CN1923733A - 一种互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法 - Google Patents

一种互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于资源与环境技术领域，具体涉及一种互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法。具体步骤为：原料互花米草预处理，预处理后的互花米草中添加含N元素物质，调整碳氮比为20∶1－30∶1，然后投入到生物产酸发酵装置中，接种，发酵，4－5天后开始周期性的抽取生物产酸发酵装置中的发酵液，抽取周期为2－5天/次，抽取的发酵液先储存于中间缓冲池，然后用高效厌氧沼气反应器进行连续发酵，即得到所需沼气，发酵出水经沉淀后部分回流至生物产酸发酵装置。反应过程中，只收集高效厌氧沼气反应装置中的气体，稳定化生物产酸发酵装置不必封闭，也不必收集气体。本发明不仅充分实现了互花米草的资源化、减量化和无害化的利用，而且简化了沼气发酵的管理，提高了沼气发酵的效率。

Description

一种互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法
技术领域
本发明属于资源与环境技术领域，具体涉及一种互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法。
背景技术
互花米草(Spartina aterniflora)原产于美国，是一种生长在潮间带的多年盐沼植物。1980年代初期，互花米草被引入中国用于保滩护岸、促淤造陆，互花米草引进一度对保护海堤安全，促进沿海地区经济发展、生态环境的改善和减灾等多方面做出了重大贡献。但经过20多年的发展，互花米草在我国沿海地区形成80-100万亩得群落，以这种外来入侵种形成的优势群落，给沿海地区带来一系列的负面影响。作为一个具有极强繁殖能力的外来物种，互花米草具有生长旺，繁殖快，植株高而密，与本土物种竞争激烈，改变了淤泥质光滩的景观和本土物种的栖息环境，譬如互花米草侵占滩涂贝类养殖的场所，导致贝类在密集的米草草滩中无法自由活动，健康生长，甚至会窒息死亡；一些贝类不得不迁移至米草草滩外；一些港区也由于互花米草的侵入淤积加快，影响船只出入。在夏秋季互花米草的落叶随着潮水四处漂移，进入滩涂或浅海的藻类养殖地，就会对紫菜，海带等海藻的生产与产品的质量产生一定的影响。
互花米草属于C4植物，具有高效的第一生产力。根据在苏北和上海两地多年的研究，互花米草单位面积地上部分收获产量在苏北可以达到2.5-3kg/m2，即1600-2000kg/亩；上海地区可以达到3-5kg/m2，即2000-3333kg/亩。目前在良好田间管理的条件下，三大传统粮食作物及其单产(含秸秆产量)分别为：小麦500-600kg/亩，水稻600-1000kg/亩，玉米800-1200kg/亩。在没有任何人为投入管理的条件下，互花米草几乎达到传统作物良好的田间管理产量的2-3倍，如果辅以施肥和人为管理，互花米草可以获得更高的单位产量。利用如此高效的生产力获取生物质发酵沼气作为能源，将会很大程度缓解沿海地区的能源供给矛盾。
但是，对于传统的固体有机质沼气发酵方法，把原料与接种物混合后投加到密闭容器中进行厌氧发酵。这种发酵方法不仅反应效率低，而且进出料管理非常的费时、费力，同时由于经常要进行反应器的开放和密闭，对反应器的要求非常高，严重限制了互花米草制备沼气用于能源的生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种互花米草能够在开放或半开放条件下进行发酵，进出料管理非常简便、省时、省力的，反应效率也非常高效的互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法。
本发明提出的互花米草稳定化生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法，其中，生物产酸联合高效厌氧制备沼气装置由生物产酸发酵装置、中间缓冲池、高效厌氧沼气反应器、沉淀池依次经管道和阀门连接组成，具体制备步骤如下：
(1)原料互花米草的粉碎预处理；
(2)向步骤(1)所得的预处理互花米草中添加含N元素物质，混合，控制混合料的碳氮比为20∶1--30∶1；
(3)将步骤(2)所得混合料投入到生物产酸发酵装置中，加入接种物进行接种，混合，得到发酵原料，接种物的加入量为互花米草原料干重的3％-5％；
(4)向步骤(3)中的发酵原料中加水进行发酵，加入量为水面至少高于发酵原料10cm，发酵温度控制在20-40℃；
(5)步骤(4)的发酵经过4-5天后，开始周期性的抽取生物产酸发酵装置中的发酵液，并加入与被抽出的发酵液等体积的补充用水，抽取周期为2-5天/次，经过15-20天完成一个发酵周期；
(6)将步骤(5)中每次得到的抽取发酵液储存于中间缓冲池，然后泵入或自流进入高效厌氧沼气反应器中，泵或自流的流速保证中间缓冲池两次进液之间的液体均衡流进高效厌氧沼气反应器，一般流速控制在为每小时高效厌氧沼气反应器内液体体积的1/6-1/48，发酵温度控制在20-40℃，进行连续发酵，收集到气体即为所需的沼气；
(7)步骤(6)中的高效厌氧沼气反应器出水进入沉淀池处理，沉淀时间为5-6小时。
