CN102701801B - 由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，该方法包括以下步骤：将无机肥投入接种有微藻的光生物反应器中，在该光生物反应器中微藻在无机肥的作用下快速生长，当微藻的浓度达到0.5g/L～50g/L时，将微藻从光生物反应器中分离出来，并置于沼气发酵器中，发酵3-45天，生成沼气、沼液和沼渣，沼液回流至光生物反应器重新利用，沼气用作能源，沼渣用作有机肥或复合肥。与现有技术相比，本发明整个系统非常简单，所需材料成本低廉，易于制造和安装，可在家庭内尤其是农户中推广使用。运行时除了简单地添加无机肥外可以不需要人工干预，也不需要人工添加任何无机物和有机物(包括含有营养物质的任何形式的生物质及其衍生肥)。

Description

由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法
技术领域
本发明涉及农业和能源领域，尤其是涉及一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法。
背景技术
无机肥指由含有植物所需要的氮(N)、磷(P)、钾(K)等营养物质的无机物所组成的肥料，俗称为矿质肥料、化学肥料、化肥。它具有成分单纯，含有效成分高，易溶于水，分解快，易被根系吸收等特点，故别称“速效性肥料”。但无机肥的缺点也十分明显，它肥效短，易分解，养分单一，不含有机物，而且，长期使用还会造成污染，土壤板结，冲刷加剧，水土流失加重。
有机肥指各种动物和植物经过一定时期发酵腐熟后形成的肥料。有机肥虽然肥效慢，养分含量低，施用量大，但是它有很多无机肥无可替代的优势。有机肥含养分齐全，可向植物提供各种营养元素；有机肥肥效持久而稳定，能源源不断的供给植物养分，能发挥土壤潜在肥力的作用；有机肥能改善土壤结构，腐殖化形成腐殖质，腐殖质是一种复杂的有机胶体，具有改良土壤结构性、吸收性、粘结性，促进团粒结构形成等；有机肥能供给微生物能量和养分，并增加其数量，其本身含有大量微生物；有机肥可以增加土壤温度和保存土壤水分。
如果将无机肥和有机肥复配成一种复合肥，无机肥充分弥补有机肥的缺点，进一步增进肥效。复合肥中不仅具有无机肥的速效性，使植物易于吸收利用，还具有有机肥的长效性，并改良土壤性质，保证植物在整个生长期的营养需求和根系生存环境。
因此，在农业领域，无机肥由有机肥或由无机有机复配而成的复合肥取代，是大势所趋。目前很多发达国家主张有机农业，普遍反对施用无机肥而要求施用有机肥或复合肥。
专利CN1544393公开了一种包括储存备料、切割碎料、物料混合、生化反应、搅拌降温、堆放及包装等工序的农业秸秆制备有机肥料的方法。在被切碎为20-30厘米长的农业秸秆基料中按比例添加远红外催化剂和土壤土、粪便和水等辅料，混合堆放后进行生化反应生温至60-70度，用搅拌进气方式温度控制，经堆放反应21-39天至室温后形成有机肥料。但该发明需要搜集原料，消化时未收集和利用沼气，肥力缺少速效性。
专利CN1830917公开了一种速效有机复合肥的制备方法，属肥料技术领域。其制备方法为：a、制备有机肥提取液：将食用菌糠或秸秆粉2～6、畜禽新鲜粪便2～7、水1～4、氮源0.05～0.4、EM活菌微生物制剂0.1～0.3等原料混匀堆置发酵，过滤取其液体，蒸发浓缩得到有机肥提取液；b、复配：在有机肥提取液中加入黄腐酸和氨基酸，其中：有机肥提取液5.5～9.5；黄腐酸0.5～2；氨基酸0.5～2；制成速效有机复合肥。但该发明程序相当复杂，添加物质种类较多，而且不含除氮外的其它肥效快的无机营养物质。还有，该发明也未收集利用沼气，肥力也缺少速效性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将无机肥投入接种有微藻的光生物反应器中，在该光生物反应器中微藻在无机肥的作用下快速生长，当微藻的浓度达到0.5g/L～50g/L时，将微藻从光生物反应器中分离出来，并置于沼气发酵器中，发酵3-45天，生成沼气、沼液和沼渣，沼液回流至光生物反应器重新利用，沼气用作能源，沼渣用作有机肥或复合肥。
