CN105586362A

CN105586362A - 一种高温干式厌氧共发酵生产甲烷的方法

Info

Publication number: CN105586362A
Application number: CN201610158003.7A
Authority: CN
Inventors: 周胜; 张继宁; 付子轼; 孙会峰; 陈桂发; 邹国燕
Original assignee: SHANGHAI CO-ELITE AGRICULTURAL SCI-TECH (GROUP) CO LTD; Shanghai Academy of Agricultural Sciences
Current assignee: SHANGHAI CO-ELITE AGRICULTURAL SCI-TECH (GROUP) CO LTD; Shanghai Academy of Agricultural Sciences
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2016-05-18

Abstract

本发明公开了一种高温干式厌氧共发酵生产甲烷的方法，该方法包括以下步骤：(1)按质量比4:(0.5～3.5):(0～4)将畜禽粪尿、农作物秸秆与水混合得混合物料，混合物料的含固率为20～40％、VS为15～25％、C/N为20～35；(2)将沼气接种物与混合物料按重量比1:1混合，然后置于厌氧发酵罐中，并向厌氧发酵罐中通入氮气10～20min，发酵温度为55±2℃；(3)污泥滞留时间范围40～20天。本发明的方法能够有效减缓高浓度氨抑制发酵和有机酸积累问题，整个厌氧发酵过程中沼气产量可提高15～40％，甲烷产量提高15～45％，最终可以保证发酵系统持续而高效地产甲烷。

Description

一种高温干式厌氧共发酵生产甲烷的方法

技术领域

本发明属于发酵领域，具体的说涉及了一种高温干式厌氧共发酵生产甲烷的方法。

背景技术

厌氧发酵技术利用多种微生物菌群的协同合作，通过水解产酸和产气等多级厌氧分解，将农业废物中有机成分分解成甲烷和二氧化碳，其中甲烷可作为能源发电产热。农业废物的形式多种多样，按其成分主要为畜禽粪尿和农作物秸秆两大类。畜禽粪尿和秸秆混合可以调节物料的C/N比从而有利于微生物进行厌氧发酵处理，所以将畜禽粪尿和农作物秸秆通过混合厌氧共发酵技术转化为甲烷已经成为农业废物资源利用的有效途径。加上畜禽粪尿和农作物秸秆均来自农业生产过程，便于作为肥料或土壤调节剂还田使用。

我国现在推广普及的传统型沼气工艺多以含水量大的湿式厌氧发酵技术(含固率<10％)为基础，比如：中国发明专利(申请号CN200810017437.0)公开了将畜禽粪尿和农作物秸秆混合制成浆料加热到37±2℃，再加水混合其含固率为9.6～10.4％，然后将浆料送入厌氧发酵罐进行发酵，最后将发酵液进行固液分离，得到的固形物料经堆肥制成有机肥。传统的湿式厌氧发酵技术在处理农业固体废物时，存在消耗大量清洁水、发酵后的甲烷浓度低、沼渣沼液储存运输困难、发酵产物需脱水处理以及产物难以有效利用等问题，制约了此种厌氧发酵技术的推广和应用。

干式厌氧发酵(干物质浓度>10％，一般为20～40％)的培养基呈固态，虽然含水丰富，但没有或有少量自由流动水，且处理有机负荷高、池容效率高，同时产生的残渣经过简单处理就可以作为有机肥利用，是一种很有前景的技术途径。中国发明专利(申请号CN201410638289.X)以畜禽粪便、农作物秸秆和蔬菜废物联合，含固率20～30％，在中温34～36℃条件下干式厌氧共发酵20～50天，从产气量、甲烷浓度、挥发性脂肪酸、NH₄ ⁺-N浓度和挥发性固体降解率等方面综合考虑，牛粪、玉米秸秆和番茄秧的原料干物质质量比0.3:1:0.1最佳。

温度是影响厌氧微生物处理工艺的主要因素，我国沼气工程采用的常温和中温厌氧发酵工艺，容积产气率往往不到0.5～1.0m³m^-3d^-1。即便厌氧发酵在高温条件下，较低的微生物多样性和较高的分解速率造成系统稳定性差以及产气效率低。而在干式厌氧发酵系统中由于干物质浓度高，会造成反应基质混合不均一、传热传质不均匀以及高浓度氨抑制发酵和有机酸积累问题。虽然通过调节不同反应物料的混合配比可以缓解氨抑制，达到一定的改善效果，但是长期运行条件下，仍可能出现NH₄ ⁺-N浓度逐渐升高以及有机酸积累等现象，从而影响到高温干式厌氧发酵系统长期运行的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温干式厌氧共发酵生产甲烷的方法，该方法包括如下步骤：

