CN105753282B - 一种从猪粪渣中提取蛋白胶并制备生物质能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种从猪粪渣中提取蛋白胶并制备生物质能的方法，包括以下步骤：1、培育并富集微生物。将猪粪渣导入收集池，加入含微生物的污泥渣，搅拌导入好氧池，曝气后，得泥水混合物。2、持续水解微生物。加入自制的改性消化酶，辅以微波消解，使微生物持续水解和瞬间破碎，形成水解液。3、变性凝固，提取蛋白胶。通过温度改变、持续搅拌的作用，蛋白质形成不可逆的胶凝结，静置后得蛋白胶。对水解液进行脱水得干粪渣。4、生物质能成型。将干粪渣破碎，与粉末状生物质原料混合，添加所提取的蛋白胶，螺旋输送至烘干***，保持温度、湿度、时间控制后将物料送入成型设备，生产生物质能。既处理了猪粪，回收了优质燃料，提取的蛋白胶质量好，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及从养殖行业的粪渣中提取蛋白胶并制备生物质能的技术，尤其涉及一种从猪粪渣中提取蛋白胶并制备生物质能的方法。
背景技术
畜禽养殖业经多年的快速发展，已成为一个独立的行业，但同时也带来了不容忽视的环境污染问题，全国禽畜粪便年排放量已达18.84亿t，相当于工业废弃物年排放量的3.4倍。 我国规模化猪场80%以上粪污处理工程设施不完善或未正常运行，有的连简单的固液分离机都没有。在采用工程设施处理粪污的猪场设计中，大多数以环保达标为主要目的，兼顾以能源与综合利用为主要目的，如兴建相应的沼气工程，沼气用于集中供气(少数发电)；沼液、沼渣用作农田、菜地、果树和经济作物的肥料以及牛和鱼的饲料添加剂等。只有极少数对粪渣进行处理后排放。但在具体实施和应用过程中，并不能达到设计时的预期效果。
正常情况下，成品猪对蛋白质的需求量为每天70g左右，可以被消化和重吸收；喂食过多的高蛋白饲料时，动物体内不储存蛋白质，导致过多的蛋白质虽摄入而并未完全消化或吸收，多余的蛋白质由粪便排出体外。
豆饼、花生仁饼、鱼粉是最优质的蛋白质饲料含蛋白质30～65%，占养殖行业混合饲料的5～15%。现代养殖大多以饲料喂养为主，饲料被喂食的利用率在80%左右，含有蛋白质的剩余饲料随冲洗水被清理后进入废水池。
众所周知，微生物的实体就是以蛋白质为主。蛋白质是由α-氨基酸通过肽键构成的高分子化合物，蛋白质是由C（碳）、H（氢）、O（氧）、N（氮）组成，一般蛋白质可能还会含有P（磷）、S（硫）、Fe（铁）、Zn（锌）、Cu（铜）、B（硼）、Mn(锰)、I（碘）、Mo（钼）等。
因此养殖场产生的猪尿液、猪舍冲洗水和粪便等，所含污染物如有机质、细菌、病原体等的浓度很高，也含有大量的蛋白质。一般原液COD的含量可达到20000～40000mg/L，氨氮含量可达2000mg/L以上，氨氮浓度随着临时堆放时间的增加而增加。而有机质、氨氮是微生物繁殖的主要营养物。
养殖场产生的猪尿液、猪舍冲洗水和粪便，如治理不及时，不到位，造成污染土壤、地下水，破坏水生态***，甚至影响饮用水源，危及人类健康，同时粪便含有NH3、H2S和胺等有害气体，在未能及时清除或清除后不能及时处理时臭味将成倍增加，也造成了污染。因此应全方位综合考虑畜牧业领域的生产，在提高产量的同时注重对环境的保护，尤其显得非常必要。为了做到经济效益、社会效益和环境效益的三者有机结合，使企业走可持续发展，必须对其粪渣进行有效治理的同时，走资源化利用的循环发展方式。
猪粪渣中的有机物含有的潜在能量很大，其干物质的热值可达15000～20000 KJ/Kg，完全可以用来制备生物质能。用猪粪渣制备生物质能，已有的研究主要采用合成燃料法和直接热化学液化法，并且在加工过程中还需要填加化学粘合剂，成本过高，产品燃烧时污染环境。因此发明一种新的方法利用猪粪渣制备生物质能不仅解决了猪粪渣的处置问题，还可提供优质的生物质能，具有积极的意义。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种从猪粪渣中提取蛋白胶并制备生物质能的方法，以解决上述背景技术中的缺点。
