CN116040903A - 一种沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法。本发明提供了一种新的维持畜禽粪污高浓度厌氧发酵且沼液同步全量回用的工艺方法，其通过沼液脱氮后全量回流实现沼液近零排放，通过部分沼渣回用为厌氧微生物提供载体床维持系统的运行性能，保证系统的长期稳定运行；通过添加部分清水调节畜禽粪污的水力停留时间HRT以使系统中氨氮浓度处于其对产甲烷菌的抑制阈值范围内，从而实现畜禽粪污高浓度厌氧发酵系统的长期运行稳定性。

Description

一种沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法
技术领域
本发明属于废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法。
背景技术
集约化、规模化畜禽养殖业的快速发展，产生了大量的畜禽粪污，畜禽粪污中有机物、无机矿物质氮磷等营养元素高，随意排放会对大气、水体、土壤等产生严重污染，据报道畜禽粪污已成为农业面临污染的主要来源。
厌氧消化是实现畜禽粪污资源化利用和减量化、无害化处理的有效技术之一，已得到了广泛应用。但是，粪污沼气工程的推进也产生了一系列的工程问题和运行难题，一方面，畜禽粪污含水量大，厌氧消化处理多采用湿式发酵工艺，该工艺沼液排放量大集中，难以有效处理和就近农田消纳利用，沼液的后处理难题已成为制约规模化沼气工程推广应用的关键因素；另一方面，畜禽粪污，尤其是猪粪、鸡粪等含氮量较高，碳氮比较低，这一物质属性使得粪污在发酵过程中易造成氨氮浓度过高，抑制产甲烷菌的代谢活性，引起有机酸累积、沼气产量降低和消化系统运行失败。
为解决沼液后处理难题和高氨氮抑制等问题，国内外学者进行了大量研究，比如在厌氧发酵过程中添加生物炭、沸石、基于MOFs材料的衍生金属氧化物等氨氮吸附材料，来降低发酵液中氨氮浓度，以提升甲烷产量，但是，上述工艺需要对沼液进行多级物理-生化处理，工艺链条长。另外，上述工艺虽然可在一定程度上降低粪污发酵系统中的氨氮浓度，提高系统的甲烷产量，然而仍未解决沼液的排放量大的问题；而常规的沼液回流工艺又会因多次回流造成氨氮浓度过高而导致系统运行稳定性下降。
因此，如何维持粪污发酵系统的稳定性且沼液实现近零排放的发酵工艺技术需要进一步开发研究。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的畜禽粪污发酵过程中沼液排放量大、系统的长期运行稳定性下降等缺陷，从而提供一种沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法。
为此，本发明提供如下技术方案：
本发明发明提供一种沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，包括如下步骤：
S1，以畜禽粪污为发酵原料，进行中温厌氧发酵，并逐步提高系统的运行负荷至5.5gVS/L/d以上；
S2，将发酵产物进行固液分离，所得沼液经过脱氮处理全部回流至步骤S1中；所得沼渣部分回用至步骤S1中，控制发酵体系干物质含量维持在13-15wt％；
S3，当发酵产物中氨氮浓度高于6000mg/L时，采用清水控制水力停留时间为20-45天。
可选地，步骤S1中，逐步提高系统的运行负荷至5.5-6.0gVS/L/d。
可选地，步骤S1中，以0.5-1.0gVS/L/d的梯度提高系统的运行负荷。
可选地，步骤S1中，系统的初始负荷为1.0-2.0gVS/L/d，运行至产气稳定后再逐步提高系统的运行负荷。
可选地，步骤S1中，逐步提高系统的运行负荷过程中，每一负荷阶段皆运行至产气稳定后再继续提高系统的运行负荷。
可选地，步骤S1中，所述中温厌氧发酵的温度为37-40℃，发酵pH为7.0-8.2。
可选地，发酵启动阶段接种污泥来源于厌氧产沼气的发酵体系；
和/或，接种污泥添加量为发酵系统有效容积的50％-70％。
可选地，步骤S2中，脱氮处理后沼液中氨氮浓度在1000mg/L以下。
可选地，步骤S2中，所述沼渣经过干燥处理。
可选地，所述畜禽粪污基于鲜重的有机干物质含量为10-30％，pH为6.5-8.5，碳氮比为5.5-20.0；
和/或，所述畜禽粪污为鸡粪，猪粪，牛粪，羊粪中的至少一种。
