CN109680013A

CN109680013A - 一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法

Info

Publication number: CN109680013A
Application number: CN201811138550.4A
Authority: CN
Inventors: 陈柳萌; 桂伦; 陈庆隆; 张�诚; 聂红; 马吉平; 吁安; 姚健
Original assignee: Agricultural Application Microbe Institute Of Jiangxi Academy Of Agricultural Sciences (jiangxi Rural Energy Research Center)
Current assignee: Agricultural Application Microbe Institute Of Jiangxi Academy Of Agricultural Sciences (jiangxi Rural Energy Research Center)
Priority date: 2017-09-30
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2019-04-26

Abstract

一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法，属于可再生能源开发利用领域。依次包含下面所述步骤：养殖粪除杂物后进入匀浆池，采用沼液回流接种和调节发酵浓度，匀浆池的最终TS浓度控制在6‑8%左右；甘蔗叶粉碎后在水解池中采用沼液回流曝气处理后进入发酵罐进行厌氧发酵；猪粪与甘蔗叶在进料罐中混匀后进入发酵罐厌氧发酵。本发明在产甲烷的主要物质基础猪粪内加入甘蔗叶，使得日产甲烷量更高，且随着进料负荷的增加，日产甲烷量随进料负荷的增加而增加，发酵系统状态稳定。

Description

一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法

技术领域

本发明属于可再生能源开发利用领域，具体属于一种多种原料混合厌氧发酵的方法。

背景技术

随着人类对可持续发展和保护地球环境的日益重视，生物质资源的开发利用引起了广泛关注，其厌氧发酵产生沼气作为一种重要途径越来越受到人们的关注。沼气是有机物质在厌氧条件，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体，在处理固废方面，厌氧生物处理技术主要处理对象为高含水率的易生物降解原料，如下水道污泥、粪便等。而稻秆作为农业生产中数量最大的副产品也是厌氧生物处理技术的主要对象。长期以来，人们一直致力于提高沼气的平均产量和反应容积产气率的研究，同时也在探究是否有可以替代的有机物质厌氧发酵原料，通过不停的探索破解上述难题的技术途径，有的使用物理方法，有的使用化学方法，还有的使用生物方法，但由于受经济性的制约，上述方法很难投入实际工程应用。随着人类对开发利用生物质能需求的日益增加，如何寻求上述问题的突破已经成为一处亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上面所述缺陷，提供一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法，该方法将甘蔗叶替代传统的稻秆，能有效提高沼气的日平均产量和反应容积产气率。

本发明的目的是通过以下技术方法予以解决的。

一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于，依次包含下面所述步骤：

①养殖粪除杂物后进入匀浆池，采用沼液回流接种和调节发酵浓度，匀浆池的最终TS浓度控制在6-8%左右；

②甘蔗叶粉碎后在水解池中采用沼液回流曝气处理后进入发酵罐进行厌氧发酵；

③甘蔗叶粉碎后进入水解池，采用沼液回流调整物料浓度进行曝气处理，TS浓度控制在10%左右；

④猪粪与甘蔗叶在进料罐中混匀后进入发酵罐厌氧发酵。

步骤②中甘蔗叶粉碎后粒径为1-2cm，水解温度30-35℃，曝气时间12-16h，以甘蔗叶不在液面漂浮为曝气终点。

步骤③中曝气量为150Nm³空气/h，曝气压力500mbar，曝气间歇的开闭时间为15min。

步骤④中VS甘蔗叶∶VS猪粪＝0.4∶1－0.1∶1。

步骤④中发酵时搅拌转速为2rpm/min，混合物料的进料浓度为10%。

本发明的有益效果是：本发明在产甲烷的主要物质基础猪粪内加入甘蔗叶，使得日产甲烷量更高，且随着进料负荷的增加，日产甲烷量随进料负荷的增加而增加，发酵系统状态稳定。本发明将甘蔗叶这种高C物料加入到猪粪这类高N类物料中发酵，可以有效缓解猪粪这类高N类物料发酵带来的氨氮抑制等问题，稳定系统发酵状态，且进料浓度高达10%以上。本发明方法简单，适应性强，操作简便，可实现连续式、大批量、自动化生产加工，大幅度提高甲烷的生产效率，降低生产成本，提高产量，提高经济效益的目的，便于推广利用。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

