CN104232691B

CN104232691B - 利用甜叶菊加工废弃物制备生物燃气和土壤改良剂的方法

Info

Publication number: CN104232691B
Application number: CN201410377954.4A
Authority: CN
Inventors: 袁振宏; 邢涛; 孙永明; 甄峰; 孔晓英; 李连华
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2034-08-01
Also published as: CN104232691A

Abstract

本发明提供了一种利用甜叶菊加工废弃物制备生物燃气和土壤改良剂的方法，该方法主要将甜叶菊加工过程中的废液先进行预处理，然后将预处理的废液与废渣混合后置于厌氧罐中发酵，以制备出沼气(即生物燃气)用于工业或生活中应用，其次发酵后的废渣适用于制备土壤改良剂。本方法采用的反应原料中，废液可以是甜叶菊加工过程中各个工序产生的废液，废渣也可以是甜叶菊加工过程中各个工序产生的废渣。本发明方法的工艺相对简单易操作，可有效地实现废弃资源的重新利用同时实现能源化。

Description

利用甜叶菊加工废弃物制备生物燃气和土壤改良剂的方法

技术领域

本发明涉及一种生物质废弃物加工制备成二次能源的方法，具体是利用甜叶菊加工废弃物制备生物燃气和土壤改良剂的方法。

背景技术

甜叶菊是一种多年生菊科草本植物，叶片中含有甜菊糖苷，其甜度为蔗糖的150～300倍，热量仅为蔗糖的1/300，是一种极好的天然甜味剂。甜菊糖苷是已经多国卫生部门批准使用的甜味剂，其天然热值低并且非常接近蔗糖口味，是继甘蔗、甜菜糖之外第三种有开发价值和健康推崇的甜味剂，被国际上誉为“世界第三糖源”。甜菊糖苷产品广泛应用于饮料、食品、医药、酿酒、烟草和日用化工等用糖领域，是糖尿病、肥胖症、心脑血管病、高血压和龋齿等忌食糖者以及当今世界追求绿色健康的人们最理想的代糖品。我国是目前世界上最大的甜菊糖苷产品生产供应国，年产量约2000吨，约占全球总产量的90％，产品受到可口可乐、百事可乐、达能、雀巢、嘉吉等世界500强食品饮料巨头一致认可。

目前，甜菊糖苷常规的生产工艺是：甜叶菊干叶--浸泡--絮凝沉淀--压滤--微滤--树脂吸附--洗脱--树脂脱盐脱色--洗脱--浓缩--喷雾干燥--包装--成品。在该工艺过程中，所排废弃物主要有甜叶菊废渣、滤泥、浸泡废水、酸碱性废水等。甜叶菊废渣富含有机质和粗纤维，尤其是植物蛋白和糖含量非常丰富；废水中主要污染物为有机污染物(COD、BOD)、悬浮物、酸、碱等，此外还发现少量甲醛和表面活性剂。

目前，甜叶菊废渣主要作为基肥直接还田用于种植果树，但该方法利用效率低下，管理粗放，废渣中的优质资源不仅没有得到充分利用，还存在着污染土地的危险。同时甜叶菊加工废水中常采用厌氧好氧法处理，但由于废水有机污染物含量高、悬浮物含量高，且含有酸、碱，水质时段波动大，导致工艺条件控制困难，极易出现污水排放不稳定，不仅影响正常生产，还威胁周边环境。甜叶菊加工废弃物能否资源化处理已成为甜菊糖苷生产业发展的瓶颈之一，迫切需要开发高效的甜叶菊加工废弃物资源化处理工艺。

生物燃气(沼气)是一种清洁可再生能源，在我国被列为主要的可再生能源进行重点发展。利用厌氧发酵技术制备生物燃气不仅是治理有机废弃物的有效手段，还是缓解我国能源紧张的重要举措。目前，生物燃气技术已逐步用于畜禽粪便、农产品加工废弃物等领域，但利用甜叶菊加工废弃物制备生物燃气还具有以下问题：(1)甜菊糖苷的生产存在季节性，废弃物也呈季节性排放，因此，在利用甜叶菊废渣制备生物燃气时，需要考虑甜叶菊废渣的储存问题。(2)甜叶菊加工过程中，需要进行酸洗，因此甜叶菊加工废水的pH较低(6.0左右)，且含有盐酸、甲醛、表面活性剂等不利于厌氧发酵的因子，废水的生化性较差，较难进行稳定的厌氧发酵过程；传统处理方法只能将废渣、废水分开处理，废渣如使用厌氧发酵还需添加新鲜水，而废水单独处理也不稳定，不易达标，从而导致传统厌氧发酵工艺无法适应甜叶菊加工废弃物。(3)甜叶菊废渣属于植物性原料，利用传统的厌氧发酵方法处理，容易粘结成壳，特别是在较高发酵浓度下(>10％)在发酵罐顶易发生结壳现象，造成溢流孔堵塞，沼气排放不畅等问题，危及厌氧罐运行安全。

