CN103060388A - 利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对能源草营养物质丰富，木质纤维素含量高，碳氮比接近最佳沼气发酵碳氮比范围等特点，开发出了一套适合以能源草为原料的短期湿发酵配合干发酵制备沼气和生产有机肥的方法，即利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法。本方法主要包括原料粉碎、短期湿发酵、中间处理、干发酵和有机肥生产5个步骤,总产气率高达596.26m3/tTS。
Description
技术领域
本发明涉及生物能源资源领域，特别涉及一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法。
背景技术
能源草系指一类野生或经专门种植，碳氢化合物含量高，用于提供能源原料的草本植物。这类草大多属于多年生的高大禾本科草本植物，如巨菌草（即皇竹草）、杂交狼尾草、象草、类芦、芦竹、荻、芒等，具有生长旺盛、光合作用能力强、营养物质丰富、木质纤维素含量高等特点，在生物能源领域具有广泛而重要的作用。
利用能源草厌氧发酵产沼气已有一定研究。林冬梅等公开了一种巨菌草发酵产沼气的方法（CN 101617599A），采用中温（35℃）湿发酵（干物质TS浓度8%～10%）的方法，产气率为440 m3/t TS。郑正等公开了一种利用皇竹草发酵产沼气的方法（CN 101519669A），产气率为0.2～0.3 m3/t TS。李连华等公开了一种杂交狼尾草发酵产沼气的方法（CN 102388741A）。对比目前利用能源草生产沼气的方法，其工艺方法大多与一般原料的沼气生产工艺区别不大，并没有针对能源草本身的特点开发新的沼气发酵工艺。
发明内容
本发明针对能源草营养物质丰富，木质纤维素含量高，碳氮比接近最佳沼气发酵碳氮比范围等特点，开发出了一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法。
本发明采取的技术方案如下：
一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法，包括以下步骤：
（1）原料粉碎；
（2）短期湿发酵：用正常发酵产气的沼液接种，采用高温湿发酵或中温湿发酵，高温湿发酵5～8天，发酵料液中干物质浓度5%～15%，发酵温度50～60℃，中温湿发酵10～15天，发酵料液中干物质浓度5%～12%，发酵温度30℃～40℃；
（3）中间处理：分离沼液和沼渣，沼液做下次发酵的接种物，向分离出的沼渣添加用于降解生物质的微生物制剂，混合均匀，上面泼洒澄清石灰水堆沤5～10天；
（4）干发酵：采用高温干发酵或中温干发酵，高温干发酵10～15天，发酵料液中干物质浓度18%～25%，发酵温度50℃～60℃；中温干发酵15～25天，发酵料液中干物质浓度18%～28%，发酵温度30℃～40℃；
（5）有机肥生产。
其中的原料粉碎是将刚收割的新鲜或青贮的能源草原料粉碎至1～5厘米。
短期湿发酵采用完全的沼液接种，不外加水或为了保证料液总体积不变只添加少量水。
短期湿发酵采取批式发酵，即一次加料后，中间不再加料，直到短期湿发酵结束后渣液分离，沼液用于下次短期湿发酵。
短期湿发酵具体发酵参数为：高温湿发酵5～8天,发酵温度53℃～57℃；中温湿发酵10～15天，发酵温度33℃～37℃。
干发酵的具体方法：以正常干发酵后的沼渣做接种物，接种量1/5～1/3，与步骤（3）处理得到的沼渣混合均匀，用水调节发酵物干物质浓度，然后加入厌氧干发酵罐，用沼气或氮气排除发酵罐内氧气，密闭恒温发酵。
干发酵阶段不外加氮肥，若碳氮比大于30，可用禽畜粪尿调节至30以下。