所述的无机肥指由含有植物所需要营养物质的无机物所组成的肥料，包括市售化肥中的任何一种，或者自行复配的含氮(N)、磷(P)、钾(K)的无机肥；投入光生物反应器中无机肥的量为其溶解后氮和磷的浓度分别不低于0.1mg/L和0.02mg/L。
所述的光生物反应器中的微藻直接取自各类含藻水体，或者直接购买藻种。
所述的光生物反应器中设有水，该水为纯水、自来水、雨水或河水。
所述的微藻从光生物反应器中分离采用离心、过滤或絮凝中的任何一种分离手段或者其他的分离方式。
所述的微藻从光生物反应器中分离出来后采用传统的超声波法对微藻细胞进行破碎后，再进入沼气发酵器中，也可采用其他破碎方法。
所述的沼气发酵器的温度为35～40℃，pH值范围取6.8～7.5，也可以在四季的自然条件下进行，不进行温度和pH值控制，这样可以减少人工干预以及降低温度和pH值的控制成本。
所述的沼液回流至光生物反应器，作为微藻生长补充营养物质，并且自身也得到净化。
所述的沼渣用作有机肥，无机肥过量时为有机无机型复合肥，更加有效促进农作物或其它植物生长。
所述的沼气全部直接进入储气罐，或者通过气体分离器分离出CO2后再输入储气罐，分离出的CO2通入光生物反应器增加水中CO2的浓度，促进微藻生长。
在光生物反应器中放入适量水后接种微藻，采用无机肥在阳光的自然照射下对其进行驯化和培养。在阳光的自然照射下，微藻吸收大气中无机碳形态的二氧化碳(CO2)，通过光合作用将其转化和增殖为自身的有机质。无机肥是整个系统的唯一的营养源，当加入无机肥时，无机肥会促进微藻的生长，生物量会迅速增加，从而高效地完成光能转化为生物质能的过程。无机肥中可以添加非CO2形态的无机碳如NaHCO3，从而增加光生物反应器中无机碳的浓度，提高微藻生物量的生产能力。当生物量达到一定浓度时从水中分离出微藻，并对其进行细胞破碎，然后进行沼气发酵处理。为了降低运行成本，也可以不进行细胞破碎，微藻分离后直接进入沼气发酵器。无机肥中可以加入pH缓冲剂，能够防止微藻沼气发酵阶段pH值过度降低，维持产甲烷菌代谢的最佳pH值，提高其沼气生产效率。沼气发酵产物分为三部分：沼气、沼液、沼渣。沼液中含有低分子有机碳和丰富的营养物质，回流补充至光生物反应器中，促进微藻生长。沼气的主要成分为甲烷(CH4)和CO2，其中CO2从沼气中分离出来并通入光生物反应器中，以增加水中无机碳源的浓度，促进微藻的生长。分离后的剩余沼气主要成分是甲烷，通入储气罐作为可再生能源备用，从而实现能源化的目的。为了降低成本，也可以不对沼气进行分离，全部通入储气罐作为可再生能源备用，从而实现沼气能源化的目的。沼渣中含有丰富的低分子有机质和植物生长所需的丰富的营养物质，可作有机肥使用；当无机肥过量时，可作无机有机型复合肥使用，从而实现由无机物制备有机肥或复合肥的目的。在复合肥中，无机肥经过沼气发酵阶段处理后，与有机肥已经不再是一个简单的混合关系，而是形成了肥效更为优越的具有协同效应的复配关系，更加有效地促进植物的生长。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)有效成分含量高且肥效均衡，效力迅速且持久，作用广泛，施用量少，施用方便。施用后，可使作物增产10～20％。
(2)提供了一种由无机肥制备有机肥或复合肥的方法，将无机肥转变成有机肥或复合肥，克服了无机肥肥效短，易分解，养分单一，不含有机物，长期使用还会造成污染，土壤板结，冲刷加剧，水土流失加重等缺点。产品有机肥含养分齐全，可向植物提供各种营养元素；肥效持久而稳定，能源源不断的供给植物养分，能发挥土壤潜在肥力的作用；能改善土壤结构，腐殖化形成腐殖质，具有改良土壤结构性、吸收性、粘结性，并促进团粒结构形成；能供给微生物能量和养分，并增加其数量，其本身含有大量微生物；还可以增加土壤温度和保存土壤水分。产品复合肥可发挥无机肥和有机肥肥料的优点，同时避免两类肥料的缺点，复合肥中的无机肥具有速效性，植物在施肥后迅速吸收利用，同时其中的有机肥具有长效性和改良土壤的性质，保证植物在整个生长期的营养需求和根系生存环境。
