CN101818173A

CN101818173A - 一种农作物秸秆干发酵产沼气工艺

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Publication number: CN101818173A
Application number: CN201010148938A
Authority: CN
Inventors: 刘圣勇; 华磊; 郭前辉; 刘亮; 武少菁
Original assignee: Henan Agricultural University
Current assignee: Henan Agricultural University
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: CN101818173B

Abstract

本发明公开了一种农作物秸秆干发酵产沼气工艺。将农作物秸秆铡短，加入水润湿浸泡，泼入秸秆复合菌剂和碳酸氢铵的水溶液并搅拌翻动，控制农作物秸秆的含水率为60～80％；堆垛，待堆垛的温度达到40～60℃时，维持堆沤60～80h，获得发酵料液，其中秸秆复合菌剂添加量为农作物秸秆质量的0.15～0.25％，碳酸氢铵的添加量应保证发酵料液的C/N为25∶1；在发酵料液中加入接种物和促进剂，常温下厌氧发酵产生沼气，其中接种量为15～25％，促进剂添加量为每立方米发酵料液添加55～75g，发酵料液浓度为20～30％，发酵料液pH值为6.0～8.0。本发明优化了农作物秸秆预处理和干发酵工艺条件，大大提高了沼气产气量。

Description

一种农作物秸秆干发酵产沼气工艺

技术领域

本发明属于沼气制备和农作物秸秆能源化利用技术领域，尤其涉及一种农作物秸秆干发酵产沼气工艺。

背景技术

以前沼气的传统原料是禽畜粪便，但由于现在养殖业多采取规模化养殖的方式、粮食涨价等各种原因导致农户散养畜禽的积极性受到影响。所以因原料不足或沼气池缺乏原料，影响了沼气的产量，有的因无发酵原料，沼气池常年不产气，甚至出现弃池现象。

我国农作物秸秆产量丰富，有效利用农作物秸秆等生物质能源，是我国解决农村和城镇生活用能问题的重要途径之一，加快农村沼气建设和大力发展沼气生态农业，是新时期农业发展的主题，也是农村全面建设小康社会的有效途径。一方面，现有的农作物秸秆干发酵产沼气工艺还不成熟，其主要包括农作物秸秆预处理及干发酵两个过程，影响农作物秸秆预处理及干发酵的工艺因素又繁目众多，很难界定哪些是主要因素，哪些是次要因素，现有工艺不能使各工艺因素之间呈现积极的有机协调效应；另一方面，农作物秸秆的特点是木质纤维素含量较高，厌氧微生物的木质纤维素降解消化能力较弱。上述两方面问题导致秸秆厌氧消化率低、产气量少(一般在400L/Kg·TS附近)，从而限制了农作物秸秆生物气生产的大规模应用。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种产气量高的农作物秸秆干发酵产沼气工艺。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种农作物秸秆干发酵产沼气工艺，包括农作物秸秆预处理和干发酵两过程，其特别之处在于：

农作物秸秆预处理：将农作物秸秆铡短，加水润湿浸泡，泼入秸秆复合菌剂和碳酸氢铵的水溶液并搅拌翻动，控制农作物秸秆的含水率为60～80％(质量)；堆垛并在其上留孔，保证内部通气，夏天一般堆置3～4天，春秋季一般4～5天，冬季6天以上，待堆垛的温度达到40～60℃时，维持堆沤60～80h，获得发酵料液；其中秸秆复合菌剂添加量为农作物秸秆质量的0.15～0.25％，碳酸氢铵的添加量应保证发酵料液的C/N为25∶1(质量)；

