CN112159824A - 一种禽畜粪污的全资源再生利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，涉及畜牧业废弃资源再利用技术领域。本发明的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，将禽畜粪便和农林废弃物混合后，通过喷洒酸性水溶液杀灭杂菌和有害微生物，同时调节pH值后，加入纤维素酶，混合处理后，再加入木腐菌种和发酵菌种，控制好温度和压力，持续发酵处理后，液体蒸馏得到乙醇溶液，固体和蒸馏残夜混合用于制成有机肥。本发明公开了一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，将禽畜养殖粪便和农林废弃物协同处理，利用二者之间的性质进行互补，实现全资源化利用，且在处理过程中不产生二次污染。

Description

一种禽畜粪污的全资源再生利用方法
技术领域
本发明涉及畜牧业废弃资源再利用技术领域，尤其涉及一种禽畜粪污的全资源再生利用方法。
背景
随着集约化畜禽养殖和规模化畜禽场的蓬勃发展，为城乡居民提供了丰富的动物性食品。但畜禽养殖带来的环境污染已成为农村和城郊不可忽视的环境问题。畜禽粪污排放已经成为农业的首要污染源，全国每年产生畜禽粪污总量达到近40亿吨，畜禽养殖业排放物化学需氧量达到1268万吨，但综合利用率不足60％。畜禽粪便如果处置不当，将会对土壤、地表水、地下水造成污染，且粪便中含有大量传染性细菌等微生物，如果不引起高度重视，将带来一系列的环境污染问题，最终影响到人民群众的身体健康。
目前畜禽粪便的处理方向比较单一，一般以生产沼气和制备有机肥为主。现有的专利号为“ZL201510113296.2”的中国发明专利涉及一种在养殖圈舍内地下处理畜禽粪便生产沼气，以及有机肥的方法和装置，专利号为“ZL201510187712.3”的中国发明专利将粪污水经过多级厌氧反应装置发酵产生了沼气和沼液，专利号为“ZL200910058472.1”的中国发明专利通过沉淀处理将猪场粪污沉淀分离为，采用中温或近中温沼气发酵工艺对浓污水进行厌氧消化处理并生产沼气。
转化生物肥的技术有专利号为“ZL201410842234.0”的中国发明专利，直接将粪污在收集处喷洒化学除臭剂后再发酵除臭，在经过干燥制备成有机肥料，专利号为“ZL201410044686.4”的中国发明专利将畜禽养殖产生的粪污排入沉淀井，通过固液分离分离出固体部分通过加工成有机肥。
上述技术得到的沼气和有机肥经济附加值低，存在着产能过剩的现象，而且处理过程中不可避免的产出有毒有害气体，污染环境。目前缺乏一种能将粪污有效转化为高附加值产品、对粪污实现资源全回收的技术，而农林废弃物是一种重要的生物质资源，是重要的可再生资源，农林废弃物能源转化利用是可再生能源领域的研究热点之一。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于公开一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，将禽畜养殖粪便和农林废弃物协同处理，利用二者之间的性质进行互补，实现全资源化利用，且在处理过程中不产生二次污染。
具体的，本发明的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，所述方法具体包括以下步骤：
混料：将禽畜粪便与农林废弃物混合均匀后，置于反应釜中，喷洒酸性水溶液，翻抛混合至酸性水溶液浸透物料，调节pH至4-5，静置6h，得到第一混合物料，静置期间每30min翻抛一次；将畜禽粪便和农林废弃物的预混，解决了粪便中含水率高的问题，无需进一步固液分离，缩短了工艺步骤，并提高了C/N比例、降低物料的粘连性，能有助于预处理和发酵过程中微生物的生长；且在混料的过程中利用酸性水溶液调节pH值，能够对粪便中的杂菌和有害微生物进行灭活，并适当地破坏混合物料的纤维素的结晶度和聚合度，又可以提供合适的体系PH值，在后续预处理步骤中能够促进木质纤维素酶的降解活性，经酸性水溶液处理后，在后续反应生成乙醇过程中，还可避免硫化氢、氨气、硫醇等有毒有害气体的生成。
