CN105755052A - 一种用于制备沼气的村镇多元有机废弃物及其制备沼气的方法 - Google Patents

一种用于制备沼气的村镇多元有机废弃物及其制备沼气的方法 Download PDF

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曹广丽
宋金柱
丛华
杜洋
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Abstract

一种用于制备沼气的村镇多元有机废弃物及其制备沼气的方法，它涉及一种制备沼气的方法。本发明要解决现有技术存在的物料单一，降解效率低，沼气产量低下、能耗高、运行不稳定的问题。该方法将多元有机废弃物进行不同预处理，提高了发酵微生物对废弃物的降解能力。针对发酵周期长的秸秆物料，首先利用畜禽粪便中的微生物种群对其进行水解处理，之后再转入产酸反应系统与其它物料混合发酵以便跟上反应较快的物料，使各种物料都能完成水解和酸化的步骤，一同进入产甲烷阶段，完成发酵，从而实现物料的完全发酵。本发明操作简单、易行，不仅有效地增加了发酵原料的产气效率，而且拓宽了发酵原料的选择范围，增大了对村镇有机固体废弃物的处理力度。

Description

一种用于制备沼气的村镇多元有机废弃物及其制备沼气的方法
技术领域
本发明涉及农村可再生能源利用及环境保护领域，尤其涉及一种提高村镇多元有机废弃物厌氧消化产沼效率的方法。
背景技术
随着我国经济持续的高速发展以及新农村建设事业的不断推进，村镇产业格局与消费模式等方面已经发生了重大的转变。村镇的生活用品已与当地大部分生产活动相分离。农业社会时代，传统的有机物在村镇生产、生活中闭路循环的生产模式已经被现代农业与持续生活的商品化、机械化、规模化模式彻底切断。随之而来的生活垃圾数量逐年攀升，村镇生活垃圾数量、种类都比过去大幅增加，造成了村镇环境污染。目前，我国是世界上村镇生活垃圾产出量最大的国家，每年大约有40多亿t，其中畜禽粪便排放量26.1亿t，农作物秸秆7.0亿t，蔬菜废弃物1亿～1.5亿t。这些废弃物属于生物质废物，具有含水率高、易腐烂的特点，如果处理不当，将会对环境造成严重的污染；另一方面，这类废弃物中有机质含量极高，具有资源化利用的巨大潜力。如果使用先进技术将其转化为可利用的能源或资源，将对社会发展和人居环境质量具有重要意义。
利用有机物厌氧发酵生产沼气是解决能源短缺，同时减少有机废弃物的有效方法。对于村镇量大面广的生物质有机废弃物而言，常见的村镇有机固体废弃物主要包括农作物秸秆、餐厨垃圾、禽畜粪便和蔬菜废弃物。由于受发酵原料本身营养特性及结构等方面的限制，单一原料发酵产沼气的局限性越来越突出。如以单一秸秆为发酵原料，由于秸秆碳氮比高、纤维素含量高、营养元素缺乏，导致原料厌氧发酵消化周期长、降解率低；粪便原料中氨氮含量高，单一的粪便厌氧发酵，氨氮会对甲烷菌和产氢菌有一定的抑制作用；单一以餐厨、蔬菜为发酵原料，这些原料中含有多种易降解成分，发酵速度快，易酸化，致使产气性能降低，甚至导致厌氧消化失败。如何把不同特性的原料进行混合厌氧发酵，缩短发酵周期长的物料，使之与反应速度较快的物料完成同步发酵，调控各原料组合使各种原料互相弥补各自缺点，产生优势互补，充分改善厌氧发酵微生物生存所需的营养元素，对有效提高沼气生产效率具有重要意义。另外，利用村镇农作物秸秆、餐厨垃圾、蔬菜废弃物等多元物料进行厌氧沼气发酵，满足了农村城镇化发展过程中的用能需求，加强了我国能源保障，实现了农业的可持续发展及农村生态环境保护。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在村镇固体有机废弃物物料单一，发酵物料消化不彻底，降解效率低，沼气产量低下、能耗高、运行不稳定的问题，而提出的一种用于制备沼气的村镇多元有机废弃物及其制备沼气的方法。
为了解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种用于制备沼气的村镇多元有机废弃物，它按重量份数是由农作物秸秆10～20份、餐厨垃圾10～20份、畜禽粪便20～40份和蔬菜废弃物15～20份制成。
本发明的一种利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，它包括以下步骤：
一、收集农作物秸秆、餐厨垃圾、蔬菜废弃物和畜禽粪便；
二、将农作物秸秆粉碎至0.5cm以下，按秸秆干重：石灰水溶液质量比为1：0.3～0.5的比例加入到石灰水溶液中搅拌均匀，在室温下浸泡3～5天，控制秸秆的含水率在50～60％；餐厨垃圾去浮油后用电搅拌机搅碎，蔬菜废弃物水洗后，切碎再用搅拌机搅碎，上述餐厨垃圾和蔬菜废弃物原料均制备成颗粒度小于0.5cm的物料；
