CN102206028B - 一种全自动沼气生产净化装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全自动沼气生产净化装置及其应用。所述的全自动沼气生产净化装置包括粪便过滤器、耗氧消化桶、沼气池，还包括一微生态反应器。其工作过程即利用粪便及秸秆作为主要原料产生沼液和沼气，再利用沼液和沼气培养大量生物堆肥和沼气发酵所需要的有益微生物，同时降低沼液内BOD含量和沼气内二氧化碳和其他有害气体的含量，从而实现沼气的净化，产生的微生物用于沼气发酵原料的处理，及生物堆肥。本发明装置，结构简单，成本低廉，制造简便，适用于循环农业和低碳经济使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微生态循环装置的高效有机废物处理方法。特别涉及一种全自动沼气生产净化装置及其在沼气净化和生物堆肥方面的应用。本发明中的装置可以完成沼气的净化，同时产生大量的有益微生物，加快沼气发酵过程和有机堆肥过程，本方法适用于有机废物、有机废水处理和有机肥料的生产过程。
背景技术
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30%，这其中经过技术处理利用的仅占2.6%。由于无法利用，占用了大量的土地，为此每年农村都对秸秆进行焚烧，造成了严重的大气污染，并引发火灾和影响高速公路和民航的运行安全。另一方面，中国存栏牲畜近1亿头，产生大量的粪便在未获得妥善处理的情况下直接排放到外界环境中，造成环境污染。目前处理秸秆和粪便的方法主要有堆肥和产生沼气。但目前的堆肥和沼气生产方方存在局限性。
一、秸秆降解缓慢
秸秆分解的缓慢影响了沼气发酵和生物堆肥中对大量秸秆的及时处理。限制秸秆分解的主要因素是秸秆中的纤维素很难分解。但纤维素分解后的葡萄糖却可以为发酵过程中的微生物提供能量。因此在沼气原料中加入纤维素酶来提高沼气生产的效率(张全国《沼气技术及其应用》，化学工业出版社)。基于同样的原因，添加纤维素酶也可以加快秸秆生物堆肥的过程，如专利200810304360.5“一种制造有机肥的方法”提到加入酸性纤维素酶可以加快堆肥过程。但由于上述方法所提到的纤维素酶均需外购，且成本较高，因此这种方法虽然效果较好，但不适合大规模普及使用。
二、沼气的生产不稳定
研究表明，沼气的生产是一项复杂的生物化学反应，其产生需要经过多种微生物进行复杂的共同作用。沼气反应时的温度和有益于沼气发酵的微生物数量决定了沼气生产的产量和稳定性。如实用新型专利201020185590.7“循环式沼气发生器”即通过联合利用太阳能产生的热量维持沼气发酵的最适温度和将发酵后的沼渣再次加入沼气反应增加沼气发酵的有益微生物数量来实现沼气的高产稳产。沼气的产生存在好氧与厌氧两个发酵过程。通过好氧微生物发酵将大分子有机物分解为小分子有机物同时创造一个严格厌氧的环境，甲烷菌才能在这个严格厌氧的环境内利用小分子有机物合成沼气。因此，简单的将沼渣回收以提高沼气发酵微生物数量的方法虽一定程度上可以增加沼气产量，但仍存在局限，且在缩短沼气初次产气时间方面作用不大。
三、沼液存在二次污染
发酵后的沼液内依然残留大量的尚未完全分解的有机物，这些沼液未经处理直接排放会造成环境的二次污染。目前处理沼液的方法主要是通过建立氧化还原塘，先将沼液排放入氧化还原塘，待沼液内的有机物充分分解后再排放到外部环境中。这种方法需要为沼气设施配套建设一个占地面积较大的氧化还原塘，在土地资源紧张地区无法应用。此外也有发明将沼液用于制作肥料，培养食用菌的培养基等。如：发明专利200710123079.7高效沼肥和发明专利200710014827.8 一种利用沼液栽培鸡腿菇的方法均是利用沼液进行加工后转化为可以利用的有益产品。这种方法的局限在于，沼液内依旧存在一定数量的有害细菌，会影响到所制作培养基的品质。同时，这种方法也无法处理大量的沼液，不适合以环境保护和废物处理为目标的项目使用。
四、沼气生产和生物堆肥不能同时进行
生物堆肥和沼气都是微生物进行的有机物的分解过程。所不同的是生物堆肥是耗氧发酵，具有处理污物能力强，速度快的优势。但容易产生二次污染，且肥料中的营养成分流失严重。沼气生产是厌氧发酵，沼渣内营养成分保存较好，产生沼气可作燃料。但反应速度较慢，污染物处理能力低。目前尚未见报道将将两者结合应用，建立起自然的将生物堆肥和沼气发酵有机整合为一体的方法。
发明内容
本发明的目的之一是为了综合解决上述问题，提供一种全自动沼气生产净化装置，该装置可利用沼液内残余的有机物和秸秆生产大量益于沼气生产和生物堆肥的微生物，同时降低沼气内二氧化碳气体含量和降低沼液内的有机污染物含量。产生的微生物用于沼气发酵原料的处理时，可缩短沼气初次产气时间，提高沼气生产的稳定程度；用于生物堆肥时，可以加快堆肥过程，减少堆肥营养物质的流失。
本发明的目的之二是提供一种上述装置在进行沼气净化同时、可降低沼液BOD含量，并同时增殖大量有益于加快堆肥的微生物的方法。
本发明的目的之三是提供一种利用本发明装置在进行沼气同时产生大量的有益微生物作为生物堆肥的应用。
本发明的技术原理
本发明所提供的沼气净化的方法，即通过选定几种有益于堆肥和沼气发酵的微生物组合，利用这些微生物对于生长和发育的营养需求不同构建微生态系统。利用沼液内的残余有机物质和分解后的无机物质，促进微生物的增殖，并将增殖后的微生物用于沼气发酵和生物堆肥，加快其反应过程，提高其反应效果。
