CN109680014A - 高浓度多原料混合厌氧发酵方法 - Google Patents

高浓度多原料混合厌氧发酵方法 Download PDF

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Abstract

高浓度多原料混合厌氧发酵方法，属于可再生能源开发利用领域，包含下面所述步骤：猪粪在匀浆池内沉淀除砂后，预热进入发酵罐进行厌氧发酵；稻秆在水解池中预处理后进入发酵罐进行厌氧发酵；病死猪采用高温消解进行无害化处理，其出料进入匀浆池，预热进入发酵罐进行厌氧发酵。本发明方法简单，适应性强，操作简便，可实现连续式、大批量、自动化生产加工，大幅度提高甲烷的生产效率。

Description

高浓度多原料混合厌氧发酵方法
技术领域
本发明属于可再生能源开发利用领域，具体属于一种多种原料混合厌氧发酵的方法。
背景技术
随着人类对可持续发展和保护地球环境的日益重视，生物质资源的开发利用引起了广泛关注，其厌氧发酵产生沼气作为一种重要途径越来越受到人们的关注。沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体，在处理固废方面，厌氧生物处理技术主要处理对象为高含水率的易生物降解原料，如下水道污泥、畜禽粪便等。而稻秆作为农业生产中数量最大的副产品也是厌氧生物处理技术的主要对象。长期以来，人们一直致力于提高沼气的平均产量和反应容积产气率的研究，通过不停的探索破解上述难题的技术途径，有的使用物理方法，有的使用化学方法，还有的使用生物方法，但由于受经济性的制约，上述方法很难投入实际工程应用。随着人类对开发利用生物质能需求的日益增加，如何寻求上述问题的突破已经成为一处亟待解决的问题。
厌氧发酵制备沼气是农业废弃物能源化利用途径中工程化程度最高、技术最为成熟的一种方式；随着各类秸秆集捆、粉碎装备的日趋成熟，使得沼气工程完全具备规模化消纳秸秆的基础。目前，国内沼气工程多以畜禽粪便（猪粪、牛粪，鸡粪）为主要原料，粪便中高氮含量带来的氨抑制作用限制了厌氧发酵的进料浓度和产气效率；Weiland早在2000年时就指出混合厌氧发酵和选择优秀的混合原料可以获得更加适宜的营养平衡，是高浓度厌氧发酵技术的主要发展方向，近二十来年来欧洲沼气工程的成功实践也在证明这一点。目前，在欧洲大约有94%的农业废弃物沼气工程采用混合原料发酵，混合原料以畜禽粪便为主，比例约50-80%；农作物秸秆、能源作物、农林加工废弃物等作为最常用的发酵补充原料。为此，随着人类对开发利用生物质能需求的日益增加，如何寻求多原料混合发酵的突破已经成为一处亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上面所述缺陷，提供一种高浓度多原料混合厌氧发酵方法，该方法能有效提高进料浓度、沼气的日产量以及容积产气率。
本发明的目的是通过以下技术方法予以解决的。
高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于，包含下面所述步骤：
①猪粪在匀浆池内沉淀除砂后，调进料固形物浓度（TS）6-8%，预热进入发酵罐进行厌氧发酵；
②稻秆在水解池中预处理后，调进料固形物浓度（TS）11-13%，进入发酵罐进行厌氧发酵；
③病死猪采用高温消解进行无害化处理，其出料进入匀浆池，预热进入发酵罐进行厌氧发酵。
步骤①、②、③中发酵罐内VS猪粪∶VS稻秆＝4∶1－1∶1，混合物料的固形物浓度（TS）10%左右。
步骤③中病死猪出料的进料量为总进料量的1%。
步骤①、②、③中发酵罐内发酵温度为35℃－37℃，发酵罐内搅拌装置启动45min停45min。
