CN107475303A - 一种安全环保沼气的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种安全环保沼气的制备方法，其特征在于，包括以下方面：（1）原料预发酵，将原料加入其质量20‑30倍的水，并加入混合菌剂进行有氧和厌氧发酵；（2）沼气池发酵，分别采用28‑32℃、43‑47℃、55‑60℃三个发酵温度进行沼气池发酵工艺；（3）过滤，使用盐酸溶液和硫酸铜溶液对沼气进行初步净化；（4）氧化净化，在U型管中分别使用干燥过滤剂和氧化过滤剂对沼气进行过滤，制得净化沼气。本发明方法所制得沼气，具有产气量高、产气速度快、安全环保，并且沼气单位体积燃烧产生的热量高。

Description

一种安全环保沼气的制备方法
技术领域
本发明属于沼气发酵技术领域，具体涉及一种安全环保沼气的制备方法。
背景技术
沼气，为将各种有机质成分在隔绝空气条件下，在适宜的pH值、温度条件下经微生物发酵产生的可然性气体，其主要成分为甲烷，燃烧后产生水和二氧化碳；沼气属于二次能源，具有可再生、清洁、环保，并且能够降低环境中有机物的污染问题。沼气的发酵过程包括水解阶段、产酸阶段、产甲烷阶段，其中水解阶段为将有机质中不溶水成分淀粉、纤维素、果胶质等，在细胞分泌胞外酶的作用下水解成可溶糖、肽、氨基酸等物质，而产酸阶段为产乙酸菌利用分解氨基酸、肽等成分形成乙酸，产甲烷阶段为产甲烷菌利用乙酸及乙酸化合物转化为甲烷。但是，虽然沼气具有较好清洁环保性，但是其加工和利用过程中仍然存在问题，使用秸秆、牛粪、猪粪等作为发酵原料，其中含有大量未分解的纤维素成分，直接投入沼气池中发酵，纤维素成分降解速度慢、沼气产生量少、产气量不稳定，导致沼气无法满足使用需求；经过沼气池发酵所制的沼气，其成分中主要以甲烷为主，同时含有硫化氢、一氧化碳、氨气等气体成分，具有一定毒性、使用安全性存在问题，并且燃烧后产物具有污染。
发明内容
本发明针对现有的问题：沼气发酵方面，以秸秆、牛粪、猪粪等为沼气发酵原料，其中含有大量的未降解纤维素成分，直接投入沼气池中发酵，纤维素成分降解速度慢、沼气产生量少、产气量不稳定，导致沼气无法满足使用需求。安全环保方面，沼气成分中主要以甲烷为主，同时硫化氢、一氧化碳、氨气等气体成分，具有一定毒性、使用安全性存在问题，并且燃烧后产物具有污染。为解决上述问题，本发明提供了一种安全环保沼气的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种安全环保沼气的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料预发酵：将原料烘干至水分含量20%-30%，加入其质量4%-5%的混合菌剂，混合均匀进行发酵工艺，制得发酵原料；可对有机成分中纤维素、蛋白质及糖类进行降解，形成小分子肽、氨基酸及单糖等成分，经初步发酵后投入沼气池中沼气产气速度快、产气量高、制气时间短；
（2）沼气池发酵：将发酵原料按照其质量21-26倍加入水，混合后灌注至沼气池中，经沼气池发酵，先在28-32℃温度、125-140kPa压强条件下发酵20-24h，再在43-47℃温度、140-150kPa压强条件下发酵22-26h，然后在55-60℃温度、90-110kPa压强条件下发酵32-36h，循环进行沼气池发酵工艺，制得沼气；分别促进沼气池发酵中分解作用、产酸菌和产甲烷菌繁殖，通过循环发酵阶段控制，为沼气制作提供持续的成分供应，避免了相同条件下发酵细菌、产酸菌和产甲烷菌相互之间的拮抗和制约作用；
（3）过滤：向盐酸溶液中加入其质量2%-3%的圆褐固氮菌，可对盐酸溶液吸收的氨气成分进行生物固氮，防止分解后再次造成污染，搅拌混合后将沼气管道通入盐酸溶液中，盐酸溶液可对沼气中氨气、甲醇等成分进行吸收，降低沼气中氨气和甲醇的含量，通入流量为0.2-0.25L/s，然后再将沼气通入硫酸铜溶液中流量为0.2-0.3L/s，硫酸铜可与沼气中硫化氢反应，生成硫化铜沉淀，去除沼气中硫化氢成分，制得初净化沼气；
