專利名稱：一種互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法。
背景技術(shù)：
互花米草(Spartina aterniflora)原產(chǎn)于美國，是一種生長在潮間帶的多年鹽沼植物。1980年代初期，互花米草被引入中國用于保灘護(hù)岸、促淤造陸，互花米草引進(jìn)一度對(duì)保護(hù)海堤安全，促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的改善和減災(zāi)等多方面做出了重大貢獻(xiàn)。但經(jīng)過20多年的發(fā)展，互花米草在我國沿海地區(qū)形成80-100萬畝得群落，以這種外來入侵種形成的優(yōu)勢(shì)群落，給沿海地區(qū)帶來一系列的負(fù)面影響。作為一個(gè)具有極強(qiáng)繁殖能力的外來物種，互花米草具有生長旺，繁殖快，植株高而密，與本土物種競(jìng)爭激烈，改變了淤泥質(zhì)光灘的景觀和本土物種的棲息環(huán)境，譬如互花米草侵占灘涂貝類養(yǎng)殖的場(chǎng)所，導(dǎo)致貝類在密集的米草草灘中無法自由活動(dòng)，健康生長，甚至?xí)舷⑺劳觯灰恍┴愵惒坏貌贿w移至米草草灘外；一些港區(qū)也由于互花米草的侵入淤積加快，影響船只出入。在夏秋季互花米草的落葉隨著潮水四處漂移，進(jìn)入灘涂或淺海的藻類養(yǎng)殖地，就會(huì)對(duì)紫菜，海帶等海藻的生產(chǎn)與產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。
互花米草屬于C4植物，具有高效的第一生產(chǎn)力。根據(jù)在蘇北和上海兩地多年的研究，互花米草單位面積地上部分收獲產(chǎn)量在蘇北可以達(dá)到2.5-3kg/m2，即1600-2000kg/畝；上海地區(qū)可以達(dá)到3-5kg/m2，即2000-3333kg/畝。目前在良好田間管理的條件下，三大傳統(tǒng)糧食作物及其單產(chǎn)(含秸稈產(chǎn)量)分別為小麥500-600kg/畝，水稻600-1000kg/畝，玉米800-1200kg/畝。在沒有任何人為投入管理的條件下，互花米草幾乎達(dá)到傳統(tǒng)作物良好的田間管理產(chǎn)量的2-3倍，如果輔以施肥和人為管理，互花米草可以獲得更高的單位產(chǎn)量。利用如此高效的生產(chǎn)力獲取生物質(zhì)發(fā)酵沼氣作為能源，將會(huì)很大程度緩解沿海地區(qū)的能源供給矛盾。
但是，對(duì)于傳統(tǒng)的固體有機(jī)質(zhì)沼氣發(fā)酵方法，把原料與接種物混合后投加到密閉容器中進(jìn)行厭氧發(fā)酵。這種發(fā)酵方法不僅反應(yīng)效率低，而且進(jìn)出料管理非常的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，同時(shí)由于經(jīng)常要進(jìn)行反應(yīng)器的開放和密閉，對(duì)反應(yīng)器的要求非常高，嚴(yán)重限制了互花米草制備沼氣用于能源的生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種互花米草能夠在開放或半開放條件下進(jìn)行發(fā)酵，進(jìn)出料管理非常簡便、省時(shí)、省力的，反應(yīng)效率也非常高效的互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法。
本發(fā)明提出的互花米草穩(wěn)定化生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法，其中，生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧制備沼氣裝置由生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置、中間緩沖池、高效厭氧沼氣反應(yīng)器、沉淀池依次經(jīng)管道和閥門連接組成，具體制備步驟如下(1)原料互花米草的粉碎預(yù)處理；(2)向步驟(1)所得的預(yù)處理互花米草中添加含N元素物質(zhì)，混合，控制混合料的碳氮比為20∶1--30∶1；(3)將步驟(2)所得混合料投入到生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中，加入接種物進(jìn)行接種，混合，得到發(fā)酵原料，接種物的加入量為互花米草原料干重的3％-5％；(4)向步驟(3)中的發(fā)酵原料中加水進(jìn)行發(fā)酵，加入量為水面至少高于發(fā)酵原料10cm，發(fā)酵溫度控制在20-40℃；(5)步驟(4)的發(fā)酵經(jīng)過4-5天后，開始周期性的抽取生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中的發(fā)酵液，并加入與被抽出的發(fā)酵液等體積的補(bǔ)充用水，抽取周期為2-5天/次，經(jīng)過15-20天完成一個(gè)發(fā)酵周期；(6)將步驟(5)中每次得到的抽取發(fā)酵液儲(chǔ)存于中間緩沖池，然后泵入或自流進(jìn)入高效厭氧沼氣反應(yīng)器中，泵或自流的流速保證中間緩沖池兩次進(jìn)液之間的液體均衡流進(jìn)高效厭氧沼氣反應(yīng)器，一般流速控制在為每小時(shí)高效厭氧沼氣反應(yīng)器內(nèi)液體體積的1/6-1/48，發(fā)酵溫度控制在20-40℃，進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵，收集到氣體即為所需的沼氣；(7)步驟(6)中的高效厭氧沼氣反應(yīng)器出水進(jìn)入沉淀池處理，沉淀時(shí)間為5-6小時(shí)。
