CN106929538A - 一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法 - Google Patents

一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，其通过混合、厌氧消化、回流、过滤、分析留样、干燥的步骤，将原料利用回流的方式多次厌氧发酵，本发明以混合秸秆为单一原料，在半连续反应器中，设置不同回流比和有机负荷，考察长期消化过程中两者对甲烷产率和液固相发酵特性的影响;并通过液相中可溶性有机物的变化，分析操作参数发挥作用的机制 从而寻找最优产甲烷及发酵条件，使得秸秆厌氧发酵的秸秆利用率最大化，时沼气工程能更高效的运行。

Description

一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法
技术领域
本发明属于秸秆厌氧发酵方法，具体涉及一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法。
背景技术
农作物秸秆一直是生物质能源中非常有潜力的原料之一而厌氧发酵是在缺少无机电子受体的条件下，经过水解发酵产酸产氢产乙酸阶段，最终产生二氧化碳和甲烷的过程，上述过程被认为是秸秆资源化的最重要途径，由于秸秆本身氮源缺乏，沼气工程中常投加牲畜粪便等原料混合发酵来平衡碳氮比，产生的沼液氨氮等有机污染物浓度高，但由于沼液成分复杂，还田利用还受土地承载能力季节性变化等诸多因素影响，导致沼液不能被充分消纳，需进一步无害化处理，从而制约了秸秆沼气工程的发展，尤其是不同回流比和负荷条件下秸秆产气及发酵特性的研究更少，从而限制了该工艺在工程上的应用，因此需要一种方案来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法。
本发明的技术方案如下: 利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，按照如下步骤：
（1）混合：将原料75%与污泥25%混合搅拌，搅拌完成后倒入反应器；
（2）厌氧消化：一共分为6个阶段，每隔2个小时加入之前的原料；甲烷产率时衡量厌氧消化效率的重要指标，各阶段甲烷产率各有不同，第一阶段的有机负荷为1.5g/（L.d），甲烷产率缓慢，反应器内微生物菌群对单秸秆原料的环境适应性及甲烷菌较长的时代周期都会影响到甲烷效率，从第二阶段开始，反应器进入平稳运行。第五阶段OLR达到4g/（L.d）回流比减少为1:1，甲烷最高产率达到970ml/（L.d）该阶段的平均甲烷产率为768 ml/（L.d）。但当OLR再次增加后，甲烷产率下降至587 ml/（L.d）。单位秸秆产甲烷量的变化受到回流比和OLR的共同影响第二阶段TS甲烷产量达到了194ml/g，但随着OLR逐渐提高到4g/（L.d）产甲烷量反而降到152 ml/g。在同样的OLR条件下，当减少沼液回流比为1:1时甲烷产量达到了最大的202 ml/g负荷继续提高，单位秸秆产甲烷量开始下降；
（3）过滤：在料液吸收到甲烷后，用纱网挤压过滤，气体经过4mol/L NaOH溶液吸收得到甲烷的体积；
（4）分析留样：取出过滤的沼渣，分析秸秆各组分的变化，沼液留样，固渣样品在干燥箱中以60度干燥12h至恒质量，用于测定碳氮比及各组分比例固体总有机碳使用总有机碳分析仪测定，凯氏氮通过凯氏分析仪测定纤维素半纤维素和木质素的比例根据范氏洗涤法原理测定，沼液经过5000r/min离心15min后，用超纯水稀释10倍用于各指标的测定氨氮质量浓度使用纳氏试剂测定样品加入3mol/L磷酸离心后，使用岛津plus型测定，纤维霉素和木聚糖酶活在分光光度计上利用DNS法测定，溶解有机物质量浓度用总有机碳分析仪测定然后稀释样品质量浓度到10mg/L一下，使用三维荧光光谱仪测定三维荧光，参数设定为：激发波长范围200-500nm，发射波长200-600nm，激发和发射狭缝宽度均为4nm，波长扫描间隔均为10nm，为避免出现二级瑞利散射，在出光一侧添加290nm的截止滤片；
（5）干燥：沼渣在通过干燥箱干燥后，进行二氧化碳融氧，二次使用；
（6）回流：将过滤后的沼液按照回流比补充水分之后，返回反应器内。
所述原料选自瘤胃液、厌氧泥、玉米秸、草秸、稻秸、混合秸中的一种或多种。
所述搅拌速度为80r/min。
所述尼龙纱网为100目尼龙纱网。
所述干燥箱温度为60度。
本发明的有益效果：本发明以混合秸秆为单一原料，在半连续反应器中，设置不同回流比和有机负荷，考察长期消化过程中两者对甲烷产率和液固相发酵特性的影响;并通过液相中可溶性有机物的变化，分析操作参数发挥作用的机制从而寻找最优产甲烷及发酵条件，使得秸秆厌氧发酵的秸秆利用率最大化，时沼气工程能更高效的运行。
附图说明
图1为本发明的沼气回流比与运行时间的关系图。
图2为本发明的沼气回流比与有机负荷的关系图。
图3为本发明的挥发性脂肪酸的比例图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1至图2所示，一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，按照如下步骤进行：
（1）混合：将原料75%与污泥25%混合搅拌，搅拌完成后倒入反应器；
