CN106929539B - 一种牛粪与预处理玉米秸秆联合消化提高沼气产量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不同物料间联合厌氧消化高效产沼气的技术方法，属于农业废弃物资源化利用领域，所要解决的问题是提供一种提高沼气产量的方法，本发明首先将玉米秸秆粉碎，高温高压条件下将玉米秸秆高压处理10‑20min；其次在35℃条件下，将高压处理后的秸秆浸泡在7g·L‑1的NaOH溶液中3h；最后在35℃条件下将处理后的玉米秸秆用沼液浸泡2‑4d。将所得预处理的秸秆物料与牛粪按质量比3:1比例混合均匀，调节pH值，加入30％的活性厌氧污泥，加水稀释到TS8％左右进行中温联合厌氧消化。与秸秆、牛粪等单一物料相比，本发明能够显著缩短秸秆预处理和厌氧消化的发酵周期，产气效率明显提高，甲烷含量显著上升。

Description

一种牛粪与预处理玉米秸秆联合消化提高沼气产量的方法
技术领域
本发明属于农业废弃物资源化利用领域，涉及一种不同物料间联合厌氧消化提高沼气产量的方法。
背景技术
随着社会发展和人们生活水平的不断提高，能源危机和环境污染已成为影响我国社会进步的重要因素。利用厌氧消化技术将畜禽粪便及农作物秸秆转化成生物燃气不仅可以缓解我国面临的资源、能源危机，而且解决了大量畜禽粪便及农作物秸秆随意处置所引发的环境污染问题。在以微生物转化为核心的厌氧消化技术中，两种或两种以上基质的联合厌氧消化技术，不仅具有提高生物基质的产气量，维持系统的稳定性，稀释有毒化学物质，保证系统营养平衡等优点，而且发酵后残余物处理方便，可直接用作有机肥，不存在二次污染问题。随着我国畜禽粪便及秸秆量的不断增加以及环境污染的不断加剧，联合厌氧消化技术符合我国环境污染治理与资源化利用的技术需求。
早在1980年，Hills等首次进行了牛粪和大麦秸秆联合厌氧消化试验，结果表明加入牛粪后，大麦秸秆的厌氧消化效率显著提高，此后，联合厌氧消化技术被逐渐引入到沼气发酵产业中。魏珞宇等在35℃和TS为8％的条件下，研究奶牛粪、肉牛粪与稻草、玉米秸秆、麦秆分别在五种不同配比下混合发酵的产气效果，试验结果表明：稻草、玉米秸秆、麦秆与奶牛粪、肉牛粪混合发酵时，混合配比决定着总产量与甲烷含量，且与发酵周期的长短有关。另外，pH值对厌氧发酵也有重要影响。楚莉莉等研究不同配比猪粪与小麦秸秆混合厌氧发酵的产气特性，结果表明：在厌氧消化过程中，合理调控猪粪与小麦秸秆的配比，既能提高小麦秸秆的产气量，又能缩短猪粪的产气周期，降低硫化氢体积分数。李芳等研究猪粪、牛粪与玉米秸秆混合原料厌氧发酵的最佳工艺条件，结果表明：在单因素试验中，当猪粪与牛粪混合比例为1:1，粪秸秆秆比为1:1.86及总固体质量分数为11％时，累积产气量均较高。猪粪、牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵的最佳工艺条件为：猪粪与牛粪混合比例为1.06:1、粪秸秆比为2.94:1、总固体质量分数为10.68％、总固体质量为74.76g，在猪粪、牛粪与玉米秸秆混合厌氧发酵的最佳工艺下，累积产气量可达17170mL。为了解决现有生产沼气方法中存在的发酵周期长，产气效率低，甲烷含量不高的问题，提供一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量的方法，产气量高，其用240g玉米秸秆(以TS计)和80g牛粪(以TS计)，5天内最高产沼气569mL；10天内最高产沼气3641mL；20天内至少产沼气12540mL；40天内至少产沼气22000mL；60天内最高可产沼气27272mL，比未预处理的产气量提高50％以上。