CN110294581A

CN110294581A - 一种利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法

Info

Publication number: CN110294581A
Application number: CN201910468078.9A
Authority: CN
Inventors: 伍高燕; 高利伟; 黄红辉; 郑业鲁
Original assignee: Guangdong Guangzhou Ken Animal Husbandry Engineering Research Institute Co Ltd
Current assignee: Guangdong Guangzhou Ken Animal Husbandry Engineering Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2019-10-01

Abstract

本发明公开了一种利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法，通过在以畜禽粪污为发酵底物的厌氧发酵过程添加铁氧化物改性沸石复合添加剂实现。它的特点是投资小、制备简单、效率高，能够提高畜禽粪污厌氧发酵过程的总产气量和气体中甲烷的含量，使发酵效率更高、发酵系统稳定，解决了当前畜禽粪污厌氧发酵效率低的问题。

Description

一种利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法

技术领域

本发明涉及畜禽粪污的处理和资源化利用领域，具体是一种通过添加铁氧化物改性沸石复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气特性的方法。

背景技术

厌氧发酵，又称厌氧消化，指兼性菌和厌氧细菌在无氧的条件下，将可降解的有机物分解为CH₄、CO₂、H₂O和H₂S的过程。这是一种能把畜禽粪污处理和能源回收相结合的技术，具有投资省、能耗低、可回收利用沼气能源、负荷高、产泥少、耐冲击负荷等诸多优点。然而，在工程实际应用中，厌氧发酵受温度、抑制物、营养物质等因素影响往往发酵效能较低、稳定性较差。而向厌氧发酵系统内投入添加剂是一种有效增强厌氧发酵效能的方法。

沸石能够吸附氨氮，缓和氨氮对厌氧发酵过程的抑制作用，且能为发酵系统提供多种微量元素。再加上其价廉易得、无生物毒性、富含孔隙及比表面积大等特点，因此被视为一种优秀的微生物附着载体。此外，有研究报道，电子传递作用在厌氧发酵过程中有着至关重要的作用。而铁金属元素可作为电子导体参与厌氧发酵过程的细胞胞外电子转移，促进微生物的代谢效率进而促进产气。因此，添加经过改性的沸石添加剂，是改善畜禽粪污厌氧发酵效能，提高产气效率的方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种铁氧化物改性沸石添加剂，以提高畜禽粪污在厌氧发酵过程中的效率和稳定性，进而改善产气特性，提高沼气的产量。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案。

本发明提供一种利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法，通过在以畜禽粪污为发酵底物的厌氧发酵过程中添加铁氧化物改性沸石复合添加剂，促进总产气量和产甲烷量，改善沼气品质。

为了更好地实现发明的目的，本发明还具有以下更优的附加技术方案：

在一些实施方式中，所述的畜禽粪污，是指畜禽养殖业中产生的固体粪便和污水的总称，包括猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪、鸭粪等。所述的固体粪便粒度在0.1～5cm。

在一些实施方式中，所述的铁氧化物改性沸石复合添加剂，是指含铁物质和沸石联合制备的复合添加剂。

在一些实施方式中，所述的沸石是指天然的硅铝酸盐矿石，含有结晶水，在灼烧时会产生沸腾现象，一般化学式为A(x/q)[(AlO₂)x(SiO₂)y]·n(H₂O)，其中A为金属钙、钠、或钾阳离子，Al为金属铝元素，Si为硅元素，O为氧元素， x为铝原子数，q为A金属元素的化合价，y为硅原子数，通常(y/x)为1～5之间，n为水分子数。一般常见铝硅酸钠(NaAlSiO₄·nH₂O、NaAlSi₅O₁₂·nH₂O、 Na₂Al₂Si₂O₆·nH₂O等)、正长石KAlSi₃O₈·nH₂O、钙长石CaAl₂Si₂O₈·nH₂O等。

在一些实施方式中，所述的铁氧化物改性沸石复合添加剂，其制备方法包括以下步骤：

步骤1、挑选沸石，粒径在0.5～1.0mm，先后用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L 的HCl溶液淋洗，洗干净后干燥待用。

步骤2、往FeCl₃溶液中依次加入步骤1中洗净干燥的沸石以及NaOH溶液，并在常温下静置50小时，各物质的投入量之比为FeCl₃(0.01～0.015摩尔)：沸石(1克)：NaOH(0.01～0.015摩尔)。其中，FeCl₃溶液和NaOH溶液的浓度一般选用0.5mol/L～1mol/L。

步骤3、然后向步骤2中的混合物加入10mol/L的NaOH溶液，缓慢搅拌后隔水升温至60～70℃并反应7天。投入量与沸石的比为：沸石(1克)：NaOH(0.02 摩尔)。