干发酵：在发酵料液中加入接种物和促进剂，常温(20～30℃)下厌氧发酵产生沼气，其中接种量为15～25％(质量)，促进剂添加量为每立方米发酵料液添加55～75g，发酵料液浓度为20～30％(质量)，发酵料液pH值为6.0～8.0。本发明采用常温发酵，也就是在发酵过程中基本上不进行温度控制，发酵料液的温度随自然温度有规律的进行变化。冬季温度低，对产气影响较大，特别是北方沼气池，应采取相应的保温措施以利于产气。可以在沼气池上覆盖一些未处理的干秸秆和搭建简易塑料棚，为了能连续用气，可将沼气池建在猪舍、大棚内。产甲烷菌是一种严格的厌氧细菌，对氧特别敏感，它们不能在有氧的环境中生存，即使有微量的氧存在，生命活动也会受到抑制。故原料入池后应该是严格的厌氧环境。这就要求沼气池本身及其外界管路要经过严格的试压、试漏，以保证产甲烷菌生存活动的厌氧环境。沼气池内发酵料液的浓度随季节的变化应有所调整，一般在夏季，料液浓度可以低一些，冬季可稍高一些。在发酵过程中，由于初期产酸菌的活动，池内产生大量有机酸，导致pH值下降，若由于配料管理不当，使pH值不能恢复正常水平，即出现产酸现象。此时应抽出一部分沼液同时补充等量高质量的接种物，也可用草木灰或澄清的石灰水中和，如果沼液出现偏碱现象，一般是由于原料基本耗尽，补充原料即可。

较好地，农作物秸秆预处理时，秸秆复合菌剂添加量为农作物秸秆质量的0.25％，农作物秸秆的含水率为70％，堆沤温度为50℃，堆沤时间为80h；干发酵时，接种量为25％，促进剂添加量为75g/(m³发酵料液)，发酵料液浓度为25％，发酵料液pH值为7.0。

所述秸秆复合菌剂为北京合百意生态能源科技开发有限公司生产的“绿秸灵”秸秆预处理复合菌剂，促进剂为北京合百意生态能源科技开发有限公司生产的“绿秸灵”产甲烷促进剂。

接种物为正常产气的沼气池的沼渣或沼液，阴沟、池塘、泥塘的冒泡黑色污泥或含水率82～85％(质量)的牛粪，接种物的pH值为6.5～8.0。如果采集的接种物是正常产气沼气池的沼渣或沼液，可不作处理，直接加入沼气池用于启动。如果采用的接种物是牛粪，需将牛粪堆沤7天，堆沤时用塑料薄膜覆盖。

所述农作物秸秆为玉米杆、麦秆或稻杆。应选用本色、未腐黑的秸秆，刚收割和风干的秸秆均可。农作物秸秆收获后，应及时收集、堆存起来，防止霉变。

整个工艺中所述的水为粪水、坑塘水、河水、自来水或井水，且水的pH值为6.5～7.5，且未受毒害物质污染。过于偏酸或过于偏碱的水应调节好酸碱度后再使用。调节方法：偏酸应加入草木灰或澄清的石灰水溶液，偏碱的情况不多见，加醋酸可以调节。

将农作物秸秆铡短至2～6cm，加入同等质量的水润湿浸泡15～24h。麦秆用粉碎机粉碎，较粗的玉米类秸秆最好用秸秆揉搓机处理，稻草可人工铡短，也可小型铡草机机械铡短。

堆垛时用薄膜或农作物秸秆将堆垛的四周及顶部盖上，顶部留有缝隙，以便通气。

本发明中，农作物秸秆含水率是指一定量的干秸秆与水混合之后水所占的质量百分比，计算公式：

发酵料液的C/N(即碳氮比)是指农作物秸秆与碳酸氢铵中的含碳量总和/农作物秸秆与碳酸氢铵中的含氮量总和，计算公式：

其中，氮素是构成沼气微生物生长作用的重要原料，碳素不仅构成微生物细胞质，而且是提供生命活动的能量；

接种量为接种物的质量占发酵料液的质量百分数；

发酵料液浓度是指发酵料液中干物质含量的质量百分数。

本发明通过严谨的科学实验和认真、精确的数据处理，对农作物秸秆干发酵产沼气工艺进行了优化研究，确定了最佳的农作物秸秆预处理和干发酵工艺条件，从而大大提高沼气产气量。

附图说明

图1：本发明农作物秸秆预处理的正交效应曲线图；

图2：本发明干发酵的正交效应曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此：

以下实施例中所用秸秆复合菌剂为北京合百意生态能源科技开发有限公司生产的“绿秸灵”秸秆预处理复合菌剂，规格：500g/袋；所用促进剂为北京合百意生态能源科技开发有限公司生产的“绿秸灵”产甲烷促进剂，规格：600g/袋；所用碳酸氢铵为农用级碳酸氢氨。