一种从猪粪渣中提取蛋白胶并制备生物质能的方法，其中包含了以下步骤：
1、培育并富集微生物。养殖场产生的猪粪渣是一种有机废弃物，在未处理之前包括猪尿液、猪舍冲洗水及冲洗物、粪便。将猪粪渣经管网，导入收集池，收集池容积为该有机废弃物日处理量的2～5倍。按日处理量的1～10%的比例加入含水率50～80%的富含微生物的城镇污泥渣，进行慢速均匀搅拌2～10h后，导入好氧池，好氧池容积为该有机废弃物日处理量的4～5倍，进行慢速均匀搅拌和间歇曝气，时间为1～4天。达到培育、繁殖和富集微生物的目的。得泥水混合物，富含蛋白质为主要成分的微生物群体。
在搅拌过程中，按逆时针方向搅动，采取泥与水从底部往上扬的方式均匀搅动，搅拌速度为1～5圈/min，曝气方式为每隔2～5h曝气5～10min。
2、持续水解微生物。泥水混合物进入不锈钢材质水解池，按泥水混合物与改性消化酶质量比为1：0.002～0.008的比例加入自制的改性消化酶，辅以微波消解***，在温度控制为25～30℃、pH值6.5～9的条件下，在改性消化酶的作用下，保持5～10min，使蛋白质的结构中的肽键在水解时部分或全部断裂，富含蛋白质的微生物群体持续水解和瞬间破碎，形成水解液。
水解破碎后，微生物体内的细胞水被析出，蛋白质具有胶体的胶凝性质，胶体质点相互联结，形成网状结构，结构空隙中填满液体，溶于水，不生成沉淀。
自制的改性消化酶主要成分为食母生，在水解反应过程中可使微生物的大分子物质变为小分子物质的速度提高100倍以上。改性消化酶配方为：碳酸钙1.5 g，磷酸镁0.5 g，干酵母0.2g，维生素B10.02mg，维生素B20.008mg，含微量铬，总铬含量为8m g /Kg（其中六价铬≤1.28m g /Kg）。
3、变性凝固，提取蛋白胶。将水解液泵入变性池，蛋白质在改性消化酶的作用下，充分水解，溶解在水里形成溶液，上浮在表面，在温度保持35～50℃、按10～30圈/min的速度持续均匀搅拌15～30min的条件作用下，蛋白质会发生性质上的改变而形成不可逆的凝结；在发生凝结的过程中，启动自动刮浆机，从变性池上部三分之一处开始导出上层浆液，进入蛋白胶收集池，静置后，得含水率83～88%的蛋白胶，用桶装密闭。
蛋白质中的组成百分比约为：碳50%、氢7%、氧23%、氮16%、硫0~3%及其他微量，比重较小，蛋白质在改性消化酶的作用下，充分水解，溶解在水里形成溶液，上浮在表面。在温度保持35～50℃、持续均匀搅拌的条件作用下，蛋白质会发生性质上的改变而形成不可逆的胶凝结。这种凝结不能再使它们恢复成原来的蛋白质，蛋白质的这种变化即为变性凝结。蛋白质变性后，就失去了原有的可溶性，也就失去了它们生理上的作用。
粪渣中仍含有3～8%的蛋白胶，对水解液进行脱水至含水率50%，得干粪渣。
4、生物质能成型。将干粪渣进行破碎后，与粉末状生物质原料进行混合搅拌，干粪渣与生物质原料配比按1:1～5比例投加。
先投入粉末状生物质原料，开动搅拌3～5min后，用1号螺旋输送装置匀速输送干粪渣，从搅拌装置底部进入；搅拌转动方向为逆时针方向，搅拌时间为20～40min，使干粪渣由底部进料向上翻扬，形成混合均匀的混合料，并从上部溢出。
混合料从上部溢出的同时，按混合料与蛋白胶质量比为1:0.02～0.05的比例均匀添加步骤3所述的蛋白胶，进入密闭的2号螺旋输送通道，保持温度控制30～35℃，物料经过2号螺旋输送通道的时间为3～10min；输送至带有除湿和搅拌功能的烘干***，保持温度控制65～75℃，湿度控制18～22%，时间为30～120min；当物料水分达到25～32%时，将物料送入挤压成型设备，生产满足客户需要的生物质能产品。
