CN107353069A - 一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置及发酵方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置及发酵方法，包括好氧发酵反应器、厌氧发酵反应器、可弯曲螺旋输送机和送风系统，厌氧发酵反应器设置于好氧发酵反应器内部；该装置实现褐煤、泥炭等低阶煤的气肥一体化生产，将发酵过程中微生物分解有机物释放的热量充分利用，解决内蒙古、黑龙江等我国寒区微生物转化褐煤、泥炭等低阶煤的产气(生物甲烷、氢气)、产有机肥反应器的加热保温问题，实现在内蒙古漫长冬季的低温下褐煤、泥炭等低阶煤转化生物甲烷的微生物发酵系统的人工维持、调控与强化，具有结构简单、固态发酵/液体发酵同时进行、有效节约能源的优点。
Description
技术领域
本发明属于发酵技术领域，具体涉及一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置及发酵方法，用于低阶煤如褐煤、泥炭发酵产氢气/生物甲烷和发酵产高腐植酸有机肥。
背景技术
褐煤(又称柴煤，Lignite；Brown coal)，富含有机质和腐植酸，是煤化程度最低的煤种，具有分布集中，埋藏浅，易开采等特征。以中国为例：现已探明的褐煤资源储量1303亿吨，占全国煤炭资源总储量的近13％，主要分布在内蒙古东部、云南及东北3省。其中，仅内蒙古东部的褐煤储量就占到全国褐煤总储量70％以上，如内蒙古东部的扎赉诺尔煤田、平庄元宝山煤田、霍林河煤田、乌尼特煤田、伊敏河煤田、大雁煤田、呼和诺尔煤田和胜利煤田，其褐煤储量均超过10亿吨，适宜露天开采，从而大幅降低了褐煤开采的安全风险与成本。
褐煤水分高达30-50％，热值低、易风化和自燃，燃烧发电是现在褐煤的主要利用手段，由于褐煤通常含有较高的水分，不便于远距离运输，褐煤主要用于坑口电站发电。但褐煤未提质脱水直接燃烧时热效率低下对电厂装置损耗较大，还严重污染了环境，而褐煤的高含水使得燃烧前的提质干燥脱水环节(水分降低至10％以下)增加了发电成本。褐煤若作为原料转化利用，又受到高含水、高含灰限制。因此，油气资源充足的国家，很少规模化开发利用褐煤。所以发展更清洁的非燃料应用褐煤的方法是高效利用褐煤等低阶煤资源的有效途径。
微生物转化可能是褐煤等低阶煤转化利用的最有利的方法，高含水的褐煤、泥炭等低阶煤不需要脱水或干燥，在微生物的帮助下直接转化为生物甲烷(又称沼气，生物天然气，CH4)、氢气、高腐植酸有机肥等。目前已经知道，高等植物煤化为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤的不同时期都不断有煤层气(瓦斯，主要含甲烷CH4)产生。已有的研究报道表明褐煤经微生物降解后,黄腐酸含量有所提高，腐植酸化学活性有所增强,可改良土壤,促进农作物生长，同时，它还可促进植物对氮、磷、钾等养分的吸收,是不可多得的植物生长调节剂。褐煤的微生物转化与利用与传统的工业转化相比，具有能耗低、转化条件温和、转化效率高、转化产物的经济效益和应用价值高、设备要求简单等优点,是实现能源良性、可持续发展的新途径。
微生物转化，无论是产氢气或生物甲烷、高腐殖酸有机肥都需要适宜的温度、pH、合适的碳氮比、微生物菌群。在微生物增殖、代谢、转化的反应过程中，在一定温度范围内，低温时的反应速率低，高温时反应速率高，北方天气比较寒冷不利发酵，甚至冬季室外无法进行发酵，这是生物甲烷/氢气和有机肥发酵等室外进行的发酵实践产业化推广在内蒙古、黑龙江等寒区亟待解决的问题。因此，开发具有高效传热保温性能的生物反应器用于保持发酵温度、缩短发酵周期、延长发酵生产时限就显得尤为重要。