本发明的有益效果是：本发明在产甲烷的主要物质基础猪粪内加入稻秆和病死猪，可有效提升发酵物料的进料浓度，获得较佳物料营养平衡，实现更高溶剂产气率，提高沼气工程发酵罐的利用效率。本发明将稻秆类高C物料加入到猪粪这类高N类物料中发酵，可以有效缓解猪粪这类高N类物料发酵带来的氨氮抑制等问题，稳定***发酵状态。病死猪出料按混合物料进料量的质量比1%的比例进料，有效提高日产甲烷量，且不会对发酵***造成影响。本发明方法简单，适应性强，操作简便，可实现连续式、大批量、自动化生产加工，大幅度提高甲烷的生产效率，降低生产成本，提高产量，提高经济效益的目的，便于推广利用。
附图说明
图1为本发明三种发酵物料的累积产甲烷量图。
图2为本发明三种发酵物料的产甲烷速率（mL/d）图。
图3为本发明不同VS比例的混合厌氧发酵试验结果图。
图4为本发明猪粪厌氧发酵过程中的日产甲烷量及pH监测结果图。
图5为本发明猪粪厌氧发酵的过程指标（TIC,NH4 +-N）监测结果图。
图6为本发明猪粪厌氧发酵的过程指标（VFA）监测结果图。
图7为本发明稻秆厌氧发酵过程中的日产甲烷量及pH监测结果图。
图8为本发明稻秆厌氧发酵的过程指标（NH4 +-N）监测结果图。
图9为本发明稻秆厌氧发酵的过程指标（TIC,VFA）监测结果图。
图10为本发明混合物料（VS比＝1∶1）厌氧发酵过程中的日产甲烷量及pH监测结果图。
图11为本发明混合物料（VS比＝1∶4）厌氧发酵过程中的日产甲烷量及pH监测结果图。
图12为本发明混合物料（VS比＝1∶1）厌氧发酵的过程指标（NH4 +-N）监测结果图。
图13为本发明混合物料（VS比＝1∶4）厌氧发酵的过程指标（NH4 +-N）监测结果图。
图14为本发明混合物料（VS比＝1∶1）厌氧发酵的过程指标（TIC,VFA）监测结果图。
图15为本发明混合物料（VS比＝1∶4）厌氧发酵的过程指标（TIC,VFA）监测结果图。
图16为本发明添加病死猪出料在厌氧发酵过程中的日产甲烷量及pH监测结果图。
图17为本发明添加病死猪出料在厌氧发酵的过程指标（NH4 +-N）监测结果图。
图18为本发明添加病死猪出料在厌氧发酵的过程指标（TIC,VFA）监测结果图。
图19为本发明试验期间猪粪和稻秆水解物的进料量图。
图20为本发明试验期间二期发酵罐的沼气产量趋势图。
图21为本发明试验期间二期发酵罐的pH和VFA/TIC比值的变化趋势图。
图22为本发明试验期间二期发酵罐的NH4 +-N的变化趋势图。
图23为本发明试验期间卧式发酵罐的沼气产量趋势图。
图24为本发明卧式发酵罐的pH和VFA/TIC比值的变化趋势图（进料浓度12%）。
图25为本发明卧式发酵罐的NH4 +-N的变化趋势图（进料浓度12%）。
图26为本发明实验例第2部分试验室内的试验装置结构示意图。
其中，A为发酵单元（1-1：进料斗，1-2：搅拌轴，1-3：出料阀，1-4：出气阀，1-5：水浴锅）；B为CO2吸收单元；C为测气单元（3-1：集气瓶，3-2：集水瓶）。
具体实施方式
实施例1。
高浓度多原料混合厌氧发酵方法，包含下面所述步骤：
①猪粪在匀浆池内沉淀除砂后，调进料固形物浓度（TS）6-8%，预热进入发酵罐进行厌氧发酵；
②稻秆在水解池中预处理后，调进料固形物浓度（TS）11-13%，进入发酵罐进行厌氧发酵；
③病死猪采用高温消解进行无害化处理，其出料进入匀浆池，预热进入发酵罐进行厌氧发酵。
步骤①、②、③中发酵罐内VS猪粪∶VS稻秆＝4∶1－1∶1，混合物料的固形物浓度（TS）10%左右。
步骤③中病死猪出料的进料量为总进料量的1%。
步骤①、②、③中发酵罐内发酵温度为35℃－37℃，发酵罐内搅拌装置启动45min停45min。
实验例。
1高浓度混合物料配比试验。
1.1 发酵物料的产甲烷潜力测试。