所述的微生物组合包括由螺旋藻为钝顶螺旋藻Spirulina platensis SP-3株、黑曲霉Aspergillus niger ACCC30132、孢囊放线菌 Actinosporangium Sp ACCC41443、酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae ACCC20064、巨大芽孢杆菌 Bacillus megaterium ACCC10010、蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus ACCC11109、枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis ACCC11060；
本发明的原理简述如下：
螺旋藻在光合作用下，吸收二氧化碳，释放氧气，满足本发明所用的几种微生物耗氧生长需要。
黑曲霉和孢囊放线菌在有氧的环境和适宜的温度下，进行生长并分泌多种纤维素酶。这些纤维素酶可以裂解秸秆内的纤维素，产生葡萄糖。这些葡萄糖被酵母菌吸收利用合成酵母蛋白，酵母蛋白是微生物生长所需的重要营养物质。纤维素分解后的葡萄糖和酵母死亡后形成的酵母蛋白满足了芽孢杆菌、黑曲霉、放线菌生长所需的营养。
酿酒酵母、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌等可以利用产生的葡萄糖和沼液剩余的有机物质进行生长。并在有氧的环境下，将沼液内的有机物质分解成为无机营养盐，这些无机营养盐又反过来可以为螺旋藻进行光合作用吸收二氧化碳提供基本营养物质。
在沼气气提作用下，反应器内部液体不断流动，将螺旋藻和酵母菌等微生物带到秸秆填充材料中，在更换新的秸秆滤材时一并将其带出。由于螺旋藻具有很高的蛋白质含量，可以有效地改善秸秆堆肥过程中的碳氮比。同时其上吸附的大量微生物有利于加快生物堆肥和沼气发酵好氧过程中有机物的分解过程。
本发明的技术方案
一种全自动沼气生产净化装置
一种全自动沼气生产净化装置，即可以去除沼气内有害气体，降低沼液BOD含量并产生大量有益沼气发酵的微生物的装置，其包括：粪便过滤器13、耗氧消化桶14、沼气池15，还包括一微生态反应器；
所述的粪便过滤器13、耗氧消化桶14、沼气池15；其中粪便过滤器13中放置有由处理过的秸秆组成的粪便过滤层16、粪便过滤器13和耗氧消化桶14位于沼气池15前，粪便过滤器13侧壁有管道与耗氧消化桶14连接，耗氧消化桶14和沼气池15之间通过连有泵24的管道连接；
所述的微生态反应器包括进液管道1及其上的控制泵19;出液管道2;进气管道3及其上的控制泵18;出气管道4;营养液补充管道5及其上的控制泵20;菌种补充管道6及其上的控制泵21;1组以上的垂直并间隔排列的不透明管道11与透明管道12组成；每个不透明管道11内设有加热装置17；所述的微生态反应器的出液管道2设有一旁路并通过泵23与耗氧消化桶14底部连接；
所述的沼气池15上设有沼气出气口及沼液出液口；沼气池15的沼气出气口与上述微生态反应器的进气管道3及其上的控制泵18连接；沼气池15的出液口与上述微生态反应器的进液管道1及其上的控制泵19相连接；
营养液补充管道5及其上的控制泵20、菌种补充管道6及其上的控制泵21设在沼气池15的沼气出液口与上述微生态反应器的进液管道1上的控制泵19之间，并与进液管道1相连；
所述微生态反应器由平行的进液管道1与出液管道2之间通过1组以上垂直并间隔排列的不透明管道11和透明管道12连接而成，优选为2～6组；不透明管道11与水平的进液管道1和出液管道2之间通过可拆卸的密封接环7连接；垂直透明的管道12与水平的进液管道1和出液管道2之间直接连接，管道结合处使用防水胶密封连接缝隙；
以上所提透明管道12优选玻璃材质，次优选透明塑料材质，以及其他可以在自然环境和日光直射条件下物理性质稳定的透明材质；
所述的进液管道1和出气管道4平行位于微生态反应器的上方，出液管道2和进气管道3平行位于微生态反应器的下方；
进一步，所述的水平的进液管道1与出气管道4之间通过1条以上垂直管道相通，优选2-6条，且其位置对应于不透明垂直管道11的上方；
进一步，所述的水平的出液管道2与进气管道3之间通过1条以上垂直管道相通，优选2-6条，且其位置对应于透明垂直管道12的下方；
与微生态反应器连接的进液管道1连接有控制泵19；进液管道1上还连接有营养液补充管道5及其上的控制泵20;菌种补充管道6及其上的控制泵21;
上述的控制泵18、19、20、21开启信号线及加热装置17的起停信号均连接在中央控制电脑22上，通过中央控制电脑22发出信号，控制所述的相应的泵或加热棒的开启或关闭;
进一步，所述反应器内不同位置上安装有不同的传感器，包括安装垂直透明管道12内的pH传感器8；安装在垂直不透明管道内的温度传感器10，安装在出气口4附近的二氧化碳分压传感器9，中央控制电脑22根据传感器8、9、10获得的数据进行控制泵18、泵19、泵20、泵21及加热装置17的工作，不断调整输入微生态反应器内的沼气，沼液，菌种含量。以利用微生态反应器内微生物之间的相互作用，完成利用沼液内的营养物质进行沼气净化并产生大量有益微生物。
全自动沼气生产净化装置的工作原理示意图见图2所示，其可同时进行沼气净化，降低沼液BOD，增殖有益细菌的工作。具体说明如下：