预处理：向第一混合物料中加入纤维素酶，翻抛混合均匀后，升温至50-80℃，保温反应24h，保温期间每30min翻抛一次；
反应：反应：向经过预处理的物料中加入草木灰，翻抛混合均匀后，控制pH值为5～6.5，得到第二混合物料，加入木腐菌种和发酵菌种，混合均匀后，控制温度为30～40℃，向反应釜中通入空气至压力升至0.12～0.2MPa，停止通入空气，保温保压，持续反应13～20d；添加草木灰，可以给后续生物反应过程提供天然的合适PH值。
分离：反应完成后，将反应物料固液分离，分离得到液体经过蒸馏得到馏出液为乙醇溶液，蒸馏残液经过浓缩后与分离出的固体混合进行后续综合利用；发酵反应后的物料，液体经过蒸馏分离得到乙醇，蒸馏残液浓缩后与固体物料混合，混合物富含蛋白质和N、P、K等微量元素及少量金属元素，可进一步制备生物有机肥，该生物有机肥在使用过程中，不会出现“烧死”经济作物的现象。
本发明的禽畜粪污的全资源再生利用方法，将畜禽粪便和农林废弃物协同处理，全资源化利用，最终产物液体部分制取乙醇，固体部分制取生物有机肥，过程不产生二次污染，实现资源全回收，有效解决了畜禽养殖过程中废弃物和农林产业废弃物处理方法单一，转化利用不高的问题，也为农林废弃物的资源回收提供了新的途径。
进一步，所述农林废弃物的质量为畜禽粪便总质量的10％～30％。
进一步，所述禽畜粪便包括但不限于猪粪、鸡粪、鸭粪、羊粪、牛粪的一种或几种。
进一步，所述农林废弃物为木屑、粗糠、草木灰、菌菇渣粉末中的一种或几种。
农林废弃物的化学组成随原料的不同差异很大，本发明特定选用的农林废物与畜禽粪便合理比配，所选农林废弃物中含有的木质素、碱性物质、附生细菌、碳氢化合物等特殊组份，与畜禽粪便混合后，既可以调节体系中的pH，又可以在本发明反应条件、以及本发明的木腐菌种和发酵菌种的作用下，与粪便中的微生物产生协同促进作用，能够大大提高最终产物中乙醇的比例。
进一步，所述酸性水溶液为盐酸、草酸、醋酸中的一种或几种与水混合而成，所述酸性水溶液的体积浓度为0.5％～5％。
进一步，所述纤维素酶的添加量为第一混合物料质量的0.2％～1.3％，所述纤维素酶为葡聚糖酶、葡聚糖苷酶、葡萄糖苷酶、半乳糖苷酶中的一种或几种。
进一步，所述发酵菌种的添加量为第二混合物料质量的0.5％～3％，所述木腐菌种的添加量为第二混合物料质量的0.3％～1.5％。
纤维素酶和木腐菌种的存在及在本发明的比例下，可降解物料中的纤维物质和部分蛋白质，产生还原糖，所选的特定酶和菌种，在体系条件下可与发酵菌种共生，既能达到降解木质素、蛋白质的效果，又能维持合适的环境促进发酵菌种的发酵的目的。
进一步，所述发酵菌种为拉斯2号、拉斯12号、K字酵母、南阳五号酵母的混合物，所述拉斯2号、拉斯12号、K字酵母、南阳五号酵母的质量比为0.5～2:1:1～2:0.5～2.5。
特定发酵菌种的选择混用及菌种用量和比例，与木腐菌种的配合是本发明定向、高效产生乙醇的关键。四种菌种的混合使用，可以抑制杂菌，并能针对物料中的复杂成分，有效选择发酵基质；合适的比例，使得菌种之间不会产生争夺营养物质，能产生显著的乙醇生产能力，而如果采用单一菌种，在畜禽粪便的复杂成分下无法达到同时分解纤维素和蛋白质，并高效生产乙醇和有机肥的目的。
进一步，所述木腐菌种为白腐菌、褐腐菌、木霉菌、曲霉菌的两种或三种。
木腐菌种的选择和比例，分别利用不同腐菌的特性，既能改变物料中纤维物质和蛋白质的性质，又能产生较强的分解能力。
进一步，所述木腐菌种为褐腐菌、白腐菌、木霉菌的混合物，所述褐腐菌、白腐菌、木霉菌的质量比为1:1～1.5:0.5～1
进一步，所述反应步骤中，在开始反应的前2～3d，每隔6h向反应釜中通入一次含氧25％～30％空气，至反应釜中压力达到0.12～0.2MPa，停止通入。
发酵前期充入的富氧空气可促进发酵菌种生长繁殖，并有效抑制杂菌，同时维持一定的体系压力，提高乙醇的产率。
本发明的有益效果：
1、本发明公开了一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，将禽畜养殖粪便和农林废弃物协同处理，利用二者之间的性质进行互补，实现全资源化利用，且在处理过程中不产生二次污染。