（4）氧化净化：将初净化沼气通入“U”过滤管，进行干燥和氧化过滤，其中干燥过滤剂位于“U”管左侧，沼气通入流量为0.1-0.2L/s，可将沼气中的水分、颗粒物等杂质吸收，其中氧化过滤剂位于“U”型管右侧，加热温度为47-52℃，沼气中含有的一氧化碳与氧化铝、氧化亚铁发生氧化还原反应，从而达到除去沼气中一氧化碳，提高沼气使用的安全性，经过滤后制得净化沼气。
步骤（1）所述的原料为谷类秸秆、牛粪、猪粪、羊粪中的一种或几种混合物。
步骤（1）所述的混合菌剂，其中绿色木霉菌：酵母菌：米曲霉菌：枯草杆菌质量配比为2-3:3-4:2:1。
步骤（1）所述的发酵工艺，其方法为：
先置于30-34℃温度下进行有氧发酵2-3天，然后在25-28℃温度下进行厌氧发酵4-5天。
步骤（3）所述的盐酸溶液，其质量浓度为1%-2%，其容器包括进气管、出气口、容器瓶体，盐酸溶液加入量为容器瓶体体积的2/3，其中进气管通至容器瓶体底部，出气口位于瓶盖上部。
步骤（4）所述的干燥过滤剂，其各配制成分质量计份为：
生石灰粉23-27份、氯化钙17-19份、硅胶颗粒7-9份、木炭粉11-14份。
步骤（4）所述的氧化过滤剂，其配制方法为：
按照质量计份称取氧化铝23-26份、氧化亚铁12-15份、炭黑粉6-8份、无水硫酸铜3-5份，将各原料均匀混合后在0.3-0.4MPa压强下压制成直径为0.3-0.4cm的颗粒，制得氧化过滤剂。
本发明相比现有技术具有以下优点：原料预发酵，将沼气发酵原料秸秆、牛粪、猪粪等接种混合菌剂，混合菌剂中绿色木霉菌、酵母菌、米曲霉菌和枯草杆菌经有氧和无氧发酵，可对有机成分中纤维素、蛋白质及糖类进行降解，形成小分子肽、氨基酸及单糖等成分，经初步发酵后投入沼气池中沼气产气速度快、产气量高、制气时间短。沼气发酵方法，分别采用28-32℃、43-47℃、55-60℃三个发酵温度阶段，可分别促进沼气池发酵中分解作用、产酸菌和产甲烷菌繁殖，通过循环发酵阶段控制，为沼气制作提供持续的成分供应，避免了相同条件下发酵细菌、产酸菌和产甲烷菌相互之间的拮抗和制约作用，从而限制了沼气制气效率。过滤方法，将沼气通入盐酸溶液，沼气中的氨气成分可与盐酸反应，降低沼气中氨气含量，而成分中含有的甲醇等水溶性有机物，可被盐酸溶液中水分冷却、吸收；然后，将沼气通入硫酸铜溶液，沼气中含有的硫化氢可与硫酸铜反应产生硫化铜沉淀，起到除去硫化氢作用。氧化净化方法，将初净化的沼气通入U型管，经过U管左侧干燥过滤剂时可将沼气中的水分、颗粒物等杂质吸收，而通过U型管右侧氧化过滤剂时在加热条件下，沼气中含有的一氧化碳与氧化铝、氧化亚铁发生氧化还原反应，从而达到除去沼气中一氧化碳，提高沼气使用的安全性。
具体实施方式
实施例1：
一种安全环保沼气的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料预发酵：将原料烘干至水分含量23%，加入其质量4.2%的混合菌剂，混合均匀进行发酵工艺，制得发酵原料；可对有机成分中纤维素、蛋白质及糖类进行降解，形成小分子肽、氨基酸及单糖等成分，经初步发酵后原料投入沼气池中可沼气产气速度快、产气量高、制气时间短；
（2）沼气池发酵：将发酵原料按照其质量23倍加入水，混合后灌注至沼气池中，经沼气池发酵，先在29℃温度、129kPa压强条件下发酵21h，再在44℃温度、143kPa压强条件下发酵23h，然后在57℃温度、95kPa压强条件下发酵33h，循环进行沼气池发酵工艺，制得沼气；分别促进沼气池发酵中分解作用、产酸菌和产甲烷菌繁殖，通过循环发酵阶段控制，为沼气制作提供持续的成分供应，避免了相同条件下发酵细菌、产酸菌和产甲烷菌相互之间的拮抗和制约作用；
（3）过滤：向盐酸溶液中加入其质量2.3%的圆褐固氮菌，可对盐酸溶液吸收的氨气成分进行生物固氮，防止分解后再次造成污染，搅拌混合后将沼气管道通入盐酸溶液中，盐酸溶液与可对沼气中氨气、甲醇等成分进行吸收，降低沼气中氨气和甲醇的含量，通入流量为0.22L/s，然后再将沼气通入硫酸铜溶液中流量为0.24L/s，硫酸铜可与沼气中硫化氢反应，生成硫化铜沉淀，去除沼气中硫化氢成分，制得初净化沼气；
