CN108004132B - 一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置及微生物陈化水热炭的回收方法 - Google Patents

一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置及微生物陈化水热炭的回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，包括发酵罐体，所述发酵罐体内设有用于隔开水热炭和发酵液的物理隔离装置，所述物理隔离装置内侧添加有水热炭，所述发酵罐中物理隔离装置外侧添加有接种物和发酵液；所述发酵罐体内还设有搅拌装置和温控‑加热装置，所述发酵罐体上端设有生物气收集装置。本发明还公开了一种微生物陈化水热炭的回收方法。本发明利用微生物发酵过程，对水热炭进行陈化改性，降低水热炭中有机物质的含量，减轻其环境负面影响；同时可回收陈化改性后的水热炭用作土壤改良剂的实验研究和应用。通过本发明提供的装置，可利用水热炭中较丰富的可溶性有机物质，为发酵过程提供更多的碳源，促进生物气的生产。

Description

一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置及微生物陈化 水热炭的回收方法
技术领域
本发明涉及一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置及微生物陈化水热炭的回收方法。
背景技术
水热炭是生物质以水为溶剂和反应介质，在150~350℃和高压条件下，经水热反应得到的一种炭材料。与高温热解产生的生物炭相比，水热炭具有制备过程不产生废气、耗能低、产率高等优势。但同时，生物质水热炭化过程中，会产生有机酸和有机酚等副产物，若将水热炭不当应用于农田，这些有机物可能会对植物产生一定的毒害作用，因此水热炭直接作为一种土壤改良剂用于农业生产存在一定风险，采用合理、低成本的方法提高水热炭的生物兼容性，将显著提高水热炭的利用价值和应用前景。
水热炭作为一种有广阔应用前景的生物炭材料，目前已开展作为吸附材料、催化剂载体和清洁能源等方面的应用研究。有研究表明，生物炭在自然衰老陈化过程中，其物理化学性质会发生变化，并产生一系列有机产物。生物炭陈化过程中，表面官能团和负电荷将增加，可提高水热炭的阳离子交换量，从而具有更高的养分固持能力。此外还具有提高土壤有机质稳定性，提高阴离子的生物可用性等有益效果。已有研究通过物理、化学和微生物等多种方式对生物炭进行加速陈化改性，但物理陈化速度较慢，化学陈化投入较多，且易增加环境负担。相比之下，微生物陈化改性技术有着较好的应用前景。
沼气发酵是农业废弃物利用的重要途径，利用农业废弃的有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等），在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合气体的过程，可实现沼气、沼液、沼渣的综合利用。有研究表明，生物炭可以提高微生物丰度、多样性和活性，利用生物炭技术提高微生物发酵效率。水热炭作为生物炭的一个门类，具有较多的可溶性有机物，将其和沼气发酵技术结合，可以达到增加沼气产量的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置及微生物陈化水热炭的回收方法，优化水热炭生物兼容性，提高水热炭利用价值，增加沼气产量。
为解决上述技术问题，本发明提供一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，其特征是，包括发酵罐体，所述发酵罐体内设有用于隔开水热炭和发酵液的物理隔离装置，所述物理隔离装置内侧添加有水热炭，所述发酵罐中物理隔离装置外侧添加有接种物和发酵液；所述发酵罐体内还设有搅拌装置和温控-加热装置，所述发酵罐体上端设有生物气收集装置。
优选地，所述物理隔离装置为不锈钢滤网，所述不锈钢滤网的网格孔径不大于0.1cm。
优选地，所述搅拌装置设置在物理隔离装置内侧，所述搅拌装置的转速为10～500r/min；所述温控-加热装置设置在物理隔离装置外侧、发酵罐体内侧。
优选地，所述水热炭的添加量为1～100 g/L。
优选地，所述发酵液的基质材料为农业废弃物，包括畜禽粪便、作物秸秆、杂草，所述接种物为驯化后的猪粪、牛粪或污泥。
优选地，所述发酵罐体内的发酵温度为15～70℃。
优选地，所述发酵液pH值为5～9。
