CN106565064A - 一种对牛粪厌氧消化前的联合预处理方法 - Google Patents

一种对牛粪厌氧消化前的联合预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对牛粪厌氧消化前的联合预处理方法，包括如下步骤：(1)对新鲜牛粪进行湿法粉碎，配成牛粪废液；(2)将所得牛粪废液调节pH值至碱性，将调节后的碱性牛粪废液泵入至微波反应器中，进行微波‑碱联合预处理；(3)预处理后的牛粪废水进行厌氧消化产出沼气。本发明对新鲜牛粪进行微波‑碱联合预处理。将牛粪进行湿法粉碎，配成一定浓度的废液后，调节废液pH值至碱性，用微波‑碱的协同作用对牛粪进行联合预处理，然后将预处理后的牛粪进行厌氧消化产出沼气。

Description

一种对牛粪厌氧消化前的联合预处理方法
技术领域
本发明涉及资源利用和环境保护领域，具体涉及一种加碱及微波辐射对牛粪的联合预处理方法。
背景技术
在农业和畜牧业中，动物粪便已经成为一种主要的污染物。我国每年产生的25亿吨畜禽粪便所含能量大约可折合3亿吨标准煤炭。目前处理动物粪便最常见的方法还是露天堆放，这样做不仅会产生恶臭，也会影响水、土壤、空气环境和人类及动物的健康。
通过厌氧发酵将畜禽粪便转化为沼气，不仅可以解决环境污染问题，而且可以试验物质的循环利用。但是，畜禽粪便中高含量的纤维和其他难以分解的物质，使得厌氧消化细菌不能有效充分的利用。为了提升粪便厌氧消化产生的沼气量和产能效率，通过预处理粪便破坏其结构是一种常见的方法。预处理主要可分为物理预处理，化学预处理和生物预处理。预处理主要可分为物理预处理，化学预处理和生物预处理。
例如，公开号为CN 104710091A的中国发明专利申请文献公开了一种奶牛粪便厌氧发酵前的预处理方法，其具体步骤为：(1)将奶牛粪便收集在储粪池内进行搅拌、混合，实现固液均匀；(2)将粪便打入固液分离机进行固液分离；(3)固液分离所得的液体经固液分离机出水口排入调浆池中，所得的固体经固液分离机的卸料口落入湿物料粉碎机的进料口；(4)湿物料粉碎机将固体进行粉碎，粉碎后的固体经粉碎机的出料口掉落至调浆池中，然后加入自来水、地表水或者沼液，并开动调浆池搅拌机进行搅拌调节；(5)将调节好的物料经进料泵打入厌氧消化器进行厌氧发酵生产沼气。
其中，热化学处理在目前的研究中是最主流的预处理方法。微波预处理是一种极具前景的预处理方式，但是在目前的研究中，微波预处理更多的应用于剩余污泥及后续厌氧消化的影响，而对于微波预处理粪便的研究则非常有限。
发明内容
本发明提供一种加碱及微波辐射对牛粪厌氧消化前的联合预处理方法，可提高厌氧消化产沼气的产量及缩短产气速率稳定时间(。
一种加碱及微波辐射对牛粪厌氧消化前的联合预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对新鲜牛粪进行湿法粉碎，配成牛粪废液；
(2)将所得牛粪废液调节pH值至碱性，将调节后的碱性牛粪废液泵入至微波反应器中，进行微波-碱联合预处理；
(3)预处理后的牛粪废水进行厌氧消化产出沼气。
本发明对新鲜牛粪进行微波-碱联合预处理。将牛粪进行湿法粉碎，配成一定浓度的废液后，调节废液pH值至碱性，用微波-碱的协同作用对牛粪进行联合预处理，然后将预处理后的牛粪进行厌氧消化产出沼气。
本发明将粪便调节至碱性后进行微波加热，两者都可以促进粪便的有机物的释放，调节碱性和微波加热两种处理方法之间协同作用，效果更佳，更易于后续厌氧消化。
本发明中，所述湿法粉碎本身为常规方法，具体为牛粪和水按照一定比例加入磨砂机内进行湿法粉碎。进一步地，首先将原样粪便里较难粉碎和分解的大型杂质过网格筛剔除。
优选地，步骤(1)所得牛粪废液的浓度为10g/L-100g/L。此处的浓度是指废液中固定物即牛粪的浓度。在此浓度下牛粪废液厌氧消化较为完全。
根据不同的预处理要求，优选地，步骤(2)中将所得牛粪废液调节pH值至8～11。以保持碱性环境。
