CN106755127A - 一种酒精木薯渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法 - Google Patents

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CN106755127A CN201710230077.1A CN201710230077A CN106755127A CN 106755127 A CN106755127 A CN 106755127A CN 201710230077 A CN201710230077 A CN 201710230077A CN 106755127 A CN106755127 A CN 106755127A
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张晓阳
闫德冉
赵子高
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Abstract

本发明提供了一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，属于秸秆沼气技术领域，其包括以下步骤：步骤S1：将木薯乙醇废醪液进行固液分离，得到清液和木薯酒精渣，将所述木薯酒精渣与秸秆混合均匀，得到混合物料；步骤S2：将所述混合物料加入酸解罐中进行酸化处理，然后将酸化处理后的物料输送至发酵罐进行厌氧发酵产沼气，将所述厌氧发酵后的发酵醪进行固液分离，沼液回用，沼渣作为肥源。本发明采用木薯酒精渣和秸秆耦联发酵，将易酸化的木薯渣与秸秆混合均匀后添加到秸秆酸解池中，与纯秸秆类原料的两相发酵产沼气相比，挥发性脂肪酸含量提高90%以上，发酵产气率提高40%以上，甲烷含量提高25%以上。

Description

一种酒精木薯渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法
技术领域
本发明属于秸秆发酵技术领域，具体涉及一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法。
背景技术
在我国南方和沿海地区，木薯乙醇作为能源战略的重要一环，生产规模日益扩大，每年产生的副产物木薯酒精渣达到数百万吨，木薯酒精残渣的营养价值较低，仅含16.3%粗蛋白、2.8%粗脂肪、灰分10%、23.5%纤维素，且在存放过程中容易酸化(pH值3.5~4.0)变质，产生的腐败气味污染厂区及周边大气环境，因此木薯酒精渣的处理和应用成了木薯燃料乙醇厂亟需解决的问题。虽然目前木薯酒精渣在生产饲料、培养真菌、生产植酸酶、以及厌氧发酵生产沼气等应用领域取得了一定的成果，但是单纯的木薯酒精渣生产沼气效率较低，体系受接种率和含固率限制，甲烷产率较低。付善飞等（付善飞等,酒糟沼气化利用的基础研发[J],化工学报,2014,65(5):1913-1919)以酱香型白酒酒糟、木薯燃料乙醇酒糟、玉米燃料乙醇酒糟、浓香型白酒酒糟四种酒糟为原料，研究其厌氧发酵产生沼气的潜力，结果表明：木薯燃料乙醇酒糟的沼气产量最低，产气量为122.3ml·g−1（以VS计）；甲烷体积分数在60~70%之间；降解周期为28天，是上述四种酒槽原料中最难降解的。
农业生态系统是自然生态系统的重要组成部分，也是重要的大气碳源，与人类的关系最密切。伴随着国际能源紧缺和环境污染的日趋严重，将农业生产过程中产生的大量农作物秸秆进行资源化利用产甲烷，是近年来国内外学者研究生物质固废处理的热点之一，也是中国目前大力倡导发展的技术之一。中国是传统的农业生产大国，各类农作物秸秆资源丰富、分布广泛。据不完全统计，仅2015和2016年中国的农作物秸秆产量分别达到8.5和7.9亿吨。目前，中国大部分地区对农作物秸秆常见的处理方式为：直接还田、随意堆弃、就地焚烧、或与畜禽粪便沤肥等。但无论是直接还田，还是随意堆弃、就地焚烧，这些不合理的做法不仅造成土壤板结、肥力下降、微生态环境遭到破坏、出苗率低，还会影响道路通行、环境美观、造成生物质能源及热量资源的浪费和大气环境的污染。
利用秸秆厌氧消化产甲烷，虽然目前在国内外已取得众多的研究成果，但大多数仅限于实验室规模，中试及大规模应用还存在很多问题：秸秆厌氧转化率低、秸秆表层的蜡质阻碍微生物附着；木质素很难被微生物消化利用；碳氮比失调，微生物代谢必需的微量元素缺乏，营养不均衡导致秸秆产气效率低；沿用传统厌氧消化装置无法克服秸秆上浮、结壳的问题等。这些都是秸秆厌氧消化过程中出现的一系列技术性难题，如何解决这些问题是秸秆厌氧消化技术推广并稳定运行的关键。