发明内容

本发明针对甜叶菊废弃物性质和排放特点，提供一种利用甜叶菊废弃物制备生物燃气和土壤改良剂的方法，解决甜叶菊废弃物资源化过程中易酸化、易堵塞、不能长期稳定运行的问题，最终实现了甜叶菊废弃物的高效利用。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

利用甜叶菊加工废弃物制备生物燃气和土壤改良剂的方法，包括以下步骤：

(1)将甜叶菊加工的废渣置于半密闭储存容器进行青贮储存，利用渗滤液收集系统收集渗出的废液至废水预处理池；

(2)收集甜叶菊加工的废水到废水预处理池中，在废水预处理池中通入沼气进行微量曝气，沼气曝气量为1～3m³/(m³水·d)，并去除废水表面的浮渣；

(3)将步骤(1)所得的固体废渣与步骤(2)预处理后的废水搅拌混合后置于厌氧罐中发酵，控制混合物中固体的质量浓度为15％～20％，在发酵的温度为30℃～55℃条件下发酵25～35天；收集产生的沼气即为生物燃气，并使发酵剩余物固液分离；

(4)收集步骤(3)所得的沼渣，使沼渣脱水干燥至含水率为40％～60％，按以下配方制备土壤改良剂：按沼渣50份～60份、膨润土30份～40份、贝壳粉10份的质量比例混配；之后堆沤发酵降解，堆沤温度控制在50℃～60℃，堆沤时间10～15天，风干至含水率<20％。

为避免传统发酵过程中废渣粘结的现象，在步骤(3)中所述的厌氧发酵的过程中，优选地采用水力搅拌和机械搅拌相结合的搅拌方式；水力搅拌为每8或12小时搅拌一次，每次15～30分钟；机械搅拌的时间是从进料前十分钟开始持续到进料结束。

厌氧罐中产生的水力搅拌可以通过在厌氧罐上设置循环水管和抽水泵实现，厌氧罐中的液体形成循环流动而使发酵物料混合均匀；优选地，将循环水管的抽水口设置在发酵罐的中部、出水口设置在发酵罐内液面下5cm处，出水口形成纵向切面，使液体经过抽水泵和循环水管回流到厌氧罐中时形成漩涡流。机械搅拌可以通过在厌氧罐中设置桨叶式搅拌器来实现，优选地搅拌桨叶位于液面下5cm处。

在上述步骤中，青贮、曝气、发酵、堆沤等工艺均可通过现有技术实现。本发明中采用的原料可以为甜叶菊加工过程中各个加工步骤所得的废渣和废水。

与现有技术相比，本发明的优点是：(1)本发明采用青贮的方法贮存甜叶菊加工废渣，能够有效储存发酵原料，减少有机质损失，保证原料长期稳定供应，不仅保证了甜叶菊废渣制备生物燃气工程全年的稳定运行，还能提高废渣在发酵时的降解速率。(2)本发明方法利用沼气微曝气的方法将废水中HCL、甲醛、表面活性剂等不利于生化处理的因子从水中脱除，可将废水pH提高至6.8～7.0，提高了废水的可发酵性，从而实现了甜叶菊加工废渣和废水进行混合厌氧发酵，废渣、废水无须分开处理，简化了工序、降低了处理难度、节省处理成本；同时使用沼气曝气避免了传统曝气会增加水中的溶解氧，不利于厌氧发酵的问题。(3)本发明使用经青贮过的原料，加快了分解速率，在一定程度上减少了浮渣的产生；同时在厌氧发酵过程中采用水力搅拌和机械搅拌相结合的方式，可有效解决发酵罐易结壳、易堵塞的问题，这对发酵工艺的安全性极为重要。水力搅拌带动厌氧罐中的液体流动可有效避免浮渣干涸结壳，机械搅拌可有效地破渣且有利于浮渣随沼液排除罐外，避免浮渣增多增厚。(4)此外，本发明方法还提供利用沼渣制备具有较高附加值的土壤改良剂的方法，相比传统的直接堆肥处理手法，具有更好的经济性。

本发明方法能够在处理废弃物的同时实现能源化、资源化综合利用，通过制备土壤改良剂不仅为沼渣找到了最终出路，也最大化了废弃物的利用价值。

附图说明

图1是实施例1甜叶菊废弃物制备生物燃气和土壤改良剂的流程图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明进行进一步说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本方法甜叶菊加工废弃物处理的工艺流程如图1所示：

(1)将甜叶菊加工的废渣置于半封闭的废渣青贮池中青贮，废渣青贮池中底部设有渗滤液收集系统，可将废渣中的废液分离流出；

(2)废渣青贮池旁设有与渗滤收集系统相连的废水预处理池，废渣青贮过程分离出的废液和甜叶菊各加工步骤中产生的废液均可置于废水预处理池中；废水预处理池底部设有与沼气柜相连的曝气装置，废水经曝气装置进行微曝气处理并去除表面浮渣，经处理后的废水与青贮后的废渣共同投入至混料池中混合；其中废水的沼气曝气量为1～3m³/(m³水·d)；控制混料池中固体的质量浓度在15％～20％范围内；

