一种用于提高生物质原料厌氧消化产甲烷产量的方法
【专利摘要】一种用于低劣生物质原料厌氧消化提高甲烷产量的方法，属于农业废弃物处理【技术领域】。本发明以各种废弃低劣生物质原料为处理对象，通过在厌氧反应器中添加微量的电子载体血晶素或维生素K2，改善沼气厌氧发酵整个发酵体系的还原力水平，进而促进厌氧消化过程中水解酸化菌的及产甲烷菌的生长及其活性，从而提高反应系统的水解效率，缩短厌氧消化时间、提高甲烷产量及低劣生物质原料的转化率。由于微量血晶素及维生素K2的添加量极其微量，且工业级的血晶素及维生素K2对于本发明同样适用，因此，本发明方法不仅操作简便和高效，而且成本低，可望在工程实践中得到广泛运用。
【专利说明】一种用于提高生物质原料厌氧消化产甲烷产量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于农业废弃物处理【技术领域】，具体涉及一种用于提高生物质原料厌氧消 化提高甲烷产量的方法。
【背景技术】
[0002] 利用可再生生物质资源生产可替代化石能源的生物质能源受到日益关注。目前生 物质能利用技术包括固化成型、热化学转化、厌氧发酵等多种方式，其中以产甲烷发酵为代 表的厌氧发酵技术，主要是利用厌氧微生物将生物质转化为CH 4、C02或者H2。CH4具有较高 的燃烧热值（802.3 kj/mol)，是理想的能源物质。厌氧发酵技术由于可以在生产清洁能源 的同时实现环境净化，并且发酵剩余物还可以作为有机肥料，兼具能源、环保和生态三方面 效益，是解决当前的能源、环境问题的切实可行手段，因此具有广阔的应用前景。
[0003] 目前沼气工程应用现状还是主要集中在对不同原料的预处理方式以及混合原料 厌氧发酵产甲烷的研究，对厌氧发酵体系自身的代谢调节及产能机制上研究较少。在混合 原料厌氧发酵制备甲烷方面，国外普遍采用混合原料，而国内大型沼气工程以动物粪便为 主，采用結杆为原料的很少；容积产气率国外1.5 m3/m3*d，国内0. 8 m3/m3*d。我国农作 物秸杆资源丰富，全国每年可收集利用的秸杆量约7亿吨，在民间，焚烧掉的秸杆导致了严 重的环境污染和社会问题，将秸杆最大程度的收集并高效产甲烷成为研究的热点。
[0004] 厌氧发酵过程只能通过中间代谢产物将还原力NADH再生，在厌氧合成体系存在 还原力NADH不平衡现象。生物质厌氧消化产甲烷作为一种典型的厌氧发酵过程，也同样存 在还原力供应不足的现象，导致甲烷的产值较低，但是鲜有报道针对活性污泥厌氧发酵体 系还原力调控发酵过程的研究。因此，在厌氧消化产甲烷条件下维持反应系统合适的还原 力将能从厌氧呼吸强化方面提高沼气中甲烷含量以及甲烷自身代谢中合成更多的甲烷，达 到广甲烧的商效、可控生广，为提商結杆能源化利用效率提供新的思路。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种用于提高低劣生物质原料厌氧消化产甲烷能力的方法， 通过添加血晶素或维生素 K2，改善厌氧消化过程中还原力匮乏现象，加速厌氧消化过程中 水解速率，缩短发酵周期，并提高产甲烷菌活性，进而提高甲烷产量。
[0006] 为了实现上述目的，采取如下技术方案： 一种用于提高生物质原料厌氧消化产甲烷产量的方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 将生物质原料干物质切碎为l~5cm的小段，备用； (2) 取接种物备用； (3) 在厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述（2)的接种物，调整 C/N比，加入血晶素或维生素1(2，最后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为反应容器有效 容积的80% (v/v)，并调整初始pH ;其中，生物质原料干物质占上述80%有效容积的6?10% (g/100mL)，接种物占上述80%有效容积的60% (g/100mL)。
[0007] (4)封闭厌氧消化，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过摇动或搅拌方式使 物料反应均匀，24~36h内开始产生甲烷，并开始计算平均日产气量，当发酵进行到日产气量 低于平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新一轮投料或接种。该发酵过程中通过 静置培养，每天一次混合消化器中的物料使物料反应均匀，防止物料分层，使低劣生物质原 料与接种物均匀接触；或者在发酵过程中通过搅拌装置，时物料反应均匀。