在中国，目前秸秆沼气系统科学研究发展较国外相对缓慢，工程上多采用以秸秆为主、添加畜禽粪便为辅的产气方式；农村地区以秸秆为原料生产沼气的户用沼气池数量锐减，更加抑制了秸秆作为沼气工程原料的研究，转向畜禽粪便的深入研究、利用。随着国家经济的快速发展和社会布局的调整、优化，以点存在的养殖场粪污沼气工程会出现消化原料短缺的问题；而农作物秸秆作为优良的消化原料，以其含碳量高、含硫量低，甲烷产量高，将是规模化发展的方向，未来亟需合理利用。
秸秆两相法沼气生产过程中，产酸相和产甲烷相作为两个独立单元分开进行，各自形成产酸微生物和产甲烷微生物的最佳生态条件，避免传统的单相生产工艺中微生物之间和代谢产物对微生物的抑制作用，从而发挥系统的最大优势。但是，秸秆中纤维素、半纤维素和木质素相互缠绕，构成致密的空间结构，不易被微生物及酶直接利用，在产沼气之前要进行预处理。在实际工程应用推广中存在很多问题：能耗高、处理成本高、产生废液易造成二次污染、设备要求高（耐高压、防腐蚀等）。为降低预处理成本及能耗，目前中国现有示范工程中秸秆的预处理多采用青贮或沼液浸泡的常规预处理方法。其中青贮对秸秆收割时间有严格要求；且2种预处理方法占地面积较大，预处理时间长，无法很好的满足大规模秸秆沼气系统。
目前，木薯酒精渣与秸秆的综合利用多为复合饲料、有机肥方面的研究，而关于木薯酒精渣与秸秆耦合发酵方面的研究则较少。中国专利CN104087620A公开了一种混合废弃物发酵料配方及无沼液沼气生产工艺，选择大宗农业废弃物稻草、秸秆、蔗渣等作为主要碳源，工农业废糟渣如酒精糟、糠类，麸皮类等作为主要氮源，按照一定的比例混合均匀，原料无需烘干和粉碎，切成小段即可。沼气发酵后的沼液进行固液分离，固体部分无需脱水可直接作为有机肥，液体部分循环回用到原料配料过程中进行酸解。该工艺可变废为宝，产生清洁能源和高效有机肥，对解决农村面源污染、促进农业生态良性循环都有重要意义。但该工艺将废弃的木薯酒精渣与秸秆类原料混合发酵生产沼气，发酵500h后1kg混合原料平均产气量仅为0.3m3，产气量较单纯秸秆类原料发酵而言基本没有提高，使得木薯酒精渣的潜在价值没有得到有效挖掘和利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，以秸秆两相厌氧发酵产沼气工艺为基础，充分发挥木薯渣极易酸化的优势，有效弥补秸秆原料C/N不合理的缺陷，既实现木薯酒精渣的有效利用，又提高酸化速率，最终达到提高木薯酒精渣和秸秆综合利用效率的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将木薯乙醇废醪液进行固液分离，得到清液和木薯酒精渣，将所述木薯酒精渣与秸秆混合均匀，得到混合物料；
步骤S2：将所述混合物料加入酸解罐中进行酸化处理，然后将酸化处理后的物料输送至发酵罐进行厌氧发酵产沼气，将所述厌氧发酵后的发酵醪进行固液分离，沼液回用，沼渣作为肥源。
优选地，所述秸秆的长度为1~5cm。
优选地，所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：1.0~2.0。
优选地，所述酸化处理的温度为37~45℃，pH为6.0~7.5，通气比为1：0.01~0.05，通气周期为30~60min。
优选地，所述厌氧发酵的水力停留时间14~21d。
优选地，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为8~12%，其余为回用沼液。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1）本发明采用两相厌氧发酵工艺，合理搭配木薯酒精渣与秸秆，该木薯酒精渣是将木薯乙醇酒糟经直接离心分离后获得，不仅含有一定量的营养物质，而且在生产、存放与运输的过程中沉降和繁殖一定数量微生物，这样将木薯酒精渣与秸秆进行混合酸解时，利用木薯酒精渣中微生物和营养成分，在一定条件下能够快速分解秸秆中的纤维素、半纤维素等成分，提高酸解相酸化速率，同时提高挥发性脂肪酸含量，供产甲烷相微生物利用，有效克服因秸秆中碳氮比不协调导致的单相厌氧发酵水力停留时间长，秸秆产气率低，产气负荷小，甲烷含量低等不足，同时有效利用木薯乙醇废弃物木薯酒精渣，实现木薯酒精渣的资源化经济性利用。
2）本发明工艺中酸解罐微环境对酸化效果影响显著，直接决定产甲烷相发酵产气率；物料配比上秸秆过多，酸解罐pH极易升高，木薯酒精渣过多则pH过低，两者均不利于微生物生长及酶解反应进行；温度调控也以利于微生物生长为前提；酸解罐微生物以兼性厌氧微生物为主，适当通气培养利于微生物生长及秸秆的酸化，通气量过多则不利于酸化反应进行，同时易造成挥发性脂肪酸（VFA）的损失。本发明通过合理调配木薯酒精渣与秸秆配比，间歇通风以创造利于酸化的微环境实现秸秆酸解效率最大化，提高酸解池挥发性脂肪酸含量，较之传统的纯秸秆类原料两相发酵产沼气，挥发性脂肪酸含量提高90%以上，发酵产气率提高40%以上，甲烷含量提高25%以上。