干发酵的具体参数：高温干发酵10～15天，发酵温度53℃～57℃；中温干发酵15～25天，发酵温度33℃～37℃。
有机肥生产的方法如下：将干发酵得到的沼渣进一步干燥到水分含量低于20%的干沼渣，进而破碎到适合造粒的粒度，添加辅料混合均匀，造粒机造粒、整形、过筛、包装。
本发明的产业化显著优势在于：
（1）节约用水。本发明含有湿发酵过程，但由于沼液是完全反复循环利用的，因而无需外加水或仅需少量水。因而整个工艺需水量近似于干发酵，节约了大量水资源。
（2）节约能源。沼液的完全反复循环利用使本发明的工艺无需加热湿发酵所需的水，仅需维护发酵容器的温度。另外，本发明由湿干两种发酵工艺组合而成，发酵周期接近单纯湿发酵，与单纯干发酵相比缩短了发酵时间，因而节省了维护发酵罐温度所需的的热能。
（3）充分利用能源草的优势。本发明是针对能源草营养物质丰富，木质纤维素含量高，碳氮比接近最佳沼气发酵碳氮比范围等特点而开发出来的，具有明显的针对性，因而得到了非常好的效果。
（4）无外加氮肥也可实现高效产气效果。利用本发明发酵能源草产沼气，湿干两个发酵阶段都不外加氮肥，而是利用能源草本身的高含氮率和循环使用的接种物中积累氮素使发酵底物总碳氮比维持在最优发酵范围，大大节约了成本。与普通发酵工艺相比，本发明产气率可以提高20～40%，具有明显的经济价值。
（5）清洁循环生产，保护生态环境。本法明工艺生产沼气和有机肥两种商品。沼气是清洁可再生能源，有助于减少化石燃料的使用，进而减少使用化石燃料产生的环境污染。本发明生产的有机肥有助于改良土壤，防治因施化肥而导致的土壤退化。本发明中的沼液用来循环发酵，沼渣用来接种和生产有机肥，无废弃物排出，达到了零排放。本发明整个工艺生产过程对环境无污染，而产品有助于生态环境的维护。
具体实施方式
本发明的一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法，包括以下步骤：
1.原料粉碎
将刚收割的新鲜或青贮的能源草原料粉碎至1～5厘米。
本发明在湿发酵前除原料粉碎外，不进行其他物理、化学或生物方法的预处理。原因是刚收割的新鲜或青贮的能源草原料本身营养物质极为丰富，这些营养物质非常有利于沼气发酵。若此时进行预处理，不仅没有明显效果，还会造成营养物质的损耗，进而降低原料的产气量。
2.短期湿发酵
本发明的短期湿发酵采用完全的沼液接种，即只有沼液与原料混合在一起，不外加水或为了保证料液总体积不变只加很少量水。
本发明的湿发酵为短期湿发酵，即发酵周期很短，中温发酵10～15天，高温发酵仅有5～8天。
本发明的短期湿发酵采取批式发酵，即一次加料后，中间不再加料，直到短期湿发酵结束后渣液分离，开始下次短期湿发酵。这样既大大简化了发酵工艺，使发酵过程更容易控制和管理，又避免了连续进料带来的能耗和费用支出。
本发明短期湿发酵不外加氮肥，而是用反复循环发酵的沼液中溶解并积累的氮元素弥补原料中氮元素的不足，再加上能源草本身氮元素较为丰富，使得料液总碳氮比长期处于20～30的最优发酵范围内。
新鲜或青贮的能源草营养物质丰富，短时间的湿发酵，可以使原料中易降解的营养物质快速发酵产生大量沼气。这样由于沼液反复短期循环发酵，厌氧消化的底物始终很丰富，其中的厌氧消化微生物群的生理机能始终处在最佳的发酵条件。因而与普通的湿发酵和干发酵相比，本发明的前期湿发酵大大提高沼气发酵的启动速度和原料降解程度，沼气发酵效率极高。
经过长期的反复循环发酵过程后，毒素物质的积累可能会抑制沼液中的菌群的生理机能，短期湿发酵阶段可能会出现相同原料产气率降低的情况。此时只需将原来的完全沼液接种降低为20%～50%，经过3～5次循环，沼液中的菌群就会恢复到原来高效的生理机能。
具体发酵参数为：高温湿发酵5～8天，发酵料液中干物质浓度含量5%～15%，50～60℃，以53℃～57℃较好；中温湿发酵10～15天，发酵料液中干物质浓度5%～12%，30～40℃，以33℃～37℃较好。
