CN104529115B - 一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺 - Google Patents

Abstract

一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，属于固体有机废弃物能源与资源化领域。本发明涉及的工序包括厌氧发酵产沼气、固液分离、气水分离、脱硫提纯、磷回收、沼渣高温消化和缓释复合肥料制备。本工艺采用三级逆流技术进行发酵产沼气和富集氮磷，将分离后的发酵料液和沼渣在各级厌氧罐之间反方向流动，降低鸡粪发酵过程产生的高浓度氨氮对厌氧微生物的抑制效应，同时提高沼气产率和厌氧发酵料液中的氮磷浓度。利用磷酸铵镁结晶法回收氮磷，形成的晶体产物添入高温消化后的沼渣中，制备成以磷酸铵镁为主要有效成分的缓释复合肥。本工艺生成产品为清洁能源沼气与高效缓释复合肥，可同时实现鸡粪能源与资源回收目标。

Description

一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺

技术领域

一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，属于固体有机废弃物能源与资源化领域。

技术背景

随着我国农业结构的调整和农业产业化的推进，畜禽养殖业由原先的小规模、零散经营转变为规模化、集约化生产，致使大量畜禽粪便等污染物逐年增长。鸡粪在畜禽粪便产生量中占有较高的比例。据统计，我国鸡粪产生量高达10万吨/天以上，且逐年快速递增。鸡粪富含有机质，未经处理的鸡粪水分含量高，易占用和污染土壤、水体，产生恶臭气体，并携带病原微生物，造成日益严重的环境污染问题。因此，针对鸡粪开展处理处置和综合利用具有刻不容缓的现实意义。目前，鸡粪的处理技术和综合利用方式以减量化、无害化和资源化为目标，如堆肥，制作有机肥料，制备动物饲料，以及厌氧消化产沼气等。这其中，厌氧消化产沼气被认为是实现集约化养殖粪便能源化、减量化，进行污染防治的主要途径。除有机质含量高外，鸡粪亦富含氮、磷、钾等营养元素，其厌氧消化液具有氮磷浓度较高的特点，这增加了后续生化处理的难度。

另一方面，磷作为地球上一种不可自然再生的有限资源，随着开采速度的加快其陆地储量日益匮乏，从畜禽厌氧消化液中回收磷不仅扩大了磷资源，而且缓解了富含氮、磷等营养元素的污废水排放造成水体富营养化的环境压力。目前，磷回收技术包括结晶法、沉淀法、电渗析法和离子交换法等，回收的产品主要为磷酸铁(FePO₄)、磷酸铝(AlPO₄)、磷酸铵镁(MgNH₄PO₄·6H₂O)和羟磷灰石(Ca₁₀(PO₄)·6(OH)₂)等磷酸盐沉淀物。其中，因磷酸铵镁中P含量折算成P₂O₅标准量后可达51.8％，是目前世界上最高品位的磷矿石，所以磷酸铵镁结晶法被认为是较有潜力的回收方法。

至今，国内外本研究领域技术多集中于优化环境因素和操作参数提高鸡粪厌氧发酵产沼气效率。但，因鸡粪中C/N较低，易导致氨氮富集从而造成消化过程的抑制效应产生。本研究领域也利用混合发酵技术提高鸡粪的C/N比值，以缓解抑制作用。然而，混合发酵中共消化底物比例的轻微变化可能会对消化系统的缓冲能力产生影响。特别地，混合发酵虽有益于提高产气效率，但却降低了厌氧发酵液中氮磷的浓度，不利于后续氮磷回收。鸡粪富含较多未被消化吸收的营养物质，特别是粗蛋白，这决定了鸡粪的厌氧发酵难于其他畜禽粪类。

为此，本发明提出一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，以期解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，其在发酵单元采用三级逆流技术进行厌氧发酵产沼气和提高液相产物中氮磷的浓度，达到促进发酵过程鸡粪降解，缓解高氨氮浓度对厌氧微生物的抑制效应，以及富集发酵液中氮磷的目的，最终获得清洁生物质能源即沼气和富含磷酸铵镁的高效缓释复合肥，从而实现畜禽粪便能源与资源化。

本发明针对鸡粪富含粗蛋白，单独厌氧发酵易导致氨氮累积，造成微生物的活性受抑制；而鸡粪与其它高含碳的有机废弃物进行联合发酵虽能降低发酵过程产生的氨氮浓度，但却导致过程产生的正磷酸盐的浓度下降，不利于后续磷回收的问题，提出了三级逆流技术进行厌氧发酵产沼气和富集发酵液中的氮磷。具体为：利用料液和沼渣在各级发酵罐之间沿着相反方向流动，并分别定期向一级发酵罐加入混合有新鲜鸡粪和接种污泥的原始物料和向三级发酵罐中加入有利于厌氧微生物生长的微量元素营养液。一方面，新鲜物料与二级料液接触，降低了氨氮、有机酸等中间代谢产物累积带来的抑制效应，促进鸡粪继续发酵产沼气，并进一步积累料液中的氮磷，利于后续的磷酸铵镁结晶回收；另一方面，利用微量元素营养液与三级沼渣接触促进鸡粪中难降解的有机物质再次发酵产生沼气，提高鸡粪沼气产率。

