一种多原料协同厌氧发酵方法与流程

本发明属于厌氧发酵领域；具体涉及一种多原料协同厌氧发酵方法。

背景技术：

能源是人类赖以生存的物质基础，是国民经济的基本支撑，经济与社会的可持续发展更加离不开能源与环境的协调发展。近年来，现代化和工业化进程逐步加快，加大了人类对化石能源(煤、石油、天然气等)的需求量，日益严峻的环境污染和环境恶化问题也随之而来。因此，大力开发利用包括生物质能源在内的可再生清洁能源显得尤为重要，这也是当前人类面临的新课题。

生物质能源是可再生能源的一个重要组成类型，也是我国目前重点鼓励的新能源之一，它是诸多新能源中最安全稳定的能源。生物质能来源广、成本低，是中国农村生活所用能源的主要来源。我国是生物质资源大国，拥有丰富的生物质能源，主要包括农作物秸秆、薪柴、畜禽粪便、餐厨垃圾、生活垃圾、工业有机废渣与废水等。据统计，可开发的生物质资源约为7亿t标准煤，其中农作物秸秆约占50％左右。我国每年可产生7亿多吨的农作物秸秆，但我国的秸秆资源利用率较低，仅为33％左右，除部分秸秆用于工业原料、牲畜饲料、造肥还田和气化供能外，其余大多被丢弃或焚烧，不仅浪费了生物质资源，还会引发火灾、污染周遭环境。同时，中国是世界上最大的畜禽养殖国家，每年有大量畜禽粪便产生，2016年产生的畜禽粪便达25.45亿t，折合0.54亿t标准煤，若不妥善处理，会造成严重的环境问题，如恶臭和渗滤液的产生。与此同时，随着我国经济的快速增长、城市化进程的加快和人民生活水平的普遍提高，城市生活垃圾的产生量也在快速增加。有许多城市每天产生生活垃圾量在4000t以上，其中餐厨垃圾约占50％，餐厨垃圾是指日常家庭、学校、单位、公共食堂以及饭店餐饮行业的食物废料、餐饮剩余物、食品加工废料及不可再食用的动植物油脂和各类油水混合物，是城市生活垃圾的一部分。

现代化生物质能源的合理资源化利用，不但能提高我国能源的安全水平，也有利于缓解由于化石能源的使用所造成的温室效应和生态环境保护问题。其中，生物燃气即沼气，是组成生物质能源的重要部分，与液体生物能源相比，它具有分离成本低、容易发酵生产和分离纯化等特点，较易实现产业化应用，被认为是理想的清洁能源。

技术实现要素：

本发明目的是把养殖业、种植业和城市典型废弃物结合起来，利用多原料协同厌氧发酵工艺制取生物燃气，提供了一种多原料协同厌氧发酵方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种多原料协同厌氧发酵方法，包括如下步骤：

步骤1、收集秸秆、将收集后的秸秆粉碎至1～2cm，粉碎后的秸秆逐层填装在用于秸秆黄贮的容器中，黄贮80～90d，待用；

步骤2、收集动物粪便，餐厨垃圾，待用；

步骤3、按照一定挥发性固体质量比将步骤1制备的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾混合均匀，得到发酵原料，待用；

步骤4、将步骤3得到的发酵原料加入发酵罐中，加水调整发酵液的浓度为8～10％，然后加入一定量的沼液，混合均匀后进行厌氧发酵，发酵温度为50～60℃，厌氧发酵25～30d。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤1中黄贮含水率为60～70％。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤2中所述的动物粪便包括牛粪、猪粪、鸡粪中的一种或几种的混合。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤2中所述的动物粪便为牛粪和猪粪的混合物。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为1～10：1～10：1～10。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为1：1：1。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为1：2：1。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为2：1：2。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤4中的发酵液的浓度为8％，沼液的浓度为5.5～6.5％，发酵液和沼液的体积比为100：30～35。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤4中发酵温度为55℃，厌氧发酵的时间为30d。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，富n原料主要是禽畜粪便和餐厨垃圾，其c/n一般小于25。牲畜粪便中含有多种微生物，其中便包含产甲烷过程所需要的微生物，如芽孢杆菌，大肠杆菌，乳酸菌，纤维素菌，产甲烷菌等。牲畜粪便的结构较为致密，发酵时产生的气体不能被及时释放，气体累积导致介质传递受阻，不利于发酵的进行，且其单独发酵可能会产生氨抑制作用。而餐厨垃圾中有机物含量高、蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等含量丰富并富含氮、磷、钾、钙及各种微量元素。可为沼气发酵提供所需的营养原料。禽畜粪便和餐厨垃圾的降解和产气速度较快，发酵周期短。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，富c原料主要是木质纤维类原料，包括农作物秸秆和能源作物等，农作物秸秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素等大分子物质复杂交错而构成的，其c含量较高，c/n一般在30以上，但是单一发酵时消化率低、分解速度较慢、厌氧消化时间长，且易在料液表层出现漂浮结壳现象，影响微生物的深入降解，产气量较低、产气周期长。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，农作物秸秆含碳量高，当秸秆单独发酵时易产生较高浓度的挥发性脂肪酸(vfa)，致使ph下降，抑制甲烷菌的活性；牲畜粪便中有较多的含氮物质(蛋白质等)，它们分解后产生的氨态氮(nh4⁺-n)对vfa造成的ph下降具有缓冲作用。故将富氮的粪便与贫氮的农作物秸秆合理混合发酵，不仅能调节发酵体系的碳氮比(c/n)，还可避免其单独作为发酵原料时的不足，有利于优化发酵条件，从而有效提高沼气产量。牲畜粪便、餐厨垃圾与秸秆混合厌氧发酵还可以产生大量的有机生态肥—沼渣。施用沼渣可以提高土壤肥力，从而降低了施用化学肥料对土壤造成的污染，促进生态农业建设。