（一）、秸秆过滤器及秸秆滤材的制作：
用于粪便过滤器13的秸秆滤材制作：
将秸秆粉碎成10厘米左右的小段后，浸泡入2%生石灰配制的石灰水内，24小时至软化后，捞出沥干水分，铺成5-10厘米厚，这个过滤层即为粪便过滤器13内的秸秆过滤层16。
用于不透明管道11内的秸秆滤材制作：
将秸秆粉碎成0.5-1厘米左右的小段后，浸泡入2%生石灰配制的石灰水内，24小时至软化后，捞出沥干水分，填充在不透明管道11，约占其总体积的2/3，即形成不透明管道11内的秸秆滤材；
上述使用2%生石灰配制的石灰水浸泡秸秆，可以去除秸秆外壁蜡质，更好地暴露秸秆内的纤维素分子；同时充分吸水膨胀的秸秆比重较大，可以保持较好的过滤效果；
上述所述的秸秆包括但不限于水稻、小麦或玉米秸秆；
（二）、微生物菌种的制作：
1、微生物混合菌种的制作：
所述混合菌种微生物是由黑曲霉Aspergillus niger ACCC30132；孢囊放线菌 Actinosporangium Sp. ACCC41443; 酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae ACCC20064;巨大芽孢杆菌 Bacillus megaterium ACCC10010; 蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus ACCC11109；枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis ACCC11060按下列的质量比组成的：即黑曲霉：孢囊放线菌：酿酒酵母：巨大芽孢杆菌：蜡状芽孢杆菌：枯草芽孢杆菌的为=10：8：1：1：1：1。且上述的各菌种均来自中国农业微生物菌种保藏中心(ACCC)；将上述菌种单独培养后，再在混合培养基内培养，制成混合微生物菌种；
上述的微生物混合菌种中各微生物的获取方法如下：
①、黑曲霉Aspergillus niger ACCC30132的菌种培养
蔗糖 30 克, MgSO4·7H2O 0.5 克, FeSO4 ·4H2O 0.01 克,NaNO3 3 克, KCl 0.5 克, K2HPO4 1 克,蒸馏水 1000 毫升，装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃,100转/分，培养24小时；
②、孢囊放线菌 Actinosporangium Sp. ACCC41443的菌种培养
可溶性淀粉 20g，KNO3 1g，K2HPO4 0.5g，MgSO4·7H2O 0.5g，NaCl 0.05g，FeSO4 ·4H2O 0.01g，用1M浓度的NaOH溶液调pH为7.4-7.6，蒸馏水1000 毫升，装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃,100转/分培养48小时；
③、酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae ACCC20064的菌种培养
马铃薯 200克，葡萄糖 20克，NaCl 2g, 蛋白胨1g, 自来水 1000毫升；调pH=7.2,装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃, 100转/分培养18小时；
④、巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium ACCC10010的菌种培养；
培养基的配置：玉米面50g，NaCl 2g, 蛋白胨1g, 蔗糖10g, 溶解于1000ml水中，调pH=7.2,装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃,100转/分培养18小时，检验备用；
⑤、蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus ACCC11109的菌种培养
培养基的配置：蛋白胨 5 克，NaCl 5 克，肉膏 3 克，琼脂 15 克，pH7.0，蒸馏水 1000 毫升装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃, 100转/分培养18小时；
⑥、枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis ACCC11060的菌种培养
培养基的配置：蔗糖8g，NaCl 3g, 蛋白胨3g, 牛肉膏1g, 溶解于1000ml水中，调pH=7.2, 装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃, 100转/分培养18小时；
2、微生态反应器内螺旋藻的获得：
所述的螺旋藻为钝顶螺旋藻Spirulina platensis SP-3株，购自浙江大学原子核农业科学研究所生物资源与分子工程实验室，所述的钝顶螺旋藻Spirulina platensis的菌种培养方法如下：