[0008] 优选的，所述的生物质原料为秸杆原料或厨余垃圾；其中，所述的秸杆原料为麦秸 杆、水稻秸杆、玉米秸杆、薯类秸杆、油料秸杆、棉花秸杆、甘蔗渣、蔬菜秸杆、水葫芦一种或 几种混合。本发明方法适用于各种低劣的生物质原料，尤其是秸杆原料，充分利用了我国资 源丰富的农作物秸杆。
[0009] 本发明所述的接种物适用于任一产甲烷菌或复合菌(菌剂)。为了凸显本明在生产 清洁能源的同时实现环境净化，并且发酵剩余物还可以作为有机肥料，兼具能源、环保和生 态三方面效益，优选的，所述的接种物为、厌氧污泥或动物粪便。
[0010] 优选的，所述的厌氧污泥为老沼气池的沼渣、腐败河泥或城市污水处理厂的厌氧 消化污泥中的一种或多种。
[0011] 优选的，所述的动物粪便为猪粪、牛粪、鸡粪一种或几种混合。
[0012] 优选的，所述步骤（3)中C/N比调节至25: f 30:1，pH调节至7. (Γ7. 6。
[0013] 优选的，所述步骤（3)中血晶素或维生素 K2的添加量为lmg/L~50mg/L，优选的添 加量为 lmg/L"!〇mg/L。
[0014] 优选的，所述的厌氧消化发酵产甲烷的方式为分批培养发酵、补料分批培养发酵 或连续培养发酵。
[0015] 本发明的有益效果：本发明通过在生物质原料厌氧消化体系中添加微量的血晶素 或维生素1( 2，来强化厌氧发酵过程中呼吸链强度，提高厌氧效果过程中反应体系的还原力， 使NADH/NAD+维持在最佳的范围，从而促进水解及厌氧产甲烷过程，改善厌氧消化过程中还 原力匮乏现象，加速厌氧消化过程中水解速率，缩短发酵周期，并提高产甲烷菌活性，进而 大大提高厌氧发酵甲烷的产量。促使农业废弃物中的秸杆生物质及厨余垃圾能高效的以甲 烷的形式回收，进而消除秸杆原料为代表的农业废弃物的焚烧给环境带来的污染。厌氧消 化过程中添加的血晶素或维生素 K2量为lmg/L~50mg/L时，与未添加的普通农业废弃物及 厨余垃圾厌氧消化产甲烷相比，生物气的总产气量提高了 15%以上，生物气中有效成分甲 烷的平均含量提高10%以上。
[0016] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但并不因此限制本发明的内 容。
[0017] 本发明中调整C/N比的方法为：测定秸杆原料和接种底物的碳氮比，然后用一定 量的尿素调节反应体系的C/N比至25:1~30:1。
[0018] 实施例1本发明说明提高生物质原料厌氧消化产甲烷产量的方法 具体步骤如下： (1) 将麦秸原料切碎为3cm的小段，备用； (2) 老沼气池的沼渣作为接种物，备用； (3) 在有效容积为5L的厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述 (2)的接种物，调整C/N比至25:1，按每L有效容积lmg的量添加血晶素或维生素 K25mg，最 后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为4L，并调整初始pH至7. Ο ;其中，上述4L中，生物 质原料干重为240g，接种物为2. 4kg。
[0019] (4)封闭厌氧消化器，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过静置培养，至少每 天一次摇动消化器中的物料，防止物料分层，使秸杆原料与厌氧污泥均匀接触；24h开始产 甲烷，当日产气量低于平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新一轮投料或接种。
[0020] 厌氧消化过程中添加血晶素或维生素 K2与同等条件下未添加的普通农业废弃物 厌氧消化产甲烷相比，生物气的总产气量提高了 28. 3%和26. 2%，生物气中有效成分甲烷的 平均含量分别提高24. 5%和18. 7%。
[0021] 实施例2本发明说明提高生物质原料厌氧消化提高甲烷产量的方法 具体步骤如下： (1) 将水稻結杆原料切碎为5cm的小段，备用； (2) 取腐败河泥作为接种物，备用； (3) 在有效容积为5L的厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述 (2)的接种物，调整C/N比至30:1，按每L有效容积10mg的量添加血晶素或维生素 K250mg， 最后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为4L，并调整初始pH至7. 6 ;其中，上述4L中，含 有生物质原料400g，接种物为2. 4kg。
