CN102747107A - 一种沼气发酵的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及再生能源技术领域，公开了一种沼气发酵的方法。本发明所述方法将沼气接种物驯化后和餐厨垃圾、干燥的秸秆混合进行厌氧发酵，所述餐厨垃圾以总固体含量计和干燥的秸秆的质量比为1.5-7:1。本发明通过对餐厨垃圾以及秸秆的合理配比，无需加酸碱调节pH，平衡发酵体系中的碳氮比，在高效利用餐厨垃圾的同时也能消化处理部分难以利用的纤维素作物，两者产生一个相互促进的作用，并且操作简单、成本低廉，具有可贵的经济效益。

Description

一种沼气发酵的方法

技术领域

本发明涉及再生能源技术领域，具体的说是涉及一种沼气发酵的方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，人民生活水平不断升高，但随之而来的各种垃圾废弃物也不断增加，如工业废水、建筑垃圾、餐厨垃圾、作物秸秆、人畜家禽粪便等等，这些垃圾废弃物不但给环境带来了极大压力，而且也加大了处理成本。但是另一方面，部分垃圾废弃物如餐厨垃圾、作物秸秆、人畜家禽粪便等的有机物含量较高，能够利用生物方法对其进行资源化处理，以达到资源同收、变废为宝的目的、而厌氧消化技术就是一种应用较普遍的生物处理方法。

厌氧消化是指有机物质被微生物菌在厌氧条件下分解产生甲烷和二氧化碳的过程，人们常称之为沼气发酵或厌氧发酵。沼气是一种以甲烷为主的可燃性混合气体，属于一种清洁能源，由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。利用沼气发酵不仅能够获得沼气能源，而且这些废弃物被发酵后能够获得高质量的有机肥料和土壤改良剂。

目前，常规的沼气发酵的方法是先进行沼气接种物的驯化（又称为活性污泥的驯化），然后再将沼气接种物和发酵原料在一定的水分、温度和厌氧条件下发酵产气。现有的沼气发酵往往针对单一物料，但是单一物料的含水率、pH、碳氮比等变化范围很小，不能完全适应厌氧发酵产沼气，特别是单一物料厌氧发酵反应产物会对甲烷产生反馈抑制作用。例如餐厨垃圾，其碳氮比偏低，单独餐厨垃圾发酵容易导致氨氮的积累，如果超出氨氮抑制浓度会抑制产气，同时餐厨垃圾中的钠离子也会对产气造成一定影响；粪便发酵同样是氨氮浓度高，对产甲烷菌有抑制作用；作物秸秆富含纤维素、木质素，单独进行沼气发酵，纤维素尤其是木质素很难被分解，因此发酵时间较长，产气效率低下。如果针对各种废弃物分别建设发酵设施，则投资过大，无法形成规模，而且单一物料的抑制因素明显，物料调整难度较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种沼气发酵的方法，使得该方法能够提高沼气产气量，特别是甲烷的产气量。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种沼气发酵的方法，将沼气接种物驯化后和餐厨垃圾、干燥的秸秆混合进行厌氧发酵，所述餐厨垃圾以总固体含量计和干燥的秸秆的质量比为1.5-7:1。

其中，所述总固体含量指的是物料在105℃下烘干至恒重后残留下来的固体的重量，英文简写为TS，属本技术领域常用术语，所述餐厨垃圾以总固体含量计和干燥的秸秆的质量比优选为为4-6:1，更优选为5:1，所述驯化后沼气接种物与干燥的秸秆的体积质量比优选为550-650mL:1g。

针对现有沼气发酵方法中采用单一的餐厨垃圾或秸秆物料发酵产沼气量不高的问题，本发明以合理的配比同时采用餐厨垃圾和秸秆两种物料来发酵产沼气。农作物秸杆属富碳原料，其碳氮比一般都在30:1以上，单独用来发酵不易启动，且大量的纤维素较难分解利用，产沼气效率低下。但秸秆和餐厨垃圾的混合发酵能很好的平衡反应体系中的碳氮比，避免了碳氮比较低的餐厨垃圾单独发酵时含氮量偏高导致氨氮浓度高而引起的产气抑制和碳氮比较高的秸秆单独发酵时的不易启动，同时也能一定程度上降低了餐厨垃圾中的其他离子对微生物的影响。与此同时，餐厨垃圾的加入有利于沼气接种物中的纤维素分解菌更好的生长繁殖，对秸秆中纤维素的分解和利用有促进作用，与秸秆单独厌氧发酵产沼气相比提高了纤维素降解率，有利于产沼气效率的提高。此外，本发明以合理配比混合发酵餐厨垃圾和秸秆，无需加酸碱调节pH，使发酵的pH值处于适于沼气发酵范围。

