CN116622781A - 一种农作物秸秆厌氧发酵生产沼气和生物纤维浆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种农作物秸秆厌氧发酵生产沼气和生物纤维浆的方法，属于农作物秸秆处理技术领域。本发明对农作物秸秆进行两次发酵，在预发酵过程中，在好氧复合微生物的作用下，使秸秆物料得到初步酸化水解；在厌氧发酵的过程中，在高温厌氧菌种的作用下，预发酵原料转化为沼气和沼渣，产出的沼气用于提纯成生物天然气或净化后发电，沼渣经洗渣和制浆后，所得生物纤维浆用于可降解地膜纸、瓦楞板纸和模塑产品的生产，剩余的浆料用于水稻育秧基质盘、果蔬育苗基质和生物有机肥及颗粒状生物质燃料的生产。本发明能够对农作物秸秆进行资源化利用，所得产物可用价值高；相比于传统造纸行业，本发明可节省大量木材和竹材原料，造纸成本更加低廉。
Description
技术领域
本发明涉及农作物秸秆处理技术领域，特别涉及一种农作物秸秆厌氧发酵生产沼气和生物纤维浆的方法。
背景技术
中国是农业大国，秸秆资源庞大，随着国家农村产业结构调整和居民生活条件改善，秸秆产量出现区域性、季节性和结构性过剩问题，致使目前仍有大量秸秆田间堆砌或集中焚烧现象发生。这不仅严重污染环境，而且造成大量的资源浪费。因此，提高秸秆资源综合利用效率，对环境质量改善和经济社会发展全面绿色转型具有促进作用。
当前在造纸技术领域中，造纸原料大多数是采用木材及竹材等，生产工艺基本都是化机浆，污染处理工艺复杂，生产成本较高。如果能够采用农作物秸秆生产造纸用的生物纤维浆，将会大大提高非木纤维浆的比例，降低竹木资源的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种农作物秸秆厌氧发酵生产沼气和生物纤维浆的方法，本发明能够对农作物秸秆进行资源化利用，大大提高了秸秆的附加值，降低造纸成本。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种农作物秸秆厌氧发酵生产沼气和生物纤维浆的方法，包括以下步骤：
将粉碎的农作物秸秆与微生物菌剂、含氮化合物混合，得到混合原料；
将所述混合原料进行预发酵，得到预发酵原料；
将所述预发酵原料转移至厌氧发酵装置中，接种高温厌氧菌种，进行厌氧发酵，产生沼气，厌氧发酵完成后，排出沼渣；
将所述沼渣进行洗渣和制浆，得到生物纤维浆和剩余浆料渣。
优选的，所述微生物菌剂包括嗜热、耐热的微生物，所述微生物包括细菌、真菌和放线菌中的一种或几种；所述微生物菌剂的质量为农作物秸秆质量的0.02~0.025%。
优选的，所述含氮化合物为尿素、碳铵、氨水和沼液中的一种或几种；
所述混合原料的碳氮比为20~30:1。
优选的，所述预发酵为微好氧发酵，预发酵完成后所得预发酵原料的温度为57~63℃。
优选的，所述高温厌氧菌种包括产甲烷丝状菌的高温厌氧菌种；
所述高温厌氧菌种的质量为预发酵原料干重的0.35~0.6‰。
优选的，所述厌氧发酵的温度为52~58℃，时间为7~10天。
优选的，所述预发酵原料连续进入厌氧发酵装置，所述预发酵原料进入厌氧发酵装置的进入量与厌氧发酵装置排出沼渣的排出量相同。
优选的，所述制浆为高浓磨制浆。
优选的，所述生物纤维浆叩解度为22~28度。
优选的，所述生物纤维浆用于可降解地膜纸、可降解模塑产品或瓦楞板纸的制备；
所述剩余浆料渣用于水稻育秧基质盘、果蔬育苗基质、生物有机肥或颗粒状生物质燃料的生产。
本发明提供了一种农作物秸秆厌氧发酵生产沼气和生物纤维浆的方法，包括以下步骤：将粉碎的农作物秸秆与微生物菌剂、含氮化合物混合，得到混合原料；将所述混合原料进行预发酵，得到预发酵原料；将所述预发酵原料转移至厌氧发酵装置中，接种高温厌氧菌种，进行厌氧发酵，产生沼气，厌氧发酵完成后，排出沼渣；将所述沼渣进行洗渣和制浆，得到生物纤维浆和剩余浆料渣。