NaHCO316.8g, K2HPO40.5g, K2NO32.5g, K2SO41.0g, NaCl1.0g, MgSO4·7H2O 0.2g, CaCl2 0.04g, FeSO4·7H2O 0.01g, EDTA 0.08g, 蒸馏水 1000 毫升. 装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀接种，按1000ml培养液接种2ml所购螺旋藻藻种；室温条件下，光照6000lux 培养48小时，其间定时摇晃三角瓶，检验备用；
（三）、微生态反应器的启动：
当微生态反应器初次启动时，先将从沼气池15内直接排出的沼液用水稀释5倍后，从进液管道1灌入微生态反应器内；然后按营养液与稀释后的沼液的体积比为1：10000加入营养液；
营养液是指Ca(OH)2 50g,MgSO4,20g,MnSO4 10g,ZnSO4 10g，溶于1000ml水所得的混合液；使最终含有营养液的沼液内无机盐终浓度达到Ca(OH)2 0.5‰,MgSO4,0.2‰,MnSO4 0.1‰,ZnSO4 0.1‰，并调节稀释后的沼液pH值维持在7.5-8.5；
然后按照螺旋藻藻种与含营养液的沼液的体积比，即螺旋藻藻种：含营养液的沼液为1：10000从反应器的菌种补充管道6通过控制泵21接入螺旋藻藻种，对反应器进行光照，控制光强度大于3000lux，温度为22～36℃，待可见微生态反应器垂直透明管道内沼液呈现翠绿色，检验螺旋藻浓度大于1×105时，通过菌种补充管道6及其上的控制泵21再接种入微生物混合菌种，微生物混合菌种的接种量按照质量体积比，即混合菌种微生物：含营养液的沼液为1g:10000L进行接种；
接种微生物混合菌种后的微生态反应器，控制光照大于3000lux，温度为22～36℃，pH值7.5-8.5，接种24小时后，通过进气管道3上的控制泵18启动对微生态反应器的沼气供应，完成反应器的启动；
（四）、系统的运行控制
接种微生物混合物菌种液后的微生态反应器在光照大于3000lux，温度为22～36℃的条件下螺旋藻迅速生长，迅速消耗溶液内的二氧化碳，改变微态反应器内溶液pH，通过监控二氧化碳分压的变化和溶液pH值的变化可以分析反应器的工作状态并给与干预和调整，当位于出气管道4附近的二氧化碳分压传感器9检测到二氧化碳的分压高于设定值8%，且溶液pH传感器检测到pH值高于设定值pH8.5时，说明反应器内沼液吸附二氧化碳能力降低，这时应并关闭进气泵18，减少进气量，同时开动泵19补充沼液；当二氧化碳分压传感器9检测到二氧化碳的分压低于设定值8%，且溶液pH传感器检测到pH值高于设定值pH8.5时，说明说明通入的沼气数量低于系统净化能力，计算机控制气泵18增加对净化器的供气，关闭泵19，停止供应沼液；当二氧化碳分压传感器9检测到二氧化碳的分压高于设定值8%，且溶液pH传感器检测到pH值低于设定值pH6.5时，说明说明通入的沼气数量高于系统净化能力，计算机控制气泵18减少对净化器的供气，同时启动泵21补充螺旋藻藻种和复合微生物菌种；当二氧化碳传感器检测到二氧化碳的分压低于设定值8%，且溶液pH传感器检测到pH值低于设定值pH6.5，且持续一段时间如10小时以上时，说明系统运行出现故障，计算机发出报警信号，通知技术专家具体查找原因。如上述文字所描述的方式，通过传感器的获得的信号不断重复上述过程，沼气池15产生的沼气经由进气管道3及其上开启的控制泵18泵入微生态反应器内，沼气内的二氧化碳、硫化氢、氨气等气体被微生态反应器内的混合菌种的微生物吸收，完成沼气净化，净化后的沼气经出气管道4排出到沼气储气罐或直接使用；
（五）、加快沼气发酵及生物堆肥方法：
1、加快沼气发酵的方法：
禽畜粪便连同冲洗粪便的污水一同排放进粪便过滤器13内，经过秸秆粪便过滤层16过滤后，大块粪便截流在秸秆过滤层16上，过滤产生的粪便滤液和污水被搜集进入耗氧消化桶14内；
通过与微生态反应器出液管道2连接的旁路将微生态反应器的内产生的含有大量增殖产生的混合菌种微生物的沼液通过泵23泵入耗氧消化桶14内，与来源于粪便过滤器13的粪便滤液和污水混合，其混合体积比，即按含有大量增殖产生的混合菌种微生物的沼液：过滤产生的粪便滤液和污水的体积比为1：10～20加入到耗氧消化桶14内，混合反应6～8小时，在有氧条件下，微生态反应器内增殖的大量有益微生物迅速分解粪便滤液内大分子有机物，并消耗掉滤液内溶解的氧气，创造一个有益于甲烷菌进行沼气发酵的环境，经过耗氧消化桶14的微生物处理过程后的粪便滤液被泵24泵入沼气池15内，进行厌氧发酵产生沼气；
2、生物堆肥的方法：
反应器内的不透明管道11内预先填充2/3体积的粉碎成0.5-1厘米的秸秆颗粒构成过滤材料上可以吸附和滋生大量反应器内的混合微生物,将反应器内替换下的秸秆过滤材料直接与截留在粪便过滤器13内的粪便过滤层16上的粪便和秸秆混合物按照1:1000的比例混合均匀，控制温度为26℃～36℃进行生物堆肥。这种堆肥的过程相当于为这些原料接种了大量有利于生物堆肥的混合微生物，加快堆肥的进程；
另一种办法是，将微生态反应器内产生的带有大量微生物的沼液喷洒在秸秆过滤层替换下来的秸秆和粪便混合物内，调节秸秆和粪便混合物的相对湿度到60%-70%，控制温度为26℃～36℃进行生物堆肥。
本发明的有益效果
本发明的一种全自动沼气净化生产装置，结构简单，成本低廉，制造简便，适于推广普及。装置中的微生态反应器内的液体运动仅依靠气提作用即可完成，不需要额外动力：在局部推动透明管道内的液体和不透明管道内的液体进行循环流动；整体上推动管道内的液体从进液口向出液口端移动。
