CN114854794B - 一种多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，属于农业废弃物资源化利用技术领域。本发明通过合理设置农业废弃物处理顺序和参数，将秸秆、尾菜和牛粪多原料协同应用到序批式厌氧干发酵气肥联产上，提高了农业废弃物的利用价值。并且，本申请采用功能膜形成的塑料包进行厌氧干发酵，替代传统混凝土或钢制发酵装置，发酵料进行厌氧干发酵后直接打开功能膜进行好氧堆肥，没有其他步骤导致的物质损失，能保证厌氧发酵产沼气过程中物质损失少，能够最大限度的产沼气且产气量稳定，大幅节约成本。

Description

一种多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法
技术领域
本发明属于农业废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法。
背景技术
农业废弃物(agriculturalresidue)是指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质，主要为农、林、牧、渔业生产过程中产生的生物质类残余物，包括作物秸秆、畜禽粪便、动物残体、骨骼及羽毛等，并以作物秸秆和畜禽粪便最为普遍。
中国是世界上较大农业国家之一，随着农业现代化及城镇化的发展，中国的农业生产也越来越市场化和集约化，农业生产方式发生了巨大变化，导致农业生产效率大幅提高。农作物种植业的发展，在粮食作物产量大幅提高的同时，产生了大量的农田有机废物—作物秸秆；在畜禽养殖业的发展中，产生了大量的养殖有机废物—畜禽粪便，这两种有机废物，在中国的农业生产过程中有极大的排放量。
目前，厌氧干发酵是处理农业废弃物的主要手段，厌氧干发酵过程中，部分可溶性有机物消耗并转化为沼气，而剩余的沼渣处理较为困难、利用率低。并且，现有的厌氧干发酵的发酵原料种类较为单一，不能有效利用不同种类的农业废弃物。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，本发明的方法能够有效利用多种农业废弃物，且处理沼渣简便，沼渣利用率高。
本发明提供了一种多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，包括以下步骤：
1）将粉碎后的秸秆和预处理试剂混合，进行预处理，得到预处理秸秆；
2）将所述预处理秸秆和动物粪便、含产甲烷菌的厌氧发酵污泥混合，得到混合料，调节所述混合料的pH值为8~10，得到发酵料；
3）将所述发酵料包于功能膜内，进行厌氧干发酵，分别收集沼气和沼渣；
4）将所述沼渣和尾菜混合至碳氮比为（20:1）~（30:1），进行好氧堆肥，得到肥料；
步骤1）中所述预处理试剂包括碱溶液和深度共熔溶剂；所述碱溶液和深度共熔溶剂的体积比为（1:2）~（2:1）；所述深度共熔溶剂包括氯化胆碱和三乙醇胺；所述氯化胆碱和三乙醇胺的摩尔比为1:（1~5）。
优选的，步骤1）中，所述粉碎后的秸秆和碱溶液于功能膜内混合后进行预处理。
优选的，所述功能膜不透气；所述功能膜的厚度为0.2mm。
优选的，所述碱溶液包括KOH水溶液；所述KOH水溶液中KOH的质量浓度为1%~3%；所述粉碎后的秸秆和预处理试剂的质量比为1：（5~10）。
优选的，所述预处理秸秆和动物粪便的干物质量比为（2~3）：（2~3）；所述预处理秸秆和动物粪便的总质量和厌氧发酵污泥的质量比为10：（1~3）；所述厌氧发酵污泥中产甲烷菌的有效活菌数为107~109cfu/g VSS。
优选的，在步骤3）所述厌氧干发酵过程中包有所述发酵料的功能膜与渗滤液收集装置通过管道连通，所述渗滤液收集装置收集的渗滤液回流喷淋于功能膜内；所述喷淋的频率为每2~8h喷淋一次。
优选的，步骤3）中所述厌氧干发酵的温度为38~42℃；所述厌氧干发酵的初始pH值为6.5~7.5；所述厌氧干发酵的时间为14~16d。
优选的，在收集沼气后，还包括对沼气进行提纯，分别收集甲烷和CO2；所述CO2中的部分CO2回输到功能膜内；剩余CO2加压通入收集沼液的组件中。
优选的，通入收集沼液的组件的剩余CO2的温度为45~60℃，所述通入的压力为0.5~2.5mpa。