本发明对农作物秸秆进行两次发酵，在预发酵过程中，通过好氧复合微生物的作用，使秸秆物料得到了初步酸化水解的效果，同时通过好氧复合微生物的作用，使得秸秆物料的温度提高到60℃左右；在厌氧发酵的过程中，在高温厌氧菌种的作用下，预发酵原料转化为沼气和沼渣，产出的沼气用于提纯成生物天然气或净化后发电，沼渣经洗渣和制浆后，所得生物纤维浆用于可降解地膜纸、瓦楞板纸和模塑产品的生产，剩余的浆料用于水稻育秧基质盘、果蔬育苗基质和生物有机肥及颗粒状生物质燃料的生产。本发明能够对农作物秸秆进行资源化利用，所得产物可用价值高；相比于传统造纸行业，本发明可节省大量木材和竹材原料，造纸成本更加低廉，大大提高了秸秆的附加值和非木、竹纤维的利用率。本发明利用农作物秸秆厌氧发酵的生物法生产生物纤维，每吨纯干秸秆可以产出150~180m3甲烷气体，同时产出0.3~0.35吨生物纤维浆和0.3~0.35吨浆料渣有机肥。
同时，本发明提供的农作物秸秆厌氧发酵生产沼气和生物纤维浆的方法不产生有害废弃物，可实现零污染排放，绿色环保。本发明提供的方法可实现连续生产，节能高效。
具体实施方式
本发明提供了一种农作物秸秆厌氧发酵生产沼气和生物纤维浆的方法，包括以下步骤：
将粉碎的农作物秸秆与微生物菌剂、含氮化合物混合，得到混合原料；
将所述混合原料进行预发酵，得到预发酵原料；
将所述预发酵原料转移至厌氧发酵装置中，接种高温厌氧菌种，进行厌氧发酵，产生沼气，厌氧发酵完成后，排出沼渣；
将所述沼渣进行洗渣和制浆，得到生物纤维浆和剩余浆料渣。
本发明将粉碎的农作物秸秆与微生物菌剂、含氮化合物混合，得到混合原料。在本发明中，所述农作物秸秆优选为玉米秸秆、稻草秸秆、小麦秸秆和棉花秸秆中的一种或几种。在本发明中，所述粉碎的农作物秸秆的长度优选≤50mm。
在本发明中，所述农作物秸秆的粉碎方式优选为轧揉粉碎；本发明优选对粉碎农作物秸秆中的灰土进行过筛分离。
在本发明中，所述微生物菌剂优选包括嗜热、耐热的细菌、真菌和放线菌，所述微生物菌剂的质量优选为农作物秸秆质量的0.02~0.025%。
在本发明中，所述含氮化合物优选为尿素、碳铵、氨水和沼液中的一种或几种。在本发明中，所述含氮化合物的质量优选为农作物秸秆质量的0.3~1%，更优选为0.5%。在本发明中，所述沼液优选为常规沼气池中产生的沼液。
在本发明中，所述混合原料的碳氮比优选为20~30:1，更优选为25:1。
在本发明中，所述微生物菌剂、含氮化合物优选以水溶液的形式加入。在本发明中，所述混合的方式优选为将微生物菌剂、含氮化合物的水溶液喷洒至粉碎的农作物秸秆表面，翻堆混合均匀。
得到所述混合原料后，本发明将所述混合原料进行预发酵，得到预发酵原料。在本发明中，所述预发酵优选为微好氧发酵。在本发明中，所述预发酵优选在发酵槽中进行，预发酵时覆盖所述混合原料。
在本发明中，预发酵完成后所得预发酵原料的温度优选为57~63℃，更优选为60℃。
得到所述预发酵原料后，本发明将所述预发酵原料转移至厌氧发酵装置中，接种高温厌氧菌种，进行厌氧发酵，产生沼气，厌氧发酵完成后，排出沼渣。在本发明中，所述厌氧发酵装置优选为厌氧罐，更优选为卧式推流厌氧干发酵罐。
在本发明中，所述高温厌氧菌种优选包括产甲烷丝状菌的高温厌氧菌种；所述高温厌氧菌种的质量优选为预发酵原料干重的0.35~0.6‰，更优选为0.5‰。在本发明中，所述高温厌氧菌种的来源优选为沼池内沼液，所述沼液与预发酵原料的质量比优选为1:2。
在本发明中，所述厌氧发酵的温度优选为52~58℃，更优选为55℃；时间优选为7~10天，更优选为8~9天。
在本发明中，所述预发酵原料连续进入厌氧发酵装置，所述预发酵原料进入厌氧发酵装置的进入量与厌氧发酵装置排出沼渣的排出量相同。在本发明中，所述预发酵原料进入厌氧发酵装置的次数优选为每天3~4次。
在本发明中，所述沼气优选送入气体收集装置，用于提纯成生物天然气或净化后发电。
得到所述沼渣后，本发明将所述沼渣进行洗渣和制浆，得到生物纤维浆和剩余浆料渣。在本发明中，所述洗渣的方式优选为水洗。
在本发明中，所述制浆优选为高浓磨制浆，更优选为二级高浓磨制浆。
在本发明中，所述生物纤维浆叩解度优选为22~28度。
在本发明中，所述生物纤维浆用于可降解地膜纸、可降解模塑产品或瓦楞板纸的制备；所述剩余浆料渣用于水稻育秧基质盘、果蔬育苗基质、生物有机肥或颗粒状生物质燃料的生产。