本发明由于利用粪便及农业生产中的秸秆作为主要原料，通过全自动沼气净化生产装置产生的沼液和沼气，再利用沼液和沼气培养大量生物堆肥和沼气发酵所需要的有益微生物，同时降低沼液内BOD含量和沼气内二氧化碳和其他有害气体的含量，从而实现沼气的净化。即建立一种高效处理机废物方法，变废为宝，实现有机废弃物的资源化，将极大地有利于开展循环农业和农业的可持续发展。
同时，本发明的装置在进行沼气净化及有机废物处理时，所用原料均来自农业生产和沼气发酵产生的副产品，生产成本低。
另外，由于本发明的装置在进行沼气净化过程中和有机废物处理过程中产生大量的有益微生物。这些有益微生物被补充进沼气反应过程中，可以提高沼气生产的效率；接种到用于秸秆和禽畜粪便的混合物中，可以加快有机堆肥过程。
附图说明
图1、微生态反应器结构示意图
图2、全自动沼气生产净化装置工作原理示意图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
本发明的全自动沼气生产净化装置的应用过程中所用的微生物混合物菌种液中的各菌种均来自中国农业微生物菌种保藏中心(ACCC)。所用的螺旋藻为钝顶螺旋藻Spirulina platensis SP-3株，购自浙江大学原子核农业科学研究所生物资源与分子工程实验室。
实施例1
一种全自动沼气净化生产装置，其具体结构示意图见图2。
如图2所示，一种全自动沼气生产净化装置，包括：粪便过滤器13、耗氧消化桶14、沼气池15，还包括一微生态反应器；
所述的微生态反应器见图1所示，包括进液管道1及其上的控制泵19、出液管道2、进气管道3及其上的控制泵18、出气管道4、营养液补充管道5及其上的控制泵20、菌种补充管道6及其上的控制泵21、4组垂直并间隔排列的不透明管道11及透明管道12组成；所述的不透明管道11内设有加热装置17；
所述的不透明管道11内的加温装置17采用在不透明管道内部装有电加热棒方式实现；
所述的微生态反应器的出液管道2有一旁路经泵23与耗氧消化桶14的底部通过管道连接；
上述的沼气池15的沼气出气口与上述微生态反应器的进气管道3上的控制泵18入口相连接，沼气池15的沼液出液口与上述微生态反应器的进液管道1上的控制泵19入口相连接；
进一步，所述的微生态反应器的进液管道1和出气管道4平行位于微生态反应器的上方，出液管道2和进气管道3平行位于微生态反应器的下方；
平行的进液管道1、出液管道2之间通过4组垂直并间隔排列的不透明管道11和透明管道12连接而成；
且不透明管道11与水平的进液管道1和出液管道2之间通过可拆卸的密封接环7连接；
垂直的透明管道12与水平的进液管道1和出液管道2之间直接连接，管道结合处使用防水胶密封连接缝隙；
所述的水平的进液管道1与出气管道4之间通过4条垂直管道相通；
进气管道3和出液管道2位于透明管道12的下方，且出液管道2的与进气管道3之间通过4条垂直管道相通。
本实施例中沼气池15采用升流式厌氧污泥床(UASB)，微生态反应器出液管道(2)设有一旁路并通过泵23与耗氧消化桶14底部连接，耗氧消化桶14和沼气池15之间通过设有泵24的管道连接。
全自动沼气生产净化装置的进行沼气净化，降低沼液BOD，增殖有益细菌的工作过程如下：
粪便过滤器(13)的制作：
将水稻秸秆粉碎成10厘米左右的小段后，浸泡入2%生石灰配制的石灰水内浸泡24小时使其软化；然后均匀铺在粪便过滤器内，厚度为5-10cm，形成秸秆粪便过滤层。将清洗禽畜圈舍产生的粪便污水直接排放到秸秆过滤层上。较大的粪便被截留在秸秆过滤层上，一定时间后，连同秸秆一同取出用于堆肥。过滤后的粪便污水排入耗氧消化器14内。此时，泵23将微生态反应器出液管道2排出的净化后的沼液按照1/20～1/10加入到耗氧消化桶14内的粪便滤液和污水中，反应6～8小时，让净化后沼液内携带的有益微生物大量增殖生长，充分分解粪便滤液和污水中的有机污染物，并消耗掉溶液内的氧气，再将粪便滤液通过泵24泵入沼气池15内，创造一个良好的厌氧发酵环境；
截留在过滤层上的粪便连同秸秆混合后，与反应器内替换下来的秸秆过滤材料按照1000:1混合进行堆肥。并喷洒反应器净化产生的沼液，调节混合物的相对湿度到60%-70%，温度为26℃～36℃然后将这些混合物用于堆肥；
为了验证本发明的实际效果，使用本实施例1所述的本发明的全自动沼气生产净化装置产生的效果与传统堆肥方法和沼气发酵方法比较。具体如下：
使用50kg秸秆和10kg猪粪分别建立三个模拟反应堆。
为了使反应条件一致，在反应开始之初，3个反应堆中的猪粪均混入1kg来自同一稳定产气沼气池内的沼渣和本发明中提到的100ml微生物混合物菌种液。
所述微生物混合物菌种液是由黑曲霉Aspergillus niger ACCC30132；孢囊放线菌 Actinosporangium Sp. ACCC41443; 酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae ACCC20064;巨大芽孢杆菌 Bacillus megaterium ACCC10010; 蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus ACCC11109；枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis ACCC11060按下列的质量比组成的：即黑曲霉：孢囊放线菌：酿酒酵母：巨大芽孢杆菌：蜡状芽孢杆菌：枯草芽孢杆菌为10：8：1：1：1：1。且上述的各菌种均来自中国农业微生物菌种保藏中心(ACCC)；