优选的，所述好氧堆肥过程中，当堆体的内芯温度超过50℃翻堆1次。
本发明提供了一种多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，本发明通过合理设置农业废弃物处理顺序和参数，将秸秆、尾菜和动物粪便多原料协同应用到气肥联产上，提高了农业废弃物的利用价值。本申请采用功能膜形成的塑料包进行厌氧干发酵，替代传统混凝土或钢制发酵装置，发酵料进行厌氧干发酵后直接打开功能膜进行好氧堆肥，没有其他步骤导致的物质损失，能保证厌氧发酵产沼气过程中物质损失少，能够最大限度的产沼气且产气量稳定，大幅节约成本。同时，本发明创新的在沼渣好氧堆肥阶段加入尾菜，强化碳素，为堆肥启动阶段加入天然促进剂，帮助尾菜消纳的同时，也解决了厌氧干发酵后好氧堆肥阶段C/N低、堆肥速率慢的问题。混入尾菜后充分提高C/N比，好氧堆肥的效果显著提高。本发明的方法能够实现多种农业废弃物的绿色无害化处理。
附图说明
图1为本发明多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，包括以下步骤：
1）将粉碎后的秸秆和预处理试剂混合，进行预处理，得到预处理秸秆；
2）将所述预处理秸秆和动物粪便、含产甲烷菌的厌氧发酵污泥混合，得到混合料，调节所述混合料的pH值为8~10，得到发酵料；
3）将所述发酵料包于功能膜内，进行厌氧干发酵，分别收集沼气和沼渣；
4）将所述沼渣和尾菜混合至碳氮比为（20:1）~（30:1），进行好氧堆肥，得到肥料；
步骤1）中所述预处理试剂包括碱溶液和深度共熔溶剂（DES）；所述碱溶液和深度共熔溶剂的体积比为（1:2）~（2:1）；所述深度共熔溶剂包括氯化胆碱和三乙醇胺；所述氯化胆碱和三乙醇胺的摩尔比为1:（1~5）。
在本发明中，所述多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法优选的原位进行，遵循就地就近利用原则。在本发明中，所述农业废弃物优选为农村散户产生的农业废弃物。
本发明首先将粉碎后的秸秆和预处理试剂混合，进行预处理，得到预处理秸秆。
在本发明中，所述秸秆为原位收集的秸秆；所述秸秆边收集、边粉碎、边预处理；所述粉碎后的秸秆和碱溶液优选的包于功能膜内进行预处理，功能膜形成收集包的形式；所述功能膜优选的含有乙烯-四氟乙烯共聚物，所述功能膜优选的具有防切割、抗腐蚀和吸热保温的功能；本发明具体实施过程中，所述功能膜购自于日本旭硝子公司，厚度为0.2mm。在本发明中，所述碱溶液和深度共熔溶剂的体积比优选为1:1；所述碱溶液优选的包括KOH水溶液，能够提高秸秆的K含量；所述KOH水溶液中KOH的质量浓度优选为1%~3%，更优选为2%；所述粉碎后的秸秆和预处理试剂的质量比优选为1:（8~10），更优选为1：9；所述氯化胆碱和三乙醇胺的摩尔比优选为1:3。在本发明中，所述深度共熔溶剂能够分解半纤维素木质素，暴露纤维素使它更好被利用，从而加强预处理效果。本发明将粉碎后的秸秆和预处理试剂混合能够松散秸秆的木质纤维素结构，破坏秸秆中的木质素。
得到预处理秸秆后，本发明将所述预处理秸秆和动物粪便、含产甲烷菌的厌氧发酵污泥混合，得到混合料，调节所述混合料的pH值为8~10，得到发酵料。调节所述混合料的pH值为8~10是为了给产甲烷菌提供适宜生长pH，使秸秆更好的分解。
在本发明中，所述粪便优选为牛粪，更优选为经过除砂、除杂的牛粪。在本发明中，经过除砂的牛粪优选的是将牛粪搅拌除砂得到，除砂的作用是去除牛粪中的杂质。
在本发明中，所述预处理秸秆和经过除砂的牛粪的干物质量比优选为（2~3）：（2~3），更优选为1:1。
在本发明中，所述预处理秸秆和动物粪便的总质量和厌氧发酵污泥的质量比优选为10：（1~3）；所述厌氧发酵污泥中产甲烷菌的有效活菌数为107~109cfu/g VSS。在本发明中，所述产甲烷菌优选为乙酸营养型甲烷丝菌属和甲烷八叠球菌属。
得到发酵料后，本发明将所述发酵料包于功能膜内，进行厌氧干发酵，分别收集沼气和沼渣。在本发明中，所述发酵料的含固率优选为20%~40%。
