CN102757980A - 一种易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，包括以下步骤：步骤一、收集易腐有机废弃物和秸秆并分别粉碎；步骤二、将粉碎后的易腐有机废弃物装填于固体渗滤床的渗滤填料上面，添加沼气发酵接种物，进行厌氧水解产酸形成渗滤液；步骤三、收集从固体渗滤床底部排出的渗滤液，与粉碎后的秸秆加入到秸秆预处理反应器，进行加热浸泡预处理；步骤四、收集水解产酸残渣和预处理后的秸秆、渗滤液混合物，加入到沼气发酵反应器，进行混合厌氧发酵产沼气。本发明能避免易腐有机废弃物在传统厌氧发酵过程中容易发生的“酸中毒”、传统强酸/强碱预处理存在的设备和管道腐蚀，降低秸秆的预处理成本，有利于沼渣的后续利用，提高沼气发酵性能。

Description

一种易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法

[技术领域]

本发明涉及可再生能源领域，尤其涉及一种易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法。

[背景技术]

中国是一个农业大国，每年产生约8亿吨农作物秸秆。目前，秸秆的能源利用方式主要有焚烧、气化、热解、乙醇发酵和沼气发酵。与其它能源利用方式相比，利用沼气发酵技术处理利用秸秆，不仅可以产生高效、清洁的高品位能源，同时产生的沼渣和沼液还可以直接用作有机肥料。沼气发酵技术本身是一种非常成熟的技术，利用该技术转化秸秆为新型能源，可以缓解我国常规能源紧张状况、提高农村人民的生活质量；另一方面，又可解决作物秸秆的出路问题，减少因露天焚烧、乱堆乱置等带来的对环境不利影响。实际上，我国已经明确将秸秆沼气作为一项主要的可再生能源进行重点支持发展。当然，上述所述的秸秆，除了农作物秸秆外，如稻草、玉米秸、麦秸等，还包括大量草本类能源植物，如皇草、象草、柳枝稷、芒草、狼尾草等。

众所周知，秸秆复杂的木质纤维结构是阻碍其生物降解的重要因素，因此在进行沼气发酵之前，通常需要对秸秆进行预处理。常用的预处理方法包括物理预处理、化学预处理、生物预处理，从目前的应用来看，主要采用物理预处理+化学预处理相结合的方法，即切碎/粉碎+酸/碱预处理。目前采用的酸/碱预处理方法主要为强酸或强碱预处理，例如盐酸、硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等，这种预处理方法普遍存在设备腐蚀问题，且需要大量的水对预处理后的原料进行清洗或需要大量的酸碱进行中和。当用水进行清洗时，会损失溶解有机质；当用酸碱中和时，又会产生大量的钠离子和氯离子，不仅可能抑制厌氧发酵，还可能造成环境污染，而且会影响沼渣的后续利用。以上问题严重影响了酸/碱预处理方法在规模化秸秆沼气工程上的应用。

易腐有机废弃物包括厨余垃圾、果蔬垃圾和肉类加工废弃物等，其最大的特点是水分含量和有机质含量都比较高，水分含量一般在70%以上，有机质含量一般在90%以上（以干基计）。上述特点使得现有城市生活垃圾处理技术均存在一些问题；比如，较高的有机质含量会导致填埋过程中产生大量污染地下水和土壤圈的渗滤液以及无序排放的温室气体（以甲烷为主）；较高的水分含量导致焚烧处理过程添加大量额外的辅助燃料。卫生填埋对选址要求较高，且占地面积较大，在许多大城市，已经很难找到适合卫生填埋的场地；焚烧处理，由于存在二次污染、一次性投入高、能量输出效率低等问题，政府和民众对都持谨慎的态度。高水分含量和高有机质含量的易腐有机废弃物非常适于厌氧消化处理，在消除垃圾污染的同时，能获得清洁可再生能源（甲烷），易腐有机废弃物的有效处理能够显著消除城市生活垃圾的污染。

但易腐性有机废弃物主要成分为糖类、淀粉、膳食纤维、蛋白质，它们属于容易水解酸化的物质，在厌氧消化过程中水解产酸速率较快，形成大量的甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等挥发性脂肪酸，严重抑制厌氧消化。

[发明内容]

本发明提供了一种易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，其能避免易腐有机废弃物在传统厌氧发酵过程中容易发生的“酸中毒”、传统强酸强碱预处理存在的设备和管道腐蚀，降低秸秆的预处理成本，有利于沼渣的后续利用，提高沼气发酵性能。

