CN105967481A - 一种促进牛粪厌氧发酵产沼气的复合配料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种促进牛粪厌氧发酵产沼气的复合配料，属于生物质能源领域。该复合配料包括新鲜牛粪、接种物、溶剂、饱和食盐水和钢渣微粉；所述新鲜牛粪含水率为70％～85％；所述溶剂为沼液，其pH值为7.5～8.5，化学需氧量为19708.8mg/L～20653.6mg/L；所述接种物为沼液与污泥的混合物，其质量比为1～5:1，装桶密封，在26℃～28℃下，驯化8d；所述钢渣微粉为转炉热泼渣、铸余渣、转炉滚筒渣、铁水脱硫渣、电炉热泼渣或电炉滚筒渣。本发明不仅解决了现有牛粪厌氧发酵产沼气存在发酵启动最慢、效率最低、周期最长的问题，而且实现了废物钢渣再利用，符合绿色环保的要求，具有明显的经济效益和社会效益。

Description

一种促进牛粪厌氧发酵产沼气的复合配料

技术领域

本发明属于生物质能源领域，具体涉及一种促进牛粪厌氧发酵产沼气的复合配料。

背景技术

随着我国现代农业的发展，畜禽养殖废弃物日渐成为环境污染的主要来源之一。随着国务院《农村畜禽养殖环境保护条例》的实施，厌氧消化已成为畜禽粪便无害化处理的综合利用技术途径。厌氧发酵微生物的生长需要一定的营养物质，其中C、N、P与碱环境是沼气发酵微生物生长最重要的要素。

钢渣作为炼钢过程中产生的主要副产品，约占粗钢产量的12％～20％，其主要成分包括CaO、MgO、SiO₂、FeO等，还有少量的Na₂O、P₂O₅、MnO。作为一种碱性富硅物质的钢渣，是一种潜在的厌氧发酵功能促进剂，利用其含有的P₂O₅，以及提供的碱环境，能够提高牛粪厌氧发酵的产量与质量，推动我国沼气工程的高效稳定运行，实现工业废料的循环利用，促进生态良性循环、功能优化多样的可持续农业。

发明内容

为了解决现有牛粪厌氧发酵产沼气存在发酵启动最慢、效率最低、周期最长的问题，本发明利用工业固体废弃物——钢渣微粉促进牛粪厌氧发酵产沼气，以期得到发酵启动快、效率高、周期短的新配料。

本发明提供了一种促进牛粪厌氧发酵产沼气的复合配料，该配料按重量百分比配方如下：

所述新鲜牛粪含水率为70％～85％；

所述溶剂为沼液，其pH值为7.5～8.5，化学需氧量为19708.8mg/L～20653.6mg/L；

所述接种物为沼液与污泥的混合物，其质量比为1～5:1，装桶密封，在26℃～28℃下，驯化8d；

所述钢渣微粉为转炉热泼渣、铸余渣、转炉滚筒渣、铁水脱硫渣、电炉热泼渣或电炉滚筒渣。

作为一种优化，所述钢渣微粉的粒径为2.2μm～115.0μm。

上述钢渣微粉，其化学成分(以质量百分数计)为SiO₂(10.0％～18.0％)、Fe₂O₃(10.0％～35.0％)、Al₂O₃(2.0％～12.0％)、CaO(35.0％～55.0％)、MgO(3.0％～7.0％)、P₂O₅(0.5％～1.0％)、MnO(0.5％～4.0％)、SO₃(0.1％～3.0％)和其他(4.0％～9.0％)。

本发明同时提供了一种促进牛粪厌氧发酵产沼气的方法，包括以下步骤：

将新鲜牛粪、接种物、溶剂、饱和食盐水和钢渣微粉进行充分搅拌混合，放入反应器中，反应器与集气装置分别用橡胶塞封口并通过玻璃管与橡胶管密封联通，用塑料瓶作为集水装置，将反应器置于恒温水箱内，调节水箱工作温度30℃～40℃。

本发明的科学原理：

一方面，钢渣微粉作为额外的营养来源，其主要是磷，提供给微生物消化， 使得产甲烷菌处于活性较高的状态，不仅产气量也随之增加，而且产气高峰提前到达。另一方面，钢渣微粉提供了厌氧微生物高效代谢需要的磷，在一定程度上提高了微生物的活性，进而增加了有机物的甲烷转化率。最后，钢渣微粉具有碱性，其含有的Ca、Fe、Mg等元素在有机酸作用下部分溶解，起到缓冲剂的作用，有利于沼气发酵过程中pH值自行调节，保持厌氧发酵的长期稳定高效运行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用钢渣微粉促进牛粪厌氧发酵产沼气，不仅解决了现有牛粪厌氧发酵产沼气存在发酵启动最慢、效率最低、周期最长的问题，而且进一步降低了成本，提高了市场竞争力，带来了良好的经济效益；