(3)不仅提供了一种由无机肥制备高效的有机肥或复合肥的方法，还同时生产出沼气能源。沼气是一种可再生能源，生产和使用可再生能源，对控制气候变化具有重要的意义。本方法还可分离出CO2供微藻培养，沼气脱除CO2后CH4的含量比一般沼气要高，即单位体积的能值高。整个工艺实现了太阳能转化微藻生物质能，再由生物质能转化为可方便使用的甲烷形态的化学能，只有二步转换，简单高效且使用方便。有机肥、复合肥和沼气均可方便地应用于农户，也是农户生活和生产中的重要物资。
(4)无机肥中所含有的营养物质以微藻易于吸收的形态存在，因此，无机肥可以大大促进了微藻的生长，大幅度提高了太阳能转化为化学能的能量转换效率。而且，无机肥还可以根据微藻的需要，非常方便地调整营养物质的比例，优化无机肥的配方，从而提高微藻培养的效率。
(5)无机肥中可以方便地添加能够提高整个系统稳定和效率的物质。无机肥中加入非CO2形态的无机碳，如NaHCO3，从而增加光生物反应器中无机碳的浓度，提高微藻生物量的生产效率。无机肥中也可以加入pH缓冲剂，能够防止微藻沼气发酵时pH值过度降低，维持产甲烷菌代谢的最佳pH值，提高其生产效率。因此，无机肥是一种优良的微藻生长高效促进剂，也是一种优良的系统进料。
(6)无机肥经过沼气发酵阶段处理后，与有机肥不是一个简单的混合关系，而是形成了肥效更为优越的具有协同作用的复配关系，更加有效地促进植物的生长。
(7)无机肥是整个系统唯一的营养物质来源，无需其它任何营养源(包括任何含有营养物质的任何形式的生物质及其衍生肥)即可良好地运行，持续地生长微藻，并稳定地产生沼气和有机肥或复合肥。系统所需的阳光和CO2无需人工加入，完全免费。因此，整个系统实际上构成了只有无机肥一个进料的小型能源化工厂和农用肥化工厂。
(8)从工艺上来看，光生物反应器为沼气发酵器提供了唯一的原料微藻，沼气发酵器为光生物反应器提供了沼液和沼气，又强化了微藻培养，同时光生物反应器处理了沼气发酵器的废液和废气，从而系统内部形成了自耦合机制。从系统外部来看，整个系统只有一个有机肥进料和二个有用的能源和肥料出料，且没有任何污染产生。
(9)整个系统非常简单，所需材料成本低廉，易于制造和安装，可在家庭内尤其是农户中推广使用。运行时除了简单地添加无机肥外可以不需要人工干预，也不需要人工添加任何无机物和有机物(包括含有营养物质的任何形式的生物质及其衍生肥)。
附图说明
图1为本发明的工艺路线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的工艺过程如下：
(1)微藻的接种：微藻在水体中广泛存在，接种微藻可以直接取自各类含藻水体，也可以直接购买藻种。在光生物反应器1中，接种微藻浓度不限；
(2)微藻的驯化和培养：微藻的驯化和培养在光生物反应器1中完成。微藻生长需要阳光、CO2和H2O，阳光采用自然条件下的阳光，H2O可以是任何形式的水(包括纯水、自来水、雨水和河水)。从图1工艺路线图看出，CO2是无机碳，来自大气和沼气分离出来的CO2，由于沼气中的CO2来自于微藻自身沼气发酵，因此大气是微藻驯化和培养所需CO2的唯一的最终来源。CO2可以通过空气曝气、沼气CO2曝气和自然扰动的方式，实现空气中的CO2溶解水中并供微藻利用。阳光和CO2无需人工加入，而且完全免费，补充进入光生物反应器中的水主要用于微藻同化和自然蒸发，可以自动加入。从图1工艺路线图看出，微藻驯化和培养所需的营养物质来自于无机肥和从沼气发酵器回流到光生物反应器的沼液，但沼液中的营养物质全部来源于微藻，因此，无机肥是驯化和培养微藻的唯一的营养物质最终来源。而且，从图1工艺路线图还看出，无机肥也是整个工艺系统唯一的营养物质来源，无需其它任何营养源(包括含有营养物质的任何形式的生物质及其衍生有机肥)整个系统即可持续稳定培养微藻和生产有机肥或复合肥、沼气。当无机肥过量时，沼渣为无机有机型复合肥。在光生物反应器中，微藻驯化和培养阶段投入无机肥的量为溶解后氮和磷的浓度分别不低于0.1mg/L和0.02mg/L。