本试验针对猪粪、稻秆和病死猪无害化处理的出料三种物料。
1.1.1材料与方法。
试验原料：稻秆：取自江西省农业科学院水稻所试验田；b病死猪出料，取自罗坊镇沼气站的病死猪无害化处理中心；c接种物：取自罗坊镇沼气站1号发酵罐底部污泥。试验前使用沼液适当比例稀释后进行厌氧发酵试验。
表1试验原料的基本性质
表2接种物的理化性质检测结果
（1）发酵物料的产甲烷潜力测试
采用产甲烷潜力分析***（AMPTS II，Bioprocess），测试三种发酵物料的产甲烷能力。实验参数：①VS接种物：VS物料=2:1；②发酵温度37℃；③发酵浓度TS=6%；⑤搅拌参数：每小时搅拌10min、转速120 rpm；⑥每个实验处理设三个重复；当最后1 d的产甲烷量低于累积产甲烷的1%时，为产甲烷试验终点。
1.1.2 结果与分析。
三种发酵物料中，猪粪的产甲烷潜力最好，单位物料的产甲烷量为398.6 mL CH4/g VS；病死猪出料与稻秆的产甲烷潜力无显著性差异，分别为277.8和264.7 mL CH4/g VS。但鉴于病死猪出料受生猪养殖影响较大，其供应不稳定。为此，本发明的发酵物料以猪粪与稻秆为主，病死猪出料作为次要原料少量添加。
进一步分析三种物料的累积产甲烷量（图1）和产甲烷速率（图2）可知，三种物料的产甲烷反应迅速，产甲烷速率在第6 d达到产气高峰，然后进入下行趋势，在第18-20 d之间达到低谷；稻秆因其纤维结构等因素，在厌氧发酵过程中的降解速度较猪粪与病死猪出料要慢，这也是其产甲烷速率变化趋势较猪粪与病死猪出料相对平缓的主要原因。
1.1.3 小结。
本发明拟采用的三种物料（猪粪、病死猪出料、稻秆）均有不错的产甲烷潜力，其中：猪粪的产甲烷潜力最好，病死猪出料与稻秆次之，但两者之间无显著性差异。但鉴于病死猪出料受生猪养殖规模影响较大，其供应不稳定。为此，本发明后续混合厌氧发酵试验重点围绕猪粪与稻秆开展。
1.2“稻秆+猪粪”混合配比试验。
本试验以物料的挥发性固形物含量（VS）为基准，进行不同VS比例的混合配比试验，获得不同VS比例对混合物料产甲烷能力的影响。
1.2.1材料与方法。
试验材料：见1.1.1。
试验方法：
表3不同VS的混合配比试验设计
本试验采用产甲烷潜力分析***（AMPTS II，Bioprocess）进行不同VS比例的混合厌氧发酵试验。实验参数：①VS接种物：VS物料=2:1；②发酵温度37℃；③发酵浓度TS=10%；⑤搅拌参数：每小时搅拌10 min、转速120 rpm；⑥每个实验处理设三个重复；当最后1 d的产甲烷量低于累积产甲烷量的1%时，此时记作产甲烷试验终点。
1.2.2 结果与分析。
从图3可知，整体上，随猪粪比例的增加，不同VS比例试验处理的单位物料产甲烷量呈现出不断增高的趋势，但当VS稻秆:VS猪粪>1:1后，三个试验处理（VS稻秆:VS猪粪=1:1、1:2、1:4）的单位物料产甲烷量基本追平猪粪处理组、且无显著性差异。这表明：就“稻秆+猪粪”组合进行混合厌氧发酵，猪粪是主发酵物料，占比大，是产甲烷的主要物质基础；而稻秆是补充物料，占比相对较小。
1.2.3 小结。
多原料混合发酵的目的就是通过不同碳氮比的物料混配，为厌氧发酵***提供更加合理的营养平衡。本发明在后续的连续厌氧发酵试验中，重点围绕VS稻秆:VS猪粪=1:1和1:4两个比例开展，考察不同VS比例对甲烷产量以及厌氧发酵***的影响。其中：
VS稻秆:VS猪粪=1:1，该比例是基于全量化收集模式下的粪污（TS≥6%）试验考虑，主要针对采用CSTR工艺的大型发酵罐，猪粪与稻秆进料独立进料。为达到进料浓度TS=10%，必须使用较高TS浓度（12-13%）的稻秆水解物进行调节总进料浓度。