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量的方法，其用240g玉米秸秆(以TS计)和80g牛粪(以TS计)5天内至少产沼气500mL；优选的，5天内至少产沼气550mL；更优选地5天内产沼气569mL；10天内至少产沼气3000mL，优选的，10天内至少产沼气3500mL，更优选的，10天内至少产沼气3641mL；20天内至少产沼气10000mL，优选的，20天内至少产沼气12000mL，更优选的，20天内至少产沼气12540mL；40天内至少产沼气20000mL，优选的，40天内至少产沼气21000mL，更优选的，40天内至少产沼气22000mL；60天内至少产沼气25000mL；优选的，60天内至少产沼气26000mL；更优选地，60天内至少产沼气27272mL。
优选的，包括如下步骤：
(1)将玉米秸秆粉碎至1-3cm长度；
(2)用高温和高压处理玉米秸秆；
(3)将经高温高压处理的玉米秸秆用NaOH溶液浸泡；
(4)将浸泡过NaOH溶液的玉米秸秆用沼液浸泡；
(5)将预处理后的玉米秸秆物料与牛粪混合均匀，调节pH值，加入30％的活性厌氧污泥，加水稀释到至TS浓度为6％-10％后进行中温联合厌氧消化。
优选的，步骤(2)的高温高压处理玉米秸秆的步骤中所用的温度为110-130℃，压力为140-160kPa，处理时间为10-20min；
优选的，步骤(2)的温度为115-125℃，压力为140-160kPa，处理时间为12-18min；
优选的，温度为121℃，压力为142kPa，处理时间为15min；
优选的，高温高压处理所用的装置为高压灭菌器；
优选的，高温高压处理所用的装置为型号为MLS-3780的高压灭菌器。
优选的，步骤(3)所述的NaOH溶液浓度为5-10g·L-1，浸泡时间为2-4h；
优选的，NaOH溶液浓度为6-9g·L-1；更优选NaOH溶液浓度为7g·L-1
优选的，浸泡时间为2.5-3.5h；更优选的，浸泡时间为3h。
优选的，步骤(4)所述的沼液浸泡的温度为30-40℃，沼液浸泡时间为2-4d；
优选的，沼液浸泡的温度为35℃；
优选的，沼液浸泡时间为3d；
优选的，沼液浸泡采用全不锈钢六孔水浴锅；
优选的，沼液浸泡采用型号为HH-M6的全不锈钢六孔水浴锅。
优选的，步骤(5)的玉米秸秆与牛粪按照质量比为2-5:1的比例进行混合，混合时的温度为30-45℃；
优选的，玉米秸秆与牛粪按照质量比为3:1的比例进行混合；
优选的，混合时的温度为35℃。
优选的，步骤(5)中加水稀释至TS浓度为7％-9％后进行联合厌氧消化；调节pH为6-8；活性厌氧污泥为为35℃条件下秸秆和牛粪混合厌氧发酵30天后的老沼液；
优选的，加水稀释至TS浓度为8％后进行联合厌氧消化；
优选的，调节pH为7。
优选的，步骤(5)称取的预处理玉米秸秆为240g(以TS计)，牛粪为80g(以TS计)；然后1200mL加入过40目的活性沼液，调节pH值至中性，加水稀释到4000mL进行中温联合厌氧消化。
优选的，牛粪来源为奶牛场牛粪，经鼓风干燥箱烘干至恒温。
优选的，本方法采用的厌氧消化反应器主要由5L的广口瓶和1L的量筒组成，分别作为原料的消化瓶、沼气集气瓶和集水量筒；用乳胶管连接组成一套气体连通装置。
优选的，本方法所用的消化瓶和集气瓶必须保证严格的密封，同时设置取气口和取液口，采用玻璃胶配合橡胶塞进行密封。
本发明提供的一种预处理的玉米秸秆与牛粪联合消化提高沼气产量的方法，其是一种经济、高效、环保的清洁能源生产技术，与秸秆、牛粪等单一物料相比，本发明能够显著缩短厌氧消化的发酵周期，可以提高沼气起始干物质发酵浓度，总产气率显著提高，产气效率明显提高，产气量显著提高，甲烷含量显著上升。
附图说明
附图1预处理的玉米秸秆与牛粪联合消化所用的装置。
附图2经预处理和未经预处理的玉米秸秆与牛粪联合发酵比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。应当指出的是，对本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量的方法，所述方法是按以下步骤实现的：