湿发酵结束后，分离沼液与初步发酵的原料。本发明的原料粉碎到1～5厘米，可以方便渣液分离。分离的沼液继续做下一轮湿发酵的接种物。分离的沼渣，即初步降解的原料继续以下步骤。
3.中间处理
本发明对原料的有氧辅助处理放在短期湿发酵和干发酵之间。
能源草原料经过短期的湿发酵后，原料已经初步降解。高分子营养物质如蛋白质、脂肪、可溶性多糖已经大部分降解，难降解的木质纤维素高分子充分暴露出来，而且木质纤维素高分子之间的紧密结合开始崩溃，此时再用物理、化学或生物方法处理已经初步降解的原料，大大增加了对木质纤维素的降解程度，因而此时的有氧辅助处理可以达到更佳的效果。
具体处理方法：向分离出的短期湿发酵沼渣添加市售或自制的微生物制剂，混合均匀，具体添加量参照微生物制剂说明书或根据实际情况确定。再按沼渣重量泼洒1～5%澄清石灰水，外层覆膜，常温堆沤5～10天。
其他物理、化学或生物处理方法可以参照农作物秸秆在沼气发酵前的预处理方法。
4.干发酵
本发明的后沼气发酵阶段为干发酵，以达到节水节能与高效产气的统一，并能为下一步有机肥的生产创造有利条件。
具体方法：以干发酵沼渣或沼液做接种物，接种量1/5～1/3。堆沤或其他处理过的短期湿发酵沼渣与上次干发酵的沼渣或沼液混合均匀，用水调节干物质浓度。接种沼渣中碳氮比较低，可使发酵底物碳氮比处于20～30的最佳范围，因此不外加氮肥。若碳氮比大于30，可用禽畜粪尿调节至30以下。然后加入厌氧干发酵罐，用沼气或氮气排除发酵罐内氧气。密闭发酵。
本发明的的干发酵温度可采取高温或中温。
具体发酵参数：高温干发酵10～15天，发酵料液中干物质浓度18%～25%，50～60℃，以53℃～57℃较好；中温干发酵15到25天，发酵料液中干物质浓度18%～28%，30～40℃，以33℃～37℃较好。
5.有机肥的加工
能源草沼气发酵后的沼渣有机质含量超过农业部有机肥最低标准，总养分接近或超过有机肥标准，且酸碱度适宜。因而将能源草沼气发酵后的沼渣经过简单处理后生产商品有机肥具有很高的经济价值和生产价值。
加工方法如下：将上一步骤干发酵的沼渣进一步干燥到水分含量低于15%的干沼渣。进而破碎到适合造粒的粒度。添加酸碱调节剂、无机化肥（通过增加某种营养成分获得不同专用肥）、微生物制剂（也可在造粒后喷洒）等辅料，混合均匀。造粒机造粒。整形、过筛、包装、检验、成品。
巨菌草又称皇竹、皇竹草、巨象草，隶属被子植物门，单子叶植物纲，禾本科，狼尾草属，是一种适宜在热带、亚热带、温带生长和人工栽培的高产优质能源草。本发明以巨菌草为例进一步阐述本发明的一种具体实施方法，本发明包括但不限于以下实例。
实施例1
（1）原料粉碎：将刚收割的新鲜的生长期3个月的巨菌草原料（干物质含量20%）1吨粉碎至1～5厘米。
（2）高温湿发酵：在有效容积3立方米发酵罐内加入2立方米正常高温发酵的沼液，再加入粉碎好的1吨巨菌草。封闭发酵罐，用氮气或沼气排除发酵罐上部空气。发酵料液中干物质浓度（TS）含量8.33%。调节发酵罐温度55℃，恒温发酵时间5天。
（3）中间处理：高温湿发酵5天后，分离沼液和沼渣。沼液做下次发酵的接种物。向分离出的湿发酵沼渣添加降解生物质的微生物制剂（购买或自制，如复合微生物菌剂，EM菌剂），混合均匀。再按沼渣重量泼洒2%的澄清石灰水，外层覆膜，常温堆沤5天。
（4）中温干发酵：以沼渣做接种物，接种量1/3。堆沤或其他处理过的短期湿发酵沼渣与上次干发酵的沼渣混合均匀，用水调节干物质含量（TS）20%。然后加入厌氧干发酵罐，用沼气或氮气排除发酵罐内氧气。密闭发酵。调节发酵罐温度37℃，发酵时间25天。
