CN103484502A

CN103484502A - 一种利用瘤胃微生物厌氧发酵产甲烷的方法

Info

Publication number: CN103484502A
Application number: CN201310432108.3A
Authority: CN
Inventors: 杨凤林; 靳文尧; 徐晓晨
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-09-22
Filing date: 2013-09-22
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-22
Also published as: CN103484502B

Abstract

本发明涉及生物质废弃物前处理方法及其资源化利用的生物技术。首先利用沼液对生物质废弃物前处理，再利用瘤胃微生物对其进行厌氧生物转化；发酵过程为：从反刍动物瘤胃内取出瘤胃液，接种到盛有前处理过的生物质废弃物和缓冲溶液的厌氧发酵反应器中；厌氧发酵反应器运行，收集产生的沼气，液相和固相产物。本发明可将生物质废弃物干物质消化率提高10-20%，发酵时间缩短3-10天，产甲烷效率可达210-250mL/g·干重。发酵产生的沼液可循环用于前处理，沼渣处理后可用于有机肥。

Description

一种利用瘤胃微生物厌氧发酵产甲烷的方法

技术领域

本发明属于生物质废弃物前处理技术领域，涉及一种利用瘤胃微生物厌氧发酵产甲烷的方法。

背景技术

本发明所指的生物质废弃物主要指农业秸秆、有机生活垃圾、水生植物等，其中农业秸秆包括玉米、小麦、高粱、水稻、薯类等植物的杆茎，我国各种农作物秸秆的年产量就在10亿吨以上，现有的处理办法大都是就地焚烧，不仅造成空气严重污染，也浪费了宝贵的资源。沼液作为厌氧发酵的终产物之一具有氮素含量丰富等特点，但普通的方法很难处理。从环境保护的角度出发，如何使生物质废弃物与沼液减量化、资源化是当今十分热门的课题。

甲烷作为一种重要的能源，是天然气的主要成分，在能源、石油化工、交通运输和人们的日常生活等许多领域都有广泛的应用。甲烷的热值很高，约55900kJ/kg，每公斤甲烷的热值是93#汽油和柴油热值的5.1倍，是标准煤的8倍。

对于生物质废弃物，已有的前处理技术包括物理法、化学法与生物法三种。物理法有气爆法、微波法、超声波法等。化学法有氨化法、酸碱水解法等，氨化法是利用液氨、尿素等进行氨化处理。物理法由于设备昂贵，能耗高，而化学法需另外投加药剂，成本较高，易造成废气废水二次污染，限制了其在大规模生产中的应用。生物技术方法处理生物质废弃物由于成本较低、环境友好而受到重视。英国杂志《废物处理》（Waste Management）2006年第26卷第11期报道了利用瘤胃微生物厌氧降解香蒲废弃物的方法。该方法先将秸秆粉碎，然后间歇接入到接种瘤胃微生物的厌氧发酵反应器中使生物质废弃物降解，其主要产物为挥发性有机酸和二氧化碳，其中未见有制备甲烷气体的报道。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种生物质废弃物首先利用沼液前处理，提高其降解性能，再利用经过驯化的瘤胃微生物来提高其甲烷产气率的方法。

本发明的技术方案如下：

一种利用瘤胃微生物厌氧发酵产甲烷的方法，先对生物质废弃物进行前处理，得到处理后的生物质废弃物；然后，利用瘤胃微生物将前处理后的生物质废弃物厌氧水解转化。

生物质废弃物进行前处理，可以采用沼液处理的方式，具体如下：

（1）生物质破碎：将生物质如农业秸秆、有机生活垃圾、水生植物等粉碎，粉碎粒径范围为1-30mm。

（2）将氨氮含量为500-5000mg/L的沼液喷洒在粉碎后的生物质废弃物表面，沼液喷洒重量为生物质废弃物干重的35-150%，前处理含固率为40-75%，搅拌均匀后放置于相对密闭的容器中进行氨化处理。

