專利名稱:一種作物秸稈與畜禽糞便兩段式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)村可再生能源利用及環(huán)境保護領(lǐng)域，尤其涉及一種作物秸稈與畜禽 糞便兩段式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝。
背景技術(shù)：
農(nóng)村作物秸稈和畜禽糞便有機廢物的資源化利用可以有效的控制農(nóng)村面源污染， 改善農(nóng)村衛(wèi)生環(huán)境。厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是我國農(nóng)村畜禽糞便的傳統(tǒng)的資源化利用途徑之一。 厭氧發(fā)酵過程是一個生化過程，由產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段組成。但是目前我國農(nóng)村大部分 的沼氣池采用一段式，即將產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷階段合二為一，在同一反應器中完成。由于產(chǎn)酸 階段的產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷階段的產(chǎn)甲烷菌的特性有較大的差異，產(chǎn)酸菌由厭氧菌，少量的好 氧菌和兼性厭氧菌組成，而產(chǎn)甲烷菌是專性厭氧菌，不需要氧，氧對產(chǎn)甲烷菌反而有毒害作 用。在同一反應器中無法使產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌都處于最佳的生理生態(tài)環(huán)境條件下。特別是 在以可生化性較差的農(nóng)村作物秸稈為主要反應原料時，產(chǎn)酸階段無法充分的改善作物秸稈 的可生化性，從而無法為產(chǎn)甲烷階段提供適宜的營養(yǎng)供應，因而影響了沼氣池的產(chǎn)氣效率。
農(nóng)村作物秸稈是農(nóng)村地區(qū)最充足而又未得到充分利用的可再生資源。對作物秸稈 進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣不僅可以實現(xiàn)可再生資源的充分利用，還能改善農(nóng)村的能源結(jié)構(gòu)，從 而改善農(nóng)村的衛(wèi)生環(huán)境。作物秸稈主要化學成分由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。但是 厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)主要處理的對象為高含水率的易生物降解的原料，未經(jīng)過處理的作物 秸稈不能在厭氧環(huán)境下被微生物降解。只是其分子量分布有從大分子向小分子轉(zhuǎn)化的趨 勢。因此，以秸稈為主要原料進行厭氧發(fā)酵時，如不進行任何處理，厭氧消化會時間長、消化 率低，產(chǎn)氣量少。
公開號為“CN101691586”名稱為“一種植物秸稈厭氧發(fā)酵高效快速產(chǎn)沼氣 的方法”的發(fā)明專利，為提高產(chǎn)氣速率，在粉碎后的植物秸稈中加入水和活性污泥，在密 閉的反應器中厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，并在厭氧發(fā)酵前，向反應器中加入固體堿。公開號為 “CN101225003”名稱為“農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵處理方法”的發(fā)明專利，采用農(nóng)作物秸稈、畜 禽糞便等有機物采用厭氧發(fā)酵的方式進行資源化處理的方法，發(fā)酵條件為溫度37士2°C， 時間16-24天。公開號為“CN101235349”名稱為“節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預處理裝置”的 發(fā)明專利，利用好氧微生物破壞秸稈中的木質(zhì)素，提高了厭氧生物轉(zhuǎn)化效率。
