CN112830821A - 一种生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物质和畜禽粪污综合利用的技术领域，尤其涉及一种秸秆与畜禽粪污耦合多联产的方法，包括秸秆燃烧发电提供热量，秸秆与畜禽粪污进行预处理，将秸秆和畜禽粪污分别水解酸化后进入CSTR厌氧发酵罐，秸秆和畜禽粪污在CSTR厌氧发酵罐内进行中温厌氧发酵，得到沼气和沼液，沼液经固液分离后可用于制备有机肥，沼气经过干燥、气水分离、脱硫和过滤后用于制备天然气。本发明将秸秆和畜禽粪污耦合循环利用，产生电、热、冷、沼气和有机肥，实现资源的无害化利用。

Description

一种生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法
技术领域
本发明属于生物质和畜禽粪污综合利用的技术领域，尤其涉及一种秸秆与畜禽粪污耦合多联产的方法。
背景技术
我国畜禽养殖场数量众多，产生的粪便污水量比较大，数以吨计的废弃物质得不到有效的控制，很大一部分被随意排放，渗入田野或者河流，污染了人们的生活环境。而且，我国并没有出台明确的政策来对畜禽养殖场粪污垃圾进行管理，所以更是出现了很多养殖单位无序化管理的局面。传统的畜禽粪污处理方式也有很多，比如用作肥料，用作饲料，或者其他自然生物处理方法等等。只是这些方法的可行性和切实效益不高，并且这些方法都或大或小的存在着污染的问题，开发性能更高的新技术显得尤为重要。
我国可能源化利用的生物质资源的利用率不足8％，农业废弃物是农村环境污染的主要因素之一，如秸秆焚烧影响大气环境，但农作物秸秆一直是秸秆能源中非常有潜力的原料之一。厌氧发酵是在缺少无机电子受体的条件下，经水解、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，被认为是秸秆资源化的重要途径。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。尽管还田利用是一种有效的沼液减量化方式，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。
畜禽粪便会造成土壤、环境、空气的污染，畜禽粪便在处理时会存在以下问题：①畜禽粪污中含有大量的细菌、真菌、孢子体，部分还含有病毒和寄生虫，对畜禽粪污处理不到位，很容易对水源、土壤和养殖场内的空气产生污染，造成病原体的传播；②畜禽饲料中多数含有铁、铜、锌、锰类的重金属元素，由于这些重金属元素不能完全被畜禽类吸收利用，会在畜禽动物***粪尿时排出体外，这些金属元素会对水和突然造成严重的污染。③由于畜禽类对抗生素的吸收利用程度不同，加上部分养殖户缺乏专业性知识造成了抗生素的滥用，导致部分抗生素随着畜禽的***排出体外。
为解决生物质资源利用率低以及畜禽粪便造成的环境污染问题，采用“秸秆-畜禽粪便-沼气-有机肥”循环利用模式，形成绿色无废的“环境保护-碳减排-清洁能源-循环农业”县域综合能源服务发展模式，弥补我国缺油少气的问题。
发明内容
本发明提供一种生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法，目的在于通过秸秆与畜禽粪污耦合联产电、热、冷、气、肥，同时减少氨氮积累和粘度，降低悬浮性颗粒。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法，包括以下步骤：