本發(fā)明中，所述含N元素物質(zhì)為尿素、碳酸氫銨或畜禽糞便等中一至多種。
本發(fā)明中，所述接種物為沼渣、沼液或厭氧消化污泥等中任一種。
本發(fā)明中，所述的互花米草原料的粉碎預(yù)處理可以采取以下常規(guī)方法將收割后的互花米草地上部分，通過人工或機(jī)械方法切成2～3cm的小段；或者通過秸稈搓揉粉碎機(jī)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理等。
本發(fā)明中，發(fā)酵原料只在穩(wěn)定化生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中進(jìn)行投加，為了保障高效厭氧沼氣反應(yīng)裝置的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和減少中間緩沖儲(chǔ)存池的體積，一套高效厭氧沼氣反應(yīng)裝置可以匹配多于1個(gè)的生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置，一般為2-6個(gè)，進(jìn)行交替投換料和交替發(fā)酵液的抽提。
本發(fā)明中，生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置總體積與高效厭氧沼氣反應(yīng)器的體積比一般控制在2∶1-5∶1。
本發(fā)明中，所述高效厭氧沼氣反應(yīng)器可以采用厭氧濾床反應(yīng)器或上流式厭氧污泥床反應(yīng)器等。
本發(fā)明中，當(dāng)儲(chǔ)存于中間緩沖池中的生物產(chǎn)酸抽出液采用自流方式進(jìn)入高效厭氧沼氣反應(yīng)器時(shí)，中間緩沖池的最低控制液面高于高效厭氧沼氣反應(yīng)器出水液面至少20cm。
本發(fā)明中，步驟(5)中所述生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置每次發(fā)酵液體抽出后，補(bǔ)充用水為高效厭氧沼氣反應(yīng)器出水、河水、海水或自來水等中的一至多種。
本發(fā)明中，步驟(7)中經(jīng)過沉淀后的水，可以部分回流進(jìn)入生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置、或部分經(jīng)處理排放，或全部處理后排放等。
本發(fā)明中，高效厭氧沼氣反應(yīng)器出水首先進(jìn)入沉淀池沉淀，沉淀滯留時(shí)間為5-6小時(shí)，經(jīng)過沉淀后的出水可以回流進(jìn)入生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置，也可以經(jīng)處理排放或用于農(nóng)田灌溉。
本發(fā)明反應(yīng)過程中，只收集高效厭氧沼氣反應(yīng)裝置中的氣體，穩(wěn)定化生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置不必封閉，也不必收集氣體。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是互花米草能夠在開放或半開放條件下進(jìn)行發(fā)酵，進(jìn)出料管理非常簡便、省時(shí)、省力的，穩(wěn)定的、高效的產(chǎn)酸和進(jìn)料調(diào)節(jié)可以使沼氣產(chǎn)生處于穩(wěn)定高效狀態(tài)。本發(fā)明提高了互花米草的資源化、減量化和無害化的利用處理效率和可操作性，按照本方法提供的互花米草沼氣發(fā)酵工藝，可以在投料上節(jié)約人工3/4，在發(fā)酵效率上提高一倍。


圖1為實(shí)施例1產(chǎn)酸反應(yīng)器酸液pH的變化情況。
圖2為實(shí)施例1抽取酸液COD的變化情況。
圖3為實(shí)施例1厭氧濾床反應(yīng)器的產(chǎn)氣量。
圖4為實(shí)施例2中間緩沖容器酸液pH的變化情況。
圖5為實(shí)施例2中間緩沖容器酸液COD的變化情況。
圖6為實(shí)施例2上流式厭氧污泥床反應(yīng)器的產(chǎn)氣量。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
