專利名稱：用于制沼氣的發(fā)酵物料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物發(fā)酵方法制備沼氣的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于高效制備沼氣
的組合物。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源供需矛盾日益突出，傳統(tǒng)能源的供應(yīng)已難以滿足社會(huì) 發(fā)展的需求。沼氣作為一種可再生的清潔能源，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，發(fā)展沼氣已成為一項(xiàng) 利國利民的惠民工程，我國已新增30億元專項(xiàng)資金用于農(nóng)村沼氣建設(shè)。過去農(nóng)村沼氣開 發(fā)主要利用的是養(yǎng)豬廢棄物，隨著規(guī)模化養(yǎng)殖的發(fā)展，未從事牲豬養(yǎng)殖的農(nóng)民發(fā)展沼氣困 難。如今，各類農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)沼氣技術(shù)已日趨成熟，為資源循環(huán)利用提供了更為廣闊的空 間。中國是一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，每年的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量在6億噸以上(張無敵，劉士清， 周斌等"我國農(nóng)村有機(jī)廢棄物資源及沼氣潛力"，《自然資源》，1997[1])。南方農(nóng)村存在大 量的稻草資源，尤其是雙季稻地區(qū)，因季節(jié)緊張稻草被焚燒和亂棄，不僅造成資源浪費(fèi)，而 且給環(huán)境污染帶來隱患(李久海，董元華，曹志洪"稻草焚燒產(chǎn)生的多環(huán)芳烴排放特征研 究"，《中國環(huán)境科學(xué)》，2008，28[1];夏冬前，吳國成，劉振"秸桿焚燒對大氣環(huán)境質(zhì)量的影 響"，《干旱環(huán)境監(jiān)測》，2005，19[2])。農(nóng)作物秸稈是一種富含有機(jī)質(zhì)的生物質(zhì)能源(Ralph P Overend :"Biomass， bio-energy and biotechnology :a futuristic perspective", 《Biomass Energy New York and Landon. Development plenum press》，1985)，隨著禾舀草產(chǎn)
沼氣技術(shù)的日趨成熟，儲(chǔ)量巨大的農(nóng)作物稻草資源為生產(chǎn)沼氣提供了充足的原料。 目前，利用厭氧發(fā)酵將稻草轉(zhuǎn)化成沼氣能源已形成了相應(yīng)的技術(shù)體系，但一直存 在產(chǎn)氣慢、稻草利用效率低、沼渣處理難等問題。因此，研究形成一套稻草高效產(chǎn)沼氣的技 術(shù)參數(shù)調(diào)控體系，有利于提高稻草資源的利用效率和保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，對發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)、 促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種原料來源廣泛、適用
范圍廣、資源利用率高、沼氣產(chǎn)氣速率快、沼氣產(chǎn)量大的用于制沼氣的發(fā)酵物料。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種用于制沼氣的發(fā)酵物料，主
要由農(nóng)作物秸稈(包括草料、稻草、麥稈、秸稈等)和水組成，其特征在于所述發(fā)酵物料的
C/N適宜范圍為25 30 : 1(最佳C/N為28 : 1);所述發(fā)酵物料的C/P適宜范圍為160
170 : 1(最佳c/p為i63 : i)，所述水與農(nóng)作物秸稈的質(zhì)量比為io 25 : i。 上述技術(shù)方案中，所述農(nóng)作物秸稈和水進(jìn)行混合后，其中的C、 N含量可能不滿足 所述C/N比值的要求，此時(shí)，所述發(fā)酵物料中可優(yōu)選添加一定量的尿素、水溶性硝酸鹽、銨 鹽或酰胺態(tài)氮，以用于調(diào)節(jié)C/N比值。當(dāng)滿足C/N值為最優(yōu)的28 : 1時(shí)，所述尿素、水溶性 硝酸鹽、銨鹽或酰胺態(tài)氮的添加量W工的計(jì)算公式為下式(1)所示(具體實(shí)踐中可在該理論 值上下一定范圍內(nèi)取值，當(dāng)C/N值取其他值時(shí)，式(1)作相應(yīng)調(diào)整即可)
3
^ =
C0x『2 -28xTV0x『2 28