[0022] (4)封闭厌氧消化器，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过静置培养，至少每 天一次摇动消化器中的物料，防止物料分层，使秸杆原料与厌氧污泥均匀接触；28h开始产 生甲烷，当日产气量低于平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新一轮投料或接种。
[0023] 厌氧消化过程中添加血晶素或维生素 K2与同等条件下未添加的普通农业废弃物 厌氧消化产甲烷相比，生物气的总产气量提高了 27. 6%和23. 5%，生物气中有效成分甲烷的 平均含量分别提高23. 2%和16. 6%。
[0024] 实施例3本发明说明提高生物质原料厌氧消化提高甲烷产量的方法 具体步骤如下： (1) 将玉米秸杆原料切碎为4cm的小段，备用； (2) 取城市污水处理厂的厌氧消化污泥作为接种物，备用； (3) 在有效容积为5L的厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述 (2)的接种物，调整C/N比至30: 1，按每L有效容积50mg的量添加血晶素或维生素 K2250mg， 最后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为反应容器有效容积的4L，并调整初始pH至 7. 6 ;其中，上述4L中，生物质原料干重280g，接种物为2. 4kg。
[0025] (4)封闭厌氧消化器，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过搅拌使物料反应 均匀；36h内即可产生甲烷，当日产气量低于平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新 一轮投料或接种。
[0026] 厌氧消化过程中添加血晶素或维生素 K2与同等条件下未添加的普通废弃物厌氧 消化产甲烷相比，生物气的总产气量分别提高了 16. 1%和15. 6%，生物气中有效成分甲烷的 平均含量分别提高14. 2%和11. 3%。
[0027] 实施例4本发明说明提高生物质原料厌氧消化提高甲烷产量的方法 本实施例所用的生物质为薯类秸杆，本实施例中具体为甘薯、马铃薯、山药、芋类作物 結杆。
[0028] 具体步骤如下： (1) 将薯类秸杆原料切碎为lcm的小段，备用； (2) 取猪粪接种物，备用； (3) 在有效容积为5L的厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述 (2)的接种物，调整C/N比至25:1，按每L有效容积lmg的量添加血晶素或维生素 K25mg，最 后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为4L，并调整初始pH至7. 0 ;其中，在上述的4L，生 物质原料干重为320g，接种物为2. 4kg。
[0029] (4)封闭厌氧消化器，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过搅拌使物料反应 均匀；30h开始产生甲烷，当日产气量低于平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新一 轮投料或接种。
[0030] 厌氧消化过程中添加血晶素或维生素 K2与同等条件下未添加的普通废弃物厌氧 消化产甲烷相比，生物气的总产气量分别提高了 28. 2%和25. 5%，生物气中有效成分甲烷的 平均含量提高21. 3%和18. 7%。
[0031] 实施例5本发明说明提高生物质原料厌氧消化提高甲烷产量的方法 本实施例所用的生物质为油类秸杆，本实施例中具体为油菜、大豆、花生、芝麻、向日 葵、棉籽、蓖麻、苏子、油用亚麻和大麻的秸杆。
[0032] 具体步骤如下： (1) 油类秸杆原料切碎为4cm的小段，备用； (2) 取老沼气池的沼渣和腐败河泥的混合物作为接种物，备用； (3) 在有效容积为5L的厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述 (2)的接种物，调整C/N比至25:1，按每L有效容积10mg的量添加血晶素或维生素 K250mg， 最后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为4L，并调整初始pH至7. 0 ;其中，上述4L中，生 物质原料干重为400g，接种物为2. 4kg。
[0033] (4)封闭厌氧消化器，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过搅拌使物料反应 均匀；25h开始产生甲烷，当日产气量低于平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新一 轮投料或接种。