VS稻秆:VS猪粪=1:4，该比例是基于干清粪工艺下的粪污（TS=18-20%）试验试验，主要针对采用水平推流工艺的卧式发酵罐，稻秆预处理后混合猪粪至进料浓度10-12%，后使用螺杆泵送入发酵罐进行厌氧发酵制备沼气。
2 基于实验室条件下的连续厌氧发酵试验。
2.1 单一物料（稻秆、猪粪）的连续厌氧发酵试验。
2.1.1材料与方法。
试验材料：见1.1.1。
试验方法：
本试验采用小型CSTR反应器（最大容积2.4 L，有效容积1.8 L）进行稻秆、猪粪两种单一物料的连续厌氧发酵试验。
试验步骤：
试验装置与设计：
试验装置采用自行改装的厌氧发酵反应器，该装置分A（发酵单元）、B（酸性气体吸附）和C（甲烷体积测量）3个单元。其中A单元是购自瑞典碧普（Sweden Bioprocess）的2 L装厌氧发酵罐（有效容积1.8 L），每个发酵瓶配有可调转速的机械搅拌***；B单元配有3 mol/L氢氧化钠溶液以吸附沼气中的酸性气体（CO2和H2S等，溴百里酚酞指示剂显示吸收容量上限）；C单元采用排水法收集甲烷并测量其体积。
分别向厌氧发酵反应器中，按VS接种物﹕VS物料=2:1的比例加入接种物和物料（总质量为1.8kg，TS质量分数约6%）；按图26所示组装厌氧发酵反应器装置，关闭出料阀（1-3），打开出气阀（1-4），通过进料口（1-1）向反应器中鼓吹氮气30~45s，以排空反应器内部空气，确保发酵的厌氧环境；然后将发酵单元（A）置于水浴锅（1-5）内；待37℃厌氧发酵至日产甲烷量低于100mL/d后，开始进入连续厌氧发酵阶段，即分别投加4种发酵物料（甘蔗叶、金针菇菌包、稻秆和猪粪），进行中温（37±1℃）连续厌氧发酵。设计进料负荷（OLR）分别为1.11、1.67、2.22和2.78 g/(L∙d)，以可挥发性固体计；水力停留时间为30 d，日进料总量为60 g。在第4个OLR时，发酵物料的进料浓度约为10%左右。
每天进料6 h后按每隔3 h搅拌10min的频率进行定时搅拌；每天上午9:00记录甲烷体积；每隔3 d对发酵出料检测pH、碳酸氢盐（TIC）碱度、氨氮（NH4+-N）浓度和挥发性脂肪酸（VFAs）浓度。
总固形物（TS）浓度和挥发性固体（VS）浓度采用称质量法测定[11]。甲烷产量采用沼气通过氢氧化钠溶液后采用排水法测定。发酵液pH在取样后立即采用上海雷磁PHS-3C型酸度计测定。发酵液的挥发酸（VFAs）浓度和碳酸氢盐（TIC）碱度采用Nordmann联合滴定法[12]测定，样品在4℃条件下6000r/min离心10min，取上清液进行指标测定。氨氮（NH4+-N）浓度采用纳氏试剂分光光度法[13]，并通过公式（1）折算游离氨浓度。
2.1.2 结果与分析。
（1）猪粪的连续厌氧发酵试验。
试验结果表明：日产甲烷量（图4）呈现出随进料负荷增加而增加的趋势，且增幅明显、响应迅速，这表明：猪粪物料易降解，在发酵过程中能够被快速降解和甲烷化。TIC、NH4 +-N数据（图5）随进料负荷的增加而增加的趋势，这表明与猪粪高N含量有关，N源在厌氧发酵过程中产生了大量的NH4 +-N和不断被电离出的游离NH3，而后者会与CO2和水产生NH4HCO3，这是TIC不断增加的主要原因，同时也让厌氧发酵***对小分子挥发酸拥有更强缓冲能力，使得尽管VFA浓度不断升高，而***pH仍维持在7.8-8.0之间。进一步分析产甲烷数据可知，在四个不同进料负荷下（0.8 gVS/(L∙d)，1.3 gVS/(L∙d)，1.8 gVS/(L∙d)，2.3gVS/(L∙d)），平均单位物料产甲烷量依次分别为372.60 mL/gVS、356.91 mL/gVS、349.46mL/gVS、328.17 mL/gVS，该数值的不断降低表明，NH4 +-N对产甲烷菌的抑制作用也正在逐渐增强。发酵过程中VFA浓度的不断累积，表明：除了不断增强的氨氮抑制原因外，主要还是产甲烷菌的迭代速度较产酸菌慢所造成，使得发酵过程中挥发酸转化率（产甲烷阶段）远远低于挥发酸产生率（产酸阶段），进而导致酸浓度不断提高。
