CN102337302A

CN102337302A - 一种沼气生物净化及其废弃物资源化循环利用方法

Info

Publication number: CN102337302A
Application number: CN2011102872152A
Authority: CN
Inventors: 郑正; 李博; 颜诚; 聂耳; 王东
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-02-01

Abstract

本发明属于资源循环利用技术领域，具体涉及一种沼气生物净化及其废弃物资源化循环利用的方法。本发明利用藻类构建的光生物反应器来净化沼气中的二氧化碳，以得到高品质生物质能甲烷；同时结合对发酵后残留的沼液和沼渣，以及光生物反应器中增殖的藻类的综合资源化循环利用，最终达到废弃物的零排放。使用本发明，沼气的净化效果显著，沼气中甲烷浓度从30%~40%可以提升到90%，并实现了太阳能从藻类到高品质沼气的能量流动和C、N、P等营养元素的物质循环，经济和社会效益显著。

Description

一种沼气生物净化及其废弃物资源化循环利用方法

技术领域

本发明属于资源循环利用技术领域，具体涉及一种沼气生物净化及其废弃物资源化循环利用方法。

背景技术

化石燃料的开发利用会产生很多危害环境的物质，如燃烧产生的二氧化碳是主要的温室气体，含硫燃料燃烧产生二氧化硫则是全球酸雨增多的主要因素之一，化石燃料的不完全燃烧还会产生危害人体肺部健康的碳颗粒。同时人类也面临着化石燃料耗竭的问题，因此人们迫切需要一种对自然环境和人类健康无害的、可再生的清洁能源。

沼气是一种实用性很高的绿色环保生物质能，一般由混合厌氧发酵产生，现主要在农村地区使用。我国沼气事业始于20世纪30年代，当时主要用于建筑物的照明。20世纪70年代前后我国开始大规模的发展沼气事业，特别是在20世纪80年代，对沼气发酵关键技术的研究取得了重要的突破。进入21世纪以来，受能源安全、温室气体减排和环境保护等问题的影响，沼气发酵技术又得到了新的发展。中国农业部2000年1月启动了以沼气综合利用和建设为重点，符合现阶段农业和农村经济发展的“生态家园富民计划”。

混合厌氧发酵产生的沼气中可作为燃料的甲烷气体仅占30%~40%，另外是占60%以上的二氧化碳，以及少量的其它气体。沼气中可燃气体组分含量较低，导致了现阶段沼气的可利用性较差，成为限制绿色沼气生物质能发展的瓶颈，所以迫切需要开发一种去除沼气中二氧化碳以提纯沼气的技术。目前采用的沼气提纯方法主要是变压吸附法和水洗法两大类，但他们都存在着工艺复杂、提纯效果不佳、添加剂或者溶剂消耗量大、技术实用性和经济效益较差的问题。

藻类是一种光能自养型生物，是地球上最古老的物种之一，在元古宇宙10多亿年的时间里它一直是地球生物圈中最主要的生物类群，是整个生态***最为主要的初级生产者。藻类对于光的利用能力很强，一般高等植物的光能利用率是5%~6%，而藻类可达18%；藻类光合效率则接近40%，是一般农作物的1.5倍。由此可见藻类的增殖能力和对二氧化碳的吸收能力都是很强的。

混合厌氧发酵在产生沼气的同时也产生沼液和沼渣。沼液不仅含有丰富的氮、磷、钾等大量元素和铁、锌、铜等微量元素，而且还含有17种氨基酸、活性酶等。如果沼液不经处理直接排放，则会对环境造成极为不良的影响，极易引起水体富营养化等问题。考虑到沼液的营养成分充足，且基本上都是以速效养分形式存在，如果把其作为藻类培养营养液,再以沼气中的二氧化碳作为碳源供给，则可以在净化沼气的同时也解决沼液的污染问题，一举两得达到变废为宝的目的。沼渣是混合发酵后残留下来的固体废弃物，其通常含有有机质36.0%~49.9%，腐植酸10.1%~24.6%，粗蛋白5.0%~9.0%，全氮0.78%~1.61%，全磷0.4%~0.6%，全钾0.61~1.30%。沼渣的营养丰富，经过堆肥等无害化处理后可以最终还田作为肥料促进农作物的生长，农作物收获后其秸秆等又可以作为混合厌氧发酵的原料。