进一步优选地，步骤(2)中将所得牛粪废液调节pH值至8～11进行碱处理10～30min后送入微波反应器中。
调节pH值采用1.0mol/L的NaOH。
优选地，步骤(2)中微波反应器处理的微波功率密度为1000-8000W/cm2，微波处理时间为30s-300s。进一步优选地，微波功率密度为3000-8000W/cm2，微波处理时间为90s-300s。
优选地，预处理后的牛粪废水冷却6-12h后进行厌氧消化。
优选地，步骤(3)中厌氧消化的时间为20～30天，温度为25-35℃。
在上述优选条件的组合下，可以将产气速率稳定时间缩短至5～8天，产气量，30天产气量累计可达500mL/g VS以上，即每g挥发性固体30天产气量累计可达500mL以上。
厌氧消化工艺为本领域处理粪便的常规厌氧工艺。
本发明的预处理方法，优选采用如下装置：
包括顺次设置的：
用于调节牛粪pH值和进行湿法粉碎的前处理室；
用于对前处理室处理后的牛粪废液进行微波处理的微波发生室；
用于对微波处理后的牛粪废液进行厌氧发酵的发酵室；
以及用于收集发酵室产生的沼气的沼气收集室。
所述微波发生器通过管道分别于与调节pH腔室的粪便出口和厌氧发酵装置的粪便入口连接，沼气收集装置通过管道与厌氧发酵装置连接。
优选地，所述前处理室配置pH显示器，所述发酵室设置搅拌器。
优选地，所述发酵室设置温控系统，所述温控系统包括：
用于监测发酵室内反应液温度的温度探头；
用于对发酵室内反应液进行加热的加热管；
以及用于接收温度探头的监测信号并发出指令给加热管的温度控制器。
本发明的方法，处理装置可以采用其他常规装置，但优选采用该装置。
一种最优选的牛粪处理工艺，包括如下步骤：
(1)在前处理室内对新鲜牛粪进行湿法粉碎，配成牛粪废液，所得牛粪废液的浓度为40g/L，并将所得牛粪废液调节pH值至11；
(2)将调节后的碱性牛粪废液放置25min后导入至微波发生室中，调节微波功率密度为3000W/cm2，进行微波-碱联合预处理300s；
(3)预处理后的牛粪废液导入发酵室中冷却放置6h，投加接种污泥，进行厌氧发酵，控制发酵温度为35℃，进行厌氧消化产出沼气。
按照上述最优方法进行处理，连续记录30天沼气产量，日均沼气产量在5天时达到最大，最大值为94mL/g VS，累积沼气产量达到502mL/g VS。同等条件下采用常规厌氧处理工艺，7天后开始正常产气，连续记录30天沼气产量，日均沼气产量在14天时达到最大，最大值为38mL/g VS，累积沼气产量达到340mL/g VS。
与现有预处理方法相比，本发明方法具有如下有益效果：
1、本发明利用微波-碱联合预处理粪便发酵产沼气，沼气的产生量大，产沼气速率稳定时间缩短，沼气中甲烷比例高，厌氧消化结束后微波-碱联合预处理比对照甲烷比例高出5％(预处理组是75％，对照组是70％)。
2、微波处理或者碱处理都可以促进牛粪内的有机物的释放，且相比于单独的微波处理或者碱处理，两者联合作用效果更好。
3、碱性条件在厌氧消化阶段可以抑制产酸菌的活性和氢气的产生。
4、本发明易于操作，设备简单，制造成本低，投资小，耗能小。
5、本发明可以利用各种类型牛养殖场的粪便，实现牛粪的再次利用和清洁能源的产生，变废为宝。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图，
图2是本发明所用微波反应器的结构示意图。
图2中所示附图标记如下：
1、前处理室；2、微波发生室；3发酵室；4、温度控制器；5温度探头；6、加热管；7、机械搅拌器；8、沼气收集室；9、管道；10、输送泵；11、沼气出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
