一種汽爆秸稈與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于沼氣能源制備方法領域，具體涉及一種汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法。
【背景技術】
[0002]能源是人類生存和發(fā)展的重要物質基礎，也是當今國際政治、經濟、軍事、外交關注的焦點。在化石能源逐漸枯竭，能源價格逐年暴漲的形勢下，尋找替代或輔助能源并提高能源利用效率顯得愈加急迫。在太陽能、核能、風能、水能、潮汐能、地熱能、生物質能等諸多新能源當中，生物質能源是最安全、最穩(wěn)定的能源，也是目前國家重點鼓勵的新能源領域。沼氣作為可再生能源，具有可再生性、成本低廉、對環(huán)境污染小、熱值高等優(yōu)點，發(fā)展秸桿沼氣是秸桿資源化利用的重要方向之一。而且沼氣發(fā)酵原料來源廣泛，各種副產品都能被充分利用，因而是生物質能源中最有前景的一種。作為沼氣生產的重要原料，我國農作物秸桿年產量達7億多噸，畜禽糞便(干物質)也有1.4億噸，如果將其充分利用，不僅能解決當前因焚燒秸桿、濫用化肥而造成的環(huán)境污染，也能緩解能源緊張給社會帶來的壓力。
[0003]利用秸桿厭氧發(fā)酵制取沼氣已經有幾十年的歷史，但由于秸桿中木質素、纖維素及半纖維素的特殊纏繞結構使其難以被微生物分解利用，導致其沼氣發(fā)酵過程啟動緩慢，發(fā)酵周期長，產氣率低。為了改變秸桿的微觀結構，提高其厭氧發(fā)酵效率，出現(xiàn)了大量的秸桿預處理方法，如化學處理方法、生物處理方法、蒸汽爆破預處理方法等。這些方法中，化學處理方法對發(fā)酵效果有顯著提高，但是化學預處理會對環(huán)境造成二次污染；生物預處理方法雖然效果較好，無污染，但存在可選用的菌種偏少且處理周期長，分解木質素的同時也消耗了纖維素和半纖維素的缺點；蒸汽爆破預處理對秸桿的特殊結構具有顯著的破壞作用，處理時間短、無化學污染，被認為是一種較為有效的預處理方式。鄭正等在中國專利CN101519668A中公開了汽爆木質纖維素物料進行單相厭氧發(fā)酵的方法，發(fā)酵周期和原料產氣速率都大為提高。專利CN1403396A提供了一種周期刺激秸桿和城市垃圾進行固態(tài)發(fā)酵沼氣的方法，使用的汽爆壓力為1.3-1.7Mpa，但保壓時間長至lOmin，預處理消耗的能量過大；CN101392270A利用汽爆稻殼生產天然氣，采用的汽爆壓力為1.5_4MPa，爆后物加水浸提后分離出液相和固相，固相加三倍體積的水進行酸化，液相利用堿調節(jié)PH至7，在30-40°C的情況下與固相酸化產生的酸液一起厭氧發(fā)酵，該生產工藝較為復雜，增加了汽爆后物質的浸提過程和離心分離過程。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，可以克服目前秸桿厭氧發(fā)酵過程中存在的發(fā)酵啟動慢、發(fā)酵周期長、產氣率低等問題。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下:
一種汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，將汽爆秸桿與牛糞混合發(fā)酵產生有機酸，然后利用有機酸進行制沼氣。
[0006]其中，汽爆秸桿與牛糞的質量比為2-4:1，加水調節(jié)秸桿與牛糞混合物以及水形成的反應液的固含量為1-4%后于酸相反應器中產生有機酸。
[0007]汽爆秸桿優(yōu)選通過下法獲得:將秸桿粉碎至4_6cm長度，新鮮青秸桿的汽爆壓力為2.0-2.5Mpa，壓力保持90s ;風干秸桿的汽爆壓力為1.5-2.0Mpa，壓力保持90s。
[0008]所述的秸桿可為玉米、高粱或小麥秸桿。
[0009]初始反應時，在酸相反應器中，加入反應液質量25-35%的沼液作為接種物，發(fā)酵溫度控制在34-36°C;酸相反應器中的初始反應液碳氮比控制為25-30:1。初始反應的沼液可以是任意厭氧發(fā)酵后的產物，主要用來提供厭氧微生物。本發(fā)明優(yōu)選采用牛糞發(fā)酵后的沼液。
[0010]酸相反應器水力停留周期為3-12天，每日進料量為2.5-3.5gVS/L/d。