优选地，所述发酵罐的罐底为倾斜式罐底，所述倾斜式罐底的低端设有发酵固形物和发酵液排放控制阀。
优选地，所述发酵罐一侧设有发酵罐盖起吊装置，所述发酵罐还设有加料口、压力计、温度计和pH计。
本发明还提供一种微生物陈化水热炭的回收方法，其特征是，在发酵罐中安装好不锈钢滤网，用起吊装置打开发酵罐，在不锈钢滤网内侧添加预定添加量的水热炭，在发酵罐中不锈钢滤网外侧加入接种物和发酵液；关闭并密封好发酵罐后，间歇性打开搅拌装置，提高水热炭微生物陈化改性的效率；使用体系pH调节系统对发酵体系的酸碱度进行调节，使酸碱度控制在合适的范围内；同时利用温控-加热装置将发酵温度控制在合理范围内，促进微生物的生长繁殖；发酵过程产生的沼气通过沼气收集装置进行回收；待水热炭陈化改性完成充分后，排出沼液沼渣，再将不锈钢滤网提出，获取微生物陈化改性后的水热炭。
本发明所达到的有益效果：
1.本装置以微生物发酵作为水热炭陈化改性的方法，相比传统化学改性方法，额外投入较少，且更为环境友好。
2.本装置利用微生物陈化改性过程，降低了水热炭中的有机酸和有机酚等有害可溶性有机物质，提高了水热炭的生物兼容性，同时可回收陈化改性后的水热炭，为改性后的水热炭用作土壤改良剂或其他用途提供便利。
3.本装置将水热炭中有害可溶性有机物质作为养分，为发酵过程提供更多的碳源，可促进微生物发酵过程，提高沼气产量。
综上，本发明提出的一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，实现了提高水热炭生物兼容性，且易于回收改性后的水热炭留作他用，同时提高沼气产量，具有绿色环保，环境友好的特点。
附图说明
图1 为本发明可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置的结构示意图；
图2 为四种水热炭经本装置陈化后与陈化前炭表面pH值的变化；
图3为四种水热炭经本装置陈化后与陈化前炭浸出液COD的变化；
图4 为四种水热炭经本装置陈化后与陈化前对冬小麦出芽率的影响。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，包括发酵罐体1，所述发酵罐体1内设有用于隔开水热炭和发酵液的物理隔离装置，所述物理隔离装置为不锈钢滤网2，所述不锈钢滤网2的网格孔径为0.1 cm。所述不锈钢滤网2内侧添加有水热炭，所述发酵罐中不锈钢滤网2外侧添加有接种物和发酵液。
所述发酵罐体1内还设有搅拌装置3和温控-加热装置4，所述搅拌装置3设置在不锈钢滤网2内侧，所述搅拌装置3的转速为100 r/min，搅拌装置3用来提高水热炭微生物陈化改性的效率。所述温控-加热装置4设置在不锈钢滤网2外侧、发酵罐体1内侧，温控-加热装置4用于控制发酵罐中反应温度，从而达到控制发酵过程的目的。
所述发酵罐体1上端设有生物气收集装置5，可以收集沼气。所述发酵罐的罐底为倾斜式罐底6，所述倾斜式罐底6的低端设有发酵固形物和发酵液排放控制阀7。所述发酵罐一侧设有发酵罐盖起吊装置8，所述发酵罐还设有加料口9、压力计10、温度计和pH计11。
本发明通过微生物陈化的方法对水热炭进行改性，可提高水热炭的生物兼容性，并易于回收改性后的水热炭进行利用；同时利用水热炭含有较丰富可溶性有机物的特点，为微生物发酵过程提供碳源，促进沼气的生产，有较好的应用前景。
本发明提供的可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，其使用方法如下：在发酵罐中安装好不锈钢滤网2，用起吊装置8打开发酵罐，在不锈钢滤网2内侧添加预定添加量的水热炭，在发酵罐中不锈钢滤网2外侧加入接种物和发酵液；关闭并密封好发酵罐后，间歇性打开搅拌装置3，提高水热炭微生物陈化改性的效率；使用体系pH调节系统对发酵体系的酸碱度进行调节，使酸碱度控制在合适的范围内；同时利用温控-加热装置4将发酵温度控制在合理范围内，促进微生物的生长繁殖；发酵过程产生的沼气通过生物气收集装置5进行回收；待水热炭陈化改性完成充分后，排出沼液沼渣，再将不锈钢滤网2提出，获取微生物陈化改性后的水热炭。
实施例1
本实施例中，水热炭原料分别为松木锯末和小麦秸秆，水热炭制备温度分别为200℃和260℃，水热炭的施加量（水热炭质量/发酵液体积）为50 g/L。发酵过程中的发酵物为猪粪和水稻秸秆，接种物为驯化后的猪粪。发酵罐内的温度控制在30～50℃之间。搅拌装置转速设置为100 r/min。微生物发酵60d过程结束后，对比未施加水热炭的处理，施加水热炭可使沼气产量提高10-30%。
实施例2