2、本发明利用钢渣微粉促进牛粪厌氧发酵产沼气，实现了工业废料再利用，符合相关节能环保、循环经济的政策要求。

具体实施方式

以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。

实施例1

将新鲜牛粪(56.5％)、接种物(10.0％)、溶剂(25.0％)、饱和食盐水(8.0％)和钢渣微粉(0.5％)进行充分搅拌混合，放入锥形瓶中作为反应器，集气装置为锥形瓶。反应器与集气瓶分别用橡胶塞封口并通过玻璃管与橡胶管密封联通，用小口塑料瓶作为集水装置。将反应器置于恒温数显水箱内，调节水箱工作温度30℃。

所述新鲜牛粪为含水率为70％；所述接种物为沼液与污泥的质量比为3:1，装桶密封，在26℃～28℃下，驯化8d；所述溶剂为沼液，其pH值为7.7，化学需氧量为19967.8mg/L；所述钢渣微粉为转炉热泼渣，其粒径为5.48μm～ 104.30μm，化学成分(质量分数)为SiO₂(11.06％)、Fe₂O₃(24.40％)、Al₂O₃(2.30％)、CaO(46.78％)、MgO(5.75％)、P₂O₅(0.91％)、MnO(2.19％)、SO₃(0.23％)和其他(6.38％)。

实施例2

将新鲜牛粪(44.8％)、接种物(20.0％)、溶剂(30.0％)、饱和食盐水(5.0％)和钢渣微粉(0.2％)进行充分搅拌混合，放入锥形瓶中作为反应器，集气装置为锥形瓶。反应器与集气瓶分别用橡胶塞封口并通过玻璃管与橡胶管密封联通，用小口塑料瓶作为集水装置。将反应器置于恒温数显水箱内，调节水箱工作温度34℃。

所述新鲜牛粪为含水率为80％；所述接种物为沼液与污泥的质量比为5:1，装桶密封，在26℃～28℃下，驯化8d；所述溶剂为沼液，其pH值为7.9，化学需氧量为20349.5mg/L；所述钢渣微粉为铸余渣，其粒径为5.04μm～105.30μm，化学成分(质量分数)为SiO₂(14.75％)、Fe₂O₃(12.92％)、Al₂O₃(10.97％)、CaO(46.93％)、MgO(3.06％)、P₂O₅(0.50％)、MnO(1.67％)、SO₃(1.26％)和其他(7.94％)。

实施例3

将新鲜牛粪(39.7％)、接种物(30.0％)、溶剂(20.0％)、饱和食盐水(10.0％)和钢渣微粉(0.3％)进行充分搅拌混合，放入锥形瓶中作为反应器，集气装置为锥形瓶。反应器与集气瓶分别用橡胶塞封口并通过玻璃管与橡胶管密封联通，用小口塑料瓶作为集水装置。将反应器置于恒温数显水箱内，调节水箱工作温度38℃。

所述新鲜牛粪为含水率为75％；所述接种物为沼液与污泥的质量比为2:1，装桶密封，在26℃～28℃下，驯化8d；所述溶剂为沼液，其pH值为8.3，化学 需氧量为20512.1mg/L；所述钢渣微粉为转炉滚筒渣，其粒径为2.68μm～92.14μm，化学成分(质量分数)为SiO₂(12.31％)、Fe₂O₃(25.08％)、Al₂O₃(1.56％)、CaO(47.00％)、MgO(5.61％)、P₂O₅(0.99％)、MnO(1.80％)、SO₃(0.13％)和其他(5.52％)。

实施例4

将新鲜牛粪(42.6％)、接种物(15.0％)、溶剂(35.0％)、饱和食盐水(7.0％)和钢渣微粉(0.4％)进行充分搅拌混合，放入锥形瓶中作为反应器，集气装置为锥形瓶。反应器与集气瓶分别用橡胶塞封口并通过玻璃管与橡胶管密封联通，用小口塑料瓶作为集水装置。将反应器置于恒温数显水箱内，调节水箱工作温度36℃。

所述新鲜牛粪为含水率为85％；所述接种物为沼液与污泥的质量比为1:1，装桶密封，在26℃～28℃下，驯化8d；所述溶剂为沼液，其pH值为8.0，化学需氧量为20123.8mg/L；所述钢渣微粉为铁水脱硫渣，其粒径为4.70μm～90.29μm，化学成分(质量分数)为SiO₂(15.32％)、Fe₂O₃(12.64％)、Al₂O₃(5.47％)、CaO(51.34％)、MgO(3.47％)、P₂O₅(0.50％)、MnO(0.80％)、SO₃(2.06％)和其他(8.40％)。

实施例5

将新鲜牛粪(38.9％)、接种物(25.0％)、溶剂(30.0％)、饱和食盐水(6.0％)和钢渣微粉(0.1％)进行充分搅拌混合，放入锥形瓶中作为反应器，集气装置为锥形瓶。反应器与集气瓶分别用橡胶塞封口并通过玻璃管与橡胶管密封联通，用小口塑料瓶作为集水装置。将反应器置于恒温数显水箱内，调节水箱工作温度32℃。

