CN107653296A - 一种蔬菜尾菜和秸秆两级联合厌氧发酵生产沼气的方法 - Google Patents

一种蔬菜尾菜和秸秆两级联合厌氧发酵生产沼气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种蔬菜尾菜和农作物秸秆两级联合厌氧发酵生产沼气的方法。在第一级厌氧发酵中，通过利用特定的菌剂和营养盐制备得到发酵液，利用该发酵液处理蔬菜尾菜生产沼气；在第二级厌氧发酵中，利用蔬菜尾菜厌氧发酵后产生的沼液浸泡秸秆生产沼气。从而获得了一种可以同时利用不同特性原料生产沼气，并提高其原料转化率的方法。

Description

一种蔬菜尾菜和秸秆两级联合厌氧发酵生产沼气的方法
技术领域
本发明属于沼气技术、有机废弃物利用和可再生能源生产技术领域，具体涉及一种蔬菜尾菜和秸秆两级联合厌氧发酵生产沼气的方法。
背景技术
日常生活中，常有大量的蔬菜尾菜被当做废弃物进行处理，其发生腐烂之后会对环境造成污染。除了作为禽畜饲料之外，蔬菜尾菜也常用作产沼气的原料。
秸秆作为常用的产沼气原料，已被广泛的研究。在进行秸秆干发酵时，现有技术鲜有非常适合高密度秸秆的发酵工艺，其原因在于许多发酵工艺常产生酸化而导致失败。另外，在现有技术中，许多发酵工艺还存在启动慢、发酵不稳定和原料转化率低的问题。
在利用蔬菜和秸秆联合发酵方面，现有技术进行了一些有意义的尝试。如公开号为CN 104328142 A的中国专利提供了一种农作物秸秆与蔬菜废物高固体混合发酵生产沼气的方法。不过其直接将蔬菜和处理后的秸秆进行混合发酵，虽然在产气效率方面有所提高，但是仍然没有解决高密度秸秆发酵中所碰到的问题，没有实际的将蔬菜尾菜和秸秆联合起来发酵以解决现有技术中碰到的难题，而仅仅是提供了一种原料相对于现有技术有所不同的发酵方法。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种蔬菜尾菜和秸秆两级联合厌氧发酵生产沼气的方法，该方法包括如下步骤：
(1)用沼液或池塘水稀释菌剂作为尾菜厌氧发酵的菌液，加入处理尾菜的第一厌氧发酵罐中；再投加营养盐进行驯化以制备蔬菜尾菜发酵液；
(2)将蔬菜尾菜预处理后，投入步骤(1)的发酵罐中进行厌氧发酵产沼气，逐步提升进料负荷，直到进料量达到50～70kg/(m3·d)、原料产气率稳定在0.3～0.4m3/kgTS，保持该有机负荷条件持续运行；
(3)收集尾菜厌氧发酵每天排出的沼液，过滤后，将滤液置于第二厌氧发酵罐中；
(4)将秸秆打捆后，放入批式干发酵装置中，密封发酵装置；
(5)每天从秸秆捆上部喷淋步骤(3)所述滤液进行接种，加入的滤液与干发酵罐有效容积的体积比为30％，进行为期10天的第一阶段发酵；每天喷淋接种结束后，立即将秸秆捆下部的滤液全部泵回第二厌氧发酵罐中；
第一阶段发酵结束后，每天从秸秆捆上部喷淋步骤(3)所述滤液进行接种，加入的滤液与干发酵罐有效容积的体积比为60％；接种完反应1小时，将秸秆捆下部的滤液泵回第二厌氧发酵罐中，进行为期10天的第二阶段发酵；
第二阶段发酵结束后，每天从秸秆捆上部喷淋步骤(3)所述滤液进行接种，加入的滤液完全浸泡秸秆；接种完反应4小时，将秸秆捆下部的滤液泵回第二厌氧发酵罐中，进行为期10天的第三阶段发酵；
第三阶段发酵结束后，从秸秆捆上部喷淋步骤(3)所述滤液进行接种，加入的滤液完全浸泡秸秆，持续发酵15～20天后，完成秸秆厌氧发酵生产沼气过程；
步骤(1)中，所述预处理的方法为：将蔬菜尾菜粉碎为浆状，在常温条件下覆膜堆沤，待物料的pH值下降至7.0～7.5，即可；
步骤(1)中，所述蔬菜尾菜发酵液的制备方法为：
按重量体积比6‰向发酵罐中的液体加入营养盐，并将菌剂按体积比1％作为接种物加入，充分混匀后在20～40℃下培养7～10天；之后再按质量体积比12‰投加营养盐继续培养，5天后再次按质量体积比18‰投加营养盐培养5天，即得；
所述营养盐由醋酸钙、丙酸钙、丁酸钙、尿素和过磷酸钙配制而成；
所述菌剂，按微生物培养液体积份数计，由如下微生物培养液组成：
厚壁菌15～20份、拟杆菌15～20份、螺旋体菌3～5份、热袍菌4～6份、变形菌3～5份、互养菌3～5份、纤维杆菌3～5份、广古菌35～40份。
