CN102851318B - 一种利用烟梗发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用烟梗发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法。选取烟草打叶复烤线产生的废烟梗为主要发酵原料，经厌氧发酵生产沼气；对沼液和烟梗沼渣进行固液分离，得到烟梗沼渣和沼液。沼气经净化制为清洁燃料或用于发电，为厂区提供部分能源；烟梗沼渣经腐熟、干燥成型制为栽培基质。沼液返回发酵系统循环利用或作为液体有机肥使用。本发明方法生产工序简捷，原料集中、稳定，利于规模生产，生产成本低；可实现打叶复烤厂废烟梗资源的无污染、零排放循环利用，产生良好的经济效益、生态效益和社会效益。

Description

一种利用烟梗发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法
技术领域
本发明涉及农业生物质废料综合利用技术领域，尤其是利用生物质废料生产沼气和栽培基质的技术。更详细地说涉及一种利用烟梗废料发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法。
背景技术
进入二十一世纪的世界，能源紧张问题日益加剧，能源开发已成为各国的重要发展战略。生物质发酵可产生生物气体(沼气)。沼气发酵是生物质能转化最重要的技术之一，它能有效处理有机废物，产生燃料沼气和肥料，在解决农村生活用能问题，改善农村环境卫生，清理工业污染物方面发挥着重要作用。能转化成沼气的生物质可包括畜禽业污物(牛粪、猪粪、鸡粪等)；工厂废物废水(豆制品厂废水、酒厂废物、肉品加工厂废水等)；植物废料(青草、水葫芦、作物秸秆等)；以及生活垃圾、废水处理厂污泥等。沼气发酵工艺研究与应用日趋成熟。
另一方面随着栽培基质(如天然草炭)在作物、蔬菜、苗木、花卉、食用菌栽培等领域的广泛应用，农业生产对于栽培基质的需求量越来越大，但天然草炭是有限的自然资源，不可再生。因此，开发天然草炭的替代物栽培基质具有重要意义。
但从现有技术来看，无论是沼气发酵还是栽培基质(包括有机肥)生产，主要存在以下不足之处：
1、生产原料不稳定：目前常规生产原料主要包括作物秸秆、动物粪便、人粪尿、生活垃圾等，存在生产粗放、营养成分不易控制、原料来源不稳定、产品性质各异、易传播病原菌、寄生虫和病虫害等问题。
2、生产原料分散：目前常规生产原料多分散在田间、农户、各生活群体等，难以集中，不利于规模化生产。
3、原料成本较高：将分散的原料统一集中、收购、运输将投入大量人力、物力，增加生产成本。
4、原料物理、化学特性不适宜：现有原料的粒度大小不一、长短、干湿各异，碳氮比差异极大。如作物秸秆类原料，通常需要机械切碎至适宜粒度，才能满足沼气和栽培基质的发酵生产；同时秸秆类原料碳氮比一般在50∶1以上，不符合沼气发酵原料适宜碳氮比25∶1的条件，需混入动物粪便、尿素等调节剂，因此，增加了生产成本、能耗与劳动力消耗。而牛粪、猪粪、鸡粪、生活垃圾等原料的粒度难以达到栽培基质的要求。
综上所述，寻找来源稳定、化学成分协调、粒度大小适宜且均匀的原料，是实现沼气发酵和栽培基质发酵生产高效低耗、产品稳定、优质的关键。
我国是世界上烟叶和卷烟生产的大国，在烟草生产过程中产生的废弃物量非常大。这些废弃物主要包括废烟梗、废烟叶、烟渣和烟秸秆等，为有机肥生产提供了生物资源。
但由于烟草秸秆、烟草残渣、废次烟叶广泛分布于大田、卷烟厂、加工厂，集中收购难度大，运输成本高，另外发酵前需切碎、粉碎，生产成本高，原料来源不稳定，难以集约化推广应用。
目前，利用烟草废料发酵生产沼气的研究国外仅有个别报道，主要以卷烟厂的烟草碎片、烟末、烟尘、烟粉为原料，且仅限沼气发酵方面，未涉及培养基质的生产。至今，利用打叶复烤厂产生的粒度为0.5～5cm的废烟梗作为发酵原料生产沼气和培养基质的方法与技术应用尚未见报道。
