CN104878045B - 一种汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于沼气能源制备方法领域，具体涉及一种汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法。所述方法为将汽爆秸秆与牛粪混合发酵产生有机酸，然后将有机酸进行制沼气。本发明汽爆秸秆和牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法发酵启动快、发酵周期短、产气率高。
Description
技术领域
本发明属于沼气能源制备方法领域，具体涉及一种汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法。
背景技术
能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。在化石能源逐渐枯竭，能源价格逐年暴涨的形势下，寻找替代或辅助能源并提高能源利用效率显得愈加急迫。在太阳能、核能、风能、水能、潮汐能、地热能、生物质能等诸多新能源当中，生物质能源是最安全、最稳定的能源, 也是目前国家重点鼓励的新能源领域。沼气作为可再生能源，具有可再生性、成本低廉、对环境污染小、热值高等优点，发展秸秆沼气是秸秆资源化利用的重要方向之一。而且沼气发酵原料来源广泛，各种副产品都能被充分利用，因而是生物质能源中最有前景的一种。作为沼气生产的重要原料，我国农作物秸秆年产量达7亿多吨，畜禽粪便（干物质）也有1.4亿吨，如果将其充分利用，不仅能解决当前因焚烧秸秆、滥用化肥而造成的环境污染，也能缓解能源紧张给社会带来的压力。
利用秸秆厌氧发酵制取沼气已经有几十年的历史，但由于秸秆中木质素、纤维素及半纤维素的特殊缠绕结构使其难以被微生物分解利用，导致其沼气发酵过程启动缓慢，发酵周期长，产气率低。为了改变秸秆的微观结构，提高其厌氧发酵效率，出现了大量的秸秆预处理方法，如化学处理方法、生物处理方法、蒸汽爆破预处理方法等。这些方法中，化学处理方法对发酵效果有显著提高，但是化学预处理会对环境造成二次污染；生物预处理方法虽然效果较好，无污染，但存在可选用的菌种偏少且处理周期长，分解木质素的同时也消耗了纤维素和半纤维素的缺点；蒸汽爆破预处理对秸秆的特殊结构具有显著的破坏作用，处理时间短、无化学污染，被认为是一种较为有效的预处理方式。郑正等在中国专利CN101519668A中公开了汽爆木质纤维素物料进行单相厌氧发酵的方法，发酵周期和原料产气速率都大为提高。专利CN1403396A提供了一种周期刺激秸秆和城市垃圾进行固态发酵沼气的方法，使用的汽爆压力为1.3-1.7Mpa，但保压时间长至10min，预处理消耗的能量过大；CN101392270A利用汽爆稻壳生产天然气，采用的汽爆压力为1.5-4MPa，爆后物加水浸提后分离出液相和固相，固相加三倍体积的水进行酸化，液相利用碱调节PH至7，在30-40℃的情况下与固相酸化产生的酸液一起厌氧发酵，该生产工艺较为复杂，增加了汽爆后物质的浸提过程和离心分离过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法，可以克服目前秸秆厌氧发酵过程中存在的发酵启动慢、发酵周期长、产气率低等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法，将汽爆秸秆与牛粪混合发酵产生有机酸，然后利用有机酸进行制沼气。
其中，汽爆秸秆与牛粪的质量比为2-4:1，加水调节秸秆与牛粪混合物以及水形成的反应液的固含量为1-4%后于酸相反应器中产生有机酸。
汽爆秸秆优选通过下法获得：将秸秆粉碎至4-6cm长度，新鲜青秸秆的汽爆压力为2.0-2.5Mpa，压力保持90s；风干秸秆的汽爆压力为1.5-2.0Mpa，压力保持90s。
所述的秸秆可为玉米、高粱或小麦秸秆。
初始反应时，在酸相反应器中，加入反应液质量25-35%的沼液作为接种物，发酵温度控制在34-36℃；酸相反应器中的初始反应液碳氮比控制为25-30:1。初始反应的沼液可以是任意厌氧发酵后的产物，主要用来提供厌氧微生物。本发明优选采用牛粪发酵后的沼液。
酸相反应器水力停留周期为3-12天，每日进料量为2.5-3.5gVS/L/d。
有机酸制沼气于产甲烷反应器中进行，待酸相反应器中反应稳定后，从酸相反应器底部将反应后获得的酸液输入产甲烷反应器中，每日从酸相反应器中抽出的酸液为反应液体积的1/8－1/12；每日从产甲烷反应器抽出沼液返回酸相反应器，返回的沼液量与抽提的酸液量相同。
待整个反应装置运行平稳后，每日向酸相反应器补充2.5-3.5gVS/L/d的汽爆秸秆和牛粪的混合物，同时每日从酸相反应器底部排放出相同质量的沼渣。
产甲烷反应器与酸相反应器的体积比为1-4:1。
酸相反应器的个数为1-4个。
本发明将新鲜或自然风干的农作物废弃秸秆粉碎成5cm左右的长度，对其进行蒸汽爆破处理后与牛粪作为两相混合厌氧发酵的原料，两相混合厌氧发酵过程在酸相反应器和产甲烷反应器中进行。
具体的，首先将气爆后的秸秆与牛粪装入酸相反应器中发酵，控制酸相反应器中发酵液的总固体含量为1-4%，反应液的C:N为25-30:1，然后加入发酵液质量30%的沼液作为接种物，产酸过程中，发酵温度为35℃；同时将产生的酸液和中间气体通入产甲烷反应器中产沼气。
