CN110452816A - 一种农作物秸秆废物高效水解发酵的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种农作物秸秆废物高效水解发酵的装置及方法。所述的农作物秸秆废物高效水解发酵的装置包括水解发酵仓，所述的水解发酵仓设有加热回流喷淋系统；所述的水解发酵仓包括发酵液收集槽，发酵液收集槽上方设有筒仓主体，筒仓主体底部设有底部筛网；所述的加热回流喷淋系统包括回流调节池，回流调节池连接发酵液接收槽和回流泵，回流泵连接换热器，换热器连接喷淋阀门，喷淋阀门连接设于筒仓主体内的喷淋管道，水解发酵仓的侧壁上设有风机。本发明物料水解效率高。

Description

一种农作物秸秆废物高效水解发酵的方法及装置
技术领域
本发明属于有机固体废物处理领域，涉及到利用耐高温纤维素降解菌株和固态淋滤床微好氧发酵环境促进秸秆废物水解发酵的方法以及为匹配高温复合菌系适宜温度所设计的余热加热回流喷淋装置。
背景技术
利用厌氧消化生产沼气是农业有机废物资源化利用的重要技术，通过厌氧微生物的代谢可以将有机物转化为甲烷等气体供能量利用。
目前主流厌氧发酵反应器均采用完全混合式反应器，基于搅拌装置实现物料与微生物的均化、混合，但秸秆等物料密度轻、易漂浮，容易引发上层结壳、出料困难等问题，妨碍实际工程的连续运行；因此，搅拌型厌氧消化技术难以在我国推广应用，需要根据原料特性选择合适的工艺方法和发酵装置。
国内学者近年来提出分相好氧与厌氧的处理方法，通过浸滤床水解和水解液甲烷化消化产沼气实现两相分离，提升产酸相含固率和容积负荷，且无需搅拌装置(CN101920259 B)。但农作物秸秆的主要成分是木质素、半纤维素和纤维素，这些结构复杂的纤维素不能被大多数微生物作为碳源直接利用；在高含固率(20～40％)条件下，物料的水解进一步受到限制。采用科学调控方法和适用装备来强化高含固率、高纤维含量的物料水解，是解决该技术推广使用的关键问题。
天然纤维素降解菌种类繁多，功能不一；单一菌株作为接种剂作用有限，构建由不同特性的多菌株组成的复合菌系用于促进木质纤维素的降解或发酵，受到国内外越来越多研究者的重视。特别是对已有高效菌株进行合理优化和组合，各菌株的特性明确、单菌株活性高，复配菌剂的质量和稳定性容易控制。
发明内容
本发明目的是提供一种适用于农作物秸秆废物的高效水解发酵的方法及装置。
为了达到上述目的，本发明提供了一种农作物秸秆废物高效水解发酵的装置，其特征在于，包括水解发酵仓，所述的水解发酵仓设有加热回流喷淋系统；所述的水解发酵仓包括发酵液收集槽，发酵液收集槽上方设有筒仓主体，筒仓主体底部设有底部筛网；所述的加热回流喷淋系统包括回流调节池，回流调节池连接发酵液接收槽和回流泵，回流泵连接换热器，换热器连接喷淋阀门，喷淋阀门连接设于筒仓主体内的喷淋管道，水解发酵仓的侧壁上设有风机。
优选地，所述的水解发酵仓还设有微氧曝气系统，所述的微氧曝气系统包括布置在底部筛网下方的通风管道，通风管道连接曝气圆盘。
更优选地，所述的发酵液收集槽上方设有支撑台架，筒仓主体设于支撑台架上。
更优选地，所述的筒仓主体的外壁包裹保温材料，优选为聚氨酯发泡材料。
更优选地，所述的喷淋管道包括设于筒仓主体顶部和中部的可拆卸的PVC液体输送管道以及固定在筒仓主体内壁上的不锈钢液体输送管道，筒仓主体顶部的PVC液体输送管道通过连接件连接不锈钢液体输送管道，不锈钢液体输送管道通过连接件连接筒仓主体中部的PVC液体输送管道，PVC液体输送管道上设有喷淋头，筒仓主体顶部的PVC液体输送管道连接喷淋阀门。
