CN107723332A - 一种压缩秸秆厌氧干发酵产沼气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压缩秸秆厌氧干发酵产沼气的方法，该方法通过选择适合的菌剂、添加剂和工艺步骤，实现了对压缩秸秆的厌氧干发酵产沼气的目的。本发明具有可单批次处理大量秸秆、原料产气率和容积产气率高的优点；本发明的工艺可控，后处理工艺简单，具有经济性和环保性，适合推广应用。

Description

一种压缩秸秆厌氧干发酵产沼气的方法

技术领域

本发明属于沼气技术领域，具体涉及一种压缩秸秆厌氧干发酵产沼气的方法。

背景技术

目前，纯秸秆的发酵产沼气是沼气生产和秸秆处理等技术领域的重要研发方向，以期获得更好的秸秆处理效果，实现秸秆利用的经济化和绿色化。

授权公告号为CN 104561112 B的中国专利在这方面进行了有益的尝试，其通过对物料的处理和沼气生产参数的调节，获得了一种较好的利用纯秸秆产沼气的方法。

授权公告号为CN 101591677 B的中国专利利用喷淋方法，解决了需对秸秆先进行堆沤的弊端，实现了较好的纯秸秆的发酵产气效果。

不过，上述报道的缺点在于其对于秸秆的处理量较少，无法提供令人满意的单批次处理量，而且在产气率方面也还不尽人意。

目前对于的纯秸秆的发酵产沼气的研究还相对较少，对于其适宜的发酵菌剂及发酵工艺的选择的报道更少。因此，本领域亟需一种可利用秸秆为原料、产气率高且工艺可控的产沼气方法。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压缩秸秆厌氧干发酵产沼气的方法，该方法包括如下步骤：

(1)用沼液或池塘水稀释菌剂作为干发酵的菌液，存放于干发酵装置下部的菌液池中；

(2)将密度为200～300kg/m³的压缩秸秆捆紧密堆放在干发酵装置中；

(3)将添加剂溶解在少量清水中，均匀地喷洒在秸秆顶部；

(4)密封干发酵装置，从秸秆顶部喷淋饱和石灰水，进行3～5天的自然堆沤发酵；

(5)然后每天从秸秆顶部喷淋菌液，每天1次，每次0.5～1h，持续10～15天；菌液从干发酵装置的下部流回菌液池；

(6)步骤(5)之后，每天关闭菌液池与干发酵池之间的阀门，从秸秆顶部喷淋菌液，利用菌液浸泡1/2体积的秸秆，浸泡时间为2～6小时；然后打开阀门，将菌液放回菌液池中，持续10～15天；

(7)步骤(6)之后，每天关闭菌液池与干发酵池之间的阀门，从秸秆顶部喷淋菌液，菌液完全浸泡干发酵装置中的秸秆捆；浸泡2～6小时后打阀门，将菌液排入菌液池中，持续10～15天；

(8)步骤(7)之后，关闭菌液池与干发酵池之间的阀门，从秸秆顶部喷菌液，菌液完全浸泡秸秆捆至发酵结束；

所述菌剂，按微生物培养液体积份数计，由如下微生物培养液组成：

厚壁菌15～20份、拟杆菌15～20份、螺旋体菌3～5份、热袍菌4～6份、变形菌3～5份、互养菌3～5份、纤维杆菌3～5份、广古菌35～40份；

所述添加剂为三聚氰胺、过磷酸钙、硫酸亚铁、七水硫酸锌、六水氯化钴和六水氯化镍的混合物。

步骤(3)中，所述添加剂的添加量为秸秆重量的1～5％，优选为2％。

步骤(1)中，进行所述菌剂稀释时，按重量体积比计，菌剂用量为10％。

步骤(4)中，饱和石灰水的用量为秸秆重量的3～5％。

步骤(5)中，每天将喷淋后回流的菌液的pH调至7.0～7.5。

优选的，步骤(6)和/或步骤(7)中，所述浸泡的时间为4小时。

优选的，所述添加剂中，三聚氰胺、过磷酸钙、硫酸亚铁、七水硫酸锌、六水氯化钴和六水氯化镍的重量比为1466:738:125:6:1:1。

所述厚壁菌为居瘤胃解蛋白质菌Proteiniclasticum ruminis DSM24773、棕榈酸互营单胞菌Syntrophomonas palmitatica DSM18709^T和大岛粪热杆菌Caldicoprobacteroshimai DSM21659^T；和/或，