图2为本发明粉碎程度对甘蔗叶累积产甲烷量的影响图。

图3为本发明粉碎粒径对甘蔗叶的日产甲烷速率的影响图。

图4为本发明甘蔗叶与猪粪不同VS比混合发酵对单位产甲烷量的影响图（TS=10%）。

图5为本发明甘蔗叶连续厌氧发酵产甲烷速率图。

图6为本发明甘蔗叶连续厌氧发酵过程指标监测数据（NH₄ ⁺-N）图。

图7为本发明甘蔗叶连续厌氧发酵过程指标监测数据（TIC、VFA）图。

图8为本发明猪粪厌氧发酵过程中的日产甲烷量及pH监测结果图。

图9为本发明猪粪厌氧发酵的过程指标（TIC 、NH₄ ⁺-N）监测结果图。

图10为本发明猪粪厌氧发酵的过程指标（VFA）监测结果图。

图11为本发明混合物料（VS比＝0.2∶1）厌氧发酵过程中日产甲烷量及pH监测结果图。

图12为本发明混合物料（VS比＝0.1∶1）厌氧发酵过程中日产甲烷量及pH监测结果图。

图13为本发明混合物料（VS比＝0.2∶1）厌氧发酵过程指标（NH₄ ⁺-N、TIC）监测结果图。

图14为本发明混合物料（VS比＝0.1∶1）厌氧发酵过程指标（NH₄ ⁺-N、TIC）监测结果图。

图15为本发明混合物料（VS比＝0.2∶1）厌氧发酵过程指标（VFA）监测结果图。

图16为本发明混合物料（VS比＝0.1∶1）厌氧发酵过程指标（VFA）监测结果图。

图17为本发明试验期间卧式发酵罐的沼气产量趋势图。

图18为本发明卧式发酵罐的pH和VFA/TIC比值的变化趋势图（进料浓度12%）。

图19为本发明卧式发酵罐的NH₄ ⁺-N的变化趋势图（进料浓度12%）。

具体实施方式

实施例1。

一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法，依次包含下面所述步骤：

④猪粪与甘蔗叶在进料罐中混匀后进入发酵罐厌氧发酵。

步骤④中VS甘蔗叶∶VS猪粪＝0.4∶1－0.1∶1。

实验例。

1 适用高浓度厌氧发酵（TS＝10%－12%）的预处理工艺。

1.1 高浓度湿法厌氧发酵反应器。

本发明采用的高浓度湿法厌氧反应器（物料的进料浓度TS=10-12%）为一组采用“卧式+立式”二级串联式高浓度厌氧发酵装置，主要由1.2 m³的物料混合罐，13 m³的卧式CSTR发酵罐（有效容积11.9m³），6.64 m³的立式CSTR发酵罐（有效容积5.8m³）及各种配套装置组成。

1.2 甘蔗叶的预处理工艺。

基于本发明厌氧发酵反应器的工艺要求，课题组通过试验明确了甘蔗叶粒径尺寸、沼液菌群曝气参数对甘蔗叶预处理效果的影响。并以此为基础提出了针对高浓度厌氧发酵（TS=10-12%）的预处理工艺设计。该系统采用螺杆泵自动进料。

1.2.1甘蔗叶粒径尺寸对其厌氧产甲烷特性的影响。

采用产甲烷潜力分析测试系统（瑞典碧普 AMPTSII）对2种不同粒径（1cm、20目）的甘蔗叶进行厌氧产甲烷试验。试验结果表明：2种不同粒径（1cm、20目）甘蔗叶前35d的单位甲烷产量分别为143.9±7.7 mL/gVS、149.6±6.8mL/gVS，表明两者之间无显著差异（邓肯分析，α=0.05）。而从累积产甲烷量（图2）和日产甲烷速率（图3）的变化趋势可进一步明确，粒径大小对其产甲烷特性无显著性影响，这一结果与干法发酵（TS=20%）的试验结果一致。为此，出于能耗考虑，本工艺选择1-2cm粒径进行中试试验。