[0011]有機酸制沼氣于產甲烷反應器中進行，待酸相反應器中反應穩(wěn)定后，從酸相反應器底部將反應后獲得的酸液輸入產甲烷反應器中，每日從酸相反應器中抽出的酸液為反應液體積的1/8 - 1/12 ;每日從產甲烷反應器抽出沼液返回酸相反應器，返回的沼液量與抽提的酸液量相同。
[0012]待整個反應裝置運行平穩(wěn)后，每日向酸相反應器補充2.5-3.5gVS/L/d的汽爆秸桿和牛糞的混合物，同時每日從酸相反應器底部排放出相同質量的沼渣。
[0013]產甲烷反應器與酸相反應器的體積比為1-4:1。
[0014]酸相反應器的個數(shù)為1-4個。
[0015]本發(fā)明將新鮮或自然風干的農作物廢棄秸桿粉碎成5cm左右的長度，對其進行蒸汽爆破處理后與牛糞作為兩相混合厭氧發(fā)酵的原料，兩相混合厭氧發(fā)酵過程在酸相反應器和產甲烷反應器中進行。
[0016]具體的，首先將氣爆后的秸桿與牛糞裝入酸相反應器中發(fā)酵，控制酸相反應器中發(fā)酵液的總固體含量為1_4%，反應液的C:N為25-30:1，然后加入發(fā)酵液質量30%的沼液作為接種物，產酸過程中，發(fā)酵溫度為35°C ;同時將產生的酸液和中間氣體通入產甲烷反應器中產沼氣。
[0017]產甲烷反應器初始為牛糞厭氧發(fā)酵后的沼液，沼液TS含量為3-5%，優(yōu)選4%。
[0018]采用本發(fā)明所述的汽爆秸桿和牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，沼氣中的甲烷含量較高，體積百分數(shù)達到68%，沼氣產氣量可以達到1.0-2.0 m3/m3/d。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點:
本發(fā)明汽爆秸桿和牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法發(fā)酵啟動快、發(fā)酵周期短、產氣率高。酸相反應器穩(wěn)定運行后，第二天開始進行兩相發(fā)酵，此時的產氣率達到1.0 m3/m3/d，從第三天到第八天，兩相發(fā)酵的產氣率穩(wěn)定，基本維持在2.0 m3/m3/d左右。
【具體實施方式】
[0020]以下以具體實施例來說明本發(fā)明的技術方案，但本發(fā)明的保護范圍不限于此: 實施例1
采用汽爆預處理的新鮮青玉米秸桿與牛糞為發(fā)酵原料，兩者質量比例為3:1。
[0021]新鮮青玉米秸桿的汽爆條件為2.5MPa，保壓時間為90s。
[0022]汽爆后玉米秸桿與牛糞(質量比為3:1)與水加入酸相反應器中，反應液的TS含量為4%，加入反應液質量30%的沼液，總發(fā)酵液體積為1000ml，在35°C下進行產酸，共有4個酸相反應器和I個產甲烷反應器。產甲烷反應器為單個酸相反應器體積的3倍，產甲烷反應器中裝有3000ml的牛糞中溫發(fā)酵后的剩余沼液，其TS含量為4%。4個酸相反應器隔天啟動一個，每個酸相反應器運行一天后開始從其中抽提酸液，每天從每個酸相反應器中抽提出10ml的酸液進入產甲烷反應器中，同時從產甲烷反應器中每天回流到每個酸相反應器的沼液體積也為100ml。待整個反應裝置運行穩(wěn)定后，每天從每個酸相反應器中排出4g沼渣，同時補充干物質質量為4g的新鮮汽爆后秸桿和牛糞。按照此方法連續(xù)運行2個月，得到秸桿的產氣量為475ml/gVS，沼氣中的甲烷含量最高達到68.3%。
[0023]實施例2
在空氣中自然風干的玉米秸桿汽爆預處理后與牛糞為發(fā)酵原料，兩者質量比例為3:
1
[0024]自然風干的玉米秸桿汽爆條件為1.5MPa，保壓時間為90s。
[0025]汽爆后玉米秸桿與牛糞(質量比為2:1)與水加入酸相反應器中，獲得的反應液的TS含量為4%，加入反應液質量30%的沼液，總發(fā)酵液體積為1000ml，在35°C下進行產酸，發(fā)酵系統(tǒng)由I個酸相反應器和I個產甲烷反應器組成。產甲烷反應器與酸相反應器體積相同，產甲烷反應器中裝有100ml的牛糞發(fā)酵后的剩余沼液，其TS含量為4%。酸相反應器啟動運行一天后開始從其中抽提酸液，每天從酸相反應器中抽提出120ml的酸液進入產甲烷反應器中，同時從產甲烷反應器中每天回流到酸相反應器的沼液體積也為120ml。待整個反應裝置運行平穩(wěn)后，每天從酸相反應器中排出5g沼渣，同時補充干物質質量為5g的汽爆后秸桿和牛糞。按照此方法連續(xù)運行2個月，得到秸桿的產氣量為480ml/gVS，沼氣中的甲烷含量最高達到67.5%。