三、取经步骤二预处理后的10～20重量份的秸秆加到预发酵系统中，并加入20～40重量份的畜禽粪便，得混料；加水调节混料质量浓度至10～20％，混合均匀，在25～35℃温度下进行水解发酵7～10天；
四、经步骤三的发酵底物输送到产酸反应系统中，加入步骤二预处理后的15～20重量份的蔬菜废弃物和10～20重量份的餐厨垃圾，调节pH，加水调节固液比，然后在反应容器中通入氮气进行厌氧酸化发酵7-15天；
五、将步骤四中的酸化液转入产甲烷反应系统作为碳源，并加入经驯化的活性污泥，调节pH值，然后在反应容器中通入氮气进行产甲烷发酵，厌氧发酵时间为7-15天，即完成所述的利用村镇多元有机废弃物制备沼气。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述多元有机废弃物(秸秆、餐厨垃圾、粪便和蔬菜废弃物)联合厌氧发酵工艺，针对不同的物料采用了不同的预处理方法，破坏了难降解物质的内部组织，提高了发酵微生物对废弃物的降解能力。针对发酵周期长的物料(秸秆)，首先在预发酵系统中利用畜禽粪便中丰富的微生物种群对其进行水解处理，之后再再转入产酸反应系统与其他物料混合发酵以便跟上反应较快的物料如餐厨垃圾，从而使各种物料都能完成水解和酸化的步骤，一同进入产甲烷阶段，完成发酵，从而实现物料的完全发酵。另外，通过调控各物料的配比，使各种原料互相弥补各自缺点，解除单一物料产生的抑制作用，充分改善厌氧发酵微生物生存所需的营养元素，提高原料的利用效率本发明操作简单、易行，不仅有效地增加了发酵原料的产气效率，而且减少了外源化学添加剂的引入，减少投资。在此基础上，本发明拓宽了发酵原料的选择范围，增大了对村镇有机固体废弃物的处理力度，对开发新能源及有效解决村镇固体有机废弃物的排放量具有重要意义，能为社会带来显著的经济和环境生态效益。
附图说明
图1为本发明中利用村镇多元有机废弃物制备沼气的工艺流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种用于制备沼气的村镇多元有机废弃物，它按重量份数是由农作物秸秆10～20份、餐厨垃圾10～20份、畜禽粪便20～40份和蔬菜废弃物15～20份制成。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：它按重量份数是由农作物秸秆15～20份、餐厨垃圾15～20份、畜禽粪便30～40份和蔬菜废弃物15～20份制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：它按重量份数是由农作物秸秆10～15份、餐厨垃圾10～15份、畜禽粪便20～30份和蔬菜废弃物15～20份制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：它按重量份数是由农作物秸秆12～15份、餐厨垃圾12～15份、畜禽粪便23～30份和蔬菜废弃物15～20份制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：它按重量份数是由农作物秸秆15～18份、餐厨垃圾15～18份、畜禽粪便30～35份和蔬菜废弃物15～20份制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的农作物秸秆为小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆和高粱秸秆中的任意一种或两种以上以任意质量比的混合物；蔬菜废弃物为马铃薯秧、黄瓜藤蔓、辣椒秧、西红柿秧、白菜叶、甘蓝菜叶中的一种或两种以上混合物；畜禽粪便为猪粪、牛粪、羊粪和鸡粪中任意一种或两种以上的混合物；餐厨垃圾为生活中剩菜剩饭。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式的一种利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，它包括以下步骤：
一、收集农作物秸秆、餐厨垃圾、蔬菜废弃物和畜禽粪便；
二、将农作物秸秆粉碎至0.5cm以下，按秸秆干重：石灰水溶液质量比为1：0.3～0.5的比例加入到石灰水溶液中搅拌均匀，在室温下浸泡3～5天，控制秸秆的含水率在50～60％；餐厨垃圾去浮油后用电搅拌机搅碎，蔬菜废弃物水洗后，切碎再用搅拌机搅碎，上述餐厨垃圾和蔬菜废弃物原料均制备成颗粒度小于0.5cm的物料；
三、取经步骤二预处理后的10～20重量份的秸秆加到预发酵系统中，并加入20～40重量份的畜禽粪便，得混料；加水调节混料质量浓度至10～20％，混合均匀，在25～35℃温度下进行水解发酵7～10天；
