CN101851124A - 一种以汽爆为预处理的农业废弃物厌氧消化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种以汽爆法为预处理的农业废弃物厌氧消化工艺，该工艺首先根据C/N比为20～30进行配料，确定合适的作物秸杆、畜禽粪便的用量；将确定好的原料混合均匀后，先进行汽爆预处理，然后再进行厌氧消化处理，产生的CH₄气体可用作燃料，发酵液等可用作肥料。本发明方法利用汽爆技术处理农业废弃物，有效地提高了其厌氧消化处理的生物转化率，缩短处理时间，从而达到简化处理工艺，提高设备利用率，降低运营成本的目的，既解决了环境污染问题，又带来的社会效益和经济效益。

Description

一种以汽爆为预处理的农业废弃物厌氧消化工艺

技术领域

本发明涉及农业废弃物的处理与利用，尤其涉及一种利用农业废弃物的厌氧消化工艺。

背景技术

农业废弃物是指在整个农业生产过程中被废弃的有机类物质，主要包括：农林生产过程中产生的植物残余类废弃物；牧、渔业生产过程中产生的动物类残余废弃物；农业加工过程中产生的加工类残余废弃物和农村城镇生活垃圾等。从总量和组成上，主要包括农作物秸秆和畜禽废弃物。农业废弃物的处理与利用问题，一直是近几年污染防治和资源化利用领域研究的重要课题。

1、农业废弃物的利用现状

秸秆不仅普遍具有较高的热值和粗纤维，且含丰富的有机碳、N、P、K、Mg、Ca等营养元素，因而有着很好的利用价值。从能源角度，相当于3.5亿t标准煤。目前已在推广或研究中的秸秆利用方式有很多种。主要可分为以下几类，一是秸秆还田技术，秸秆还田不仅可增加土壤有机质和速效养分含量，培肥地力，缓解氮、磷、钾肥比例失调的矛盾，还可以调节土壤物理性能，抗旱保墒，增加作物产量，优化农田生态环境等，还田的方式也有多种，包括整株还田、根茬还田、传统堆肥后还田等；二是饲料化利用技术，植物纤维性废弃物往往因其营养价值低或可消化性低，不能直接用作饲料。但如果将它们适当处理。即可大大改善其营养价值和可消化性，目前的主要方法有微生物处理、青贮法、氨化法等；三是能源化利用技术，可以说农业废弃物是农村能源的重要组成部分，在解决农村能源短缺和农村环境污染方面有重要的价值，能源化利用的方式有厌氧消化、热解气化、秸秆干发酵、秸秆直接燃烧供热、生物质热解液化制备燃料油、与有机垃圾混合燃烧发电等；四是材料化利用技术，农业废弃物中的高蛋白质资源和纤维性材料生产多种生物质材料和生产资料有着广阔的前景。目前的研究主要包括，利用农业废弃物中的高纤维性植物废弃物生产纸板、人造纤维板、轻质建材板等材料研究；通过固化、炭化技术制成活性炭技术研究；生产可降解餐具材料和纤维素薄膜研究以及制取木糖(醇)等。

畜禽废物包括牲畜、禽类养殖产生的固体废物、废水。目前，我国对固态畜禽废物的处理方式主要有以下几种。一是直接还田利用，这是我国传统的利用方式。但这种方式由于畜禽废物一年四季均衡产生，存在与农作季节性需肥不相协调的矛盾，此外，还会影响环境卫生，利用不当会带来地表水和地下水的营养盐污染等。因此，总体上目前趋向于经适当处理后再农业利用；二是直接堆肥化处理。直接堆肥是处理各种有机废弃物的传统方法之一，但存在周期长，用工多等问题；三是人工好氧发酵与厌氧生物处理。畜禽废弃物经生物发酵转化为商品有机肥料，符合废弃物治理减量化、资源化、无害化和生态化的原则。但目前发酵工艺及配套设备有待进一步提高，发酵有机肥虽然肥效好，但与晾晒、直接烘干和自然堆沤方法比较，其生产成本明显偏高，这是影响其市场占有率的主要原因。厌氧生物处理也存在反应速度慢，转化效率低等问题，因而需要开发经济实用的发酵工艺及其配套设备，提高处理效率，降低生产成本。四是循环利用与生态处理技术。如利用鸡粪等动物粪便经处理后作为饲料循环利用，以及利用畜禽粪便养殖蚯蚓，其产物蚯蚓可直接用于饲养鱼、鸡、鸭、鹅，也可以加工成干粉状动物蛋白等。但作为畜禽粪便作为饲料，还存在一些技术问题需要解决。