反应堆1将全部秸秆猪粪混合在一起，并掺入1kg沼渣和100ml菌液，直接进行生物堆肥；
反应堆2将全部秸秆猪粪混合在一起，并掺入1kg沼渣和100ml菌液，直接进行沼气发酵；
反应堆3按本发明所述方法处理，产生60kg秸秆猪粪混合物堆肥(湿重)用于堆肥，同时获得约0.5立方米粪便污水以及5kg秸秆粪便混合物用于沼气发酵。在沼气池内接种入1kg沼渣，在微生态反应器内通过菌种补充口6及其上的控制泵21先接种密度为1×107个/ml螺旋藻10ml，进行光照，控制光强度3000lux，温度为22-36℃待微生态反应器内沼液呈现绿色时，通过菌种补充口6及其上的控制泵21接种进100ml微生物混合物菌种液，接种微生物混合物菌种液后的微生态反应器，控制光照大于3000lux，温度为22-36℃，pH值7.5-8.5，并通过进气管道3上的控制泵18的开启控制出气管道4附近的二氧化碳分压为8%，如果检测二氧化碳含量高于8%，则减小或关闭进气管道3及控制泵18实现进气量的减少，逐步实现沼气的净化，净化后的沼气进入沼气储气罐储存；从反应开始后第三天，不断将微生态反应器内的液体输入堆肥和沼气发酵过程，在平均气温20℃条件下对上述的3个反应堆观察15天。
上述的反应堆3中所述的螺旋藻为钝顶螺旋藻Spirulina platensis SP-3株，购自浙江大学原子核农业科学研究所生物资源与分子工程实验室。
观察结果如下：
从上表的初步实验数据结果可以看出单独堆肥情况下有机物持续分解，到第15天才达到堆肥温度的高点，而使用本为生态反应器在第10天即达到堆肥温度高点，由于有机物充分分解，在第15天温度下降，堆肥时间缩短1/3，单独沼气发酵与堆肥和沼气发酵同时进行时的情况进行比较，在第15天沼气产量由单独发酵时的2.0L/d增加到3.3L/d，其中，沼气内甲烷含量由53.4%提高到了57.1%，二氧化碳含量由44%下降到41%。经过微生态反应器净化后的沼气内的二氧化碳降低到8.8%,沼气净化效果极其明显。微生态反应器确实在加快沼气生产和堆肥进程中发挥了作用。以本发明的一种全自动沼气净化生产装置以微生态反应器为核心，建立一种高效处理废弃秸秆和粪便的方法，实现有机废弃物的资源化，有利于开展循环农业和农业的可持续发展。
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种全自动沼气生产净化装置，包括：粪便过滤器(13)、耗氧消化桶(14)、沼气池(15)，及微生态反应器；
所述的微生态反应器包括进液管道(1)及其上的第二控制泵(19)、出液管道(2)、进气管道(3)及其上的第一控制泵(18)、出气口(4)、营养液补充管道(5)及其上的第三控制泵(20)、菌种补充管道(6)及其上的第四控制泵(21)、1组以上的垂直并间隔排列的不透明管道(11)与透明管道(12)组成；不透明管道（11）内设有加热装置(17)；
所述的粪便过滤器(13)、耗氧消化桶(14)、沼气池(15)，其中粪便过滤器(13)和耗氧消化桶(14)位于沼气池(15)前，粪便过滤器(13)侧壁通过管道与耗氧消化桶(14)通过管道连接， 耗氧消化桶(14)和沼气池(15)之间通过连有第二水泵(24)的管道连接； 所述的沼气池(15)上设有沼气出气口及沼液出液口；
所述的微生态反应器的出液管道(2)有一旁路通过带有水泵(23)的管道与耗氧消化桶(14)底部相连；
所述的沼气池(15)的沼气出气口与上述微生态反应器的进气管道(3)及其上的第一控制泵(18)相连接，沼气池(15)的沼液出液口与上述微生态反应器的进液管道(1)及其上的第二控制泵(19)相连接；
营养液补充管道(5)及其上的第三控制泵(20)、菌种补充管道(6)及其上的第四控制泵(21)设在沼气池（15）的沼气出液口与上述微生态反应器的进液管道（1）上的第二控制泵(19)之间， 并与进液管道（1）相连；
进一步，所述的微生态反应器的进液管道(1)和出气口(4)平行位于微生态反应器的上方，出液管道(2)和进气管道(3)平行位于微生态反应器的下方；
平行的进液管道(1)、出液管道(2)之间通过上述的1组以上的垂直并间隔排列的不透明管道(11)和透明管道(12)连接而成；
且不透明管道(11)与水平的进液管道(1)和出液管道(2)之间通过可拆卸的密封接环(7)连接；垂直的透明管道(12)与水平的进液管道(1)和出液管道(2)之间直接连接，管道结合处使用防水胶密封连接缝隙；
进一步，所述的水平的进液管道(1)与出气口(4)之间通过1条以上垂直管道相通；进气管道(3)和出液管道(2)位于透明管道(12)的下方，且出液管道(2)的与进气管道(3)之间通过1条以上垂直管道相通；
进一步，所述微生态反应器内不同位置上安装有不同的传感器探头，包括装在微生态反应器
透明管道（12）内的pH传感器(8)、温度传感器(10)，出气口(4)附近的二氧化碳分压传感器(9)，并将这些传感器检测到的信号输入计算机(22)，传感器获得的参数经程序处理后，计算机（22）再下达指令控制进气管道(3)上的第一控制泵(18)、进液管道(1)上的第二控制泵(19)、营养液补充管道(5)上的第三控制泵(20)、菌种补充管道(6)上的第四控制泵(21)加热装置(17)的开启或关闭。