(1) 式(1)中，W2為所述農(nóng)作物秸稈的質(zhì)量，N。為農(nóng)作物秸稈中的氮百分含量，C。為 農(nóng)作物秸稈中的碳百分含量，K為所述尿素、水溶性硝酸鹽、銨鹽或酰胺態(tài)氮中的氮百分含 上述技術(shù)方案中，所述農(nóng)作物秸稈和水進(jìn)行混合后，其中的C、 P含量也可能不滿 足所述C/P比值的要求，此時(shí)，所述發(fā)酵物料中可優(yōu)選添加一定量的水溶性磷酸鹽，以用于 調(diào)節(jié)C/P比值，所述水溶性磷酸鹽優(yōu)選包括磷酸二氫鉀。當(dāng)滿足C/P值為最優(yōu)的163 : 1 時(shí)，所述磷酸鹽的添加量W3的計(jì)算公式如下式(2)所示(具體實(shí)踐中可在該理論值上下一 定范圍內(nèi)取值，當(dāng)C/P值取其他值時(shí)，式(2)作相應(yīng)調(diào)整即可) 『3
163xf
(2) 式(2)中^2為所述農(nóng)作物秸稈的質(zhì)量，P。為農(nóng)作物秸稈中的磷百分含量，C。為農(nóng) 作物秸稈中的碳百分含量，Pi為所述水溶性磷酸鹽中的磷百分含量。 上述技術(shù)方案中的各項(xiàng)參數(shù)是通過采用排水集氣法經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后確定出來。該實(shí) 驗(yàn)的一種模擬簡化裝置如圖l所示，該模擬簡化裝置是利用小口試劑瓶(10L)作為儲(chǔ)料瓶， 向小口試劑瓶中加入制沼氣的發(fā)酵物料后用橡皮塞密封，橡皮塞中導(dǎo)入兩根玻璃管，兩根 玻璃管的上端均連接橡膠管， 一根玻璃管用于調(diào)節(jié)壓力和取氣，另一根玻璃管通過橡膠管 導(dǎo)入密閉的裝滿水的集氣瓶中(5L);將儲(chǔ)料瓶置于恒溫水浴鍋中在水浴恒溫條件下反應(yīng) 制沼氣，隨著集氣瓶中收集的沼氣量不斷增多，集氣瓶中的水不斷排到儲(chǔ)水瓶中，通過集氣 瓶中排出水的體積來測算沼氣的產(chǎn)量。 以一種稻草作為發(fā)酵物料用農(nóng)作物秸稈進(jìn)行C/N的調(diào)控實(shí)驗(yàn)，該稻草的C/N為 48.4 : 1，并切成3cm左右的長條。然后設(shè)計(jì)六個(gè)不同C/N值的處理方式(見下表1)，發(fā) 酵物料的C/N值可用尿素調(diào)節(jié)。每次處理稱取相當(dāng)于40. Og干重的稻草，加水5L，同時(shí)加 100mL沼液接種沼氣微生物，然后封閉于35t:恒溫水浴鍋中進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，每天按 時(shí)測定所排出的水量，并最后統(tǒng)計(jì)得出不同C/N值下的累計(jì)最大沼氣產(chǎn)量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2 所示。 表1 :稻草產(chǎn)沼氣的C/N比例試驗(yàn)的處理方式
編號添加N(g)折尿素(g)C/NN。0048. 4
^0. 10. 2236. 9
N20. 20. 4329. 9
N30. 40. 8721. 6
N40. 81. 7413. 9
4編號添加N(g)折尿素(g)C/N
N51. 63. 478. 1 由圖2可見，當(dāng)C/N值為25 30 : 1時(shí)，沼氣產(chǎn)氣量效果較好。根據(jù)圖2中繪制 的拋物線可得到C/N值與累計(jì)最大沼氣產(chǎn)量的擬合方程(見圖2)，通過該擬合方程可以計(jì) 算得出，當(dāng)C/N值為28 : l時(shí)，發(fā)酵物料的累計(jì)最大沼氣產(chǎn)量達(dá)到峰值186.7L/kg，該C/N 值條件下稻草的利用率最高。 以上述C/N調(diào)控實(shí)驗(yàn)中的稻草作為發(fā)酵物料用農(nóng)作物秸稈進(jìn)行C/P的調(diào)控實(shí)驗(yàn)， 設(shè)計(jì)六個(gè)不同C/P值的處理方式(見下表2)，發(fā)酵物料的C/P值可用磷酸二氫鉀調(diào)節(jié)。每 次處理稱取相當(dāng)于40. Og干重的稻草，加水5L，同時(shí)加lOOmL沼液接種沼氣微生物，然后封 閉于35t:恒溫水浴鍋中進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，每天按時(shí)測定所排出的水量，并最后統(tǒng)計(jì)得 出不同C/P值下的累計(jì)最大沼氣產(chǎn)量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。
表2 :稻草產(chǎn)沼氣的C/P比例試驗(yàn)的處理方式
編號添加p (g)折,04(8)C/P
p000278. 5
Pi0. 020. 087205. 2
p20. 040. 173162. 5
p30. 060. 260134. 4
p40. 10. 433100. 0
p50. 140. 60779. 6 由圖3可見，當(dāng)C/P值為160 170 : 1時(shí)，沼氣產(chǎn)氣量效果較好。根據(jù)圖3中繪 制的拋物線可得到C/P值與累計(jì)最大沼氣產(chǎn)量的擬合方程(見圖3)，通過該擬合方程可以 計(jì)算得出，當(dāng)C/P值為163 : l時(shí)，發(fā)酵物料的累計(jì)最大沼氣產(chǎn)量達(dá)到峰值138L/kg，該C/P 值條件下稻草的利用率最高。 上述對稻草作為農(nóng)作物秸稈進(jìn)行發(fā)酵制沼氣的參數(shù)調(diào)控實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣適用于其