所述拟杆菌为巨济嗜纤维素菌Cellulophaga geojensis CCUG 60801^T和糖酵解蛋白杆菌Proteiniphilum saccharofermentans DSM 28694^T；和/或，

所述螺旋体为栖温泉螺旋体Treponemaprimitia DSM 13862；和或，所述热袍菌为突尼斯废水袍菌Defluviitoga tunisiensis DSM 23805^T；和/或，

所述变形菌为产气肠杆菌Enterobacter aerogenes DSM 30053；和/或，

所述互养菌为哥伦比亚氨基酸杆菌Aminobacterium colombiense DSM 12261；

和/或，所述纤维杆菌为产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenesATCC19169；

和/或，

所述广古菌包括马氏甲烷球菌Methanosarcina mazei DSM2053^T、氢营养型甲烷袋状菌Methanoculleus hydrogenitrophicus JCM 16311^T和古生甲烷微球菌Methanomicrobium antiquum DSM 21220^T。

优选的，所述居瘤胃解蛋白质菌的培养液体积份数为5～10份，棕榈酸互营单胞菌的培养液体积份数为3～5份，大岛粪热杆菌的培养液体积份数为5～10份，上述三种微生物培养液体积份数之和为15～20份；

所述巨济嗜纤维素菌的培养液体积份数为7～12份，所述糖酵解蛋白杆菌的培养液体积份数为7～12份，上述两种微生物培养液体积份数之和为15～20份；

所述马氏甲烷球菌的培养液体积份数为28份，所述氢营养型甲烷袋状菌的培养液体积份数为5份，所述古生甲烷微球菌的培养液体积份数为2份。

所述微生物培养液中细胞含量不低于1.0×10⁸个/ml。

经过大量的实验摸索，发明人对本发明所产生的效果进行了总结：

本发明对于秸秆的处理量大：利用本发明方法可以处理压缩秸秆产沼气。相比于常规打捆秸秆(100kg/m³)及人为堆积散草(40kg/m³)，本发明的压缩秸秆的密度比其分别高了2～3倍和5～7倍，在同等发酵库容情况下，本发明秸秆处理量可对应提高2～3倍和5～7倍，容积产气量也可提高相应倍数。

纯秸秆碳氮比过高，氮源不足，往往需要与畜禽粪便等高氮含量物料混合发酵，因此纯秸秆发酵有较大的现实意义。本发明采用纯秸秆为原料，并通过产气工艺的控制、添加剂和菌剂的选择，实现了优秀的产气效果。

发明人发现，压缩秸秆干发酵过程中传质困难，会出现不同程度的水解不均匀现象，导致秸秆内部pH值差异较大，不利于对pH值较敏感的产甲烷菌的生长代谢，产气效果很差。

经过不断的摸索实验，发明人发现，当把本发明所制备的菌液按本发明所述的方法进行处理时，可为产甲烷菌的生长繁殖提供良好的环境，并形成优势菌群。在发酵期间，按照本发明所述的方法，每天利用菌液循环喷淋可将秸秆内部分水解产物淋洗至菌液，在菌液中优势菌群产甲烷菌利用淋洗下的水解产物代谢产生甲烷，如此往复形成一个良好的产甲烷生态循环。

另外，发明人还发现，在发酵初期，由于处理负荷高，水解原料充足，产甲烷阶段是整个产甲烷过程的限制阶段，水解产酸速率快于产甲烷速率，如发酵初期就采用浸泡发酵或部分浸泡发酵，会导致水解中间产物(VFAs)大量积累，从而致使pH值持续下降，发酵失败。而干发酵由于含水量少，流动性差，物质传质存在较大障碍，因此其水解产酸较慢，适合于压缩秸秆厌氧发酵的启动及前期发酵。随着厌氧发酵的进行，秸秆中大量易水解的物质被利用，水解产酸速率开始下降，而产甲烷菌大量繁殖，产甲烷阶段速率逐渐加快，具体表现为菌液中挥发酸逐渐下降，并慢慢趋于稳定。此时水解产酸过程是整个产甲烷过程的限制阶段，添加菌液至压缩秸秆完全浸泡，加快秸秆内部物质传递，加快水解产酸，有利于提高压缩秸秆产气效率和产气量。

