CN105274148A - 沼气厂发酵过程的初始化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用生物降解性差的有机物质，对沼气厂的预发酵罐和甲烷发酵罐进行发酵初始化的方法。这些物质需要通过半需氧微生物的预发酵工艺进行分解，以便用于沼气生产所需的厌氧发酵罐。

Description

沼气厂发酵过程的初始化的方法

技术领域

本发明涉及一种使用生物降解性差的有机物质，对沼气厂的预发酵罐和甲烷发酵罐进行发酵初始化的方法。这些物质需要通过半需氧微生物的预发酵工艺进行分解，以便用于沼气生产所需的厌氧发酵罐。很难分解的有机物质中主要包括农业、园林维护以及园林施工的废料，它们通常都具有稳定的纤维结构，例如青草、干草、秸秆(包括玉米秸秆和稻谷秸秆)、芦苇、粪水等。这些原料的纤维物主要由纤维素组成，不过也有一部分是半纤维素和木质素。

通过采用多级初始化处理，可以实现高效专业化的沼气生产流程，其中需要在预发酵罐内形成复杂的生物群落，以便将具有稳定纤维结构的有机物进行分解，从而形成生产沼气所需的有机酸和低分子化合物。

背景技术

沼气是一种混合气体，通过将有机物在隔绝空气(厌氧)的环境下降解而形成，主要由甲烷和二氧化碳组成。其中含有的甲烷是可燃物质，可以作为燃料用于供暖和发电。

古细菌原界类微生物可以在厌氧条件下生产，并合成甲烷。其中不同类型的微生物发生不同的代谢反应，从乙酸转化为甲烷和二氧化碳，或者从二氧化碳和氢气转化为甲烷。

为了从自然形成的有机材料、油脂、碳水化合物以及蛋白质中提取甲烷细菌原料，需要利用其他微生物完成多个分解步骤。首先，需要通过胞外酶水解方法，将不溶于水的长链有机物分子在水溶性介质中进行分解(水解)。其中会形成外酵素。酸化细菌会将水溶性有机物转化为有机酸(产酸)。其中有一部分会形成乙酸，可以用于甲烷细菌。其他脂肪酸和乳酸会在产乙酸菌的作用下转化为乙酸(产乙酸)，或者继续分解为氢气和二氧化碳。

在传统的沼气厂里，形成甲烷的所有分解过程都是在一个密封状态下的发酵罐中进行的。为避免不同再生时间和不同菌群的生长条件对工作进程造成干扰，发酵罐只能容纳少量的有机物。

在采用例如油脂或者食物垃圾的易分解材料时，前两个处理过程，水解和产酸阶段，通常需要分别在不同的发酵罐中完成，正常情况下都被称之为水解阶段。由此可以避免pH-值较低的细菌在再生时间较短的情况下出现酸液过多，以至于发酵罐被酸液淤积，阻碍甲烷的形成。

DE29605625U1号专利介绍了一种借助半需氧水解技术在发酵罐中对有机物废料进行发酵的设备。其中需要根据发酵酸的性质进行持续通风，温度必须保持在20℃至40℃。为了在水解和甲烷生产时接种过程生物，需要使用预先在沉降罐中分离出的发酵残余物中的液体。该工序并不适用于含有碳氢化合物的难以分解的材料。为了分解长链分子，需要实现大量供氧，同时还可以将此前形成的糖和淀粉进行氧菌分解，由此可以生成沼气制造所需的材料。

近年来，人们增加了在沼气制造领域使用来自农业、园林维护以及施工的纤维类垃圾，它们都是无法用于食品和饲料的垃圾。其中进行发酵的困难在于：制造沼气时所需的包括木质纤维素、纤维素、硅酸或者角蛋白的有机物材料会嵌入到很难分解的厌氧生物晶格结构中。

为了解决这一问题，DE102007012104A1号专利中描述了一种对含有木质纤维素的生物材料进行氢化分解的方法：对纤维结构的材料，首先通过热机械方法进行挤压分解，第二步是采用微波工艺对木质纤维素成分进行热处理，如果可能的话也可以添加发酵酶进行分解。这种技术在运行设备和能耗方面的成本比较高，还需要添加发酵酶，才能在利用细胞中更容易降解的有机物的同时，利用纤维素和半纤维素来生成甲烷。