3）本发明木薯酒精渣和秸秆耦合两相发酵产沼气工艺中，酸解前秸秆和木薯酒精渣无需进行预处理，例如腐熟、堆沤等，这些预处理方法一般耗时较长，少则一周，多则半月以上，采用本发明的耦合发酵工艺则无需进行上述预处理，直接进行两相发酵工艺，节约大量预处理时间，缩短运行周期，节省运行成本。
4）本发明采用木薯酒精渣和秸秆耦联发酵，将易酸化的木薯酒精渣添加到秸秆酸解池中，不仅引入了大量挥发酸、碳源、氮源和活性酵母等有益微生物，而且改善了酸解池的微环境，有利于产酸微生物的快速繁殖，大大加快了秸秆降解速率，提高了设备利用率和沼气得率。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
本发明提供了一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将木薯乙醇废醪液进行固液分离，得到清液和木薯酒精渣，将所述木薯酒精渣与秸秆混合均匀，得到混合物料；
步骤S2：将所述混合物料加入酸解罐中进行酸化处理，然后将酸化处理后的物料输送至发酵罐进行厌氧酵产沼气，将所述厌氧发酵后的发酵醪进行固液分离，沼液回用，沼渣作为肥源。
本发明中，所述木薯乙醇废醪液是指：木薯发酵生产燃料乙醇产生的废醪液；所述固液分离是指采用板框过滤、离心分离等手段实施于木薯乙醇废醪液使之达到固液分离的目的。
在本发明中，步骤S1所述秸秆的长度为1~5cm，秸秆经粉碎、揉搓至长度为1~5cm后，比表面积增大，微生物、营养成分等与其的接触面积增大，从而加快微生物及酸化液的渗透，提高酸化效率。所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计优选为1：1.0~2.0，更优选为1：1.5~1.8，最优选为1：1.8。
在本发明中，步骤S2所述酸化处理的温度为37~45℃，优选为37~38℃；pH为6.0~7.5，优选为6.5~7.0；通气比为1：0.01~0.05，通气周期为30~60min，作用时间为15~30min，水力停留时间优选为1~2d。所述厌氧发酵的水力停留时间优选为14~21d。
其中，本发明所述的通气比表示通气量，是指单位时间内（通常指每分钟）通入单位体积发酵液的空气体积，单位是V/V·min。通气周期是指相邻两次通气之间的时间间隔，以min表示。作用时间为是指每次通气的持续时间，以min表示。
在本发明中，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为8~12%，其余为回用沼液。
在本发明中，厌氧发酵产沼气阶段的工艺控制参数可参照本领域通常采用的秸秆类原料厌氧发酵产沼气的工控参数进行设定，例如：温度可选择40℃±2℃，搅拌转速可选择100~300rpm/min。
在本发明中，沼气经净化处理后，可用于发电或用户使用。
在本发明中，所述秸秆包括但不限于玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆等本领域常规可用于厌氧发酵产沼气的秸秆类原料。本发明下述实施例以玉米秸秆为例进行进一步的详细说明。
实施例1
一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将木薯乙醇废醪液进行固液分离，得到清液和木薯酒精渣，将所述木薯酒精渣与秸秆混合均匀，得到混合物料；所述秸秆的长度为1~2cm，所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：1.5；
步骤S2：将所述混合物料加入酸解罐中进行酸化处理，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为8.5%，其余为回用沼液；酸化温度为37~38℃，pH为6.5~6.8，搅拌转速150r/min，通气比为1：0.04，通气周期为40min，作用时间为15min，水力停留时间1d；然后将酸化处理后的物料输送至发酵罐进行厌氧发酵产沼气，水力停留时间16d，将所述厌氧发酵后的发酵醪进行固液分离，沼液回用，沼渣作为肥源。
实施例2
一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将木薯乙醇废醪液进行固液分离，得到清液和木薯酒精渣，将所述木薯酒精渣与秸秆混合均匀，得到混合物料；所述秸秆的长度为1~2cm，所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：1.8；
