CN113215201B - 一种猪粪掺混稻秆固态沼气发酵及沼渣好氧堆肥耦合工艺 - Google Patents

一种猪粪掺混稻秆固态沼气发酵及沼渣好氧堆肥耦合工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种猪粪掺混稻秆固态沼气发酵及沼渣好氧堆肥耦合工艺，包括如下步骤：1)制备稻秆；2)稻秆与猪粪混合；3)调节总固体含量；4)固态沼气发酵；5)获取沼渣；6)沼渣好氧堆肥。结果表明，当碳氮比为22.3‑31.8、秸秆粒径为0.35‑5mm、总固体含量(TS％)为15％‑30％、生物炭添加量为5‑15g/L时，沼气产率、木质纤维素去除率及甲烷含量明显提高；当通气量为0.30‑0.75L/min，枯草芽孢杆菌或里氏木霉或二者的混合菌液的接种量为0.5％‑3％、生物炭添加量为10‑20g/L时，腐殖酸含量及腐熟性能明显提高。同时，在发酵过程中，与沼气发酵和好氧堆肥相关的微生物占据优势地位。

Description

一种猪粪掺混稻秆固态沼气发酵及沼渣好氧堆肥耦合工艺
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种通过优化发酵条件来提高猪粪掺混稻秆固态厌氧发酵中沼气产率以及沼渣好氧堆肥中腐殖酸含量的方法。
背景技术
据国家统计局统计，2020年畜禽粪便已达到44亿吨，猪粪占其总量的68.15％，位居全国重点污染排放之首。目前常用的畜禽粪便处理方法有直接好氧堆肥和液态厌氧发酵产沼气。虽然前者操作简单，生产有机肥成本低，但无沼气等能源回收利用，经济效益较低；后者则因沼渣固液分离难、耗水量大，造成有机肥生产成本高、养分损失大和产品质量不稳定等。而采用固态厌氧发酵可避免大量沼液产生，避免二次污染，目前被广泛采用。但固态发酵对有机物分解不够彻底，沼渣通过好氧堆肥可进一步分解残留有机物，并强化腐殖质过程，高产腐殖酸，提高最终有机肥肥效，改善农艺品质，促进农作物生长。
二步法发酵实现了沼气生产与有机肥生产的有机结合，实现了废弃物资源综合利用的完整产业链，其中秸秆和畜禽在生长过程中从大气吸收的碳，经过厌氧发酵转化为可继续被利用的生物质能这一新能源，减少了碳排放。沼渣中残留有机碳在好氧堆肥生产腐殖质的过程中有效地将碳储存在了腐殖酸中。这两大发酵方式使农业废弃物中的碳通过碳循环，实现了碳中和，这对恢复地球碳循环平衡和改善生态环境具有重要意义。
然而畜禽粪便的C/N较低，不利于沼气的生产，并导致有机肥的肥效难以满足相关标准要求。全球每年产生约70亿吨秸秆，其中中国贡献了9亿吨。秸秆类原料主要由木质纤维素组成，其C/N较高，不利于厌氧沼气发酵和有机肥转化。采用畜禽粪便与秸秆等原料进行共发酵，可改变发酵基质的C/N比等理化特性，有利于提高沼气产率和有机肥肥效。沼气发酵和沼渣受各种微生物作用的调节，C/N比、发酵基质颗粒大小、TS％、通气率等是微生物转化猪粪和稻秆形成沼气和腐殖酸的主要决定因素。因此，优化获得猪粪掺混稻秆固态沼气发酵和沼渣好氧堆肥的工艺是解决农业废弃物资源浪费的有效手段。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明通过二步法发酵提供了一种猪粪掺混稻秆固态沼气发酵及沼渣好氧堆肥耦合工艺。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种猪粪掺混稻秆固态沼气发酵及沼渣好氧堆肥耦合工艺，该工艺包括如下步骤：
1)制备稻秆
将自然风干后的稻秆剪至5-10mm，再用粉碎机粉碎，使稻秆粒径为0.35-5mm；