（4）氧化净化：将初净化沼气通入“U”过滤管，进行干燥和氧化过滤，其中干燥过滤剂位于“U”管左侧，沼气通入流量为0.15L/s，可将沼气中的水分、颗粒物等杂质吸收，其中氧化过滤剂位于“U”型管右侧，加热温度为49℃，沼气中含有的一氧化碳与氧化铝、氧化亚铁发生氧化还原反应，从而达到除去沼气中一氧化碳，提高沼气使用的安全性，经过滤后制得净化沼气。
步骤（1）所述的原料为谷类秸秆、牛粪、猪粪、羊粪中的一种或几种混合物。
步骤（1）所述的混合菌剂，其中绿色木霉菌：酵母菌：米曲霉菌：枯草杆菌质量配比为2:3:2:1。
步骤（1）所述的发酵工艺，其方法为：
先置于32℃温度下进行有氧发酵2天，然后在26℃温度下进行厌氧发酵4天。
步骤（3）所述的盐酸溶液，其质量浓度为1.2%，其容器包括进气管、出气口、容器瓶体，盐酸溶液加入量为容器瓶体体积的2/3，其中进气管通至容器瓶体底部，出气口位于瓶盖上部。
步骤（4）所述的干燥过滤剂，其各配制成分质量计份为：
生石灰粉24份、氯化钙17.5份、硅胶颗粒7.4份、木炭粉12份。
步骤（4）所述的氧化过滤剂，其配制方法为：
按照质量计份称取氧化铝24份、氧化亚铁13份、炭黑粉6.5份、无水硫酸铜3.6份，将各原料均匀混合后在0.32MPa压强下压制成直径为0.3-0.4cm的颗粒，制得氧化过滤剂。
实施例2：
一种安全环保沼气的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料预发酵：将原料烘干至水分含量27%，加入其质量4.8%的混合菌剂，混合均匀进行发酵工艺，制得发酵原料；
（2）沼气池发酵：将发酵原料按照其质量25倍加入水，混合后灌注至沼气池中，经沼气池发酵，先在31℃温度、132kPa压强条件下发酵23h，再在46℃温度、147kPa压强条件下发酵25h，然后在58℃温度、104kPa压强条件下发酵35h，循环进行沼气池发酵工艺，制得沼气；
（3）过滤：向盐酸溶液中加入其质量2.7%的圆褐固氮菌，搅拌混合后将沼气管道通入盐酸溶液中，通入流量为0.24L/s，然后再将沼气通入硫酸铜溶液中流量为0.29L/s，制得初净化沼气；
（4）氧化净化：将初净化沼气通入“U”过滤管，进行干燥和氧化过滤，其中干燥过滤剂位于“U”管左侧，沼气通入流量为0.18L/s，其中氧化过滤剂位于“U”型管右侧，加热温度为51℃，经过滤后制得净化沼气。
步骤（1）所述的原料为谷类秸秆、牛粪、猪粪、羊粪中的一种或几种混合物。
步骤（1）所述的混合菌剂，其中绿色木霉菌：酵母菌：米曲霉菌：枯草杆菌质量配比为3:4:2:1。
步骤（1）所述的发酵工艺，其方法为：
先置于30-34℃温度下进行有氧发酵3天，然后在27℃温度下进行厌氧发酵5天。
步骤（3）所述的盐酸溶液，其质量浓度为1.7%，其容器包括进气管、出气口、容器瓶体，盐酸溶液加入量为容器瓶体体积的2/3，其中进气管通至容器瓶体底部，出气口位于瓶盖上部。
步骤（4）所述的干燥过滤剂，其各配制成分质量计份为：
生石灰粉26份、氯化钙18.6份、硅胶颗粒8.4份、木炭粉13份。
步骤（4）所述的氧化过滤剂，其配制方法为：
按照质量计份称取氧化铝25份、氧化亚铁14份、炭黑粉7.2份、无水硫酸铜4.6份，将各原料均匀混合后在0.37MPa压强下压制成直径为0.3-0.4cm的颗粒，制得氧化过滤剂。
对比1：
本对比1与实施例1比较，未进行步骤（1）原料预发酵，其他步骤与实施例1相同。
对比2：
本对比2与实施例1比较，未进行步骤（2）中三个阶段发酵工艺，其他步骤与实施例1相同。
对比3：
本对比3与实施例2比较，未进行步骤（3）中石灰水和硫酸铜的使用，其他步骤与实施例2相同。
对比4：
本对比4与实施例2比较，未进行步骤（4）中干燥过滤剂使用，其他步骤与实施例2相同。
对比5：
本对比5与实施例2比较，未进行步骤（4）中氧化过滤剂使用，其他步骤与实施例2相同。
对照组：
对照组将有机原料粉碎后直接加入沼气池中，未使用预发酵、沼气池三个阶段发酵方法、过滤、干燥过滤剂和氧化过滤剂。
对实施例1、实施例2、对比1、对比2、对比3、对比4、对比5及对照组实验方案，统计产气速度、沼气中有害气体含量、燃烧发热量和产气量增加比例。
实验数据：
项目 产气速度m3/d 有害气体含量% 燃烧发热量kJ 产气量增加比例%
实施例1 5.7 0.21% 28.7×103 12.73%