S1、秸秆燃烧：将秸秆破碎至1cm，放入装有有机酸醋酸杆菌、革兰氏阴性杆菌、葡萄糖氧化杆菌和木霉菌的酸化池中进行水解酸化，送入直燃秸秆发电水冷振动炉排锅炉，燃烧发电，同时为生物天然气制备提供蒸汽及热量；
S2、原料预处理：
畜禽粪污：畜禽粪污在化粪池中与回流沼液进行混合化粪匀浆处理，混合化粪自流经过机械格栅，后进入粪污匀浆池中进一步匀浆，并增温水解处理，水解温度为50-80℃，水解时间为20-100分钟，然后进入发酵设备进行好氧发酵并加入玉垒菌，在1-2d内快速分解，释放的热量为50-60℃，接着通过送风***为发酵设备送氧，通风量为0.05～0.2m3·(min·m3)-1，使粪污充分发酵分解，维持5-7d，处理后的粪污由粪污进料池泵送至CSTR厌氧发酵罐；
秸秆：秸秆倒入料仓，通过输送机送入破碎机中，破碎后的秸秆通过输送装置送至水解酸化池，秸秆在水解酸化池中进行增温、微氧水解反应，水解温度为50-70℃，水解时间为2-3d，利用回流沼液进行调配和接种，处理后的秸秆通过螺杆泵均匀送入CSTR厌氧发酵罐内；
S3、厌氧发酵：CSTR厌氧发酵罐内采用中温厌氧发酵，原料TS浓度为3％-15％，厌氧发酵罐内设置增温装置，温度设置为38℃，发酵时间为25.9d，搅拌速度为25rpm，PH为7，利用秸秆发电机冷却循环水为罐内物料增温提供热源，经厌氧发酵后的物料从反应器中排出，产生的沼气由反应器顶部收集；
S4、脱硫：沼气采用碱法生物脱硫对沼气进行脱硫净化，控制生物脱硫容积负荷在70-300mg/(h·L)，进水S2-浓度为85-90mg/L，溶氧量为1.3-2.5mg/L，将沼气中的H2S气体含量降至200pmm以下，再经过冷干脱水机脱去沼气中的水分，后进入双膜干式贮气柜暂存，沼气部分进入锅炉为***供热，其余部分经过精脱硫塔脱硫，将厌氧发酵产生沼气中的H2S降低至15ppm以下；
S5、固液分离：厌氧发酵后的物料通过输送泵送至固液分离机进行固液分离，除去固体颗粒物，分离后的沼液流入回流液暂存池，沼渣由皮带输送至有机肥车间，用于生产固态有机肥；沼液暂存池内的池内上清液沼液作为回流沼液流入至预处理***，剩余少量沼液通过沼液泵送入沼液沉淀池内沉淀处理后进入沼液池，用于生产液态有机肥；分离时溢流出来的沼液进入溢流液暂存池，通过螺旋泵重新泵回固液分离机进行分离；
S6、制备天然气：脱硫后的沼气依次经过冷冻干燥机、气水分离器、活性炭脱硫塔和高效过滤器除去饱和水蒸汽、硫化氢和微尘粒，在经过恒温加热器加热后得到压缩沼气，压缩沼气经分气管道均匀进入膜分离***进行分离，制得生物天然气；
S7、制冷：用可逆二氧化碳吸附剂从沼气中吸附二氧化碳，改变条件使二氧化碳吸附剂释放二氧化碳，通过冷凝，进入压缩机，控制温度并加压至7Mpa以上，装入钢瓶，得到液体二氧化碳产品，液体二氧化碳进入膨胀箱，经过降压、降温、膨胀变成雪花状固体二氧化碳，采用颗粒生产设备把雪粉挤压成细棒体，再被切割制成粒状，最后挤压成成品干冰。
S8、制肥：将有机肥车间生产的固态有机肥进入物料粉碎机粉碎，在混合机加入秸秆燃烧后产生的灰渣和粉碎后的有机肥，然后进入造粒机制颗粒，出来后烘干、冷却，制成有机碳肥。
进一步地，秸秆为黄贮秸秆或青贮秸秆。
进一步地，固液分离机为螺旋挤压机。
进一步地，CSTR厌氧发酵罐为6座，单罐容积为8000m3，采用两级串联、同级并联的工艺模式，其中一级罐为3座，二级罐为3座。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