本发明在上述基础上，通过大量的实验，选配了合适的工艺操作程序、添加剂和菌剂，获得了良好的产气效果。

本发明的有益效果：

1、本发明具有可单批次处理大量纯秸秆、原料产气率和容积产气率高的优点；

2、本发明的工艺可控，后处理工艺简单，具有经济性和环保性，适合推广应用。

附图说明

图1为本发明干发酵装置示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

以下实施例中，所述居瘤胃解蛋白质菌为Proteiniclasticum ruminisDSM24773；所述棕榈酸互营单胞菌为Syntrophomonas palmitatica DSM18709^T；所述大岛粪热杆菌为Caldicoprobacter oshimai DSM21659^T；所述巨济嗜纤维素菌为Cellulophagageojensis CCUG 60801^T；所述糖酵解蛋白杆菌为Proteiniphilum saccharofermentansDSM 28694^T；所述栖温泉螺旋体为Treponema primitia DSM 13862；所述突尼斯废水袍菌为Defluviitoga tunisiensis DSM 23805^T；所述产气肠杆菌为Enterobacter aerogenesDSM 30053；所述哥伦比亚氨基酸杆菌为Aminobacterium colombiense DSM 12261；所述产琥珀酸丝状杆菌为Fibrobacter succinogenes ATCC19169；所述马氏甲烷球菌为Methanosarcina mazei DSM2053^T；所述氢营养型甲烷袋状菌为Methanoculleushydrogenitrophicus JCM 16311^T；所述古生甲烷微球菌为Methanomicrobium antiquumDSM 21220^T。

实施例1

菌剂中各功能微生物按体积份数计，分别为：居瘤胃解蛋白质菌的培养液体积份数为8份，棕榈酸互营单胞菌的培养液体积份数为4份，大岛粪热杆菌的培养液体积份数为8份，巨济嗜纤维素菌的培养液体积份数为8份，糖酵解蛋白杆菌的培养液体积份数为12份，栖温泉螺旋体的培养液体积份数为5份，突尼斯废水袍菌的培养液体积份数为5份，产气肠杆菌的培养液体积份数为5份，哥伦比亚氨基酸杆菌的培养液体积份数为5份，产琥珀酸丝状杆菌的培养液体积份数为5份，马氏甲烷球菌的培养液体积份数为28份，氢营养型甲烷袋状菌的培养液体积份数为5份，古生甲烷微球菌的培养液体积份数为2份。按上述比例配制菌液备用。

按照质量比1466：738：125：6：1：1的比例配制三聚氰胺、过磷酸钙、硫酸亚铁、七水硫酸锌、六水氯化钴和六水氯化镍，并经过充分的粉碎和混匀，制备添加剂。

以风干稻草秸秆为秸秆原料，用压缩机将其压缩为40×30×60cm的方捆，密度为240kg/m³。干发酵装置中干发酵池容积为72m³，有效容积58m³，菌液池容积40m³。

按前言所述比例配制菌剂2.5m³，加入菌液池中，同时加入沼液25m³，作为菌液。

将前述压缩秸秆捆紧密排列在干发酵池内，共740个，约12.5吨。将按前述比例制备的添加剂250kg溶于1500kg清水中，并将其均匀喷洒在秸秆顶层。

关闭干发酵池和菌液池间的阀门。将625kg石灰粉加入到10m³清水中，搅匀后均匀地喷洒在秸秆顶层。密封发酵罐进行堆沤3天。

堆沤结束后，打开干发酵池和菌液池间的阀门，将菌液泵入到干发酵池顶部进行1次喷淋操作，持续1h。喷淋结束后，以饱和石灰水将菌液pH值调节至7.2。该阶段共持续12天。

从第13天开始，将菌液泵入干发酵池顶部进行喷淋，每天1次，每次1.5h。关闭干发酵池与菌液池间的阀门，将菌液泵入到干发酵池中，体积为干发酵池有效容积的50％，浸泡4小时后，打开阀门，将菌液放回菌液池中，持续15天。

从第28天开始，打开干发酵池与菌液池间的阀门，将菌液泵入干发酵池顶部进行喷淋，每天1次，每次1.5h。关闭干发酵池与菌液池间的阀门，将菌液泵入到干发酵池中，体积为干发酵池有效容积的100％，浸泡4小时后，打开阀门，将菌液放回滤液池中，持续15天；

在第43天，关闭干发酵池与菌液池间的阀门，将菌液泵入到干发酵池中，体积为干发酵池有效容积的100％，保持浸泡状态17天，发酵结束。

实验期间，干发酵装置共运行63天，处理水稻秸秆12.5吨，共计产气4140m³，原料产气率为0.36m³/kgTS。平均容积产气率可达1.1m³/(m³·d)，具有较高的产气效率。发酵结束后，将菌液放回到菌池中，可以作为下一批发酵的菌种；同时，沥干菌液的秸秆发酵残余物含水率较低，后处理工艺简单易操作。