（2）稻秆的连续厌氧发酵试验
如图所示：稻秆在厌氧发酵过程中，日产甲烷量（图7）在整体上尽管也呈现出随进料负荷增加而增加的趋势；但较低的含N量（C/N比约为60:1）制约了微生物的生长繁殖，加之稻秆致密的纤维结构、相对缓慢的降解速度，使得日产甲烷量对进料负荷增加的响应相对滞后，这一点与猪粪物料有很大区别。②进一步分析产甲烷数据可知，在四个不同进料负荷下（0.8 gVS/(L∙d)，1.3 gVS/(L∙d)，1.8 gVS/(L∙d)，2.3 gVS/(L∙d)），平均单位物料产甲烷量依次分别为141 mL/gVS、141 mL/gVS、128 mL/gVS、134 mL/gVS，远低于稻秆的产甲烷潜力（264.7 mL/gVS）。这表明，稻秆的产甲烷利用还存在较大空间，充分的预处理和合理的C/N平衡能够进一步挖掘稻秆的产甲烷潜力。
稻秆是一种典型的高C低N类物料，较低N含量使得反应***中的NH4 +-N指标（见图8）在经过一个滞留期后，从起始的1384 mg/L逐渐降低200 mg/L，此后一直维持在200-400mg/L之间，这使得试验期间的游离氨浓度非常低，将不会产生氨抑制现象。
TIC指标在前两个滞留期内呈现出逐步降低的趋势，随后逐渐稳定在1500mg/L左右；而VFA指标也基本均维持在400 mg/L以内。计算分析VFA/TIC比值（代表***风险值）也一直处于0.4以下，这表明发酵***暂未出现酸抑制现象。但是，pH值随进料负荷增加呈现出逐步降低的趋势，特别是当进料负荷>1.3 gVS/(L∙d)后，pH出现较大降幅，在进料负荷2.3 gVS/(L∙d)时，pH处在6.7-7.0之间。这表明：如果继续加大稻秆的进料负荷，则有将会出现酸抑制情况。
2.1.3 小结。
通过上述试验可知，猪粪和稻秆因C/N比与降解特性上的差异，而在厌氧发酵过程中表现出两种截然不同的产气特性。猪粪易降解，产气量高、且随进料负荷增加而响应迅速；但在高浓度发酵时，过量的N源会产生强烈的氨氮抑制。稻秆纤维结构致密、降解速率较慢，尽管其在厌氧发酵产甲烷能力上，较猪粪相比不具备优势，但可以通过与猪粪混合配比，获得更佳的C/N平衡，用以改善猪粪的厌氧发酵特性。
需要说明的是，本发明使用的接种物取自罗坊沼气站1号罐，该罐使用猪粪为原料稳定运行2年，罐内接种物的微生物菌落在长期的运行中，对氨氮形成较好的耐受力；这也是本发明的猪粪发酵试验中在高氨氮浓度下，仍能维持较高产气率的主要原因。
2.2 “稻秆+猪粪”混合厌氧发酵试验（VS稻秆:VS猪粪=1:1,1:4）。
2.2.1 材料与方法。
试验材料：见1.1.1。
试验方法：试验步骤同2.1.1，“稻秆+猪粪”的混合物料分别采用VS稻秆:VS猪粪=1:1和1:4进行组合。
2.2.2 结果与分析。
与单一物料（猪粪或稻秆）试验组相比，混合物料的日产甲烷量（如图10和图11）在整体上也呈现出随进料负荷增加而增加的趋势。但在相同进料负荷下，混合物料的日产甲烷量介于两个单一物料（稻秆与猪粪）之间；而且猪粪比例越高的混合物料试验组拥有更高的产甲烷量，这表明对于“稻秆+猪粪”组合，猪粪是产甲烷的主要物质基础，稻秆对甲烷产量的贡献相对较弱。②混合物料的pH值随进料负荷增加呈现出逐步降低的趋势，但受猪粪物料的高N含量影响，pH下降的幅度较单一稻秆试验组要小。试验结束时，***pH在7.5左右。