本发明的技术方案是：

一种易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，包括以下步骤：

步骤一、收集易腐有机废弃物和秸秆并分别粉碎；

步骤二、将粉碎后的易腐有机废弃物装填于固体渗滤床的渗滤填料上面，添加沼气发酵接种物，密封固体渗滤床，控制PH值4.5-6.5进行厌氧水解产酸生成挥发性脂肪酸以及少量氢气和二氧化碳，沼液从固体渗滤床顶部进入对易腐有机废弃物进行淋洗，挥发性脂肪酸溶于沼液中，经过渗滤填料和支撑渗滤填料的多孔板后形成渗滤液；

步骤三、收集从固体渗滤床底部排出的渗滤液，通入秸秆预处理反应器，添加步骤一粉碎后的秸秆到渗滤液中，搅拌均匀，控制秸秆干物质质量浓度为10%-15%，密封秸秆预处理反应器进行加热浸泡预处理；

步骤四、收集固体渗滤床下部排出的水解产酸残渣和秸秆预处理反应器预处理后的秸秆、渗滤液混合物，加入到沼气发酵反应器，添加沼液稀释挥发性脂肪酸浓度或加少量碱调解至中性，并添加沼气发酵接种物进行混合厌氧发酵；并收集从固体渗滤床顶部排出的氢气和二氧化碳，从底部通入沼气发酵反应器进行沼气发酵；控制沼气发酵温度为25℃-60℃，pH值6.5-8.0。

本发明采用水解产酸和沼气发酵两相工艺，避免易腐有机废弃物在传统厌氧发酵过程中容易发生的“酸中毒”；采用富含挥发性脂肪酸的渗滤液对秸秆进行预处理，由于挥发性脂肪酸的腐蚀性较弱，避免传统强酸/强碱预处理存在的设备和管道腐蚀；另外，由于挥发性脂肪酸本身来源于易腐有机废弃物，无需额外添加其它化学药品（如盐酸、硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等），因此大大降低了秸秆的预处理成本；且由于挥发性脂肪酸本身就是沼气发酵的良好底物，因此，无需对预处理后的秸秆进行清洗，可直接利用挥发性脂肪酸进行沼气发酵；并且由于挥发性脂肪酸酸性较弱，只需添加少量碱或进行稀释处理后即可进行后续沼气发酵，减少碱金属离子的大量积累，避免沼气发酵抑制和环境污染，有利于沼渣的后续利用；最后，易腐有机废弃物多为富氮原料，而秸秆的碳氮比相对较高，缺乏氮源，将两者进行混合厌氧发酵可以优化调节发酵原料的碳氮比，提高沼气发酵性能。

[附图说明]

图1是本发明易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法在一实施例中的工艺流程图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明的具体实施例做一详细的阐述。

如图1所示的工艺流程图，本发明的易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，包括以下步骤：

步骤一、收集易腐有机废弃物和秸秆并分别粉碎；由于易腐有机废弃物杂质比较多，可以除杂后粉碎，而且易腐有机废弃物和秸秆粉碎后的粒径最好在20mm以下，可以提高后续的水解产酸、预处理和沼气发酵效果；

步骤二、采用固体渗滤床作为厌氧水解产酸反应器，将粉碎后的易腐有机废弃物装填于固体渗滤床的渗滤填料上面，添加沼气发酵接种物，密封固体渗滤床，控制PH值4.5-6.5进行厌氧水解产酸生成挥发性脂肪酸（包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等）以及少量氢气和二氧化碳，沼液从固体渗滤床顶部进入对易腐有机废弃物进行淋洗（可以通过布水器进行淋洗），挥发性脂肪酸溶于沼液中，在重力作用下经过渗滤填料和支撑渗滤填料的多孔板后形成渗滤液，并从固体渗滤床底部排出；

另外，可以通过调节易腐有机废弃物进料量、沼液淋洗量、沼液淋洗频率控制渗滤液中挥发性脂肪酸浓度≥8g/L，这样可以保证后续对秸秆的预处理效果；并定期从固体渗滤床下部排出水解产酸残渣，便于后续的沼气发酵利用；

步骤三、收集从固体渗滤床底部排出的渗滤液，通入秸秆预处理反应器，添加步骤一粉碎后的秸秆到渗滤液中，搅拌均匀，秸秆干物质质量浓度为10%-15%（秸秆干物质质量浓度是指秸秆的质量占秸秆和渗滤液总质量的百分比），密封秸秆预处理反应器进行加热浸泡预处理；