腐植酸在生产中有较多的作用，改良土壤理化性状、培肥地力。当腐植酸肥作冲施或土施时，它还能改良土壤，提高肥效。因为腐植酸肥中的腐植酸有机胶体与土壤中的钙离子结合形成絮状凝胶，这种胶体是很好的胶结物质，能把土粒胶结起来，使土壤中水稳定性团粒结构增加，从而改善土壤的水、肥、氧、热状况。同时腐植酸能为作物提供营养元素。该肥料能将铵离子、钾离子、钙离子、镁离子、锌离子等肥分吸收，还能与酸性土壤中的游离铁离子、铝离子形成铁、铝络合物，减少磷的固定，提高肥料利用率。并且腐植酸能促进微生物的繁殖与活动。腐植酸对微生物具有刺激作用，使真菌、细菌和固氮菌等活动能力提高，促进有机物分解，加速农家肥料腐熟，促进速效性养分的释放。现有的含腐植酸水溶肥料固体产品中腐植酸含量为3.0％左右，含腐植酸水溶肥料固体产品中腐植酸含量还有进一步的增加空间，腐植酸含量的提高对于生产活动有较为重要的意义。
在现有的发酵装置中，都存在一定的不足之处。专利(200810246603.4)公开了一种纤维废弃物两级发酵联产氢气和甲烷的装置，用于生产氢气和甲烷，该装置需要产氢反应器和产甲烷反应器两个反应器才能实现联产氢气和甲烷，此外，产氢过程接入嗜热菌种子液，温度控制为55-65℃，产甲烷过程接入中温产甲烷污泥，温度控制为34-38℃，没有提及如何实现产氢过程和产甲烷过程中的温度控制。专利(200610049907.2)公开了生物质及固体有机废弃物发酵法联产氢气和甲烷的装置，同样的，该装置需要水解和酸化反应器、有机酸产氢反应器、产甲烷反应器多个反应器才能联产氢气和甲烷，没有提及如何实现产氢过程和产甲烷过程中的温度控制。专利(201510495698.3)公开了一种有机肥发酵罐，包括提升机、搅拌装置、气缸传动装置，所述提升机包括支撑框架、上料斗、提开电机，所述搅拌装置包括发酵罐体、滚轴、搅拌桨、传动装置，所述气缸传动装置包括液压气缸组、刹车组、从动齿轮，该装置解决有机肥发酵中物料提升、搅拌的问题。该装置需要提升机、搅拌装置、气缸传动装置才能实现有机肥发酵，没有提及如何提供发酵过程中的温度保持。此外以上专利仅仅提供装置独立的生产有机肥或产氢气和甲烷，没有实现气(氢气和甲烷)、肥联产的一体化生产。
发明内容
为了克服现有的技术中缺少一体化生产气肥的装置，没有实现产氢气或产甲烷过程中的温度控制的不足,本发明提供一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置及发酵方法，该装置实现发酵产气与发酵产高腐植酸有机肥一体化生产，利用好氧发酵有机肥产生的热量为厌氧发酵产气提供热源、保持发酵温度，将发酵过程中微生物分解有机物释放的热量充分利用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置，所述的装置包括好氧发酵反应器、厌氧发酵反应器、可弯曲螺旋输送机和送风系统；所述的厌氧发酵反应器设置于好氧发酵反应器内部；通过设置好氧发酵反应器对物料进行好氧发酵，通过设置厌氧发酵反应器对物料进行厌氧发酵，该装置利用好氧发酵反应器发酵过程中微生物分解有机物释放的热量进行利用，有效的解决内蒙古、黑龙江等我国寒区微生物转化褐煤、泥炭等低阶煤的产气(生物甲烷、氢气)、产有机肥反应器的加热保温问题，实现在内蒙古漫长冬季的低温下褐煤、泥炭等低阶煤转化生物甲烷的微生物发酵系统的人工维持、调控与强化，有效节约能源。
所述的好氧发酵反应器侧壁上设置有温度检测口，温度检测口可以插入温度检测器，工人通过温度检测器可以实时监测好氧发酵反应器的温度，实现将好氧发酵反应器内部的温度控制在70℃以内，避免温度过高或过低带来的不利影响，为好氧发酵提供较适宜的发酵环境，提高发酵的效率；通过好氧发酵反应器底部连通可弯曲螺旋输送机的进料口，可弯曲螺旋输送机的出料口连接至好氧发酵反应器顶部，通过可弯曲螺旋输送机，可以将好氧发酵反应器底部的物料运输至好氧发酵反应器顶部，实现将好氧发酵反应器下层物料输送到物料上层进行翻堆，保证物料充分的混合均匀并与氧气充分接触混合，提高好氧发酵的效率，降低好氧发酵的时间；所述的送风系统包括鼓风机，鼓风机的出风口连接送风管，送风管连通至好氧发酵反应器内部，位于好氧发酵反应器内部的送风管上设置有曝气口，通过鼓风机对好氧发酵反应器内部进行鼓风，实现好氧发酵反应器内部的物料与空气中的氧气充分的接触，进一步提高好氧发酵的发酵效率。