本发明中，所述含N元素物质为尿素、碳酸氢铵或畜禽粪便等中一至多种。
本发明中，所述接种物为沼渣、沼液或厌氧消化污泥等中任一种。
本发明中，所述的互花米草原料的粉碎预处理可以采取以下常规方法：将收割后的互花米草地上部分，通过人工或机械方法切成2～3cm的小段；或者通过秸秆搓揉粉碎机对其进行预处理等。
本发明中，发酵原料只在稳定化生物产酸发酵装置中进行投加，为了保障高效厌氧沼气反应装置的持续稳定运行和减少中间缓冲储存池的体积，一套高效厌氧沼气反应装置可以匹配多于1个的生物产酸发酵装置，一般为2-6个，进行交替投换料和交替发酵液的抽提。
本发明中，生物产酸发酵装置总体积与高效厌氧沼气反应器的体积比一般控制在2∶1-5∶1。
本发明中，所述高效厌氧沼气反应器可以采用厌氧滤床反应器或上流式厌氧污泥床反应器等。
本发明中，当储存于中间缓冲池中的生物产酸抽出液采用自流方式进入高效厌氧沼气反应器时，中间缓冲池的最低控制液面高于高效厌氧沼气反应器出水液面至少20cm。
本发明中，步骤(5)中所述生物产酸发酵装置每次发酵液体抽出后，补充用水为高效厌氧沼气反应器出水、河水、海水或自来水等中的一至多种。
本发明中，步骤(7)中经过沉淀后的水，可以部分回流进入生物产酸发酵装置、或部分经处理排放，或全部处理后排放等。
本发明中，高效厌氧沼气反应器出水首先进入沉淀池沉淀，沉淀滞留时间为5-6小时，经过沉淀后的出水可以回流进入生物产酸发酵装置，也可以经处理排放或用于农田灌溉。
本发明反应过程中，只收集高效厌氧沼气反应装置中的气体，稳定化生物产酸发酵装置不必封闭，也不必收集气体。
本发明的优点是互花米草能够在开放或半开放条件下进行发酵，进出料管理非常简便、省时、省力的，稳定的、高效的产酸和进料调节可以使沼气产生处于稳定高效状态。本发明提高了互花米草的资源化、减量化和无害化的利用处理效率和可操作性，按照本方法提供的互花米草沼气发酵工艺，可以在投料上节约人工3/4，在发酵效率上提高一倍。
附图说明
图1为实施例1产酸反应器酸液pH的变化情况。
图2为实施例1抽取酸液COD的变化情况。
图3为实施例1厌氧滤床反应器的产气量。
图4为实施例2中间缓冲容器酸液pH的变化情况。
图5为实施例2中间缓冲容器酸液COD的变化情况。
图6为实施例2上流式厌氧污泥床反应器的产气量。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：
(1)原料互花米草的粉碎预处理：将收割后的互花米草地上部分，通过人工或机械方法切成2～3cm的小段；
(2)向步骤(1)所得的经过预处理的干重为250g互花米草中添加5g尿素，调整碳氮比为25∶1；
(3)将步骤(2)所得混合料投入到体积为4.5L的稳定化生物产酸发酵装置中，加入接种物含水量为80％的厌氧消化污泥50g进行接种；
(4)向步骤(3)中的发酵原料中加水进行发酵，加入量为水面至少高于发酵原料10cm，反应温度控制在35℃；
(5)步骤(4)的发酵经过5天后，开始周期性的抽取稳定化生物产酸发酵装置中的发酵液，抽取周期5天/次，每次抽出4000ml发酵液，反应经过20天完成一个发酵周期；
(6)步骤(5)中抽取的发酵液先储存在体积为5L中间缓冲容器中，然后用蠕动泵将酸液进入已经启动好的体积为2L的厌氧滤床反应器中，控制流速为33.33ml/L，发酵温度为25-35℃，进行连续发酵，同时收集反应产生的气体；
(7)步骤(6)中的厌氧滤床反应器出水先流进沉淀池，沉淀5小时，回流到稳定化生物产酸发酵装置中，回流比为1∶0.6，作为发酵液抽取后的液体补充。
每天测量产酸反应器液体的pH值，结果见图1；每5天抽取一次酸液，酸液COD的变化情况见图2；每天测量厌氧滤床反应器的产气量，结果见图3。
实施例2：
(1)原料互花米草的粉碎预处理：将收割后的互花米草地上部分，通过人工或机械方法切成2～3cm的小段；
(2)向步骤(1)所得的经过预处理的干重为300kg互花米草中添加3kg碳酸氢铵，调整碳氮比为20∶1；
(3)取步骤(2)所得混合料101kg投入到体积为2立方米的生物产酸发酵装置1中，加入接种物含水量为80％的沼渣20kg进行接种，发酵原料中加水进行发酵，加入量为水面至少高于发酵原料10cm，反应温度控制在20℃；第2天再将混合料101kg投入到体积为2立方米的生物产酸发酵装置2中，第3天混合料101kg投入到体积为2立方米的生物产酸发酵装置3中，装置2和3的接种、加水量及反应温度等条件与装置1相同；
(4)步骤(3)的发酵装置1、2和3都在启动后第3天，开始周期性的抽取生物产酸发酵装置的发酵液，抽取周期3天/次，每次抽出1.5立方米液体；
(5)步骤(4)中抽取的发酵液先储存在中间体积为2立方米的缓冲池中，然后用泵将酸液泵入已经启动好的体积为2立方米的上流式厌氧污泥床反应器中，控制流速为0.063立方米/小时，发酵温度为20-30℃，进行连续发酵，同时收集反应产生的气体；第20天将装置1中的发酵残渣取出，重新进料；第21天将装置2中的发酵残渣取出，重新进料，第23天将装置3中的发酵残渣取出，如此反复进行；
(7)步骤(6)中的上流式厌氧污泥床反应器出水先流进沉淀池，沉淀6小时，分别回流到生物产酸发酵装置中，回流比为1∶0.8，作为发酵液抽取后的液体补充。
本反应装置总共运行23天，每次抽取酸液进入缓冲容器，测其pH值、COD，结果见图4和5；每天测量上流式厌氧污泥床反应器的产气量，结果见图6。