2、本发明的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，在处理的过程中，利用木腐菌种和发酵菌种协同作用，即降解木质素、蛋白质，又维持合适的环境促进发酵菌种的发酵，菌种之间不会产生争夺营养物质，能产生显著的乙醇生产能力，，采用本发明的方法反应完成后反应物中，乙醇的浓度最高可达28％。
附图说明
图1是本发明一种畜禽粪污的全资源再生利用方法的流程方框示意图；
图2是本发明中反应釜的结构示意图；
其中，反应釜1、转动轴2、进料口3、出料口4、泄压阀5、喷洒口6。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明：
本发明的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，将禽畜粪便和农林废弃物混合后置于反应釜1中，通过喷洒酸性水溶液杀灭杂菌和有害微生物，同时调节pH值后，加入纤维素酶，混合处理后，再加入木腐菌种和发酵菌种，控制好温度和压力，持续发酵处理后，液体蒸馏得到乙醇溶液，固体和蒸馏残夜混合用于制成有机肥，在处理过程中没有二次污染，且达到了资源全利用的效果。其中，本发明的反应釜1上穿设有转动轴2，转动轴2与反应釜1密封焊接在一起，且转动轴2的两端均位于反应釜1之外，转动轴2的中轴线与反应釜1的中轴线相重合，使得反应釜1的结构更稳定，施力更均匀，转动轴2采用电机带动进行转动，反应釜1上于相对的位置分别设置有进料口3和出料口4，反应釜1上于靠近进料口3的位置还设置有泄压阀5和喷洒口6，泄压阀5的设置能够对反应釜1内的压力进行控制，使其维持在适宜的压力环境下，更有利于反应的进行，其中进料口、出料口、喷洒口上均可拆卸安装有相应的管道以及可密封的盖板。
具体如下：
实施例一
混料：将600kg猪粪收集后堆积备用，称取60kg木屑和90kg粗糠和猪粪搅拌混合均匀后，置于反应釜中，喷洒10kg体积浓度为1.5％的盐酸溶液，翻抛数次，直至盐酸溶液均渗透至物料中，测量体系PH为4.5，静置6h，得到第一混合物料，静置期间每30min翻抛一次。
预处理：称取葡聚糖酶2kg和半乳糖苷酶1.5kg，加入5kg水中，搅拌分散制成悬浊液，喷洒加入第一混合物料中，翻抛混合均匀后，加热升温至60℃，保温反应24h，保温期间每30min翻抛一次。
反应：向经过预处理的物料中加入15kg草木灰，翻抛数次混合均匀后，检测混合物料体系PH达到5.5，得到第二混合物料；分别称取褐腐菌1.5kg、白腐菌2kg和木霉菌1.2kg加入6kg水中，搅拌混合分散后制成悬浮液，喷洒口加入第二混合物料中，翻抛混合均匀，再分别取拉斯2号酵母1.5kg、拉斯12号酵母2kg、K字酵母2.5kg、南阳五号酵母2kg，加入至10kg水中，搅拌混合分散后制成悬浮液，喷洒加入第二混合物料中，翻抛混合均匀，加热至35℃，保温，充入含氧量25％的空气，使体系压力达到0.13MPa，停止通入空气，保温保压进行反应，反应期间每隔6h翻抛一次，并维持体系压力在0.13MPa上下，充入的富氧空气可促进发酵菌种生长繁殖，并有效抑制杂菌。维持的稳定的体系压力，能提高发酵菌转化乙醇的效率；在开始反应的前2d，每隔6h向反应釜中通入一次含氧25％～30％空气，至反应釜中压力达到0.13MPa，停止通入。
经保温保压生物反应维持16d后，降低体系温度，卸去体系压力，反应釜内的物料经检测，含乙醇浓度26.5％。
分离：反应完成后，将反应釜中的反应物料进行固液分离，分离得到液体在常压下，于90℃温度下经过蒸馏得到馏出液为乙醇溶液；蒸馏残液浓缩后与分离出的固体混合，混合物富含蛋白质和N、P、K等微量元素及少量金属元素，可进一步制备生物有机肥。
实施例二
混料：将300kg猪粪和200kg鸡粪收集后堆积备用，称取90kg粗糠和60kg菌菇渣粉末和猪粪、鸡粪搅拌混合均匀后，置于反应釜中，喷洒9kg体积浓度为5％的草酸溶液，翻抛数次，直至草酸溶液均渗透至物料中，测量体系PH为5，静置6h，得到第一混合物料，静置期间每30min翻抛一次。