（5）将上一步骤干发酵的沼渣预留1/3作为下次干发酵接种物，其余2/3沼渣进一步干燥到水分含量15%。进而破碎到适合造粒的粒度。添加酸碱调节剂、无机化肥（通过增加某种营养成分获得不同专用肥）、微生物制剂（也可在造粒后喷洒）等辅料，混合均匀。造粒机造粒。整形、过筛、包装、检验、成品。
该实例的效果：1吨生长期为三个月的新鲜巨菌草（干物质含量20%）5天高温湿发酵产沼气69.17立方米，产沼气率345.83 m3/t TS。中温干发酵阶段产沼气50.01立方米，产沼气率250.43 m3/t TS。总产气率达到了596.26 m3/t TS，1吨新鲜巨菌草总产沼气量为119.18立方米，甲烷浓度为56.3%。本实例同时可产商品有机肥0.094吨。
Claims (8)
1.一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）原料粉碎；
（2）短期湿发酵：用正常发酵产气的沼液接种，采用高温湿发酵或中温湿发酵，高温湿发酵5～8天，发酵料液中干物质浓度5%～15%，发酵温度50～60℃，中温湿发酵10～15天，发酵料液中干物质浓度5%～12%，发酵温度30℃～40℃；
（3）中间处理：分离沼液和沼渣，沼液做下次发酵的接种物，向分离出的沼渣添加用于降解生物质的微生物制剂，混合均匀，上面泼洒澄清石灰水堆沤5～10天；
（4）干发酵：采用高温干发酵或中温干发酵，高温干发酵10～15天，发酵料液中干物质浓度18%～25%，发酵温度50℃～60℃；中温干发酵15～25天，发酵料液中干物质浓度18%～28%，发酵温度30℃～40℃；
（5）有机肥生产。
2.根据权利要求1所述的一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法，其特征在于：短期湿发酵采用完全的沼液接种，不外加水或为了保证料液总体积不变只添加少量水。
3.根据权利要求1所述的一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法，其特征在于：短期湿发酵采取批式发酵，即一次加料后，中间不再加料，直到短期湿发酵结束后渣液分离，沼液用于下次短期湿发酵。
4.根据权利要求1所述的一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法，其特征在于：短期湿发酵具体发酵参数为：高温湿发酵5～8天,发酵温度53℃～57℃；中温湿发酵10～15天，发酵温度33℃～37℃。
5.根据权利要求1所述的一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法，其特征在于：干发酵的具体方法：以正常干发酵后的沼渣做接种物，接种量1/5～1/3，与步骤（3）处理得到的沼渣混合均匀，用水调节发酵物干物质浓度，然后加入厌氧干发酵罐，用沼气或氮气排除发酵罐内氧气，密闭恒温发酵。
6.根据权利要求1所述的一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法，其特征在于：干发酵阶段不外加氮肥，若碳氮比大于30，可用禽畜粪尿调节至30以下。
7.根据权利要求1所述的一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法，其特征在于：干发酵的具体参数：高温干发酵10～15天，发酵温度53℃～57℃；中温干发酵15～25天，发酵温度33℃～37℃。
8.根据权利要求1所述的一种利用能源草湿干联合发酵制备沼气和生产有机肥的方法，其特征在于：有机肥生产的方法如下：将干发酵得到的沼渣进一步干燥到水分含量低于20%的干沼渣，进而破碎到适合造粒的粒度，添加辅料混合均匀，造粒机造粒、整形、过筛、包装。
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