虽然目前有关农业废弃物的处理与利用方法很多，但成本低、经济合理、适合市场化经营推广的方法并不多。总体上，农业废弃物的堆肥化及厌氧发酵等生物处理法仍然是经济实用的处理与利用方式。

2、农业废弃物的厌氧消化处理工艺现状

厌氧生物处理(厌氧消化)是指在无氧条件下，借助厌氧微生物的作用来处理有机物质的方法。早期的厌氧处理主要是解决城市废水污泥的处理问题。1881年在法国发表了处理生活污水污泥自动净化器的文章，此后相继发展了化粪池、双层沉淀池、专用消化池等设备。我国70年代以后，用于处理农业废弃物的沼气池在农村广泛推广。随着环境污染的突出，厌氧处理技术作为一种低能耗的生物处理法得到了迅速发展，也大大推进了厌氧消化处理的工艺、机理和反应动力学研究。影响厌氧消化过程的因素很多，其中物理因素包括：温度、水力停留时间、物料粒径、固含量、搅拌、接种物量等；化学因素包括有机负荷、pH，碱度、营养物质、无机盐、有毒物质含量等。

农作物秸秆等作为厌氧处理原料，存在难生物降解、处理效率低等问题。农作物秸秆含有丰富的难于在生物氧化过程中分解的木质纤维素，还有少量易于氧化分解的蛋白质、脂肪和淀粉等。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，它们的特殊结构，使得微生物很难分解它们。由于天然木质纤维素结构的复杂性和物理结构的异质性，天然纤维素的生物降解也相应是一个复杂的过程。纤维素的聚合度很大，其聚合度可因来源的不同在100-14,000不等，线形的纤维素大分子有规则地排列在一起，并且其糖上的羟基几乎全部包含于氢键中，形成的总氢键能非常大。通过链内和链间的氢键，加强了纤维素分子间的相互作用，使纤维素的微晶结构很难打开。正是这些氢键的大量存在，使得纤维素分子链彼此高度牢固的键合在一起，成为刚性的高度不溶的微纤丝和纤丝。这是限制纤维素酶对其降解作用的一个主要限制因素。另一难题则是木质素几乎无法生物降解，而且大量的纤维素、半纤维素被难以降解的木质素包裹，这使得微生物难以接近可以被生物分解的纤维素和半纤维素。

发明内容

本发明的技术方案就是针对上述问题，提供一种可以提高作物秸秆的厌氧消化效率的处理方法，该方法通过对农业废弃物进行汽爆处理，可改变其理化性质，使得它们易于被微生物分解，从而达到缩短厌氧消化处理时间，提高处理效率的目的。

本发明的农业废弃物厌氧消化工艺，包括以下步骤：

1)根据C/N比配料

根据农业废弃物的C/N比为20～30，确定合适的农作物秸秆、畜禽粪便的用量；

2)汽爆处理农业废弃物

将按总C/N比确定的作物秸秆、畜禽粪便的原料混合均匀后，加适量水浸润数分钟，放入汽爆罐，然后通入高压蒸汽，使汽爆罐中压力达到1.0～1.5Mpa范围，维持压力3～10min，进行汽爆处理；

3)厌氧消化处理

将汽爆处理后的物料，投入厌氧消化池，加水，使固形物含量在5～10％，同时接种，进行厌氧消化处理，产生的CH₄气体可用作燃料，发酵液等可用作肥料。

本发明提供的农业废弃物厌氧消化工艺，在厌氧消化处理前，增加了汽爆预处理过程，该处理方法比现有的厌氧消化方法，具有以下几方面的优点：

1)具有粉碎作用，使农业废弃物中难分解的纤维素类完全粉碎，从而保证在生物氧化过程中易于分解

在汽爆过程中，有机物料内部的蒸汽从高压瞬间释放到低压时的***力使其本身粉碎。该粉碎过程比机械粉碎更彻底，更完全，因为蒸汽会充满废物的所有周质空间，无孔不入，***使得不同粒径大小的有机物都能够完全粉碎，这是一般机械粉碎所不能做到的。而且经过粉碎的有机物更加均匀。有机废物中的木质纤维素类成分经过***后，在生物氧化过程中，会易于被微生物分解和利用。