四、经步骤三的发酵底物输送到产酸反应系统中，加入步骤二预处理后的15～20重量份的蔬菜废弃物和10～20重量份的餐厨垃圾，调节pH，加水调节固液比，然后在反应容器中通入氮气进行厌氧酸化发酵7-15天；
五、将步骤四中的酸化液转入产甲烷反应系统作为碳源，并加入经驯化的活性污泥，调节pH值，然后在反应容器中通入氮气进行产甲烷发酵，厌氧发酵时间为7-15天，即完成所述的利用村镇多元有机废弃物制备沼气。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤一中所述的农作物秸秆为小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆和高粱秸秆中的任意一种或两种以上以任意质量比的混合物；蔬菜废弃物为马铃薯秧、黄瓜藤蔓、辣椒秧、西红柿秧、白菜叶、甘蓝菜叶中的一种或两种以上混合物；畜禽粪便为猪粪、牛粪、羊粪和鸡粪中任意一种或两种以上的混合物；餐厨垃圾为生活中剩菜剩饭。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤二中石灰水溶液为氢氧化钙质量含量为2.0～3.5％的溶液。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤三中的秸秆与畜禽粪便的重量比为1：1～5。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤三中所述的秸秆和畜禽粪便混合发酵段每隔6小时搅拌半小时。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤四中调节pH至6.5～7.2；加水调节固液比是指：物料的碳氮比为20～30：1，含固率为10～20％。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤四中产酸反应系统采用完全混合搅拌式厌氧发酵反应装置进行，待反应物料依次加入后，反应温度调节至20～35℃，通入氮气进行厌氧酸化发酵7-15天。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤五中加入的经驯化活性污泥为从正常连续运行的沼气池或沼气发酵罐中获得沼渣沼液混合物，经固液分离后，得到的半固体部分即为活性污泥，活性污泥含水率为80～90％。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤五中所述的活性污泥加入量为10000-20000mg/L(质量以TS计，体积为反应器工作体积)。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤五中产甲烷反应系统采用完全混合搅拌式厌氧发酵反应装置。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤五pH调节至6.8～7.5，厌氧发酵的反应温度为20～35℃。其它与具体实施方式七相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实验验证本发明的有益效果：
实施例1
根据图1展示的本实验利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法工艺过程，将在如下给出的工艺参数下运行。
一、玉米秸秆经秸秆粉碎机粉碎(优选长度小于0.5cm)，与3.0％(质量浓度)的Ca(OH)2溶液按固液比0.35:1的比例混合，在室温(优选25℃)条件下浸泡5天后用水冲洗后收集固体，得到预处理后的秸秆；餐厨垃圾用水浸泡去浮油后收集固体部分，用电搅拌机搅碎成颗粒度小于0.5cm的物料，蔬菜废弃物去除泥土后切碎，用搅拌机搅碎成颗粒度小于0.5cm的物料；
二、将步骤一所述粉碎并预处理的玉米秸秆与牛粪按干物质质量比(干物质指新鲜原料减去水分后的物质)1:4的比例充分混合，加水调节其浓度为10％，在室温下发酵7天，得到秸秆牛粪水解液；
三、将步骤二制得的秸秆牛粪水解液(以发酵前玉米秸秆与牛粪干物质质量比表示)、粉碎成渣状的餐厨垃圾和蔬菜废弃物(优选粒径小于0.5cm)以1：4：0.5：0.6(该比例指干物质质量比)比例加到产酸反应器中，充分混合后加水定容到0.8L；
步骤三反应器中物质的浓度为15gTS/L；反应器出气口通过输气管与排水记气的装置相连，反应器至于振荡培养箱中，反应温度控制在35℃，厌氧消化过程中每隔一天取样测定pH及挥发酸含量。