步骤4、最后将得到的沉淀物过滤并用蒸馏水清洗干净直至没有氯离子检出，在50～60℃的烘箱内加热烘干即可。

在一些实施方式中，所制备的铁氧化物改性沸石复合添加剂的投加量为畜禽粪污体积的2％～8％。

在一些实施方式中，所述的厌氧发酵是指在无氧的环境下，控制总固体浓度为6％～10％、初始pH值为6.8～7.8、反应温度为25～40℃、发酵时间为20～40 天、接种物为沼气池正常运行状态下的沼液的厌氧发酵。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

首先，投资小。沸石、FeCl₃、NaOH、HCl均廉价易得，因此该复合添加剂成本较低。其次，制备简单。该复合添加剂的制备过程不涉及复杂的设备、精准的温度控制和较高的操作技术要求。最重要的是，发酵效率高。一方面，铁氧化物改性沸石复合添加剂的铁元素作为电子导体参与了厌氧发酵过程的细胞胞外电子转移，促进了微生物的代谢效率；另一方面，复合添加剂中的沸石能够为微生物提供附生长的载体，且沸石的离子交换功能能够吸附发酵液中的氨氮，在缓和氨氮对产甲烷菌抑制作用的同时，能为附着在其表面的硝化细菌提供氨氮，促进氨氮转化成硝酸。本发明在畜禽粪污中加入铁氧化物改性沸石复合添加剂与直接利用畜禽粪污进行厌氧发酵相比，提高了总的产气量和气体中甲烷的含量，使发酵效率更高、发酵系统稳定，解决了当前畜禽粪污厌氧发酵效率低的问题。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合实例作进一步详细的描述。以下实施例子采用如下装置进行：

发酵装置由500mL发酵瓶、恒温水浴摇床、5000mL刻度集气瓶、排水槽等部分组成。发酵瓶被置于恒温水浴摇床瓶上以控制发酵温度。该瓶用大小合适的硅胶塞密封，并用打孔器在硅胶塞上打两个孔，分别接上两根大小合适的硬塑料管，一根与刻度集气瓶的导管连接，用于收集沼气，另一根作为取样管。刻度集气瓶中装满饱和食盐水。当发酵瓶中产生沼气时，沼气通过导管进入刻度集气瓶，瓶中原有的饱和食盐水受沼气压力被排入排水槽中。通过测量刻度集气瓶的刻度差，可以计算出沼气的体积。其中甲烷含量采用气相色谱法分析。

当然，在实施过程中也可以利用其他结构的装置，上述装置仅是其中一种实施例的情况。

实施例1

本实施提供一种利用复合添加剂改善鸡粪厌氧发酵产气效果的方法，具体实施步骤如下：

(1)挑选粒径在0.5～1.0mm的沸石200克，先后用0.1mol/L的NaOH和 0.1mol/L的HCl溶液淋洗，洗干净后干燥待用。

(2)往2000mL 1mol/L的FeCl₃溶液中加入(1)中洗净干燥的沸石，再加入2000mL1mol/L的NaOH溶液，并在常温下静置50小时。

(3)然后向(2)中的混合物加入400mL 10mol/L的NaOH溶液，缓慢搅拌后隔水升温至60～70℃并反应7天。

(4)最后将得到的沉淀物过滤并用蒸馏水清洗干净直至没有氯离子检出，在50～60℃的烘箱内加热烘干备用。

(5)选用鸡粪做发酵底物，并剔除鸡粪中大于5cm的颗粒。接种物为活性污泥，取自广东省湛江市南华猪场以猪粪为发酵原料正常发酵的沼气系统的沼液。将发酵底物和接种物加入到4个500mL发酵瓶中，每个发酵瓶工作体积均为400mL，系统接种物量为30％，初始总固体浓度为8％，用HCl和NaOH微调初始pH值至7.5。

(6)将步骤(4)中处理好的铁氧化物改性沸石复合添加剂按照2％、5％和8％三个梯度的体积分数分别加到发酵瓶中，并设置对照组，记为0％。

(7)试验开始前向发酵瓶中通5min氮气以保证厌氧环境，随后迅速用硅胶塞密封发酵瓶，并将其置于恒温水浴中厌氧发酵30天，控制发酵温度为30℃. 期间每天手动摇发酵瓶2次，每次约1min。

(8)采用记录集气瓶刻度的方法计算沼气的体积，每5天取一次气样检测甲烷的含量。

上述实施例效果为：

在发酵过程的30天内，铁氧化物改性沸石复合添加剂添加量为2％、5％和 8％的三个试验组累积产沼气量分别为2877mL、3159mL和3560mL，较对照组分别提高了15.73％、27.07％和43.20％。沼气中甲烷含量也明显提高，其中添加复合添加剂为5％的试验组最高，甲烷含量达到71.5％，较对照组提高了9.1％。