实施例1～9

一种农作物秸秆干发酵产沼气工艺：

农作物秸秆预处理：

1.对材料进行物理处理，将选用的玉米秸秆用秸秆揉搓机进行揉搓和切断，使其长度在2～5cm，最多不要超过6cm；

2.选取切好的玉米秸秆适量，用电子天平称得其质量252g，然后将其放入容器内，加入同等质量的坑塘水，润湿浸泡玉米秸秆15～24h，然后将其均分为9份，每份28g；

3.将选用的秸秆复合菌剂和碳酸氢铵溶于水中，泼在9份经润湿的玉米秸秆上，然后用搅拌棒翻动，补加水，使玉米秸秆与水混合均匀，控制玉米秸秆的含水率达到60～80％，根据经验，用手握紧秸秆，指缝有水含着，或有少量的水滴落，就说明含水率比较合适了；其中秸秆复合菌剂添加量为玉米秸杆质量的0.15～0.25％，碳酸氢铵的添加量应保证发酵料液的C/N为25∶1(质量)，本组实施例中根据实际测算结果知：玉米秸秆中碳氮比为37.5∶1，其中C含量为40.32％，氮的含量为1.075％，而NH₄HCO₃中碳氮比为6∶7，其中C的质量百分含量为：12/(14+5+12+16×3)＝15.19％，N的质量百分比含量为：14/(14+5+12+16×3)＝17.72％。故，经计算可知252g玉米秸秆需添加碳酸氢铵7.92g，即每份0.88g；

4.将含水率达到为60～80％的玉米秸秆堆成垛，并在堆垛上打孔，保证内部通气，然后用薄膜或秸秆将堆垛的四周及顶部盖上，同时顶部要留缝隙，以便通气；

5.待堆垛的温度达到40～60℃后，还要维持堆沤60～80h，直到看到堆垛上有一层白色的菌丝时，就算是堆沤预处理完毕，获得发酵料液；

干发酵：

6.最后再加入接种物(正常产气的沼气池的沼液)和促进剂，然后放入发酵瓶中，常温25℃下进行玉米秸秆的厌氧发酵30天，用排水法收集气体，对产气量进行比较，其中接种量为25％，促进剂添加量为75g/(m³发酵料液)，发酵料液浓度为25％，发酵料液pH值为7.0。

表1详示了在保持干发酵工艺条件一致的情况下，调节农作物秸秆预处理工艺条件(A-复合菌剂添加量：0.15～0.25％，B-含水率：60～80％，C-堆沤温度：40～60℃和D-接种时间：60～80h，农作物秸秆预处理时，堆沤过程其实就是一个微生物进行代谢降解秸秆的过程，维持堆沤时间即是复合菌剂的接种时间，故，以下皆以接种时间代替维持堆沤时间进行说明，不再赘述)的正交试验因素和水平表：

表1 L₉(3⁴)玉米秸秆预处理正交试验因素和水平表

根据正交试验设计表1，实验按照四因素三水平，分9个实施例安排试验，如表2：

表2玉米秸秆预处理正交试验安排

根据实验安排表2，干发酵30天后，分别收集实施例1～9玉米秸秆干发酵所产的沼气，各组产气量如表3，可以很清楚的看到：实施例1的最低产气量12687ml(453.11L/kg·TS)也明显大于传统工艺的沼气产气量400L/kg·TS：

表3各实施例玉米秸秆干发酵产气量

农作物秸秆预处理最佳预处理条件的确定

使用极差分析，见表4：

A.计算出各水平实验结果总和，即水平1、2、3上的K₁、K₂、K₃，并求出K₁、K₂、K₃和K的R值(极差)。

B.选出优水平组合：据R值的大小，排出因素显著性的顺序，并比较K值选出优水平组合。

表4玉米秸秆预处理正交试验结果的极差分析

表4显示的是正交试验的直观分析表，得到极差分析结果，由表4可知，复合菌剂的添加量和含水率对农作物秸秆干发酵的影响较大。

为了更便于观察指标的变化，下面用农作物秸秆预处理正交效应曲线图1来具体描述。从图1可清楚的看到，复合菌剂添加量对农作物秸秆产气量的影响是随着复合菌剂量的增加呈上升趋势的，在添加量为0.25％时，产气量最高；同样，接种时间对农作物秸秆干发酵产气量的影响也是随着温度的升高逐渐升高，在80h时，达到最高；而含水率和pH值的变化都有一定的波动，分别在含水率为70％和堆沤温度为50℃时，产气量达到最大。因此，农作物秸秆干发酵预处理的最佳条件为A₃B₂C₂D₃，即复合菌剂添加量为0.25％，含水率为70％，堆沤温度为50℃，接种时间为80h。