烟梗是烟叶的粗硬叶脉，约占叶重的20～30％。2005年以来，随着国际烟草打叶复烤工艺全面推广，烟梗废料在打叶复烤厂集中大量产生。我国烟草加工中每年产生的烟梗废料达数十万吨，由于不能有效利用，大量库存积压，或是焚烧、填埋销毁，造成资源浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用烟梗废料联产沼气和栽培基质的方法。本发明的另一目的在于提供一种由烟梗沼渣栽培基质为原料配制的烟草漂浮育苗基质。本发明的目的还在于提供一种打叶复烤厂废烟梗资源化循环利用的集成技术方法。
本发明实现上述目的所采取的技术方案是：一种利用烟梗发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法，以烟梗为主要原料，经厌氧发酵生产沼气和烟梗沼渣。沼气经净化制为清洁燃料或用于发电；烟梗沼渣制为栽培基质。该方法包括以下步骤：
(1)将打叶复烤厂产生的废烟梗送入厌氧发酵装置进行沼气发酵，得到沼气、沼液和烟梗沼渣；
(2)沼气经净化制为清洁燃料，或用于发电；
(3)对沼液和烟梗沼渣进行固液分离，得到烟梗沼渣；
(4)烟梗沼渣经干燥成型工艺制为栽培基质；
(5)沼液作为液体有机肥使用，或送到第(1)步骤中循环利用。
本发明所述烟梗优选打叶复烤厂产生的废烟梗，烟梗平均粒度为0.5～5.0cm，不需机械切碎等加工，可直接用于沼气发酵工序。本发明所述烟梗原料也可以是经过其它工艺加工、提取后的烟梗废料，例如提取浸膏、烟碱、茄尼醇后的烟梗废料等，有利于充分利用资源。
由于本发明所用发酵原料烟梗有机营养丰富，碳氮比适宜，因此一般不需添加其它配料。首次启动沼气发酵时(新池启动或老池大换料时)，烟梗原料可配入接种物，以加快发酵的启动。接种物优选用污泥、肥土、沼液、粪肥等中的一种或多种；也可用上批次池余发酵料作接种物；还可使用专用接种剂。接种物用量一般为发酵料液总重量的10％～30％。有条件时，可以用烟梗为培养基，对接种物进行富集、驯化和扩大培养。
本发明所述烟梗沼气发酵的工艺条件为：料液含固率(TS)5％～35％；温度25～65℃；pH值6.5～7.5。发酵方式可采用液态发酵法，也可采用干式发酵法。在首次启动沼气发酵时(新池启动或老池大换料时)，先将烟梗原料与接种物和少量水混拌均匀，使物料含水量为40％～100％；然后入池堆沤，当物料温度上升至40～60℃时，再补加水，使料液含固率达到要求；必要时，加碱调整物料pH值至适宜范围。然后封闭系统，进行厌氧沼气发酵。封闭发酵2～5天时即有大量沼气产生。如果采用液态发酵法，发酵产气持续时间较短，一般发酵30～60天时，产气量开始显著下降；为维持系统正常产气，需及时补料，补料量应与出料量(料液体积)相当，一般为每立方米沼气池每天补料0.5～1.5kg干烟梗。采用干式发酵法时，发酵产气持续时间较长，一般发酵周期约3～6个月。烟梗发酵产生的沼气可直接使用，但最好经净化处理制为清洁燃料，或与发电装置耦联，转化为电能，直接用于打叶复烤厂能源需求。本发明方法一般能使每吨烟梗产沼气400～800m3，所产沼气甲烷含量≥55％。
充分发酵的烟梗沼料(一般发酵时间应大于30天)，经固液分离，得到烟梗沼渣和沼液；烟梗沼渣经干燥成型工艺直接制为栽培基质。为提高栽培基质的腐熟度和使用效果，可进一步对烟梗沼渣进行堆沤发酵处理。优选工艺条件为：
水分：40～100％；
pH值：5.5～8.0；
升温阶段：时间2～3天，温度由环境温度升至50℃；
高温阶段：时间为5～10天，温度50～70℃；
降温阶段：时间为5～12天，温度由50℃降至环境温度；
通气：持续通气或间歇通气；
总体发酵腐熟时间为12～25天。
由于本发明烟梗原料粒度大小适宜，直接将烟梗沼渣干燥至水分含量15～35％，即可作为栽培基质成品。或进一步采用打碎机、揉丝机或解纤机将物料低强度打成蓬松纤维状或屑状，即为栽培基质成品。一般刀(锤)片转速为300～2000转/min，筛板孔径为6～20mm，或不加筛板。这样制得的烟梗栽培基质，外观呈蓬松纤维状或屑状固体，褐色至黑褐色，微有沼肥气味，无烟草气味，与天然草炭物理性状相当。所产栽培基质平均有效成分含(按干重计)：40％～75％有机质；20％～35％腐殖酸；1％～2.5％N；0.1％～1.0％P2O5；0.5％～2％K2O；pH值6.5～7.5，纤维长度(或粒度)0.3～2.0cm，容重0.1～0.3g/cm3，含水率10％～35％。本发明方法在生产沼气的同时，一般能使每吨烟梗产出栽培基质1.5～3m3。