在本发明中，发明人发现，蔬菜尾菜沼液含固率较低，一般TS值为4％～6％，沼液产出率较高，经过简单的固液分离和过滤，即可得到无固体颗粒的沼液，方便对秸秆进行浸泡，在浸泡过程中流动性较好，可以加快物料间的物质传递。同时，蔬菜尾菜沼液活性产甲烷菌数量较多，一般大于108个/ml，可迅速对秸秆干发酵进行接种。
本发明通过将蔬菜尾菜沼液循环浸泡秸秆干发酵，发现：蔬菜尾菜沼液中富含大量的纤维素分解菌和产甲烷菌，沼液通过浸泡可均匀的将厌氧微生物菌种接种至秸秆内部；通过蔬菜尾菜沼液浸泡，可解决秸秆干发酵厌氧微生物间传质难，导致不同区域水解速度不均、pH值变化较大的难题；通过蔬菜尾菜沼液的循环，可将秸秆内的部分水解产物淋洗至渗滤液中，再将其带入菌种培养罐中进行分解产沼气，可解决秸秆干发酵过程中挥发酸积累的难题。
另外，本发明发现，在干发酵后期，需采用完全浸泡的发酵方式，其理由在于：
秸秆干发酵前期，由于打捆秸秆密度较大，导致干发酵装置内有机负荷较大，如果前期采用完全浸泡的方式进行湿发酵，水解速率大于产甲烷速率，将导致挥发性脂肪酸的大量积累，使得物料pH值急剧下降，产甲烷生长将被抑制，最终导致干发酵装置酸化，发酵失败。所以前期采用间歇浸泡循环的方式限制挥发性脂肪酸的分解速率，使得水解速率等于或略大于产甲烷速率，保证干发酵装置内pH值稳定在7.5～8.5。秸秆干发酵后期，有机质被大量分解，水解原料较少，导致挥发性脂肪酸总浓度降低，产气率下降，这时利用蔬菜尾菜沼液将秸秆全部浸泡，可加快秸秆内部厌氧微生物间的传质，加快水解速率，同时使产甲烷菌在秸秆内部大量繁殖，加快产气速率，使得秸秆内的有机质被充分水解，提高秸秆的利用效率。
通过大量的摸索，本发明获得了一种蔬菜尾菜和农作物秸秆联合两相厌氧发酵的方法，该方法具有如下的特点：
1.通过蔬菜尾菜发酵液的预先制备，可以在短时间内获得高浓度和活性的厌氧发酵功能性微生物，为蔬菜尾菜的厌氧发酵快速启动奠定微生物基础。经过预处理的蔬菜尾菜TS含量、pH值、碳氮比及VFAs浓度均达到厌氧发酵的合理水平，作为原料直接投加，方便快捷，可使蔬菜尾菜厌氧发酵罐保持高效稳定运行。
2.用于蔬菜尾菜厌氧发酵的发酵装置单独成系统独立运行，工艺操作简单，同时合理的发酵条件可保证蔬菜尾菜最高的原料产气率。
3.秸秆采用风干打捆紧密排放方式发酵，可以使干发酵罐利用效率最大化。
4.以蔬菜尾菜厌氧发酵的沼液富含大量纤维素分解菌和产甲烷菌，以其作为秸秆干发酵的接种物，可保证秸秆的快速降解。同时，蔬菜尾菜发酵沼液中富含氮元素，可以调节秸秆的碳氮比到合适比例。
5.分阶段对打捆秸秆进行厌氧发酵，可以保证干发酵的顺利进行，避免“酸化”现象的发生。
6.将蔬菜尾菜和秸秆根据其自身特点分别选用液、固发酵工艺，可以充分发挥不同发酵装置的优势，使两种原料分别达到原料产气率最大化；同时，通过蔬菜尾菜发酵液将两级发酵串连起来，使资源利用最大化，使发酵效率最大化。
7.将蔬菜尾菜分开单独发酵，发酵后处理工艺简单，易操作。
优选的，步骤(1)中，进行所述预处理时，在堆沤前，将蔬菜尾菜粉碎至粒径小于5mm，并将pH调节至8.5～9.0。
优选的，步骤(1)中，进行所述堆沤发酵时，发酵时间为2～4天。
特别的，本发明对于高密度的秸秆有着很好的处理效果。作为本发明的一个优选方案，步骤(2)中，每捆秸秆的密度为200～300kg/m3。
优选的，步骤(1)中，进行所述过滤时，采用60目筛。
优选的，所述营养盐中，醋酸钙、丙酸钙、丁酸钙、尿素和过磷酸钙的重量比为136:51:50:5:8。
所述厚壁菌为居瘤胃解蛋白质菌Proteiniclasticum ruminis DSM24773、棕榈酸互营单胞菌Syntrophomonas palmitatica DSM18709T和大岛粪热杆菌Caldicoprobacteroshimai DSM21659T；和/或，
所述拟杆菌为巨济嗜纤维素菌Cellulophaga geojensis CCUG 60801T和糖酵解蛋白杆菌Proteiniphilum saccharofermentans DSM 28694T；
和/或，