DE102008007423A1号专利介绍了一种沼气生产技术，至少分为两个步骤完成，其中需要在发酵罐上设置一个推流式发酵罐，用于进行厌氧水解。这种技术的特别之处在于：在水解阶段需要添加一部分发酵原料，以便生成甲烷，由此可以将水解气体中的甲烷含量提高至10％至30％。这种气体可以用于发酵罐加热，以便提高甲烷有机物质转化过程的能源使用率。

DE102008015609A1号专利描述了一种沼气厂和一种多阶段生产工艺，其中至少需要进行两次水解，安装用于生成甲烷的发酵罐。在发酵罐中预设的水解设备将以批量化的方式交替运行，也就是说，完全清空的水解设备可以输送生产沼气所需的原料，在可以搅拌的条件下，与挤压发酵罐的发酵残余物获得的液体进行混合。然后在30℃至60℃的温度条件下搅拌2至4天，进行水解和酸化处理。处理工作完成之后，水解产物可以用于发酵罐送料。在此期间完全清空的第二个水解发酵罐需要按与第一个发酵罐相同的方式进行送料和水解处理。

上述两种加工技术采用的水解装置有一个缺点：都只能在无氧状态下运行。但是，可以产生纤维素的厌氧细菌数量极少，即使在最佳条件下，也无法确保有足够的数量和质量，在水解过程中形成可以用于沼气制造的木质纤维素。

在科学论坛杂志2006年(第10发行年)第19期第63-68页中，介绍了一种两阶段“固态-液态”沼气生产技术，采用开放型水解设备–这是一种新型技术，可以用再生原料和生物垃圾生产沼气。其中，需要将提前进行通风处理的发酵残余物中的液体与固态原料进行分离，然后将这种液体与富含纤维的原料进行混合，在敞开的容器内进行水解。在容器中进行所谓的生物浸出，可以借助发酵酶将液体中的固态物质清除出去。在对固态原料进行水解时产生的有机物需要在水解容器内与液体混合。在该容器的高效发酵罐内，需要用固定不动的甲烷细菌生成甲烷。在水解供氧方面，不能通过该技术来实现目标工艺管理。

在DE102010010091A1号专利中，描述了一种总共分为10步的生物液体技术。首先，需要将纤维质材料进行清洗，去除杂质。然后，将其放入挤压器进行粉碎，同时分离出液体。通过加入热空气，将液体中的纤维混合物进行有氧腐化处理。同时将挤压器中的液体注入液体容器，进行分离保存，根据需要还可以添加发酵酶和尿素。其中，可以从腐败物中获得溶解的有机物，并且和已有的部分腐败物共同进行制酸处理(这里称为“水解”)。完成制酸之后，用螺旋挤压机将残余的纤维物分离出来。将湿润的固态物质进行挤压和烘干，可以将其用作燃料。最后就可以将分离出来的含有有机酸的液体注入甲烷发酵罐中制成沼气。这种技术在工艺上和能源上的成本都极为昂贵。由于受到腐败处理的局部条件所限，构成发酵酶的细菌数量可能根本不够，只能在腐败处理时额外加入发酵酶。

从2005年起，有一种半需氧水解技术被陆续推出-其中可以避免出现上述缺陷，例如在BiogazMéthanisation的会议上,2012年2月8日的Journéesrencontres<<RechercheetIndustrie>>,INSAdeLyon上，P.Rabe,C.Terrasse,ResearchStatusandPracticeofSemi-AerobicHydrolysisasaPre-DigestiveStepofOrganicSubstratesinBiogasPlants,www.bionova.de/index.php/hydrolyse/verfahren,www.avantec-biogas.de/verf ahren.html.在这种分为两个阶段的工艺技术中，需要在发酵罐上增加可以进行周期性通风的水解步骤，既可以每天按批次完成送料，也可以在25至42℃的温度条件下持续送料，停留时间可以从半天到两天。通过选择通风强度、通风周期以及水解发酵罐的运行温度，来确保生物群落的长期稳定，保证3阶段的生物加工流程。在第一个需氧阶段，利用原料中天然发酵酶形成的微生物将纤维材料中的木质纤维素进行分解，并将纤维素和半纤维素转化为单糖和多糖。然后，在无氧不通风的条件下，用细菌，例如酵母或者乳酸菌，以天然水解的方法将原材料转化为乙醇、乙酸和乳酸。在该阶段的二级处理工序中，还可以借助少量的厌氧酸化剂继续形成发酵酸。在接下来的需氧阶段，用乙酸杆菌将已经形成的酒精转化为乙酸。水解废气的主要成分除了包括来自输入空气中的氮气，还包括没有使用的氧气和二氧化碳。甲烷、硫化氢和氢气只能在规定ppm浓度范围内出现。为此建议采用生物过滤器对废气进行净化处理，因为这种废气的异味极为强烈。这种技术的特点是效率高，可以提高沼气的利用率，并且降低设备和能源方面的成本。从2004年起，这种技术开始被用于30多家沼气厂，遍布德国、意大利、法国、捷克共和国、拉脱维亚和白俄罗斯，成功地发酵了纤维丰富的青贮饲料、玉米饲料和饲养场粪肥。不过，该技术的缺点就是：在发酵系统中自身菌落较少，无法确保从富含纤维的干燥类有机物(例如草场、堤岸养护材料、漂浮物(主要是芦苇)、秸秆、玉米秸秆、稻谷秸秆)的原料中分离半需氧的生物菌落。