(3)废渣和废水的混合物料通过螺杆泵从混料池进入到厌氧罐中；控制发酵温度为30℃～55℃条件下发酵25～35天；发酵过程中，定时开启水力搅拌混合和机械搅拌破渣；其中水力搅拌为每8或12小时搅拌一次，每次15～30分钟；机械搅拌在进料前十分钟开启，进料结束后关闭；发酵过程中产生生物燃气(即沼气)；

(4)发酵过程产生的生物燃气引入到气柜中收集利用，并可将收集到的沼气重复用于废水处理过程中的微曝气工序；

(5)将发酵剩余物固液分离，其中沼渣脱水干燥至含水率为40％～60％，按配方制备土壤改良剂：按沼渣50份～60份、膨润土30份～40份、贝壳粉10份的质量比例混配；之后堆沤发酵降解，堆沤温度控制在50℃～60℃，堆沤时间10～15天，风干至含水率<20％。

其中步骤(3)厌氧发酵的搅拌过程中：水力搅拌装置为循环水管和抽水泵，循环水管的抽水口和出水口均设置在厌氧罐中，出水口优选设置在发酵罐内液面下的5cm处并形成纵向切面，使液体经过抽水泵和循环水管回流到厌氧罐中时形成漩涡流；机械搅拌装置为桨叶式搅拌器，搅拌桨叶位于液面下5cm处。

经检测，采用本方法中的废渣青贮步骤可使废渣有机质损失率低于8％。一般情况，甜叶菊加工废水pH约为6.0，主要是盐酸和有机酸，甲醛含量6～10mg/L，还有少量表面活性剂；利用本方法中的微曝气处理废水后，废水pH提高至6.8～7.0，甲醛和表面活性剂未检出。传统沼渣有机肥市场价格为200～400元/吨，而利用沼渣生产的土壤改良剂兼具有机、无机调理功能，市场价约为1000～1200元/吨。综上，利用本发明可实现稳定的甜叶菊加工废弃物的高浓度厌氧发酵，容积产气率达到1.5～1.6m³/(m³·d)，经济性较好。

实施例2

将甜叶菊废渣储存于半封闭容器中进行青贮处理，收集渗滤液至废水预处理池；将甜叶菊加工废水置于废水预处理池中，利用气柜中的沼气对废水预处理池中的废水进行曝气，曝气量为1m³/(m³水·d)；随后将废渣和预处理后的废水投入调浆池中进行混配，控制固体浓度为15％；将混合好的原料泵入发酵罐进行发酵，控制发酵温度30℃，发酵时间25天，水力搅拌每12小时开启一次，每次15分钟；所产生物燃气进入储气柜，用于热电联产；发酵结束后，对发酵残余物进行固液分离、干燥，含水率控制在40％～50％；将沼渣、膨润土、贝壳粉按质量比5:4:1混合，自然堆沤10天，温度控制在50℃，控制产品含水率<20％。本实施例较8％的传统发酵固体浓度，可节省厌氧罐容积约50％。

实施例3

将甜叶菊废渣储存于半封闭容器中进行青贮处理，收集渗滤液至废水预处理池；将甜叶菊加工废水置于废水预处理池中，利用气柜中的沼气对废水预处理池中的废水进行曝气，曝气量为3m³/(m³水·d)；随后将废渣和废水投入调浆池中进行混配，控制固体浓度为20％；将混合好的原料泵入发酵罐进行发酵，控制发酵温度55℃，发酵时间35天，水力搅拌每8小时开启一次，每次30分钟；所产生物燃气进入储气柜，用于制备生物天然气；发酵结束后，对发酵残余物进行固液分离、干燥，含水率控制在50％～60％；将沼渣、膨润土、贝壳粉按质量比6:3:1混合，自然堆沤15天，温度控制在60℃，控制产品含水率<20％。本实施例较8％的传统发酵固体浓度，可节省厌氧罐容积约60％。

Claims

1.利用甜叶菊加工废弃物制备生物燃气和土壤改良剂的方法，其特征在于包括以下步骤：

(3)将步骤(1)所得的固体废渣与步骤(2)预处理后的废水搅拌混合后置于厌氧罐中发酵，控制混合物中固体的质量浓度为15％～20％，在发酵温度为30℃～55℃条件下发酵25～35天；收集产生的沼气即为生物燃气，并使发酵剩余物固液分离；

2.如权利要求1所述的利用甜叶菊加工废弃物制备生物燃气和土壤改良剂的方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述的厌氧发酵的过程中，采用水力搅拌和机械搅拌相结合的搅拌方式；所述水力搅拌为每8或12小时搅拌一次，每次15～30分钟；所述机械搅拌的时间是从进料前十分钟开始持续到进料结束。