无机肥中所含有的营养物质以微藻易于吸收的形态存在，因此，无机肥可以大大促进了微藻的生长，大幅度提高了太阳能转化为化学能的能量转换效率。而且，无机肥还可以根据微藻的需要，非常方便地调整营养物质的比例，优化无机肥的配方，从而提高微藻培养的效率。无机肥中可以方便地添加能够提高整个系统稳定和效率的物质。无机肥中加入非CO2形态的无机碳，如NaHCO3，从而增加光生物反应器中无机碳的浓度，提高微藻生物量的生产效率。无机肥中也可以加入pH缓冲剂，能够防止微藻沼气发酵时pH值过度降低，维持产甲烷菌代谢的最佳pH值，提高其生产效率。因此，无机肥是一种优良的微藻生长高效促进剂，也是一种优良的系统进料。无机肥经过沼气发酵阶段处理后，与有机肥不是一个简单的混合关系，而是形成了肥效更为优越的具有协同作用的复配关系，更加有效地促进植物的生长。总之，无机肥具有上述区别于其它营养源的诸多独特性质，从而使得无机肥与其它营养源相比，在微藻培养阶段和沼气发酵阶段均能够显著提高生化效率，提高微藻、沼气和有机肥或无机有机型复合肥的产量。
(3)微藻分离3：当微藻浓度在0.5g/L～50g/L时，将微藻从水中分离出来，并置于沼气发酵器中。可采用离心、过滤和絮凝中的任何一种分离手段，或其它分离手段。
(4)微藻破碎4：微藻破碎相当于沼气发酵的预处理，目的是灭活微藻并破碎微藻细胞，从而减少微藻在沼气发酵器中的停留时间，提高沼气发酵的生产效率。采用传统的超声波法对微藻细胞进行破碎，也可以采用其它破碎方法。为了减少操作成本，微藻可不进行破碎处理，直接进入沼气发酵器2。
(5)沼气发酵：按传统方式进行沼气发酵。为了获得较高的沼气产率，温度范围取35～40℃，pH值范围取6.8～7.5。也可以在四季的自然条件下进行，不进行温度和pH值控制，这样可以减少人工干预以及降低温度和pH值的控制成本。微藻在沼气发酵器中的停留时间为3～45天之间，发酵产物分为三部分：沼气、沼液、沼渣。沼液回流至光生物反应器，为微藻生长补充营养物质，并且自身也得到净化。沼渣用作有机肥，无机肥过量时为有机无机型复合肥，促进农作物或其它植物生长。
(6)气体分离：采取传统变压分离的方式，将沼气输入气体分离器5中分离，从沼气中分离出CO2，通入光生物反应器1增加水中CO2的浓度，促进微藻生长。也可以采用不分离的方式，厌氧后的沼气全部直接进入储气罐6，虽然沼气中的CO2没有被光生物反应器中的微藻重新利用，但大大减少了整个系统的固定成本和运行成本。
实施例1
一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，该方法包括以下步骤：(1)在光生物反应器中放入1000m3水，取1m3泛绿的河水接种微藻，倒入光生物反应器中。(2)取无机肥添加入生物反应器，溶解后氮和磷浓度分别为1mg/L和0.2mg/L，在阳光的自然照射下，微藻生物量稳定增长。(3)当生物量达到5g/L时，采用过滤的办法分离出微藻，经超声波破碎后投入沼气发酵器。(4)微藻在沼气发酵器停留时间10天，40％转变成沼气，30％转变沼液，30％成为沼渣。沼气进入储气罐备用，沼液回流至光生物反应器，沼渣作为复合肥备用。本实施例实施效果：完成了每天制备复合肥300kg，不需要无机肥以外的任何营养源实现了微藻培养和沼气发酵的自耦合过程，将太阳能转化为沼气能，高效地同时实现了沼气能源制造和复合肥料生产。
实施例2
一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，该方法包括以下步骤：(1)在光生物反应器中放入1m3水，取1L泛绿的河水接种微藻，倒入光生物反应器中。(2)取无机肥添加入生物反应器，溶解后氮和磷浓度分别为0.1mg/L和0.02mg/L，在阳光的自然照射下，微藻生物量稳定增长。(3)当生物量达到0.5g/L时，采用过滤的办法分离出微藻，经超声波破碎后投入沼气发酵器。(4)微藻在沼气发酵器停留时间3天，40％转变成沼气，40％转变沼液，20％成为沼渣。沼气进入储气罐备用，沼液回流至光生物反应器，沼渣作为有机肥备用。本实施例实施效果：完成了每天制备有机肥40g，不需要无机肥以外的任何营养源实现了微藻培养和沼气发酵的自耦合过程，将太阳能转化为沼气能，高效地同时实现了沼气能源制造和有机肥料生产。