预处理：称取葡聚糖苷酶2.5kg和半乳糖苷酶1kg，加入5kg水中，搅拌分散制成悬浊液，喷洒加入第一混合物料中，翻抛混合均匀后，加热升温至50℃，保温反应24h，保温期间每30min翻抛一次。
反应：向经过预处理的物料中加入12kg草木灰，翻抛数次混合均匀后，检测混合物料体系PH达到6.5，得到第二混合物料；分别称取褐腐菌1.5kg、白腐菌1.5kg和木霉菌1.5kg加入6kg水中，搅拌混合分散后制成悬浮液，喷洒口加入第二混合物料中，翻抛混合均匀，再分别取拉斯2号酵母1.2kg、拉斯12号酵母2.5kg、K字酵母2kg、南阳五号酵母1.2kg，加入至10kg水中，搅拌混合分散后制成悬浮液，喷洒加入第二混合物料中，翻抛混合均匀，加热至30℃，保温，充入含氧量25％的空气，使体系压力达到0.12MPa，每隔6h翻抛一次，并维持体系压力在0.12MPa上下，在开始反应的前2d，每隔6h向反应釜中通入一次含氧25％～30％空气，至反应釜中压力达到0.12MPa，停止通入。
经保温保压生物反应维持13d后，降低体系温度，卸去体系压力，反应釜内的物料经检测，含乙醇浓度24.6％。
分离：反应完成后，将反应釜中的反应物料进行固液分离，分离得到液体在常压下，于85℃温度下经过蒸馏得到馏出液为乙醇溶液；蒸馏残液浓缩与分离出的固体混合，混合物富含蛋白质和N、P、K等微量元素及少量金属元素，可进一步制备生物有机肥。
实施例三
混料：将600kg鸡粪收集后堆积备用，称取60kg木屑和鸡粪搅拌混合均匀后，置于反应釜中，喷洒10kg酸性水溶液，该酸性水溶液是由体积浓度为5％的盐酸溶液和体积浓度为0.5％的醋酸溶液按照3:2的体积比搅拌混合而成，翻抛数次，直至盐酸溶液均渗透至物料中，测量体系PH为4，静置6h，得到第一混合物料，静置期间每30min翻抛一次。
预处理：称取葡萄糖苷酶0.5kg和半乳糖苷酶0.5kg，加入2kg水中，搅拌分散制成悬浊液，喷洒加入第一混合物料中，翻抛混合均匀后，加热升温至80℃，保温反应24h，保温期间每30min翻抛一次。
反应：向经过预处理的物料中加入18kg草木灰，翻抛数次混合均匀后，检测混合物料体系PH达到5，得到第二混合物料；分别称取褐腐菌2kg和木霉菌1.2kg加入6kg水中，搅拌混合分散后制成悬浮液，喷洒口加入第二混合物料中，翻抛混合均匀，再分别取拉斯2号酵母2kg、拉斯12号酵母1.5kg、K字酵母2kg、南阳五号酵母2.5kg，加入至10kg水中，搅拌混合分散后制成悬浮液，喷洒加入第二混合物料中，翻抛混合均匀，加热至40℃，保温，充入含氧量25％的空气，使体系压力达到0.2MPa，每隔6h翻抛一次，并维持体系压力在0.2MPa上下，在开始反应的前3d，每隔6h向反应釜中通入一次含氧25％～30％空气，至反应釜中压力达到0.2MPa，停止通入。
经保温保压生物反应维持20d后，降低体系温度，卸去体系压力，反应釜内的物料经检测，含乙醇浓度28.1％。
分离：反应完成后，将反应釜中的反应物料进行固液分离，分离得到液体在常压下，于80℃温度下经过蒸馏得到馏出液为乙醇溶液；蒸馏残液浓缩与分离出的固体混合，混合物富含蛋白质和N、P、K等微量元素及少量金属元素，可进一步制备生物有机肥。
本实施例在进行翻抛时，由电机带动旋转轴2，再带动反应釜1旋转从而对反应釜内的物料实现翻抛，和传统的翻抛方式相比，省去了额外的翻抛装置，整个过程在密封的条件下进行，不会产生二次污染，且利用反应釜1旋转进行翻抛即使是边角处也能够进行有效的翻抛，另外，本实施例在反应过程中选择进行间隔式翻抛，即相邻两次翻抛的旋转方向不同，且单次翻抛采用多段式翻抛方式，具体为：
在反应开始的前3d，以一次翻抛时间为一个周期，在0-1/10T内，旋转的速度为5-10r/min，在1/10-3/10T内，旋转的速度为15-20r/min，在3/10-5/10T内，旋转的速度为20-30r/min，在5/10-6/10T内，电机不旋转，在6/10-8/10T内，旋转的速度为20-25r/min，在8/10-1T内，旋转的速度为15-20r/min.