本发明将所述发酵料包于功能膜内优选的包括将所述发酵料置于平铺的功能膜上后，对功能膜向中心回收、扎口，进行厌氧干发酵。在本发明中，所述功能膜不透气，具有良好的吸热保温功能，可吸收膜外界热量给物料加温。在所述厌氧干发酵前中，优选的还包括去除功能膜内的残留空气；所述功能膜内包有回输气体的管道，所述去除功能膜内的残留空气的方式优选的采用气调的方式进行，更优选的采用向功能膜内补加氮气或CO2将功能膜内的残留空气排除。在本发明中，所述CO2优选为提纯沼气过程中产生的CO2。在本发明中，所述厌氧干发酵过程中，功能膜内的初始溶氧量优选为0.4~0.8mg/L，利用残留空气创造微好氧环境使物料快速分解升温到45℃以上，残留空气消耗殆尽后自动转入厌氧发酵产沼气。在本发明中，所述发酵料的体积优选的占功能膜内容积的1/3~2/3。
在本发明中，所述功能膜的个数优选为15个；所述功能膜内优选的包裹有喷淋管、进气管和出气管。
本发明采用功能膜作为壁材进行厌氧干发酵，替代传统混凝土或钢制发酵装置，发酵料进行厌氧干发酵后直接打开功能膜进行好氧堆肥，没有其他步骤导致的物质损失，能保证厌氧发酵产沼气过程中物质损失少，能够最大限度的产沼气且产气量稳定，大幅节约成本。
在本发明中，在所述厌氧干发酵过程中包有所述发酵料的功能膜优选的与渗滤液收集装置通过管道连通，所述渗滤液收集装置收集的渗滤液回流喷淋于功能膜内；所述喷淋的频率优选为每2~8h喷淋一次，更优选为每4h喷淋一次；回流喷淋于功能膜内的渗滤液的体积优选的占总渗滤液体积的1/3，剩余的渗滤液优选的喷淋于后续的好氧堆肥的堆体中。
在本发明中，所述厌氧干发酵的温度优选为38~42℃；所述厌氧干发酵的初始pH值优选为6.5~7.5；所述厌氧干发酵的时间优选为14~16d，更优选为15d，在所述厌氧干发酵过程中，发酵料得到充分的降解，原料中的可溶性物质和木质素等物质快速分解成有机酸，最大限度的将发酵料中可利用的物质转化为沼气。本发明的厌氧干发酵条件能够保证高效产气，此外，还能为生产出营养均衡的有机肥产品提供优质沼渣，本发明的厌氧干发酵得到的沼渣K和N的含量均提高，P含量得到控制。
在所述厌氧干发酵后，本发明排净功能膜内的甲烷；在排净功能膜内的沼气后，本发明优选的将功能膜束口解开，功能膜呈现平铺状态，功能膜上是发酵剩余物沼渣。
收集沼气后，本发明优选的还包括对产生的沼气进行提纯，分别收集甲烷和CO2，得到纯度95%以上的甲烷，甲烷储存用作燃料。本发明对所述提纯的方法没有特殊限制，采用本领域的常规方法即可。在本发明提纯过程中，对提纯分离出的CO2进行收集；收集所述CO2优选的采用储气柜进行；所述收集的CO2可用于对厌氧发酵过程的气调。
本发明在收集沼气后，优选的还包括对沼气进行提纯，所述CO2中的部分CO2回输到功能膜，回输的CO2的体积优选的占全部CO2体积的1/3，CO2回输用于吹扫功能膜中残存的甲烷、硫化氢等有害气体；剩余CO2加压通入收集沼液的组件中，加速沼液中未能完全降解的纤维素半纤维素降解，实现种植废弃物的绿色无害化处理。在本发明中，通入收集沼液的组件的剩余CO2的温度优选为45~60℃，更优选为50~55℃；所述通入的压力优选为0.5~2.5mpa，更优选为1~2mpa。在本发明中，CO2得到充分利用，实现了绿色无害化处理农业废弃物。
在进行所述厌氧干发酵后，本发明优选的还包括将所述功能膜拆开并平铺，沼渣于所述功能膜上进行好氧堆肥，具有防渗、防腐蚀地面的功能。在所述好氧堆肥过程中，适时堆翻即可，不需要通氧。
收集沼渣后，本发明将所述沼渣和尾菜混合至碳氮比为（20:1）~（30:1），进行好氧堆肥，得到肥料，以实现气肥联产。
本发明创新的在沼渣堆肥阶段加入尾菜，强化碳素，为堆肥启动阶段加入天然促进剂，帮助尾菜消纳的同时，也解决了厌氧干发酵后好氧堆肥阶段C/N低、堆肥速率慢的问题。混入尾菜后充分提高C/N比，好氧堆肥的效果显著提高。
在所述好氧堆肥过程中，堆体的内芯温度优选为50~65℃，更优选为55~60℃；当堆体的内芯温度超过50℃时，翻堆1次；所述好氧堆肥的时间优选的与所述厌氧干发酵的时间相同。在本发明中，随着好氧堆肥过程水分的散失，优选的还包括调节堆体水分至50%~60%；调节堆体水分采用的试剂优选为所述厌氧干发酵过程中产生的渗滤液，优选的将所述渗滤液喷淋到堆体并结合翻堆调节水分。