所述螺旋体为栖温泉螺旋体Treponema primitia DSM 13862；和或，所述热袍菌为突尼斯废水袍菌Defluviitoga tunisiensis DSM 23805T；
和/或，
所述变形菌为产气肠杆菌Enterobacter aerogenes DSM 30053；和/或，
所述互养菌为哥伦比亚氨基酸杆菌Aminobacterium colombiense DSM 12261；
和/或，所述纤维杆菌为产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenesATCC19169；
和/或，
所述广古菌包括马氏甲烷球菌Methanosarcina mazei DSM2053T、氢营养型甲烷袋状菌Methanoculleus hydrogenitrophicus JCM 16311T和古生甲烷微球菌Methanomicrobium antiquum DSM 21220T。
优选的，所述居瘤胃解蛋白质菌的培养液体积份数为5～10份，棕榈酸互营单胞菌的培养液体积份数为3～5份，大岛粪热杆菌的培养液体积份数为5～10份，上述三种微生物培养液体积份数之和为15～20份；
所述巨济嗜纤维素菌的培养液体积份数为7～12份，所述糖酵解蛋白杆菌的培养液体积份数为7～12份，上述两种微生物培养液体积份数之和为15～20份；
所述马氏甲烷球菌的培养液体积份数为28份，所述氢营养型甲烷袋状菌的培养液体积份数为5份，所述古生甲烷微球菌的培养液体积份数为2份。
一般情况下，所述微生物培养液中细胞含量不低于1.0×108个/ml。
本发明的有益效果：
本发明可单批次处理大量的蔬菜尾菜和秸秆，本发明容积产气率可达到1.6m3/(m3·d)，具有较高的产气效率；本发明采用固液二级联合发酵，发酵结束后的处理工艺简单方便。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
以下实施例中，所述复合菌菌剂中各功能微生物按体积份数计，分别为：居瘤胃解蛋白质菌的培养液体积份数为5％，棕榈酸互营单胞菌的培养液体积份数为5％，大岛粪热杆菌的培养液体积份数为10％，巨济嗜纤维素菌的培养液体积份数为12％，糖酵解蛋白杆菌的培养液体积份数为8％，栖温泉螺旋体的培养液体积份数为5％，突尼斯废水袍菌的培养液体积份数为6％，产气肠杆菌的培养液体积份数为5％，哥伦比亚氨基酸杆菌的培养液体积份数为5％，产琥珀酸丝状杆菌的培养液体积份数为5％，马氏甲烷球菌的培养液体积份数为25％，氢营养型甲烷袋状菌的培养液体积份数为6％，古生甲烷微球菌的培养液体积份数为3％。
本实施例中，所述居瘤胃解蛋白质菌为Proteiniclasticum ruminis DSM24773；所述棕榈酸互营单胞菌为Syntrophomonas palmitatica DSM18709T；所述大岛粪热杆菌为Caldicoprobacter oshimai DSM21659T；所述巨济嗜纤维素菌为Cellulophaga geojensisCCUG 60801T；所述糖酵解蛋白杆菌为Proteiniphilum saccharofermentans DSM28694T；所述栖温泉螺旋体为Treponema primitia DSM 13862；所述突尼斯废水袍菌为Defluviitogatunisiensis DSM 23805T；所述产气肠杆菌为Enterobacter aerogenes DSM 30053；所述哥伦比亚氨基酸杆菌为Aminobacterium colombiense DSM 12261；所述产琥珀酸丝状杆菌为Fibrobacter succinogenes ATCC19169；所述马氏甲烷球菌为Methanosarcina mazeiDSM2053T；所述氢营养型甲烷袋状菌为Methanoculleus hydrogenitrophicus JCM 16311T；所述古生甲烷微球菌为Methanomicrobium antiquum DSM 21220T。
实施例1