（2）厌氧消化：一共分为8个阶段，每隔1个小时加入之前的原料；甲烷产率时衡量厌氧消化效率的重要指标，各阶段甲烷产率各有不同，第一阶段的有机负荷为1.5g/（L.d），甲烷产率缓慢，反应器内微生物菌群对单秸秆原料的环境适应性及甲烷菌较长的时代周期都会影响到甲烷效率，从第二阶段开始，反应器进入平稳运行。第五阶段OLR达到4g/（L.d）回流比减少为1:1，甲烷最高产率达到970ml/（L.d）该阶段的平均甲烷产率为768 ml/（L.d）。但当OLR再次增加后，甲烷产率下降至587 ml/（L.d）。单位秸秆产甲烷量的变化受到回流比和OLR的共同影响第二阶段TS甲烷产量达到了194ml/g，但随着OLR逐渐提高到4g/（L.d）产甲烷量反而降到152 ml/g。在同样的OLR条件下，当减少沼液回流比为1:1时甲烷产量达到了最大的202 ml/g负荷继续提高，单位秸秆产甲烷量开始下降；
（3）过滤：在料液吸收到甲烷后，用纱网挤压过滤；气体经过4mol/L NaOH溶液吸收得到甲烷的体积；
（4）分析留样：取出过滤的沼渣，分析秸秆各组分的变化，沼液留样；固渣样品在干燥箱中以60度干燥12h至恒质量，用于测定碳氮比及各组分比例固体总有机碳使用总有机碳分析仪测定，凯氏氮通过凯氏分析仪测定纤维素半纤维素和木质素的比例根据范氏洗涤法原理测定，沼液经过5000r/min离心15min后，用超纯水稀释10倍用于各指标的测定氨氮质量浓度使用纳氏试剂测定样品加入3mol/L磷酸离心后，使用岛津plus型测定，纤维霉素和木聚糖酶活在分光光度计上利用DNS法测定，溶解有机物质量浓度用总有机碳分析仪测定然后稀释样品质量浓度到10mg/L一下，使用三维荧光光谱仪测定三维荧光，参数设定为：激发波长范围200-500nm，发射波长200-600nm，激发和发射狭缝宽度均为4nm，波长扫描间隔均为10nm，为避免出现二级瑞利散射，在出光一侧添加290nm的截止滤片；
（5）干燥：沼渣在通过干燥箱干燥后，进行二氧化碳融氧，二次使用；
（6）回流：将过滤后的沼液按照回流比补充水分之后，返回反应器内。
所述搅拌速度为60r/min。
所述干燥箱温度为80度
上述发酵方法的甲烷生产周期短，甲烷含量最接近正常标准，生产速度快，燃烧周期短，二氧化碳含量低。
实施例2
如图3所示，一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，按照如下步骤进行：
（1）混合：将原料60%与污泥40%混合搅拌，搅拌完成后倒入反应器；
（2）厌氧消化：一共分为6个阶段，每隔1个小时加入之前的原料；甲烷产率时衡量厌氧消化效率的重要指标，各阶段甲烷产率各有不同，第一阶段的有机负荷为1.5g/（L.d），甲烷产率缓慢，反应器内微生物菌群对单秸秆原料的环境适应性及甲烷菌较长的时代周期都会影响到甲烷效率，从第二阶段开始，反应器进入平稳运行。第五阶段OLR达到4g/（L.d）回流比减少为1:1，甲烷最高产率达到970ml/（L.d）该阶段的平均甲烷产率为768 ml/（L.d）。但当OLR再次增加后，甲烷产率下降至587 ml/（L.d）。单位秸秆产甲烷量的变化受到回流比和OLR的共同影响第二阶段TS甲烷产量达到了194ml/g，但随着OLR逐渐提高到4g/（L.d）产甲烷量反而降到152 ml/g。在同样的OLR条件下，当减少沼液回流比为1:1时甲烷产量达到了最大的202 ml/g负荷继续提高，单位秸秆产甲烷量开始下降；
（3）过滤：在料液吸收到甲烷后，用纱网挤压过滤；
（4）分析留样：取出过滤的沼渣，分析秸秆各组分的变化，沼液留样；
（5）干燥：沼渣在通过干燥箱干燥后，进行二氧化碳融氧，二次使用；
（6）回流：将过滤后的沼液按照回流比补充水分之后，返回反应器内。
有机负荷浓度的变化与回流比制衡，过高的有机负荷质量浓度不仅反应产酸的产甲烷的失衡，而且还会抑制厌氧消化的过程。
实施例3
一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，按照如下步骤进行：
（1）混合：将原料65%与污泥35%混合搅拌，搅拌完成后倒入反应器；
（2）厌氧消化：一共分为6个阶段，每隔1个小时加入之前的原料；
（3）过滤：在料液吸收到甲烷后，用纱网挤压过滤；
（4）分析留样：取出过滤的沼渣，分析秸秆各组分的变化，沼液留样；
（5）干燥：沼渣在通过干燥箱干燥后，进行二氧化碳融氧，二次使用；
（6）回流：将过滤后的沼液按照回流比补充水分之后，返回反应器内。
所述搅拌速度为70r/min。
所述干燥箱温度为60度
上述发酵方法的甲烷生产周期短，生产速度快，燃烧周期短，二氧化碳含量低。
实施例4
一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，按照如下步骤进行：
（1）混合：将原料85%与污泥15%混合搅拌，搅拌完成后倒入反应器；
（2）厌氧消化：一共分为4个阶段，每隔1个小时加入之前的原料；
（3）过滤：在料液吸收到甲烷后，用纱网挤压过滤；
（4）分析留样：取出过滤的沼渣，分析秸秆各组分的变化，沼液留样；
（5）干燥：沼渣在通过干燥箱干燥后，进行二氧化碳融氧，二次使用；
（6）回流：将过滤后的沼液按照回流比补充水分之后，返回反应器内。
所述搅拌速度为100r/min。
所述干燥箱温度为60度
上述发酵方法的甲烷生产周期长，生产速度慢，燃烧周期长，二氧化碳含量高，甲烷占比较多。