Claims (9)

1、一种互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法，其特征在于生物产酸联合高效厌氧制备沼气装置由生物产酸发酵装置、中间缓冲池、高效厌氧沼气反应器、沉淀池依次经管道和阀门连接组成，具体制备步骤如下：
(1)原料互花米草的粉碎预处理；
(2)向步骤(1)所得的预处理互花米草中添加含N元素物质，混合，控制混合料的碳氮比为20∶1--30∶1；
(3)将步骤(2)所得混合料投入到生物产酸发酵装置中，加入接种物进行接种，混合，得到发酵原料，接种物的加入量为互花米草原料干重的3％-5％；
(4)向步骤(3)中的发酵原料中加水进行发酵，加入量为水面至少高于发酵原料10cm，发酵温度为20-40℃；
(5)步骤(4)的发酵经过4-5天后，开始周期性的抽取生物产酸发酵装置中的发酵液，并加入与被抽出的发酵液等体积的补充用水，抽取周期为2-5天/次，经过15-20天完成一个发酵周期；
(6)将步骤(5)中每次得到的抽取发酵液储存于中间缓冲池，然后泵入或自流进入高效厌氧沼气反应器中，发酵液的流速为每小时高效厌氧沼气反应器内液体体积的1/6-1/48，发酵温度为20-40℃，进行连续发酵，收集到气体即为所需的沼气；
(7)步骤(6)中的高效厌氧沼气反应器出水进入沉淀池处理，沉淀时间为5-6小时。
2、根据权利要求1所述的互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法，其特征在于所述含N元素物质为尿素、碳酸氢铵或畜禽粪便中一至多种。
3、根据权利要求1所述的互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法，其特征在于所述接种物为沼渣、沼液或厌氧消化污泥中任一种。
4、根据权利要求1所述的互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法，其特征在于所述互花米草原料粉碎预处理采取：将收割后的互花米草地上部分，通过人工或机械方法切成2～3cm的小段；或者通过秸秆搓揉粉碎机对其进行预处理。
5、根据权利要求1所述的互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法，其特征在于一套高效厌氧沼气反应器配合多于1个的生物产酸发酵装置，交替投换料和交替发酵液的抽提。
6、根据权利要求1所述的互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法，其特征在于生物产酸发酵装置总体积与高效厌氧沼气反应器的体积比为2∶1-5∶1。
7、根据权利要求1所述的互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法，其特征在于所述高效厌氧沼气反应器采用厌氧滤床反应器或上流式厌氧污泥床反应器。
8、根据权利要求1所述的互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法，其特征在于当储存于中间缓冲池中的生物产酸抽出液采用自流方式进入高效厌氧沼气反应器时，中间缓冲池的最低控制液面高于高效厌氧沼气反应器出水液面至少20cm。
9、根据权利要求1所述的互花米草生物产酸联合高效厌氧发酵制备沼气的方法，其特征在于步骤(5)中所述补充用水为高效厌氧沼气反应器出水、河水、海水或自来水中一至多种。
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