本发明制造的栽培基质可直接用于各种作物、园林植物、花卉等的无土栽培基质、育苗基质、基肥、追肥和土壤改良等，可以单独使用，也可以与其它有机肥、化肥配合使用。当配制无土栽培基质或育苗基质时，可将烟梗沼渣栽培基质和填充料混配使用，烟梗沼渣栽培基质与填充料的配比(体积比)通常为(1～5)∶(1～5)。所述填充料可采用珍珠岩、蛭石、岩棉、陶粒、硅藻土、浮石、页岩、炉渣、沙土、河沙、褐煤、粉煤灰、炭化稻壳、炭粒中的一种或多种混合物。例如，配制烟草漂浮育苗基质时，可将本发明烟梗沼渣栽培基质与珍珠岩和蛭石按(2～4)∶(1～2)∶(1～2)的比例(体积比)混配均匀即可。或用本发明烟梗沼渣栽培基质替代部分天然草炭，用于常规烟草漂浮育苗基质的配制。配制复合肥时，将烟梗沼渣栽培基质和普通化肥按(1～10)∶(1～2)的比例(按质量计)混配均匀即可。
本发明方法具有以下技术优势：
1、本发明中所用的烟梗为打叶复烤线正常生产中产生的短烟梗，烟梗废料的粒度一般在0.5～5.0cm之间，原料集中、质量稳定，非常适合沼气发酵工艺，尤其是新型干式沼气发酵工艺。因此，本发明中烟梗原料不需物理或化学前处理，可直接用于本发明沼气发酵工序，发酵后的烟梗沼渣栽培基质粒度适宜，不需复杂的加工工序，从而大大节约人力物力和能源消耗，降低生产成本，提高生产效率。而目前常规的秸秆沼气发酵工艺中，一方面由于发酵前作物秸秆等原料均需要粉碎工序处理，粉尘污染、人力物力和能源消耗巨大。另一方面由于原料分散、疏松，占用空间大，收集和运输成本高，不利于规模生产。
2、本发明中所用的烟梗废料的碳氮比率在20～30∶1之间，非常适合沼气发酵工艺，因此，本发明中原料中一般不需添加、补充氮源或碳源，一方面可节约农业资源，另一方面可解决常规生产中劳力消耗大、原料粗放、营养成分不易控制、原料来源不稳定、易传播病原菌、寄生虫和病虫害等问题。常规技术中作物茎秆碳氮比一般在50∶1以上，必须补充外源氮素，才能进行正常发酵。
3、本发明中所用的发酵原料的粒度和碳氮比适宜，既适合液态发酵工艺，也适合干式发酵工艺，发酵性能优越；表现为产气快，产气稳定，持续时间长，原料腐熟均匀一致。这一方面有利于沼气发酵系统的工艺稳定性，也有利于栽培基质的均匀性和质量稳定性。
4、本集成创新方法可实现打叶复烤厂废烟梗资源的无污染、零排放循环利用。利用烟梗废料发酵联产沼气和栽培基质，沼气经净化制为清洁燃料或用于发电，为打叶复烤厂提供能源，可节约电力、煤炭资源消耗；烟梗沼渣制为栽培基质，用于烟草漂浮育苗系统，可解决天然草炭资源短缺问题；沼液作为液体有机肥在大田施用，可改良土壤。同时，可节约烟梗仓库资源，减少烟梗焚烧对环境的污染，从而实现资源循环利用，促进烟草工农业的可持续发展，可产生良好的经济效益、生态效益和社会效益。以年产2000吨废烟梗的打叶复烤企业计，采用本发明集成创新方法，每年可产沼气100万～150立方米，发电约150～250万千瓦时，在满足企业办公、厂区照明用电的同时，还可用于部分生产用电。若以全国烟草加工企业年产废烟梗20万吨计，可发电约15000～25000万千瓦时，每年可为国家节约标煤近10万吨；同时可节约天然草炭资源约30～60万立方米。
具体实施方式
下面将通过实施例对本发明作进一步的描述，这些描述并不是要对本发明内容作进一步的限定。对本发明内容的技术特征所做的等同替换，或相应的改进，仍属于本发明的保护范围之内。
实施例一：
取打叶复烤厂产生的废烟梗10000kg，加入2000kg沼池污泥和8000kg水，混合均匀后送入沼气池，堆放2～4天，待料温上升至40～60℃时，加水，使物料含固率为10％，然后封池发酵。封盖后2～5天即可点火试气。沼气经净化制为清洁燃料，或用于发电。发酵40天后，产气量下降，开始补料。控制原料浓度为8％～10％，补料量为每立方米沼气池每天补料约0.8kg干烟梗。同时，开始出料；出料体积与进料体积相当。这样系统可保持长期均衡、稳定产气。经测定，每吨烟梗产气约650m3，甲烷含量62％。