最好控制秸秆预处理反应器的预处理温度为80℃-160℃，预处理时间为1h-5h，以提高秸秆预处理效果；

步骤四、收集固体渗滤床下部排出的水解产酸残渣和秸秆预处理反应器预处理后的秸秆、渗滤液混合物，加入到沼气发酵反应器，添加沼液稀释挥发性脂肪酸浓度或加少量碱调解至中性，并添加沼气发酵接种物进行混合厌氧发酵；并收集从固体渗滤床顶部排出的氢气和二氧化碳，从底部通入沼气发酵反应器进行沼气发酵；控制沼气发酵温度为25℃-60℃，pH值6.5-8.0。一般发酵周期为20-30天。

为了循环利用发酵剩余物，提高利用效率，在步骤四之后，还可以包括步骤五：

收集沼气发酵反应器排出的发酵剩余物，一部分用作沼气发酵接种物，其余部分进行固液分离形成沼液和沼渣，部分沼液回流到固体渗滤床用于淋洗易腐有机废弃物，部分沼液加入到沼气发酵反应器用于稀释挥发性脂肪酸浓度。沼渣可以用作固体有机肥。

另外，在步骤四产生的沼气用于发电时，产生的高温烟气用于加热秸秆预处理器反应器。可以充分利用能源，节省秸秆的预处理成本。

需要说明的是，上述所述的秸秆包括但不限于稻草、麦秆、玉米秸、米草、狼尾草、皇草、象草。

下面通过具体的实施例和对比例来说明下本发明所取得的显著效果。

实施例1

以新鲜果蔬垃圾（含水率89%）作为易腐有机废弃物，收集除杂后粉碎至粒径20mm以下备用，以干稻草（含水率9%）作为秸秆，粉碎至粒径20mm以下备用；取破碎后的果蔬垃圾50kg装填于固体渗滤床的渗滤填料上面，添加沼气发酵接种物，密封固体渗滤床，控制pH值4.5进行厌氧水解产酸，每隔4h取1.5kg来自固液分离后的沼液从固体渗滤床顶部进入并经布水器对果蔬垃圾进行淋洗，水解产酸生成的挥发性脂肪酸（甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等）溶于沼液中，在重力作用下经过渗滤填料和支撑渗滤填料的多孔板后形成渗滤液并从固体渗滤床底部排出，测得总挥发性脂肪酸浓度为8.5g/L，经过48h的水解产酸后，累计收集到渗滤液16kg，从固体渗滤床下部排出水解产酸残渣；将上述渗滤液通入秸秆预处理反应器，添加粉碎后的干稻草2kg到渗滤液中并搅拌均匀，稻草干物质质量浓度为10.1%，密封秸秆预处理反应器后进行加热浸泡预处理，控制预处理温度为90℃，预处理时间为1h；将上述水解产酸残渣、预处理后的秸秆、渗滤液混合物加入到沼气发酵反应器，添加120g碳酸氢铵调节发酵原料的碳氮比，添加沼液用于稀释挥发性脂肪酸浓度，添加沼气发酵接种物进行混合厌氧发酵，控制沼气发酵温度为25℃，pH值6.5，同时收集从固体渗滤床顶部排出的氢气和二氧化碳，从底部通入沼气发酵反应器进行沼气发酵，经过20天的沼气发酵获得沼气3075L，单位原料产气量为421L/kg TS；完成沼气发酵的发酵剩余物从沼气发酵反应器排出，一部分用作沼气发酵接种物，其余部分进行固液分离形成沼液和沼渣，部分沼液回流到固体渗滤床用于淋洗果蔬垃圾，部分沼液加入到沼气发酵反应器用于稀释挥发性脂肪酸浓度，沼渣用作固体有机肥。