餐厨垃圾成分一般包括米饭、蔬菜、肉类、骨头、菜汤等，虽然不同季节不同地点的餐厨垃圾成分略有差别，但餐厨垃圾的各有机物含量无太大差别（以蛋白质、可溶性糖、粗脂肪、粗纤维含量计），以质量百分比计包含12-18%蛋白质、30-35%可溶性糖、22-28%粗脂肪、5-10%粗纤维，因此本发明优选以质量百分比计包含12-18%蛋白质、30-35%可溶性糖、22-28%粗脂肪、5-10%粗纤维的餐厨垃圾，更优选以质量百分比计包含15.14%蛋白质、33.38%可溶性糖、25.24%粗脂肪、7.58%粗纤维的餐厨垃圾。秸秆是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称，通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其它农作物在收获籽实后的剩余部分，本发明所述秸秆优选为高粱秸秆或玉米秸秆。

本发明所述沼气接种物是指富含沼气发酵微生物的各种厌氧活性污泥，又称活性污泥，如老沼气池里的沼渣、沼液，粪坑的底脚黑色沉渣、塘泥、城镇污水沟的污泥，以及食品厂、酒厂、屠宰场的污水等，都是本领域常用的较好的接种物，属本领域公知，而本发明优选采用污水处理厂的污泥作为沼气接种物。

无论选用何种沼气接种物，都需要事先将其驯化（即扩大培养）以便让其更好地用于发酵，而本领域公知，一般驯化的方法是将沼气接种物加入普通营养物如葡萄糖等以及沼气发酵所采用的物料中加以驯化。而本发明所述驯化优选为按以下步骤进行：

步骤1、向沼气接种物中添加葡萄糖至浓度为1g/L，然后维持溶解氧的浓度在2-3mg/L进行7天的初期驯化，初期驯化期间每天曝气7h，静沉3h，闲置14h，每次闲置后用沼气接种物替换1/3体积的上清液；

步骤2、向初期驯化后的沼气接种物中添加葡萄糖至浓度为1g/L，同时添加占初期驯化后的沼气接种物质量10%的餐厨垃圾，然后进行5天的中期驯化，中期驯化期间每天曝气7h，静沉3h，闲置14h，所述餐厨垃圾与本发明所述沼气发酵方法采用的餐厨垃圾一致；

步骤3、向中期驯化后的沼气接种物中添加葡萄糖至浓度为1g/L，同时添加占中期驯化后的沼气接种物质量15%的餐厨垃圾以及占中期驯化后的沼气接种物质量20%的干燥秸秆，然后进行18天的后期驯化，后期驯化期间每天曝气7h，静沉3h，闲置14h，后期驯化完成后即得驯化后的沼气接种物，所述餐厨垃圾、干燥秸秆与本发明所述沼气发酵方法采用的餐厨垃圾、干燥秸秆一致。

在进行沼气发酵时，温度一般在10-60℃之间，温度越高产气越快，但相应地能耗也过高，适当的温度、搅拌频率可以提高产气效率，因而本发明所述进行厌氧发酵优选为：

在35-55℃、厌氧条件下发酵，发酵期间以每天3次、每次5分钟的频率搅拌发酵物。

在相同的发酵环境中，采用不同配比的餐厨垃圾和秸秆，以及单一使用餐厨垃圾或秸秆来进行沼气发酵的试验，结果显示，在本发明规定的配比之内，沼气产量、甲烷平均浓度、甲烷累积产量均高于其他配比和单一物料的产气效果。

由以上技术方案可知，本发明通过对餐厨垃圾以及秸秆的合理配比，无需加酸碱调节pH，平衡发酵体系中的碳氮比，在高效利用餐厨垃圾的同时也能消化处理部分难以利用的纤维素作物，两者产生一个相互促进的作用，并且操作简单、成本低廉，具有可贵的经济效益。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种沼气发酵的方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的产品及方法进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种沼气发酵的方法进行详细说明。

实施例1：沼气发酵试验

1、沼气发酵原料

沼气接种物：取自北京市污水处理厂的污泥；

餐厨垃圾：取自北京化工大学食堂，其中蛋白质15.14%，可溶性糖33.38%，粗脂肪25.24%，粗纤维7.58%（质量百分比）；

甜高粱秸秆：取自北京市郊区农田；

2、沼气接种物驯化

初期驯化（7天）：向污泥中添加葡萄糖至浓度为1g/L，反应器运行周期为24h，时间分配为曝气7h，静沉3h，闲置14h。每次闲置后用初始的污泥替换1/3体积的上清液，溶解氧浓度维持在2-3mg/L；

中期驯化（5天）：向初期驯化后的污泥中添加葡萄糖至浓度为1g/L，同时添加占初期驯化后的沼气接种物质量10%的餐厨垃圾，反应器运行周期为24h，时间分配为曝气7h，静沉3h，闲置14h；