本发明中的脱氮工艺为领域内常规的，优选采用负压脱氮工艺，具有脱氮效率高的优势。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，包括如下步骤：S1，以畜禽粪污为发酵原料，进行中温厌氧发酵，并逐步提高系统的运行负荷至5.5gVS/L/d以上；S2，将发酵产物进行固液分离，所得沼液经过脱氮处理全部回流至步骤S1中；所得沼渣部分回用至步骤S1中，控制发酵体系干物质含量维持在13-15wt％；S3，当发酵产物中氨氮浓度高于6000mg/L时，采用清水控制水力停留时间为20-45天。本发明提供了一种新的维持畜禽粪污高浓度厌氧发酵且沼液同步全量回用的工艺方法，其通过沼液脱氮后全量回流实现沼液近零排放，通过部分沼渣回用为厌氧微生物提供载体床维持系统的运行性能，保证系统的长期稳定运行；通过添加部分清水调节畜禽粪污的水力停留时间HRT以使系统中氨氮浓度处于其对产甲烷菌的抑制阈值范围内，从而实现畜禽粪污高浓度厌氧发酵系统的长期运行稳定性。
具体地，采用本发明提供的方法进行畜禽粪污发高浓度厌氧发酵，通过控制系统的运行负荷OLR，干物质含量以及采用清水调控水力停留时间等参数和各步骤的配合，能够稳定运行180天以上，且系统的容积产气率达到1.9m3/m3/d以上，单位有机干物质产气率可达0.38m3/kgVS以上，同时避免了传统厌氧消化高氨氮抑制和湿式厌氧消化工艺沼液后处理等造成成本高的问题，为低碳氮比有机废弃物的高浓度厌氧消化工艺提供一条新方法，同时还解决了沼液难以处理的难题，具有良好的应用前景。
本发明提供的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，通过对逐步提高系统运行负荷具体操作步骤的控制，能够使系统中厌氧微生物对氨氮的耐受能力得到自然驯化，具有提高系统中厌氧微生物对氨氮的耐受阈值和提高系统运行稳定性的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中提供的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法的工艺流程图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供一种沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其工艺流程如图1所示，具体步骤和操作参数如下：
1、接种厌氧污泥：从稳定产气的中温厌氧发酵罐中获取富含产甲烷菌的污泥，接种至发酵罐中，接种量约为发酵罐有效容积的60％，控制发酵罐的温度为37-40℃，pH为7.4。
2、将新鲜鸡粪(所述鸡粪为规模养鸡场排放的鲜鸡粪，有机干物质含量约为30％(基于鲜重)，原料pH约为8.1，碳氮比为6.7)以初始负荷2.0gVS/L/d进行进料，并维持2周，待系统稳定产气后，再以0.5gVS/L/d的增加梯度逐渐提升系统的运行负荷至6.0gVS/L/d，在负荷提升过程中每一阶段运行2-3周，待系统稳定产气后再继续提升系统的运行负荷，待系统负荷达到6.0gVS/L/d后，系统运行负荷维持恒定。产气稳定后对发酵液进行固液分离，得到的沼液通过负压脱氮工艺处理，使沼液氨氮浓度降低至1000mg/L以下进行全量回流；部分沼渣回用以调节发酵罐的含固率维持在15％，具体为将沼渣烘干后(含固率≥98％)进行粉碎，随发酵原料同步加入发酵罐中；当发酵产物中氨氮浓度高于6000mg/L时，使用一定量清水调节鸡粪的HRT为30d进行厌氧消化，该操作工艺可维持系统的运行稳定性。
连续运行90d的实验数据表明，该工艺条件下，系统发酵液氨氮浓度约为5420mg/L，总挥发性脂肪酸(VFA)浓度为2070mg/L,发酵罐容积产气率为2.1m3/m3/d以上，鸡粪的单位有机干物质产气率为0.39m3/kgVS。连续运行180d的实验数据表明，该工艺条件下，系统发酵液氨氮浓度约为5570mg/L，总挥发性脂肪酸(VFA)浓度为2210mg/L,发酵罐容积产气率为2.0m3/m3/d，鸡粪的单位有机干物质产气率仍然可保持在0.39m3/kgVS。
实施例2
本实施例提供一种沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其工艺流程如图1所示，具体步骤和操作参数如下：
1、接种厌氧污泥：从稳定产气的中温厌氧发酵罐中获取富含产甲烷菌的污泥，接种至发酵罐中，接种量约为发酵罐有效容积的50％，控制发酵罐的温度为37-40℃，pH为7.4。