如图12和图13可知，混合物料试验组受秸秆的影响，其NH4 +-N整体上呈现出略微下降的趋势，这与单一猪粪试验组的结果截然不同。这表明，稻秆的加入，通过调节混合物料的C/N比，消耗***内部大量的N源，进而减轻NH3浓度过高给***带来的抑制和影响。TIC指标尽管在试验过程中表现出逐渐增加的趋势，但因NH3浓度的有效控制，没有出现类似单一猪粪试验组中有较大增幅的现象。
VFA指标（图14和图15）在发酵过程中呈现出随进料负荷增加而增加的趋势，这一趋势与单一猪粪试验组的类似，与稻秆试验组相反。上述试验现象进一步表明：对于“稻秆+猪粪”组合，猪粪物料在混合发酵中起主要作用。
2.2.3 小结。
连续厌氧发酵试验表明：在“稻秆+猪粪”组合中，在相同进料负荷的条件下，混合物料的产甲烷要低于单一的猪粪物料，这表明猪粪是产甲烷的主要物质基础；稻秆对甲烷产量的贡献较弱，但稻秆的加入能够有效减缓猪粪高N含量带来的氨抑制作用，维持厌氧发酵***的稳定，这对以猪粪为主要原料的高浓度厌氧发酵来说，适量添加秸秆类高C类物料有着积极的意义。
2.3 “稻秆+猪粪+病死猪出料”的混合厌氧发酵试验（VS稻秆:VS猪粪=1:4）
2.3.1 材料与方法。
试验材料：见1.1.1。
试验方法：试验步骤同2.1.1。
为此，本试验以“稻秆+猪粪”的混合物料（VS稻秆:VS猪粪=1:4）为主，病死猪出料作为配料按进料总质量的1%进行添加。
按日进料量60g计算，病死猪出料的用量为0.6g。
2.3.2 结果与分析。
如图16、图17、图18所示，病死猪出料的添加对混合厌氧发酵的影响主要体现在日产甲烷量上略有提升，但对其他指标（pH、TIC、VFA及NH4 +-N等）无显著性影响，推测是病死猪的添加量并未对发酵***重大影响。
2.3.3小结。
病死猪出料在产甲烷潜力测试中的累积产甲烷量与稻秆物料相当，同为猪粪物料的2/3左右。所有，在“稻秆+猪粪+病死猪出料”组合中，病死猪出料不是主要发酵原料；加之病死猪的数量受猪周期与季节影响较大，供应存在不稳定性。因此，病死猪出料在本发明中仅作为辅料使用，同时基于发酵罐的长期稳定运行考虑，病死猪的投料量选择总进料量的1%进行试验。
试验结果验证：1%的投料量可以提高日产甲烷量，且对整个发酵***的影响不大。
2.4 总结。
在实验室条件下，两种不同VS比例的“稻秆+猪粪”组合表明出：猪粪在发酵组合占主要地位，是产甲烷的主要物质基础；在两个组合中，猪粪比例高的试验组，其日产甲烷量更高；在进料负荷由0.8 gVS/(L∙d)逐步增加至2.3 gVS/(L∙d)的过程中时，日产甲烷量随进料负荷的增加而增加，发酵***状态相对稳定，暂未到达到进料负荷的极限；稻秆类高C物料的加入，可以有效缓解猪粪这类高N类物料发酵带来的氨氮抑制等问题，稳定***发酵状态。病死猪出料按照混合物料进料量的质量比1%的比例进料，可提高日产甲烷量，但对发酵***的影响不大。
3 混合物料的厌氧发酵工程应用试验研究。
3.1 基于CSTR发酵罐的厌氧发酵应用试验。
3.1.1 材料与方法。
试验地点：新余市罗坊镇沼气站。
沼气工程：罗坊沼气站二期的CSTR发酵罐（罐体容积2800 m3，有效使用容积2500m3），与2016年7月完成发酵罐的运行调试、且发酵罐运行稳定；8月开始本发明的应用试验。
发酵物料：猪粪与稻秆分别收集自罗坊镇周边的生猪养殖场与水稻田。
物料预处理：猪粪进匀浆池沉淀除砂后泵入发酵罐；稻秆粉碎后进入水解池，采用沼液回流浸泡+曝气处理（TS控制在12-13%），待稻秆溶胀下沉后，由螺杆泵进入发酵罐。
混合厌氧发酵试验：本试验分两阶段，第一阶段（8月1日-15日）为前期调试时的发酵工艺，物料为猪粪（TS=6-7%），进料量约为125 t，滞留期为20 d；第二阶段（8月16日-11月14日）为混合物料发酵工艺，物料为“稻秆+猪粪”组合（VS稻秆:VS猪粪=1:1），总进料量约为71.5 t，滞留期为35 d。匀浆池每日补料后，对猪粪物料进行TS、VS指标检测，以及时校正下一批次稻秆水解物与病死猪出料的进料量。