以莴苣叶和萝卜叶质量比1：1的混合物作为尾菜原料，取200公斤用青贮饲料粉碎机充分粉碎后，加石灰粉调节pH值到9.0后常温堆沤5天，置于4℃冰箱冷藏备用。另以风干稻草秸秆为秸秆原料，用捆扎机将其打捆为5×5×5cm的小捆备用，密度为210kg/m3。蔬菜尾菜发酵装置选用50LUSR发酵装置(A)，秸秆干发酵装置选用50L批式干发酵装置(B)，第二厌氧发酵罐选用40LUSR发酵装置(C)。
称取按质量比136：51：50：5：8比例配制并经过充分粉碎和混匀的醋酸钙、丙酸钙、丁酸钙、尿素和过磷酸钙营养盐240g，加入A中，另在A中加入40L池塘水和事先按比例配制的400ml复合菌菌剂，充分混匀后在35℃条件下厌氧培养7天；7天后加入480g营养盐继续厌氧培养5天；5天后加入720g营养盐继续培养5天，制得蔬菜尾菜厌氧发酵液。
在驯化成功的蔬菜尾菜发酵罐(A)中投加经预处理的蔬菜尾菜原料400g/天，持续5天，提升负荷至800g/天，持续7天，再次提升负荷至1200g/天，持续7天，再次提升负荷至1600g/天，持续7天，再次提升负荷至1800g/天，持续7天后提升负荷至2000g/天，并保持该负荷稳定运行。收集每天的出水用60目过滤筛过滤后加入C中继续发酵。待C中发酵液达到24L后，启动发酵罐B。
将216个打捆秸秆紧密排列放入发酵罐B中，密封后将顶部接种口与发酵罐C排料管连接。将C中发酵液12L泵入到发酵罐B中，同时将B中渗滤液重新泵入到C中。每天1次，重复10天。从11-20天，每天将C中发酵液24L泵入到发酵罐B中，1小时后将B中的渗滤液泵回到C中。在第21-30天，每天将C中发酵液40L泵入到发酵罐B中，4小时后将B中的渗滤液泵回到C中。在第31天，将C中的发酵液40L泵入到B中，将秸秆完全浸泡后持续发酵17天，发酵结束。
项目实施期间，A罐共运行107天，其中以蔬菜尾菜为原料运行90天，处理蔬菜尾菜154kg，共产气2.2立方米，原料产气率为0.32m3/kgTS，在最大有机负荷条件下，容积产气率为0.72m3/(m3·d)。B罐共运行57天，处理水稻秸秆28kg，累计产气10.8立方米，原料产气率为0.42m3/kgTS。同时，C罐中项目实施期间处理A罐的出水和B罐的浸泡液，生产沼气0.3立方米。
按工程进行计算，假设工程保持正常稳定运行，三个发酵罐A、B、C总发酵容积140L，每57天为一个发酵周期，在这个发酵周期内，140L发酵体积可以处理蔬菜尾菜154kg、秸秆28kg，共产气12.6立方米，容积产气率可达到1.6m3/(m3·d)，具有较高的产气效率。同时，因为采用固液二级联合发酵，发酵结束后的处理工艺更简单方便。

Claims (8)

1.一种蔬菜尾菜和农作物秸秆两级联合厌氧发酵生产沼气的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)用沼液或池塘水稀释菌剂作为尾菜厌氧发酵的菌液，加入处理尾菜的第一厌氧发酵罐中；再投加营养盐进行驯化以制备蔬菜尾菜发酵液；
(2)将蔬菜尾菜预处理后，投入步骤(1)的发酵罐中进行厌氧发酵产沼气，逐步提升进料负荷，直到进料量达到50～70kg/(m3·d)、原料产气率稳定在0.3～0.4m3/kgTS，保持该有机负荷条件持续运行；
(3)收集尾菜厌氧发酵每天排出的沼液，过滤后，将滤液置于第二厌氧发酵罐中；
(4)将秸秆打捆后，放入批式干发酵装置中，密封发酵装置；
(5)每天从秸秆捆上部喷淋步骤(3)所述滤液进行接种，加入的滤液与干发酵罐有效容积的体积比为30％，进行为期10天的第一阶段发酵；每天喷淋接种结束后，立即将秸秆捆下部的滤液全部泵回第二厌氧发酵罐中；
第一阶段发酵结束后，每天从秸秆捆上部喷淋步骤(3)所述滤液进行接种，加入的滤液与干发酵罐有效容积的体积比为60％；接种完反应1小时，将秸秆捆下部的滤液泵回第二厌氧发酵罐中，进行为期10天的第二阶段发酵；
第二阶段发酵结束后，每天从秸秆捆上部喷淋步骤(3)所述滤液进行接种，加入的滤液完全浸泡秸秆；接种完反应4小时，将秸秆捆下部的滤液泵回第二厌氧发酵罐中，进行为期10天的第三阶段发酵；
第三阶段发酵结束后，从秸秆捆上部喷淋步骤(3)所述滤液进行接种，加入的滤液完全浸泡秸秆，持续发酵15～20天后，完成秸秆厌氧发酵生产沼气过程；