本发明的技术方案：一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，其包括以下工序：厌氧发酵产沼气、固液分离、气水分离、脱硫提纯、磷回收、沼渣高温消化和缓释复合肥料制备。首先，采用三级逆流技术进行鸡粪厌氧发酵产沼气和富集液相产物中的氮磷。发酵过程中定期将离心分离后的料液和沼渣在各级发酵罐之间反方向流动，并定期分别向一级发酵罐加入混合有新鲜鸡粪和接种污泥的原始物料和向三级发酵罐中加入有利于厌氧微生物生长的微量元素营养液。接着，各级发酵罐和高温消化罐产生的沼气收集后先去除水分再去除H₂S，获得以甲烷为主的沼气产品。同时，对富含氮磷的一级料液采用磷酸铵镁结晶法回收磷，产生的晶体产物与高温消化后的三级沼渣按比例混合、造粒、干燥，获得富含磷酸铵镁的高效缓释复合肥。

本发明的有益效果：以鸡粪作为原料，采用三级逆流技术降低鸡粪发酵过程高浓度氨氮对厌氧微生物的抑制效应，提高发酵过程沼气产率的同时富集发酵液中的磷。利用磷酸铵镁结晶法回收磷，形成的晶体产物添入高温消化后的沼渣中，制备成以磷酸铵镁为主要有效成分的缓释复合肥。同时，发酵产生的沼气进行脱水、脱硫，产生以甲烷为主的清洁生物质能。第一大优点是可同时实现鸡粪能源与资源化的目标，获得以甲烷为主要成分的清洁生物质能产品和富含磷酸铵镁的高效缓释复合肥；第二大优点是促进了鸡粪的降解，提高了沼气产量，与普通序批式厌氧发酵工艺相比较，鸡粪中有机质降解率和沼气产率分别提高了21％和42％；第三大优点提高了发酵液中磷的浓度，与普通序批式厌氧发酵工艺相比较，正磷酸盐的浓度提高了1.21倍；第四大优点可实现鸡粪的减量化，达到缓解日益严峻的环境污染压力的目的。

附图说明

图1为根据本发明的一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺的流程示意图。

具体实施方式

本发明的利用鸡粪厌氧发酵产沼气与回收磷的工艺如图1所示。图1中的附图标记含义如下：一级发酵罐1、一级固液分离机2、二级发酵罐3、二级固液分离机4、三级发酵罐5、三级固液分离机6、高温消化罐7、磷酸铵镁反应器8、混合机9、肥料造粒机10、干燥机11、气水分离装置12、脱硫罐13、储气罐14。

本发明提供了一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，其工艺流程如下：

(1)原始物料经进料口进入一级发酵罐1，进行厌氧发酵产沼气过程，发酵结束后的物料进入一级固液分离机2进行离心分离，生成一级沼渣和一级料液；

(2)一级料液输送进入磷酸铵镁反应器8，一级沼渣由物料泵输送至二级发酵罐3，进行二次厌氧发酵产沼气过程，发酵结束后的物料进入二级固液分离机4进行离心分离，生成二级沼渣和二级料液；

(3)二级料液输送至一级发酵罐1，与原始物料混合后进行厌氧发酵沼气过程，二级沼渣由物料泵经管道输送至三级发酵罐5，与经进料口进入的营养液混合后进行三次厌氧发酵产沼气过程，发酵结束后的物料进入三级固液分离机6进行离心分离，生成三级沼渣和三级料液；

(4)三级料液输送至二级发酵罐3，与一级沼渣混合后进行厌氧发酵沼气过程。三级沼渣由物料泵经管道输送至高温消化罐7，进行高温消化和寄生虫卵、病原微生物的灭杀后进入混合机9；

(5)一级料液进入磷酸铵镁反应器8后，加入镁源沉淀剂，曝气吹脱料液中的CO₂，产生以磷酸铵镁为主要成分的晶体产物；

(6)晶体产物在磷酸铵镁反应器8中收集后经管道加入混合机9，与高温消化和灭杀寄生虫卵、病毒后的三级沼渣按比例混合，再经管道进入肥料造粒机10，形成的颗粒肥料输送至于燥机11干燥，获得富含磷酸铵镁的缓释复合肥；