步骤一、将干燥的玉米秸秆粉碎至1-3cm；
步骤二、在121度、142kPa条件下，高压处理15min；
步骤三、在35℃水浴条件下，将步骤二中处理后的玉米秸秆浸泡在7g·L-1NaOH溶液中，浸泡3小时后去除NaOH溶液；
步骤四、步骤三处理后的玉米秸秆在35℃(老沼液的自然温度)条件下用沼液浸泡2天，即得到预处理后的玉米秸秆；
步骤五：秤取3份预处理后的玉米秸秆5g左右，用高温干燥箱和马弗炉测量秸秆TS及VS(有机干物质含量)含量。秤取240g(以TS计)预处理玉米秸秆和80g(以TS计)牛粪，加入1200mL过40目的活性沼液，调节pH值至中性，加水稀释到4000mL进行中温联合厌氧消化；秤取240g(以TS计)未处理的玉米秸秆和80g(以TS计)牛粪，加入1200mL过40目的活性沼液，调节pH值至中性，加水稀释到4000mL进行中温联合厌氧消化，作为对照。本试验采用自行设计的厌氧消化反应器，主要由5L的广口瓶和1L的量筒组成(见图1)，分别作为原料的消化瓶、沼气集气瓶和集水量筒。用乳胶管连接组成一套气体连通装置，消化瓶和集气瓶必须保证严格的密封，同时设置取气口和取液口，采用玻璃胶配合橡胶塞进行密封，并随时进行气密性检查。
经过预处理后再发酵的方法60天内共产沼气27272mL，未处理的产沼气量为17996mL。
实施例2：
一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量的方法，所述方法是按以下步骤实现的：
步骤一、将干燥的玉米秸秆粉碎至1-3cm；
步骤二、在115度、150kPa条件下，高压处理12min；
步骤三、在32℃水浴条件下，将步骤二中处理后的玉米秸秆浸泡在6g·L-1NaOH溶液中，浸泡2小时后去除NaOH溶液；
步骤四、将步骤三中处理后的玉米秸秆在35℃(老沼液的自然温度)条件下用沼液浸泡3天，即得到预处理后的玉米秸秆；
步骤五：秤取3份预处理后的玉米秸秆5g左右，用高温干燥箱和马弗炉测量秸秆TS及VS(有机干物质含量)含量。秤取240g(以TS计)预处理玉米秸秆和80g(以TS计)牛粪，加入1200mL过40目的活性沼液，调节pH值至中性，加水稀释到4000mL进行中温联合厌氧消化；秤取240g(以TS计)未处理的玉米秸秆和80g(以TS计)牛粪，加入1200mL过40目的活性沼液，调节pH值至中性，加水稀释到4000mL进行中温联合厌氧消化，作为对照。本试验采用自行设计的厌氧消化反应器，主要由5L的广口瓶和1L的量筒组成(见图1)，分别作为原料的消化瓶、沼气集气瓶和集水量筒。用乳胶管连接组成一套气体连通装置，消化瓶和集气瓶必须保证严格的密封，同时设置取气口和取液口，采用玻璃胶配合橡胶塞进行密封，并随时进行气密性检查。
经过预处理后再发酵的方法60天内共产沼气26372mL，未处理的产沼气量为17996mL。
实施例3
一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量的方法，所述方法是按以下步骤实现的：
步骤一、将干燥的玉米秸秆粉碎至1-3cm；
步骤二、在125度、155kPa条件下，高压处理18min；
步骤三、在32℃水浴条件下，将步骤二中处理后的玉米秸秆浸泡在6g·L-1NaOH溶液中，浸泡2小时后去除NaOH溶液；
步骤四、将步骤三中处理后的玉米秸秆在35℃(老沼液的自然温度)条件下用沼液浸泡3天，即得到预处理后的玉米秸秆；
步骤五：秤取3份预处理后的玉米秸秆5g左右，用高温干燥箱和马弗炉测量秸秆TS及VS(有机干物质含量)含量。秤取240g(以TS计)预处理玉米秸秆和80g(以TS计)牛粪，加入1200mL过40目的活性沼液，调节pH值至中性，加水稀释到4000mL进行中温联合厌氧消化；秤取240g(以TS计)未处理的玉米秸秆和80g(以TS计)牛粪，加入1200mL过40目的活性沼液，调节pH值至中性，加水稀释到4000mL进行中温联合厌氧消化，作为对照。本试验采用自行设计的厌氧消化反应器，主要由5L的广口瓶和1L的量筒组成(见图1)，分别作为原料的消化瓶、沼气集气瓶和集水量筒。用乳胶管连接组成一套气体连通装置，消化瓶和集气瓶必须保证严格的密封，同时设置取气口和取液口，采用玻璃胶配合橡胶塞进行密封，并随时进行气密性检查。