本发明采用农作物秸秆厌氧发酵产出沼气的同时，获得了可以生产生物纤维浆的沼渣，利用此种沼渣制出的生物纤维浆可以生产可降解地膜纸、瓦楞板纸、模塑产品，提高了秸秆的价值，节省了大量的木竹材料，拓宽了造纸原料的范围。本发明在生产过程中，做到了全过程无污染，充分利用沼渣，实现了废物利用，且节约了资源。
本发明利用农作物秸秆厌氧发酵的生物法生产生物纤维，每吨纯干秸秆可以产出150~180m3甲烷气体，同时产出0.3~0.35吨生物纤维浆和0.3~0.35吨浆料渣有机肥，生产过程中没有任何污染物排放，大幅度提升了秸秆的利用价值。
下面结合实施例对本发明提供的农作物秸秆厌氧发酵生产沼气和生物纤维浆的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1 以风干的玉米秸秆为例
（1）将1kg风干的玉米秸秆铡成长度不大于50毫米的小段，将铡好后的秸秆段放进水中浸泡3分钟捞出淋干水分，表面潮湿不滴水，然后放进破碎机内揉搓粉碎成细丝状，将秸秆丝长度控制在10~50毫米之间，秸秆丝直径不大于3毫米；
（2）将0.65公斤温度为20℃的水中加入嗜热、耐热微生物菌剂和尿素，其中菌剂：秸秆=0.02wt%，尿素：秸秆=0.5wt%，进行充分的混合，所得混合原料的碳氮比为25:1；将所得液体均匀喷洒在步骤（1）处理好的秸秆物料上，装进15升的可以密闭的桶内进行微好氧发酵；
（3）当测量桶内温度达到60℃时，将物料倒入5升的可以严格密封的密封桶内，加入1.65公斤温度为50℃的正常产沼气的池内沼液，沼液内含有高温厌氧菌种，混合均匀，进行厌氧发酵，保持密封桶的温度为55℃；
（4）发酵过程总排出密封桶内沼气，第五天后沼气产生总量约为0.3m3，打开桶盖，将物料倒入清水中清洗，然后捞出沼渣进行2级高浓磨打浆研磨，得到叩解度为22~28的生物秸秆纸浆约300g，然后用抄纸机做出农用可降解地膜纸，剩余约300g的浆料用于水稻育秧基质盘和生物有机肥的生产。
对所得农用可降解地膜纸的力学性能进行测试，其干抗张强度≥30N，湿抗张强度≥15N。
所得农用可降解地膜纸具有良好的生物降解性，埋在土壤中1个月后，纸张开始降解，手捏即碎，使用5个月后，可全部自行降解消失成为有机肥料。
实施例2
（1）将1kg风干的水稻秸秆铡成长度不大于50毫米的小段，将铡好后的秸秆段放进水中浸泡3分钟捞出淋干水分，表面潮湿不滴水，然后放进破碎机内揉搓粉碎成细丝状，将秸秆丝长度控制在10~50毫米之间，秸秆丝直径不大于3毫米；
（2）将0.65公斤温度为20℃的水中加入嗜热、耐热微生物菌剂和尿素，其中菌剂：秸秆=0.02wt%，尿素：秸秆=0.5wt%，进行充分的混合，所得混合原料的碳氮比为25:1；将所得液体均匀喷洒在步骤（1）处理好的秸秆物料上，装进15升的可以密闭的桶内进行微好氧发酵；
（3）当测量桶内温度达到60℃时，将物料倒入5升的可以严格密封的密封桶内，加入1.65公斤温度为50℃的正常产沼气的池内沼液，沼液内含有高温厌氧菌种，混合均匀，进行厌氧发酵，保持密封桶的温度为55℃；
（4）发酵过程总排出密封桶内沼气，第五天后沼气产生总量约为0.25m3，打开桶盖，将物料倒入清水中清洗，然后捞出沼渣进行2级高浓磨打浆研磨，得到叩解度为22~28的生物秸秆纸浆约300g，然后用抄纸机做出农用可降解地膜纸，剩余约400g的浆料用于水稻育秧基质盘和生物有机肥的生产。
对所得农用可降解地膜纸的力学性能进行测试，其干抗张强度≥30N，湿抗张强度≥15N。
所得农用可降解地膜纸具有良好的生物降解性，埋在土壤中1个月后，纸张开始降解，手捏即碎，使用5个月后，可全部自行降解消失成为有机肥料。
实施例3：
河北巨鹿县阎疃镇农林牧废弃物产业化综合利用项目：年利用农作物秸秆18万吨（含固率70%）、畜禽粪污6万吨（含固率8%）、金银花枝2万吨（含固率70%），年产沼气4344万方、生物纤维 4.5万吨、生物有机肥约6万吨（含水率约20%）、二氧化碳 3.9万吨，碳减排约104万吨。