（3）前处理过程温度为15-40℃，前处理时间为3-10天，则生物质废弃物前处理过程完成，作为厌氧发酵用原料。

利用瘤胃微生物将生物质废弃物厌氧水解转化的过程中有：

（1）从反刍动物瘤胃内取出瘤胃液，接种到盛有反应底物（生物质废弃物和缓冲溶液）的厌氧发酵反应器中；

（2）厌氧发酵反应器运行，分别收集产生的沼气，液相和固相产物；所述的瘤胃液是混合微生物菌群，且首先须接种到厌氧发酵反应器中进行培养驯化，再进入厌氧发酵运行阶段；反应器内生物质底物浓度为10-100g/L，pH为6.0-7.0，温度为30-45℃，搅拌速率为50-150转/分钟，瘤胃液接种量为厌氧发酵反应器有效容积的10-50%，接种1-10天后进入连续培养驯化与运行阶段；培养驯化阶段反应器含固率为1-5%，水力停留时间为10-25天，连续3-10天产生气体成分中甲烷含量维持在60%以上、氢气含量小于2%，且液相产物中挥发性有机酸浓度维持在较低水平（300mg/L以下）时，瘤胃微生物驯化成熟；厌氧发酵运行阶段反应器含固率最终达到5-10%，水力停留时间为6-20天。

其中所述缓冲液的组成为NaHCO₃5.88g/L,Na₂HPO₄2.22g/L,NaCl0.282g/L,KCl0.342g/L,MgCl₂·6H₂O0.0768g/L,CaCl₂·2H₂O0.0318g/L,尿素0.5g/L。

本发明利用厌氧发酵产生的沼液对生物质废弃物如农业秸秆、有机生活垃圾、水生植物进行前处理，再利用经过驯化的瘤胃微生物在厌氧发酵反应器内高效降解制取甲烷。由于沼液中含有高浓度氨氮，与生物质废弃物混合后发生氨解反应。因此，瘤胃微生物降解生物质废弃物效率提高了10-20%，发酵时间缩短3-10天，且相对于普通氨化方法，本发明的前处理成本降低，且充分利用了厌氧发酵剩余液体即沼液。本发明中使用的瘤胃微生物是从反刍动物瘤胃内提取，是自然界中分解纤维素能力很强的混合微生物菌群，对农业秸秆、有机生活垃圾、水生植物等生物质废弃物有很强的水解能力，相对于普通活性污泥法，降解效率提高了30-50%，水力停留时间缩短了10-20天。同时，本发明首先对瘤胃微生物进行培养与驯化，由于较高浓度底物和较长的停留时间可使水解酸化菌群与甲烷菌共存于厌氧发酵反应器中，并使水解产物最终大部分都转化为甲烷，大大提高了产甲烷效率。实验表明，每克底物干重产甲烷效率可达到210-250mL。此外，发酵产生的液相产物即沼液循环回第一步，可再次进行生物质废弃物前处理，在解决了沼液难处理问题的同时，降低了普通前处理方法的成本。发酵产生的固相产物即沼渣又可作为有机肥。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实例1：

1、收集玉米收割后的秸秆，用切割机将秸秆切割至20-30mm段。

2、将氨氮含量为1000mg/L的城市污泥厌氧发酵沼液喷洒在切割后的秸秆表面，沼液喷洒重量为生物质废弃物干重的40%，搅拌均匀后于密闭容器中氨化。

3、前处理过程温度控制在40℃，3天后将秸秆取出，则秸秆前处理过程完成。

4、有效容积为4升的厌氧发酵反应器装有秸秆段100g（干重）和3.6L缓冲溶液，首先以1L/分钟·L的速率曝氮气10分钟，驱除反应器内残留的氧气，将从屠宰场屠宰的肉牛新鲜瘤胃内获取的400mL瘤胃液接种至厌氧发酵反应器内，再以1L/分钟·L的速率曝氮气3分钟。通过缓冲溶液维持厌氧发酵反应器内pH为6.6-7.0，温度30℃，搅拌速率50转/分钟，接种1天后进入培养驯化阶段。瘤胃微生物培养驯化过程发酵罐内含固率维持在2.8%，水力停留时间从15天逐渐调整为10天，随后保持不变。每天检测液相产物中挥发性有机酸浓度和产生气体中成分的组成，当连续8天产生气体成分中甲烷含量维持在55%以上、氢气含量小于2%，且液相产物中挥发性有机酸浓度维持在250mg/L以下时，瘤胃微生物驯化成熟。