所述的厌氧发酵反应器顶端设置有进出料口、搅拌电机和排气管道，厌氧发酵反应器内部搅拌电机输出轴上连接设置有搅拌叶片，通过进出料口添加或移出物料；通过搅拌电机带动搅拌叶片实现对厌氧发酵反应器内部的物料进行充分的搅拌混合均匀，提高发酵的效率；通过排气管道排出厌氧发酵反应器内部产生的气体。
优选的，所述的好氧发酵反应器顶部设置有可半开合的密封盖，密封盖可以避免在发酵过程中外界环境对好氧发酵反应器内部物料的影响，若外界的环境适宜或实际需要，工人可以选择打开密封盖。同时，好氧发酵反应器四周由保温材料制备而成，保证好氧发酵反应器内部的热量不散失。
优选的，所述的厌氧发酵反应器设置于好氧反应器内部的中央部位，尽可能保证好氧发酵反应器内部释放的热量能够充分的作用于厌氧发酵反应器内部的物料。
优选的，所述的送风管环绕厌氧发酵反应器侧壁设置，进一步增加物料与空气的接触机会，提高好氧发酵的效率。
优选的，所述的送风管竖直设置于厌氧发酵反应器侧壁上，进一步增加物料与空气的接触机会，提高好氧发酵的效率。
优选的，所述的方法包括以下步骤：其特征在于，
(1)在好氧发酵反应器中添加牛粪、低阶煤、玉米秸秆和有机肥发酵菌剂，搅拌混合均匀；
(2)在厌氧发酵反应器中添加牛粪、低阶煤、尿素、厌氧微生物，搅拌混合均匀；
(3)每隔一段时间，启动鼓风机、螺旋输送机，对好氧发酵反应器内部鼓入空气和翻堆，启动搅拌电机，对厌氧发酵反应器内部进行搅拌。
优选的，步骤(1)中，所述牛粪的粒径为1～7cm且经过风干，所述的低阶煤添加量占总质量的5～15％，所述的玉米秸秆添加至调节C/N为30：1，所述的有机肥发酵菌剂添加量占总质量的0.1‰～2‰；牛粪主要提供有机肥必备的养分有机质；低阶煤包括低阶煤褐煤或泥炭，主要提供高腐植酸有机肥所需的养分腐植酸，使有机肥中水溶性腐植酸含量达到5.65～10.25％，远高于含腐植酸水溶肥料(NY1106-2010)固体产品中腐植酸含量≥3.0％，能够有效刺激作物生长、改良土壤理化性状、促进土壤微生物的繁殖与活动；玉米秸秆在主要提供微生物生长所需的氮源的同时，起蓬松发酵物料、使空气容易进入发酵物料内部的作用；牛粪、低阶煤和玉米秸秆三者都能够提供有机肥养分的氮磷钾。牛粪/低阶煤与玉米秸秆的配比根据碳氮比30:1计算可得，牛粪和低阶煤(褐煤或泥炭)的配比根据所需产品腐植酸含量和成本控制要求进行调整。有机肥发酵菌剂提供有机肥发酵所需的微生物，添加量使不同商业化菌剂产品的标注量加入。通过好氧发酵反应器的好氧发酵培养，最终得到高腐植酸有机肥等产品。
优选的，步骤(2)中，所述的牛粪为粉碎至18～100目且风干，所述的低阶煤添加量占总质量的0.1～3％，所述的尿素添加至调节C/N为28:1，所述的厌氧微生物添加量占总质量的45～65％；牛粪主要提供产氢气和生物甲烷所需的碳源；低阶煤包括低阶煤褐煤或泥炭，主要提供产氢气和生物甲烷所需的碳源；尿素主要提供厌氧微生物生长所需的氮源；牛粪/低阶煤与尿素的配比根据碳氮比28:1计算可得，牛粪和低阶煤(褐煤或泥炭)的配比根据成本控制要求进行调整。厌氧微生物提供厌氧发酵所需的微生物，由于低阶煤难分解，需要根据低阶煤的添加量增加厌氧微生物的加入量，促使厌氧发酵的尽快进行，缩短发酵停滞期。
优选的，所述的厌氧微生物为厌氧活性污泥，充分的利用活性污泥，对资源的重复利用，避免了对环境的污染，当需要生产甲烷时，此时的活性污泥为厌氧活性污泥，当需要生产氢气时，此时的活性污泥密封后60℃加热处理30min的厌氧活性污泥，加热预处理的厌氧活性污泥为产氢菌源，加热可杀死厌氧活性污泥中的产甲烷菌，保留产氢菌群，使厌氧反应向着产氢气的方向进行。
优选的，步骤(3)中，所述的鼓风机从发酵第4d开始每1d鼓风2～4次，每次鼓风5-10min，直至发酵结束；所述的螺旋输送机每2～5d将好氧发酵反应器下层物料输送到物料上层进行翻堆一次，直至发酵原料有机碳转化率达到57.64～82.11％，有机肥中水溶性腐植酸含量达到5.65％～10.25％。
本发明的优点是：
(1)本发明实现了气肥一体化生产，将生物甲烷/氢气与有机肥联产，将褐煤、泥炭等低阶煤转化为生物甲烷、氢气等绿色能源，未降解的发酵残渣制备高腐植酸有机肥料等产品，使褐煤、泥炭等低阶煤资源产品多元化、高值化转化，具有结构简单、固态发酵/液体发酵同时进行的优点；