秸秆采用秸秆，秸秆是一种清洁污染小的燃料，秸秆水解酸化后木质素增高，热值增大，提高了秸秆的灰熔点，秸秆送入直燃秸秆发电水冷振动炉排锅炉，能够产生电和热，为后续秸秆与畜禽粪污耦合提供电和热的基础。在厌氧发酵的过程中，使用秸秆燃烧产生的热量，节省能耗；把灰渣作为有机肥添加剂，将废弃物转化利用，实现了对资源的有效使用。同时灰渣与后面步骤中的有机肥相混合制备有机碳肥，能显著提高土壤易变性有机碳含量，不仅能够给作物生长所需的养分，而且还能降低灰渣对环境的污染，改善生态环境和增加土壤碳汇。
采用回流沼液对畜禽粪污和秸秆分别进行预处理和增温水解，能够提高COD的去除率。秸秆在预处理时，使用回流沼液进行调配和接种，能够提供厌氧微生物的同时，还提供了氮源。利用秸秆燃烧产生的热源进行厌氧发酵，实现秸秆的资源化、无害化利用。
在对畜禽粪便进行预处理时，采用了高温好氧发酵，后再与秸秆混合后采用了中温厌氧发酵，这种好氧兼厌氧发酵的方式，能够使发酵物在较少时间内分解，再将发酵有机物的大分子进一步降解成小分子及中间产物，这样既克服了传统技术中好氧发酵成本高的劣势，又克服了厌氧发酵周期长，臭味大，效率低的缺点。
脱硫工艺严格控制硫化物容积负荷和溶氧量，采用先脱硫再吸收的方式，大幅度的降低沼气中的硫化氢。
厌氧发酵后的物料通过输送泵送至固液分离机进行固液分离，除去固体颗粒物，分离后的沼液流入回流液暂存池，沼渣由皮带输送至有机肥车间，用于生产固态有机肥；沼液暂存池内的池内上清液沼液作为回流沼液流入至预处理***，剩余少量沼液通过沼液泵送入沼液沉淀池内沉淀处理后进入沼液池，用于生产液态有机肥。分离后的沼气经干燥、分离和脱水后，用于制造天然气。
经过脱硫后的沼气用可逆二氧化碳吸附剂从沼气中吸附二氧化碳，并利用二氧化碳生产干冰达到制冷的效果，提高沼气的利用率。
综上述工艺，本申请不仅实现了秸秆与畜禽粪污的再利用，同时经处理后能用于生产电、热、冷、沼气和有机肥料，提高了秸秆与畜禽粪污的资源化利用。实现电力及热能的内循环，可大幅提高环保综合效益和经济效益，实现了秸秆的资源化、无害化利用。通过生物质能电热冷气肥多联产集成，形成市场潜力和需求量大的终端产品，拓展生物质产业链条，促进生物质行业绿色、健康发展。
附图说明
图1为生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法的粪污预处理工艺流程图；
图2为生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法的秸秆处理工艺流程图；
图3为生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法的脱硫工艺流程图；
图4为生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法的固液分离工艺流程图；
图5为生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法的制备天然气工艺流程图；
图6为生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法的总工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用黄贮秸秆与鸡粪联合制备电、热、冷、沼气和有机肥料，包括以下步骤：