发明内容

因此综上所述，本申请所要解决的任务是大规模对富含纤维的原材料和废料进行处理，确保沼气的发酵与生产过程节约成本，提高效率。

一方面，提出了一种使用生物降解性差的有机物质，对沼气厂的预发酵罐和甲烷发酵罐进行发酵初始化的方法。其中，在预发酵罐中运行下列步骤：

a)将原料在液体中浸泡，并加热至25℃至42℃之间，原料中所含的干燥成分最多不能超过20％，才能在混合物进行搅拌；

b)在达到反应温度之后，将常见的构成发酵酶的细菌或者真菌类培养基注入原料，在持续通风的状态下培养1至2天；

c)从预发酵罐向甲烷发酵罐首次传送水解材料，重新加入原料和液体，干燥成分最多不能超过20％；

d)多次重复步骤a)至c)；

e)然后将发酵酶培养基的添加比例降至25％至50％，然后添加用于形成乙醇的培养基，在周期性通风的条件下培养3至5天；

f)然后停止添加发酵酶培养基，将形成乙醇的培养基添加量降至25％至50％，或者加入生产乙酸的培养基，培养需要持续3至10天。

可选地，将形成乙酸的培养基添加量降至25％至50％，最多继续培养7天。

可选地，在使用长纤维的原料过程中，干燥成分设为在9％至11％之间。

可选地，所述生物降解性差的有机材料来自农业废料并具有稳定的纤维结构，如青草、青草饲料、干草、秸秆、芦苇、粪肥。

可选地，用于浸泡原料的液体包括水、粪水或者发酵残余物。

可选地，为了增加被浸泡原料的粘稠度，需要添加纤维素衍生物，例如羧甲基纤维素。

可选地，构成发酵酶培养基的微生物包括常见的内切纤维素酶、外切纤维素酶和葡萄糖苷酶。

可选地，作为生产用有机物添加的形成乙醇的培养基包括用于乙醇生产的纯培养基，或者异类发酵型的乳酸菌和发酵块。

本发明的方法，通过采用多级初始化处理，可以实现高效专业化的沼气生产流程。其中，在预发酵罐内形成复杂的生物群落，以便将具有稳定纤维结构的有机物进行分解，从而形成生产沼气所需的有机酸和低分子化合物。本申请能够大规模对富含纤维的原材料和废料进行处理，从而确保沼气的发酵与生产过程节约成本，提高效率。

具体实施方式

通过本申请的方法，能够实现上述目的。通过这种方法，确实可以在半需氧发酵罐内获得稳定的生物菌落，从而确保在外部环境不断变化的情况下，在预发酵罐内稳定实现发酵酶和乙酸的需氧处理，并且为乙醇在厌氧条件下形成乙酸提供条件。根据该发明的沼气厂发酵过程的初始化的方法需要使用预发酵罐和甲烷发酵罐。根据本发明的分解方法可以使水解产物在相应产品中得以高效利用，其中用于制造沼气的水解产物可以大幅度提高沼气的产量。借助该方法，可以在结构上彻底分解那种难以分解的木质生物材料。

根据该发明，预发酵罐的第一步处理步骤为：将需要发酵的富含纤维的有机物原料放入液体中泡软，以确保在粘稠状态下也可以在预发酵罐中进行搅动。其中的干燥成分最多不能超过20％，以确保形成的糊状物可以被搅拌。对于纤维特别长的物质，例如青草或者玉米秸秆，将其浸泡在液体中时，需要确保预发酵罐中的干燥成分在9％至11％之间。