实施例2

以新鲜果蔬垃圾（含水率89%）作为易腐有机废弃物，收集除杂后破碎至粒径20mm以下备用，以干稻草（含水率9%）作为秸秆，粉碎至粒径20mm以下备用；取破碎后的果蔬垃圾100kg装填于固体渗滤床的渗滤填料上面，添加沼气发酵接种物，密封固体渗滤床，控制pH值5进行厌氧水解产酸，每隔3h取3kg来自固液分离后的沼液从固体渗滤床顶部进入并经布水器对果蔬垃圾进行淋洗，水解产酸生成的挥发性脂肪酸（甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等）溶于沼液中，在重力作用下经过渗滤填料和支撑渗滤填料的多孔板后形成渗滤液并从固体渗滤床底部排出，测得总挥发性脂肪酸浓度为13g/L，经过48h的水解产酸后，累计收集到渗滤液45kg，从固体渗滤床下部排出水解产酸残渣；将上述渗滤液通入秸秆预处理反应器，添加粉碎后的干稻草7kg到渗滤液中并搅拌均匀，稻草干物质质量浓度为12.2%，密封秸秆预处理反应器后进行加热浸泡预处理，控制预处理温度为120℃，预处理时间为3h；将上述水解产酸残渣、预处理后的秸秆、渗滤液混合物加入到沼气发酵反应器，添加240g碳酸氢铵调节发酵原料的碳氮比，添加沼液用于稀释挥发性脂肪酸浓度，添加沼气发酵接种物进行混合厌氧发酵，控制沼气发酵温度为37℃，pH值7.0，同时收集从固体渗滤床顶部排出的氢气和二氧化碳，从底部通入沼气发酵反应器进行沼气发酵，经过28天的沼气发酵获得沼气7527L，单位原料产气量为433L/kg TS；完成沼气发酵的发酵剩余物从反应器排出，一部分用作沼气发酵接种物，其余部分进行固液分离形成沼液和沼渣，部分沼液回流到厌氧水解产酸反应器用于淋洗果蔬垃圾，部分沼液加入到沼气发酵反应器用于稀释挥发性脂肪酸浓度，沼渣用作固体有机肥。

实施例3

以新鲜厨余垃圾（含水率76%）作为易腐有机废弃物，收集除杂后破碎至粒径20mm以下备用，以干稻草（含水率9%）作为秸秆，粉碎至粒径20mm以下备用；取破碎后的厨余垃圾100kg装填于固体渗滤床的渗滤填料上面，添加沼气发酵接种物，密封固体渗滤床，控制pH值6.5进行厌氧水解产酸，每隔3h取4kg来自固液分离后的沼液从反应器顶部进入并经布水器对厨余垃圾进行淋洗，水解产酸生成的挥发性脂肪酸（甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等）溶于水中，在重力作用下经过渗滤填料和支撑渗滤填料的多孔板后形成渗滤液并从固体渗滤床底部排出，测得总挥发性脂肪酸浓度为16g/L，经过48h的水解产酸后，累计收集到渗滤液60kg，收集从固体渗滤床顶部排出的少量氢气和二氧化碳，从固体渗滤床下部排出水解产酸残渣；将上述渗滤液通入秸秆预处理反应器，添加粉碎后的干稻草11.5kg到渗滤液中并搅拌均匀，稻草干物质质量浓度为14.6%，密封秸秆预处理反应器后进行加热浸泡预处理，控制预处理温度为160℃，预处理时间为5h；将上述水解产酸残渣、预处理后的秸秆、渗滤液混合物加入到沼气发酵反应器，添加沼液用于稀释挥发性脂肪酸浓度，添加碱液调解pH值至7.0，添加沼气发酵接种物进行混合厌氧发酵，控制沼气发酵温度为55℃，pH值8.0，同时收集从固体渗滤床顶部排出的氢气和二氧化碳，从底部通入沼气发酵反应器进行沼气发酵，经过35天的沼气发酵获得沼气19800L，单位原料产气量为574L/kg TS；完成沼气发酵的发酵剩余物从反应器排出，一部分用作沼气发酵接种物，其余部分进行固液分离形成沼液和沼渣，部分沼液回流到厌氧水解产酸反应器用于淋洗厨余垃圾，部分沼液加入到沼气发酵反应器用于稀释挥发性脂肪酸浓度，沼渣用作固体有机肥。

对比例1

以新鲜果蔬垃圾（含水率89%）作为易腐有机废弃物单独进行沼气发酵，收集除杂后破碎至粒径20mm以下备用，取破碎后的果蔬垃圾50kg装填于沼气发酵反应器，添加120g碳酸氢铵调节发酵原料的碳氮比，添加沼气发酵接种物进行混合厌氧发酵，控制沼气发酵温度为25℃，经过1天的沼气发酵后产气停止，测定发酵液的pH值为4.9，总挥发性脂肪酸浓度为13.6g/L，沼气发酵显然受到挥发性脂肪酸的抑制，采用氢氧化钠溶液调节pH值至7.0，经过1天的观察，仍然没有显著产气，沼气发酵彻底失败。