S1、秸秆燃烧：将黄贮秸秆破碎至1cm，放入装有有机酸醋酸杆菌、革兰氏阴性杆菌、葡萄糖氧化杆菌和木霉菌的酸化池中进行水解酸化，送入直燃秸秆发电水冷振动炉排锅炉，燃烧发电，同时为生物天然气制备提供蒸汽及热量；
S2、原料预处理：
畜禽粪污：将鸡粪在化粪池中与回流沼液进行混合化粪匀浆处理，混合化粪自流经过机械格栅，后进入粪污匀浆池中进一步匀浆，并增温水解处理，水解温度为50℃，水解时间为20分钟，然后进入发酵设备进行好氧发酵并加入玉垒菌，在1d内快速分解，释放的热量为50℃，接着通过送风***为发酵设备送氧，通风量为0.05m3·(min·m3)-1，使鸡粪充分发酵分解，维持5d，处理后的粪污由粪污进料池泵送至CSTR厌氧发酵罐；
秸秆：将黄贮秸秆倒入料仓，通过输送机送入破碎机中，破碎后的黄贮秸秆通过输送装置送至水解酸化池，黄贮秸秆在水解酸化池中进行增温、微氧水解反应，水解温度为50℃，水解时间为2d，利用回流沼液进行调配和接种，处理后的秸秆通过螺杆泵均匀送入CSTR厌氧发酵罐内；
S3、厌氧发酵：CSTR厌氧发酵罐内采用中温厌氧发酵，原料TS浓度为3％，厌氧发酵罐内设置增温装置，温度设置为38℃，发酵时间为25.9d，搅拌速度为25rpm，PH为7，利用秸秆发电机冷却循环水为罐内物料增温提供热源，经厌氧发酵后的物料从反应器中排出，产生的沼气由反应器顶部收集；
S4、脱硫：采用碱法生物脱硫对沼气进行脱硫净化，控制生物脱硫容积负荷在70mg/(h·L)，进水S2-浓度为85mg/L，溶氧量为1.3mg/L，将沼气中的H2S气体含量降至200pmm以下，再经过冷干脱水机脱去沼气中的水分，后进入双膜干式贮气柜暂存，沼气部分进入锅炉为***供热，其余部分经过精脱硫塔脱硫，将厌氧发酵产生沼气中的H2S降低至15ppm以下；
S5、固液分离：厌氧发酵后的物料通过输送泵送至固液分离机进行固液分离，除去固体颗粒物，分离后的沼液流入回流液暂存池，沼渣由皮带输送至有机肥车间，用于生产固态有机肥；沼液暂存池内的池内上清液沼液作为回流沼液流入至预处理***，剩余少量沼液通过沼液泵送入沼液沉淀池内沉淀处理后进入沼液池，用于生产液态有机肥；分离时溢流出来的沼液进入溢流液暂存池，通过螺旋泵重新泵回固液分离机进行分离；
S6、制备天然气：脱硫后的沼气依次经过冷冻干燥机、气水分离器、活性炭脱硫塔和高效过滤器除去饱和水蒸汽、硫化氢和微尘粒，在经过恒温加热器加热后得到压缩沼气，压缩沼气经分气管道均匀进入膜分离***进行分离，制得生物天然气。
S7、制冷：用可逆二氧化碳吸附剂从沼气中吸附二氧化碳，改变条件使二氧化碳吸附剂释放二氧化碳，通过冷凝，进入压缩机，控制温度并加压至7Mpa以上，装入钢瓶，得到液体二氧化碳产品，液体二氧化碳进入膨胀箱，经过降压、降温、膨胀变成雪花状固体二氧化碳，采用颗粒生产设备把雪粉挤压成细棒体，再被切割制成粒状，最后挤压成成品干冰。
S8、制肥：将有机肥车间生产的固态有机肥进入物料粉碎机粉碎，在混合机加入秸秆燃烧后产生的灰渣和粉碎后的有机肥，然后进入造粒机制颗粒，出来后烘干、冷却，制成有机碳肥。
实施例2
采用青贮秸秆与牛粪联合制备电、热、冷、沼气和有机肥料，包括以下步骤：
S1、秸秆燃烧：将青贮秸秆破碎至1cm，放入装有有机酸醋酸杆菌、革兰氏阴性杆菌、葡萄糖氧化杆菌和木霉菌的酸化池中进行水解酸化，送入直燃秸秆发电水冷振动炉排锅炉，燃烧发电，同时为生物天然气制备提供蒸汽及热量；
S2、原料预处理：