更优选地，所述的发酵液收集槽内分别布置了温度探头和氧化还原电位探头，温度探头和氧化还原电位探头连接PLC控制系统。
更优选地，所述的发酵液接收槽连接厌氧消化池，厌氧消化池连接热电联产设备，热电联产设备连接换热器。
本发明还提供了一种农作物秸秆废物高效水解发酵的方法，其特征在于，采用上述的农作物秸秆废物高效水解发酵的装置，具体步骤包括：
步骤1：农作物秸秆废物经破碎后送入水解发酵仓；
步骤2：将接种高温复合菌种的培养液灌至回流调节池，开启回流泵和喷淋阀门，高温复合菌种的培养液经喷淋管道渗流进入农作物秸秆废物中进行发酵，所产生的沼液渗流到发酵液接收槽；发酵过程中将接种高温复合菌种的培养液和沼液按体积比4:1～1:4在回流调节池进行混合，将所得混合物先经过换热器加热至55～70℃，再由喷淋管道喷洒分散至农作物秸秆废物的上层和中层；
步骤3：发酵结束后，将水解发酵仓中物料出料，经过堆酵干燥处理后用作栽培基质。
优选地，所述的发酵液接收槽收集的沼液由泵送入厌氧消化池产沼气。
优选地，所述的发酵过程中开启风机，以间歇通风方式为水解发酵仓供氧，通风频率为每间隔3～12小时通风1次，每次持续15～60分钟。
本发明提供了一种适用于高含固率、高纤维含量农业秸秆高效水解的方法及发酵装置，特别是通过高温复合木质纤维素降解菌系的使用来加快农业秸秆物料的水解；发酵液喷淋可促进水解酶和底物接触、消除水解产物抑制；甲烷相发酵液加热后回流喷淋，既能为高温复合菌系提供有利条件，又可对产甲烷菌构成抑制甚或灭活作用，消除水解酸化阶段的产甲烷活力，提升厌氧段沼气产量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明基于固态淋滤发酵床的反应器构型，联合发酵液回流加热一体化结构，并投加高温木质纤维素降解复合菌剂来有效提升物料水解效率。
(2)本发明充分考虑了纤维素类物料水解强化措施，联合采用接种高温纤维素降解复合菌种和高温发酵，加快物料水解；
(3)本发明改进传统的以外壁包裹水热循环管道的加热方法，采用发酵液回流加热一体化结构，简化了反应器结构；
(4)本发明发酵液回流根据发酵仓容积尺寸和高度，设置分层喷淋管，可有效减少渗流分布不均的现象；
(5)本发明以沼气热电联产方式为发酵液加热提供热源，加热后回流液体水温在60～70℃，可直接通过高温抑制回流沼液中产甲烷菌的活性，削减水解产酸相的碳损失，提高系统沼气产量；
(6)适当的曝气可以促进好氧、兼氧微生物生长，显著提高纤维素的分解效率。同步间歇曝气供氧，也可显著提高纤维素的分解效率。
附图说明
图1为农业秸秆废物高效水解发酵装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所示，为农业秸秆废物高效水解发酵装置，所述的农业秸秆废物高效水解发酵装置包括水解发酵仓1，所述的水解发酵仓1设有加热回流喷淋系统12和微氧曝气系统13。
所述的水解发酵仓1包括发酵液收集槽5，发酵液收集槽5上方设有支撑台架9，支撑台架9上设有筒仓主体15，支撑台架9用于支撑筒仓主体15，筒仓主体15设有进料口和出料口6，筒仓主体15底部设有底部筛网17，农业秸秆废物置于筒仓主体15中发酵，筒仓主体15内产生的沼液能够经底部筛网17流入发酵液收集槽5。筒仓主体15的外壁包裹聚氨酯发泡材料。