1.2.2间歇式曝气参数对甘蔗叶预处理效果的影响。

以中试基地的水解池（Φ=2.5m、H=5m）与曝气装置（罗茨鼓风机）为基础，出于连续曝气带来的能耗考虑，本试验在常温条件下，恒定曝气量（150 Nm³空气/h）和曝气压力（500mbar），考察间歇式曝气时间对甘蔗叶预处理效果的影响，要求处理时间控制在1d以内即可。试验循环处理7次，结果取平均值。

表1试验原料的基本性质

实验结果表明：曝气的间歇时间对甘蔗叶完全沉降的时间无显著性。因此，本工艺选择开闭时间15 min作为间歇式曝气的控制条件。

表2试验原料的基本性质

1.3 甘蔗叶与猪粪混合发酵工艺研究。

课题组通过开展①主要发酵物料（甘蔗叶、猪粪）的产甲烷潜力测试；②两种发酵物料（甘蔗叶、猪粪）混合发酵配比试验；③单一物料和混合物料的连续发酵试验等，获得了用于高浓度湿法厌氧发酵工艺的最佳组合比例，摸清了连续发酵过程中的厌氧产气特性，为中试试验提供了理论依据和研究基础。

1.3.1两种主要发酵物料（甘蔗叶、猪粪）的基础性质及产甲烷潜力测试。

通过物料的基础理化性质测定和产甲烷潜力测试，掌握了物料的厌氧产气基础数据。其中：甘蔗叶和猪粪的单位产甲烷量分别为193.3mL/g VS、392.7 mL/g VS，说明上述两种物料具有不错的产甲烷潜力。但甘蔗叶的C/N很高，约120:1，与厌氧发酵所需的C/N需求（15-40:1）相差很大，需要通过与猪粪（14:1）组配获得更为合理的C/N比例。

表3试验原料的基础性质测定结果

表4甘蔗叶、猪粪两种物料的产甲烷潜力分析结果

1.3.2 甘蔗叶与猪粪的混合配比发酵试验（批次发酵试验）。

通过甘蔗叶与猪粪的不同VS比例（表5）混合厌氧产甲烷试验，明确了适用于连续厌氧发酵的配比关系。

表5不同VS配比条件下甘蔗叶与猪粪配比关系

如图4所示，甘蔗叶与猪粪混合后，不同VS比对其单位物料产甲烷量存在较大影响。整体上，随猪粪比例增大，单位物料产甲烷量呈递增趋势，当VS甘蔗叶：VS猪粪≤0.2:1后的两个试验处理的单位物料产甲烷量基本追平猪粪处理组、且无显著性差异。这表明：就“甘蔗叶+猪粪”组合进行混合厌氧发酵，猪粪是主发酵物料，占比大，是产甲烷的主要物质基础；而甘蔗叶是补充物料，占比相对较小。添加一定比例的甘蔗叶，有助于改善混合物料的C/N平衡，为发酵系统提供支持。

1.3.3 单一物料与混合物料的厌氧发酵过程研究（连续发酵试验）。

通过单一物料和混合物料的连续厌氧发酵试验（装置为瑞典碧普公司的生化模拟反应器，有效体积1.8L），摸清了甘蔗叶与猪粪这两种物料各自的厌氧消化特性，以及不同比例猪粪原料对甘蔗叶厌氧消化特性的影响。进而为后续的中试试验的放大和示范提供试验支撑。

试验结果表明：①甘蔗叶因其高C/N及难消化的特性，表现出的产气特性不理想，单位物料的产甲烷量较低（68mL/gVS），该数值远低于甘蔗叶的产甲烷潜力（193.7 mL/gVS）。而猪粪的试验结果与此截然不同，在一定的进料负荷范围内，猪粪因其高N含量和易消化的特点，使其拥有较高的日均单位产甲烷量（361ml/gVS），该数值接近于猪粪的产甲烷潜力（392.7 ml/gVS）。②通过配比适当比例的猪粪，能够改善甘蔗叶的厌氧消化特性，获得较高的产甲烷效率。而甘蔗叶的存在，可适当减缓因猪粪进料负荷过高而产生的氨氮抑制。

（1）单一物料与混合物料厌氧发酵的过程监测与比对分析。

表6连续发酵试验设计

连续发酵试验的启动：①按VS接种物：VS物料=2:1的比例启动试验；②待日产甲烷量降低至100mL/d时开始进料；③过程指标监测（VCH4、pH、TIC、VFA、NH₄ ⁺-N）。