步骤S2：将所述混合物料加入酸解罐中进行酸化处理，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为10%，其余为回用沼液；温度为37~38℃，pH为6.5~6.8，搅拌转速200 r/min，通气比为1：0.04，通气周期为40min，作用时间为20min，水力停留时间1.5d；然后将酸化处理后的物料输送至发酵罐进行厌氧发酵产沼气，水力停留时间18d，将所述厌氧发酵后的发酵醪进行固液分离，沼液回用，沼渣作为肥源。
实施例3
一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将木薯乙醇废醪液进行固液分离，得到清液和木薯酒精渣，将所述木薯酒精渣与秸秆混合均匀，得到混合物料；所述秸秆的长度为1~2cm，所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：1.8；
步骤S2：将所述混合物料加入酸解罐中进行酸化处理，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为12%，其余为回用沼液；温度为40~42℃，pH为6.8~7.0，搅拌转速300 r/min，通气比为1：0.05，通气周期为60min，作用时间为25min，水力停留时间2d；然后将酸化处理后的物料输送至发酵罐进行厌氧发酵产沼气，水力停留时间21d，将所述厌氧发酵后的发酵醪进行固液分离，沼液回用，沼渣作为肥源。
实施例4
一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将木薯乙醇废醪液进行固液分离，得到清液和木薯酒精渣，将所述木薯酒精渣与秸秆混合均匀，得到混合物料；所述秸秆的长度为2~3cm，所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：2.0；
步骤S2：将所述混合物料加入酸解罐中进行酸化处理，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为10.5%，其余为回用沼液；温度为42~45℃，pH为7.0~7.5，搅拌转速100 r/min，通气比为1：0.05，通气周期为60min，作用时间为30min，水力停留时间2d；然后将酸化处理后的物料输送至发酵罐进行厌氧发酵产沼气，水力停留时间20d，将所述厌氧发酵后的发酵醪进行固液分离，沼液回用，沼渣作为肥源。
实施例5
一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将木薯乙醇废醪液进行固液分离，得到清液和木薯酒精渣，将所述木薯酒精渣与秸秆混合均匀，得到混合物料；所述秸秆的长度为3~4cm，所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：1.2；
步骤S2：将所述混合物料加入酸解罐中进行酸化处理，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为8%，其余为回用沼液；温度为39~40℃，pH为6.2~6.5，搅拌转速300 r/min，通气比为1：0.01，通气周期为30min，作用时间为30min，水力停留时间1.5d；然后将酸化处理后的物料输送至发酵罐进行厌氧发酵产沼气，水力停留时间18d，将所述厌氧发酵后的发酵醪进行固液分离，沼液回用，沼渣作为肥源。
实施例6
一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将木薯乙醇废醪液进行固液分离，得到清液和木薯酒精渣，将所述木薯酒精渣与秸秆混合均匀，得到混合物料；所述秸秆的长度为4~5cm，所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：1.0；
步骤S2：将所述混合物料加入酸解罐中进行酸化处理，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为8%，其余为回用沼液；温度为40~42℃，pH为6.0~6.2，搅拌转速300 r/min，通气比为1：0.01，通气周期为30min，作用时间为30min，水力停留时间1.5d；然后将酸化处理后的物料输送至发酵罐进行厌氧发酵产沼气，水力停留时间21d，将所述厌氧发酵后的发酵醪进行固液分离，沼液回用，沼渣作为肥源。
对比例1
该实施例所描述的木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，与实施1基本相同，所不同的是：