步骤(1)中，所述预处理的方法为：将蔬菜尾菜粉碎为浆状，在常温条件下覆膜堆沤，待物料的pH值下降至7.0～7.5，即可；
步骤(1)中，所述蔬菜尾菜发酵液的制备方法为：
按重量体积比6‰向发酵罐中的液体加入营养盐，并将菌剂按体积比1％作为接种物加入，充分混匀后在20～40℃下培养7～10天；之后再按质量体积比12‰投加营养盐继续培养，5天后再次按质量体积比18‰投加营养盐培养5天，即得；
所述营养盐由醋酸钙、丙酸钙、丁酸钙、尿素和过磷酸钙配制而成；
所述菌剂，按微生物培养液体积份数计，由如下微生物培养液组成：
厚壁菌15～20份、拟杆菌15～20份、螺旋体菌3～5份、热袍菌4～6份、变形菌3～5份、互养菌3～5份、纤维杆菌3～5份、广古菌35～40份。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，进行所述预处理时，在堆沤前，将蔬菜尾菜粉碎至粒径小于5mm，并将pH调节至8.5～9.0；步骤(1)中，进行所述堆沤发酵时，发酵时间为2～4天。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，每捆秸秆的密度为200～300kg/m3。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，进行所述过滤时，采用60目筛。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述营养盐中，醋酸钙、丙酸钙、丁酸钙、尿素和过磷酸钙的重量比为136:51:50:5:8。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述厚壁菌为居瘤胃解蛋白质菌Proteiniclasticum ruminis DSM24773、棕榈酸互营单胞菌Syntrophomonas palmitaticaDSM18709T和大岛粪热杆菌Caldicoprobacter oshimai DSM21659T；和/或，
所述拟杆菌为巨济嗜纤维素菌Cellulophaga geojensis CCUG 60801T和糖酵解蛋白杆菌Proteiniphilum saccharofermentans DSM 28694T；和/或，
所述螺旋体为栖温泉螺旋体Treponemaprimitia DSM 13862；和或，
所述热袍菌为突尼斯废水袍菌Defluviitoga tunisiensis DSM 23805T；和/或，
所述变形菌为产气肠杆菌Enterobacter aerogenes DSM 30053；和/或，
所述互养菌为哥伦比亚氨基酸杆菌Aminobacterium colombiense DSM 12261；
和/或，所述纤维杆菌为产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes ATCC19169；
和/或，
所述广古菌包括马氏甲烷球菌Methanosarcina mazei DSM2053T、氢营养型甲烷袋状菌Methanoculleus hydrogenitrophicus JCM 16311T和古生甲烷微球菌Methanomicrobiumantiquum DSM 21220T。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述居瘤胃解蛋白质菌的培养液体积份数为5～10份，棕榈酸互营单胞菌的培养液体积份数为3～5份，大岛粪热杆菌的培养液体积份数为5～10份，上述三种微生物培养液体积份数之和为15～20份；
所述巨济嗜纤维素菌的培养液体积份数为7～12份，所述糖酵解蛋白杆菌的培养液体积份数为7～12份，上述两种微生物培养液体积份数之和为15～20份；
所述马氏甲烷球菌的培养液体积份数为28份，所述氢营养型甲烷袋状菌的培养液体积份数为5份，所述古生甲烷微球菌的培养液体积份数为2份。
8.根据权利要求1、6或7所述的方法，其特征在于，所述微生物培养液中细胞含量不低于1.0×108个/ml。
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