对比例2

以新鲜厨余垃圾（含水率76%）作为易腐有机废弃物单独进行沼气发酵，收集除杂后破碎至粒径20mm以下备用，取破碎后的厨余垃圾50kg装填于沼气发酵反应器，添加沼气发酵接种物进行混合厌氧发酵，控制沼气发酵温度为55℃，经过1天的沼气发酵后产气停止，测定发酵液的pH值为4.3，总挥发性脂肪酸浓度为20.2g/L，沼气发酵显然受到挥发性脂肪酸的抑制，采用氢氧化钠溶液调节pH值至7.0，经过1天的观察，仍然没有显著产气，沼气发酵彻底失败。

对比例3

以干稻草（含水率9%）作为秸秆单独进行沼气发酵，粉碎至粒径20mm以下备用，取5kg到沼气发酵反应器，添加50g碳酸氢铵调节发酵原料的碳氮比，添加沼气发酵接种物进行混合厌氧发酵，控制沼气发酵温度为37℃，pH值7，经过28天的沼气发酵获得沼气1137L，单位原料产气量为250L/kg TS。

对比实施例和对比例可以看出，由于果蔬垃圾和厨余垃圾是易腐有机废弃物，直接进行沼气发酵容易产生严重的挥发性脂肪酸抑制，致使沼气发酵失败；而未经预处理的秸秆直接进行沼气发酵时，原料产气率较低。将易腐有机废弃物和秸秆联合产沼气，首先对易腐有机废弃物进行厌氧水解产酸，获得含高浓度挥发性脂肪酸的渗滤液，用于对秸秆进行预处理，最后将易腐有机废弃物水解产酸残渣、预处理后秸秆和渗滤液进行混合厌氧发酵，不仅避免了易腐有机废弃物单独沼气发酵存在的挥发性脂肪酸抑制，而且提高了秸秆的原料产气率。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、收集易腐有机废弃物和秸秆并分别粉碎；

步骤二、将粉碎后的易腐有机废弃物装填于固体渗滤床的渗滤填料上面，添加沼气发酵接种物，密封固体渗滤床，控制PH值4.5-6.5进行厌氧水解产酸生成挥发性脂肪酸以及少量氢气和二氧化碳，沼液从固体渗滤床顶部进入对易腐有机废弃物进行淋洗，挥发性脂肪酸溶于沼液中，经过渗滤填料和支撑渗滤填料的多孔板后形成渗滤液；

步骤三、收集从固体渗滤床底部排出的渗滤液，通入秸秆预处理反应器，添加步骤一粉碎后的秸秆到渗滤液中，搅拌均匀，控制秸秆干物质质量浓度为10%-15%，密封秸秆预处理反应器进行加热浸泡预处理；

步骤四、收集固体渗滤床下部排出的水解产酸残渣和秸秆预处理反应器预处理后的秸秆、渗滤液混合物，加入到沼气发酵反应器，添加沼液稀释挥发性脂肪酸浓度或加少量碱调解至中性，并添加沼气发酵接种物进行混合厌氧发酵；并收集从固体渗滤床顶部排出的氢气和二氧化碳，从底部通入沼气发酵反应器进行沼气发酵；控制沼气发酵温度为25℃-60℃，pH值6.5-8.0。

2.根据权利要求1所述的易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，其特征在于：步骤一中，控制易腐有机废弃物和秸秆粉碎后的粒径在20mm以下。

3.根据权利要求1所述的易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，其特征在于：步骤二中，通过调节易腐有机废弃物进料量、沼液淋洗量、沼液淋洗频率控制渗滤液中挥发性脂肪酸浓度≥8g/L。

4.根据权利要求1所述的易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，其特征在于：步骤三中，控制秸秆预处理反应器的预处理温度为80℃-160℃，预处理时间为1h-5h。

5.根据权利要求1所述的易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，其特征在于：在步骤四之后，还包括步骤五：

收集沼气发酵反应器排出的发酵剩余物，一部分用作沼气发酵接种物，其余部分进行固液分离形成沼液和沼渣，部分沼液回流到固体渗滤床用于淋洗易腐有机废弃物，部分沼液加入到沼气发酵反应器用于稀释挥发性脂肪酸浓度。

6.根据权利要求1所述的易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，其特征在于：在步骤四产生的沼气用于发电时，产生的高温烟气用于加热秸秆预处理器反应器。

7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的易腐有机废弃物与秸秆联合产沼气的方法，其特征在于：所述秸秆包括稻草、麦秆、玉米秸、米草、狼尾草、皇草、象草。

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