在本发明中，所述厌氧干发酵与堆肥优选的在同一厂房内进行，堆肥产生的热量能够提供给厌氧干发酵，通过充分利用堆肥产生的热量，能够提高产气效率；所述厂房的温度优选为20~30℃，更优选为25℃。
在本发明中，所述功能膜能够实现循环多次使用，在一轮厌氧干发酵结束后，所述功能膜能够用于进行下一轮秸秆收集碱处理（预处理）、原料混合及发酵。
在本发明的方法具有占地面积小、操作灵活等优点，功能膜（膜包）不用很大规模，小型可移动。
本发明将秸秆、尾菜和牛粪多原料协同应用到厌氧干发酵气肥联产上，能够提高农业废弃物的利用价值。
本发明主要是利用种植废弃物（秸秆、尾菜）和畜禽粪便（牛粪）混合原料，能够在厌氧干发酵过程中建立一种新的发酵方法，使发酵过程既产气、也产肥，过程高效，最大限度地发挥厌氧干发酵技术的生产潜力、经济效益和环境效益。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例 1
（1）将玉米秸秆粉碎并用预处理试剂浸泡和搅拌除砂后的牛粪混合，原料预处理后混合调节pH为8，秸秆与牛粪的配比(总固形物含量，TS)为4:6，得到发酵料。秸秆和预处理溶液质量比为1:5。预处理试剂由深度共熔溶剂和质量浓度为2%的KOH水溶液按照2:1的体积比混合得到，其中深度共熔溶剂由氯化胆碱和三乙醇胺按1:1的摩尔比混合得到。
（2）发酵料在添加了占发酵料质量含量30%的接种污泥后加入到功能膜（购自于日本旭硝子公司，厚度为0.2mm）形成的塑料包，在渗滤液喷淋频率为6h喷淋1次、发酵温度为38℃和pH为6.8的条件下进行15d厌氧发酵产沼气，15d沼气产量为138.7L/kg。
（3）将塑料包拆包铺到地上后混入尾菜调节C/N比为20：1，渗滤液喷淋调节堆体含水率为50%，堆体芯温度超过50℃时进行堆翻，15天后沼渣腐熟得到沼渣肥。
（4）将厌氧干发酵中生成的沼气收集提纯，提纯后的甲烷收集利用，CO2进行再利用。在45℃条件下，1mpaCO2加压通入剩余沼液中，加速降解沼液中剩余的纤维素和半纤维素。剩余CO2通过管道回输到塑料包中吹扫塑料包中残留的甲烷、硫化氢等有害气体。
本发明多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法的流程图参见图1。
实施例 2
（1）将玉米秸秆粉碎并用预处理试剂浸泡和搅拌除砂后的牛粪混合，原料预处理后混合调节pH为8，秸秆与牛粪的配比(TS)为5:5，得到发酵料。秸秆和预处理溶液质量比为1:6。预处理试剂由深度共熔溶剂和质量浓度为3%的KOH水溶液按照1:2的体积比混合得到，其中深度共熔溶剂由氯化胆碱和三乙醇胺按1:3的摩尔比混合得到。
（2）发酵料中添加了占发酵料质量含量20%的接种污泥后加入到功能膜（购自于日本旭硝子公司，厚度为0.2mm）形成的塑料包，在渗滤液喷淋频率为2h喷淋1次、发酵温度为38℃和pH为6.8的条件下将进行15d厌氧发酵产沼气。沼气产量与原料配比4:6时相比整体下降，15d沼气产量为122.3L/kg。
（3）将塑料包拆包铺到地上后混入尾菜调节C/N比为25：1，渗滤液喷淋调节堆体含水率为55%，堆体内芯温度超过50℃时进行堆翻，15天后沼渣腐熟得到沼渣肥。
（4）将厌氧干发酵中生成的沼气收集提纯，提纯后的甲烷收集利用，CO2进行再利用。在50℃条件下，1.5mpaCO2加压通入剩余沼液中，加速降解沼液中剩余的纤维素和半纤维素。剩余CO2通过管道回输到塑料包中吹扫塑料包中残留的甲烷、硫化氢等有害气体。
实施例 3
（1）将秸秆粉碎并用预处理试剂浸泡和搅拌除砂后的牛粪混合，原料预处理后混合调节pH为9，秸秆与牛粪的配比(TS)为6：4，得到发酵料。秸秆和预处理溶液质量比为1:8。预处理试剂由深度共熔溶剂和质量浓度为2%的KOH水溶液按照1:1的体积比混合得到，其中深度共熔溶剂由氯化胆碱和三乙醇胺按1:5的摩尔比混合得到。
（2）发酵料中添加了占发酵料质量含量30%的接种污泥后加入到功能膜（购自于日本旭硝子公司，厚度为0.2mm）形成的塑料包，在渗滤液喷淋频率为6h喷淋1次、发酵温度为38℃和pH为6.8的条件下将进行15d厌氧发酵产沼气。沼气产量整体于原料比例4:6和5:5时均下降，15d沼气产量为98.6L/kg。