具体实施方案如下：每天将约378.38吨的秸秆（干重）、约42吨的金银花枝条（干重）通过轧揉机器后，长度控制在50mm以下，直径不大于3mm，将粉碎后的农作物物料堆放在预处理池内，喷洒农作物物料质量0.02wt%的微生物菌剂和畜禽粪污及回流的沼液，进行预发酵，待物料在微好氧状态下升温到60℃左右时，和回流的发酵料混合均匀后泵入厌氧发酵罐，混料后的干物质浓度≥20%。使用的厌氧发酵罐为卧式推流型高浓度高温厌氧工艺，发酵罐体两端部设置有搅拌电机，罐体内有推流搅拌轴和桨叶，罐内带有增温盘管，便于调节发酵温度保持在55℃±2度。
厌氧发酵罐产出沼气和沼渣、沼液，所得沼气经过净化提纯后并入当地管网，沼渣经过洗渣研磨后提取生物纤维浆料，提取后的剩余物做水稻育秧基质盘和育苗钵，冬季时生产成生物质颗粒燃料，此种颗粒燃料的热值高于直接秸秆生产的颗粒燃料热值；沼液用作生物液态肥和生物杀虫剂的生产基质；所得生物纤维浆料用于农作物可降解地膜的生产。
对比例1
以粪污和秸秆进行厌氧发酵产沼气，其中粪污所占质量比为70~80%，秸秆所占质量比为30~20%，产出的沼气总量大于实施例，但是获得的沼渣有很强的异味，只能生产有机肥，无法提取生物纤维浆用于造纸。
以上实施例厌氧发酵速度快，物料接种厌氧菌后当天产气，生成的沼气中硫化氢含量低，沼液不浑浊无明显异味，优级的浆料生产可降解地膜纸强度高，次级浆料生产水稻育秧基质板品质上乘，余料生产生物有机肥完全可以满足国标NY884的标准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种农作物秸秆厌氧发酵生产沼气和生物纤维浆的方法，包括以下步骤：
将粉碎的农作物秸秆与微生物菌剂、含氮化合物混合，得到混合原料；
将所述混合原料进行预发酵，得到预发酵原料；
将所述预发酵原料转移至厌氧发酵装置中，接种高温厌氧菌种，进行厌氧发酵，产生沼气，厌氧发酵完成后，排出沼渣；
将所述沼渣进行洗渣和制浆，得到生物纤维浆和剩余浆料渣。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微生物菌剂包括嗜热、耐热的微生物，所述微生物包括细菌、真菌和放线菌中的一种或几种；所述微生物菌剂的质量为农作物秸秆质量的0.02~0.025%。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述含氮化合物为尿素、碳铵、氨水和沼液中的一种或几种；
所述混合原料的碳氮比为20~30:1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预发酵为微好氧发酵，预发酵完成后所得预发酵原料的温度为57~63℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温厌氧菌种包括产甲烷丝状菌的高温厌氧菌种；
所述高温厌氧菌种的质量为预发酵原料干重的0.35~0.6‰。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述厌氧发酵的温度为52~58℃，时间为7~10天。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预发酵原料连续进入厌氧发酵装置，所述预发酵原料进入厌氧发酵装置的进入量与厌氧发酵装置排出沼渣的排出量相同。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制浆为高浓磨制浆。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，所述生物纤维浆叩解度为22~28度。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物纤维浆用于可降解地膜纸、可降解模塑产品或瓦楞板纸的制备；
所述剩余浆料渣用于水稻育秧基质盘、果蔬育苗基质、生物有机肥或颗粒状生物质燃料的生产。
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