实施例3
一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，该方法包括以下步骤：(1)在光生物反应器中放入5m3水，购买小球藻(Chlorella)，扩培后接种至光生物反应器中。(2)取无机肥添加入生物反应器，溶解后氮和磷浓度分别为10mg/L和2mg/L，在阳光的自然照射下，微藻生物量稳定增长。(3)当生物量达到50g/L时，采用过滤的办法分离出微藻，经超声波破碎后投入沼气发酵器。(4)微藻在沼气发酵器停留时间45天，50％转变成沼气，30％转变沼液，20％成为沼渣。沼气进入储气罐备用，沼液回流至光生物反应器，沼渣作为复合肥备用。本实施例实施效果：完成了每天制备复合肥15kg，不需要无机肥以外的任何营养源实现了微藻培养和沼气发酵的自耦合过程，将太阳能转化为沼气能，高效地同时实现了沼气能源制造和复合肥料生产。

Claims (10)

1.一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将无机肥投入接种有微藻的光生物反应器中，在该光生物反应器中微藻在无机肥的作用下快速生长，当微藻的浓度达到0.5g/L～50g/L时，将微藻从光生物反应器中分离出来，并置于沼气发酵器中，发酵3-45天，生成沼气、沼液和沼渣，沼液回流至光生物反应器重新利用，沼气用作能源，沼渣用作有机肥或复合肥。
2.根据权利要求1所述的一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，所述的无机肥指由含有植物所需要营养物质的无机物所组成的肥料，包括市售化肥中的任何一种，或者自行复配的含氮(N)、磷(P)、钾(K)的无机肥；投入光生物反应器中无机肥的量为其溶解后氮和磷的浓度分别不低于0.1mg/L和0.02mg/L。
3.根据权利要求1所述的一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，所述的光生物反应器中的微藻直接取自各类含藻水体，或者直接购买藻种。
4.根据权利要求1所述的一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，所述的光生物反应器中设有水，该水为纯水、自来水、雨水或河水。
5.根据权利要求1所述的一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，所述的微藻从光生物反应器中分离采用离心、过滤或絮凝中的任何一种分离手段。
6.根据权利要求1所述的一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，所述的微藻从光生物反应器中分离出来后采用传统的超声波法对微藻细胞进行破碎后，再进入沼气发酵器中。
7.根据权利要求1所述的一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，所述的沼气发酵器的温度为35～40℃，pH值范围取6.8～7.5。
8.根据权利要求1所述的一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，所述的沼液回流至光生物反应器，作为微藻生长补充营养物质，并且自身也得到净化。
9.根据权利要求1所述的一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，所述的沼渣用作有机肥，无机肥过量时为有机无机型复合肥，更加有效促进农作物或其它植物生长。
10.根据权利要求1所述的一种由无机肥制备有机肥或复合肥同时生产沼气能源的方法，其特征在于，所述的沼气全部直接进入储气罐，或者通过气体分离器分离出CO2后再输入储气罐，分离出的CO2通入光生物反应器增加水中CO2的浓度，促进微藻生长。
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