以上專利各具特點，但應用于作物秸稈的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣時仍存在一些不足，主 要體現(xiàn)在(1)作物秸稈的接種物不易得到，例如活性污泥，一般需從污水處理廠獲取，在 農(nóng)村地區(qū)難以得到。而畜禽糞便在農(nóng)村地區(qū)則是量大易得的原料；(2)在秸稈厭氧發(fā)酵處 理過程中，需要添加化學藥劑，例如使用固體堿調(diào)節(jié)PH值，增加了處理成本。(3)對作物秸稈 沒有進行預處理，或采用好氧預處理，使作物秸稈厭氧發(fā)酵的反應時間較長，產(chǎn)氣速率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于針對上述問題，提供一種作物秸稈與畜禽糞便兩段式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝，提高作物秸稈在厭氧發(fā)酵過程中的使用效率，充分利用農(nóng)村產(chǎn)生的畜 禽糞便，同時縮短厭氧發(fā)酵的反應時間，提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣速率，促進農(nóng)村有機廢物的資 源化利用，控制農(nóng)村面源污染，改善農(nóng)村衛(wèi)生環(huán)境。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種作物秸稈與畜禽糞便兩段式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝，其特征在于包括下列步 驟
(1)配料
原料組分及其含量以質(zhì)量份數(shù)計粒徑2-10毫米的作物秸稈1-2份，以干基計的畜禽糞便2-3份，水2-3份；其中所述畜禽糞便為豬糞、牛糞、羊糞和雞糞中的任意兩種按 1 1質(zhì)量比混合的混合物；所述作物秸稈為小麥秸稈、玉米秸稈和高粱秸稈中的任意一種 或兩種以上以任意質(zhì)量比的混合物；
(2)備料并混料
按照步驟(1)的要求，制備破碎至粒徑2-10毫米的一種作物秸稈或兩種以上作物 秸稈的混合物、畜禽糞便混合物，并與水按規(guī)定比例均勻混合；
(3)酸化段反應
將上述混合物料放進酸化反應器中，在溫度為20-30°C，pH值為4. 5-6的條件下進 行酸化反應，物料停留時間為48-60小時，然后出料；
(4)酸化段出料調(diào)節(jié)
將上述酸化段出料加水調(diào)節(jié)至含固量為15% -20% ；
(5)厭氧發(fā)酵段反應
將上述稀釋后的酸化段出料放進密閉的厭氧發(fā)酵反應器中，在溫度為40-50°C，pH 值為6. 8-7. 2的條件下，停留時間6-8天；
(6)出料
將上述厭氧發(fā)酵段生成的沼氣引出，混合液物料出料并進行固液分離分類處理。
本發(fā)明的有益效果是采用兩段式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，將產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌分別置 于兩個反應段內(nèi)，為它們提供了最佳的生長和代謝條件，使它們具有最佳的生物活性，縮短 厭氧發(fā)酵的反應時間，提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣速率，同時提高作物秸稈在厭氧發(fā)酵過程中的 使用效率，降解率在85%以上，厭氧發(fā)酵段中每千克總固體可產(chǎn)沼氣80-120升，產(chǎn)氣速率 為10-15升/千克 天；本發(fā)明充分利用農(nóng)村產(chǎn)生的畜禽糞便，無需添加任何其它化學藥 齊IJ，成本投入較低，且產(chǎn)生的沼液和沼渣可制成有機肥料實現(xiàn)綜合利用；促進了農(nóng)村有機廢 物的資源化利用，控制面源污染，改善農(nóng)村衛(wèi)生環(huán)境。


圖1是本發(fā)明采用的酸化池的主視剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明采用的厭氧沼氣池的主視剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明詳細說明。
具體實施方式
實施例1[0026]實驗室制作作物秸稈與畜禽糞便兩段式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝，其特征在于包括 下列步驟
(1)配料
玉米秸稈10克，15克干雞糞，15克干牛糞，水30克；
(2)備料并混料
制備破碎至粒徑2毫米的玉米秸稈10克、干雞糞與干牛糞的混合物30克，并與30 克水均勻混合；
(3)酸化段反應
每天將上述70克混合物料加入容積為500毫升的三角瓶中，并在水浴鍋中25°C恒 溫下進行酸化反應，調(diào)節(jié)PH值在4. 6-5. 0之間，停留時間為48小時后生成酸化段出料，開 始連續(xù)出料70克/天；
(4)酸化段出料調(diào)節(jié)
將上述每天酸化段出料加水調(diào)節(jié)至含固量為20% ；(5)厭氧發(fā)酵段反應
每天將上述稀釋后的酸化段出料放入容積為1000毫升的密閉容量瓶中，水浴鍋 中45°C恒溫，pH值為7. 0-7. 2，停留時間8天。
(6)出料