试验结果表明：

1）以纯甘蔗叶为发酵物料（单一物料）。

甘蔗叶在厌氧发酵过程中，日产甲烷量（图5）在整体上尽管也呈现出随进料负荷增加而增加的趋势；但较低的含N量（C/N比约为120:1）制约了微生物的生长繁殖，加之甘蔗叶致密的纤维结构、相对缓慢的降解速度，使得日产甲烷量对进料负荷增加的响应相对滞后，这一点与猪粪物料有很大区别。②进一步分析产甲烷数据可知，在四个不同进料负荷下（0.8 gVS/d/L，1.3 gVS/d/L，1.8 gVS/d/L，2.3 gVS/d/L），平均单位物料产甲烷量依次分别为96.5 mL/gVS、100mL/gVS、92.5 mL/gVS、106.2 mL/gVS，远低于甘蔗叶的产甲烷潜力（193mL/gVS）。这表明，甘蔗叶的产甲烷利用还存在较大空间，充分的预处理和合理的C/N平衡能够进一步挖掘甘蔗叶的产甲烷潜力。

甘蔗叶是一种典型的高C低N类物料，较低N含量使得反应系统中的NH₄ ⁺-N指标（图6）在经过一个滞留期后，从起始的2412mg/L逐渐降低200mg/L，此后一直维持在200-400mg/L之间，这使得试验期间的游离氨浓度非常低，将不会产生氨抑制现象。

TIC指标在前一个滞留期内呈现出逐步降低的趋势，随后逐渐稳定在1500 mg/L左右；而VFA指标也基本均维持在400mg/L以内。计算分析VFA/TIC比值（代表系统风险值）也一直处于0.4以下，这表明发酵系统暂未出现酸抑制现象。但是，pH值随进料负荷增加呈现出逐步降低的趋势，特别是当进料负荷>1.3g VS/d/L后，pH出现较大降幅，在进料负荷2.3gVS/d/L时，pH处在6.7-7.0之间。这表明：如果继续加大甘蔗叶的进料负荷，则有将会出现酸抑制情况。

综合（图6、图7）当进料负荷达到2.8gVS/d/L后，发酵系统出现酸抑制情况。主要表现在，pH已经下降至6.2左右，在第150-154d时，TIC降至1000以内，VFA超过500mg/L，VFA/TIC的比值超过0.4。此时，发酵系统（甲烷产量及各项指标）出现剧烈振荡。

2）以猪粪为发酵物料（单一物料）。

试验结果表明：日产甲烷量（图8）呈现出随进料负荷增加而增加的趋势，且增幅明显、响应迅速，这表明：猪粪物料易降解，在发酵过程中能够被快速降解和甲烷化。TIC、NH₄ ⁺-N数据（图9、图10）随进料负荷的增加而增加的趋势，这表明与猪粪高N含量有关，N源在厌氧发酵过程中产生了大量的NH₄ ⁺-N和不断被电离出的游离NH₃，而后者会与CO₂和水产生NH₄HCO₃，这是TIC不断增加的主要原因，同时也让厌氧发酵系统对小分子挥发酸拥有更强缓冲能力，使得尽管VFA浓度不断升高，而系统pH仍维持在之间。进一步分析产甲烷数据可知，在四个不同进料负荷下（0.8 gVS/d/L，1.3 gVS/d/L，1.8 gVS/d/L，2.3 gVS/d/L），平均单位物料产甲烷量依次分别为372.60 mL/gVS、356.91 mL/gVS、349.46 mL/gVS、328.17mL/gVS，该数值的不断降低表明，NH₄ ⁺-N对产甲烷菌的抑制作用也正在逐渐增强。发酵过程中VFA浓度的不断累积，表明：除了不断增强的氨氮抑制原因外，主要还是产甲烷菌的迭代速度较产酸菌慢所造成，使得发酵过程中挥发酸转化率（产甲烷阶段）远远低于挥发酸产生率（产酸阶段），进而导致酸浓度不断提高。