實(shí)施例1(1)原料互花米草的粉碎預(yù)處理將收割后的互花米草地上部分，通過人工或機(jī)械方法切成2～3cm的小段；(2)向步驟(1)所得的經(jīng)過預(yù)處理的干重為250g互花米草中添加5g尿素，調(diào)整碳氮比為25∶1；(3)將步驟(2)所得混合料投入到體積為4.5L的穩(wěn)定化生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中，加入接種物含水量為80％的厭氧消化污泥50g進(jìn)行接種；(4)向步驟(3)中的發(fā)酵原料中加水進(jìn)行發(fā)酵，加入量為水面至少高于發(fā)酵原料10cm，反應(yīng)溫度控制在35℃；(5)步驟(4)的發(fā)酵經(jīng)過5天后，開始周期性的抽取穩(wěn)定化生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中的發(fā)酵液，抽取周期5天/次，每次抽出4000ml發(fā)酵液，反應(yīng)經(jīng)過20天完成一個(gè)發(fā)酵周期；(6)步驟(5)中抽取的發(fā)酵液先儲(chǔ)存在體積為5L中間緩沖容器中，然后用蠕動(dòng)泵將酸液進(jìn)入已經(jīng)啟動(dòng)好的體積為2L的厭氧濾床反應(yīng)器中，控制流速為33.33ml/L，發(fā)酵溫度為25-35℃，進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵，同時(shí)收集反應(yīng)產(chǎn)生的氣體；(7)步驟(6)中的厭氧濾床反應(yīng)器出水先流進(jìn)沉淀池，沉淀5小時(shí)，回流到穩(wěn)定化生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中，回流比為1∶0.6，作為發(fā)酵液抽取后的液體補(bǔ)充。
每天測(cè)量產(chǎn)酸反應(yīng)器液體的pH值，結(jié)果見圖1；每5天抽取一次酸液，酸液COD的變化情況見圖2；每天測(cè)量厭氧濾床反應(yīng)器的產(chǎn)氣量，結(jié)果見圖3。
實(shí)施例2(1)原料互花米草的粉碎預(yù)處理將收割后的互花米草地上部分，通過人工或機(jī)械方法切成2～3cm的小段；(2)向步驟(1)所得的經(jīng)過預(yù)處理的干重為300kg互花米草中添加3kg碳酸氫銨，調(diào)整碳氮比為20∶1；(3)取步驟(2)所得混合料101kg投入到體積為2立方米的生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置1中，加入接種物含水量為80％的沼渣20kg進(jìn)行接種，發(fā)酵原料中加水進(jìn)行發(fā)酵，加入量為水面至少高于發(fā)酵原料10cm，反應(yīng)溫度控制在20℃；第2天再將混合料101kg投入到體積為2立方米的生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置2中，第3天混合料101kg投入到體積為2立方米的生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置3中，裝置2和3的接種、加水量及反應(yīng)溫度等條件與裝置1相同；(4)步驟(3)的發(fā)酵裝置1、2和3都在啟動(dòng)后第3天，開始周期性的抽取生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置的發(fā)酵液，抽取周期3天/次，每次抽出1.5立方米液體；(5)步驟(4)中抽取的發(fā)酵液先儲(chǔ)存在中間體積為2立方米的緩沖池中，然后用泵將酸液泵入已經(jīng)啟動(dòng)好的體積為2立方米的上流式厭氧污泥床反應(yīng)器中，控制流速為0.063立方米/小時(shí)，發(fā)酵溫度為20-30℃，進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵，同時(shí)收集反應(yīng)產(chǎn)生的氣體；第20天將裝置1中的發(fā)酵殘?jiān)〕?，重新進(jìn)料；第21天將裝置2中的發(fā)酵殘?jiān)〕?，重新進(jìn)料，第23天將裝置3中的發(fā)酵殘?jiān)〕觯绱朔磸?fù)進(jìn)行；
(7)步驟(6)中的上流式厭氧污泥床反應(yīng)器出水先流進(jìn)沉淀池，沉淀6小時(shí)，分別回流到生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中，回流比為1∶0.8，作為發(fā)酵液抽取后的液體補(bǔ)充。
本反應(yīng)裝置總共運(yùn)行23天，每次抽取酸液進(jìn)入緩沖容器，測(cè)其pH值、COD，結(jié)果見圖4和5；每天測(cè)量上流式厭氧污泥床反應(yīng)器的產(chǎn)氣量，結(jié)果見圖6。
權(quán)利要求