[0034] 厌氧消化过程中添加血晶素或维生素 K2与同等条件下未添加的普通废弃物厌氧 消化产甲烷相比，生物气的总产气量分别提高了 17. 2%和18. 3%，生物气中有效成分甲烷的 平均含量提高分别提高了 11. 4%和13. 1%。
[0035] 实施例6本发明说明提高生物质原料厌氧消化提高甲烷产量的方法 具体步骤如下： (1) 棉花秸杆和甘蔗渣原料切碎为5cm的小段，备用； (2) 取城市污水处理厂的厌氧消化污泥和腐败河泥的混合物作为接种物，备用； (3) 在有效容积为5L的厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述 (2)的接种物，调整C/N比至27:1，按每L有效容积20mg的量添加血晶素或维生素 K2100mg， 最后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为4L，并调整初始pH至7. 0 ;其中，上述4L，生物 质原料干重为400g，接种物为2. 4kg。
[0036] (4)封闭厌氧消化器，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过搅拌使物料反应 均匀；28h开始产生甲烷，当日产气量低于平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新一 轮投料或接种。
[0037] 厌氧消化过程中添加血晶素或维生素 K2与同等条件下未添加的普通废弃物厌氧 消化产甲烷相比，生物气的总产气量分别提高了 16. 7%和15. 1%，生物气中有效成分甲烷的 平均含量分别提高了 11. 7%和12. 1%。
[0038] 实施例7本发明说明提高生物质原料厌氧消化提高甲烷产量的方法 本实施例所用的生物质为蔬菜秸杆，本实施例中具体为叶菜类和瓜果类作物秸杆。
[0039] 具体步骤如下： (1) 蔬菜秸杆切碎为lcm的小段，备用； (2) 取城市污水处理厂的厌氧消化污泥作为接种物，备用； (3) 在有效容积为5L的厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述 (2)的接种物，调整C/N比至27: 1，按每L有效容积30mg的量添加血晶素或维生素 K2150mg， 最后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为4L，并调整初始pH至7. 0 ;其中，上述4L中，生 物质原料干重为400g，接种物为2. 4kg。
[0040] (4)封闭厌氧消化器，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过搅拌使物料反应 均匀；28h开始产生甲烷，当日产气量低于平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新一 轮投料或接种。
[0041] 厌氧消化过程中添加血晶素或维生素 K2与同等条件下未添加的普通废弃物厌氧 消化产甲烷相比，生物气的总产气量分别提高了 16. 7%和15. 6%，生物气中有效成分甲烷的 平均含量分别提高了 13. 3%和11. 6%。
[0042] 实施例8本发明说明提高生物质原料厌氧消化提高甲烷产量的方法 具体步骤如下： (1) 水葫芦和麦秸杆切碎为lcm的小段，备用； (2) 取猪粪和牛粪的混合物作为接种物，备用； (3) 在有效容积5L的厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述（2) 的接种物，调整C/N比至30:1，按每L有效容积40mg的量添加血晶素或维生素 K2200mg，最 后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为4L，并调整初始pH至7. 0 ;其中，上述4L，生物质 原料干重为240g，接种物为2. 4kg (4) 封闭厌氧消化器，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过搅拌使物料反应均匀； 25h开始产生甲烷，当日产气量低于平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新一轮投 料或接种。
[0043] 厌氧消化过程中添加血晶素或维生素 K2与同等条件下未添加的普通废弃物厌氧 消化产甲烷相比，生物气的总产气量分别提高15. 6%和15. 1%，生物气中有效成分甲烷的 平均含量分别提高了 10. 9%和11. 7%。