所述的加热回流喷淋系统12包括回流调节池2，回流调节池2分别连接发酵液接收槽5和回流泵3，回流泵3连接换热器10，所述的换热器采用超导热管进行热交换，换热器10连接喷淋阀门4，喷淋阀门4连接设于筒仓主体15内的喷淋管道7，所述的喷淋管道7包括设于筒仓主体15顶部和中部的可拆卸的PVC液体输送管道以及固定在筒仓主体15内壁上的不锈钢液体输送管道，筒仓主体15顶部的PVC液体输送管道通过连接件连接不锈钢液体输送管道，不锈钢液体输送管道通过连接件连接筒仓主体15中部的PVC液体输送管道，PVC液体输送管道上设有喷淋头，筒仓主体15顶部的PVC液体输送管道连接喷淋阀门4。发酵前将接种高温复合菌种的培养液灌至回流调节池2，发酵过程中接种高温复合菌种的培养液和来自发酵液收集槽5的沼液在回流调节池2中进行混合，所得混合物经换热器10升温后，经喷淋阀门4进入喷淋管道7，经喷淋头喷入水解发酵仓1的顶部和中部。
所述的微氧曝气系统13包括风机15、曝气圆盘以及布置在底部筛网17下方的通风管道，通风管道连接曝气圆盘。风机15设置在水解发酵仓1的侧壁上。通风管道和曝气圆盘用于在发酵过程中向筒仓主体15中曝气。
所述的发酵液收集槽5内分别布置了温度探头和氧化还原电位探头，温度探头和氧化还原电位探头连接PLC控制系统。PLC控制系统连接风机8和喷淋阀门4。PLC控制系统收集温度探头和氧化还原电位探头所监测的结果，将所述结果与设定值比较，当温度大于设定值时，增加风机8的通风频率和时间，当氧化还原电位大于设定值(-100～100mV)时，提高喷淋管道7的喷淋频率，以及风机8的通风频率和时间。
所述的发酵液接收槽5连接厌氧消化池11(厌氧折流消化池ABR，容积负荷为3～5kgCOD/m3/d)，厌氧消化池11连接热电联产设备16，热电联产设备16连接换热器10。发酵液接收槽5收集的沼液由泵送入厌氧消化池11，在产甲烷菌作用下将液相有机质转化为沼气，所述沼气经热电联产设备16处理转化为电能和高温热水，为换热器10提供热量。
实施例2：提高芦笋老茎水解效果的方法(接种菌剂)
一种芦笋老茎高效水解发酵的方法，采用高温木质纤维素降解复合菌系投加联合发酵液加热回流喷淋的方法来提升高含固率、高纤维含量农业秸秆水解效率，采用实施例1所述的农业秸秆废物高效水解发酵装置，具体步骤为：
步骤1：芦笋老茎经破碎至长度为2cm后，由自动进料机传输送入水解发酵仓1的进料口，同时布设喷淋管道7；
步骤2：将按体积比5％接种高温复合菌种的培养液(培养液成分及浓度，2g/LKNO3，0.5g/L KH2PO4，1.0g/L K2HPO4，0.2g/L MgSO4，0.1g/L CaCl2，1g/L酵母提取物,pH＝7.2，有效活菌数为2亿/mL，其中复合菌剂为腊状芽孢杆菌Bacillus cereus、克劳氏芽孢杆菌Bacillus clausii、溶纸梭菌Clostridium papyrosolvens、灰略红链霉菌Streptomycesgriseoverticillatus按有效活菌数1:1:1:1比例混合)灌至回流调节池2，开启回流泵3和喷淋阀门4，高温复合菌种的培养液经喷淋管道7渗流进入芦笋老茎中进行发酵，所产生的沼液渗流到发酵液接收槽5；发酵过程中将接种高温复合菌种的培养液和沼液按照体积比4:1～1:4在回流调节池2进行混合，将所得混合物先经过换热器10加热至55℃，再由喷淋管道7喷洒分散至芦笋老茎的上层和中层，回流喷淋频率为3～6次/天，控制水解发酵仓1内温度在30～50℃范围，总用水量与芦笋老茎质量比为2:1；发酵初期(1-2天)，接种高温复合菌种的培养液和沼液的体积比为4:1，以保障高温复合菌种在固体物料表面充分附着、增殖；发酵中后期，根据体系pH值变化增大沼液比例，以维持体系pH在5～6范围内。所述发酵液加热回流喷淋的方法，可实现发酵细菌和水解酶的回流、高温抑制产甲烷菌滋生，同步有效提升发酵仓温度。