2、将新鲜鸡粪(所述鸡粪为规模养鸡场排放的鲜鸡粪，有机干物质含量约为30％(基于鲜重)，原料pH约为8.1，碳氮比为6.7)以初始负荷1.0gVS/L/d进行进料，并维持2周，待系统稳定产气后，再以0.5gVS/L/d的增加梯度逐渐提升系统的运行负荷至6.0gVS/L/d，在负荷提升过程中每一阶段运行2-3周，待系统稳定产气后再继续提升系统的运行负荷，待系统负荷达到6.0gVS/L/d后，系统运行负荷维持恒定。发酵液经固液分离后得到的沼液通过脱氮工艺处理，使沼液氨氮浓度降低至1000mg/L以下进行全量回流；部分沼渣回用以调节发酵罐的含固率维持在13％，具体为将沼渣烘干后(含固率≥98％)进行粉碎，随发酵原料同步加入发酵罐中；当发酵产物中氨氮浓度高于6000mg/L时，使用一定量清水调节鸡粪的HRT为20d进行厌氧消化，该操作工艺可维持系统的运行稳定性。
连续运行90d的实验数据表明，该工艺条件下，系统发酵液氨氮浓度约为4870mg/L，总挥发性脂肪酸(VFA)浓度为2058mg/L,发酵罐容积产气率可达1.9m3/m3/d，鸡粪的单位有机干物质产气率为0.38m3/kgVS。连续运行180d的实验数据表明，该工艺条件下，系统发酵液氨氮浓度约为4970mg/L，总挥发性脂肪酸(VFA)浓度为2210mg/L,发酵罐容积产气率可达1.9m3/m3/d，鸡粪的单位有机干物质产气率为0.38m3/kgVS。
实施例3
本实施例提供一种沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其工艺流程如图1所示，具体步骤和操作参数如下：
1、接种厌氧污泥：从稳定产气的中温厌氧发酵罐中获取富含产甲烷菌的污泥，接种至发酵罐中，接种量约为发酵罐有效容积的70％，控制发酵罐的温度为37-40℃，pH为7.4。
2、将新鲜鸡粪(所述鸡粪为规模养鸡场排放的鲜鸡粪，有机干物质含量约为30％(基于鲜重)，原料pH约为8.1，碳氮比为6.7)以初始负荷2.0gVS/L/d进行进料，并维持2周，待系统稳定产气后，再以0.5gVS/L/d的增加梯度逐渐提升系统的运行负荷至6.0gVS/L/d，在负荷提升过程中每一阶段运行2-3周，待系统稳定产气后再继续提升系统的运行负荷，待系统负荷达到6.0gVS/L/d后，系统运行负荷维持恒定。发酵液经固液分离后得到的沼液通过脱氮工艺处理，使沼液氨氮浓度降低至1000mg/L以下进行全量回流；部分沼渣回用以调节发酵罐的含固率维持在15％，具体为将沼渣烘干后(含固率≥98％)进行粉碎，随发酵原料同步加入发酵罐中；当发酵产物中氨氮浓度高于6000mg/L时，使用一定量清水调节鸡粪的HRT为45d进行厌氧消化，该操作工艺可维持系统的运行稳定性。
连续运行90d的实验数据表明，该工艺条件下，系统发酵液氨氮浓度约为5420mg/L，总挥发性脂肪酸(VFA)浓度为2480mg/L,发酵罐容积产气率可达2.1m3/m3/d，鸡粪的单位有机干物质产气率为0.4m3/kgVS。连续运行180d的实验数据表明，该工艺条件下，系统发酵液氨氮浓度约为5780mg/L，总挥发性脂肪酸(VFA)浓度为2750mg/L,发酵罐容积产气率可达1.9m3/m3/d，鸡粪的单位有机干物质产气率为0.39m3/kgVS。
对比例1
本对比例提供一种畜禽粪污的发酵方法，该对比例与实施例1在发酵原料、反应器启动、沼渣回用、温度、OLR、HRT等方面一致，区别仅在于沼液未进行脱氮处理直接回流，结果表明，该系统运行40天后发酵液中氨氮浓度达到6650mg/L，VFA含量约9000mg/L，产生了较为明显的脂肪酸累积现象，不能长期稳定运行；鸡粪的单位有机干物质产气率为0.32m3/kgVS,较实施例1降低了17.9％。
对比例2
本对比例提供一种畜禽粪污的发酵方法，该对比例与实施例1在发酵原料、反应器启动、沼液沼渣回用方式、温度、OLR等方面一致，区别仅在于未调节鸡粪的HRT，结果表明，该系统运行62天后发酵液中氨氮浓度达到约6800mg/L，VFA含量3800mg/L，不能长期稳定运行，鸡粪的单位有机干物质产气率为0.36m3/kgVS,较实施例1降低了7.7％。
对比例3