2.如权利要求1所述的一种全自动沼气生产净化装置，其特征在于所述的透明管道材质优选玻璃或透明塑料材质。
3.如权利要求1或2所述的一种全自动沼气生产净化装置，其特征在于所述的垂直并间隔排列的不透明管道(11)和透明管道(12)优选为2～6组；
所述的水平的进液管道(1)与出气口(4)之间优选通过2～6条垂直管道相通； 出液管道(2)的与进气管道(3)之间优选通过2～6条垂直管道相通。
4.如权利要求3所述的一种全自动沼气生产净化装置， 其特征在于所述的垂直并间隔排列的不透明管道(11)和透明管道(12)优选为4组；
所述的水平的进液管道(1)与出气口(4)之间通过4条垂直管道相通；出液管道(2)与进气管道(3)之间通过4条垂直管道相通。
5.如权利要求1或2所述的全自动沼气生产净化装置进行沼气净化的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、将处理过的秸秆直接铺在粪便过滤器(13)内，厚度为5-10厘米，形成秸秆过滤层(16)，用以过滤禽畜粪便和清洗污水；
所述的处理过的秸秆即将水稻、小麦秸秆粉碎成10厘米左右的小段后， 浸泡入2%生石灰配制的石灰水内，24小时至软化后，捞出沥干水分即可；
(2)、禽畜粪便连同冲洗粪便的污水一同排放进粪便过滤器(13)内，经过秸秆过滤层(16)过滤后，大块粪便截流在秸秆过滤层(16)上，过滤产生的粪便滤液和污水被搜集并通过管道送进入耗氧消化桶(14)内，在耗氧消化筒内停留6-8小时后，经由第二水泵(24)泵入沼气发生器(15)内；
(3)、通过与微生态反应器出液管道(2)连接的旁路及水泵(23)将微生态反应器的出液管道(2)产生的含有大量增殖产生的混合菌种微生物的沼液通过水泵(23)泵入耗氧消化桶(14)内，与来源于粪便过滤器（13）的粪便滤液和污水混合，其混合体积比，即按含有大量增殖产生的混合菌种微生物的沼液： 过滤产生的粪便滤液和污水的体积比为1：10～20加入到耗氧消化桶(14)内，混合反应6～8小时后，将粪便滤液通过第二水泵（24）泵入沼气池(15)内，进行厌氧发酵产生沼气；
(4)、沼气池(15)产生的沼气经由进气管道(3)及其上开启的第一控制泵(18)泵入微生态反应器内； 沼气内的二氧化碳、硫化氢、氨气被微生态反应器内的混合菌种的微生物吸收，完成沼气净化，净化后的沼气经出气口(4)排出到沼气储气罐或直接使用；
所述的沼气净化，其过程如下：
当步骤(3)中的全自动沼气生产净化装置中的微生态反应器运行时，通过进液管道(1)及第二控制泵(19)和营养液补充管道(5)及控制泵(20)分别将来自沼气池(15)的沼液和营养液送入微生态反应器内，菌种补充管道(6)及第四控制泵(21)用于补充混合菌种微生物；
所述的营养液是指Ca(OH)2 50g,MgSO4,20g,MnSO410g,ZnSO4 10g，溶于1000ml水所得的混合液；
当微生态反应器初次启动时， 先将从沼气池(15)内直接排出的沼液用水稀释5倍后，从进液管道(1)灌入微生态反应器内； 然后按营养液与稀释后的沼液的体积比为1：10000加入营养液，使最终含有营养液的沼液内无机盐终浓度达到Ca(OH)2 0.5‰,MgSO4,0.2‰,MnSO4 0.1‰,ZnSO4 0.1‰，并调节稀释后的沼液pH值维持在7.5-8.5；
然后按照含营养液的沼液与螺旋藻藻种的体积比10000：1从反应器的菌种补充管道(6)及其上的第四控制泵(21)接入螺旋藻，再进行光照， 控制光强度大于3000lux，温度为22～36℃，待微生态反应器内沼液呈现绿色时，通过菌种补充管道(6)及其上的第四控制泵(21)接种多种微生物混合组成的混合菌种微生物；
其中螺旋藻的接种量， 按照体积比，即螺旋藻藻种：含营养液的沼液为1：10000进行接种；
混合菌种微生物的接种量，按照质量体积比，即混合菌种微生物：含营养液的沼液为1g:10000L进行接种；
接种混合菌种微生物后的微生态反应器，控制光照大于3000lux，温度为22～36℃，pH值7.5-8.5，并通过进气管道(3)上的第一控制泵(18)的开启控制出气口(4)附近的二氧化碳分压为5～15%对沼气进行净化，净化后的沼气经出气口(4)排出到沼气储气罐或直接使用；微生态反应器启动后，通过进液管道(1)及其上的第二控制泵(19)补充沼液，经过净化的含有大量增殖产生的混合菌种微生物的沼液由出液管道(2)排出；
所述的螺旋藻为钝顶螺旋藻Spirulina platensis SP-3株；
所述混合菌种微生物是由黑曲霉Aspergillus niger ACCC30132；孢囊放线菌 Actinosporangium Sp. ACCC41443; 酿酒酵母Saccharomyces cerevisiaeACCC20064;巨大芽孢杆菌 Bacillus megateriumACCC10010; 蜡状芽孢杆菌Bacillus cereusACCC11109；枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilisACCC11060按下列质量比组成的混合菌种微生物，即黑曲霉：孢囊放线菌：酿酒酵母：巨大芽孢杆菌：蜡状芽孢杆菌：枯草芽孢杆菌为10：8：1：1：1：1；