步骤3：发酵结束后，将水解发酵仓1中物料出料，经过堆酵干燥处理后用作栽培基质。
所述的高温复合菌种由3株细菌和1株霉菌构建，四种菌种均为市售产品，分别为腊状芽孢杆菌Bacillus cereus(ACCC 01955),克劳氏芽孢杆菌Bacillus clausii(ACCC01964),溶纸梭菌Clostridium papyrosolvens(ACCC 00537)，灰略红链霉菌Streptomycesgriseoverticillatus(ATCC 27436)。4菌株单独培养，分别采用I-IV号液体培养基培养，发酵温度为32-50℃。I号培养基(Na2HPO4 3.0g，(NH4)2SO4 2.0g，尿素0.5g，MgSO4·7H2O0.5g,CaCl2 0.5g，FeSO4·7H2O 7.5mg，MnSO4·H2O 2.5mg，ZnSO4 2.0mg，加水配成1000mL，再加入2％稻草，0.1％蛋白胨，1％酵母粉)，II号培养基(果胶0.5％，酵母膏1.0％，MgSO4·7H2O 0.05％，KH2PO4 0.1％，Na2CO3 0.3％)，III号培养基(蛋白胨10.0g，牛肉粉：10.0g，酵母膏粉：3.0g，可溶性淀粉：1.0g，葡萄糖：5.0g，盐酸半胱氨酸：0.5g，氯化钠：5.0g，乙酸钠：3.0g，加水配成1000mL)，IV号培养基(CMC-Na10.0g，KH2PO4 1.0g，MgSO4·7H2O 0.1g，FeSO4·7H2O 0.1g，MnSO4 1.0×10－4g，蛋白胨10.0g，酵母膏5.0g，加水配成1000mL)。复配菌剂由各菌株的菌悬液按照体积比1∶1：1：1进行混合。
在水解12天后，将剩余的芦笋残渣与水解液分离、烘干、称重，并测定其中纤维素含量。经测定，接种组的干物质降解率达到75.43％，纤维素去除率达到41.06％，接种组对比对照组(未接种菌剂)的芦笋老茎的降解率高53.54％，纤维素去除率高41.98％。
实施例3提高芦笋老茎水解效果的方法(接种+曝气)。
类似于实施例2，区别在于，步骤2的发酵过程中开启风机8以及底部筛网17下方的通风管道进行曝气，以间歇通风方式为水解发酵仓1供氧，通风频率为每间隔3小时通风1次，每次持续15分钟；曝气速率2L/min。
在水解12天后，将剩余的芦笋残渣与水解液分离、烘干、称重，并测定其中纤维素含量。经测定，接种+曝气组的干物质降解率达到73.92％，纤维素去除率达到51.03％，对照组(未接种菌剂)的降解率为35.05％，纤维素去除率为16.63％，接种+曝气组对比对照组的干物质的降解率高52.58％，纤维素去除率高55.79％。
对照例(无接种+不曝气)。
类似于实施例2，区别在于，步骤2的培养液不接种高温复合菌种。
在水解12天后，将剩余的芦笋残渣与与水解液分离，烘干，称重，并测定其中纤维素含量。经检测，芦笋残渣干物质的降解率为35.05％，纤维素去除率为16.63％。

Claims (10)