本对比例提供一种畜禽粪污的发酵方法，该对比例与实施例1在发酵原料、反应器启动、沼液沼渣回用方式、温度、OLR等方面一致，区别仅在于使用清水调节鸡粪的HRT至10d，结果表明，该系统运行50天后发酵液中氨氮浓度约4600mg/L，但同时由于较低的水利停留时间导致产甲烷菌流失，进而使得该过程产生的挥发性脂肪酸难以被快速转化利用，使得有机酸累积，VFA含量达7500mg/L，导致系统仍然不能长期稳定运行，鸡粪的单位有机干物质产气率仅为0.30m3/kgVS,较实施例1降低了23.1％，表明较低的HRT导致了发酵罐中甲烷菌的流失，影响了系统的产甲烷性能。
对比例4
本对比例提供一种畜禽粪污的发酵方法，该对比例与实施例1的区别仅在于，逐步提高系统的运行负荷至5.0gVS/L/d，结果表明，该系统运行180天后发酵液中氨氮浓度达到约4950mg/L，VFA含量达2460mg/L，发酵罐容积产气率仅为1.7m3/m3/d,较实施例1降低了15％，表明较低的运行负荷导致了较低的容积产气率，不利于发酵设施的综合利用。
对比例5
本对比例提供一种畜禽粪污的发酵方法，该对比例与实施例1的区别仅在于，沼渣不回用，不对发酵体系干物质含量进行控制，结果表明，该系统运行180天后发酵液中氨氮浓度达到约5500mg/L，VFA含量达4500mg/L，对长期稳定运行有一定影响，鸡粪的单位有机干物质产气率仅为0.33m3/kgVS,较实施例1降低了15.4％，表明较低的干物质含量导致了系统中产甲烷菌的流失，降低了有机物的产甲烷率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，以畜禽粪污为发酵原料，进行中温厌氧发酵，并逐步提高系统的运行负荷至5.5gVS/L/d以上；
S2，将发酵产物进行固液分离，所得沼液经过脱氮处理全部回流至步骤S1中；所得沼渣部分回用至步骤S1中，控制发酵体系干物质含量维持在13-15wt％；
S3，当发酵产物中氨氮浓度高于6000mg/L时，采用清水控制水力停留时间为20-45天。
2.根据权利要求1所述的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其特征在于，步骤S1中，逐步提高系统的运行负荷至5.5-6.0gVS/L/d。
3.根据权利要求1所述的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其特征在于，步骤S1中，以0.5-1.0gVS/L/d的梯度提高系统的运行负荷。
4.根据权利要求1所述的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其特征在于，步骤S1中，系统的初始负荷为1.0-2.0gVS/L/d，运行至产气稳定后再逐步提高系统的运行负荷。
5.根据权利要求1所述的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其特征在于，步骤S1中，逐步提高系统的运行负荷过程中，每一负荷阶段皆运行至产气稳定后再继续提高系统的运行负荷。
6.根据权利要求1-5任一项所述的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其特征在于，步骤S1中，所述中温厌氧发酵的温度为37-40℃，发酵pH为7.0-8.2。
7.根据权利要求1-5任一项所述的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其特征在于，发酵启动阶段接种污泥来源于厌氧产沼气的发酵体系；
和/或，接种污泥添加量为发酵系统有效容积的50％-70％。
8.根据权利要求1-7任一项所述的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其特征在于，步骤S2中，脱氮处理后沼液中氨氮浓度在1000mg/L以下。
9.根据权利要求8所述的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其特征在于，步骤S2中，所述沼渣经过干燥处理。
10.根据权利要求1-9任一项所述的沼液同步回用的畜禽粪污发酵方法，其特征在于，所述畜禽粪污基于鲜重的有机干物质含量为10-30％，pH为6.5-8.5，碳氮比为5.5-20.0；
和/或，所述畜禽粪污为鸡粪，猪粪，牛粪，羊粪中的至少一种。
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