將上述厭氧發(fā)酵段生成的沼氣引出，混合液物料出料并進行固液分離分類處理， 發(fā)酵過程中，定時對厭氧發(fā)酵反應容器內(nèi)反應生成的氣體成分和數(shù)量及出料進行檢測，可 得玉米秸稈的降解率為89%，厭氧發(fā)酵段中每千克總固體可產(chǎn)沼氣120升，產(chǎn)氣速率為15 升/千克 天，沼氣中甲烷含量為68%。
以上降解率采用GB/T 19277-2003《受控堆肥條件下材料最終需氧生物分解和崩 解能力的測定采用測定釋放的二氧化碳的方法》進行測試。
在實驗室中，沼氣中甲烷含量采用氣象色譜儀測定。
實施例2
在天津市薊縣大巨各莊采用作物秸稈與畜禽糞便兩段式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝 處理農(nóng)村有機廢物，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)由半地上0. 48立方米的酸化池(見圖1)和地下8立方 米的厭氧沼氣池(見圖2)構(gòu)成，酸化池及厭氧沼氣池均為水泥構(gòu)筑物。酸化池下部位于地 平面14以下，設有進料口 11、保溫蓋板12、出料口 13，池壁15為水泥密封保溫層，池底部 設有礫石層16和排水管17。厭氧沼氣池是根據(jù)《GB/T4750-2002戶用沼氣池標準圖集》建 設，池頂與地平面25平齊，具有密封蓋21、進料口 22、沼氣出口 23、出料口 24、池體26設置 為水泥密封保溫層。酸化池及厭氧沼氣池均具有良好的保溫性能。
采用該系統(tǒng)在不同的物料配比和反應條件下進行了厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣操作，具體實 施例如下
實施例2-1
(1)配料
粒徑10毫米的玉米秸稈15千克，干豬糞15千克，干羊糞15千克，水45千克
(2)備料并混料
制備破碎至粒徑10毫米的玉米秸稈15千克、干豬糞與干羊糞的混合物30千克，并與45千克水均勻混合，按物料投放計量要求，混合物料折合為體積0. 15米3 ；
(3-1)酸化段啟動
按上述配料比例，一次性進混合均勻的物料至酸化池體積的4/5處，停留7天，酸 化池PH穩(wěn)定在4. 5-6之間，啟動過程完成，開始連續(xù)進、出料；
(3-2)酸化段反應
將混合均勻的物料以0. 15米7天放進酸化池，酸化段溫度在25-30°C，物料停留 時間60小時后出料；
(4)酸化段出料調(diào)節(jié)
酸化段出料0. 15米7天，加水0. 5米3調(diào)節(jié)含固量至17% ；
(5-1)厭氧發(fā)酵段啟動
按上述配料比例，將混合均勻的物料和干牛糞按3 1的體積比進至厭氧沼氣池 體積的2/5處，停留7天，連續(xù)產(chǎn)沼氣，沼氣池pH穩(wěn)定在6. 8-7. 2之間，啟動過程完成，開始 連續(xù)進、出料；
(5-2)厭氧發(fā)酵段反應
將步驟(4)稀釋后的酸化段出料放入?yún)捬跽託獬刂校?.65米7天，溫度穩(wěn)定在 42-46 °C，pH值為6. 8-7. 2，物料停留8天；
(6)出料
出料量0.65米7天，將上述厭氧發(fā)酵段生成的沼氣引出，混合液物料出料并進行 固液分離，固體物料可以作固體肥料農(nóng)田施用，液體物料一部分代替混料環(huán)節(jié)中的水分，再 次進行利用，另一部分作為液態(tài)肥施用農(nóng)田。
厭氧發(fā)酵的8天內(nèi)每天對厭氧發(fā)酵反應容器內(nèi)反應生成的氣體成分和數(shù)量及出 料進行檢測，秸稈的降解率平均為87%，產(chǎn)沼氣107. 2升/千克總固體，產(chǎn)氣速率為13. 4升 /千克 天，沼氣中甲烷含量大于65%。
降解率采用GB/T 19277-2003《受控堆肥條件下材料最終需氧生物分解和崩解能 力的測定采用測定釋放的二氧化碳的方法》進行測試。
現(xiàn)場沼氣中甲烷含量測定用在線甲烷檢測儀(催化燃燒法)進行。
上述含固量的測試方法采用烘干法，即稱量一定重量(Wtl)的物料樣品，于105°C的 烘箱中烘干至重量不再發(fā)生變化，此時的重量為W1，那么含固量就是Wl/VQ。
實施例2-2
除以下幾項內(nèi)容外，本實施例的工藝過程的其余內(nèi)容及測試方法均同實施例2-1
配料為粒徑9毫米的小麥秸稈和玉米秸稈各15千克，干雞糞和干牛糞各15千克， 水30千克，混合物料折合為體積0. 19米3 ；混合均勻的物料以0. 19米7天向酸化池進料， 酸化段溫度在25-30°C，物料在酸化池停留時間48小時；酸化段出料0. 19米7天，加水0. 4 米3調(diào)節(jié)至含固量約為19%后，進入到厭氧沼氣池中；厭氧發(fā)酵段溫度穩(wěn)定在40-45°C，物 料停留時間7天，出料量0. 59米7天。秸稈的降解率平均為87%，產(chǎn)沼氣100. 8升/千克 總固體，產(chǎn)氣速率為12. 6升/千克·天，沼氣中甲烷含量大于65%。