[0044] 实施例9本发明说明提生物质厌氧消化提高甲烷产量的方法 具体步骤如下： (1) 将厨余垃圾切碎为2cm的小段，放入-20°c冰箱冷藏备用； (2) 取牛粪和鸡粪的混合物作为接种物，备用； (3) 在有效容积5L 的厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述 (2)的接种物，调整C/N比至30:1，按每L有效容积lmg的量添加血晶素或维生素 K25mg，最 后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为4L，并调整初始pH至7. 6 ;其中，上述4L中，生物 质原料干重为400g，接种物为2. 4kg。
[0045] (4)封闭厌氧消化器，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过静置培养，至少 每天一次摇动消化器中的物料，防止物料分层，使原料与接种物均匀接触；26h开始产生甲 烷，当日产气量低于平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新一轮投料或接种。
[0046] 厌氧消化过程中添加血晶素或维生素 K2与同等条件下未添加的厨余垃圾厌氧消 化产甲烷相比，生物气的总产气量分别提高了 26. 3%和21. 8%，生物气中有效成分甲烷的平 均含量提高16. 2%和11. 1%应系统的还原力是促进。
[0047] 本发明中改善厌氧反应器中低劣生物质厌氧消化过程中整个反水解速率及甲烷 产量提高的关键。本发明是在厌氧反应器中，添加适量的血晶素或维生素 Κ2，提高反应系统 的还原力，使NADH/NAD+维持在最佳的范围，从而促进水解及厌氧产甲烷过程。在厌氧消化 器中调整运行条件，为厌氧微生物创造适宜的碳氮比及污泥停留时间、水力停留时间、pH值 等环境条件。通过添加适量血晶素或维生素 K2改善厌氧反应器中的还原力，促进水解菌及 产甲烷菌的生长及其活性，从而加速厌氧消化速率及提高反应系统甲烷的产量。
【权利要求】
1. 一种用于提高生物质原料厌氧消化产甲烷产量的方法，其特征在于，包括如下步 骤： (1) 将生物质原料干物质切碎为l~5cm的小段，备用； (2) 取接种物备用； (3) 在厌氧消化器中，加入上述（1)的生物质原料干物质以及上述（2)的接种物，调整 C/N比，加入血晶素或维生素1(2，最后用水补至整个厌氧消化器中所有物料为反应容器有效 容积的80%，并调整初始pH ;其中，生物质原料干物质含量占上述80%有效容积的6~10%，接 种物占上述80%有效容积的60% ; (4) 封闭厌氧消化，反应温度控制在35±2°C，发酵过程中通过摇动或搅拌方式使物料 反应均匀，24~36h内开始产生甲烷，并开始计算平均日产气量，当发酵进行到日产气量低于 平均日产气量的25%时，反应即可结束，进行新一轮投料或接种。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生物质原料为秸杆原料或厨余垃 圾；其中，所述的秸杆原料为麦秸杆、水稻秸杆、玉米秸杆、薯类秸杆、油料秸杆、棉花秸杆、 甘蔗渣、蔬菜秸杆、水葫芦一种或几种混合。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的接种物为厌氧污泥或动物粪便。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的厌氧污泥为老沼气池的沼渣、腐败 河泥或城市污水处理厂的厌氧消化污泥中的一种或多种。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的动物粪便为猪粪、牛粪、鸡粪一种 或几种混合。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3)中C/N比调节至25:1~30:1， 初始pH调节至7. (Γ7. 6。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3)中血晶素或维生素 K2的添 加量为lmg/L~50mg/L，优选的添加量为lmg/L~10mg/L。
8. 根据权利要求1-7所述的方法，其特征在于，所述的厌氧消化发酵产甲烷的方式为 分批培养发酵、补料分批培养发酵或连续培养发酵。
【文档编号】C12P5/02GK104152493SQ201410393473
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】奚永兰, 常志州, 叶小梅, 徐蓉, 杜静, 陈广银 申请人:江苏省农业科学院