发酵试验参数：发酵温度35℃；测搅拌方式：共有三台侧搅拌装置，每台可手动和自动，手动时要依次启动，不能启动过快，防止电流过大对电控箱负载较大。自动情况为定时启动45 min启45 min停。其中，1#侧搅拌开启1 min后2#启动，20 min后3#启动（1#是上面的，2、3#是下面的）。
运行数据检测：沼气产量、CH4%、VFA/TIC比值、NH4 +-N，检测方法见5.2.1。
3.1.2 结果与分析。
（1）试验期间发酵物料的进料量及组成。
为满足混合物料的进料浓度不低于10%的发明技术指标预期。发明组以水冲粪、水泡粪方式的收集的粪污（TS>6%）为基础，通过补充干清粪方式收集的猪粪（TS=18-20%）进行调节匀浆池内物料的总TS浓度。在整个试验期间，匀浆池内的物料的TS、VS检测结果分别为8.06±0.35%、5.61±0.28%。并以此为基础校正猪粪进料量，并依次计算稻秆水解物（TS=12-13%）与病死猪出料的进料量，图19为试验期间猪粪与稻秆水解物的进料量。
（2）二期发酵罐的运行试验结果。
如图20所示，混合发酵前，以TS为6%的猪粪为发酵物料，其日产沼气量平均约为2213.4±24.7 m3/d，以猪粪TS浓度20%为基准进行折算，其发酵物料（TS=20%）的反应产气率为60.5 m3沼气/t物料，达到发明技术指标预期。当进料浓度达到10%后，日产沼气量平均约为2548.5±34.7 m3/d，较混合发酵前提高15.1%。
如图21和图22可知，进入混合物料发酵阶段后，随稻秆的加入与进料浓度的提高，发酵***内部的各项检测指标发生了较大变化。其中：pH值由接近8.0逐步降至7.3-7.4之间；VFA/TIC比值较猪粪发酵阶段有所提高，但仍未超过0.4的风险值；NH4 +-N由起始的4578mg/L逐步降至2500-3000 mg/L。整体而言，发酵***运行正常，试验数据达到发明技术预期，具体详见表4。
表4混合厌氧发酵工艺技术指标数据
3.2 基于高浓度卧式厌氧反应器的发酵应用试验。
3.2.1 材料与方法。
1）试验地点：新余市罗坊镇沼气站。
2）沼气制备中试试验平台：采用“卧式+立式”二级串联式设计，建立了以卧式发酵罐为主体的中试试验平台，该平台主要由1.2 m3的水解罐、13 m3的卧式厌氧反应器（一级发酵罐）、6.64 m3的立式厌氧反应器（二级发酵罐）等配套工程组成。备注：卧式发酵罐的内部净空容积为11.9 m3。
3）发酵物料：猪粪与稻秆分别收集自罗坊镇周边的生猪养殖场与水稻田。
4）物料预处理：稻秆经沼气浸泡+曝气处理后，按比例混合猪粪。
5）进料量与滞留期：本试验采用“稻秆+猪粪”组合（VS稻秆:VS猪粪=1:4），本试验每日总进料量约为480 kg，其中：猪粪（TS=20%）为227 kg，稻秆（TS=88%）为11 kg，沼液（TS=2.3%）为242 kg，发酵滞留期为25 d。
6）试验参数：发酵温度为37℃，搅拌转速为2 rpm。
7）运行数据检测：沼气产量、CH4%、VFA、TIC、NH4 +-N。
表5发酵罐运行方案
3.2.2 试验结果与分析。
如图23所示，当混合发酵的进料浓度达到12%时，卧式厌氧发酵的平均日产沼气量约为22.1±0.46 m3/d，折容积产气率为1.86 m3/(m3∙d)，甲烷含量基本稳定在60%左右，物料的VS转化率为76.3%，达到发明技术指标预期。试验期间，整个***的各反应器未出现搅拌不均、进出料困难等情况；通过卧式反应器上方视镜观察到罐内无浮渣结壳等情况发生。