采用底部进料向上翻扬，提高物料混合的均匀度，螺旋输送方式更加保证物料结合力度紧密和均匀、抗碎性能强、破碎率低。
蛋白胶是可溶性强、无毒害的胶粘剂，耐久性、耐水性、粘接性强，成本低廉，使用方便，能快速、高质量地粘接以上配料。
有益效果
本发明通过对养殖行业产生的有机废弃物进行处理，既处理了猪粪，达到环保的目的，又有效地利用猪粪，提供了燃料。
（1）实现了把猪粪渣含水率降到了50%以下，为后续加工成生物质能的资源化处置提供了便利条件；可回收利用，降低了成本。
（2）处理后的猪粪渣发热量较大，是一种加工生物质能的优质原料，整个工艺过程对环境友好。
（3）本发明实现了添加自制改性消化酶的方法，添加量少，持续性强，反应速度快，处理时间短，效率高。
（4）本发明从猪粪渣中提取的蛋白胶，作为一种可溶性强、无毒害的胶粘剂，耐久性、耐水性、粘接强度比其他化工胶好得多，成本低廉，使用方便，能快速、高质量地粘接生物质燃料所需的各种配料。
（5）本发明采用底部进料向上翻扬的方式加工生物质能，提高了物料混合的均匀度，更加保证物料结合力度紧密和均匀，提高了抗碎性能。
（6）本发明可采用常规设备设施，在养殖场内可直接安装使用，操作环境良好，易于掌握操作，能耗低，生产成本低。
（7）本发明所需的设备设施，一次性投资少，占地少，工期短。
本发明适于养殖行业，也适用于生物质燃料加工厂、生物质锅炉使用单位、生物质发电厂等企业使用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
从湖南恒田某农牧公司取样品猪粪渣2000Kg，含水率96.5%；取衡阳县某城镇污水处理厂的城镇污泥渣200 Kg，含水率75%。就地取园林绿化剩余物干树枝500 Kg。
实施例1
准备材料与设施：自制不锈钢桶1#、2#、3#、4#、5#共5套，容积0.86m3，直径1m，高1.1m，配功率375w、220V的搅拌刮泥装置，底部安装加温装置；微孔曝气增氧泵1台，功率150w、220V；MES-57型自动变频温压双控微波消解/萃取仪1台；ME6型微波COD快速测定仪1台；750w真空抽滤机1套；AKRF系列生物质成型燃料制粒机1套；MJ-800 系列锤片式粉碎机1套；HWIR200A小型传送带烘干设备1台；烧杯、量杯、试剂、托盘若干。
取含水率96.5%的猪粪渣样品500Kg放入1#桶，启动搅拌，加入含水率75%的城镇污泥渣20 Kg，匀速搅拌6h，搅拌速度为4圈/min，用微孔曝气增氧泵进行曝气，方式为每隔2h曝气5min。得泥水混合物。
将泥水混合物泵入2#桶，按泥水混合物与改性消化酶质量比为1：0.002的比例，加入自制的改性消化酶1.04 Kg，匀速搅拌，调pH值为7.5，导入MES-57型自动变频温压双控微波消解/萃取仪内，温度控制为28℃，保持6min，形成水解液。
将水解液导入3#桶，保持温度35℃，按15圈/min的速度持续搅拌15min，启动自动刮浆机，导出上层浆液，进入蛋白胶收集池，静置后，得蛋白胶8.5 Kg，测含水率85.5%，蛋白质含量38.9%，用桶装密闭。用真空抽滤机对水解液进行抽滤脱水，得干粪渣40 Kg，测含水率48%，用MJ-800 系列锤片式粉碎机进行粉碎。具体见表1。
表1 猪粪渣处理过程指标一览表
取干树枝120 Kg，用MJ-800 系列锤片式粉碎机进行粉碎后，投入4#桶，搅拌3min；将破碎后的干粪渣40 Kg投入4#桶，混合，持续搅拌30min，升温至35℃，加入蛋白胶6.5 Kg，搅拌10min，用托盘将物料送入HWIR200A小型传送带烘干设备进行烘干，水分含量25%时，将物料投入AKRF系列生物质成型燃料制粒机，挤压成型，烘干，得生物质颗粒燃料145.2Kg。具体指标见表2。