1.一種互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧制備沼氣裝置由生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置、中間緩沖池、高效厭氧沼氣反應(yīng)器、沉淀池依次經(jīng)管道和閥門連接組成，具體制備步驟如下(1)原料互花米草的粉碎預(yù)處理；(2)向步驟(1)所得的預(yù)處理互花米草中添加含N元素物質(zhì)，混合，控制混合料的碳氮比為20∶1--30∶1；(3)將步驟(2)所得混合料投入到生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中，加入接種物進(jìn)行接種，混合，得到發(fā)酵原料，接種物的加入量為互花米草原料干重的3％-5％；(4)向步驟(3)中的發(fā)酵原料中加水進(jìn)行發(fā)酵，加入量為水面至少高于發(fā)酵原料10cm，發(fā)酵溫度為20-40℃；(5)步驟(4)的發(fā)酵經(jīng)過4-5天后，開始周期性的抽取生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中的發(fā)酵液，并加入與被抽出的發(fā)酵液等體積的補(bǔ)充用水，抽取周期為2-5天/次，經(jīng)過15-20天完成一個(gè)發(fā)酵周期；(6)將步驟(5)中每次得到的抽取發(fā)酵液儲(chǔ)存于中間緩沖池，然后泵入或自流進(jìn)入高效厭氧沼氣反應(yīng)器中，發(fā)酵液的流速為每小時(shí)高效厭氧沼氣反應(yīng)器內(nèi)液體體積的1/6-1/48，發(fā)酵溫度為20-40℃，進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵，收集到氣體即為所需的沼氣；(7)步驟(6)中的高效厭氧沼氣反應(yīng)器出水進(jìn)入沉淀池處理，沉淀時(shí)間為5-6小時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于所述含N元素物質(zhì)為尿素、碳酸氫銨或畜禽糞便中一至多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于所述接種物為沼渣、沼液或厭氧消化污泥中任一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于所述互花米草原料粉碎預(yù)處理采取將收割后的互花米草地上部分，通過人工或機(jī)械方法切成2～3cm的小段；或者通過秸稈搓揉粉碎機(jī)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于一套高效厭氧沼氣反應(yīng)器配合多于1個(gè)的生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置，交替投換料和交替發(fā)酵液的抽提。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置總體積與高效厭氧沼氣反應(yīng)器的體積比為2∶1-5∶1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于所述高效厭氧沼氣反應(yīng)器采用厭氧濾床反應(yīng)器或上流式厭氧污泥床反應(yīng)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于當(dāng)儲(chǔ)存于中間緩沖池中的生物產(chǎn)酸抽出液采用自流方式進(jìn)入高效厭氧沼氣反應(yīng)器時(shí)，中間緩沖池的最低控制液面高于高效厭氧沼氣反應(yīng)器出水液面至少20cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法，其特征在于步驟(5)中所述補(bǔ)充用水為高效厭氧沼氣反應(yīng)器出水、河水、海水或自來水中一至多種。
全文摘要
本發(fā)明屬于資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種互花米草生物產(chǎn)酸聯(lián)合高效厭氧發(fā)酵制備沼氣的方法。具體步驟為原料互花米草預(yù)處理，預(yù)處理后的互花米草中添加含N元素物質(zhì)，調(diào)整碳氮比為20∶1－30∶1，然后投入到生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中，接種，發(fā)酵，4－5天后開始周期性的抽取生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置中的發(fā)酵液，抽取周期為2－5天/次，抽取的發(fā)酵液先儲(chǔ)存于中間緩沖池，然后用高效厭氧沼氣反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵，即得到所需沼氣，發(fā)酵出水經(jīng)沉淀后部分回流至生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置。反應(yīng)過程中，只收集高效厭氧沼氣反應(yīng)裝置中的氣體，穩(wěn)定化生物產(chǎn)酸發(fā)酵裝置不必封閉，也不必收集氣體。本發(fā)明不僅充分實(shí)現(xiàn)了互花米草的資源化、減量化和無害化的利用，而且簡化了沼氣發(fā)酵的管理，提高了沼氣發(fā)酵的效率。
文檔編號(hào)C05F17/00GK1923733SQ20061011614
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2006年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日
發(fā)明者朱洪光, 陳小華, 王彪, 朱鵬 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)