(5)、沼气池(15)产生的沼液经进液管道(1)及其上开启的第二控制泵(19)进入微生
态反应器内，微生态反应器内的不透明管道(11)内预先填充2/3体积的粉碎成0.5-1厘米的秸秆颗粒构成的过滤装置，过滤截留下微生态反应器内生成的螺旋藻和产生的大量混合菌种微生物, 其中的有机污染物在微生态反应器内被微生物分解吸收完成沼液净化，净化后的沼液经出液管道(2)排出，或如步骤（3）所述的经过水泵(23)加入到耗氧消化桶(14)内用于接种混合菌种微生物，从而加快沼气发酵原料的分解。
6.如权利要求5所述的全自动沼气生产净化装置进行沼气净化的方法，其特征
在于步骤(4)中：
所述的钝顶螺旋藻Spirulina platensis SP-3株菌种，通过如下方法培养：
取NaHCO316.8g,K2HPO40.5g,K2NO32.5g,K2SO41.0g,NaCl 1.0g,MgSO4·7H2O 0.2g,CaCl2 0.04g,FeSO4·7H2O 0.01g, EDTA 0.08g,蒸馏水1000毫升，装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀接种，按1000ml培养液接种0.1g螺旋藻计算； 室温条件下， 光照6000lux，培养48小时，其间定时摇晃三角瓶；
所述的混合菌种微生物中各微生物的培养方法如下：
①、黑曲霉Aspergillus niger ACCC30132菌种的培养
蔗糖30克,MgSO4·7H2O 0.5克, FeSO4·4H2O 0.01 克, NaNO3 3克, KCl 0.5克, K2HPO4 1克,蒸馏水1000毫升，装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃,100转/分，培养24小时；
②、孢囊放线菌 Actinosporangium Sp. ACCC41443菌种的培养
可溶性淀粉 20g，KNO3 1g，K2HPO4 0.5g，MgSO4·7H2O 0.5g， NaCl 0.05g，FeSO4·4H2O 0.01g，pH=7.4-7.6，蒸馏水1000毫升， 装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃,100转/分培养48小时；
③、酿酒酵母Saccharomyces cerevisiaeACCC20064菌种的培养
马铃薯200克，葡萄糖20克， NaCl 2g,蛋白胨1g, 自来水1000毫升；调pH=7.2,装入三角瓶121℃灭菌30分钟后， 摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃,100转/分培养18小时；
④、巨大芽孢杆菌Bacillus megateriumACCC10010菌种的培养；
培养基的配置：玉米面50g，NaCl 2g,蛋白胨1g,蔗糖10g,溶解于1000ml水中，调pH=7.2,装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃,100转/分培养18小时；
⑤、蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus ACCC11109菌种的培养
培养基的配置：蛋白胨5克，NaCl5克，肉膏3克，琼脂15克，pH7.0，蒸馏水1000 毫升装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃,100转/分培养18小时；
⑥、枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilisACCC11060菌种的培养
培养基的配置：蔗糖8g，NaCl 3g,蛋白胨3g,牛肉膏1g,溶解于1000ml水中，调pH=7.2,装入三角瓶121℃灭菌30分钟后，摇匀，用接种环挖块2～3环或调取2～3个单菌落接种后，上摇床30℃,100转/分培养18小时。
7.如权利要求5所述的全自动沼气生产净化装置作为生物堆肥的应用，其特征
在于步骤(5)中微生态反应器内的不透明管道(11)内预先填充的粉碎成0.5-1厘米的秸秆颗粒构成的过滤装置，过滤截留下反应器内生成的螺旋藻和产生的大量微生物, 微生态反应器连续使用一周后，秸秆制成的滤料上截留了大量的螺旋藻和微生物，用于生物堆肥的接种，将这种带有大量微生物的秸秆滤料，或反应器净化后的沼液接种混合菌种微生物，将反应器内替换下的秸秆过滤材料直接与截留在粪便过滤器（13）内的秸秆过滤层（16）上的粪便和秸秆混合物按照质量比1:1000的比例混合均匀， 控制温度为26℃～33℃， 调节粪便和秸秆滤料混合物的相对湿度到60%-70%，进行生物堆肥。
8.如权利要求5所述的全自动沼气生产净化装置作为生物堆肥的应用，其特征
在于将微生态反应器内产生的带有大量微生物的沼液喷洒在步骤(1)中粪便过滤器(13)的秸秆过滤层(16)上截留的粪便连同秸秆混合物内，调节秸秆和粪便混合物的相对湿度到60%-70%，控制温度26℃～33℃进行生物堆肥。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130102 Termination date: 20140328 |