（3）将塑料包拆包铺到地上后混入尾菜调节C/N比为30：1，渗滤液喷淋调节堆体含水率为60%，堆体内芯温度超过50℃时堆翻进行堆翻，15天后沼渣腐熟得到沼渣肥。
（4）将厌氧干发酵中生成的沼气收集提纯，提纯后的甲烷收集利用，CO2进行再利用。在60℃条件下，2.5mpaCO2加压通入剩余沼液中，加速降解沼液中剩余的纤维素和半纤维素。剩余CO2通过管道回输到塑料包中吹扫塑料包中残留的甲烷、硫化氢等有害气体。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (9)

1.一种多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，包括以下步骤：
1）将粉碎后的秸秆和预处理试剂混合，进行预处理，得到预处理秸秆；
2）将所述预处理秸秆和动物粪便、含产甲烷菌的厌氧发酵污泥混合，得到混合料，调节所述混合料的pH值为8~10，得到发酵料；
3）将所述发酵料包于功能膜内，进行厌氧干发酵，分别收集沼气和沼渣；
4）将所述沼渣和尾菜混合至碳氮比为（20:1）~（30:1），进行好氧堆肥，得到肥料；
步骤1）中所述预处理试剂包括碱溶液和深度共熔溶剂；所述碱溶液和深度共熔溶剂的体积比为（1:2）~（2:1）；所述深度共熔溶剂包括氯化胆碱和三乙醇胺；所述氯化胆碱和三乙醇胺的摩尔比为1:（1~5）；
所述功能膜含有乙烯-四氟乙烯共聚物；
所述功能膜不透气；所述功能膜的厚度为0.2mm；
所述产甲烷菌为乙酸营养型甲烷丝菌属和甲烷八叠球菌属。
2.根据权利要求1所述的多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，其特征在于，步骤1）中，所述粉碎后的秸秆和预处理试剂于功能膜内混合后进行预处理。
3.根据权利要求1所述的多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，其特征在于，所述碱溶液包括KOH水溶液；所述KOH水溶液中KOH的质量浓度为1%~3%；所述粉碎后的秸秆和预处理试剂的质量比为1：（5~10）。
4.根据权利要求1所述的多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，其特征在于，所述预处理秸秆和动物粪便的干物质量比为（2~3）：（2~3）；所述预处理秸秆和动物粪便的总质量和厌氧发酵污泥的质量比为10：（1~3）；所述厌氧发酵污泥中产甲烷菌的有效活菌数为107~109cfu/g VSS。
5.根据权利要求1所述的多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，其特征在于，在步骤3）所述厌氧干发酵过程中包有所述发酵料的功能膜与渗滤液收集装置通过管道连通，所述渗滤液收集装置收集的渗滤液回流喷淋于功能膜内；所述喷淋的频率为每2~8h喷淋一次。
6.根据权利要求1或5所述的多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，其特征在于，步骤3）中所述厌氧干发酵的温度为38~42℃；所述厌氧干发酵的初始pH值为6.5~7.5；所述厌氧干发酵的时间为14~16d。
7.根据权利要求1所述的多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，其特征在于，在收集沼气后，还包括对沼气进行提纯，分别收集甲烷和CO2；所述CO2中的部分CO2回输到功能膜内；剩余CO2加压通入收集沼液的组件中。
8.根据权利要求7所述的多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，其特征在于，通入收集沼液的组件的剩余CO2的温度为45~60℃，所述通入的压力为0.5~2.5mpa。
9.根据权利要求1所述的多元物料农业废弃物协同气肥联产的方法，其特征在于，所述好氧堆肥过程中，当堆体的内芯温度超过50℃翻堆1次。
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