后期驯化（18天）：向中期驯化后的污泥中添加葡萄糖至浓度为1g/L，同时添加占中期驯化后的污泥质量15%的餐厨垃圾以及占中期驯化后的污泥质量20%的干燥甜高粱秸秆，反应器运行周期为24h，时间分配为曝气7h，静沉3h，闲置14h。

经过检测，驯化后的污泥具有较高的产气率和COD去除率，表明污泥已适应厌氧发酵生产甲烷的特性，污泥驯化完成。

3、沼气发酵

对餐厨垃圾和秸秆进行预处理：先将餐厨垃圾中的硬骨头、筷子和卫生纸等拣出来以免破坏粉碎机，然后简单脱水后破碎到粒径为5mm左右（含水率为79.39%，TS为20.61%）；将秸秆先后经过榨汁、晒干、粉碎等处理后粒径达到0.3mm左右。

取驯化后的污泥分装在10个1L的广口瓶中，每个广口瓶分装量以驯化后沼气接种物与干燥的秸秆的体积质量比为600mL:1g计算，使之处于厌氧环境中，然后量取不同配比的餐厨垃圾和甜高粱秸秆，混合均匀，通过补料口加入10个广口瓶中，迅速密封补料口，在35℃下恒温水浴发酵按每天3次、每次5分钟的频率搅拌，反应发酵时间持续7天，结果见表1。

表1沼气发酵试验结果

注：配比中餐厨垃圾以总固体含量（TS）计，高粱秸秆以干重计（即干燥后高粱秸秆重量）

由表1可知，在本发明的合理配比内（编号5-9），沼气产量、甲烷的平均浓度及其累积产量均得到提高，其中以5:1的配比（编号7）为最优，而使用单一物料发酵或超出本发明配比范围的沼气产量甲烷的平均浓度及其累积产量均不高。

实施例2：沼气发酵试验

1、沼气发酵原料

沼气接种物：取自北京市顺义区东华山村沼气池中的沼渣；

餐厨垃圾：取自北京化工大学食堂，其中蛋白质15.14%，可溶性糖33.38%，粗脂肪25.24%，粗纤维7.58%（质量百分比）；

玉米秸秆：取自北京市郊区农田；

2、沼气接种物驯化

初期驯化（7天）：向沼渣中添加葡萄糖至浓度为1g/L，反应器运行周期为24h，时间分配为曝气7h，静沉3h，闲置14h。每次闲置后用初始的沼渣替换1/3体积的上清液，溶解氧浓度维持在2-3mg/L；

中期驯化（5天）：向初期驯化后的沼渣中添加葡萄糖至浓度为1g/L，同时添加占初期驯化后的沼渣质量10%的餐厨垃圾，反应器运行周期为24h，时间分配为曝气7h，静沉3h，闲置14h；

后期驯化（18天）：向中期驯化后的沼渣中添加葡萄糖至浓度为1g/L，同时添加占中期驯化后的沼渣质量15%的餐厨垃圾以及占中期驯化后的沼渣质量20%的干燥玉米秸秆，反应器运行周期为24h，时间分配为曝气7h，静沉3h，闲置14h。

经过检测，驯化后的污泥具有较高的产气率和COD去除率，表明污泥已适应厌氧发酵生产甲烷的特性，污泥驯化完成。

3、沼气发酵

对餐厨垃圾和秸秆进行预处理：先将餐厨垃圾中的硬骨头、筷子和卫生纸等拣出来以免破坏粉碎机，然后简单脱水后破碎到粒径为5mm左右（含水率为79.39%，TS为20.61%）；将秸秆先后经过榨汁、晒干、粉碎等处理后粒径达到0.3mm左右。

取驯化后的沼渣分装在10个1L的广口瓶中，每个广口瓶分装量以驯化后沼气接种物与干燥的秸秆的体积质量比为550mL:1g计算，使之处于厌氧环境中，然后量取不同配比的餐厨垃圾和玉米秸秆，混合均匀，通过补料口加入10个广口瓶中，迅速密封补料口，在35℃下恒温水浴发酵按每天3次、每次5分钟的频率搅拌，反应发酵时间持续7天，结果见表2。

表2沼气发酵试验结果

注：配比中餐厨垃圾以总固体含量（TS）计，玉米秸秆以干重计（即干燥后高粱秸秆重量）

由表2可知，在本发明的合理配比内（编号5-9），沼气产量、甲烷的平均浓度及其累积产量均得到提高，其中以5:1的配比（编号7）为最优，而使用单一物料发酵或超出本发明配比范围的沼气产量甲烷的平均浓度及其累积产量均不高。