表2 生物质固体成型燃料工业元素分析一览表
说明：以上所讲标准是指湖南鑫恒环境科技有限公司2014年11月02日发布执行的企业标准《生物质固体成型燃料》（QB11/T01 XH001—2014）。
从表1、表2可以看出，采用本方法得到的蛋白胶和干粪渣，实现了把猪粪渣含水率降到了50%以下，加工的产品生物质颗粒燃料，所含水分少，灰分低，发热量高。生物质颗粒燃料的成分结合力度紧密和均匀，提高了抗碎性能，破碎率低。
实施例2
取湖南恒田某农牧公司样品猪粪渣1000Kg，含水率96.5%；取衡阳县某城镇污水处理厂的城镇污泥渣50 Kg，含水率75%。就地取园林绿化剩余物干树枝100 Kg。依实施例1所述程序和方法进行试验，加入自制的改性消化酶2.1Kg；得蛋白胶11.85 Kg，测含水率87.5%，蛋白质含量39.76%，用桶装密闭。用真空抽滤机对水解液进行抽滤脱水，得干粪渣61.7 Kg，测含水率47.5%。具体指标见表3。
表3 猪粪渣处理过程指标一览表
用MJ-800 系列锤片式粉碎机将干树枝100 Kg、干粪渣61.7 Kg分别进行粉碎，搅拌后，加入蛋白胶11.85 Kg，搅拌10min，用托盘将物料送入HWIR200A小型传送带烘干设备进行烘干，水分含量25%时，将物料投入AKRF系列生物质成型燃料制粒机，挤压成型，烘干，得生物质颗粒燃料142.56 Kg。具体指标见表4。
表4 生物质固体成型燃料工业元素分析一览表
说明：以上所讲标准是指湖南鑫恒环境科技有限公司2014年11月02日发布执行的企业标准《生物质固体成型燃料》（QB11/T01 XH001—2014）。
实施例3
从湖南新五丰集团娄底某养殖场取样品猪粪渣200Kg，含水率95.5%；取长沙县某城镇污水处理厂的城镇污泥渣30 Kg，含水率78.5%。干花生壳50 Kg。
按照实施例1所述程序和方法进行试验，加入自制的改性消化酶0.46Kg；得蛋白胶3.5 Kg，测含水率83.5%，蛋白质含量42.6%，用桶装密闭。用真空抽滤机对水解液进行抽滤脱水，得干粪渣27.8 Kg，测含水率48.5%。具体指标见表5。
表5 猪粪渣处理过程指标一览表
用MJ-800 系列锤片式粉碎机将干花生壳50 Kg、干粪渣27.8 Kg分别进行粉碎，搅拌后，加入蛋白胶3.5 Kg，搅拌10min，用托盘将物料送入HWIR200A小型传送带烘干设备进行烘干，水分含量25%时，将物料投入AKRF系列生物质成型燃料制粒机，挤压成型，烘干，得生物质颗粒燃料69.5 Kg。具体指标见表6。
表6 生物质固体成型燃料工业元素分析一览表
说明：以上所讲标准是指湖南鑫恒环境科技有限公司2014年11月02日发布执行的企业标准《生物质固体成型燃料》（QB11/T01 XH001—2014）。
实施例4
在湖南望城某原种猪场规模3万头母猪，平均产猪粪320t/日猪粪废水，平均含水率95.5%。按照实施例1所述程序和方法，连续试验5天，得蛋白胶15605 Kg和干粪渣120330Kg。具体指标见表7、表8、表9、表10、表11。
表7 第一天处理猪粪渣过程指标一览表
表8 第二天处理猪粪渣过程指标一览表
表9 第三天处理猪粪渣过程指标一览表
表10 第四天处理猪粪渣过程指标一览表
表11 第五天处理猪粪渣过程指标一览表
从表7、表8、表9、表10、表11可以看出，采用该方法得到的蛋白胶和干粪渣的质量稳定，改性消化酶的水解效果好，产生的蛋白胶含量高，且干粪渣的脱水效果好。
为便于转运，将蛋白胶进行烘干脱水处理。将以上所得蛋白胶15605 Kg，用托盘送入HWIR200A小型传送带烘干设备进行烘干，水分含量控制在60%时，取出，称重得3.6625t，用桶密封包装。
从以上干粪渣中取22.6t，连同蛋白胶3.6625t，送往河南省新郑市龙王乡王道工业区河南某生物质能有限公司进行生物质能批量试生产。