他農(nóng)作物秸稈，因?yàn)楦鶕?jù)我們的實(shí)驗(yàn)和理論分析，像草料、麥稈、秸稈等其他農(nóng)作秸稈的C、
N、P等主要成分盡管存在一定的差異，也可通過使用上述技術(shù)方案中的尿素、水溶性硝酸
鹽、銨鹽或酰胺態(tài)氮及磷酸鹽等調(diào)控至本發(fā)明發(fā)酵物料所要求的參數(shù)范圍，因此本發(fā)明發(fā)
酵物料的原料來源廣泛，可廣泛應(yīng)用于不同農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)內(nèi)的農(nóng)村沼氣建設(shè)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過優(yōu)化、調(diào)節(jié)用于制沼氣的發(fā)酵物料中的
C/N比值、C/P比值和水料比，可有效提高發(fā)酵體系中發(fā)酵微生物的數(shù)量和活性，從而提高
發(fā)酵物料的產(chǎn)氣速率，增加沼氣的累計(jì)產(chǎn)氣量，達(dá)到提高發(fā)酵物料利用率及高效產(chǎn)沼氣的
目的。當(dāng)前許多農(nóng)村戶中都已建成有沼氣池，隨著養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，單戶農(nóng)民放棄了養(yǎng)豬，已建立的沼氣池在沒有豬糞作為發(fā)酵物料的情況下，面臨沼氣池被閑置的窘境，而本發(fā) 明的發(fā)酵物料可直接用于現(xiàn)有沼氣的制備中，通用性強(qiáng)，適應(yīng)性廣，農(nóng)作物秸稈的資源利用 率高，操作簡單易行，避免了農(nóng)村現(xiàn)有沼氣設(shè)備的閑置，有利于保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng) 村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有望在農(nóng)村沼氣建設(shè)中大力推廣和應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)的模擬簡化裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明稻草產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)中C/N比與累計(jì)最大沼氣產(chǎn)量的相關(guān)性分析圖；
圖3為本發(fā)明稻草產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)中C/P比與累計(jì)最大沼氣產(chǎn)量的相關(guān)性分析圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中兩種處理方式下沼氣累計(jì)產(chǎn)氣量的比較圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1 : 以一種本發(fā)明的發(fā)酵物料進(jìn)行產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用裝置如圖1所示，該發(fā)酵物料 主要由農(nóng)作物秸稈和水組成，本實(shí)施例中用C/N為48.4 : 1的稻草作為農(nóng)作物秸稈使用， 實(shí)驗(yàn)時(shí)稱取相當(dāng)于40. 0g干重的稻草，將該稻草切成3cm左右的長條置于儲(chǔ)料瓶中，加水 5L，并添加尿素將發(fā)酵物料的C/N值調(diào)節(jié)至28 : 1，再添加磷酸二氫鉀將發(fā)酵物料的C/P值 調(diào)節(jié)至163 : 1，再添加100mL沼液接種沼氣微生物，然后將儲(chǔ)料瓶封閉于35t:恒溫水浴鍋 中進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，隨著集氣瓶中收集的沼氣量不斷增多，集氣瓶中的水不斷排到儲(chǔ) 水瓶中，每天按時(shí)測定集氣瓶中所排出的水量，通過集氣瓶中排出水的體積來測算沼氣的 產(chǎn)量，最后統(tǒng)計(jì)得出本實(shí)施例的累計(jì)最大沼氣產(chǎn)量。與此同時(shí)，以不調(diào)節(jié)C/N值和C/P值的 上述稻草作為發(fā)酵物料中的農(nóng)作物秸稈進(jìn)行產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)以作對比，其他實(shí)驗(yàn)條件與上述實(shí) 施例相同。 本實(shí)施例和對比例兩種處理方式下的沼氣累計(jì)產(chǎn)氣量如圖4所示，由圖4可見，優(yōu) 化參數(shù)值處理后的沼氣累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)6946mL，平均日產(chǎn)氣速度達(dá)138. 9mL/d，比常規(guī)條件 下處理的沼氣累計(jì)產(chǎn)氣量4913mL和日產(chǎn)氣速度98. 3mL/d提高了 41.4%。