出料料液经固液分离机分离得到烟梗沼渣和沼液；沼液作为液体肥料用于大田土壤改良。烟梗沼渣进一步堆沤发酵处理，工艺条件为：
水分：60～80％；
pH值：6.5～7.5；
升温阶段：时间2～3天，温度由环境温度升至50℃；
高温阶段：时间为7～9天，温度50～70℃；
降温阶段：时间为6～10天，温度由50℃降至环境温度；
通气：持续通气或间歇通气；
总体发酵腐熟时间为15～22天。
将发酵腐熟的烟梗沼渣晾干至水分含量为35％，送入柔丝机机打散，刀(锤)片转速为500～1000转/min，筛板孔径1.5cm。这样制得的烟梗栽培基质，外观呈蓬松纤维状固体，黑褐色，微有沼肥气味，无烟草气味，与天然草炭物理性状相当。经测定，所产栽培基质平均有效成分含(按干重计)：73％有机质；25％腐殖酸；2.3％N；0.5％P2O5；1.6％K2O；pH值7.1，纤维长度(或粒度)0.5～1.2cm，容重0.18g/cm3，含水率32％；每吨烟梗产出栽培基质2.1m3。
将上述烟梗栽培基质与珍珠岩和蛭石按2∶1∶1的比例(体积比)混配均匀，即制为烟草漂浮育苗基质，送至烟草育苗基地使用。
将上述烟梗栽培基质与复合化肥(N∶P∶K为10∶10∶20)按5∶1比例(有机N∶无机N约为1∶1)混合，配入适量过磷酸钙和硫酸钾，即制为烟草专用复合有机肥，送至烟草大田施用。
实施例二：
按照实施例一的方法进行沼气发酵。系统稳定运行一年后，停止进料，20天后进行大换料。从沼气池中取出3/4旧料，送入固液分离机分离得到烟梗沼渣和沼液；沼液泵回发酵池循环利用，再将7500kg烟梗新料送入发酵池，补充适量的水，然后封池，进行下一轮的发酵运行。将分离得到的烟梗沼渣干燥至水分含量为25％，送入柔丝机机打散，刀(锤)片转速为1000～1500转/min(不加筛板)，即得到蓬松纤维状烟梗栽培基质。
将部分烟梗栽培基质按1∶1比例(体积比)与天然草炭混合均匀，得到复合栽培基质。再将复合栽培基质与珍珠岩和蛭石按3∶1∶1的比例(体积比)混配均匀即制为烟草漂浮育苗基质，送至烟草育苗基地使用。
将剩余的烟梗栽培基质送至大田施用，用量100kg/亩，用于增加土壤有机质，改良土壤。
实施例三：
在打叶复烤厂附近装备沼气干式发酵系统。将打叶复烤厂产生的废烟梗送入原料预混装置，配入20％的沼池污泥(也可用上批次烟梗沼渣)和2.15倍重量的水，使物料含固率为30％左右。将混合均匀的物料送入沼气发酵罐，进行干式发酵，发酵温度维持在35～55℃。密封发酵3天后，产气量逐渐增加。在发酵第2～3个月过程中，产气量维持在峰值。在发酵第4～6个月过程中，产气量逐渐增加下降至临界值，完成一个发酵周期。产生的沼气经净化装置净化后输入发电机组发电，电力通过输电装置供打叶复烤厂办公照明用电或打叶复烤线动力用电的部分需求。
将发酵后的烟梗沼渣晾干至水分含量为20％，送入柔丝机机打散，刀(锤)片转速为1000～1500转/min(不加筛板)，即得到蓬松纤维状烟梗栽培基质。
将上述烟梗栽培基质与复合化肥(N∶P∶K为10∶10∶20)按3∶1比例(有机N∶无机N约为1∶2)混合，配入适量过磷酸钙和硫酸钾，即制为烟草专用烟梗复合有机肥，送至烟草大田施用。
实施例四：
取打叶复烤厂产生的废烟梗适量，加10倍重量的水浸提12小时，然后将物料过滤，滤液用于提取烟碱或作其它用途。将水提后的烟梗作为补料，按照实施例一的方法，定时定量送入发酵池进行沼气发酵及后续处理。

Claims (9)

1.一种利用烟梗发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法，其特征在于：以烟梗为主要原料，经厌氧发酵生产沼气和烟梗沼渣，沼气经净化制为清洁燃料或用于发电；烟梗沼渣制为栽培基质，该方法包括以下步骤：