在反应中期，以一次翻抛时间为一个周期，在0-1/10T内，旋转的速度为5-10r/min，在1/10-3/10T内，旋转的速度为10-15r/min，在3/10-5/10T内，旋转的速度为15-20r/min，在5/10-6/10T内，电机不旋转，在6/10-8/10T内，旋转的速度为12-16r/min，在8/10-1T内，旋转的速度为8-12r/min。
在反应最后的5d，以一次翻抛时间为一个周期，在0-1/10T内，旋转的速度为3-5r/min，在1/10-4/10T内，旋转的速度为15-20r/min，在4/10-6/10T内，电机不旋转，在6/10-8/10T内，旋转的速度为5-10r/min，在8/10-1T内，旋转的速度为3-5r/min。
在反应前期，通过较高的转速，使得反应釜的物料能够更充分的接触富氧空气，而随着反应时间的进行，反应釜中的原料进行发酵，产生越来越多的发酵液，因此，采用相对较低的转速，在保证反应安全、稳定进行的同时保证翻抛效果。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (10)

1.一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
混料：将禽畜粪便与农林废弃物混合均匀后，置于反应釜中，喷洒酸性水溶液，翻抛混合至酸性水溶液浸透物料，调节pH至4-5，静置6h，得到第一混合物料，静置期间每30min翻抛一次；
预处理：向第一混合物料中加入纤维素酶，翻抛混合均匀后，升温至50～80℃，保温反应24h，保温期间每30min翻抛一次；
反应：向经过预处理的物料中加入草木灰，翻抛混合均匀后，控制pH值为5～6.5，得到第二混合物料，加入木腐菌种和发酵菌种，混合均匀后，控制温度为30～40℃，向反应釜中通入空气至压力升至0.12～0.2MPa，停止通入空气，保温保压，持续反应13～20d；
分离：反应完成后，将反应物料固液分离，分离得到液体经过蒸馏得到馏出液为乙醇溶液，蒸馏残液经过浓缩后与分离出的固体混合进行后续综合利用。
2.根据权利要求1所述的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，其特征在于，所述农林废弃物的质量为畜禽粪便总质量的10％～30％。
3.根据权利要求2所述的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，其特征在于，所述农林废弃物为木屑、粗糠、草木灰、菌菇渣粉末中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，其特征在于，所述酸性水溶液为盐酸、草酸、醋酸中的一种或几种与水混合而成，所述酸性水溶液的体积浓度为0.5％～5％。
5.根据权利要求4所述的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，其特征在于，所述纤维素酶的添加量为第一混合物料质量的0.2％～1.3％，所述纤维素酶为葡聚糖酶、葡聚糖苷酶、葡萄糖苷酶、半乳糖苷酶中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，其特征在于，所述发酵菌种的添加量为第二混合物料质量的0.5％～3％，所述木腐菌种的添加量为第二混合物料质量的0.3％～1.5％。
7.根据权利要求6所述的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，其特征在于，所述发酵菌种为拉斯2号、拉斯12号、K字酵母、南阳五号酵母的混合物，所述拉斯2号、拉斯12号、K字酵母、南阳五号酵母的质量比为0.5～2:1:1～2:0.5～2.5。
8.根据权利要求7所述的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，其特征在于，所述木腐菌种为白腐菌、褐腐菌、木霉菌、曲霉菌的两种或三种。
9.根据权利要求8所述的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，其特征在于，所述木腐菌种为褐腐菌、白腐菌、木霉菌的混合物，所述褐腐菌、白腐菌、木霉菌的质量比为1:1～1.5:0.5～1。
10.根据权利要求9所述的一种禽畜粪污的全资源再生利用方法，其特征在于，所述反应步骤中，在开始反应的前2～3d，每隔6h向反应釜中通入一次含氧25％～30％空气，至反应釜中压力达到0.12～0.2MPa，停止通入。
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