實(shí)施例2: —種本發(fā)明用于制沼氣的發(fā)酵物料，主要由農(nóng)作物秸稈中的稻草和水組成，用于 本實(shí)施例的產(chǎn)沼氣設(shè)備為當(dāng)前農(nóng)村戶用型沼氣池，其容積大約為10m 用本發(fā)明發(fā)酵物料 在沼氣池中制沼氣的具體操作為首先向沼氣池中投入400kg稻草(稻草中的C含量約為 24. 2X、N含量約為0. 5X、P含量約為0. 06% )，為使沼渣容易排出，可將稻草粉碎或切碎， 然后加入7t水，同時(shí)添加約3. 2kg尿素將C/N值調(diào)節(jié)至約28 : 1，添加約1.55kg磷酸二氫 鉀將發(fā)酵物料的C/P值調(diào)節(jié)至163 : 1，密封發(fā)酵三天后開始產(chǎn)氣，日平均產(chǎn)氣約1.0m3 1. 4m3，累計(jì)產(chǎn)沼氣量可達(dá)40m3 56m3。產(chǎn)氣30天后，有稻草進(jìn)料和排料裝置的沼氣池可在 30天后每IO天進(jìn)農(nóng)作物秸稈100kg，適當(dāng)補(bǔ)充一定量的水，維持日產(chǎn)氣lm3以上，保持一戶 家庭正常生活用氣。通過測算，應(yīng)用本實(shí)施例發(fā)酵物料的單次投料產(chǎn)氣量比現(xiàn)有技術(shù)的累 積產(chǎn)氣量提高30%左右。
實(shí)施例3 :
6
—種本發(fā)明用于制沼氣的發(fā)酵物料，主要由農(nóng)作物秸稈中的稻草和水組成，用于 本實(shí)施例的產(chǎn)沼氣設(shè)備為并聯(lián)式大中型稻草沼氣池，該沼氣池是由4個(gè)40m3的單體沼氣 池并聯(lián)到一個(gè)貯氣柜，用本發(fā)明發(fā)酵物料在該沼氣池中制沼氣的具體操作為首先向每個(gè) 沼氣池中投入1500kg稻草(稻草中的C含量約為24. 2%、 N含量約為0. 5%、 P含量約為 0. 06% )，為使沼渣容易排出，可將稻草粉碎或切碎，然后向每個(gè)沼氣池中加入30t水，同時(shí) 添加約11. 9kg尿素將C/N值調(diào)節(jié)至約28 : 1，添加約5. 8kg磷酸二氫鉀將發(fā)酵物料的C/P 值調(diào)節(jié)至163 : 1，密封發(fā)酵三天后開始產(chǎn)氣，單個(gè)沼氣池的日平均產(chǎn)氣量約為4.8m 四個(gè) 沼氣池日產(chǎn)氣量可達(dá)19. 2m 可供25戶家庭生活用氣。產(chǎn)氣30天后，可采用每隔10天逐 個(gè)沼氣池全部換料的方法，清空沼氣池中稻草沼渣，重新添加稻草，因沼液中的氮、磷未損 失可不重新調(diào)節(jié)氮磷。通過測算，應(yīng)用本實(shí)施例發(fā)酵物料的單次投料產(chǎn)氣量比現(xiàn)有技術(shù)的 累積產(chǎn)氣量提高20% 30%，并有利于沼氣池的持續(xù)供氣。
權(quán)利要求
一種用于制沼氣的發(fā)酵物料，主要由農(nóng)作物秸稈和水組成，其特征在于所述發(fā)酵物料的C/N為25～30∶1，所述發(fā)酵物料的C/P為160～170∶1，所述水與農(nóng)作物秸稈的質(zhì)量比為10～25∶1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制沼氣的發(fā)酵物料，其特征在于所述發(fā)酵物料的C/N為28 : i ;所述發(fā)酵物料的c/p為163 : i。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制沼氣的發(fā)酵物料，其特征在于所述發(fā)酵物料中還含有用于調(diào)節(jié)C/N比值的尿素、水溶性硝酸鹽、銨鹽或酰胺態(tài)氮。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于制沼氣的發(fā)酵物料，其特征在于所述發(fā)酵物料中還含有用于調(diào)節(jié)C/P比值的水溶性磷酸鹽。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于制沼氣的發(fā)酵物料，其特征在于所述水溶性磷酸鹽為磷酸二氫鉀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于制沼氣的發(fā)酵物料，主要由農(nóng)作物秸稈和水組成，該發(fā)酵物料的C/N為25～30∶1，發(fā)酵物料的C/P為160～170∶1，其中水與農(nóng)作物秸稈的質(zhì)量比為10～25∶1。本發(fā)明的用于制沼氣的發(fā)酵物料具有原料來源廣泛、適用范圍廣、資源利用率高、沼氣產(chǎn)氣速率快、沼氣產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C12P5/02GK101701224SQ20091022713
公開日2010年5月5日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者劉昭兵, 彭華, 石麗紅, 紀(jì)雄輝 申請人:湖南省土壤肥料研究所