经过预处理后再发酵的方法60天内共产沼气26735mL，未处理的产沼气量为17996mL。

Claims (8)

1.一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量的方法，其特征在于包括如下
步骤：
(1)将玉米秸秆粉碎至 1-3cm 长度；
(2)用高温和高压处理玉米秸秆；
(3)将经高温高压处理的玉米秸秆用 NaOH 溶液浸泡；
(4)将浸泡过 NaOH 溶液的玉米秸秆用沼液浸泡；
(5)将预处理后的玉米秸秆物料与牛粪混合均匀，调节 pH 值，加入30％的活性厌氧污
泥，加水稀释到至 TS 浓度为6％-10％后进行中温联合厌氧消化；
其中步骤(2)的高温高压处理玉米秸秆的步骤中所用的温度为 110-130℃，压力为
140-160kPa，处理时间为 10-20min；步骤(3)所述的 NaOH 溶液浓度为 5-10g·L-1，浸泡时间为 2-4h；
其用 240g 玉米秸秆和 80g 牛粪 5 天内至少产沼气 500mL；10 天内至少产沼气3000mL；20 天内至少产沼气 10000mL；40 天内至少 产沼气 20000mL；60 天内至少产沼气25000mL。
2.根据权利要求 1 所述的一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量的方
法，其特征在于步骤(4)所述的沼液浸泡的温度为 30-40℃，沼液浸泡时间为 2-4d；
沼液浸泡采用全不锈钢六孔水浴锅；
沼液浸泡采用型号为 HH-M6 的全不锈钢六孔水浴锅。
3.根据权利要求1或2 所述的一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量的
方法，其特征在于，步骤(5)的玉米秸秆与牛粪按照质量比为 2-5:1 的比例进行混合，混合 时的温度为 30-45℃。
4.根据权利要求 1或2 所述的一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量
的方法，其特征在于步骤(5)中加水稀释至 TS 浓度为 7％-9％后进行联合厌氧消化；调节
pH 为 6-8；活性厌氧污泥为为 35℃条件下秸秆和牛粪混合厌氧发酵 30 天后的老沼液。
5.根据权利要求 1或2 所述的一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量
的方法，其特征在于称取的预处理玉米秸秆为 240g，牛粪为 80g；然后 1200mL 加入过 40
目的活性沼液，调节 pH 值至中性，加水稀释到 4000mL 进行中温联合厌氧消化。
6.根据权利要求 1或2 所述的一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量
的方法，其特征在于牛粪来源为奶牛场牛粪，经鼓风干燥箱烘干至恒温。
7.根据权利要求 1或2 所述的一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量
的方法，其特征在于，采用的厌氧消化反应器主要由 5L的广口瓶和 1L 的量筒组成，分别
作为原料的消化瓶、沼气集气瓶和集水量筒；用乳胶管连接组成一套气体连通装置。
8.根据权利要求 1或2 所述的一种牛粪与预处理的玉米秸秆联合消化提高沼气产量
的方法，其特征在于，所用的消化瓶和集气瓶必须保证严格的密封，同时设置取气口和取
液口，采用玻璃胶配合橡胶塞进行密封。
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