目前进行混合厌氧发酵和沼气净化的研究较多，但是关于将两者有机结合形成一个废弃物资源化循环利用体系，实现废弃物的零排放的研究则基本处于空白。藻类的生长过程能吸收大量的二氧化碳，将其与沼气净化相关联后可以利用藻类的这一特性很好的提高沼气的品质，进而提高沼气的使用价值。如果大面积使用此种技术，还可以起到固碳的作用，这对全球温室气体减排也是具有重要意义的。同时结合混合发酵后废弃的综合利用，既沼液养藻、沼渣还田和增殖的藻类再与农业固废等混合发酵产沼气这样三个步骤，建立起一个废弃物零排放的资源化循环利用体系。中国是能源紧缺的国家之一，同时也是二氧化碳等温室气体排放量较大、农业废弃物污染最为严重的国家之一，这决定了此项技术在我国一定会拥有极为广泛的应用空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本较低、效果优异的沼气生物净化和废弃物资源化循环利用的方法。

具体而言，本发明是利用藻类构建的光生物反应器来净化沼气中的二氧化碳，以得到高品质生物质能甲烷；同时结合对发酵后残留的沼液和沼渣，以及光生物反应器中增殖的藻类的综合资源化循环利用，最终达到废弃物的零排放。具体包括如下步骤：

（1）将厌氧发酵的底物（如农业秸秆、生活垃圾、厨余、藻类和畜禽粪便等）混合，放入厌氧发酵池，调节底物的碳、氮比（C/N）为（20~30）:1，pH值为6.5~7.5，温度为30~35℃，厌氧发酵产生沼气；

（2）将发酵后残余的沼液用水稀释，至原沼液浓度的20~40%，然后通入光生物反应器中，作为培养藻类的营养液；光生物反应器利用太阳光作为光照的光源；在特殊情况下，也可辅以植物灯，调节补充光照强度为5000~15000勒克斯；控制光生物反应器温度18~25℃，光生物反应器中培养液的pH值为6.5~7.5，培养液深度一般小于3m；

（3）将厌氧发酵产生的沼气作为藻类繁殖的碳源，连续不断的通过曝气砂头通入到光生物反应器的底部，经过光合作用藻类对沼气中二氧化碳予以吸收，最终得到净化的高品质甲烷。沼气净化后甲烷含量可以达到90%以上；

（4）光生物反应器中，在藻类繁殖达到生长稳定期末期，将其部分收获，作为厌氧发酵的原料之一送入厌氧发酵池；剩下部分作为下一阶段藻类繁殖的接种物；

（5）厌氧发酵过程产生的沼渣先进行堆肥，然后作为有机肥料施放到农田中促进农作物的生长，农作物收获后残留的秸秆又可以作为混合厌氧发酵的原料。

本发明中，所述光生物反应器是封闭式的，可以选用薄膜袋浮式、平板式、管道式、柱状气升式或者机械搅拌式等。一般采用多级串联的形式。

本发明中，藻类在其达到生长稳定期末期时，收获藻类为其总量的40--60%，作为厌氧发酵的原料之一送入厌氧发酵池；剩下60--40%部分作为下一阶段藻类繁殖的接种物。优选收获藻类为50%。

本发明中，所述藻类为小球藻或蓝藻，可以是纯种或者野生杂交种。

本发明中，经过光生物反应器净化后得到的高品质生物质能甲烷可以作为燃料或者化工原料来使用。如果作为燃料用来发电，将发电过程中产生的二氧化碳收集起来通入到光生物反应器中，作为藻类生长的碳源。

本发明的特点在于：

（1）所述废弃物资源化循环利用体系是一个闭合的***，其以太阳能为能量输入，以高品质生物质燃料甲烷为输出，采用无污染物排放的环保方法得到清洁的燃料。

（2）本发明的核心内容是利用沼液养殖藻类，以沼气中二氧化碳提供碳源，并且控制一定的生长条件，构成光生物反应器来净化沼气，沼气净化后甲烷含量可以达到90%以上；此举同时也处理了沼液，避免了其对环境产生危害。

（3）净化出来的高品质生物质燃料甲烷，可以作为燃料直接燃烧供应于当地的需要，也可以转化为电能进行远距离输送。在冬季温度较低时，为了维持整个废弃物资源化循环利用体系得以顺利运行，甲烷燃烧产生的热能也可以用来保证厌氧发酵和光生物反应器中藻类生长所需要的温度。

（4）本发明所述的废弃物资源化循环利用体系，实质上是一个C和N、P等营养元素循环利用的过程。沼气中的二氧化碳通过光合作用进入藻类；随后藻类中的C又通过发酵过程进入到发酵产品甲烷、二氧化碳和发酵残余物沼液和沼渣中；而后甲烷所含有的C通过燃烧转化为二氧化碳，可以和发酵产生的二氧化碳一起作为藻类生长的C源，同时结合沼液养藻将沼液中的C转化到藻类中；藻类增殖到一定程度收获后就又可以作为发酵的原料产生沼气。沼液养藻和藻类发酵的过程则主要是循环了N和P等营养元素。沼渣还田作为肥料促进农作物生长，农作物收获后秸秆用来发酵产生沼渣的过程中也包含了C和N、P等营养元素的循环。