按照干粪渣与该公司粉末状生物质原料1:3比例配比，用蛋白胶替代该公司工艺所用的化工粘合剂。取粉末状生物质原料67.8t，干粪渣22.6t，加入3.6625 t蛋白胶，按照实施例1的方法进行混合加工，组织生产，得生物质颗粒燃料84.535t，各项指标见表12。
表12 生物质固体成型燃料工业元素分析一览表
从表12可以看出，猪粪渣是一种加工生物质能的优质原料；提取的蛋白胶，替代化工胶，成本低廉，使用方便，能快速、高质量地粘接生物质燃料所需的各种配料，粘合剂添加量少，而破碎率低，提高了抗碎性能；应用本方法批量生产的生物质颗粒燃料，灰分较低，发热量高，质量稳定，生产操作简单，大大降低了生物质颗粒燃料的生产成本。整个工艺过程对环境友好。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种从猪粪渣中提取蛋白胶并制备生物质能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)培育并富集微生物：将养殖场产生的猪粪渣经管网，导入收集池，按日处理量的1～10％的比例加入含水率50～80％的城镇污泥渣，搅拌2～10h后，导入好氧池，搅拌和间歇曝气1～4天，达到培育、繁殖和富集微生物的目的，得泥水混合物；在搅拌过程中，按逆时针方向搅动，采取泥与水从底部往上扬的方式均匀搅动，搅拌速度为1～5圈/min，曝气方式为每隔2～5h曝气5～10min；
(2)持续水解微生物：泥水混合物进入水解池，按泥水混合物与改性消化酶质量比为1：0.002～0.008的比例加入自制的改性消化酶，辅以微波消解***，在25～30℃、pH值6.5～9的条件下，保持5～10min，使蛋白质的肽键部分或全部断裂，微生物群体持续水解和瞬间破碎，形成水解液，微生物体内的细胞水被析出，蛋白质胶体溶于水，不生成沉淀；
(3)变性凝固，提取蛋白胶：将水解液泵入变性池，比重小的蛋白质溶液，上浮在表面，在温度保持35～50℃、按10～30圈/min的速度搅拌15～30min的条件作用下，蛋白质形成不可逆的变性凝结；启动自动刮浆机，从变性池上部三分之一处导出上层浆液，进入蛋白胶收集池，静置后，得含水率83～88％的蛋白胶，用桶装密闭；粪渣中仍含有3～8％的蛋白胶，对水解液进行脱水至含水率50％，得干粪渣；
(4)生物质能成型：将干粪渣进行破碎后，与粉末状生物质原料进行混合搅拌，干粪渣与生物质原料配比按1:1～5比例投加，先投入粉末状生物质原料，开动搅拌3～5min后，用1号螺旋输送装置匀速输送干粪渣，从搅拌装置底部进入；逆时针搅拌为20～40min，使干粪渣由底部进料向上翻扬，形成混合均匀的混合料，并从上部溢出；
混合料从上部溢出的同时，按混合料与蛋白胶质量比为1:0.02～0.05的比例添加步骤3所述的蛋白胶，进入2号螺旋输送通道，保持温度控制30～35℃，物料经过2号螺旋输送通道的时间为3～10min；输送至带有除湿和搅拌功能的烘干***，保持温度控制65～75℃，湿度控制18～22％，时间为30～120min；当物料水分达到25～32％时，将物料送入挤压成型设备，生产满足客户需要的生物质能产品。
2.根据权利要求1所述的一种从猪粪渣中提取蛋白胶并制备生物质能的方法，其特征在于，自制的改性消化酶主要成分为干酵母，改性消化酶的配方为：碳酸钙1.5g，磷酸镁0.5g，干酵母0.2g，维生素B10.02mg，维生素B20.008mg，含微量铬，总铬含量为8mg/Kg，总铬中六价铬≤1.28mg/Kg。
3.根据权利要求1所述的一种从猪粪渣中提取蛋白胶并制备生物质能的方法，其特征在于，所述步骤(4)中采用底部进料向上翻扬以及螺旋输送的方式进料。
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