1.一种农作物秸秆废物高效水解发酵的装置，其特征在于，包括水解发酵仓(1)，所述的水解发酵仓(1)设有加热回流喷淋系统(12)；所述的水解发酵仓(1)包括发酵液收集槽(5)，发酵液收集槽(5)上方设有筒仓主体(15)，筒仓主体(15)底部设有底部筛网(17)；所述的加热回流喷淋系统(12)包括回流调节池(2)，回流调节池(2)连接发酵液接收槽(5)和回流泵(3)，回流泵(3)连接换热器(10)，换热器(10)连接喷淋阀门(4)，喷淋阀门(4)连接设于筒仓主体(15)内的喷淋管道(7)，水解发酵仓(1)的侧壁上设有风机(8)。
2.如权利要求1所述的农作物秸秆废物高效水解发酵的装置，其特征在于，所述的水解发酵仓(1)还设有微氧曝气系统(13)，所述的微氧曝气系统(13)包括布置在底部筛网(17)下方的通风管道，通风管道连接曝气圆盘。
3.如权利要求1所述的农作物秸秆废物高效水解发酵的装置，其特征在于，所述的发酵液收集槽(5)上方设有支撑台架(9)，筒仓主体(15)设于支撑台架(9)上。
4.如权利要求1所述的农作物秸秆废物高效水解发酵的装置，其特征在于，所述的筒仓主体(15)的外壁包裹保温材料。
5.如权利要求1所述的农作物秸秆废物高效水解发酵的装置，其特征在于，所述的喷淋管道包括设于筒仓主体(15)顶部和中部的可拆卸的PVC液体输送管道以及固定在筒仓主体(15)内壁上的不锈钢液体输送管道，筒仓主体(15)顶部的PVC液体输送管道通过连接件连接不锈钢液体输送管道，不锈钢液体输送管道通过连接件连接筒仓主体(15)中部的PVC液体输送管道，PVC液体输送管道上设有喷淋头，筒仓主体(15)顶部的PVC液体输送管道连接喷淋阀门(4)。
6.如权利要求1所述的农作物秸秆废物高效水解发酵的装置，其特征在于，所述的发酵液收集槽(5)内分别布置了温度探头和氧化还原电位探头，温度探头和氧化还原电位探头连接PLC控制系统。
7.如权利要求1所述的农作物秸秆废物高效水解发酵的装置，其特征在于，所述的发酵液接收槽(5)连接厌氧消化池(11)，厌氧消化池(11)连接热电联产设备(16)，热电联产设备(16)连接换热器(10)。
8.一种农作物秸秆废物高效水解发酵的方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的农作物秸秆废物高效水解发酵的装置，具体步骤包括：
步骤1：农作物秸秆废物经破碎后送入水解发酵仓(1)；
步骤2：将接种高温复合菌种的培养液灌至回流调节池(2)，开启回流泵(3)和喷淋阀门(4)，高温复合菌种的培养液经喷淋管道(7)渗流进入农作物秸秆废物中进行发酵，所产生的沼液渗流到发酵液接收槽(5)；发酵过程中将接种高温复合菌种的培养液和沼液按体积比4:1～1:4在回流调节池(2)进行混合，将所得混合物先经过换热器(10)加热至55～70℃，再由喷淋管道(7)喷洒分散至农作物秸秆废物的上层和中层；
步骤3：发酵结束后，将水解发酵仓(1)中物料出料，经过堆酵干燥处理后用作栽培基质。
9.如权利要求8所述的农作物秸秆废物高效水解发酵的方法，其特征在于，所述的发酵液接收槽(5)收集的沼液由泵送入厌氧消化池(11)产沼气。
10.如权利要求8所述的农作物秸秆废物高效水解发酵的方法，其特征在于，所述的发酵过程中开启风机(8)，以间歇通风方式为水解发酵仓(1)供氧，通风频率为每间隔3～12小时通风1次，每次持续15～60分钟。
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