实施例2 5.4 0.19% 28.5×103 12.48%
对比1 5.1 0.20% 28.4×103 7.30%
对比2 4.6 0.22% 28.6×103 6.48%
对比3 5.3 2.27% 26.4×103 12.31%
对比4 5.5 0.51% 24.9×103 12.45%
对比5 5.2 1.66% 27.1×103 12.39%
对照组 4.1 4.15% 21.3×103 0
综合结果：本发明方法所制得沼气，具有产气量高、产气速度快、安全环保，并且沼气单位体积燃烧产生的热量高。使用预发酵和沼气池发酵工艺，产气速度提高0.6m3/d、1.1m3/d，产气量增加比例提高5.43%、6.25%；而使用过滤、干燥过滤剂和氧化过滤剂，可降低有害气体含量分别为2.08%、0.32%、1.47%，燃烧发热量分别提高2.1×103kJ、3.6×103kJ、1.4×103kJ。

Claims (7)

1.一种安全环保沼气的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）原料预发酵：将原料烘干至水分含量20%-30%，加入其质量4%-5%的混合菌剂，混合均匀进行发酵工艺，制得发酵原料；
（2）沼气池发酵：将发酵原料按照其质量21-26倍加入水，混合后灌注至沼气池中，经沼气池发酵，先在28-32℃温度、125-140kPa压强条件下发酵20-24h，再在43-47℃温度、140-150kPa压强条件下发酵22-26h，然后在55-60℃温度、90-110kPa压强条件下发酵32-36h，循环进行沼气池发酵工艺，制得沼气；
（3）过滤：向盐酸溶液中加入其质量2%-3%的圆褐固氮菌，搅拌混合后将沼气管道通入盐酸溶液中，通入流量为0.2-0.25L/s，然后再将沼气通入硫酸铜溶液中流量为0.2-0.3L/s，制得初净化沼气；
（4）氧化净化：将初净化沼气通入“U”过滤管，进行干燥和氧化过滤，其中干燥过滤剂位于“U”管左侧，沼气通入流量为0.1-0.2L/s，其中氧化过滤剂位于“U”型管右侧，加热温度为47-52℃，经过滤后制得净化沼气。
2.如权利要求1所述安全环保沼气的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的原料为谷类秸秆、牛粪、猪粪、羊粪中的一种或几种混合物。
3.如权利要求1所述安全环保沼气的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的混合菌剂，其中绿色木霉菌：酵母菌：米曲霉菌：枯草杆菌质量配比为2-3:3-4:2:1。
4.如权利要求1所述安全环保沼气的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的发酵工艺，其方法为：
先置于30-34℃温度下进行有氧发酵2-3天，然后在25-28℃温度下进行厌氧发酵4-5天。
5.如权利要求1所述安全环保沼气的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的盐酸溶液，其质量浓度为1%-2%，其容器包括进气管、出气口、容器瓶体，盐酸溶液加入量为容器瓶体体积的2/3，其中进气管通至容器瓶体底部，出气口位于瓶盖上部。
6.如权利要求1所述安全环保沼气的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述的干燥过滤剂，其各配制成分质量计份为：
生石灰粉23-27份、氯化钙17-19份、硅胶颗粒7-9份、木炭粉11-14份。
7.如权利要求1所述安全环保沼气的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述的氧化过滤剂，其配制方法为：
按照质量计份称取氧化铝23-26份、氧化亚铁12-15份、炭黑粉6-8份、无水硫酸铜3-5份，将各原料均匀混合后在0.3-0.4MPa压强下压制成直径为0.3-0.4cm的颗粒，制得氧化过滤剂。
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