产甲烷反应器初始为牛粪厌氧发酵后的沼液，沼液TS含量为3-5%，优选4%。
采用本发明所述的汽爆秸秆和牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法，沼气中的甲烷含量较高，体积百分数达到68%，沼气产气量可以达到1.0-2.0 m3/m3/d。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明汽爆秸秆和牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法发酵启动快、发酵周期短、产气率高。酸相反应器稳定运行后，第二天开始进行两相发酵，此时的产气率达到1.0m3/m3/d，从第三天到第八天，两相发酵的产气率稳定，基本维持在2.0 m3/m3/d左右。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1
采用汽爆预处理的新鲜青玉米秸秆与牛粪为发酵原料，两者质量比例为3：1。
新鲜青玉米秸秆的汽爆条件为2.5MPa，保压时间为90s。
汽爆后玉米秸秆与牛粪（质量比为3:1）与水加入酸相反应器中，反应液的TS含量为4%，加入反应液质量30%的沼液，总发酵液体积为1000ml，在35℃下进行产酸，共有4个酸相反应器和1个产甲烷反应器。产甲烷反应器为单个酸相反应器体积的3倍，产甲烷反应器中装有3000ml的牛粪中温发酵后的剩余沼液，其TS含量为4%。4个酸相反应器隔天启动一个，每个酸相反应器运行一天后开始从其中抽提酸液，每天从每个酸相反应器中抽提出100ml的酸液进入产甲烷反应器中，同时从产甲烷反应器中每天回流到每个酸相反应器的沼液体积也为100ml。待整个反应装置运行稳定后，每天从每个酸相反应器中排出4g沼渣，同时补充干物质质量为4g的新鲜汽爆后秸秆和牛粪。按照此方法连续运行2个月，得到秸秆的产气量为475ml/gVS，沼气中的甲烷含量最高达到68.3%。
实施例2
在空气中自然风干的玉米秸秆汽爆预处理后与牛粪为发酵原料，两者质量比例为3：1。
自然风干的玉米秸秆汽爆条件为1.5MPa，保压时间为90s。
汽爆后玉米秸秆与牛粪（质量比为2:1）与水加入酸相反应器中，获得的反应液的TS含量为4%，加入反应液质量30%的沼液，总发酵液体积为1000ml，在35℃下进行产酸，发酵系统由1个酸相反应器和1个产甲烷反应器组成。产甲烷反应器与酸相反应器体积相同，产甲烷反应器中装有1000ml的牛粪发酵后的剩余沼液，其TS含量为4%。酸相反应器启动运行一天后开始从其中抽提酸液，每天从酸相反应器中抽提出120ml的酸液进入产甲烷反应器中，同时从产甲烷反应器中每天回流到酸相反应器的沼液体积也为120ml。待整个反应装置运行平稳后，每天从酸相反应器中排出5g沼渣，同时补充干物质质量为5g的汽爆后秸秆和牛粪。按照此方法连续运行2个月，得到秸秆的产气量为480ml/gVS，沼气中的甲烷含量最高达到67.5%。
本实施例在2个月中共处理了300g物料，产气率达到480ml/gVS，远远高于未汽爆秸秆与牛粪混合发酵的产气率，同时也高于汽爆秸秆与牛粪单相混合发酵的产气率。
Claims (5)
1.一种汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于，将汽爆秸秆与牛粪混合发酵产生有机酸，然后将有机酸进行制沼气；汽爆秸秆通过下法获得：将秸秆粉碎至4-6cm长度，新鲜青秸秆的汽爆压力为2.0-2.5Mpa，压力保持90s；风干秸秆的汽爆压力为1.5-2.0Mpa，压力保持90s；汽爆秸秆与牛粪的质量比为2-4:1，加水调节秸秆与牛粪混合物以及水形成的反应液的固含量为1-4%后于酸相反应器中产生有机酸；酸相反应器水力停留周期为3-12天，每日进料量为2.5-3.5gVS/L/d；
初始反应时，在酸相反应器中，加入反应液质量25-35%的沼液作为接种物，发酵温度控制在34-36℃；酸相反应器中的初始反应液碳氮比控制为25-30:1；
有机酸制沼气于产甲烷反应器中进行，待酸相反应器中反应稳定后，从酸相反应器底部将反应后获得的酸液输入产甲烷反应器中，每日从酸相反应器中抽出的酸液为反应液体积的1/8－1/12；每日从产甲烷反应器抽出沼液返回酸相反应器，返回的沼液量与抽提的酸液量相同。
2.如权利要求1所述的汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于，待整个反应装置运行平稳后，每日向酸相反应器补充2.5-3.5gVS/L/d的汽爆秸秆和牛粪的混合物，同时每日从酸相反应器底部排放出相同质量的沼渣。
3.如权利要求2所述的汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于，产甲烷反应器与酸相反应器的体积比为1-4:1。
4.如权利要求3所述的汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于，酸相反应器的个数为1-4个。
5.如权利要求1所述的汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于，所述的秸秆为玉米、高粱或小麦秸秆。
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