Claims (9)

1.一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，其特征在于，按照如下步骤进行：（1）混合：将原料75%与污泥25%混合搅拌，搅拌完成后倒入反应器；（2）厌氧消化：一共分为6个阶段，每隔2个小时加入之前的原料；甲烷产率时衡量厌氧消化效率的重要指标，各阶段甲烷产率各有不同，第一阶段的有机负荷为1.5g/（L.d），甲烷产率缓慢，反应器内微生物菌群对单秸秆原料的环境适应性及甲烷菌较长的时代周期都会影响到甲烷效率，从第二阶段开始，反应器进入平稳运行。
2.第五阶段OLR达到4g/（L.d）回流比减少为1:1，甲烷最高产率达到970ml/（L.d）该阶段的平均甲烷产率为768 ml/（L.d）。
3.但当OLR再次增加后，甲烷产率下降至587 ml/（L.d）。
4.单位秸秆产甲烷量的变化受到回流比和OLR的共同影响第二阶段TS甲烷产量达到了194ml/g，但随着OLR逐渐提高到4g/（L.d）产甲烷量反而降到152 ml/g。
5.在同样的OLR条件下，当减少沼液回流比为1:1时甲烷产量达到了最大的202 ml/g负荷继续提高，单位秸秆产甲烷量开始下降；（3）过滤：在料液吸收到甲烷后，用纱网挤压过滤；气体经过4mol/L NaOH溶液吸收得到甲烷的体积；（4）分析留样：取出过滤的沼渣，分析秸秆各组分的变化，沼液留样；固渣样品在干燥箱中以60度干燥12h至恒质量，用于测定碳氮比及各组分比例固体总有机碳使用总有机碳分析仪测定，凯氏氮通过凯氏分析仪测定纤维素半纤维素和木质素的比例根据范氏洗涤法原理测定，沼液经过5000r/min离心15min后，用超纯水稀释10倍用于各指标的测定氨氮质量浓度使用纳氏试剂测定样品加入3mol/L磷酸离心后，使用岛津plus型测定，纤维霉素和木聚糖酶活在分光光度计上利用DNS法测定，溶解有机物质量浓度用总有机碳分析仪测定然后稀释样品质量浓度到10mg/L一下，使用三维荧光光谱仪测定三维荧光，参数设定为：激发波长范围200-500nm，发射波长200-600nm，激发和发射狭缝宽度均为4nm，波长扫描间隔均为10nm，为避免出现二级瑞利散射，在出光一侧添加290nm的截止滤片；（5）干燥：沼渣在通过干燥箱干燥后，进行二氧化碳融氧，二次使用；（6）回流：将过滤后的沼液按照回流比补充水分之后，返回反应器内。
6.根据权利要求1所述一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，其特征在于，所述原料选自瘤胃液、厌氧泥、玉米秸、草秸、稻秸、混合秸中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，其特征在于，所述搅拌速度为80r/min。
8.根据权利要求1所述一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，其特征在于，所述尼龙纱网为100目尼龙纱网。
9.根据权利要求1所述一种利用沼液回流和有机负荷的秸秆厌氧发酵方法，其特征在于，所述干燥箱温度为60度。
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