畜禽粪污：将牛粪在化粪池中与回流沼液进行混合化粪匀浆处理，混合化粪自流经过机械格栅，后进入粪污匀浆池中进一步匀浆，并增温水解处理，水解温度为80℃，水解时间为100分钟，然后进入发酵设备进行好氧发酵并加入玉垒菌，在2d内快速分解，释放的热量为60℃，接着通过送风***为发酵设备送氧，通风量为0.2m3·(min·m3)-1，使牛粪充分发酵分解，维持7d，处理后的牛粪由粪污进料池泵送至CSTR厌氧发酵罐；
秸秆：将青贮秸秆倒入料仓，通过输送机送入破碎机中，破碎后的青贮秸秆通过输送装置送至水解酸化池，青贮秸秆在水解酸化池中进行增温、微氧水解反应，水解温度为70℃，水解时间为3d，利用回流沼液进行调配和接种，处理后的秸秆通过螺杆泵均匀送入CSTR厌氧发酵罐内；
S3、厌氧发酵：CSTR厌氧发酵罐内采用中温厌氧发酵，原料TS浓度为15％，厌氧发酵罐内设置增温装置，温度设置为38℃，发酵时间为25.9d，搅拌速度为25rpm，PH为7，利用秸秆发电机冷却循环水为罐内物料增温提供热源，经厌氧发酵后的物料从反应器中排出，产生的沼气由反应器顶部收集；
S4、脱硫：采用碱法生物脱硫对沼气进行脱硫净化，控制生物脱硫容积负荷在300mg/(h·L)，进水S2-浓度为90mg/L，溶氧量为2.5mg/L，将沼气中的H2S气体含量降至200pmm以下，再经过冷干脱水机脱去沼气中的水分，后进入双膜干式贮气柜暂存，沼气部分进入锅炉为***供热，其余部分经过精脱硫塔脱硫，将厌氧发酵产生沼气中的H2S降低至15ppm以下；
S5、固液分离：厌氧发酵后的物料通过输送泵送至螺旋挤压机进行固液分离，除去固体颗粒物，分离后的沼液流入回流液暂存池，沼渣由皮带输送至有机肥车间，用于生产固态有机肥；沼液暂存池内的池内上清液沼液作为回流沼液流入至预处理***，剩余少量沼液通过沼液泵送入沼液沉淀池内沉淀处理后进入沼液池，用于生产液态有机肥；分离时溢流出来的沼液进入溢流液暂存池，通过螺旋泵重新泵回固液分离机进行分离；
S6、制备天然气：脱硫后的沼气依次经过冷冻干燥机、气水分离器、活性炭脱硫塔和高效过滤器除去饱和水蒸汽、硫化氢和微尘粒，在经过恒温加热器加热后得到压缩沼气，压缩沼气经分气管道均匀进入膜分离***进行分离，制得生物天然气。
S7、制冷：用可逆二氧化碳吸附剂从沼气中吸附二氧化碳，改变条件使二氧化碳吸附剂释放二氧化碳，通过冷凝，进入压缩机，控制温度并加压至7Mpa以上，装入钢瓶，得到液体二氧化碳产品，液体二氧化碳进入膨胀箱，经过降压、降温、膨胀变成雪花状固体二氧化碳，采用颗粒生产设备把雪粉挤压成细棒体，再被切割制成粒状，最后挤压成成品干冰。
S8、制肥：将有机肥车间生产的固态有机肥进入物料粉碎机粉碎，在混合机加入秸秆燃烧后产生的灰渣和粉碎后的有机肥，然后进入造粒机制颗粒，出来后烘干、冷却，制成有机碳肥。
作为本实施例的进一步选择，CSTR厌氧发酵罐为6座，单罐容积为8000m3，采用两级串联、同级并联的工艺模式，其中一级罐为3座，二级罐为3座。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域人员能很好的理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、秸秆燃烧：将秸秆破碎至1cm，放入装有有机酸醋酸杆菌、革兰氏阴性杆菌、葡萄糖氧化杆菌和木霉菌的酸化池中进行水解酸化，送入直燃秸秆发电水冷振动炉排锅炉，燃烧发电，同时为生物天然气制备提供蒸汽及热量；
S2、原料预处理：