实施例10～18

一种农作物秸秆干发酵产沼气工艺：

农作物秸秆预处理：

3.将选用的秸秆复合菌剂和碳酸氢铵溶于水中，泼在9份经润湿的玉米秸秆上，然后用搅拌棒翻动，补加水，使秸秆与水混合均匀，控制玉米秸秆的含水率达到70％，其中秸秆复合菌剂添加量为0.25％，碳酸氢铵的添加量应保证发酵料液的C/N为25∶1(质量)，本组实施例中根据实际测算结果知：玉米秸秆中碳氮比为37.5∶1，其中C含量为40.32％，氮的含量为1.075％，而NH₄HCO₃中碳氮比为6∶7，其中C的质量百分含量为：12/(14+5+12+16×3)＝15.19％，N的质量百分比含量为：14/(14+5+12+16×3)＝17.72％。故，经计算可知252g玉米秸秆需添加碳酸氢铵7.92g，即每份0.88g；

4.将含水率达到为70％的玉米秸秆堆成垛，并在堆垛上打孔，保证内部通气，然后用薄膜或秸秆将堆垛的四周及顶部盖上，同时顶部要留缝隙，以便通气；

5.待堆垛的温度达到50℃后，还要维持堆沤80h，直到看到堆垛上有一层白色的菌丝时，就算是堆沤预处理完毕，获得发酵料液；

干发酵：

6.最后再加入接种物(正常产气的沼气池的沼液)和促进剂，然后放入发酵瓶中，常温25℃下进行玉米秸秆的厌氧发酵30天，用排水法收集气体，对产气量进行比较，其中接种量为15～25％，促进剂添加量为55～75g/(m³发酵料液)，料液浓度为20～30％，发酵料液pH值为6.0～8.0。

表5详示了在保持农作物秸秆预处理工艺条件一致的情况下，调节干发酵工艺条件(A-接种量：15～25％，B-料液浓度：20～30％，C-促进剂添加量：55～75g/m³和D-pH值：6.0～8.0)的正交试验因素和水平表：

表5 L₉(3⁴)玉米秸秆干发酵正交试验因素和水平表

根据正交试验设计表5，实验按照四因素三水平，分9个实施例安排试验，如表6：

表6玉米秸秆干发酵正交试验安排

根据实验安排表6，干发酵30天后，分别收集实施例10～18玉米秸秆干发酵所产的沼气，各实施例产气量如表7，可以很清楚的看到：实施例10的最低产气量13635ml(486.96L/kg·TS)也明显大于传统工艺的沼气产气量400L/kg·TS：

表7各实施例玉米秸秆干发酵产气量

干发酵最佳条件的确定

使用极差分析，见表8：

表8玉米秸秆干发酵正交试验结果的极差分析

表8显示的是正交试验的直观分析表，得到极差分析结果，由表8可知，料液浓度和促进剂的添加量对玉米秸秆干发酵的影响较大。

为了更便于观察指标的变化，下面用干发酵正交效应曲线图2来具体描述。从图2可清楚的看到，接种量的多少对农作物秸秆产气量的影响是随着接种量的增加呈上升趋势的，在添加量为25％时，产气量最高；同样，促进剂的添加量对秸秆干发酵产气量的影响也是随着促进剂量的升高逐渐升高，在促进剂添加量为75g/m³时，达到最高；而料液浓度和pH值都有一定的变化，分别在料液浓度为25％和pH值为7.0时，产气量达到最大。因此，农作物秸秆干发酵最佳条件为A₃B₂C₃D₂，即接种量为25％，料液浓度为25％，促进剂量为75g/m³和pH值为7.0。