四、将步骤三中的酸化液转入产甲烷反应系统加入经驯化的活性污泥(取自常温下正常运行的沼气反应器的中沼渣沼液混合物，经固液分离后，半固体部分即为活性污泥)，调节pH至6.8-7.2，其中污泥加入量为15000mg/L(质量以TS计，体积为反应器工作体积)，反应器出气口通过输气管与排水记气的装置相连，反应器至于振荡培养箱中，反应温度控制在35℃，厌氧消化过程中每隔一天取样测定甲烷含量及记录总气量产量，经过12h发酵既有气体产生，当发酵3天后，气体含量达到50-60％，经过10-12天厌氧消化，产气量明显下降，当日容积产气量低于40mL(即反应器体积的5％)时，认为厌氧消化产气结束。
实施例2
根据图1展示的本实验利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法工艺过程，将在如下给出的工艺参数下运行。
一、水稻秸秆经秸秆粉碎机粉碎(长度小于0.5cm)，与3.5％(质量浓度)的Ca(OH)2溶液按固液比0.35:1的比例混合，在室温条件下浸泡7天后用水冲洗后收集固体，得到预处理后的秸秆；餐厨垃圾用水浸泡去浮油后收集固体部分，用电搅拌机搅碎成颗粒度小于0.5cm的物料，蔬菜废弃物去除泥土后切碎，用搅拌机搅碎成颗粒度小于0.5cm的物料；
二、将步骤一所述粉碎并预处理的水稻秸秆与牛粪按干物质质量比(干物质指新鲜原料减去水分后的物质)1:3的比例充分混合，加水调节其浓度为8％，在室温下水解发酵10天，得到秸秆牛粪水解液；
三、将步骤二制得的秸秆牛粪水解液(以发酵前水稻秸秆与牛粪干物质质量比表示)、粉碎成渣状的餐厨垃圾和蔬菜废弃物以1：3：1：0.5(该比例指干物质质量比)比例加到产酸反应器中，充分混合后加水定容到0.8L；
步骤三反应器中物质的浓度为10gTS/L；反应器出气口通过输气管与排水记气的装置相连，反应器至于振荡培养箱中，反应温度控制在35℃，厌氧消化过程中每隔一天取样测定pH及挥发酸含量。
四、将步骤三中的酸化液转入产甲烷反应系统加入经驯化的活性污泥(取自常温下正常运行的沼气反应器的中沼渣沼液混合物，经固液分离后，半固体部分即为活性污泥)，调节pH至6.8-7.2，其中污泥加入量为15000mg/L(质量以TS计，体积为反应器工作体积)，反应器出气口通过输气管与排水记气的装置相连，反应器至于振荡培养箱中，反应温度控制在35℃，厌氧消化过程中每隔一天取样测定甲烷含量及记录总气量产量，经过10h发酵既有气体产生，当发酵3天后，气体含量达到45-50％，经过10-12天厌氧消化，产气量明显下降，当日容积产气量低于40mL(即反应器体积的5％)时，认为厌氧消化产气结束。
实施例3
根据图1展示的本实验利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法工艺过程，将在如下给出的工艺参数下运行。
一、小麦秸秆经秸秆粉碎机粉碎(长度小于0.5cm)，与3.0％(质量浓度)的Ca(OH)2溶液按固液比0.30:1的比例混合，在室温条件下浸泡7天后用水冲洗后收集固体，得到预处理后的秸秆；餐厨垃圾用水浸泡去浮油后收集固体部分，用电搅拌机搅碎成颗粒度小于0.5cm的物料，蔬菜废弃物去除泥土后切碎，用搅拌机搅碎成颗粒度小于0.5cm的物料；
二、将步骤一所述粉碎并预处理的小麦秸秆与牛粪按干物质质量比(干物质指新鲜原料减去水分后的物质)1:2的比例充分混合，加水调节其浓度为10％，在室温下水解发酵10天，得到秸秆牛粪水解液；
三、将步骤二制得的秸秆牛粪水解液(以发酵前小麦秸秆与牛粪干物质质量比表示)、粉碎成渣状的餐厨垃圾和蔬菜废弃物以1：2：0.5：0.5(该比例指干物质质量比)比例加到产酸反应器中，充分混合后加水定容到0.8L；
步骤三反应器中物质的浓度为12gTS/L；反应器出气口通过输气管与排水记气的装置相连，反应器至于振荡培养箱中，反应温度控制在35℃，厌氧消化过程中每隔一天取样测定pH及挥发酸含量。
四、将步骤三中的酸化液转入产甲烷反应系统加入经驯化的活性污泥(取自常温下正常运行的沼气反应器的中沼渣沼液混合物，经固液分离后，半固体部分即为活性污泥)，调节pH至6.8-7.2，其中污泥加入量为15000mg/L(质量以TS计，体积为反应器工作体积)，反应器出气口通过输气管与排水记气的装置相连，反应器至于振荡培养箱中，反应温度控制在35℃，厌氧消化过程中每隔一天取样测定甲烷含量及记录总气量产量，经过10h发酵既有气体产生，当发酵4天后，气体含量达到40-50％，经过10-12天厌氧消化，产气量明显下降，当日容积产气量低于40mL(即反应器体积的5％)时，认为厌氧消化产气结束。