长纤维材料主要包括无法发酵的农业、园林养护以及施工原料，例如青草、干草、秸秆(包括玉米秸秆和稻谷秸秆)、芦苇等。如果在根据本发明的工序中，发酵的原料纤维已经碎裂，可以作为原料使用，则该原料中所含的干燥成分最多不能超过20％，才能在混合物进行搅拌。

需要进行软化和混合时，可以用水或者已有的其他液体进行处理。优选地，在对固态成分进行调节时，除了使用水之外，还可以使用粪水或者发酵残余物。在另一优选实施方式中，来自其他沼气厂的粪水或者发酵残余物可以与原料进行混合，由于非常粘稠，这些物质会成为糊状物，由此可以避免将纤维与液体分开。

在其他实施方式中，可以在工序开始时添加其他有机物材料，特别是纤维素衍生物，例如羧甲基纤维素，以便增加液体物的粘稠度。羧甲基纤维素是著名的粘合剂和增稠剂。

完成混合工序之后，在预发酵罐内搅拌液体，并加热到25℃至42℃之间。最佳温度条件需要在预先测试中调查确定。在整个处理工序过程中都必须遵守这一温度条件。一旦达到适用于原料的最佳温度条件，就可以打开通风机，为预发酵罐中的混合物持续输入空气。纤维原料，特别是干燥的材料(例如干草或者秸秆)，都会逐步溶解。

接下来需要将常见的构成发酵酶的细菌或者真菌类培养基注入原料。这种培养基可以形成用于处理原料的发酵酶，以促进发酵酶引发的分解进程。这是一种产生发酵酶的微生物培养基或者混合培养基，可以跟目标基质相适应。本领域技术人员应该很熟悉这种培养基，其中的发酵酶是人们常见的内切纤维素酶、外切纤维素酶和葡萄糖苷酶。

在持续通风状态下，需要用构成发酵酶的微生物培养1至2天。特别是在进行混合时，必须保持温度恒定，需要确保在培养进程中24小时进行搅拌和通风。优选地，pH值保持在4至8.2之间。在整个处理过程中都必须确保该pH值处于规定范围。

随后需要从预发酵罐中第一次提取水解产物。并且将该产物注入甲烷发酵罐中，用于生成沼气。

其中的前提条件是确保甲烷发酵罐中已经完成稳定的甲烷形成过程。为此可以注入粪水，特别是牛粪的粪水或者相邻沼气生产设备的发酵残余物。

从发酵罐中进行提取的技术与甲烷发酵罐完全相同，提取数量也相同：既可以每日定量运行，也可以按规定数量持续运行。完成提取工作之后，需要按照规定的初始比例，重新向预发酵罐中添加新鲜的原料和液体。此外，还需要根据每日数量，重新加入构成发酵酶的培养基，在保持规定通风、温度和搅拌条件的前提下进行培养。

以上步骤可以多次进行，最好重复进行3至5次，也就是持续运行3至5天。水解产物在培养1至2天之后才能提取和注入甲烷发酵罐，然后才能添加新鲜的原料。

最好在培养大约5至10天(其中始终可以提取水解产物和注入预发酵罐，并且添加新鲜原料)之后，然后在第二个处理步骤中添加构成发酵酶的培养基，将其在预发酵罐中的原料比例降至25％至50％。

与此同时，必须按周期改变通风条件。为此需要根据最终运行流程中采用的原料情况确定具体通风和不通风的时长。确定通风时间需要依据类似基质的处理经验，或者此前进行测试取得的结果。在此后的所有进程都必须遵守相同的通风时长。

同时还需要向预发酵罐添加适用的生产用有机物。在通常情况下需要添加形成乙醇的培养基。比方说用于乙醇生产的纯培养基，或者异类发酵型的乳酸菌和发酵块。在这种运行状态下，需要将预发酵罐运行3至5天。在第三个处理步骤中，无需继续添加构成发酵酶的培养基，将形成乙醇的培养基含量降至25％至50％。这个处理步骤需要持续3至10天。如果在第二个处理步骤中采用了构成乙醇的纯培养基，那么在第三个步骤开始时，需要加入生产乙酸的培养基。

