葫芦与水浮莲2-3天酸化到pH值4.5以下，采用XY型螺旋挤压机(江苏海门农牧机械厂生产)进行固液分离；
自第二次开始，将经固液分离后的挤压汁按需处理水葫芦与水浮莲的10％(体积比)回流到酸化池中，并不再接种乳酸菌，使水葫芦与水浮莲2-3天酸化到pH值4.5以下，酸化处理后，再采用XY型螺旋挤压机(江苏海门农牧机械厂生产)进行固液分离；
分离后的挤压汁，液体中COD浓度为15000-20000mg/l，采用5m3的CSTR厌氧消化池发酵产沼气，HRT为72小时，容积产气量为0.8-1.2m3/m3·d。
水葫芦与水浮莲挤压汁经厌氧发酵后产生的沼液，采用网孔为200目的振动筛进行分离，分离后的沼液，按每立方沼液添加1公斤尿素、1公斤过磷酸钙的量添加化学氮、磷等养分，然后将沼液回流到水体中，添加的氮磷量使水体中氮磷含量维持在5、0.5mg/L以上，为不断生长的水葫芦、水浮莲提供营养。
分离挤压后的渣放入直径为1米、高1米的带底与盖的圆桶中，同时接种600公斤沼渣，进行厌氧发酵产沼气，发酵时间为25天，容积产气量平均为0.6m3/m3·d。
水葫芦与水浮莲渣经厌氧发酵后，产生的沼渣，添加20％(重量比)的干稻草(粉碎到长度小于2厘米)，进行简易常规高温堆制，堆制20天后，作为有机肥，施入到农田。
实际收获的含水量为94.8％的水葫芦产量为45吨/亩，获得沼气量为702m3，其中甲烷含量平均为65％。大大提高反应器有机负荷、滞留时间由15天缩短到3天、容积产气率由0.3m3/m3·d提高到0.8m3/m3·d以上，投资效率提高30％以上。

Claims (4)

1.利用水葫芦与水浮莲制取生物质能的方法，其特征在于：
1)原料放养水葫芦或水浮莲或将两者混养，轮次打捞，打捞的水葫芦与水浮莲粉碎后；
2)强化处理第一次先按体积比0.05％的量接种乳酸菌种子液，种子液中乳酸菌数量为2×108CFU/ml；再添加干物质重量比0.05％的糖蜜，进行酸化，使水葫芦与水浮莲2-3天酸化到pH值4.5以下，螺旋挤压机进行固液分离；
从第二次开始，将固液分离后的挤压汁按需处理原料体积的10％回流到酸化池中，并不再接种乳酸菌，使水葫芦与水浮莲2-3天酸化到pH值4.5以下，酸化处理后，再采用型螺旋挤压机进行固液分离；
3)挤压汁发酵处理
固液分离后的挤压汁，液体中COD浓度为15000-20000mg/L，留占需要酸化处理原料体积的10％挤压汁作为接种物，回流到酸化池；其余挤压汁，采用1000立方米的CSTR厌氧消化池进行厌氧发酵产沼气，水力滞留时间HRT为72小时；经厌氧发酵后产生的沼液作为肥料利用；
4)挤压渣发酵处理
挤压后的水葫芦与水浮莲渣采用批次厌氧发酵方法产沼气，即将挤压渣650吨放入一10×20×3.5米的水泥池中，池顶用软性塑料进行封闭，同时按体积比20％接种沼渣，然后进行厌氧发酵产沼气，厌氧发酵20-30天；
发酵结束后，将厌氧发酵残余物送至堆肥厂进行有氧高温65℃堆肥30天，然后进行风干，作为有机肥。
2.根据权利要求1所述的利用水葫芦与水浮莲制取生物质能的方法，其特征在于：其中步骤1)所述的将水葫芦与水浮莲混养，是指将水葫芦与水浮莲按面积比为1∶1进行混养。
3.根据权利要求1或2所述的利用水葫芦与水浮莲制取生物质能的方法，其特征在于：将步骤3)所述的水葫芦与水浮莲挤压汁经厌氧发酵后产生的沼液，采用网孔为200目的斜振动筛进行分离，分离后的沼液，当放养水葫芦与水浮莲的水体中氮、磷低于5mg/L、0.5mg/L时，将沼液添加化学肥料氮磷后，回流到水葫芦、水浮莲原料生长的水体中，添加的氮磷量使水体中氮磷含量维持在5mg/L、0.5mg/L以上，为不断生长的水葫芦、水浮莲提供营养。
4.根据权利要求3所述的利用水葫芦与水浮莲制取生物质能的方法，其特征在于：按每立方沼液添加1公斤尿素、1公斤过磷酸钙的量添加化学氮、磷养分后将沼液回流到水葫芦、水浮莲原料生长的水体中，为不断生长的水葫芦、水浮莲提供营养。
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