(2)本发明将发酵过程中微生物分解有机物释放的热量充分利用，有机肥发酵产生的热量为产气发酵提供热量保持温度，解决内蒙古、黑龙江等我国寒区微生物转化褐煤、泥炭等低阶煤的产气(生物甲烷、氢气)、产有机肥反应器的加热保温问题，实现在内蒙古漫长冬季的低温下褐煤、泥炭等低阶煤转化生物甲烷的微生物发酵系统的人工维持、调控与强化，有效节约能源。
附图说明
图1为本发明的结构简图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
如图1所示，为本发明所述的一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置，所述的装置包括好氧发酵反应器10、厌氧发酵反应器11、可弯曲螺旋输送机12和送风系统；所述的厌氧发酵反应器11设置于好氧发酵反应器10内部；通过设置好氧发酵反应器10对物料进行好氧发酵，通过厌氧发酵反应器11对物料进行厌氧发酵，该装置利用好氧发酵反应器10发酵过程中微生物分解有机物释放的热量进行利用，有效的解决内蒙古、黑龙江等我国寒区微生物转化褐煤、泥炭等低阶煤的产气(生物甲烷、氢气)、产有机肥反应器的加热保温问题，实现在内蒙古漫长冬季的低温下褐煤、泥炭等低阶煤转化生物甲烷的微生物发酵系统的人工维持、调控与强化，有效节约能源。
本专利为了实现好氧发酵反应器10内部的物料与外界空气中的氧气充分的接触，方便工人控制好氧发酵反应器10内部的温度，同时实现对好氧发酵反应器10内部的物料进行翻堆，实现物料与空气中的氧气充分接触，提高好氧发酵的效率，所述的好氧发酵反应器10侧壁上设置有温度检测口20，好氧发酵反应器10底部连通可弯曲螺旋输送机12的进料口，可弯曲螺旋输送机12的出料口连接至好氧发酵反应器10顶部；所述的送风系统包括鼓风机13，鼓风机13的出风口连接送风管14，送风管14连通至好氧发酵反应器10内部，位于好氧发酵反应器10内部的送风管14上设置有曝气口。
本专利为了实现厌氧发酵反应器11内部的物料充分的混合均匀，并及时排除厌氧发酵反应器11内部产生的气体，所述的厌氧发酵反应器11顶端设置有进出料口15、搅拌电机16和排气管道17，厌氧发酵反应器11内部连接搅拌电机16输出轴上连接设置有搅拌叶片18。
本专利为了避免外界环境对好氧发酵反应器10内部物料的影响，所述的好氧发酵反应器10顶部设置有可半开合的密封盖19，好氧发酵反应器10侧壁由保温材料制备而成。
本专利为了进一步提高好氧发酵反应器10内部的物料对厌氧发酵反应器11的物料进行充分的利用，所述的厌氧发酵反应器11设置于好氧反应器10内部的中央部位。
本专利为了进一步保证厌氧发酵反应器11内部的物料充分的与外界的空气接触，所述的送风管环绕厌氧发酵反应器11侧壁设置。
具体实施发酵方法一
(1)在好氧发酵反应器中添加粒径为5cm且经过风干的牛粪、10％的低阶煤、玉米秸秆和有1‰的机肥发酵菌剂，搅拌混合均匀，调节C/N为30：1,控制好氧发酵物料的温度不高于70℃和水分含量45％；
(2)在厌氧发酵反应器中添加50目且风干的牛粪、1％的低阶煤、尿素、50％的厌氧微生物，进料浓度控制固形物(Ts)含量在6％左右，搅拌混合均匀，调节C/N为28:1；
(3)鼓风机从发酵第4d开始每1d鼓风3次，每次鼓风8min，直至发酵结束，螺旋输送机3d将好氧发酵反应器下层物料输送到物料上层进行翻堆一次，直至发酵原料有机碳转化率达到70％，有机肥中水溶性腐植酸含量7.34％；厌氧发酵反应器中产生的生物甲烷从排气管道排出。
具体实施发酵方法二
(1)在好氧发酵反应器中添加粒径为1cm且经过风干的牛粪、5％的低阶煤、玉米秸秆和有0.5‰的机肥发酵菌剂，搅拌混合均匀，调节C/N为30：1,控制好氧发酵物料的温度不高于50℃和水分含量40％；
(2)在厌氧发酵反应器中添加30目且风干的牛粪、0.8％的低阶煤、尿素、45％经过60℃加热处理30min的厌氧活性污泥，进料浓度控制固形物(Ts)含量在6％左右，搅拌混合均匀，调节C/N为28:1；