第三个步骤结束之后，可以在第四个步骤里给浓度为25％至50％的发酵物注入乙酸培养基，保存3至7天。

因为C5糖在纤维物质中的残余含量，以及C6糖在含水反应物中的残余含量，微生物的使用很重要，可以同时使用这两种糖分。

为了生产乳酸和乙酸，应尽可能全面利用材料，并提高产品产量和生产率。因此可以生成乙酸的培养基最好是乙酸杆菌属。从预发酵罐中取出水解产物之后，需要灌入新鲜的原料。

完成甲烷发酵罐的灌装工作之后，就可以借助甲烷菌的作用，促使二氧化碳、氢气和乙酸生成最终产品甲烷(CH₄)和水了。

由此可见，根据本申请的方法具有下列优点：沼气生产过程稳定，可以实现超过60％的转化率；可以避免发酵罐中形成泡沫；可以使用很难分解的有机物原料，例如秸秆、粪水、芦苇、干草、青草以及青贮饲料。

具体实施例

一部沼气生产设备配有容纳150立方米液体的水解设备和容纳2160立方米原料的发酵罐。其中需要对牛粪、玉米饲料和青草饲料进行发酵。因为只能采用少量粪水，因此必须在水解基质中混入发酵罐的发酵残余物。

将相邻沼气生产设备中的发酵残余物灌入该发酵罐，将温度升高至发酵温度。在该温度下将150立方米的混合物(由牛粪、玉米饲料、青草饲料和发酵残余物构成)灌入发酵罐进行水解。在一天内，将该混合物加热至38℃。

接下来的第1天是启动阶段，需要将2公斤的干燥培养基混合物灌入构成发酵酶的微生物。同时启动通风机，在水解过程中必须保持恒定的38℃条件，同时不停进行搅拌。

第2天需要将120立方米的水解原料灌入发酵罐，并且从发酵罐中取出120立方米的发酵残余物，用于进行混合。灌入120立方米新鲜混合物之后即可进行水解处理，同时再次加入2公斤的干燥培养基。在此过程中，必须保持恒定的38℃条件，同时不停进行搅拌并确保通风。

每天从发酵罐中提取的数量、向水解设备添加的基质混合物数量以及水解过程的温度条件，在整个运行期间都必须保持不变。

第3和4天需要进行周期性通风，确保通风30分钟，然后不通风15分钟。在通风过程中还需要启动搅拌器。每天需要添加1公斤的发酵酶培养基，以及150克异类发酵型的乳酸菌干燥培养基。

第5至9天仍然按照第3和4天的通风和搅拌周期运行。每天继续添加1公斤的发酵酶培养基。每天添加的乳酸培养基减少至75克。

第10至14天无需继续添加发酵酶培养基。通风和搅拌按运行15分钟、暂停15分钟的周期进行。每天添加的乳酸培养基仍然是75克。

从第15天起的水解进程无需添加微生物培养基，通风和搅拌按运行15分钟、暂停15分钟的周期进行，在38℃的温度条件下继续运行发酵罐，确保基质混合物和添加物保持均匀。

Claims (8)

1.一种沼气厂发酵过程的初始化的方法，其中针对预发酵罐和甲烷发酵罐，通过使用生物降解性差的有机材料，在所述预发酵罐中运行下列步骤：

a)将原料在液体中浸泡，并加热至25℃至42℃之间，原料中所含的干燥成分最多不能超过20％，才能在混合物进行搅拌；

b)在达到反应温度之后，将常见的构成发酵酶的细菌或者真菌类培养基注入原料，在持续通风的状态下培养1至2天；

c)从预发酵罐向甲烷发酵罐首次传送水解材料，重新加入原料和液体，干燥成分最多不能超过20％；

d)多次重复步骤a)至c)；

e)然后将发酵酶培养基的添加比例降至25％至50％，然后添加用于形成乙醇的培养基，在周期性通风的条件下培养3至5天；

f)然后停止添加发酵酶培养基，将形成乙醇的培养基添加量降至25％至50％，或者加入生产乙酸的培养基，培养需要持续3至10天。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将形成乙酸的培养基添加量降至25％至50％，最多继续培养7天。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在使用长纤维的原料过程中，干燥成分在9％至11％之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述生物降解性差的有机材料来自农业废料并具有稳定的纤维结构，如青草、青草饲料、干草、秸秆、芦苇、粪肥。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中用于浸泡原料的液体包括水、粪水或者发酵残余物。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中为了增加被浸泡原料的粘稠度，需要添加纤维素衍生物，例如羧甲基纤维素。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中构成发酵酶培养基的微生物包括常见的内切纤维素酶、外切纤维素酶和葡萄糖苷酶。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中作为生产用有机物添加的形成乙醇的培养基包括用于乙醇生产的纯培养基，或者异类发酵型的乳酸菌和发酵块。