[0026]本實施例在2個月中共處理了 300g物料，產氣率達到480ml/gVS，遠遠高于未汽爆秸桿與牛糞混合發(fā)酵的產氣率，同時也高于汽爆秸桿與牛糞單相混合發(fā)酵的產氣率。
【主權項】
1.一種汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，其特征在于，將汽爆秸桿與牛糞混合發(fā)酵產生有機酸，然后將有機酸進行制沼氣。
2.如權利要求1所述的汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，其特征在于，汽爆秸桿與牛糞的質量比為2-4:1，加水調節(jié)秸桿與牛糞混合物以及水形成的反應液的固含量為1-4%后于酸相反應器中產生有機酸。
3.如權利要求2所述的汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，其特征在于，初始反應時，在酸相反應器中，加入反應液質量25-35%的沼液作為接種物，發(fā)酵溫度控制在34-36°C ;酸相反應器中的初始反應液碳氮比控制為25-30:1。
4.如權利要求3所述的汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，其特征在于，酸相反應器水力停留周期為3-12天，每日進料量為2.5-3.5gVS/L/do
5.如權利要求4所述的汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，其特征在于，有機酸制沼氣于產甲烷反應器中進行，待酸相反應器中反應穩(wěn)定后，從酸相反應器底部將反應后獲得的酸液輸入產甲烷反應器中，每日從酸相反應器中抽出的酸液為反應液體積的1/8 - 1/12 ;每日從產甲烷反應器抽出沼液返回酸相反應器，返回的沼液量與抽提的酸液量相同。
6.如權利要求5所述的汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，其特征在于，待整個反應裝置運行平穩(wěn)后，每日向酸相反應器補充2.5-3.5gVS/L/d的汽爆秸桿和牛糞的混合物，同時每日從酸相反應器底部排放出相同質量的沼渣。
7.如權利要求6所述的汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，其特征在于，產甲烷反應器與酸相反應器的體積比為1-4:1。
8.如權利要求7所述的汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，其特征在于，酸相反應器的個數(shù)為1-4個。
9.如權利要求1-8任一所述的汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，其特征在于，汽爆秸桿通過下法獲得:將秸桿粉碎至4-6cm長度，新鮮青秸桿的汽爆壓力為2.0-2.5Mpa，壓力保持90s ;風干秸桿的汽爆壓力為1.5-2.0Mpa，壓力保持90s。
10.如權利要求9所述的汽爆秸桿與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法，其特征在于，所述的秸桿為玉米、高粱或小麥秸桿。
【專利摘要】本發(fā)明屬于沼氣能源制備方法領域，具體涉及一種汽爆秸稈與牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法。所述方法為將汽爆秸稈與牛糞混合發(fā)酵產生有機酸，然后將有機酸進行制沼氣。本發(fā)明汽爆秸稈和牛糞兩相混合厭氧發(fā)酵產沼氣的方法發(fā)酵啟動快、發(fā)酵周期短、產氣率高。
【IPC分類】C12P5-02, C02F11-04
【公開號】CN104878045
【申請?zhí)枴緾N201510271483
【發(fā)明人】徐桂轉, 張百良, 劉杰博, 范帥堯, 崔曉燕, 李凱
【申請人】河南農業(yè)大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月26日