本实施例考察了可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置对水热炭陈化改性前后，水热炭pH值的变化。本实施例具体操作方式与实施例1类似。收集陈化后的水热炭，测量其pH值，并与陈化前的水热炭进行对比。结果显示，微生物陈化后的水热炭pH值增加明显，从酸性变为弱碱性，将大大缓解其农业应用时对土壤和作物可能产生的不利影响（图2）。
实施例3
本实施例考察了可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置对水热炭陈化改性前后，水热炭浸出液COD的变化。本实施例具体操作方式与实施例1类似。收集陈化后的水热炭，测量其浸出液COD，并与陈化前的水热炭进行对比。结果显示，微生物陈化后的水热炭COD明显下降，表明陈化前水热炭中的大部分可溶性有机物进入到发酵体系，可能被一定程度上分解。这一方面降低了水热炭的生物毒性，一方面也为微生物发酵过程提供较为丰富的有机物（图3）。
实施例4
本实施例考察了可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置对水热炭陈化改性前后，水热炭对冬小麦出芽率的影响。本实施例具体操作方式与实施例1类似。收集陈化后的水热炭，考察其对冬小麦出芽率的影响，并与陈化前的水热炭进行对比。出芽率试验在人工气候箱内开展，控制温度为20℃，在播种后15天测量小麦出芽率。结果显示，微生物陈化后的水热炭有助于小麦出芽率，陈化后水热炭处理下的出芽率均显著高于陈化前水热炭的处理（图4）。进一步证实水热炭经本装置进行微生物陈化后，水热炭的生物兼容性得到显著改善，同时本装置易于回收陈化后的水热炭，为水热炭后续资源化利用提供便利。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，其特征是，包括发酵罐体，所述发酵罐体内设有用于隔开水热炭和发酵液的物理隔离装置，所述物理隔离装置内侧添加有水热炭，所述发酵罐中物理隔离装置外侧添加有接种物和发酵液；所述发酵罐体内还设有搅拌装置和温控-加热装置，所述发酵罐体上端设有生物气收集装置所述物理隔离装置为不锈钢滤网，所述不锈钢滤网的网格孔径不大于0.1 cm；
所述发酵罐的罐底为倾斜式罐底，所述倾斜式罐底的低端设有发酵固形物和发酵液排放控制阀；
所述发酵罐一侧设有发酵罐盖起吊装置，所述发酵罐还设有加料口、压力计、温度计和pH计。
2.根据权利要求1所述的一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，其特征是，所述搅拌装置设置在物理隔离装置内侧，所述搅拌装置的转速为10～500 r/min；所述温控-加热装置设置在物理隔离装置外侧、发酵罐体内侧。
3.根据权利要求1所述的一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，其特征是，所述水热炭的添加量为1～100 g/L。
4.根据权利要求1所述的一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，其特征是，所述发酵液的基质材料为农业废弃物，包括畜禽粪便、作物秸秆、杂草，所述接种物为驯化后的猪粪、牛粪或污泥。
5.根据权利要求1所述的一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，其特征是，所述发酵罐体内的发酵温度为15～70℃。
6.根据权利要求1所述的一种可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，其特征是，所述发酵液pH值为5～9。
7.一种微生物陈化水热炭的回收方法，采用权利要求1-6任意一项所述的可回收微生物陈化水热炭的厌氧发酵装置，其特征是，在发酵罐中安装好不锈钢滤网，用起吊装置打开发酵罐，在不锈钢滤网内侧添加预定添加量的水热炭，在发酵罐中不锈钢滤网外侧加入接种物和发酵液；关闭并密封好发酵罐后，间歇性打开搅拌装置，提高水热炭微生物陈化改性的效率；使用体系pH调节系统对发酵体系的酸碱度进行调节，使酸碱度控制在合适的范围内；同时利用温控-加热装置将发酵温度控制在合理范围内，促进微生物的生长繁殖；发酵过程产生的沼气通过沼气收集装置进行回收；待水热炭陈化改性完成充分后，排出沼液沼渣，再将不锈钢滤网提出，获取微生物陈化改性后的水热炭。
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