实施例19

农作物秸秆选用麦秆，水选用pH值为6.5～7.5的粪水，接种物选用pH值为6.5～8.0的冒泡阴沟黑色污泥；农作物秸秆预处理和干发酵工艺条件均采用最佳工艺条件，即：秸秆复合菌剂添加量为0.25％，含水率为70％，堆沤温度为50℃，堆沤时间为80h；干发酵工艺条件为：接种量为25％，促进剂添加量为75g/(m³发酵料液)，发酵料液浓度为25％，发酵料液pH值为7.0。其它均同实施例1。

实施例20

农作物秸秆选用稻杆，水选用pH值为6.5～7.5的河水，接种物选用pH值为6.5～8.0的冒泡池塘黑色污泥；农作物秸秆预处理和干发酵工艺条件均采用最佳工艺条件，其它均同实施例1。

实施例21

水选用pH值为6.5～7.5的自来水，接种物选用pH值为6.5～8.0的含水率82～85％(质量)的牛粪；农作物秸秆预处理和干发酵工艺条件均采用最佳工艺条件，其它均同实施例1。

实施例22

水选用pH值为6.5～7.5的井水，接种物选用pH值为6.5～8.0的正常产气的沼气池的沼渣；农作物秸秆预处理和干发酵工艺条件均采用最佳工艺条件，其它均同实施例1。

Claims

1.一种农作物秸秆干发酵产沼气工艺，包括农作物秸秆预处理和干发酵两过程，其特征在于：

农作物秸秆预处理：将农作物秸秆铡短，加水润湿浸泡，泼入秸秆复合菌剂和碳酸氢铵的水溶液并搅拌翻动，控制农作物秸秆的含水率为60～80％(质量)；堆垛并在其上留孔，待堆垛的温度达到40～60℃时，维持堆沤60～80h，获得发酵料液；其中秸秆复合菌剂添加量为农作物秸秆质量的0.15～0.25％，碳酸氢铵的添加量应保证发酵料液的C/N为25∶1(质量)；

干发酵：在发酵料液中加入接种物和促进剂，常温下厌氧发酵产生沼气，其中接种量为15～25％(质量)，促进剂添加量为每立方米发酵料液添加55～75g，发酵料液浓度为20～30％(质量)，发酵料液pH值为6.0～8.0。

2.如权利要求1所述的农作物秸秆干发酵产沼气工艺，其特征在于农作物秸秆预处理时，秸秆复合菌剂添加量为农作物秸秆质量的0.25％，农作物秸秆的含水率为70％，堆沤温度为50℃，堆沤时间为80h；干发酵时，接种量为25％，促进剂添加量为每立方米发酵料液添加75g，发酵料液浓度为25％，发酵料液pH值为7.0。

3.如权利要求1或2所述的农作物秸秆干发酵产沼气工艺，其特征在于：所述秸秆复合菌剂为北京合百意生态能源科技开发有限公司生产的“绿秸灵”秸秆预处理复合菌剂，促进剂为北京合百意生态能源科技开发有限公司生产的“绿秸灵”产甲烷促进剂。

4.如权利要求3所述的农作物秸秆干发酵产沼气工艺，其特征在于：接种物为正常产气的沼气池的沼渣或沼液，阴沟、池塘、泥塘的冒泡黑色污泥或含水率82～85％(质量)的牛粪，接种物的pH值为6.5～8.0。

5.如权利要求4所述的农作物秸秆干发酵产沼气工艺，其特征在于：所述农作物秸秆为玉米杆、麦秆或稻杆。

6.如权利要求5所述的农作物秸秆干发酵产沼气工艺，其特征在于：整个工艺中所述的水为粪水、坑塘水、河水、自来水或井水，且水的pH值为6.5～7.5。

7.如权利要求6所述的农作物秸秆干发酵产沼气工艺，其特征在于：将农作物秸秆铡短至2～6cm，加入同等质量的水润湿浸泡15～24h。

8.如权利要求7所述的农作物秸秆干发酵产沼气工艺，其特征在于：堆垛时用薄膜或农作物秸秆将堆垛的四周及顶部盖上，顶部留有缝隙。