(3)鼓风机从发酵第4d开始每1d鼓风2次，每次鼓风5min，直至发酵结束，螺旋输送机2d将好氧发酵反应器下层物料输送到物料上层进行翻堆一次，直至发酵原料有机碳转化率达到60％，有机肥中水溶性腐植酸含量7.70％，此时有机肥中有机质含量50.96％；厌氧发酵反应器中产生的生物氢气从排气管道排出。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置，其特征在于，所述的装置包括好氧发酵反应器、厌氧发酵反应器、可弯曲螺旋输送机和送风系统；所述的厌氧发酵反应器设置于好氧发酵反应器内部；
所述的好氧发酵反应器侧壁上设置有温度检测口，好氧发酵反应器底部连通可弯曲螺旋输送机的进料口，可弯曲螺旋输送机的出料口连接至好氧发酵反应器顶部；所述的送风系统包括鼓风机，鼓风机的出风口连接送风管，送风管连通至好氧发酵反应器内部，位于好氧发酵反应器内部的送风管上设置有曝气口；
所述的厌氧发酵反应器顶端设置有进出料口、搅拌电机和排气管道，厌氧发酵反应器内部搅拌电机输出轴上连接设置有搅拌叶片。
2.如权利要求1所述的一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置，其特征在于，所述的好氧发酵反应器顶部设置有可半开合的密封盖，好氧发酵反应器四周由保温材料制备而成。
3.如权利要求1所述的一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置，其特征在于，所述的厌氧发酵反应器设置于好氧反应器内部的中央部位。
4.如权利要求1所述的一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置，其特征在于，所述的送风管环绕厌氧发酵反应器侧壁设置。
5.如权利要求1所述的一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵装置，其特征在于，所述的送风管竖直设置于厌氧发酵反应器侧壁上。
6.一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)在好氧发酵反应器中添加牛粪、低阶煤、玉米秸秆和有机肥发酵菌剂，搅拌混合均匀；
(2)在厌氧发酵反应器中添加牛粪、低阶煤、尿素、厌氧微生物，搅拌混合均匀；
(3)每隔一段时间，启动鼓风机、螺旋输送机，对好氧发酵反应器内部鼓入空气和翻堆，启动搅拌电机，对厌氧发酵反应器内部进行搅拌。
7.如权利要求6所述的一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵方法，其特征在于，步骤(1)中，所述牛粪的粒径为1～7cm且经过风干，所述的低阶煤添加量占总质量的5～15％，所述的玉米秸秆添加至C/N调节为30：1，所述的有机肥发酵菌剂添加量占总质量的0.1‰～2‰。
8.如权利要求6所述的一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的牛粪为粉碎至18～100目且风干，所述的低阶煤添加量占总质量的0.1～3％，所述的尿素添加至C/N调节为28:1，所述的厌氧微生物添加量占总质量的45～65％。
9.如权利要求8所述的一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵方法，其特征在于，所述的厌氧微生物为厌氧活性污泥。
10.如权利要求6所述的一种甲烷/氢气联产有机肥一体化发酵方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的鼓风机从发酵第4d开始每1d鼓风2～4次，每次鼓风5-10min，直至发酵结束；所述的螺旋输送机每2～5d将好氧发酵反应器下层物料输送到物料上层进行翻堆一次，直至发酵原料有机碳转化率达到57.64～82.11％。
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