(1)将烟草打叶复烤厂产生的废烟梗送入厌氧发酵装置进行沼气发酵，得到沼气、沼液和烟梗沼渣；
(2)沼气经净化制为清洁燃料，或用于发电；
(3)对沼液和烟梗沼渣进行固液分离，得到烟梗沼渣；
(4)烟梗沼渣经干燥成型工艺制为栽培基质；
(5)沼液作为液体有机肥使用，或送到第(1)步骤中循环利用；
所述烟梗平均粒度为0.5～5.0cm。
2.根据权利要求1所述的一种利用烟梗发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法，其特征在于，所述第(1)步骤中，沼气发酵的工艺条件为：
料液含固率(TS)：5％～35％；
温度：25～65℃；
pH值：6.5～7.5。
3.根据权利要求1所述的一种利用烟梗发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法，其特征在于，所述第(3)步骤中，对分离后的烟梗沼渣进一步好氧发酵处理后再进入下一步骤，工艺条件为：
水分：40～100％；
pH值：5.5～8.0；
升温阶段：时间2～3天，温度由环境温度升至50℃；
高温阶段：时间为5～10天，温度50～70℃；
降温阶段：时间为5～12天，温度由50℃降至环境温度；
通气：持续通气或间歇通气；
总体发酵腐熟时间为12～25天。
4.根据权利要求1所述的一种利用烟梗发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法，其特征在于，所述第(4)步骤中，干燥成型工艺包括下述任意一种方法：
(1)将烟梗沼渣水分含量调整至15～35％，即为栽培基质成品；
(2)将烟梗沼渣水分含量调整至15～35％，采用打碎机、揉丝机或解纤机将物料打成蓬松纤维状或屑状，即为栽培基质成品；刀片或锤转速为300～2000转/min，筛板孔径为6～20mm，或不加筛板。
5.根据权利要求1所述的一种利用烟梗发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法，其特征在于：该方法能使每吨烟梗产沼气400～800m3，并产出栽培基质1.5～3m3；所产沼气甲烷含量≥55％；所产栽培基质平均有效成分按干重计含：40％～75％有机质；20％～35％腐殖酸；1％～2.5％N；0.1％～1.0％P2O5；0.5％～2％K2O；pH值6.5～7.5，纤维长度或粒度0.3～2.0cm；容重0.1～0.3g/cm3，含水率10％～35％；外观呈蓬松纤维状或屑状固体，褐色至黑褐色，微有沼肥气味，无烟草气味。
6.一种含有权利要求1～5任意一项所述方法制备的栽培基质的烟草漂浮育苗基质，其特征在于，该育苗基质包含烟梗沼渣栽培基质和填充料，组分配比按体积比为：
烟梗沼渣栽培基质：填充料=(1～5)∶(1～5)；
所述填充料包含珍珠岩、蛭石、岩棉、陶粒、硅藻土、浮石、页岩、炉渣、沙土、河沙、褐煤、粉煤灰、炭化稻壳、炭粒中的一种或多种混合物。
7.根据权利要求6所述的一种烟草漂浮育苗基质，其特征在于，该育苗基质的组分配比按体积比为：
烟梗沼渣栽培基质：珍珠岩：蛭石＝(2～4)∶(1～2)∶(1～2)。
8.一种含有权利要求1～5任意一项所述方法制备的栽培基质的烟梗复合有机肥，其特征在于，该烟梗复合有机肥包含烟梗沼渣栽培基质和普通化肥，组分配比按质量计为：
烟梗沼渣栽培基质：化肥=(1～10)∶(1～2)。
9.根据权利要求1所述的一种利用烟梗发酵联产沼气和栽培基质的资源化方法，其特征在于：在烟草打叶复烤厂附近装备沼气发酵系统以及与之偶联的发电装置；利用沼气发酵系统将打叶复烤厂产生的废烟梗进行厌氧发酵，得到沼气和烟梗沼渣；产生的沼气经净化后输入发电机组发电，电力通过输电装置供打叶复烤厂办公照明用电或打叶复烤线动力用电；烟梗沼渣制为栽培基质，用于烟草漂浮育苗系统或配制复合有机肥在大田施用；沼液返回发酵系统循环利用或作为液体有机肥在大田施用。
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