5、根据厌氧发酵反应器内pH变化的情况，在缓冲溶液中加入氢氧化钠，并维持反应器内pH在6.6-7.0之间。厌氧发酵运行过程反应器含固率从2.8%逐渐增加到7.5%，水力停留时间为7天，当反应器内微生物浓度达到1.8g/L，再运行一个月后，反应器内微生物浓度达到4.5g/L，且含固率达到7.5%，厌氧发酵进入稳定运行阶段。液相产物中挥发性有机酸浓度350mg/L，玉米秸秆的降解效率达到78%，收集气体成分中甲烷气体含量达到57%，经过脱水、脱硫、去除二氧化碳气体得到甲烷气体，甲烷气体产量为235mL/g·干重。

实例2：

1、收集有机生活垃圾，剔除其中包含的无机物，如玻璃、塑料袋、石子等。粉碎机粉碎为小于8mm的颗粒。

2、将氨氮含量为600mg/L的瘤胃微生物厌氧发酵生物质废弃物沼液喷洒于粉碎后的有机生活垃圾，沼液喷洒重量为垃圾干重的80%，搅拌均匀后于密闭容器中氨化。

3、前处理过程温度控制在18℃，6天后将生物质有机生活垃圾取出，则有机垃圾前处理过程完成，待厌氧发酵用原料。

4、有效容积为4.5升的厌氧发酵反应器装有生物质有机生活垃圾200g和2.3L缓冲溶液，首先以1.5L/分钟·L的速率曝氩气10分钟，驱除反应器内残留的氧气，将从屠宰场屠宰的羊新鲜瘤胃内获取的2.2L瘤胃液接种至厌氧发酵反应器内，再以1.5L/分钟·L的速率曝氩气3分钟。通过调节缓冲溶液中的氢氧化钠浓度维持厌氧发酵反应器内pH为6.0-6.6，温度37℃，搅拌速率100转/分钟，接种5天后进入培养驯化、厌氧发酵阶段。瘤胃微生物培养驯化过程发酵罐内含固率维持在4.4%，水力停留时间从18天逐渐调整为12天，并保持不变。每天检测液相产物中挥发性有机酸浓度和产生气体中成分的组成，当连续12天产生气体成分中甲烷含量维持在57%以上、氢气含量小于2%，且液相产物中挥发性有机酸浓度维持在150mg/L以下，瘤胃微生物驯化成熟。

5、根据厌氧发酵反应器内pH变化的情况，在缓冲溶液中加入氢氧化钠，并维持反应器内pH在6.0-6.6之间。厌氧发酵运行过程反应器含固率从4.4%逐渐增加到10.0%，水力停留时间为20天，当反应器内微生物浓度达到2.8g/L，再运行二个月后，反应器内微生物浓度达到7g/L，且含固率达到10.0%，厌氧发酵进入稳定运行阶段。液相产物中挥发性有机酸浓度150mg/L，生物质有机生活垃圾的降解效率达到85%，收集气体成分中甲烷气体含量达到59%，经过脱水、脱硫、

