CN105368877B - 一种用于厌氧发酵能源植物的青贮方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于厌氧发酵能源植物的青贮方法，以城市生活垃圾渗滤液为青贮添加剂，包括以下步骤：(1)将刈割后的能源草粉碎；(2)将步骤(1)得到的所述能源草与城市生活垃圾渗滤液按鲜重1:30～1:45(W/W)完全混合，得到混合能源草物料；(3)将步骤(2)得到的所述混合能源草物料进行厌氧密封青贮，置于室温下30～35d后，得到用于厌氧发酵的青贮能源植物。本发明中使用垃圾渗滤液氨氮含量较高(最高可达7400mg/L)，对于青贮过程来说，具有营养性添加剂的作用，可以补充物料氮元素含量的不足，同时还能够抑制有害微生物的生长繁殖。本发明得到的青贮的能源植物适用于厌氧发酵，尤其适用于制备生物燃气。

Description

一种用于厌氧发酵能源植物的青贮方法
技术领域：
本发明涉及属于生物技术能源领域，具体涉及一种用于厌氧发酵能源植物的青贮方法。
背景技术：
能源草是可直接作燃料以及用于生产生物质能源的草本植物的总称，具有生长周期短、产量高、适应性强、能量回报率(输入/输出)高等显著优势，近年来逐渐成为生物质能领域的研究热点。利用能源草厌氧发酵制备生物燃气，既能够生产清洁燃料，发酵后产生的沼液、沼渣又是优质的有机肥料。由于能源草的生长具有较强的季节性，当其作为生物燃气工程的主要原料时，很难保证全年的均衡供应。通过在生长旺盛时期对过剩的能源草进行贮藏，可以平衡原料年际供应，提高生物燃气工程的稳定性。由于含有非结构性碳水化合物，能源草在贮藏过程中极易损失，如雨淋可造成5％-10％的损失，呼吸作用可造成10％-15％的损失等。据统计，鲜草在收获和干燥之后营养价值可降低30％-50％。
青贮是在厌氧条件下，使鲜草经乳酸菌发酵产生有机酸，迅速降低贮藏环境的pH值，从而抑制微生物的生长和繁殖，使得鲜草的营养成分得到较大限度的保存。由于青贮过程中保证厌氧环境，氧化分解作用十分微弱，鲜草的营养成分损失仅为3％-10％，尤其是蛋白质和微生物的保存远优于其他贮藏方式，因此青贮常成为首选的能源草贮藏方法。青贮发酵是一个非常复杂的生物过程，受到多种因素的影响。为了优化发酵过程和提高保存品质，现代青贮技术中重要的一环就是采用青贮添加剂。青贮添加剂主要分为三类，包括发酵促进剂、发酵抑制剂和营养性添加剂。发酵促进剂包括乳酸菌菌种、葡萄糖、糖蜜等，其作用为加快乳酸发酵过程，使环境pH迅速下降，从而抑制有害微生物的生长繁殖；发酵抑制剂主要包括无机酸、甲酸、苯甲酸、山梨酸等，其作用为降低青贮环境pH值，形成乳酸菌适宜的酸性生长环境的，抑制有害微生物的生长繁殖；营养性添加剂主要用于提高提高青贮物料的营养价值，如尿素作为添加剂不仅可以补充物料氮元素含量的不足，提物料高粗蛋白含量，而且在脲酶的作用下可以分解为二氧化碳和氨气，有利于营造青贮发酵所需的厌氧环境，抑制有害微生物的生长繁殖。
现有的青贮添加剂中不乏效果出众者，但是在以能源草为原料制备生物燃气的过程中采用这些添加剂会增加燃气工程的运营成本。虽然当今常规化石能源由于资源渐渐枯竭，价格总体趋势走高，但是与生物质能相比,化石能源在市场上的仍然占据相当的地位，具有低价竞争的优势。而生物质能要提高市场竞争力，首先就要具有相当的价格优势。使用现有的添加剂无益于生物质能源生产成本的下降，因此开发新型青贮添加剂势在必行。
目前，利用非常规青贮添加剂进行能源草类物料青贮的方法主要有袁振宏，李连华等人公开的201410379844.1“一种厌氧发酵制备生物燃气用的草本能源植物的青贮方法”，采用微藻作为青贮添加剂。虽然该种添加剂能够提高青贮性能和原料产气率，但是实际上微藻在发展高值化技术上潜力较大，前景广阔，可用于生产化妆品、健康食品、功能食品、动物饲料、高值生物活性产品(多不饱和脂肪酸、微藻多糖、微藻蛋白、抗生素、生物毒素)等。将微藻用作生物燃气原料青贮添加剂，实际上是对微藻的高值成分的浪费，无法实现高品位的利用。另一个公开的专利201410324075.5“一种厌氧发酵用的能源草本植物的青贮方法及青贮物料混合装置”则是利用糖蜜酒精废水作为青贮添加剂，作为发酵促进剂，加快乳酸发酵过程以提高青贮品质。糖蜜酒精废水作为廉价的添加剂，相较传统的青贮添加剂有一定的价格优势，但是该废水中含有很多难以被微生物降解的、抑制厌氧发酵的物质，包括高浓度色素、硫酸根离子以及甲醛等，对后续的厌氧发酵过程有抑制风险。
发明内容：
本发明的目的是提供一种用于厌氧发酵能源植物的青贮方法，克服现有青贮添加剂的不足的缺陷。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种用于厌氧发酵能源植物的青贮方法，以城市生活垃圾渗滤液为青贮添加剂，包括以下步骤：
(1)将刈割后的能源草粉碎；
(2)将步骤(1)得到的所述能源草与城市生活垃圾渗滤液按鲜重1:30～1:45(W/W)完全混合，得到混合能源草物料；
(3)将步骤(2)得到的所述混合能源草物料进行厌氧密封青贮，置于室温下30～35d后，得到用于厌氧发酵的青贮的能源植物。
本发明中使用垃圾渗滤液氨氮含量较高(最高可达7400mg/L)，对于青贮过程来说，具有营养性添加剂的作用，可以补充物料氮元素含量的不足，同时还能够抑制有害微生物的生长繁殖。本发明得到的青贮的能源植物适用于厌氧发酵，尤其适用于制备生物燃气。
本发明所使用的垃圾渗滤液是垃圾在填埋过程中由于压实、发酵和降水渗流的作用产生的高浓度有机废水，其主要来源于填埋场的自然降雨和径流，生活垃圾自身所含水分以及垃圾中的有机部分在微生物的分解作用下产生的水。其具有高COD和BOD，高氨氮以及高重金属浓度的特点。具体参照资料：刘可.城市垃圾渗滤液的特性分析及厌氧处理试验研究[D].西安建筑科技大学,2004.
优选地，步骤(1)中所述能源草选自杂交狼尾草、柳枝稷和芒草中的一种。
优选地，步骤(1)中所述能源草粉碎至粒径1cm～2cm。
优选地，步骤(2)中所述垃圾渗滤液COD为11000～16000mg/L。
优选地，步骤(2)中所述垃圾渗滤液为生活垃圾在卫生填埋处理过程中，由于压实、发酵和降水渗流作用产生的有机废液。
本发明的有益效果是：
(1)垃圾渗滤液氨氮含量较高(最高可达7400mg/L)，对于青贮过程来说，具有营养性添加剂的作用，可以补充物料氮元素含量的不足，同时还能够抑制有害微生物的生长繁殖。能源草类物料在厌氧发酵过程中，常常由于碳氮比过高、营养不平衡(如杂交狼尾草可达62)的问题导致发酵过程效率低下，加入渗滤液进行发酵可平衡物料的碳氮比，提高发酵效率；
(2)垃圾渗滤液中含有大量的有机酸，pH值较低。张胜利等发现在可生化处理的垃圾渗滤液中(BOD5/COD＝0.3-0.4)中检出的有机污染物约90％为有机酸类物质。有机酸作为发酵抑制剂是一种广泛应用且效果显著的青贮添加剂。利用垃圾渗滤液作为青贮添加剂，其中的有机酸能够起到降低环境pH值，抑制有害微生物生长的作用；
(3)微量元素在微生物生长过程中具有十分重要的作用，不仅参与生物大分子结构的形成和细胞结构物质的组成，还常常作为辅酶、辅基、辅因子的成分出现在微生物的酶系统中。垃圾渗滤液一般都含有钾、钙、镁、铁、锰、钴、铜、镍、锌等元素，在青贮原料中添加垃圾渗滤液无论是在大量元素(如钾、镁等)，还是微量元素(如锰、钴、镍、铜、锌等)方面都能够得到补充，从而进一步提高青贮品质。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
除特别说明，本发明使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。
本发明所使用的垃圾渗滤液是垃圾在填埋过程中由于压实、发酵和降水渗流的作用产生的高浓度有机废水，其主要来源于填埋场的自然降雨和径流，生活垃圾自身所含水分以及垃圾中的有机部分在微生物的分解作用下产生的水。其具有高COD和BOD，高氨氮以及高重金属浓度的特点。具体参照资料：刘可.城市垃圾渗滤液的特性分析及厌氧处理试验研究[D].西安建筑科技大学,2004.
实施例1
将刈割后新鲜的杂交狼尾草粉碎至粒径1cm-2cm；新鲜生活垃圾渗滤液，原始COD浓度为11000mg/L。粉碎后的杂交狼尾草与新鲜垃圾渗滤液按鲜重1:30(W/W)比例完全混合；完全混合的物料置于密封袋中密封青贮，置于室温下35d。将青贮物料取出利用全混式厌氧反应器(CSTR)进行厌氧发酵。厌氧发酵有机负荷设置为菌种与物料的挥发性固体(VS)比为1:1；加入0.5g/L的碳酸氢铵调节物料碳氮比；发酵条件为中温(37℃)发酵；发酵共进行20天。最终获得的产气率为266-281mL/gVS。
实施例2
将刈割后新鲜的柳枝稷粉碎至粒径1cm-2cm；新鲜生活垃圾渗滤液，原始COD浓度为16000mg/L。粉碎后的与新鲜垃圾渗滤液按鲜重1:45(W/W)比例完全混合；完全混合的物料置于密封袋中密封青贮，置于室温下30d。将青贮物料取出利用全混式厌氧反应器(CSTR)进行厌氧发酵。厌氧发酵有机负荷设置为菌种与物料的挥发性固体(VS)比为1:1；加入0.5g/L的碳酸氢铵调节物料碳氮比；发酵条件为中温(37℃)发酵；发酵共进行25天。最终获得的产气率为189-220mL/gVS。
实施例3
将刈割后新鲜的芒草粉碎至粒径1cm-2cm；新鲜生活垃圾渗滤液，原始COD浓度为13000mg/L。粉碎后的与新鲜垃圾渗滤液按鲜重1:35(W/W)比例完全混合；完全混合的物料置于密封袋中密封青贮，置于室温下32d。将青贮物料取出利用全混式厌氧反应器(CSTR)进行厌氧发酵。厌氧发酵有机负荷设置为菌种与物料的挥发性固体(VS)比为1:1；加入0.5g/L的碳酸氢铵调节物料碳氮比；发酵条件为中温(37℃)发酵；发酵共进行25天。最终获得的产气率为149-160mL/gVS。
本发明利用垃圾渗滤液实现厌氧发酵能源植物的青贮方法，其成本低廉，实现废物回收利用。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利保护范围中。

Claims (1)

1.一种用于厌氧发酵能源植物的青贮方法，其特征在于，以城市生活垃圾渗滤液为青贮添加剂，包括以下步骤：
(1)将刈割后的杂交狼尾草粉碎至粒径1cm～2cm；
(2)将步骤(1)得到的所述杂交狼尾草与城市生活垃圾渗滤液按鲜重1:30(W/W)完全混合，得到混合杂交狼尾草；
(3)将步骤(2)得到的所述混合杂交狼尾草物料进行厌氧密封青贮，置于室温下35d后，得到用于厌氧发酵的青贮的杂交狼尾草；
步骤(2)中所述垃圾渗滤液COD为11000mg/L，步骤(2)中所述垃圾渗滤液为生活垃圾在卫生填埋处理过程中，由于压实、发酵和降水渗流作用产生的有机废液。
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城市垃圾渗滤液的特性分析及厌氧处理试验研究;刘可;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20040915;第3页第3段 *
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