本发明的微波-碱联合预处理牛粪发酵产沼气的装置，该反应装置包括：前处理室1、微波发生室2、发酵室3和沼气收集室8。微波发生室2通过管道9分别与前处理室1和发酵室3相连，输送泵10通过管道9将牛粪泵入前处理室中；经过湿法粉碎和调节pH后泵入微波发生室2内。微波发生室2完成粪便预处理后，输送泵将预处理后的牛粪通过管道泵入发酵室3中，发酵室3为封闭反应器，沼气收集室4通过管道与发酵室3连接，以收集发酵室3产出的沼气。发酵室3装设有机械搅拌器7和加热装置，该加热装置由温度控制器4、温度探头5和加热管6组成，温度探头5和加热管6伸入发酵室3内，没过牛粪，并由温度控制器4控温，加热装置加热并可控制发酵产沼气过程达到设定的温度值。本装置为间歇式产沼气反应器。
利用本发明图1所示工艺及图2所示微波反应器进行粪便厌氧消化预处理的实施例如下：
实施例1
将新鲜牛粪里较难粉碎和分解的大型杂质过网格筛剔除后，按照牛粪:水＝1:1的比例将两者进行湿法粉碎，继续添加一定量的水配制成40g/L的牛粪废液，用1mol/L NaOH调节pH至11。碱处理25min后将牛粪废液泵入微波发生室内，调节微波功率密度为3000W/cm2，处理时间为300s。将预处理后的牛粪泵入发酵室内，冷却放置6h，投加接种污泥，进行厌氧发酵，控制发酵温度为35℃，连续记录30天沼气产量，日均沼气产量在5天时达到最大，最大值为94mL/g VS，累积沼气产量达到502mL/g VS。
对比例1
取新鲜牛粪，加水调节含水率至60％，放入沼气池堆放7天，使得沼气池升温，然后向沼气池投加接种污泥，调节pH为6.9，搅拌均匀后封池，控制发酵温度为35℃。7天后开始正常产气，连续记录30天沼气产量，日均沼气产量在14天时达到最大，最大值为38mL/g VS，累积沼气产量达到340mL/g VS。
实施例2
将新鲜牛粪里较难粉碎和分解的大型杂质过网格筛剔除后，按照牛粪:水＝1.5:1的比例将两者进行湿法粉碎，继续添加一定量的水配制成80g/L的牛粪废液，用1mol/LNaOH调节pH至9。碱处理15min后将牛粪废液泵入微波发生室内，调节微波功率密度为7000W/cm2，处理时间为90s。将预处理后的牛粪废液泵入发酵室内，冷却放置10h，投加接种污泥，进行厌氧发酵，控制发酵温度为25℃，连续记录30天沼气产量，日均沼气产量在8天时达到最大，最大值为79mL/g VS，累积沼气产量达到694mL/g VS。
对比例2
取新鲜牛粪，加水调节含水率至60％，放入沼气池堆放7天，使得沼气池升温，然后向沼气池投加接种污泥，调节pH为7.2，搅拌均匀后封池，控制发酵温度为25℃。10天后开始正常产气，连续记录30天沼气产量，日均沼气产量在18天时达到最大，最大值为32mL/g VS，累积沼气产量达到315mL/g VS。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (7)

1.一种对牛粪厌氧消化前的联合预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对新鲜牛粪进行湿法粉碎，配成牛粪废液；
(2)将所得牛粪废液调节pH值至碱性，将调节后的碱性牛粪废液送入微波反应器中，进行微波-碱联合预处理；
(3)预处理后的牛粪废水进行厌氧消化产出沼气。
2.根据权利要求1所述联合预处理方法，其特征在于，步骤(1)所得牛粪废液的浓度为10g/L-100g/L。
3.根据权利要求1所述预处理方法，其特征在于，步骤(2)中将所得牛粪废液调节pH值至碱性进行碱处理10～30min后送入微波反应器中。
4.根据权利要求1所述预处理方法，其特征在于，步骤(2)中将所得牛粪废液调节pH值至8～11。
5.根据权利要求1所述联合预处理方法，其特征在于，步骤(2)中微波反应器处理的微波功率密度为1000-8000W/cm2，微波处理时间为30s-300s。
6.根据权利要求1所述联合预处理方法，其特征在于，步骤(3)预处理后的牛粪废水冷却6-12h后进行厌氧消化。
7.根据权利要求1所述联合预处理方法，其特征在于，步骤(3)中厌氧消化的时间为20～30天，温度为25-35℃。
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