CN112250270A - 一种沼液在厌氧发酵中高值回用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沼液在厌氧发酵中高值回用的方法，属于厌氧发酵领域，解决了现有技术中利用猪粪等畜禽粪便进行厌氧发酵生产沼气时的产气效率不高的问题，解决该问题的技术方案主要是将猪粪经36℃±2℃恒温厌氧发酵后未经固液分离的沼液进行水热处理获得水热沼液，水热沼液的TS、VS、pH分别为2.2±10％、1.7±10％、8.0±5％，向猪粪中添加水热沼液、水和发酵液并搅拌均匀获得TS为8％～12％的发酵底物，水热沼液在水热沼液与水的总体积里占比为20％～100％，水热沼液与水的总体积和发酵液的体积比为4：1～5：1，发酵液的pH为7.2～7.8，以36±2℃恒温发酵。本发明主要用于让产气高峰提前出现，提高产气效率。

Description

一种沼液在厌氧发酵中高值回用的方法
技术领域
本发明涉及厌氧发酵，特别是一种沼液在厌氧发酵中高值回用的方法。
背景技术
现有技术中，利用猪粪等畜禽粪便进行厌氧发酵生产沼气时，发酵时间一般在30天左右，而在发酵的第10天～第20天处于高速产气的时间段，日产气量处于较高的水平，一般在第16天达到产气高峰，其他时间的日产气量处于一般的水平，高速产气的时间段相对靠后，产气效率一般。因此如何让产气高峰提前出现，提高产气效率是需要解决的一个课题。
发明内容
本发明所要达到的目的就是提供一种沼液在厌氧发酵中高值回用的方法，让产气高峰提前出现，提高产气效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种沼液在厌氧发酵中高值回用的方法，包括以下内容：将猪粪经36℃±2℃恒温厌氧发酵后未经固液分离的沼液进行水热处理获得水热沼液，水热沼液的TS、VS、pH分别为2.2±10％、1.7±10％、8.0±5％，向猪粪中添加水热沼液、水和发酵液并搅拌均匀获得TS为8％～12％的发酵底物，水热沼液在水热沼液与水的总体积里占比为20％～100％，水热沼液与水的总体积和发酵液的体积比为4：1～5：1，发酵液的pH为7.2～7.8，以36±2℃恒温发酵。
进一步的，猪粪、混合液和发酵液的搅拌过程为间歇搅拌，搅拌时间为120s±5％，搅拌速度控制在80rpm±5％，间歇停止时间为60s±5％。
进一步的，水热沼液在水热沼液与水的总体积里占比为25％～80％。
进一步的，水热沼液在水热沼液与水的总体积里占比为30％～60％。
进一步的，所述发酵液的pH为7.5。
进一步的，所述发酵底物的TS为10％。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：通过添加水热沼液提前了厌氧发酵产气高峰值出现的时间(5天左右)，并且提高了日产气量(最大能提高50％左右)，可以显著提高累计产气率(最大达到30.47％)；根据TS、VS消耗量来计算，添加水热沼液后的TS、VS产气率明显高于在用工程，证明添加水热沼液有利于产甲烷过程的发生；添加水热沼液后，全氮含量、全钾含量、有机质含量均得到增加，沼渣的肥效可以得到提高；沼液水热处理后，溶液中易氧化成分大量增加，而有机肥的制备正好需要经过发酵后的沼渣进一步堆腐(好氧)发酵，因此也会有利于沼渣堆肥。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明中试验的6个分组的每日产气量曲线图；
图2为本发明中试验的6个分组的累积产气量曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种沼液在厌氧发酵中高值回用的方法，包括以下内容：将猪粪经36℃±2℃恒温厌氧发酵后未经固液分离的沼液进行水热处理获得水热沼液，水热沼液的TS、VS、pH分别为2.2±10％、1.7±10％、8.0±5％，向猪粪中添加水热沼液、水和发酵液并搅拌均匀获得TS为8％～12％的发酵底物，水热沼液在水热沼液与水组成的料液中的体积占比为20％～100％，料液和发酵液的体积比为3.6：1～5：1，发酵液的pH为7.2～7.8，以36±2℃恒温发酵。当水热沼液在料液中的体积占比为100％时，则不需要加水。
在实际生产中，水热沼液的TS、VS、pH、发酵底物的TS、料液和发酵液的体积比、发酵液的pH均可以在上述限定的合理范围内浮动，例如水热沼液的TS可以控制在1.98、2.0、2.1、2.2、2.3或2.42等等，水热沼液的VS可以控制在1.53、1.65、1.7、1.8或1.87等等，水热沼液的pH可以控制在7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3或8.4等等，发酵底物的TS可以控制在8％、9％、10％、11％或12％等等，料液和发酵液的体积比可以控制在3.6：1、4：1、4.5：1、4.8：1或5：1等等，发酵液的pH可以控制在7.2、7.3、7.5、7.6、7.8等等。而对于产气效率的影响比较明显的是水热沼液在水热沼液与水组成的料液中的体积占比。
为证明添加水热沼液后，让产气高峰提前出现，能够有效提高产气效率，并确定水热沼液在料液中比较好的体积占比范围，可以通过以下试验来证明。
先取猪粪和沼液，然后对沼液进行水热处理获得水热沼液，三者的相关特性如表1所示，经过水热处理后，水热沼液相比沼液的TS和VS下降较多，含碳量、含氮量都有所提升。
表1猪粪、沼液及水热沼液的相关特性
项目 原猪粪 沼液 水热沼液
TS，％ 31.09 4.67 2.232
VS(FW)，％ 21.64 3.197 1.691
VS/TS，％ 69.6 68.46 75.76
pH 7.03 7.51 8.06
C，％ 34.520 22.947 24.387
H，％ 5.645 3.645 3.971
N，％ 2.160 2.540 3.230
S，％ 0.250 0.680 0.800
本试验利用全自动甲烷潜力测试系统进行，例如使用湖北洛克泰克仪器股份有限公司的全自动甲烷潜力测试系统RTK-BMP，搅拌方式设计为间歇搅拌，搅拌时间为120s±5％，搅拌速度控制在80rpm±5％，间歇停止时间为60s±5％，这三个数据允许存在一定的误差范围，水浴锅恒温38℃，料液和发酵液的体积比约为3.85：1，发酵液pH调节为7.5，发酵底物的TS为10％。试验方案设计见表2。
表2试验方案设计
Figure BDA0002675931710000041
按照上述试验方案运行31天，记录每天的产气量，由于上述试验设备自动消除产气中的CO2和H2S，故统计数据为产甲烷量，统计31天的累计产气量，结果如表3所示。
表3沼液水热厌氧发酵日产气量及累积产气量(ml)
Figure BDA0002675931710000042
Figure BDA0002675931710000051
除了统计产气量，还检测发酵后的发酵物成分，如表4所示。
表4厌氧发酵后发酵物成分测试
分组 TS％ VS％ N％ C％ H％ S％ pH
1 5.97 3.34 3.15 31.20 4.36 0.53 7.35
2 6.85 4.52 3.21 31.82 4.71 0.47 7.71
3 6.81 4.46 3.15 31.79 4.66 0.45 7.68
4 6.72 4.33 2.88 31.76 4.37 0.36 7.54
5 6.79 4.38 3.11 31.78 4.63 0.43 7.62
6 6.80 4.43 3.14 31.80 4.64 0.44 7.59
同时检测厌氧发酵后发酵物的养分，结果如表5所示。
表5厌氧发酵后发酵物养分含量
Figure BDA0002675931710000052
通过对上述表格数据的分析可以获得以下结果。
(1)沼液水热处理回用对产气过程(日产气量)的影响。
沼液水热处理对产气过程的影响如图1所示：添加100％水热沼液、80％水热沼液、50％水热沼液、30％水热沼液和25％水热沼液的日产气量在第10d或11d达到峰值，分别为825.8mL、806.3mL、679.6mL、681.5mL和673.2mL、；猪粪原始组厌氧发酵在第16d达到高峰，为418.3mL.可见添加水热沼液的5组样品的产气高峰出现的时间、高峰期日产气量与猪粪原始组比较，提前了厌氧发酵产气高峰值出现的时间(5天左右)，并且提高了日产气量(最大能提高50％左右)。可见沼液水热处理使沼液内含物向有利于加速沼气发酵和提高产气效率的方向变化。水热沼液回用后，在1d～13d为产气高速累积时间，而猪粪常规发酵高速累积时间为10d～20d，证明水热沼液回用对生产中进料后尽快进入产气高峰是有利的。
(2)沼液水热处理回用对累积产气量的影响。
沼液水热处理回用对累积产气量的影响如图2所示，结合表3.1的数据来看，第4组添加50％水热沼液的累积产气量最高，第3组添加80％水热沼液和第5组添加30％水热沼液的累积产气量相接近，第6组添加25％水热沼液的累积产气量优于第2组添加100％水热沼液的累积产气量。而猪粪原始组的累积产气量为6261.70mL。可见，水热处理沼液回用可显著提高猪粪的累计产气率(最大达到30.47％)。
(3)沼液水热处理回用对TS、VS产气率的影响。
某公司在用工程的沼气池11200m3(2800×4m3)，每日进料350t，进料浓度12％(总固形物的量为42t)，35℃恒温发酵，平均日产甲烷浓度65％的沼气8960m3，换算成TS产气率为213.33m3/kg。沼液水热处理回用的TS、VS产气率与在用工程的对比分析如表3.4所示。根据进料量计算，原始猪粪组、添加100％水热沼液组、添加80％水热沼液组、添加50％水热沼液组、添加30％水热沼液组和添加25％水热沼液组在31d的TS产气量分别为143.26m3/kg、172.75m3/kg、178.38m3/kg、186.91m3/kg、178.62m3/kg及176.38m3/kg(CH4含量以60％计)，各组的TS产气率低于在用工程，分析其原因是：为了分析原料变化对产气效率的影响，试验组进料比例(81.25％)远高于在用工程(3.125％)，导致发酵液中菌体浓度偏低，进而造成原料的消耗量偏少，TS消耗率依次为4.03％、3.15％、2.43％，远低于在用工程的7.33％；VS消耗率依次为3.62％、2.44％、2.63％，也远低于在用工程的5.15％，并且添加水热沼液各组比常规猪粪组低，还证明过高的氨氮浓度不利于原料的消耗降解。但根据TS、VS消耗量来计算，添加水热沼液各组的TS、VS产气率明显高于在用工程，证明添加水热沼液有利于产甲烷过程的发生。从厌氧发酵经历的液化、产酸、产甲烷三个阶段分析，发酵液中较高的菌体浓度和适宜的氨氮浓度有利于液化降解，而添加水热沼液则对产甲烷反应有促进作用。
表6沼液水热处理回用的TS、VS产气率与在用沼气工程的对比分析
Figure BDA0002675931710000071
(4)沼液水热处理回用对沼液沼渣肥效的影响
通过沼液水热处理回用后沼液沼渣中主要养分含量与常规猪粪组的对比分析(表5所示),添加水热沼液后，总氮、钾和氨氮的含量增加，重金属和有机质的含量略有增加，磷的含量变化不大。添加100％的水热沼液回用、添加80％的水热沼液回用、添加50％的水热沼液回用、添加30％的水热沼液回用和添加25％的水热沼液回用后，其发酵产物的全氮含量与未添水热沼液的原始猪粪发酵后产物相比，分别提高20.0％、17.1％、5.7％、14.3％和20.0％，全钾含量分别提高80％、65％、30％、55％和60％，有机质含量分别提高12.4％、11.8％、10.9％、11.5％和11.8％。水热沼液回用发酵后的产物，其重金属含量与原始猪粪发酵后产物相比，铜、锌、砷含量略有所提升，但是相对于重金属限量值而言，其含量远未达到超标水平。因此，以此为原料，后续制备的有机肥重金属含量均不会超标。值得注意的是，添加水热沼液组的COD明显高于未添加组，证明沼液水热处理后，溶液中易氧化成分大量增加，而有机肥的制备正好需要经过发酵后的沼渣进一步堆腐(好氧)发酵，因此也会有利于沼渣堆肥。
通过上述数据的分析，我们可以获得以下结论：
1)水热沼液回用可缩短厌氧发酵高峰值出现的时间，在实际生产中可大大缩减水力滞留时间，提高峰值产气量，进而提高整体的产气效率，其主要原因是沼液经过水热处理后，其内含物的变化有利于促进产甲烷反应，但过高的水热沼液添加量会导致发酵液氨氮浓度升高，对厌氧发酵产生抑制作用。“内含物变化对产甲烷促进作用”和“氨氮抑制作用”共同影响水热沼液回用效果，在氨氮抑制未达到限定阈值前，提高水热沼液的用量将有利于提高厌氧发酵效率。所以水热沼液的用量一般情况下，可以选择添加25％～80％，以添加30％～60％水热沼液为佳；
2)从厌氧发酵经历的液化、产酸、产甲烷三个阶段分析，较高的菌体浓度对固形物液化降解无疑是必要的，而添加水热沼液主要对产甲烷反应有促进作用，但由此引起的氨氮浓度升高会对液化产生不利影响。因此，建议生产中保持适宜的进料量以确保足够的菌体浓度，同时保持适宜的水热沼液添加量以保证发酵液氨氮浓度的阈值以下，进而保证总产气率；
3)从表3.3中看出，5组添加水热沼液的样品，其发酵产物的养分含量与未添加热水热沼液的原始猪粪发酵后产物相比，全氮含量、全钾含量、有机质含量均有所提高。可见，水热沼液回用进行发酵，其发酵产物的养分含量有大幅度的提升；虽然铜、锌、砷含量略有所提升，但是相对于重金属限量值而言，其含量远未达到超标水平，不会造成后续制备的有机肥出现重金属超标问题。
上述实施例中为方便描述及实验数据的测量，仅提到猪粪，在实际生产，也可以混合其它畜禽粪便进行厌氧发酵。除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明权利要求书中所定义的范围。

Claims (6)

1.一种沼液在厌氧发酵中高值回用的方法，其特征在于，包括以下内容：将猪粪经36℃±2℃恒温厌氧发酵后未经固液分离的沼液进行水热处理获得水热沼液，水热沼液的TS、VS、pH分别为2.2±10％、1.7±10％、8.0±5％，向猪粪中添加水热沼液、水和发酵液并搅拌均匀获得TS为8％～12％的发酵底物，水热沼液在水热沼液与水的总体积里占比为20％～100％，水热沼液与水的总体积和发酵液的体积比为4：1～5：1，发酵液的pH为7.2～7.8，以36±2℃恒温发酵。
2.根据权利要求1所述的沼液在厌氧发酵中高值回用的方法，其特征在于，猪粪、混合液和发酵液的搅拌过程为间歇搅拌，搅拌时间为120s±5％，搅拌速度控制在80rpm±5％，间歇停止时间为60s±5％。
3.根据权利要求1所述的沼液在厌氧发酵中高值回用的方法，其特征在于，水热沼液在水热沼液与水的总体积里占比为25％～80％。
4.根据权利要求3所述的沼液在厌氧发酵中高值回用的方法，其特征在于，水热沼液在水热沼液与水的总体积里占比为30％～60％。
5.根据权利要求1所述的沼液在厌氧发酵中高值回用的方法，其特征在于，所述发酵液的pH为7.5。
6.根据权利要求1所述的沼液在厌氧发酵中高值回用的方法，其特征在于，所述发酵底物的TS为10％。
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