实施例3：沼气发酵试验

1、沼气发酵原料

沼气接种物：取自北京市某食品厂的污水；

餐厨垃圾：取自北京化工大学食堂，其中蛋白质15.14%，可溶性糖33.38%，粗脂肪25.24%，粗纤维7.58%（质量百分比）；

小麦秸秆：取自北京市郊区农田；

2、沼气接种物驯化

初期驯化（7天）：向污水中添加葡萄糖至浓度为1g/L，反应器运行周期为24h，时间分配为曝气7h，静沉3h，闲置14h。每次闲置后用初始的污水替换1/3体积的上清液，溶解氧浓度维持在2-3mg/L；

中期驯化（5天）：向初期驯化后的污水中添加葡萄糖至浓度为1g/L，同时添加占初期驯化后的污水质量10%的餐厨垃圾，反应器运行周期为24h，时间分配为曝气7h，静沉3h，闲置14h；

后期驯化（18天）：向中期驯化后的污水中添加葡萄糖至浓度为1g/L，同时添加占中期驯化后的污水质量15%的餐厨垃圾以及占中期驯化后的污水质量20%的干燥小麦秸秆，反应器运行周期为24h，时间分配为曝气7h，静沉3h，闲置14h。

经过检测，驯化后的污泥具有较高的产气率和COD去除率，表明污泥已适应厌氧发酵生产甲烷的特性，污泥驯化完成。

3、沼气发酵

对餐厨垃圾和秸秆进行预处理：先将餐厨垃圾中的硬骨头、筷子和卫生纸等拣出来以免破坏粉碎机，然后简单脱水后破碎到粒径为5mm左右（含水率为79.39%，TS为20.61%）；将秸秆先后经过榨汁、晒干、粉碎等处理后粒径达到0.3mm左右。

取驯化后的污水分装在10个1L的广口瓶中，每个广口瓶分装量以驯化后沼气接种物与干燥的秸秆的体积质量比为650mL:1g计算，使之处于厌氧环境中，然后量取不同配比的餐厨垃圾和小麦秸秆，混合均匀，通过补料口加入10个广口瓶中，迅速密封补料口，在35℃下恒温水浴发酵按每天3次、每次5分钟的频率搅拌，反应发酵时间持续7天，结果见表3。

表3沼气发酵试验结果

注：配比中餐厨垃圾以总固体含量（TS）计，小麦秸秆以干重计（即干燥后高粱秸秆重量）

由表3可知，在本发明的合理配比内（编号5-9），沼气产量、甲烷的平均浓度及其累积产量均得到提高，其中以5:1的配比（编号7）为最优，而使用单一物料发酵或超出本发明配比范围的沼气产量甲烷的平均浓度及其累积产量均不高。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种沼气发酵的方法，其特征在于，将沼气接种物驯化后和餐厨垃圾、干燥的秸秆混合进行厌氧发酵，所述餐厨垃圾以总固体含量计和干燥的秸秆的质量比为1.5-7:1。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述餐厨垃圾以总固体含量计和干燥的秸秆的质量比为4-6:1。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述餐厨垃圾以总固体含量计和干燥的秸秆的质量比为5:1。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述餐厨垃圾以质量百分比计包含12-18%蛋白质、30-35%可溶性糖、22-28%粗脂肪、5-10%粗纤维。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述餐厨垃圾以质量百分比计包含15.14%蛋白质、33.38%可溶性糖、25.24%粗脂肪、7.58%粗纤维。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述沼气接种物为污水处理厂的污泥。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述驯化具体为：

步骤1、向沼气接种物中添加葡萄糖至浓度为1g/L，然后维持溶解氧的浓度在2-3mg/L进行7天的初期驯化，初期驯化期间每天曝气7h，静沉3h，闲置14h，每次闲置后用沼气接种物替换1/3体积的上清液；

步骤2、向初期驯化后的沼气接种物中添加葡萄糖至浓度为1g/L，同时添加占初期驯化后的沼气接种物质量10%的餐厨垃圾，然后进行5天的中期驯化，中期驯化期间每天曝气7h，静沉3h，闲置14h，所述餐厨垃圾与权利要求1所述一致；

步骤3、向中期驯化后的沼气接种物中添加葡萄糖至浓度为1g/L，同时添加占中期驯化后的沼气接种物质量15%的餐厨垃圾以及占中期驯化后的沼气接种物质量20%的干燥秸秆，然后进行18天的后期驯化，后期驯化期间每天曝气7h，静沉3h，闲置14h，后期驯化完成后即得驯化后的沼气接种物，所述餐厨垃圾、干燥秸秆与权利要求1所述一致。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述秸秆为高粱秸秆或玉米秸秆。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述进行厌氧发酵具体为：

在35-55℃、厌氧条件下发酵，发酵期间以每天3次、每次5分钟的频率搅拌发酵物。

10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述驯化后沼气接种物与干燥的秸秆的体积质量比为550-650mL:1g。