厌氧发酵预处理方法与流程

本发明属于可再生能源开发利用领域，具体属于一种多种原料混合厌氧发酵的预处理方法。

背景技术：

随着人类对可持续发展和保护地球环境的日益重视，生物质资源的开发利用引起了广泛关注，其厌氧发酵产生沼气作为一种重要途径越来越受到人们的关注。沼气是有机物质在厌氧条件，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体，在处理固废方面，厌氧生物处理技术主要处理对象为高含水率的易生物降解原料，如下水道污泥、畜禽粪便等。而稻秆作为农业生产中数量最大的副产品也是厌氧生物处理技术的主要对象。但由于稻秆由木质素、纤维素、半纤维素、果胶和蜡质等化合物成，且质轻蓬松，导致其厌氧发酵过程中经常出现漂浮结壳的问题，分解速度慢，产气周期长，转化效率低。长期以来，人们一直在不停的探索破解上述难题的技术途径，有的使用物理方法，有的使用化学方法，还有的使用生物方法，但由于受经济性的制约，上述方法很难投入实际工程应用。随着人类对开发利用生物质能需求的日益增加，如何寻求上述问题的突破已经成为一处亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上面所述缺陷，提供一种厌氧发酵预处理方法，该方法能有效解决稻秆厌氧发酵过程中出现的漂浮结壳问题，加快分解速度，缩短产气周期，提高沼气转化效率。

本发明的目的是通过以下技术方法予以解决的。

厌氧发酵预处理方法，其特征在于，包含下面所述步骤：

①稻②稻秆在水解池中采用沼液回流曝气处理后进入发酵罐进行厌氧发酵；

②病死猪采用高温消解进行无害化处理，其出料进入匀浆池，与养殖粪污混合后，预热进入发酵罐进行厌氧发酵。

步骤①中所述沼液回流曝气处理为：稻秆粉碎粒径至＜20mm，曝气温度为35℃，曝气开闭时间为15min，曝气风量为150nm³空气/h，压力为500mbar。

步骤①中所述水解池内m稻秆∶m沼液＝1∶9。

步骤①中所述沼液回流曝气处理每小时搅拌5min，搅拌速度为20rpm，曝气处理12小时。

步骤①中所述稻秆含水量＜20%。

步骤②中无害化处理病死猪为：连续24小时的高温环境实现灭活病原体，利用芽孢杆菌分解脂肪酶，蛋白质酶降解有机物。

步骤②中无害化处理病死猪过程中锯末添加量为病死猪重量的20%，菌种添加量为病死猪重量的0.2%。

本发明的有益效果是：⒈本发明对稻秆进行沼液回流曝气处理后，纤维表面结构中的部分半纤维素和中性可溶成分被溶出，进而引起纤维结构的局部崩解，破坏稻秆结构中木质素的包裹，促进稻秆充分溶胀和软化，使其在发酵罐内不易漂浮结壳，提高了稻秆的产甲烷速率，且周期短、产率高。⒉本发明将病死猪作为原料，经高温消解后，出料平均产率约为72.06%，且该出料的单位物料产甲烷量为277.8mlch4/gvs，产甲烷能力强。⒊本发明方法简单，适应性强，操作简便，达到了进料浓度不低于10%的技术目标，可实现连续式、大批量、自动化生产加工，大幅度提高甲烷的生产效率，降低生产成本，提高产量，提高经济效益的目的，便于推广利用。

附图说明

图1为本发明发酵物料预处理工艺流程图。

图2为本发明稻秆粒径对产甲烷速率的影响图。

图3为本发明曝气处理对稻秆中各成分含量的影响图。

图4为本发明病死猪无害化处理流程图。

具体实施方式

实施例1。

厌氧发酵预处理方法，包含下面所述步骤：

厌氧发酵预处理方法，其特征在于，包含下面所述步骤：

①稻②稻秆在水解池中采用沼液回流曝气处理后进入发酵罐进行厌氧发酵；

②病死猪采用高温消解进行无害化处理，其出料进入匀浆池，与养殖粪污混合后，预热进入发酵罐进行厌氧发酵。

步骤①中所述沼液回流曝气处理为：稻秆粉碎粒径至＜20mm，曝气温度为35℃，曝气开闭时间为15min，曝气风量为150nm³空气/h，压力为500mbar。

步骤①中所述水解池内m稻秆∶m沼液＝1∶9。

步骤①中所述沼液回流曝气处理每小时搅拌5min，搅拌速度为20rpm，曝气处理12小时。

步骤①中所述稻秆含水量＜20%。

步骤②中无害化处理病死猪为：连续24小时的高温环境实现灭活病原体，利用芽孢杆菌分解脂肪酶，蛋白质酶降解有机物。

步骤②中无害化处理病死猪过程中锯末添加量为病死猪重量的20%，菌种添加量为病死猪重量的0.2%。

实验例。

1稻秆预处理关键技术研究。

稻秆质轻、蓬松、表面含蜡质层，厌氧发酵前需要进行预处理，一是破坏木质素的包裹；二是促进稻秆充分溶胀，使其在发酵罐内不易漂浮结壳。基于上述情况，本发明从实验室和工程应用两个阶段进行应用试验与技术验证。其中：考察粒径、曝气、能耗等因素对稻秆预处理的影响；通过工程应用，进行沼液回流预处理稻秆的工艺研究。

1.1稻秆粒径对沼气制备的影响研究。

表1粉碎粒径与能耗的理论值分析

由表1，在理论上，粉碎能耗与粉碎物对数几何平均粒度主要呈二次曲线关系，当原料粒径粉碎至某一尺寸后，能耗急剧上升。因此，基于沼气工程进料管路、螺杆泵等对物料的需求，本实验重点测试<20mm和<5mm两种粒径对沼气制备能力的影响，并结合粉碎试验的能耗测试综合分析最适工程应用的粒径范围。

1.1.1材料与方法。

（1）试验材料。

①稻秆：取自江西省农业科学院水稻所试验田。

②接种物：取自罗坊镇沼气站1号发酵罐。

表2试验原料的基本性质

（2）试验方法。

①稻秆粒径对产甲烷能力的影响。

采用产甲烷潜力分析系统（amptsⅱ，bioprocess），对比分析不同粒径稻秆对产甲烷能力的影响。实验参数：

vs接种物：vs物料=2:1；

发酵温度35℃；

发酵浓度ts=6%；

稻秆粒径：<20mm、<5mm；

搅拌参数：每小时搅拌10min、转速120rpm；

每个实验处理设三个重复。

②稻秆不同粒径的粉碎能耗测定。

选择沼气站采购的稻秆粉碎机（曲阜时睿龙机械，rlsj-700，37kw）对稻秆(含水量<12%)进行粉碎试验（筛片直径20mm和5mm），测定2种粒径范围（<20mm、<5mm）所需的粉碎能耗与产出。

1.1.2结果与分析。

（1）粉碎粒径对稻秆产甲烷能力的影响。

表3稻秆不同粒径对产甲烷量的影响

试验结果表明：粒径越小，单位物料的产甲烷量越高（表3），小粒径的单位产甲烷量较粗粒径提高了19.2%。其原因是其产甲烷速率（mlch4/h）存在明显差异（图2：前160h的产甲烷速率图）。当粒径＜5mm时，产甲烷速率呈现较明显的两个产甲烷峰（t峰1=3h，v峰1=20ml/h；t峰2=39-70h，v峰2=17-18ml/h），随后进入下行通道，并在100h后逐渐低于粒径（＜20mm）。当粒径＜20mm时，仅在厌氧发酵初期有一个清晰的产甲烷峰（t峰1=7h，v峰1=15ml/h），随后从第18h开始，产甲烷速率（10ml/h）均处于一种相对平稳状态。综上所述，仅从产甲烷特性的角度分析，粒径（<5mm）是要明显优于<20mm，能够在较短的时间将产甲烷潜力释放出来。

（2）两种粒径粉碎的能耗分析。

从表4可知，粉碎至（<5mm）所需的能耗是粒径（<20mm）的4倍，生产效率约为其的1/5。经核算，每吨粒径（<5mm）稻秆理论上可多产沼气66.9m3（折电量为107度），扣除粉碎时多消耗的59.5度电后，净余47.5度电。尽管沼气增产可以足额抵消电耗，但基于粉碎时间和人力成本考虑，本发明后续试验及工程应用使用孔径20mm的筛片。

表4稻秆粉碎粒径与能耗、产出测试结果

1.1.3结论。

对于稻秆来说，粒径越细，单位物料的产甲烷量越高；但是粉碎所需的能耗也越高。在工程应用中，还需要结合沼气站的人力、时间成本等因素考虑。因此，本发明选择<20mm的粒径开展后续试验。

1.2实验室模拟沼液曝气处理对稻秆的影响。

在实验室模拟沼气曝气处理稻秆试验，综合考察曝气、温度等因素对稻秆预处理效果的影响。

1.2.1材料与方法。

试验原料：a稻草秸秆取自江西省农业科学院水稻所试验田，粉碎至<20mm备用；b沼液取自罗坊镇沼气站沼液池。

表5试验原料的基本性质

（1）考察曝气与温度因素对稻秆浸润的影响。

利用水浴锅、小型曝气泵（yee01型）等仪器，在实验室模拟稻秆曝气处理实验。①称取10g稻秆（1-2cm）于500ml烧杯，按m稻秆：m沼液=1:9的比例接入沼液，随后进行曝气处理；②每小时搅拌5min（搅拌速度为20rpm）；③试验评价指标以稻秆完全沉降不浮于液面的时间为依据。④本试验每个处理设三个重复。

表6曝气试验设计

（2）曝气处理对稻秆基本性质的影响。

本实验采用范式法测定曝气处理前后，稻秆中木质素、纤维素、半纤维素及中性可溶性物质（蛋白质、脂类、部分糖类）的占比含量变化及稻秆的质量损失率。

称取10g稻秆（1-2cm）于500ml烧杯中，按按m稻秆：m沼液=1:9的比例接入沼液，随后进行35℃曝气处理12h。①采用ph计测定曝气前后样品的ph值；②采用重量法测定曝气前后稻秆的质量，计算质量损失率；③采用范式法测定曝气前后稻秆中各成分的百分含量，并以其各自的质量为基数计算木质素、纤维素、半纤维素、中性可溶性成分及灰分等成分的质量；④每个试验处理设三个重复。

1.2.2结果与分析。

（1）曝气与温度因素对稻秆浸润沉降的影响。

表7试验结果

从表7可知，曝气处理是加速稻秆浸润并沉降的关键因素，能够将5d的处理时间缩短至1d内。此外，提高温度可进一步加快稻秆的沉降速度，但在35℃以上，效果差异不明显。因进料要求，水解池温度基本控制在35℃左右，所以，稻秆的曝气温度选择35℃。

（2）曝气处理对稻秆基本性质的影响。

表8曝气前后沼液的ph及稻秆质量变化数据

本试验中的沼液取自罗坊沼气站，因其发酵原料是以猪粪为主，所以沼液ph略微偏碱（ph=8.17±0.04），曝气后，沼液ph无显著性变化。但稻秆的质量损失明显，由曝气前的10g降低至7.92g，质量损失率为20.8%。

成分分析试验（如图3）进一步证实：损失部分主要集中在半纤维素和中性可溶性成分（蛋白质、脂类及部分可溶性糖），其余组分（木质素、纤维素、灰分）无明显变化。推测其原因是在偏碱性的水溶液条件下，部分半纤维素和水溶性的成分被溶出，进而导致稻秆纤维结构的局部崩解，这也是曝气后稻秆易被降解的主要原因。

1.2.3结论。

稻秆在曝气增温处理后，纤维表面结构中的部分半纤维素和中性可溶性成分被溶出，进而引起纤维结构的局部崩解，进而促使稻秆的溶胀和软化，使其不易于浮在液面。

1.3基于工程应用的沼液曝气预处理稻秆工艺研究。

罗坊沼气站的水解池为一个由钢筋混凝土结构的圆柱体（φ=2.5m、h=5m），有效容积约80m³，配有搅拌、曝气和控温系统。本试验考察在35-38℃条件下，额定曝气量与曝气压力，研究间歇式曝气对稻秆处理效果的影响，以此建立一套适宜稻秆预处理的工艺。

1.3.1材料与方法。

试验材料：

a稻草秸秆取自江西省新余市渝水区罗坊镇水稻田，粉碎至<20mm备用；

b沼液取自罗坊镇沼气站沼液池。

表9试验原料的基本性质

（1）间歇式曝气时间对稻秆预处理的影响。

采用罗茨鼓风机，对水解池内的稻秆进行间歇式曝气（曝气风量为150nm³空气/h，压力为500mbar），以稻秆沉降时间和水解物的溶氧量为评价指标，分析曝气时间对稻秆预处理效果的影响。曝气时间见表10。

水解池内首次添加沼液量和秸秆量分别为68m³和6t。曝气处理后，采用螺杆泵注入1/3个体积的水解进入发酵罐内，然后按照首次添加的比例补充沼液和稻秆，依次循环进行。本试验中，每个试验处理连续跟踪监测7个循环。

表10试验原料的基本性质

1.3.2结果与分析。

表11试验原料的基本性质

由表11可知，曝气的间歇时间对稻秆完全沉降的时间无显著性，但对水解物中的溶氧量影响比较明显。在沼气发酵中，物料中的溶氧量越低，对罐内的厌氧冲击越小，因此，选择开闭时间15min作为稻秆间歇式曝气的控制条件。

2病死猪高温消解工艺研究。

2.1无害化处理设备。

病死猪处理的无害化处理采用广州益康生环保科技的破碎、加热、搅拌、发酵、烘干一体化设备。该设备基于高温生物发酵技术原理，利用设备产生的连续24小时的高温环境实现灭活病原体，利用芽孢杆菌分解的脂肪酶、蛋白质酶降解有机物的特性，实现动物尸体无害化降解处理。设备综合分切、绞碎、发酵、杀菌、干燥等多个同步环节，把畜禽尸体等废弃物快速降解处理为有机原料，其中：产生的出料可作为沼气发酵原料或是有机肥原料，分离出的油脂作为工业用油。

2.2病死猪高温消解试验。

2.2.1试验材料与方法。

试验材料：病死猪，取自江西省新余市罗坊镇周边的猪场。

试验设计：连续处理6个批次病死猪，每个批次病死猪重量约100kg，锯末添加量为病死猪重量的20%，菌种添加量为病死猪重量的0.2%。采用自动产甲烷潜力测试系统测试病死猪出料的产甲烷潜力，以此评价其作为发酵物料的再利用价值。

表12病死猪高温消解试验

由表12可知，病死猪高温消解后，出料平均产率约为72.06%。此外，病死猪的单位物料产甲烷量为277.8mlch4/gvs，具有一定的应用潜力，可以作为后续厌氧发酵产沼气的原料使用。

2.2.2病死猪的实际处理量及成本运行分析。

从2015年4月27日开始处理病死猪以来，共无害化处理病死猪3550头（其中：2015年处理1581头、2016年1月-7月处理1969头），总重量约为330吨。每t的处理成本约为471.08元。其成本分析见表13。

表13病死猪处理成本分析

项目实施期间，无害化处理的病死猪基本为大猪（60-100kg/头），政府的补贴政策为80元/头。仅从无害化处理环节分析，病死猪的无害处理可以实现收支平衡。

3沼气发电余热对发酵物料预热的理论补偿分析与实际运行情况。

本发明补偿分析仅针对发酵过程中用于新进物料预热的能耗补偿进行分析，发酵启动环节不在考虑之内。

本发明中沼气发电（1组80kw的发电机组日均工作8h）以自用为主，其中分别：1）供气系统中的沼气压缩机；2）进料出料提升；3）热水循环泵；4）病死猪处理设备；5）液肥、固肥生产用电；6）沼气站日常用电。通过近两年的运行与监测，每日的发电余热可较为富裕的满足发酵物料的预加热；即使是在冬季，也略有盈余。

表14沼气发电余热补偿分析

4总结。

一是生猪养殖粪污有粪便与养殖废水组成，需要在匀浆池内沉淀除砂、预热后即可进入发酵罐。

二是水稻秸秆因质地较轻、纤维结构致密等特点，无法直接用于厌氧发酵，需要经过粉碎和浸泡处理。试验结果表明：1）综合厌氧产甲烷能力、粉碎能耗和产出速率等因素考虑，稻秆粒径控制在<20mm更为经济；2）沼液回流联合曝气处理可以在24h内快速浸润稻秆，使其沉降，解决发酵罐内稻秆易漂浮结壳等问题。

三是病死猪高温消解后，出料平均产率约为72.06%，且该出料的单位物料产甲烷量为277.8mlch4/gvs，具备作为产沼气原料的使用价值。

本发明公开和要求保护的所有系统、工艺、方法和组合物可以按照本发明公开的内容进行和料行，不需要过度的试验。尽管本发明的系统、工艺、方法和组合物以优选实施方式的形式进行了描述，但本领域技术人员显然知晓，在不背离本发明的概念、精神和范围的情况下可以对所述系统、工艺、方法和组合物以及在此描述的方法的步骤或者步骤的顺序进行变化。所有这些对于本领域技术人员来说显而易见的相似替代或改变被认为是在由所附权利要求限定的本公开的精神、范围和概念之内。

文中：1.ts：总固形物浓度（单位，%）；2.vs：挥发性固体物浓度（单位，%）；3.氨氮浓度；（nh4+-n）；4.挥发性脂肪酸浓度；（volatilefattyacids，vfas）；5.碳酸氢盐（tic）碱度。