(7)在一级发酵罐1、二级发酵罐3、三级发酵罐5和高温消化罐7中产生的气相产物，经管道进入气水分离装置12去除水分，再进入脱硫罐13去除沼气中的H₂S后，最后进入储气罐14，获得以甲烷为主要组分的沼气产品。

本发明方法的一个具体应用的示例如下：

采用养鸡场的鸡粪，加入自来水调节鸡粪的固体质量浓度为10％，按照15％的比例接入产甲烷活性种泥，混合均匀后加入各级发酵罐，发酵过程温度维持38℃。厌氧发酵12天后开始进行逆级操作。将各级发酵罐的发酵混合液于4000转/分钟离心5分钟，一级沼渣导入二级发酵罐，二级沼渣导入三级发酵罐，三级沼渣进入高温消化罐。同时，向一级发酵罐补充鸡粪底物与接种污泥，三级料液加入二级发酵罐，二级料液加入一级发酵罐，一级料液进入磷酸铵镁反应器，向三级发酵罐补充相同体积的营养液。逆级过程，发酵条件保持相同。此后每6天进行一次逆流操作。三级沼渣进入高温消化罐后65℃厌氧发酵2天，进行高温消化和寄生虫卵、病原菌的灭杀后，进入混合机中。逆级稳定后获得的一级料液水质特征为PO₄ ^3-浓度175mg/L(以P计)，NH₄ ⁺浓度2300mg/L(以N计)，Mg²⁺浓度90mg/L，pH为7.5。磷酸铵镁结晶过程，按照n(Mg²⁺)∶n(PO₄ ^3-)＝1.4∶1的比例投加氯化镁和磷酸氢二钾混合后的镁源沉淀剂，通入0.5m³/h的曝气量，结晶反应6小时，获得磷酸铵镁纯度大约为45％左右的结晶产物，且出水总磷的浓度降为6mg/L。将晶体产物按照9％的添加量添入三级沼渣中，在混合机中混匀后，进入肥料造粒机，形成的缓释复合肥颗粒进入干燥机烘干，获得富含磷酸铵镁的缓释复合肥。各级发酵罐和高温消化罐产生的沼气进入气水分离装置，采用冷分离法去除水分后，进入装填有氧化铁的脱硫装置去除硫化氢，最终获得甲烷含量为80％左右的沼气。

Claims (5)

1.一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，其流程如下：

(1)原始物料经进料口进入一级发酵罐中，进行厌氧发酵产沼气过程，发酵结束后的物料进入一级固液分离机中进行离心分离，生成一级沼渣和一级料液；

(2)一级料液输送进入磷酸铵镁反应器，一级沼渣输送至二级发酵罐，进行二次厌氧发酵产沼气过程，发酵结束后的物料进入二级固液分离机进行离心分离，生成二级沼渣和二级料液；

(3)二级料液输入至一级发酵罐，二级沼渣输送至三级发酵罐，与经进料口进入的营养液混合后进行三次厌氧发酵产沼气过程，发酵结束后的物料进入三级固液分离机进行离心分离，生成三级沼渣和三级料液；

(4)三级料液输入至二级发酵罐，三级沼渣输送至高温消化罐，进行高温消化、寄生虫卵和病原微生物的灭杀后进入混合机；

(5)一级料液进入磷酸铵镁反应器后，加入镁源沉淀剂，曝气吹脱料液中的CO₂，产生以磷酸铵镁为主要成分的晶体产物；

(6)晶体产物收集后加入混合机，与高温消化和灭杀寄生虫卵、病原微生物后的三级沼渣混合，再进入肥料造粒机，形成的颗粒肥料输送至干燥机中干燥，获得富含磷酸铵镁的缓释复合肥。

2.如权利要求1所述的一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，其特征在于原始物料为鸡粪与产甲烷活性种泥的混合物，产甲烷活性种泥的接种比例为10％～30％，发酵物料在各级发酵罐中的停留时间为5～12天，发酵温度为35～60℃。

3.如权利要求1所述的一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，其特征在于一级料液水质特征为：PO₄ ^3-浓度以P计为150～200mg/L，NH₄ ⁺浓度以N计为1800～2500mg/L，Mg^{2 +}浓度50～100mg/L，pH为7.5。

4.如权利要求1所述的一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，其特征在于镁源沉淀剂为氯化镁和磷酸氢二钾的混合物，结晶过程中按照n(Mg²⁺)∶n(PO₄ ^3-)＝1.3∶1～1.8∶1的比例投加镁源沉淀剂。

5.如权利要求1所述的一种利用鸡粪厌氧发酵产沼气和回收磷的工艺，其特征在于一、二、三级发酵罐和高温消化罐中产生的气相产物进入气水分离装置去除水分，再进入脱硫装置去除H₂S后，进入储气罐中，获得以甲烷为主的沼气产物。