所述新鲜牛粪为含水率为75％；所述接种物为沼液与污泥的质量比为4:1， 装桶密封，在26℃～28℃下，驯化8d；所述溶剂为沼液，其pH值为8.1，化学需氧量为20273.0mg/L；所述钢渣微粉为电炉热泼渣，其粒径为6.35μm～111.50μm，化学成分(质量分数)为SiO₂(13.04％)、Fe₂O₃(29.91％)、Al₂O₃(3.26％)、CaO(41.18％)、MgO(3.37％)、P₂O₅(0.69％)、MnO(3.56％)、SO₃(0.28％)和其他(4.71％)。

实施例6

将新鲜牛粪(45.7％)、接种物(20.0％)、溶剂(25.0％)、饱和食盐水(9.0％)和钢渣微粉(0.3％)进行充分搅拌混合，放入锥形瓶中作为反应器，集气装置为锥形瓶。反应器与集气瓶分别用橡胶塞封口并通过玻璃管与橡胶管密封联通，用小口塑料瓶作为集水装置。将反应器置于恒温数显水箱内，调节水箱工作温度40℃。

所述新鲜牛粪为含水率为80％；所述接种物为沼液与污泥的质量比为3:1，装桶密封，在26℃～28℃下，驯化8d；所述溶剂为沼液，其pH值为8.4，化学需氧量为20633.8mg/L；所述钢渣微粉为电炉滚筒渣，其粒径为5.40μm～111.60μm，化学成分(质量分数)为SiO₂(11.14％)、Fe₂O₃(33.14％)、Al₂O₃(2.79％)、CaO(38.94％)、MgO(3.40％)、P₂O₅(0.19％)、MnO(3.49％)、SO₃(0.28％)和其他(6.63％)。

对比例

将新鲜牛粪(48.0％)、接种物(20.0％)、溶剂(25.0％)和饱和食盐水(7.0％)进行充分搅拌混合，放入锥形瓶中作为反应器，集气装置为锥形瓶。反应器与集气瓶分别用橡胶塞封口并通过玻璃管与橡胶管密封联通，用小口塑料瓶作为集水装置。将反应器置于恒温数显水箱内，调节水箱工作温度35℃。

所述新鲜牛粪为含水率为75％；所述接种物为沼液与污泥的质量比为4:1， 装桶密封，在26℃～28℃下，驯化8d；所述溶剂为沼液，其pH值为8.0，化学需氧量为20037.3mg/L。

制备实施例1～6及对比例，其性能检测过程如下：

用排水法每日定时测量产气量，用精密pH计分别测量各组发酵前后料液的pH值，用重铬酸钾法测定各组发酵前后料液的COD值，用气相色谱仪测定CH₄。

表1. 35天累积产气量、发酵前后pH值、总COD去除率(％)

表2.沼气成分中CH₄体积分数

从表1可以看出，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6的35天累积产气量均大于对比例的35天累积产气量，说明在牛粪厌 氧发酵过程中加入钢渣微粉，对沼气的产出有增益效果。发酵开始前，钢渣微粉的加入导致实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6的pH值明显提高；发酵结束后，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6和对比例的pH值都近乎同一水平，且均高于发酵前。说明发酵后系统处于碱性环境，不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值。在沼气发酵过程中，不产甲烷细菌降解原料中的糖类、淀粉等产生大量的有机酸、CO₂，CO₂又能部分溶于水形成碳酸；同时碱性钢渣微粉中含有的Ca、Fe、Mg等元素在酸作用下逐步溶解，起到缓冲剂的作用，有利于维持良好的碱环境，保持厌氧发酵高效运行。实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6的COD去除率均高于对比例，说明钢渣微粉在一定程度上提高了微生物的活性，进而增加了有机物的甲烷转化率，对沼气发酵的COD去除率具有显著的贡献。

从表2可以看出，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6的CH₄体积分数整体趋势从第10d开始下降至第20d，然后上升到第30d，最后开始下降到发酵结束，说明消化系统的水解酸化和甲烷化过程已经达到了平衡状态、系统稳定，使得产气稳步上升，并且到达峰值。而对比例在第10d、第20d、第30d和第35d的CH₄体积分数较高，同时结合表1，说明对比例的CH₄产量有限。综上所述对比例发酵启动慢、效率低、周期长，而实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6发酵启动快、效率高、周期短。

Claims (2)

1.一种促进牛粪厌氧发酵产沼气的复合配料，其特征在于，该配料按重量百分比配方如下：

所述新鲜牛粪含水率为70％～85％；

所述溶剂为沼液，其pH值为7.5～8.5，化学需氧量为19708.8mg/L～20653.6mg/L；

所述接种物为沼液与污泥的混合物，其质量比为1～5:1，装桶密封，在26℃～28℃下，驯化8d；

所述钢渣微粉为转炉热泼渣、铸余渣、转炉滚筒渣、铁水脱硫渣、电炉热泼渣或电炉滚筒渣。

2.如权利要求1所述的促进牛粪厌氧发酵产沼气的复合配料，其特征在于，所述钢渣微粉的粒径为2.2μm～115.0μm。