實施例2-3
除以下幾項內(nèi)容外，本實施例的工藝過程的其余內(nèi)容及測試方法均同實施例2-1
配料為粒徑6毫米的小麥秸稈15千克，干羊糞15千克，干牛糞30千克，水30千 克，混合物料折合為體積0. 18米3 ；混合均勻的物料以0. 18米7天向酸化池進料，酸化段 溫度在20-25°C，物料在酸化池停留時間50小時；酸化段出料0. 18米7天，加水0. 6立方 米調(diào)節(jié)至含固量約為15%后，進入到厭氧沼氣池中；厭氧發(fā)酵段溫度穩(wěn)定在45-50°C，物料 停留時間6天，出料量0. 78米7天。秸稈的降解率平均為85%，產(chǎn)沼氣93. 6升/千克總 固體，產(chǎn)氣速率為11. 7升/千克 天，沼氣中甲烷含量大于65%。
實施例2-4
除以下幾項內(nèi)容外，本實施例的工藝過程的其余內(nèi)容及測試方法均同實施例 2-1
配料為粒徑3毫米的高粱秸稈和玉米秸稈各15千克，干豬糞和干牛糞各15千克， 水45千克，混合物料折合體積0. 17米3 ；混合均勻的物料以0. 17米7天向酸化池進料，酸 化段溫度在22-28°C，物料在酸化池停留時間55小時；酸化段出料0. 17米7天，加水0. 7 米3調(diào)節(jié)至含固量約為15%后，進入到厭氧沼氣池中；厭氧發(fā)酵段溫度穩(wěn)定在45-50°C，物 料停留時間6天，出料量0. 87米7天。秸稈的降解率平均為85%，產(chǎn)沼氣80. 8升/千克 總固體，產(chǎn)氣速率為10. 1升/千克·天，沼氣中甲烷含量大于65%。
以上所述，僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并非對本發(fā)明的內(nèi)容作任何形式上的 限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均 仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種作物秸稈與畜禽糞便兩段式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝，其特征在于包括下列步驟(1)配料原料組分及其含量以質(zhì)量份數(shù)計粒徑2-10毫米的作物秸稈1-2份，以干基計的畜禽糞便2-3份，水2-3份；其中所述畜禽糞便為豬糞、牛糞、羊糞和雞糞中的任意兩種按1∶1質(zhì)量比混合的混合物；所述作物秸稈為小麥秸稈、玉米秸稈和高粱秸稈中的任意一種或兩種以上以任意質(zhì)量比的混合物；(2)備料并混料按照步驟(1)的要求，制備破碎至粒徑2-10毫米的一種作物秸稈或兩種以上作物秸稈的混合物、畜禽糞便混合物，并與水按規(guī)定比例均勻混合；(3)酸化段反應將上述混合物料放進酸化反應器中，在溫度為20-30℃，pH值為4.5-6的條件下進行酸化反應，物料停留時間為48-60小時，然后出料；(4)酸化段出料調(diào)節(jié)將上述酸化段出料加水調(diào)節(jié)至含固量為15％-20％；(5)厭氧發(fā)酵段反應將上述稀釋后的酸化段出料放進密閉的厭氧發(fā)酵反應器中，在溫度為40-50℃，pH值為6.8-7.2的條件下，停留時間6-8天；(6)出料將上述厭氧發(fā)酵段生成的沼氣引出，混合液物料出料并進行固液分離分類處理。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種作物秸稈與畜禽糞便兩段式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝，其特征是包括下列步驟原料組分及其含量以質(zhì)量份數(shù)計粒徑2-10毫米的作物秸稈1-2份，以干基計的畜禽糞便2-3份，水2-3份；酸化段，溫度20-30℃，pH 4.5-6，停留時間48-60小時；酸化段出料加水調(diào)節(jié)至含固量15％-20％；厭氧發(fā)酵段，溫度40-50℃，pH 6.8-7.2，停留時間6-8天；出料并分類處理。本發(fā)明的有益效果是提高作物秸稈在厭氧發(fā)酵過程中的使用效率，縮短厭氧發(fā)酵的反應時間，提高產(chǎn)氣速率，充分利用畜禽糞便，促進農(nóng)村有機廢物的資源化利用，控制農(nóng)村面源污染，改善農(nóng)村衛(wèi)生環(huán)境。
文檔編號C12R1/01GKCN101857882SQ201010198942
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月11日
發(fā)明者盧學強, 周濱, 張良運, 焦永杰, 袁雪竹, 鄧小文, 陳紅, 馬建立 申請人:天津市環(huán)境保護科學研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan