一种农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法与流程

1.本发明涉及农作物秸秆清洁处理和高效利用领域，具体涉及一种农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法。


背景技术：

2.我国是农业大国，每年粮食产量和消耗量居世界第一，由此产生大量农作物秸秆，年生成量超过7亿吨，尚缺乏有效的大规模利用途径，目前主要采用还田、填埋和焚烧方式处理，即污染了环境又造成了资源浪费。农作物秸秆的综合利用已成为我国发展绿色农业和新农村建设亟需解决的难题。
3.生物质沼气发酵是指以畜牧粪便、农作物秸秆、餐余垃圾、农副产品加工等各类有机废弃物为原料，进行沼气生产的过程。传统沼气发酵是在低浓度下进行(浓度一般低于10％)，并多以畜牧粪便为主要原料，发酵过程需消耗大量水资源；同时，沼气发酵过程排出的污水难以处理，易造成二次污染，尤其对大规模沼气发酵厂而言，现有的以农作物秸秆为主要原料生产沼气，还没有成熟的工艺，更没有产业化应用。
4.制浆造纸是国民经济的重要组成，我国每年消耗纸浆超过1亿吨。然而，我国制浆原料严重匮乏，对外依存度超过50％，对国民经济和国家安全造成了一定威胁。传统的制浆造纸原料以木材为主，如杨木和桉木，在制浆原料短缺和农作物秸秆难以处理的背景下，以农业秸秆为原料进行制浆造纸工艺研究已经成为热点。现有的农业秸秆造纸生产过程，主要包括备料、汽蒸、化学预浸渍和盘磨等步骤，其中在备料、汽蒸和化学预浸渍等步骤中产生大量固废和液废，难以处理，目前固废主要采用焚烧方式进行处理，造成严重污染；废液则采用厌氧发酵结合芬顿深度氧化的方式进行处理，成本较高，因此，制浆造纸过程固废和液废的处置己成为阻碍行业发展的最重要难题，亟需寻求清洁处理途径。。
5.农作物秸秆属于农业生态系统中一种十分宝贵的生物质资源，农作物秸秆资源的综合利用对于促进农民增收、环境保护、资源节约以及农业经济可持续发展意义重大。因此，如何以农业秸秆为原料，联产纤维、沼气以及生物肥料等产物，实现农业秸秆的清洁处理、全质和高效利用，是摆在人们面前的重要问题。


技术实现要素：

6.针对农业秸秆的处理成本高、污染大以及难处理等技术问题，本发明要解决的问题是提供一种农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，实现农业秸秆的清洁处理、全质和高效利用。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
8.一种农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，以农业秸秆和畜禽粪便为原料，先采用机械制浆方法对农业秸秆进行处理获得备料废弃物、制浆废液和纤维，然后将备料废弃物、制浆废液与畜禽粪便混合进行发酵获得生物沼气、沼液和沼渣，对沼渣进行堆肥处理获得固体生物有机肥，沼液为液体生物有机肥直接使用。
9.所述的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，步骤如下：
10.1)农业秸秆预处理获得草片和备料废弃物；
11.2)对草片进行清洗、汽蒸软化、双螺杆挤压机处理，获得汽蒸液和汽蒸物料；
12.3)对汽蒸物料预浸渍，然后进行机械磨浆，并对磨浆物料进行洗涤、消遣等步骤，获得纤维和高浓洗浆液；
13.4)混合备料废弃物、汽蒸液、高浓洗浆液、粪便，调节c/n比和ph，进行厌氧发酵，收集沼气；发酵结束后进行固液分离，获得沼液和沼渣；沼液则为液态有机肥；
14.5)沼渣进行堆肥处理，获得固体生物有机肥。
15.所述的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，在纤维生产过程中，汽蒸段蒸汽温度为100-140℃，汽蒸温度为90-120℃，保温时间10-60min。
16.所述的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，预浸渍段过程，氢氧化钠用量为1％-10％，物料浓度为10％-30％，反应温度为90-120℃，保温10-60min。
17.所述的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，汽蒸段采用双螺杆挤压机进行固液分离；化学预浸渍物料进行盘磨处理，而后加入少量水洗涤，获得纤维和高浓洗浆液。
18.所述的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，体系固形物浓度为5-10％，c/n比为20-30，ph为7.8-8.4，密封进行厌氧发酵。
19.所述的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，沼气发酵的条件为温度35-40℃，ph值7.8-8.4，发酵时间为30-60d。
20.所述的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，所述农业秸秆包括稻草、麦草、玉米秸秆和棉杆。
21.所述的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，步骤如下：
22.1)农业秸秆经过切割和筛选，除去其中的叶、穗和皮等备料废弃物，并获得草片；
23.2)对上述草片进行水洗除杂，脱水，获得水洗物料，洗涤水经过沉淀除去其中的粉尘、沙土等杂质，重复用于草片水洗；
24.3)将水洗物料转移至汽蒸仓，并通入100-140℃高温蒸汽，在90-120℃下保温10-60min，进行汽蒸软化；汽蒸后，采用双螺杆挤压机进行固液分离，获得汽蒸液和汽蒸物料；
25.4)向上述汽蒸物料中加入相当于绝干重量1％-10％的氢氧化钠，并加入适量水使得体系固形物浓度为10-30％，并混合均匀，输入至预浸渍仓；向预浸渍仓通入100-140℃高温蒸汽，保持在90-120℃下预浸渍10-60min；获得预浸渍物料。
26.5)将预浸渍物料输入至盘磨机中打浆，磨浆过程磨片和磨盘间距为0.1mm，盘磨处理4遍，获得不同游离度农业秸秆纤维；而后，进行高浓洗浆、消遣、洗涤筛选等步骤，获得纸浆纤维；
27.6)汽蒸液和高浓洗浆液混合后，向其中加入备料废弃物，调整体系浓度为5-10％，并补充粪便混合，调整c/n为20-30，并调节ph值为7.8-8.4，将体系密封后，于35-40℃下厌氧发酵1-2月，收集沼气；
28.7)发酵结束后，固液分离，获得沼液和沼渣；沼渣运输至堆场在20-30℃下自然发酵10-15d后，风干，获得固体生物有机肥；沼液则为液态有机肥。
29.所述的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法所获得的纤维、生物沼
气和生物有机肥。
30.本技术的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，在纸浆纤维生产中，农业秸秆首先进行备料，以去除其中的杂细胞等不能用于纤维生产的组分，并收集物料和备料废弃物。物料首先进行水洗，除去其中的灰分、尘土等杂质，而后通入高温蒸汽进行汽蒸软化。汽蒸后物料采用双螺杆挤压机进行固液分离，并获得汽蒸物料和汽蒸液；汽蒸物料中加入适量氢氧化钠后，再次通入高温蒸汽，进行化学预浸渍；预浸渍物料采用盘磨机进行打浆，盘磨处理的物料经过高浓洗浆(产生高浓洗浆液)、消遣、洗涤筛选等步骤，获得纸浆纤维。在厌氧发酵过程中，汽蒸液和高浓洗浆液混合后，加入适量秸秆备料废弃物，并补充适量畜牧粪便，密封进行发酵；发酵结束后，固液分离，沼渣经堆肥处理后风干，获得固体生物有机肥；沼液则为液体有机肥。通过大量实验证实，将化学机械法纤维制造过程的废液(汽蒸液和高浓洗浆液)混合，加入适量备料废弃物(固废)，用于发酵，可产生大量沼气，同时沼气发酵的沼液和沼渣均可用于生物有机肥的生产，通过本方法可实现农业秸秆的全质、资源化利用，为农业秸秆的清洁处理提供了新出路。
31.有益效果：与现有技术相比，本发明采用农业秸秆为原料，在生产纸浆纤维的同时，对生产过程产生的液废(汽蒸液和高浓洗浆液)及固废(备料废弃物)进行综合利用，充分利用纤维生产废液的特点(即ph弱碱性、废液中富含碳水化合物)，实现了沼气的高效、高品质制备。经过大量实验证实，采用化学机械法对农业秸秆进行制浆获得纤维，并利用制浆过程产生的废液为基质，添加备料废弃物进行厌氧发酵制备沼气，沼气发生量大幅提升，沼气发酵后产生的沼渣和沼液均为天然生物质有机肥，且技术指标均超越对应的国家标准。可见，本技术实现了农业秸秆的全质化和资源化利用，是一条绿色环保且高效益的工业化生产工艺，具有非常好的工业应用价值。
附图说明
32.图1是本技术的工艺流程图；
33.图2是工艺产沼气发生量结果图；
34.图3是沼气中甲烷含量结果图。
具体实施方式
35.以下结合具体实施例对本发明作进一步阐述。实施例实为说明而非限制本发明。本领域中任何普通科技人员能够理解这些实施例不以任何方式限制本发明，可做适当的修改而不违背本发明的实质和偏离本发明的范围。
36.本技术提供的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，工艺流程如图1所示，以农业秸秆和畜禽粪便为原料，先采用机械制浆方法对农业秸秆进行处理获得备料废弃物、制浆废液和纤维，然后将备料废弃物、制浆废液与畜禽粪便混合进行发酵获得生物沼气、沼液和沼渣，对沼渣进行堆肥处理获得固体生物有机肥，沼液为液体生物有机肥直接使用。
37.在具体生产时，本技术的农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，在纸浆纤维生产中，农业秸秆首先进行备料，以去除其中的杂细胞等不能用于纤维生产的组分，并收集物料和备料废弃物。物料首先进行水洗，除去其中的灰分、尘土等杂质，而后通入高
温蒸汽进行汽蒸软化。汽蒸后物料采用双螺杆挤压机进行固液分离，并获得汽蒸物料和汽蒸液；汽蒸物料中加入适量氢氧化钠后，再次通入高温蒸汽，进行化学预浸渍；预浸渍物料采用盘磨机进行打浆，盘磨处理的物料经过高浓洗浆(产生高浓洗浆液)、消遣、洗涤筛选等步骤，获得纸浆纤维。在厌氧发酵过程中，汽蒸液和高浓洗浆液混合后，加入适量秸秆备料废弃物，并补充适量畜牧粪便，密封进行发酵；发酵结束后，固液分离，沼渣经堆肥处理后风干，获得固体生物有机肥；沼液则为液体有机肥。主要的核心技术如下：
38.1、农业秸秆包括稻草、麦草、玉米秸秆和棉杆等，在农业秸秆预处理时，农业秸秆经过切割和筛选，除去其中的叶、穗和皮等备料废弃物，并获得草片；然后对草片进行水洗除杂，脱水，获得水洗物料，所使用的水经过沉淀除去其中的粉尘、沙土等杂质，重复用于草片水洗；此工艺所有原料得以分类和处理，所使用的水得以重复使用，没有新的污染物出现，也没有废料产生。
39.2、机械制浆：对草片进行汽蒸软化、双螺杆挤压机处理，获得汽蒸液和汽蒸物料；对汽蒸物料预浸渍，然后进行机械磨浆，并对磨浆物料进行洗涤、消遣等步骤，获得纤维和高浓洗浆液；汽蒸段蒸汽温度为100-140℃，汽蒸温度为90-120℃，保温时间10-60min；汽蒸后，采用双螺杆挤压机进行固液分离，获得汽蒸液和汽蒸物料；预浸渍段过程，氢氧化钠用量为1％-10％，物料浓度为10％-30％，反应温度为90-120℃，保温10-60min；化学预浸渍物料进行盘磨处理，而后加入少量水洗涤，获得纤维和高浓洗浆液。向上述汽蒸物料中加入相当于绝干重量1％-10％的氢氧化钠，并加入适量水使得体系固形物浓度为10-30％，并混合均匀，输入至预浸渍仓；向预浸渍仓通入100-140℃高温蒸汽，保持在90-120℃下预浸渍10-60min；获得预浸渍物料；将预浸渍物料输入至盘磨机中打浆，磨浆过程磨片和磨盘间距为0.1mm，盘磨处理4遍，获得不同游离度农业秸秆纤维；而后，进行高浓洗浆、消遣、洗涤筛选等步骤，获得纸浆纤维；
40.3、发酵产生物沼气：混合备料废弃物、汽蒸液、高浓洗浆液、粪便，调节c/n比和ph，体系固形物浓度为5-10％，c/n比为20-30，ph为7.8-8.4，密封进行厌氧发酵；沼气发酵的条件为温度35-40℃，ph值7.8-8.4，发酵时间为30-60d。收集沼气；发酵结束后进行固液分离，获得沼液和沼渣；沼液则为液态有机肥。
41.4、制备生物有机肥：沼渣运输至堆场在20-30℃下自然发酵10-15d后，风干，获得固体生物有机肥；沼液则为液态有机肥。
42.采用农业秸秆为原料，在生产纸浆纤维的同时，对生产过程产生的液废(汽蒸液和高浓洗浆液)及固废(备料废弃物)进行综合利用，充分利用纤维生产废液的特点(即ph弱碱性、废液中富含碳水化合物)，实现了沼气的高效、高品质制备。经过大量实验证实，采用化学机械法对农业秸秆进行制浆获得纤维，并利用制浆过程产生的废液为基质，添加备料废弃物进行厌氧发酵制备沼气，沼气发生量大幅提升，沼气发酵后产生的沼渣和沼液均为天然生物质有机肥，且技术指标均超越对应的国家标准。可见，本技术实现了农业秸秆的全质化和资源化利用，是一条绿色环保且高效益的工业化生产工艺，具有非常好的工业应用价值。
43.实施例1
44.一种农业秸秆联产纤维、生物沼气和生物有机肥的方法，具体步骤如下：
45.1)稻草经过切割和筛选，除去其中的叶、穗、皮等备料废弃物，并获得草片。
46.2)对上述草片进行水洗除杂，脱水，获得水洗物料，所使用的水经过沉淀除去其中的粉尘、沙土等杂质，重复用于草片洗涤。
47.3)将水洗物料转移至汽蒸仓，并通入110℃高温蒸汽，在95℃下保温30min，进行汽蒸软化；汽蒸后，采用双螺杆挤压机(tspi)进行固液分离，获得汽蒸液和汽蒸物料，检测汽蒸液生化指标。
48.4)向上述汽蒸物料中加入相当于绝干重4％的氢氧化钠，并补充适量自来水，调节体系固形物浓度为30％，并混合均匀，输入至预浸渍仓。向预浸渍仓通入110℃高温蒸汽，保持在95℃下预浸渍30min。预浸渍后，获得预浸渍物料。
49.5)将预浸渍物料输入至盘磨机中，在磨盘和磨片间距为0.1mm下进行打浆，盘磨4次(每次磨浆后取样分析，结果见表1)，从而获得不同游离度秸秆纤维。而后，进行高浓洗浆(获得高浓洗浆液)、消遣、洗涤筛选等步骤，获得纸浆纤维；检测高浓洗浆液生化指标。
50.表1农业秸秆纤维性能
51.项目盘磨1次盘磨2次盘磨3次盘磨4次加拿大游离度(csf)，ml390240160110紧度，g/cm30.420.440.500.54松厚度，cm3/g2.392.262.001.84耐破数，kpa.m2/g1.301.751.831.90撕裂数，mn.m2/g5.755.034.874.39伸长率，％0.91.01.01.1抗张能量吸收，j/m29.2111.7813.8813.88抗张指数，n.m/g28.5836.5841.7545.65裂断长，km2.6503.2223.8794.251
52.通过本方法，生产的秸秆纤维性能如表1所示。由表1可知，在4％氢氧化钠用量下，随着盘磨次数的增加，所得纤维游离度从390降低至240、160和110ml，表明纤维解离度来越高；同时，可以发现，纤维手抄片的松厚度逐渐降低，这主要是因为磨浆过程农业秸秆纤维发生解离，暴露更多羟基，从而使得纤维之间的连接变多；随着纤维解离，其手抄片的力学性能提高，以抗张强度为例，从盘磨一遍的28.58n
·
m/g上升至盘磨4遍的45.65n
·
m/g。可以发现经过2-3次盘磨处理的农业秸秆纤维，其力学强度已达到瓦楞纸和箱板纸的要求，能够用于上述纸产品的制备。
53.表2纤维生产废液ph值和各碳水化合物含量
[0054] ph葡萄糖(g/l)木糖(g/l)低聚糖(g/l)汽蒸液5.90.150.691.32高浓洗浆液6.70.680.955.67
[0055]
在农业秸秆纤维生产过程中，各阶段废液的性质和其中碳水化合物含量如表2所示。由表2可知，各阶段废水均呈弱酸性，分别为5.9和6.7，这主要是因为高温导致半纤维素乙酰基部分脱落，形成了乙酸等弱酸。农业秸秆经过汽蒸和氢氧化钠浸渍后部分碳水化合物溶出，其中可检出的碳水化合物主要包括葡萄糖、木糖和部分低聚糖。在汽蒸阶段，麦草在高温下发生软化，但其中溶出的碳水化合物较少，分别为葡萄糖0.15g/l、木糖0.69g/l和低聚糖1.32g/l；碳水化合物溶出主要发生在氢氧化钠浸渍阶段，在浸渍段，氢氧化钠进攻
半纤维素和纤维素，导致其部分降解，并且降解产物主要以低聚物形式存在，高浓洗浆液中低聚物含量达到5.67g/l，此外葡萄糖和木糖分别为0.68g/l和0.95g/l。综上所述，在纤维生产过程中，碳水化合物尤其是半纤维素大量降解，降解产物主要以低聚物形式存在，是一类优质的微生物碳源。
[0056]
6)汽蒸液和高浓洗浆液混合后，取2.5l混合液，向其中加入备料废弃物，使得体系固形物浓度为8％，并补充适量畜禽粪调节体系c/n比为25，同时采用氢氧化钠溶液调整体系ph为8.1，输入至发酵罐密封后在38℃下进行厌氧发酵60d，发酵期间检测沼气发生量和沼气中甲烷含量。
[0057]
纤维生产废液厌氧发酵过程，沼气发生量如图2所示。从图2中可以看出，利用废液(汽蒸液和高浓洗浆液)进行沼气发酵显著，产气过程有2次高峰期。产气速度方面，前一周为菌种适应期，该过程产气量较低；在经过菌种适应期后，产气量逐渐上升，并且在第25天达到稳定值～500ml/天，为第一个产气高峰期，该过程持续10d；第35天开始，产气量迅速上升，可能是由于加入的备料废弃物降解所致，该过程持续至第50d，并达到峰值863ml/天，之后稍有降低。与传统发酵制备沼气工艺(以水替代本方法中的汽蒸液和高浓洗浆液，其他参数相同)相比，本工艺的日产气量明显更高，这主要是因为废液中富含低分子量碳水化合物，甲烷菌能够直接利用，因而产气效率高。
[0058]
发酵过程中，沼气中有效组分甲烷含量变化如图3所示。从图3中可以看出，气体中甲烷含量总体呈稳定上升趋势，并出现2个稳定期。在使用纤维生产废液为发酵媒介的体系中，发酵初始(第二天)，沼气中甲烷含量即可达25％，而传统工艺中初始阶段未检测到甲烷含量。之后，甲烷含量处在相对稳定的水平，保持在30％左右；发酵10天后，沼气中甲烷含量再次上升，并在14天达到56％；两周后，气体中甲烷含量缓慢上升，并且在发酵第24天时，沼气中甲烷含量达到最大值，为69％；之后，气体中甲烷含量逐渐下降，并最终降低为41％(30天)。结果表明，厌氧发酵过程，微生物能够迅速利用废液中的碳水化合物为碳源，进行甲烷的生产。与传统方法使用水为介质相比，甲烷含量明显更高，表明本方法所产的沼气品质更高。
[0059]
7)发酵结束后，采用离心方式固液分离，获得沼液和沼渣。
[0060]
表4沼液中重金属和有机质含量
[0061]
指标本产品含量国家标准(ny1110)总砷(g/l)0.0050.01总汞(g/l)0.0040.005总铅(g/l)0.0150.05总铬(g/l)0.0350.05腐殖质(％)4.13.0
[0062]
对沼液中常见重金属和腐殖质含量进行检测，结果如表4所示。由表4可知，沼液中总砷、总汞、总铅和总铬含量分别为0.005、0.004、0.015和0.035g/l，其含量低于国家标准(ny 1110-2010水溶肥料汞、砷、镉、铅、铬的限量要求)；此外，沼液中腐殖质含量为4.1％，高于国家标准3.0％。结果表明采用本工艺产生的液体有机肥安全性达到国家标准，同时富含植物生长所需的腐殖质。
[0063]
8)沼渣置于25℃和50％湿度的恒温恒湿培养箱中进行堆肥处理，堆肥过程每12h
将沼渣翻动一遍，促进氧气流通和微生物代谢生长，10d后将堆肥后沼渣取出并自然风干，获得固体生物有机肥。
[0064]
表5固体有机肥指标含量
[0065]
指标本产品含量国家标准有效活菌数(cfu)0.530.2有机质(％)68.325水分(％)11.215ph7.95.5-8.5蛔虫卵死亡率(％)98.5＞98
[0066]
对获得的固体有机肥各指标进行检测，结果如表5所示。由表5可知，有机肥含水仅为11.2％，同时有机质含量高达68.3％，远高于国家标准(ny 884-2012《生物有机肥》)的25％；同时，由于本有机肥采用厌氧发酵法制备，其有效活菌数达到0.53cfu，高于国家标准的0.2cfu，表明所制备的有机肥能够有效提高土壤肥力，减少化肥使用量。此外，因厌氧发酵体系ph值为8.1，所得有机肥ph与之接近，为7.9；同时，其蛔虫卵死亡率达到98.5％，表明有机肥对土壤污染小。综上，本有机肥各主要指标均达到国家标准，具有替代市场上常用有机肥的潜力。