当进料浓度达到12%后，开始对发酵***的主要过程指标（pH、VFA、TIC、NH4 +-N）进行监测，如图24和图25可知，卧式发酵罐的***稳定，VFA/TIC比值均处于0.4（警戒值）以下；NH4 +-N指标也基本维持在4000-5000 mg/L之间；pH基本处在7.5-7.7之间。
表6混合厌氧发酵工艺技术指标数据
4 立式发酵罐的恒温控制改进设计。
发酵温度是影响物料产气性能的主要因素之一。随着季节的变化，环境温度会有明显的差异，从而使得发酵罐中的产气效率发生较大波动。本设计提出了一种恒温厌氧发酵罐，该发酵罐可以根据季节的变化，通过控制面板来调节温度，保持发酵温度恒定，利于物料的发酵。
5总结。
1）全量化收集的粪污（TS≥6%）可以通过添加稻秆将混合物料（VS稻秆:VS猪粪=1:1）的总进料浓度至10%，并应用在采用CSTR工艺的大型发酵罐中。试验结果表明，发酵***稳定，日沼气产量平均约为2548.5±34.7 m3/d，较混合发酵前提高15.1%；容积产气率由0.75 m3/(m3∙d)提高至0.91 m3/(m3∙d)，发酵罐的利用效率得到提高。
2）以水平推流工艺的卧式发酵罐为反应器，当混合物料（VS稻秆:VS猪粪=1:4）的进料浓度达到12%时，发酵***稳定，日产沼气量约为22.1±0.46 m3/d，折容积产气率为1.86 m3/(m3∙d)，达到发明技术指标预期。
本发明公开和要求保护的所有***、工艺、方法和组合物可以按照本发明公开的内容进行和料行，不需要过度的试验。尽管本发明的***、工艺、方法和组合物以优选实施方式的形式进行了描述，但本领域技术人员显然知晓，在不背离本发明的概念、精神和范围的情况下可以对所述***、工艺、方法和组合物以及在此描述的方法的步骤或者步骤的顺序进行变化。所有这些对于本领域技术人员来说显而易见的相似替代或改变被认为是在由所附权利要求限定的本公开的精神、范围和概念之内。
文中：1.TS：总固形物浓度（单位，%）；2.VS：挥发性固体物浓度（单位，%）；3.氨氮浓度；（NH4+-N）；4.挥发性脂肪酸浓度；（Volatile fatty acids，VFAs）；5.碳酸氢盐（TIC）碱度。

Claims (4)

1.高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于，包含下面所述步骤：
①猪粪在匀浆池内沉淀除砂后，调进料固形物浓度6-8%，预热进入发酵罐进行厌氧发酵；
②稻秆在水解池中预处理后，调进料固形物浓度11-13%，进入发酵罐进行厌氧发酵；
③病死猪采用高温消解进行无害化处理，其出料进入匀浆池，预热进入发酵罐进行厌氧发酵。
2.根据权利要求1所述高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于：步骤①、②、③中发酵罐内VS猪粪∶VS稻秆＝4∶1－1∶1，混合物料的固形物浓度10%左右。
3.根据权利要求1所述高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于：步骤③中病死猪出料的进料量为总进料量的1%。
4.根据权利要求1所述高浓度多原料混合厌氧发酵方法，其特征在于：步骤①、②、③中发酵罐内发酵温度为35℃－37℃，发酵罐内搅拌装置启动45min停45min。
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CN106834408A (zh) * 2017-03-20 2017-06-13 江西农业大学 一种猪粪和稻秆协同高效厌氧消化的方法
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