2)具有高温分解作用，使废弃物中的有机物大分子部分降解，提供后续处理过程中的转换率，并缩短了时间

由于蒸汽含有大量的热，当蒸汽与有机物接触时，能够瞬间将其加热到很高的温度。在高温条件(160℃以上)下，有机物中的蛋白质、脂肪、纤维素等大分子物质部分降解，特别是一些难以生物降解的物质，如纤维素、半纤维素和木质素会在汽爆过程中部分水解，或者它们的分子结构发生有利于生物降解的改变。这将会提高在后续生物处理过程中的转化率，缩短处理时间。

经汽爆处理的物料在室温25℃左右条件下厌氧消化，5天左右开始产气，20天内达到总产气量的50％以上，其总产气量与未经处理的原料相比提高40％以上。

3)具有消毒灭菌作用，有效杀死废弃物中大部分病毒和细菌

在密封的汽爆罐内，蒸汽压力达到8-12个大气压，蒸汽温度达到180℃左右，畜禽废物在汽爆罐内保持5分钟左右，其中的有害病毒和细菌大部分被杀死。这样在后面的处理过程中，工作人员会更加卫生安全。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步描述本发明的技术方案：

实施例1

1、汽爆处理农业废弃物

将作物秸秆、鸡粪便等，根据其C/N比为30∶1来确定用量配比，一般稻草、麦秸等C/N比在80∶1，鸡粪在10∶1。如原料总重量为100kg，则秸秆用量为75kg，鸡粪用量为25kg。用粉碎机将原料粉碎至3cm左右，按重量比1∶1加水浸润5min，放入汽爆罐中，然后通入高压蒸汽，使汽爆罐中压力达到1.3Mpa范围，维持压力9min，然后快速泄去汽爆罐中压力，将原料释放到常压容器中，得汽爆处理后的农业废弃物原料。

2、以汽爆产物为原料的厌氧发酵处理

将汽爆料投入厌氧消化池，加水，使总固体含量在5％左右，同时用污水处理厂厌氧池污泥作为接种物，用量为汽爆料重量的2倍以上，在室温25℃左右条件下消化，5天左右开始产气，20天内达到总产气量的50％，总产气量与未经处理的原料相比提高40％以上。

实施例2

将作物秸秆、畜禽粪便等，根据其C/N比确定用量配比。本实验采用玉米秸秆，C/N比为60∶1，鸡粪在15∶1，使原料的总C/N在25∶1左右。用粉碎机将原料粉碎至3cm左右，放入汽爆罐中，然后通入高压蒸汽，使汽爆罐中压力达到1.5Mpa范围，维持压力6min，然后快速泄去汽爆罐中压力，将原料释放到常压容器中，得汽爆处理后的农业废弃物原料。

2、以汽爆产物为原料的厌氧发酵处理

将汽爆料投入厌氧消化池，加水，使总固体含量在8％左右，同时用污水处理厂厌氧池污泥作为接种物，用量为汽爆料重量的2倍以上，在室温25℃左右条件下消化，5天左右开始产气，20天内达到最大产气量，总产气量与未经处理的原料相比提高45％。

Claims (1)

1.一种以汽爆为预处理的农业废弃物厌氧消化工艺，其步骤包括：

1)根据C/N比配料

根据农业废弃物的C/N比为20～30，确定合适的农作物秸秆、畜禽粪便的用量；

2)汽爆方法进行农业废弃物的预处理

将按总C/N比确定的作物秸秆、畜禽粪便的原料混合均匀后，放入汽爆罐，然后通入高压蒸汽，使汽爆罐中压力达到1.0～1.5Mpa范围，维持压力3～10min，进行汽爆处理；

3)厌氧消化处理

将汽爆处理后的物料，投入厌氧消化池，加水，使固形物含量在5～10％，同时接种进行厌氧消化处理，产生的CH₄气体可用作燃料，发酵液等可用作肥料。