2)稻秆与猪粪混合
将步骤1)制备的稻秆与猪粪掺混，混合后使得C/N比为22.3-31.8；
3)调节总固体含量；
将步骤2)的混合物与水混合，混合后使得总固体含量(TS％)为15％-30％；
4)固态沼气发酵
将步骤3)的混合物质放入反应器中发酵28-32d；
5)获取沼渣
收集步骤4)中厌氧发酵剩余的沼渣，并放入堆肥反应器中；再加入适量稻秆调整堆体含水量，使总含水量保持在50-60％；
6)沼渣好氧堆肥
在堆肥反应器中通入气体进行沼渣好氧堆肥，通气量设置为0.30-0.75L/min。
作为本发明的一种优选方案，在通入气体之前，添加枯草芽孢杆菌或里氏木霉或二者混合菌液，将枯草芽孢杆菌或里氏木霉或二者的混合菌液接种于堆肥反应器内，枯草芽孢杆菌或里氏木霉或二者的混合菌液的接种量为堆肥基质总干重的0.5％-3％。
作为本发明的一种优选方案，枯草芽孢杆菌与里氏木霉之比为1:1。
作为本发明的一种优选方案，枯草芽孢杆菌和里氏木霉活化操作：首先用接种环分别将保存的枯草芽孢杆菌和里氏木霉接种于斜面培养基好氧培养，然后挑取2环接种于新鲜配制的液体种子培养基内，摇匀，37℃恒温下好氧培养12h。
作为本发明的一种优选方案，在步骤3)中的混合物质中添加生物炭，生物炭添加量为5-15g/L。
作为本发明的一种优选方案，接种枯草芽孢杆菌或里氏木霉或二者的混合菌液后，添加生物炭，生物炭添加量为10-20g/L。
本发明的技术效果是：当碳氮比(C/N比)为22.3-31.8、稻秆粒径为0.35-5mm、总固体含量(TS％)为15％-30％、生物炭添加量为5-15g/L时，沼气产率、木质纤维素去除率及甲烷含量明显提高；当通气量为0.30-0.75L/min，枯草芽孢杆菌或里氏木霉或二者的混合菌液的接种量为0.5％-3％、生物炭添加量为10-20g/L时，腐殖酸含量及腐熟性能明显提高。同时，在发酵过程中，与沼气发酵和好氧堆肥相关的微生物占据优势地位。
附图说明
图1为沼气发酵过程中的细菌群落结构变化图；
图2为沼气发酵过程中的产甲烷菌群落结构变化图；
图3为好氧堆肥过程中的微生物群落结构变化图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
本实施例中使用到的枯草芽孢杆菌是从重庆市江津区玉米秸秆堆表层土壤中通过初筛、复筛得到的一株名称为Bacillus subtilis Z2的产纤维素酶的菌株，该枯草芽孢杆菌的保藏编号为：CCTCC NO:M 2020002。里氏木霉是从玉米秸秆堆体表层土壤中筛选而来。生物炭由玉米秸秆在高温500℃下裂解制得。
一种猪粪掺混稻秆固态沼气发酵及沼渣好氧堆肥耦合工艺，该工艺包括如下步骤：
1)制备稻秆
将自然风干后的稻秆剪至5-10mm，再用粉碎机粉碎，使稻秆粒径为0.35-5mm；
2)稻秆与猪粪混合
将步骤1)制备的稻秆与猪粪掺混，混合后使得C/N比为22.3-31.8；
3)调节总固体含量；
将步骤2)的混合物与水混合，混合后使得TS％为15％-30％；
并在混合物质中添加生物炭，生物炭添加量为5-15g/L；
4)固态沼气发酵
将步骤3)的混合物质放入反应器中发酵28-32d；
5)获取沼渣
收集步骤4)中厌氧发酵剩余的沼渣，并放入堆肥反应器中；再加入适量稻秆调整堆体含水量，使总含水量保持在50-60％；
添加枯草芽孢杆菌或里氏木霉或二者混合菌液，将枯草芽孢杆菌或里氏木霉或二者的混合菌液接种于堆肥反应器内，枯草芽孢杆菌或里氏木霉或二者的混合菌液的接种量为堆肥基质总干重的0.5％-3％；
并添加生物炭，生物炭添加量为10-20g/L；
6)沼渣好氧堆肥
在堆肥反应器中通入气体进行沼渣好氧堆肥，通气量设置为0.30-0.75L/min。
下面分别试验了C/N、稻秆粒径、总固体含量(TS％)、生物炭添加量对猪粪掺混稻秆厌氧发酵特性的影响；分别试验了通气量、枯草芽孢杆菌和里氏木霉添加量、生物炭添加量对沼渣好氧堆肥特性的影响，对沼气产率高的反应器内不同时期的发酵基质进行了微生物群落结构分析，对堆肥腐熟性能最高的反应器内不同时期的发酵基质进行了微生物群落结构分析。
C/N比对猪粪掺混稻秆厌氧发酵特性的影响
将自然风干后的稻秆剪至5-10mm，与猪粪按照不同配比混合使得C/N比分别为17.1、22.3、27.5、31.8和39.4，总TS％保持在30％。混合发酵基质酸化10天后放入反应器，加入接种物开始发酵。结果显示，当C/N比为22.3-31.8时，沼气产率、甲烷浓度以及木质纤维素去除率均明显提高(沼气产率达到0.25m3/(m3·d)；最高甲烷浓度达到54.30％；纤维素、半纤维素和木质素去除率分别达到52.17％、61.08％和5.96％)。
稻秆粒径对猪粪掺混稻秆厌氧发酵特性的影响
将风干后的稻秆分别剪至5、15和25mm的大小，再将部分稻秆用粉碎机粉碎，分别过20目(0.85mm)和50目(0.35mm)筛子。将处理过后的秸秆分别和猪粪混合，其中C/N比为22.3-31.8，总TS％保持在30％。混合酸化10d后放入反应器加入接种物开始发酵。结果表明，当稻秆粒径为0.35-5mm时，沼气产率、甲烷浓度以及木质纤维素去除率均明显提高(沼气产率达到0.32m3/(m3·d)；最高甲烷浓度达到63.23％；纤维素、半纤维素和木质素去除率分别达到54.88％、66.05％和14.02％)。
TS％对猪粪掺混稻秆厌氧发酵特性的影响
将粒径为0.35-5mm的稻秆、猪粪和水按照不同质量配比混合使得最终TS％为5％、15％、25％、30％、35％，其中C/N比为22.3-31.8。酸化10天后放入反应器加入接种物开始发酵。结果表明，当TS％为15％-30％时，沼气产率、甲烷浓度以及木质纤维素去除率均明显提高(沼气产率达到0.45m3/(m3·d)；最高甲烷浓度达到65.17％；纤维素、半纤维素和木质素去除率分别达到64.98％、63.22％和15.87％)。
通气量对沼渣好氧堆肥特性的影响
收集厌氧发酵剩余的沼渣于堆肥反应器中，加入适量稻秆调整堆体含水量，使总含水量保持在50-60％左右，C/N比在25左右。堆肥通气量分别设为0.30L/min、0.50L/min、0.75L/min、1.00L/min和1.25L/min。结果表明，当通气量为0.30-0.75L/min，腐殖酸含量和腐熟效果明显提高(腐殖酸含量达到102.75mg/g；种子发芽率达到104.12％)。
枯草芽孢杆菌和里氏木霉添加量对沼渣好氧堆肥特性的影响
收集厌氧发酵剩余的沼渣于堆肥反应器中，加入适量稻秆，同时接种枯草芽孢杆菌和里氏木霉，充分混合后进行堆肥实验，通气量设为0.30-0.75L/min。
枯草芽孢杆菌和里氏木霉活化操作：首先用接种环分别将保存的枯草芽孢杆菌和里氏木霉接种于斜面培养基好氧培养，然后挑取2环接种于新鲜配制的液体种子培养基内，摇匀，37℃恒温下好氧培养12h。取种子培养液6mL于300mL培养基内继续在37℃恒温摇床内扩大培养12h。将枯草芽孢杆菌和里氏木霉的混合菌液按堆肥基质总干重的0.5％、1.5％、3％和5％接种于堆肥反应器内。
结果表明，当枯草芽孢杆菌和里氏木霉菌液接种量为0.5％-3％时，腐殖酸含量、腐熟效果较空白组均明显提高(腐殖酸含量达到131.45mg/g；种子发芽率达到135.01％)。