采用本实验的方法，提高了发酵微生物对废弃物的降解能力。结合各物料的理化特征，通过调控各物料的配比，解除单一物料产生的抑制作用，并通过预水解处理系统缩短发酵周期长的物料，使各种物料都能同时完成水解和酸化的步骤，一同进入产甲烷阶段，最终同时完成发酵，从而实现物料的完全发酵。
本发明操作简单、易行，不仅有效地增加了发酵原料的产气效率，而且减少了外源化学添加剂的引入，减少投资。在此基础上，本发明拓宽了发酵原料的选择范围，增大了对村镇有机固体废弃物的处理力度，对开发新能源及有效解决村镇固体有机废弃物的排放量具有重要意义，能为社会带来显著的经济和环境生态效益。

Claims (10)

1.一种用于制备沼气的村镇多元有机废弃物，其特征在于它按重量份数是由农作物秸秆10～20份、餐厨垃圾10～20份、畜禽粪便20～40份和蔬菜废弃物15～20份制成。
2.一种利用如权利要求1所述的村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，其特征在于它包括以下步骤：
一、收集农作物秸秆、餐厨垃圾、蔬菜废弃物和畜禽粪便；
二、将农作物秸秆粉碎至0.5cm以下，按秸秆干重：石灰水溶液质量比为1：0.3～0.5的比例加入到石灰水溶液中搅拌均匀，在室温下浸泡3～5天，控制秸秆的含水率在50～60％；餐厨垃圾去浮油后用电搅拌机搅碎，蔬菜废弃物水洗后，切碎再用搅拌机搅碎，上述餐厨垃圾和蔬菜废弃物原料均制备成颗粒度小于0.5cm的物料；
三、取经步骤二预处理后的10～20重量份的秸秆加到预发酵系统中，并加入20～40重量份的畜禽粪便，得混料；加水调节混料质量浓度至10～20％，混合均匀，在25～35℃温度下进行水解发酵7～10天；
四、经步骤三的发酵底物输送到产酸反应系统中，加入步骤二预处理后的15～20重量份的蔬菜废弃物和10～20重量份的餐厨垃圾，调节pH，加水调节固液比，然后在反应容器中通入氮气进行厌氧酸化发酵7-15天；
五、将步骤四中的酸化液转入产甲烷反应系统作为碳源，并加入经驯化的活性污泥，调节pH值，然后在反应容器中通入氮气进行产甲烷发酵，厌氧发酵时间为7-15天，即完成所述的利用村镇多元有机废弃物制备沼气。
3.根据权利要求1所述的一种利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，其特征在于步骤一中的农作物秸秆为小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆和高粱秸秆中的任意一种或两种以上以任意质量比的混合物；蔬菜废弃物为马铃薯秧、黄瓜藤蔓、辣椒秧、西红柿秧、白菜叶、甘蓝菜叶中的一种或两种以上混合物；畜禽粪便为猪粪、牛粪、羊粪和鸡粪中任意一种或两种以上的混合物；餐厨垃圾为生活中剩菜剩饭。
4.根据权利要求1所述的一种利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，其特征在于步骤二中石灰水溶液为氢氧化钙质量含量为2.0～3.5％的溶液。
5.根据权利要求1所述的一种利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，其特征在于步骤三中的秸秆与畜禽粪便的重量比为1：1～5。
6.根据权利要求1所述的一种利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，其特征在于步骤四中产酸反应系统采用完全混合搅拌式厌氧发酵反应装置进行，待反应物料依次加入后，反应温度调节至20～35℃，通入氮气进行厌氧酸化发酵7-15天。
7.根据权利要求1所述的一种利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，其特征在于步骤四中调节pH至6.5～7.2；加水调节固液比是指：物料的碳氮比为20～30：1，含固率为10～20％。
8.根据权利要求1所述的一种利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，其特征在于步骤五中加入的经驯化活性污泥为从正常运行的沼气池或沼气罐获得沼渣沼液混合物，经固液分离后，得到的半固体部分即为活性污泥，活性污泥含水率为80～90％。
9.根据权利要求1所述的一种利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，其特征在于步骤五中所述的活性污泥加入量为10000-20000mg/L。
10.根据权利要求1所述的一种利用村镇多元有机废弃物制备沼气的方法，其特征在于步骤五pH调节至6.8～7.5，厌氧发酵的反应温度为20～35℃。
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