去除二氧化碳气体得到甲烷气体，甲烷气体产量为250mL/g·干重。

实例3：

1、收集水葫芦用粉碎机将水葫芦粉碎至小于5mm颗粒。

2、将氨氮含量为4000mg/L的猪粪厌氧发酵沼液喷洒在粉碎的水葫芦表面，沼液喷洒重量为生物质废弃物干重的140%，搅拌均匀后于密闭容器中氨化。

3、前处理过程温度控制在25℃，10天后将水葫芦颗粒取出，则水葫芦前处理过程完成，待厌氧发酵用原料。

4、有效容积为3.5升的厌氧发酵反应器装有水葫芦颗粒50g和2.6L缓冲溶液，首先以2L/分钟·L的速率微孔曝氦气20分钟，驱除反应器内残留的氧气，将从瘘管山羊瘤胃内获取的0.9L瘤胃液接种至厌氧发酵反应器内，再以2L/分钟·L的速率曝氦气5分钟。通过调节缓冲溶液中的氢氧化钠浓度维持厌氧发酵反应器内pH为6.4-6.8，温度45℃，搅拌速率140转/分钟，接种10天后进入培养驯化、厌氧发酵阶段。瘤胃微生物培养驯化过程发酵罐内含固率维持在1.4%，水力停留时间从25天逐渐调整为14天，并保持不变。每天检测液相产物中挥发性有机酸浓度和产生气体中成分的组成，当连续15天产生气体成分中甲烷含量维持在60%以上、氢气含量小于2%，且液相产物中挥发性有机酸浓度维持在100mg/L以下，瘤胃微生物驯化成熟。

5、根据厌氧发酵反应器内pH变化的情况，在缓冲溶液中加入氢氧化钠，并维持反应器内pH在6.4-6.8之间。厌氧发酵运行过程反应器含固率从1.4%逐渐增加到8.0%，水力停留时间为15天，当反应器内微生物浓度达到2.4g/L，再运行三个月后，反应器内微生物浓度达到6g/L，且含固率达到8.0%，厌氧发酵进入稳定运行阶段。液相产物中挥发性有机酸浓度80mg/L，水葫芦的降解效率达到72%，收集气体成分中甲烷气体含量达到62%，经过脱水、脱硫、去除二氧化碳气体得到甲烷气体，甲烷气体产量为210mL/g·干重。

Claims

1.一种利用瘤胃微生物厌氧发酵产甲烷的方法，其特征在于，先对生物质废弃物进行前处理，得到处理后的生物质废弃物；然后，利用瘤胃微生物将前处理后的生物质废弃物厌氧水解转化；

从反刍动物瘤胃内取出瘤胃液，瘤胃液是混合微生物菌群，接种到盛有前处理得到的生物质废弃物和缓冲溶液的厌氧发酵反应器中；接种1-10天后，在厌氧发酵反应器中进行培养驯化；培养驯化阶段反应器含固率为1-5%，水力停留时间为10-25天，连续3-10天产生气体成分中甲烷含量维持在55%以上、氢气含量小于2%，且液相产物中挥发性有机酸浓度维持在300mg/L以下时，瘤胃微生物驯化成熟；

厌氧发酵运行阶段反应器含固率最终达到5-10%，水力停留时间为6-20天；厌氧发酵反应器运行后收集产生的沼气、液相和固相产物。

其中，反应器内生物质底物浓度为10-100g/L，pH为6.0-7.0，温度为30-45℃，搅拌速率为50-150转/分钟；瘤胃液的接种量为厌氧发酵反应器有效容积的10-50%。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用沼液对生物质废弃物进行前处理：将生物质废弃物破碎成备用底物，生物质废弃物破碎粒径范围为1-30mm；将沼液喷洒在底物表面，沼液中氨氮含量为500-5000mg/L；氨化前处理条件为：将喷洒沼液后的生物质废弃物保存密闭环境中，前处理温度为15-40℃，前处理时间为3-10天，得到处理后的生物质废弃物；沼液喷洒重量为生物质废弃物干重的35-150%，前处理含固率为40-75%。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中所述缓冲液的组成为NaHCO₃5.88g/L、Na₂HPO₄2.22g/L、NaCl0.282g/L、KCl0.342g/L、MgCl₂·6H₂O0.0768g/L、CaCl₂·2H₂O0.0318g/L和尿素0.5g/L。