3）以混合物料为发酵物料。

与单一物料（猪粪或甘蔗叶）试验组相比，混合物料的日产甲烷量（如图11、图12）在整体上也呈现出随进料负荷增加而增加的趋势。但在相同进料负荷下，混合物料的日产甲烷量介于两个单一物料（甘蔗叶与猪粪）之间；而且猪粪比例越高的混合物料试验组拥有更高的产甲烷量，这表明对于“甘蔗叶+猪粪”组合，猪粪是产甲烷的主要物质基础，甘蔗叶对甲烷产量的贡献相对较弱。②混合物料的pH值随进料负荷增加呈现出逐步降低的趋势，但受猪粪物料的高N含量影响，pH下降的幅度较单一甘蔗叶试验组要小。试验结束时，系统pH在7.5左右。

如图13和图14可知，混合物料试验组受甘蔗叶的影响，其NH₄ ⁺-N整体上呈现出略微下降的趋势，这与单一猪粪试验组的结果截然不同。这表明，甘蔗叶的加入，通过调节混合物料的C/N比，消耗系统内部大量的N源，进而减轻NH3浓度过高给系统带来的抑制和影响。TIC指标尽管在试验过程中表现出逐渐增加的趋势，但因NH₃浓度的有效控制，没有出现类似单一猪粪试验组中有较大增幅的现象。

VFA指标（图15和图16）在发酵过程中呈现出随进料负荷增加而增加的趋势，这一趋势与单一猪粪试验组的类似，与甘蔗叶试验组相反。上述试验现象进一步表明：对于“甘蔗叶+猪粪”组合，猪粪物料在混合发酵中起主要作用。

1.4 高浓度湿法厌氧发酵中试及试验示范。

试验材料与方法。

试验地点：新余市罗坊镇沼气站物料预处理：甘蔗叶经沼气浸泡+曝气处理后，按比例混合猪粪。进料量与滞留期：本试验采用“甘蔗叶+猪粪”组合（VS稻秆:VS猪粪=0.2:1和0.1:1），本试验每日总进料量约为480kg，发酵滞留期为25d；试验参数：常温发酵，搅拌转速为2rpm/min；运行数据检测：沼气产量、CH4%、VFA、TIC、NH₄ ⁺-N。

表7发酵罐运行方案

（2）试验结果与分析。

如图17所示，当混合发酵的进料浓度达到12%后，连续运行70d，其中两种VS比例（0.2:1，0.1:1）各运行1个滞留期。试验结果表明：两种比例下的产气波动无明显差异，卧式厌氧发酵的平均日产沼气量约为19.6±0.21 m³/d，折容积产气率为1.63 m³/(m³∙d)，甲烷含量基本稳定在60%左右，物料的VS转化率为68.3%，达到指标预期。试验期间，整个系统的各反应器未出现搅拌不均、进出料困难等情况；通过卧式反应器上方视镜观察到罐内无浮渣结壳等情况发生。

当进料浓度达到12%后，开始对发酵系统的主要过程指标（pH、VFA、TIC、NH₄ ⁺-N）进行监测，如图18和图19可知，卧式发酵罐的系统稳定，VFA/TIC比值均处于0.4（警戒值）以下；NH₄ ⁺-N指标也基本维持在4000-5000mg/L之间；pH基本处在7.5-7.7之间。

表8混合厌氧发酵工艺技术指标数据

文中：1.TS：总固形物浓度（单位，%）；2.VS：挥发性固体物浓度（单位，%）；3.氨氮浓度；（NH4+-N）；4.挥发性脂肪酸浓度；（Volatile fatty acids，VFAs）；5.碳酸氢盐（TIC）碱度。

Claims

1.一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于，依次包含下面所述步骤：

④猪粪与甘蔗叶在进料罐中混匀后进入发酵罐厌氧发酵。

2.根据权利要求1所述一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于：步骤②中甘蔗叶粉碎后粒径为1-2cm，水解温度30-35℃，曝气时间12-16h，以甘蔗叶不在液面漂浮为曝气终点。

3.根据权利要求2所述一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于：步骤③中曝气量为150Nm³空气/h，曝气压力500mbar，曝气间歇的开闭时间为15min。

4.根据权利要求1所述一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于：步骤④中VS甘蔗叶∶VS猪粪＝0.4∶1－0.1∶1。

5.根据权利要求1所述一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于：步骤④中发酵时搅拌转速为2rpm/min，混合物料的进料浓度为10%。