步骤S1中，所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：2.5；
步骤S2中，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为15%，其余为回用沼液。
对比例2
该实施例所描述的木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，与实施1基本相同，所不同的是：
步骤S1中，所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：3.0；
步骤S2中，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为6%，其余为回用沼液。
对比例3
该实施例所描述的木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，与实施1基本相同，所不同的是：
步骤S1中，所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：1；
步骤S2中，所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为18%，其余为回用沼液。
对比例4
该实施例所描述的木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，与实施1基本相同，所不同的是：
步骤S2中，酸化温度为35~36℃，pH为5.5~5.8，通气比为1：0.06，通气周期为20min，作用时间为10min，水力停留时间3d，
效果评价
实验设计在10L酸解罐，100L发酵罐中进行，设计实验组、对照组和空白组：
实验组：设置4组，分别以实施例1~4所述的方法发酵产沼气；
对照组：设置4组，分别以对比例1~4所述的方法发酵产沼气；
空白组：不添加木薯酒精渣，工艺控制参数同实施例1。
检测方法：酸化阶段，每天检测酸解罐中挥发性有机酸的含量；测量日产沼气量，并检测和分析沼气成分。本发明中挥发性有机酸的检测方法参照Q/YZJ10-03-02-2000。沼气成分检测利用沼气分析仪检测，产气量计量利用湿式气体流量计计量。挥发性有机酸含量、单位总固体含量（TS）产气率及甲烷含量如下表所示：
表1 木薯酒精渣耦合玉米秸秆发酵相关指标统计
由表1可以看出，采用木薯酒精渣与秸秆耦合进行沼气发酵，采用本发明实施例1~4耦合工艺各项检测指标均显著优于空白组，挥发性有机酸含量提高2倍以上，吨总固体产气率提高40%以上，甲烷含量提高25%以上。对照组1~4各检测指标虽然较空白组有所改善和提高，但是与实验组相比，差异明显。由此可见，本发明木薯酒精渣与秸秆耦合发酵产沼气过程中，木薯酒精渣与秸秆在发酵过程中形成了一种正向的相互促进关系，使彼此能够更好地降解产酸，并通过工艺参数的优化控制，提高吨总固体的产气量及其甲烷含量，实现木薯酒精渣的资源化利用，并且优化秸秆类原料的沼气发酵工艺。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：将木薯乙醇废醪液进行固液分离，得到清液和木薯酒精渣，将所述木薯酒精渣与秸秆混合均匀，得到混合物料；
步骤S2：将所述混合物料加入酸解罐中进行酸化处理，然后将酸化处理后的物料输送至发酵罐进行厌氧发酵产沼气，将所述厌氧发酵后的发酵醪进行固液分离，沼液回用，沼渣作为肥源。
2.根据权利要求1所述的木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，其特征在于：所述秸秆的长度为1~5cm。
3.根据权利要求1所述的木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，其特征在于：所述木薯酒精渣与秸秆的质量比以绝干计为1：1.0~2.0。
4.根据权利要求1所述的木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，其特征在于：所述酸化处理的温度为37~45℃，pH为6.0~7.5，通气比为1：0.01~0.05，通气周期为30~60min。
5.根据权利要求1所述的木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，其特征在于：所述厌氧发酵的水力停留时间14~21d。
6.根据权利要求1所述的木薯酒精渣与秸秆耦合发酵生产沼气的方法，其特征在于：所述混合物料占所述酸解罐中的总酸化物料的质量百分比为8~12%，其余为回用沼液。
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