生物炭添加量对猪粪掺混稻秆厌氧发酵特性的影响
将粒径为0.35-5mm的稻秆和猪粪按照质量配比混合使得最终C/N比为22.3-31.8，总TS％为15％-30％。混合酸化10天后放入反应器，分别添加0、5、10、15、20g/L的生物炭，同时加入接种物后开始发酵。结果表明，当生物炭添加量为5-15g/L，沼气发酵性能明显提高，其中累计产气量达到36443.50mL，相当于池容产气率为0.51m3/(m3·d)；最高甲烷含量为76.43％；纤维素、半纤维素和木质素的去除率分别为74.43％，70.20％和18.75％。
同时在发酵结束后，对沼气产率高的反应器内不同时期的发酵基质进行了微生物群落结构分析。结果表明，Clostridium_sensus_stricto_1、Ruminofilibacter、Ruminoclostridium、Methanosarcina、Methanosaeta和Methanosphaera为沼气发酵过程中的优势微生物，如图1和图2所示。
生物炭添加量对沼渣好氧堆肥特性的影响
上述研究生物炭对厌氧发酵的影响的实验结束后，向各反应器内加入适量稻秆(调节含水量)开始堆肥，通气量设置为0.30-0.75L/min。结果表明，当生物炭添加量为10-20g/L时，沼渣堆肥性能明显提高，其中腐殖酸含量达到179.32mg/g；GI达到132.95％；C/N比由25.41降至11.26。
同时在堆肥结束后，对堆肥腐熟性能最高的反应器内不同时期的发酵基质进行了微生物群落结构分析。结果表明，Firmicutes、Bacteroidota、Proteobacteria和Actinobacteriota为堆肥过程中的优势微生物，如图3所示。
最后说明的是，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。

Claims (2)

1.一种猪粪掺混稻秆固态沼气发酵及沼渣好氧堆肥耦合工艺，其特征在于，该工艺包括如下步骤：
1)制备稻秆
将自然风干后的稻秆剪至5-10mm，再用粉碎机粉碎，使稻秆粒径为0.35-5mm；
2)稻秆与猪粪混合
将步骤1)制备的稻秆与猪粪掺混，混合后使得C/N比为22.3-31.8；
3)调节总固体含量；
将步骤2)的混合物与水混合，混合后使得TS％为15％-30％；
在步骤3)中的混合物质中添加生物炭，生物炭添加量为5-15g/L；
4)固态沼气发酵
将步骤3)的混合物质放入反应器中发酵28-32d；
5)获取沼渣
收集步骤4)中厌氧发酵剩余的沼渣，并放入堆肥反应器中；再加入适量稻秆调整堆体含水量，使总含水量保持在50-60％；
6)沼渣好氧堆肥
在堆肥反应器中通入气体进行沼渣好氧堆肥，通气量设置为0.30-0.75L/min；
在通入气体之前，添加枯草芽孢杆菌和里氏木霉的混合菌液，将枯草芽孢杆菌和里氏木霉的混合菌液接种于堆肥反应器内，枯草芽孢杆菌和里氏木霉的混合菌液的接种量为堆肥基质总干重的0.5％-3％；
接种枯草芽孢杆菌和里氏木霉的混合菌液后，添加生物炭，生物炭添加量为10-20g/L；
枯草芽孢杆菌与里氏木霉之比为1:1。
2.根据权利要求1所述的一种猪粪掺混稻秆固态沼气发酵及沼渣好氧堆肥耦合工艺，其特征在于，枯草芽孢杆菌和里氏木霉活化操作：分别将枯草芽孢杆菌和里氏木霉接种于斜面培养基上进行好氧培养，并在37℃条件下接种进行液体种子的好氧扩大培养12h。
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