实施例2

本实施提供一种利用复合添加剂改善猪粪厌氧发酵产气效果的方法，具体实施步骤如下：

(5)选用猪粪做发酵底物，并剔除猪粪中大于5cm的颗粒。接种物为活性污泥，取自广东省湛江市南华猪场以猪粪为发酵原料正常发酵的沼气系统的沼液。将发酵底物和接种物加入到4个500mL发酵瓶中，每个发酵瓶工作体积均为400mL，系统接种物量为30％，初始总固体浓度为6％，用HCl和NaOH微调初始pH值至7.5。

(7)试验开始前向发酵瓶中通5min氮气以保证厌氧环境，随后迅速用硅胶塞密封发酵瓶，并将其置于恒温水浴中厌氧发酵25天，控制发酵温度为35℃. 期间每天手动摇发酵瓶2次，每次约1min。

上述实施例效果为：

在发酵过程的25天内，铁氧化物改性沸石复合添加剂添加量为2％、5％和 8％的三个试验组累积产沼气量分别为3065mL、3341mL和3561mL，较对照组分别提高了29.49％、41.15％和50.44％。沼气中甲烷含量也明显提高，其中添加复合添加剂为5％的试验组最高，甲烷含量达到74.7％，较对照组提高了7.3％。

实施例3

本实施提供一种利用复合添加剂改善牛粪厌氧发酵产气效果的方法，具体实施步骤如下：

(5)选用牛粪做发酵底物，并剔除牛粪中大于5cm的颗粒。接种物为活性污泥，取自广东省湛江市南华猪场以猪粪为发酵原料正常发酵的沼气系统的沼液。将发酵底物和接种物加入到4个500mL发酵瓶中，每个发酵瓶工作体积均为400mL，系统接种物量为30％，初始总固体浓度为8％，用HCl和NaOH微调初始pH值至7.5。

(7)试验开始前向发酵瓶中通5min氮气以保证厌氧环境，随后迅速用硅胶塞密封发酵瓶，并将其置于恒温水浴中厌氧发酵30天，控制发酵温度为35℃. 期间每天手动摇发酵瓶2次，每次约1min。

在发酵过程的30天内，铁氧化物改性沸石复合添加剂添加量为2％、5％和 8％的三个试验组累积产沼气量分别为4113mL、4752mL和5433mL，较对照组分别提高了29.38％、49.48％和70.90％。沼气中甲烷含量也明显提高，其中添加复合添加剂为5％的试验组最高，甲烷含量达到78.90％，较对照组提高了11.0％。

以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法，其特征在于，在以畜禽粪污为发酵底物的厌氧发酵过程添加铁氧化物改性沸石复合添加剂，提高总产气量和产甲烷量，改善沼气品质。

2.如权利要求1所述的利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法，其特征在于，所述的畜禽粪污为畜禽养殖业中产生的固体粪便和污水的总称。

3.如权利要求2所述的利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法，其特征在于，所述的固体粪便包括猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪、鸭粪，所述的固体粪便粒度在0.1～5cm。

4.如权利要求1所述的利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法，其特征在于，所述的铁氧化物改性沸石复合添加剂为含铁物质和沸石联合制备的复合添加剂。

5.如权利要求4所述的利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法，其特征在于，所述的沸石为天然的硅铝酸盐矿石，含有结晶水，在灼烧时会产生沸腾现象，一般化学式为A(x/q)[(AlO₂)x(SiO₂)y]·n(H₂O)，其中A为金属钙、钠、或钾阳离子，Al为金属铝元素，Si为硅元素，O为氧元素，x为铝原子数，q为A金属元素的化合价，y为硅原子数，通常y/x为1～5之间，n为水分子数。

6.如权利要求1或4所述的利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气特性的方法，其特征在于，所述的铁氧化物改性沸石复合添加剂，其制备方法包括以下步骤：

步骤1、挑选沸石，粒径在0.5～1.0mm，先后用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl溶液淋洗，洗干净后干燥待用；

步骤2、往FeCl₃溶液中依次加入步骤1中洗净干燥的沸石以及NaOH溶液，并在常温下静置50小时，各物质的投入量之比为FeCl₃ 0.01～0.015摩尔：沸石1克：NaOH 0.01～0.015摩尔，其中，FeCl₃溶液和NaOH溶液的浓度一般选用0.5mol/L～1mol/L；

步骤3、然后向步骤2中的混合物加入10mol/L的NaOH溶液，缓慢搅拌后隔水升温至60～70℃并反应7天，投入量与沸石的比为：沸石1克：NaOH0.02摩尔；

7.如权利要求1或6所述的利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法，其特征在于，所述的铁氧化物改性沸石复合添加剂的投加量为畜禽粪污体积的2％～8％。

8.如权利要求1所述的利用复合添加剂改善畜禽粪污厌氧发酵产气效果的方法，其特征在于，所述的厌氧发酵是指在无氧的环境下，控制总固体浓度为6％～10％、初始pH值为6.8～7.8、反应温度为25～40℃、发酵时间为20～40天、接种物为沼气池正常运行状态下的沼液的厌氧发酵。