（5）本发明所述的废弃物资源化循环利用体系是，以太阳能为输入，生物质能高品质沼气为输出的，无废弃物排放的体系。其中包含了太阳能从藻类到高品质沼气的能量流动；也包含了C、N、P等营养元素从发酵产沼气、沼液养藻、沼气通入到光生物反应器（沼液养藻体系）净化、增殖的藻类再进行发酵的物质循环。

（6）本发明突破了混合厌氧发酵产沼气广泛利用的瓶颈，体现了很好的经济、社会和环境效益。利用沼气中的二氧化碳作为藻类生长的碳源，不仅减少了温室气体的排放，而且还可以生产高品质清洁能源。使用沼渣堆肥后还田，可以很好的促进农作物的生长，在处理了沼渣废弃物的同时也节省了购买化肥的开支，并且避免了因为化肥的流失而污染环境。使用沼液养藻解决了光生物反应器中藻类生长培养液的来源问题，节省了购买培养液的费用，并且资源化利用了沼液，避免了其对于环境的危害。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行详细的说明：

本例中的光生物反应器采用多级串联平板式，其中培养物的是采购自中科院（武汉）水生植物研究所的小球藻（chlorella），其扩陪使用的是BG11培养基。混合厌氧发酵产生的沼气和沼液分别作为小球藻的碳源和培养液。具体的步骤为：

1、混合厌氧发酵

秸秆破碎后和畜禽粪便混合，按照5:1的质量比接种从发酵良好的沼

气池中取得的厌氧活性污泥，最后加水调节固体浓度TS达到30%，保持发酵罐温度维持在35℃。

2、沼液养藻

厌氧发酵产生的沼液经细纱布过滤后用蒸馏水稀释，至原沼液浓度30%，引入到光生物反应器中，调节pH值为7，然后接种扩陪后的小球藻。光生物反应器的环境控制为，保证充足的日光光照，用加热器保证温度为18~25℃。

3、沼气净化

厌氧发酵产生的沼气通过曝气砂头连续不断的通入到光生物反应器的底部，通过多级串联的平板式反应器后，沼气中二氧化碳被藻类所吸收，最后输出含有高浓度甲烷的高品质生物质能。

4、小球藻的收获

每日对光生物反应器中的小球藻镜检，当小球藻生长到稳定期末期时，

将小球藻收获50%，作为下一循环的混合厌氧发酵的原料。剩余在反应器中的50%的小球藻则作为下一阶段接种藻种。

5、沼渣还田

厌氧发酵产生的沼渣先进行堆肥，然后作为有机肥料施放到农田中。

以上步骤可以实现废弃物资源化循环利用体系设计的目标，以太阳能为输入，生物质能高品质沼气为输出的，无废弃物排放。实现了太阳能从藻类到高品质沼气的能量流动和C、N、P等营养元素的物质循环。沼气通过光生物反应器的净化效果显著，沼气中甲烷浓度从约40%上升到约90%。

Claims

1.一种沼气生物净及其废弃物资源化循环利用的方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）将厌氧发酵的底物混合，放入厌氧发酵池，调节底物的碳、氮比为（20~30）:1，pH值为6.5~7.5，温度为30~35℃，厌氧发酵产生沼气；

（2）将发酵后残余的沼液用水稀释，至原沼液浓度的20~40%，然后通入光生物反应器中，作为培养藻类的培养液；光生物反应器利用太阳光作为光照的光源；控制光生物反应器温度18~25℃，光生物反应器中培养液的pH值为6.5~7.5，光生物反应器中培养液深度小于3m；

（3）将厌氧发酵产生的沼气作为藻类繁殖的碳源，连续不断的通过曝气砂头通入到光生物反应器的底部，经过光合作用藻类对沼气中二氧化碳予以吸收，最终得到净化的高品质甲烷；

（4）光生物反应器中，在藻类繁殖达到生长稳定期末期，将其部分进行收获，作为厌氧发酵的原料之一送入厌氧发酵池，剩下部分作为下一阶段藻类繁殖的接种物；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述厌氧发酵底物包括农业秸秆、生活垃圾、厨余、藻类和畜禽粪便。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光生物反应器选用薄膜袋浮式、平板式、管道式、柱状气升式或者机械搅拌式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2（中）还辅以植物灯作为光照的光源，调节补充光照强度为5000~15000勒克斯。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻类在其达到生长稳定期末期时，收获40--60%的藻类，作为厌氧发酵的原料之一送入厌氧发酵池；剩下60--40%的藻类作为下一阶段藻类繁殖的接种物。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻类为小球藻或蓝藻。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经过光生物反应器净化后得到的高品质生物质能甲烷作为燃料或者化工原料来使用；当作为燃料用来发电时，将发电过程中产生的二氧化碳收集起来通入到光生物反应器中，作为藻类生长的碳源。