(1)按质量比4:(0.5～3.5):(0～4)将畜禽粪尿、农作物秸秆与水混合得混合物料，混合物料的含固率为20～40％、VS为15～25％、C/N为20～35；

(2)将沼气接种物与混合物料按重量比1:1混合，然后置于厌氧发酵罐中，并向厌氧发酵罐中通入氮气10～20min，发酵温度为55±2℃；

(3)污泥滞留时间范围40～20天。

上述方法中，所述畜禽粪尿和沼气接种物均以湿基的形式加入；

其中畜禽粪尿的含水率为75～85％，优选为猪粪尿；

其中沼气接种物取自上海市庄行试验站养猪场正常运行沼气工程发酵罐中，含水率为70～80％；

所述的农作物秸秆选自如下至少一种：玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆，优选为水稻秸秆；所述农作物秸秆为风干的秸秆，含水率为0～10％，在混合之前将其破碎成小于5cm的节段；

所述混合物料的碳氮比为(20～35)：1；

以上述方法生成的沼气中甲烷的体积浓度为50～65％；

所述混合物料中挥发性固体的降解率为50～55％。

本发明所提供的高温干式厌氧共发酵生产甲烷的方法，选择畜禽粪尿、风干的农作物秸秆、水和接种物为原料，将混合均匀的物料装入反应器中，密闭进行高温干式厌氧共发酵连续试验，发酵温度为55±2℃，污泥停留时间(Sludgeretentiontime，SRT)范围为40～20天，克服了现有技术存在的缺陷，有效减缓高浓度氨抑制发酵和有机酸积累问题，有效解决和资源化利用畜禽粪尿和农作物秸秆。。

与现有技术相比，本发明的方法具有以下优点及有益效果：

1.控制适宜的污泥停留时间，利于产甲烷菌等微生物在消耗完污泥中的营养物质后进行自源生长和富集，避免连续加入新污泥对系统造成不利影响，从而确保高温干式厌氧共发酵系统持续而稳定地运行。

2.调控适宜的污泥停留时间，可以减缓高温干式厌氧发酵系统中高浓度氨抑制甲烷产生和有机酸积累问题。

3.高温发酵较常温与中温发酵相比，可提高产气速率；而且高温可有效杀死物料中的细菌、虫卵及杂草种子。

4.高温条件下的干式厌氧共发酵技术，产生的沼渣含水率低、富含氮磷等营养元素，不需要后续处理，可直接作为肥料或土壤调节剂使用。

本工艺将畜禽粪尿和农作物秸秆含有的有机物得到充分的回收和再利用，减少了农业废物对环境的污染，整个厌氧发酵过程中沼气产量可提高15～40％，甲烷产量提高15～45％，确保系统长期运行的稳定性。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明进行详细说明。

下列实施例中使用的畜禽粪尿为猪粪尿，农作物秸秆为水稻秸秆，分别取自上海市奉贤区庄行试验站的养猪场和试验田。接种物取自上海市养猪场正常运行沼气工程发酵罐中。其中，猪粪尿的含水率为74.5％，VS为17.6％(指污泥中悬浮物经高温575℃煅烧后，挥发掉的有机物的浓度)；水稻秸秆断成5cm的节段并风干，其含水率为7.7％，VS为69.8％；接种物的含水率为78.6％，VS为11.6％。

下述实施例中各物料的配比如表1所示。

表1实施例中的物料配比

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
							猪粪尿(kg)	8.16	8.16	8.16	8.16	4.04	4.04
秸秆(kg)	1.84	1.84	1.84	1.84	2.40	2.40
							水(kg)	0.00	0.00	0.00	0.00	3.56	3.56
接种物(kg)	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00

下述实施例中各种参数的检测方法如下：

(1)产气量：流量计(WS-1A，Shinagawa)测定；

(2)气体成分：气相色谱分析仪(GC-8A，Shimadzu)测定；

(3)干物质含量(TS，％)：称重法测定，将样品放在105℃烘箱中烘至恒重，然后称质量；

(4)挥发性固体含量(VS，％)：干燥24h后的物料放入马弗炉，在600±25℃高温下灼烧2h放入干燥器冷却后称质量。

(5)挥发性固体降解率％：原料的挥发性固体降解率计算式为(f₁-f₂)/f₁*100％，其中f₁为发酵开始时的挥发性固体质量百分数；f₂为发酵结束时的挥发性固体质量百分数。

实施例1

(1)将猪粪尿8.16kg和水稻秸秆1.84kg混合得混合物料，该混合物料的含固率为27.0％、VS为19.3％、C/N为20；

(2)将10kg的接种物与上述10kg的混合物料置于20L厌氧发酵罐中，并向厌氧发酵罐中通入氮气10min，以排尽反应器顶部空间的空气，保证反应的厌氧环境，培养温度为55℃；

(3)SRT设置为40天。

在高温干式厌氧共发酵连续培养过程中，SRT为40天，每隔1～5天分析此过程中的平均沼气产量、平均甲烷产量和挥发性固体降解率，结果见表2。结果表明，100天的发酵过程中，沼气平均产量546Nm³/t-VS，甲烷平均产量302Nm³/t-VS，沼气中甲烷浓度为55％，挥发性固体降解率为49％，系统可持续产甲烷。

实施例2

(3)SRT设置为30天。

在高温干式厌氧共发酵连续培养过程中，SRT为30天，每隔1～5天分析厌氧发酵过程中的平均沼气产量、平均甲烷产量和挥发性固体降解率，结果见表2。结果表明，100天的发酵过程中，沼气平均产量535Nm³/t-VS，甲烷平均产量293Nm³/t-VS，沼气中甲烷浓度为55％，挥发性固体降解率为48％，系统可持续产甲烷。

实施例3

(3)SRT设置为25天。

在高温干式厌氧共发酵连续培养过程中，SRT为25天，每隔1～5天分析此过程中的平均沼气产量、平均甲烷产量和挥发性固体降解率，结果见表2。结果表明，100天的系统发酵过程中，沼气平均产量340Nm³/t-VS，甲烷平均产量178Nm³/t-VS，沼气中甲烷浓度为52％，挥发性固体降解率为35％，系统可持续产甲烷。

实施例4

(2)将10kg的接种物与上述10kg的混合物料置于20L厌氧发酵罐中并向厌氧发酵罐中通入氮气10min，以排尽反应器顶部空间的空气，保证反应的厌氧环境，培养温度控制在55℃；

(3)SRT设置为20天。

在高温干式厌氧共发酵连续培养过程中，SRT为20天，每隔1～5天分析此过程中的平均沼气产量、平均甲烷产量和挥发性固体降解率，结果见表2。结果表明，100天的发酵过程中，沼气平均产量334Nm³/t-VS，甲烷平均产量173Nm³/t-VS，沼气中甲烷浓度为52％，挥发性固体降解率为34％，系统可持续产甲烷。

实施例5

(1)将猪粪尿4.04kg、水稻秸秆2.40kg与水3.56kg混合得混合物料，该混合物料含水率为27.0％、VS为19.6％、C/N为30；

(3)SRT设置为40天。

在高温干式厌氧共发酵连续培养过程中，SRT为40天，每隔1～5天分析此过程中的平均沼气产量、平均甲烷产量和挥发性固体降解率，结果见表2。结果表明，100天的发酵过程中，沼气平均产量569Nm³/t-VS，甲烷平均产量297Nm³/t-VS，沼气中甲烷浓度为52％，挥发性固体降解率为53％，系统可持续产甲烷。

实施例6

(3)SRT设置为20天。

在高温干式厌氧共发酵连续培养过程中，SRT为20天，每隔1～5天分析此过程中的平均沼气产量、平均甲烷产量和挥发性固体降解率，结果见表2。结果表明，100天的发酵过程中，沼气平均产量553Nm³/t-VS，甲烷平均产量288Nm³/t-VS，沼气中甲烷浓度为52％，挥发性固体降解率为52％，系统可持续产甲烷。

综合分析结果表明，畜禽粪尿和农作物秸秆的高温干式厌氧共发酵工艺是可行的，为使系统持续而稳定地产甲烷，物料配比C/N为20～30:1时，SRT的范围为40～20天。

表2实施例中不同物料配比及不同SRT条件下沼气产量、甲烷产量和挥发性固体降解率

Claims

1.一种高温干式厌氧共发酵高效而持续生产甲烷的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)按质量比4:(0.5～3.5):(0～4)将畜禽粪尿、农作物秸秆与水混合得混合物料；

(3)污泥滞留时间范围40～20天。

2.根据权利要求1所述的农业废物高温干式厌氧共发酵高效而持续产甲烷的方法，其特征在于所述的混合物料的含固率为20～40％、VS为15～25％、C/N为20～35。

3.根据权利要求1所述的农业废物高温干式厌氧共发酵高效而持续产甲烷的方法，其特征在于其中畜禽粪尿的含水率为75～85％；其中沼气接种物含水率为70～80％；所述的农作物秸秆的含水率为0～10％。