畜禽粪污：畜禽粪污在化粪池中与回流沼液进行混合化粪匀浆处理，混合化粪自流经过机械格栅，后进入粪污匀浆池中进一步匀浆，并增温水解处理，水解温度为50-80℃，水解时间为20-100分钟，然后进入发酵设备进行好氧发酵并加入玉垒菌，在1-2d内快速分解，释放的热量为50-60℃，接着通过送风***为发酵设备送氧，通风量为0.05～0.2m3·(min·m3)-1，使粪污充分发酵分解，维持5-7d，处理后的粪污由粪污进料池泵送至CSTR厌氧发酵罐；
秸秆：秸秆倒入料仓，通过输送机送入破碎机中，破碎后的秸秆通过输送装置送至水解酸化池，秸秆在水解酸化池中进行增温、微氧水解反应，水解温度为50-70℃，水解时间为2-3d，利用回流沼液进行调配和接种，处理后的秸秆通过螺杆泵均匀送入CSTR厌氧发酵罐内；
S3、厌氧发酵：CSTR厌氧发酵罐内采用中温厌氧发酵，原料TS浓度为3％-15％，厌氧发酵罐内设置增温装置，温度设置为38℃，发酵时间为25.9d，搅拌速度为25rpm，PH为7，利用秸秆发电机冷却循环水为罐内物料增温提供热源，经厌氧发酵后的物料从反应器中排出，产生的沼气由反应器顶部收集；
S4、脱硫：沼气采用碱法生物脱硫对沼气进行脱硫净化，控制生物脱硫容积负荷在70-300mg/(h·L)，进水S2-浓度为85-90mg/L，溶氧量为1.3-2.5mg/L，将沼气中的H2S气体含量降至200pmm以下，再经过冷干脱水机脱去沼气中的水分，后进入双膜干式贮气柜暂存，沼气部分进入锅炉为***供热，其余部分经过精脱硫塔脱硫，将厌氧发酵产生沼气中的H2S降低至15ppm以下；
S5、固液分离：厌氧发酵后的物料通过输送泵送至固液分离机进行固液分离，除去固体颗粒物，分离后的沼液流入回流液暂存池，沼渣由皮带输送至有机肥车间，用于生产固态有机肥；沼液暂存池内的池内上清液沼液作为回流沼液流入至预处理***，剩余少量沼液通过沼液泵送入沼液沉淀池内沉淀处理后进入沼液池，用于生产液态有机肥；分离时溢流出来的沼液进入溢流液暂存池，通过螺旋泵重新泵回固液分离机进行分离；
S6、制备天然气：脱硫后的沼气依次经过冷冻干燥机、气水分离器、活性炭脱硫塔和高效过滤器除去饱和水蒸汽、硫化氢和微尘粒，在经过恒温加热器加热后得到压缩沼气，压缩沼气经分气管道均匀进入膜分离***进行分离，制得生物天然气；
S7、制冷：用可逆二氧化碳吸附剂从沼气中吸附二氧化碳，改变条件使二氧化碳吸附剂释放二氧化碳，通过冷凝，进入压缩机，控制温度并加压至7Mpa以上，装入钢瓶，得到液体二氧化碳产品，液体二氧化碳进入膨胀箱，经过降压、降温、膨胀变成雪花状固体二氧化碳，采用颗粒生产设备把雪粉挤压成细棒体，再被切割制成粒状，最后挤压成成品干冰；
S8、制肥：将有机肥车间生产的固态有机肥进入物料粉碎机粉碎，在混合机加入秸秆燃烧后产生的灰渣和粉碎后的有机肥，然后进入造粒机制颗粒，出来后烘干、冷却，制成有机碳肥。
2.根据权利要求1所述的生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法，其特征在于：所述秸秆为黄贮秸秆或青贮秸秆。
3.根据权利要求1所述的生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法，其特征在于：所述固液分离机为螺旋挤压机。
4.根据权利要求1所述的生物质与畜禽粪污耦合多联产的方法，其特征在于：所述CSTR厌氧发酵罐为6座，单罐容积为8000m3，采用两级串联、同级并联的工艺模式，其中一级罐为3座，二级罐为3座。
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