Claims (10)

1.一种压缩秸秆厌氧干发酵产沼气的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)用沼液或池塘水稀释菌剂作为干发酵的菌液，存放于干发酵装置下部的菌液池中；

(2)将密度为200～300kg/m³的压缩秸秆捆紧密堆放在干发酵装置中；

(3)将添加剂溶解在少量清水中，均匀地喷洒在秸秆顶部；

(4)密封干发酵装置，从秸秆顶部喷淋饱和石灰水，进行3～5天的自然堆沤发酵；

(5)然后每天从秸秆顶部喷淋菌液，每天1次，每次0.5～1h，持续10～15天；菌液从干发酵装置的下部流回菌液池；

(6)步骤(5)之后，每天关闭菌液池与干发酵池之间的阀门，从秸秆顶部喷淋菌液，利用菌液浸泡1/2体积的秸秆，浸泡时间为2～6小时；然后打开阀门，将菌液放回菌液池中，持续10～15天；

(7)步骤(6)之后，每天关闭菌液池与干发酵池之间的阀门，从秸秆顶部喷淋菌液，菌液完全浸泡干发酵装置中的秸秆捆；浸泡2～6小时后打阀门，将菌液排入菌液池中，持续10～15天；

(8)步骤(7)之后，关闭菌液池与干发酵池之间的阀门，从秸秆顶部喷淋菌液，保持菌液完全浸泡秸秆捆至发酵结束；

所述菌剂，按微生物培养液体积份数计，由如下微生物培养液组成：

厚壁菌15～20份、拟杆菌15～20份、螺旋体菌3～5份、热袍菌4～6份、变形菌3～5份、互养菌3～5份、纤维杆菌3～5份、广古菌35～40份；

所述添加剂为三聚氰胺、过磷酸钙、硫酸亚铁、七水硫酸锌、六水氯化钴和六水氯化镍的混合物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述添加剂的添加量为秸秆重量的1～5％，优选为2％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，进行所述菌剂稀释时，按重量体积比计，菌剂用量为10％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，饱和石灰水的用量为秸秆重量的3～5％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中，每天将喷淋后回流的菌液的pH调至7.0～7.5。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)和/或步骤(7)中，所述浸泡的时间为4小时。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加剂中，三聚氰胺、过磷酸钙、硫酸亚铁、七水硫酸锌、六水氯化钴和六水氯化镍的重量比为1466:738:125:6:1:1。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述厚壁菌为居瘤胃解蛋白质菌Proteiniclasticum ruminis DSM24773、棕榈酸互营单胞菌Syntrophomonas palmitaticaDSM18709^T和大岛粪热杆菌Caldicoprobacter oshimai DSM21659^T；

和/或，

所述拟杆菌为巨济嗜纤维素菌Cellulophaga geojensis CCUG 60801^T和糖酵解蛋白杆菌Proteiniphilum saccharofermentans DSM 28694^T；

和/或，

所述螺旋体为栖温泉螺旋体Treponemaprimitia DSM 13862；和或，

所述热袍菌为突尼斯废水袍菌Defluviitoga tunisiensis DSM 23805^T；

和/或，

所述变形菌为产气肠杆菌Enterobacter aerogenes DSM 30053；

和/或，

所述互养菌为哥伦比亚氨基酸杆菌Aminobacterium colombiense DSM 12261；

和/或，所述纤维杆菌为产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes ATCC19169；

和/或，

所述广古菌包括马氏甲烷球菌Methanosarcina mazei DSM2053^T、氢营养型甲烷袋状菌Methanoculleus hydrogenitrophicus JCM 16311^T和古生甲烷微球菌Methanomicrobiumantiquum DSM 21220^T。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述居瘤胃解蛋白质菌的培养液体积份数为5～10份，棕榈酸互营单胞菌的培养液体积份数为3～5份，大岛粪热杆菌的培养液体积份数为5～10份，上述三种微生物培养液体积份数之和为15～20份；

所述巨济嗜纤维素菌的培养液体积份数为7～12份，所述糖酵解蛋白杆菌的培养液体积份数为7～12份，上述两种微生物培养液体积份数之和为15～20份；

所述马氏甲烷球菌的培养液体积份数为28份，所述氢营养型甲烷袋状菌的培养液体积份数为5份，所述古生甲烷微球菌的培养液体积份数为2份。

10.根据权利要求1、8或9所述的方法，其特征在于，所述微生物培养液中细胞含量不低于1.0×10⁸个/ml。