本发明所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，利用农作物秸秆、牲畜粪便和餐厨垃圾等生物质厌氧发酵产生沼气，不仅实现了有机废弃物的资源化利用、减轻环境污染，对于解决能源短缺问题也具有重要意义。

附图说明

图1为具体实施方式一方法的发酵时间-ph值曲线；

图2为具体实施方式一方法的发酵时间-cod去除率曲线；

图3为具体实施方式一方法的发酵时间-日产气量曲线；

图4为具体实施方式一方法的发酵时间-甲烷含量曲线；

图5为具体实施方式二方法的发酵时间-ph值曲线；

图6为具体实施方式二方法的发酵时间-cod去除率曲线；

图7为具体实施方式二方法的发酵时间-日产气量曲线；

图8为具体实施方式二方法的发酵时间-甲烷含量曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：

一种多原料协同厌氧发酵方法，包括如下步骤：

步骤1、收集秸秆、将收集后的秸秆粉碎至1～2cm，粉碎后的秸秆逐层填装在用于秸秆黄贮的容器中，黄贮80～90d，待用；

步骤2、收集动物粪便，餐厨垃圾，待用；

步骤3、按照一定挥发性固体质量比将步骤1制备的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾混合均匀，得到发酵原料，待用；

步骤4、将步骤3得到的发酵原料加入发酵罐中，加水调整发酵液的浓度为8～10％，然后加入一定量的沼液，混合均匀后进行厌氧发酵，发酵温度为50～60℃，厌氧发酵25～30d。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤1中黄贮含水率为60～70％。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤2中所述的动物粪便为牛粪和鸡粪的混合物。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为1：1：1。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤4中的发酵液的浓度为8％，沼液的浓度为5.95％，发酵液和沼液的体积比为100：30。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤4中发酵温度为55℃，厌氧发酵的时间为30d。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，进行发酵时间-ph值曲线测定如图1所示，发酵时间-cod去除率曲线测定如图2所示，发酵时间-日产气量曲线如图3所示，发酵时间-甲烷含量曲线测试如图4所示，其中图中a组添加0wt％的鸡粪、b组添加30wt％的鸡粪、c组添加50wt％的鸡粪、d组添加70wt％的鸡粪、e组添加100wt％的鸡粪。从图中能够看出，发酵过程中发酵液的ph值稳定在6～8之内，随着鸡粪含量添加量的增加，cod去除率增大，日产气量也相对于单一的牛粪增加，甲烷含量也相对于单一的牛粪增加。

具体实施方式二：

一种多原料协同厌氧发酵方法，包括如下步骤：

步骤1、收集秸秆、将收集后的秸秆粉碎至1～2cm，粉碎后的秸秆逐层填装在用于秸秆黄贮的容器中，黄贮80～90d，待用；

步骤2、收集动物粪便，餐厨垃圾，待用；

步骤3、按照一定挥发性固体质量比将步骤1制备的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾混合均匀，得到发酵原料，待用；

步骤4、将步骤3得到的发酵原料加入发酵罐中，加水调整发酵液的浓度为8～10％，然后加入一定量的沼液，混合均匀后进行厌氧发酵，发酵温度为50～60℃，厌氧发酵25～30d。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤1中黄贮含水率为60～70％。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤2中所述的动物粪便为牛粪和猪粪的混合物。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为1：1：1。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤4中的发酵液的浓度为8％，沼液的浓度为5.95％，发酵液和沼液的体积比为100：30。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，步骤4中发酵温度为55℃，厌氧发酵的时间为30d。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，发酵液体积为650ml。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，进行发酵时间-ph值曲线测定如图5所示，发酵时间-cod去除率曲线测定如图6所示，发酵时间-日产气量曲线如图7所示，发酵时间-甲烷含量曲线测试如图8所示，其中图中a组添加0wt％的猪粪、b组添加30wt％的猪粪、c组添加50wt％的猪粪、d组添加70wt％的猪粪、e组添加100wt％的猪粪。从图中能够看出，发酵过程中发酵液的ph值稳定在6～8之内，随着猪粪含量添加量的增加，cod去除率增大，日产气量也相对于单一的牛粪增加，甲烷含量也相对于单一的牛粪增加。

本实施方式所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，农作物秸秆含碳量高，当秸秆单独发酵时易产生较高浓度的挥发性脂肪酸(vfa)，致使ph下降，抑制甲烷菌的活性；牲畜粪便中有较多的含氮物质(蛋白质等)，它们分解后产生的氨态氮(nh4⁺-n)对vfa造成的ph下降具有缓冲作用。故将富氮的粪便与贫氮的农作物秸秆合理混合发酵，不仅能调节发酵体系的碳氮比(c/n)，还可避免其单独作为发酵原料时的不足，有利于优化发酵条件，从而有效提高沼气产量。牲畜粪便、餐厨垃圾与秸秆混合厌氧发酵还可以产生大量的有机生态肥—沼渣。施用沼渣可以提高土壤肥力，从而降低了施用化学肥料对土壤造成的污染。

具体实施方式三：

本实施方式与具体实施方式二不同的是，猪粪的添加量为70wt％，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为1：2：1。

具体实施方式四：

本实施方式与具体实施方式二至三之一不同的是：猪粪的添加量为70wt％，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为1：1：2。

具体实施方式五：

本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：猪粪的添加量为70wt％，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为1：2：2。

具体实施方式六：

本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：猪粪的添加量为70wt％，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为2：1：1。

具体实施方式七：

本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：猪粪的添加量为70wt％，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为2：2：1。

具体实施方式八：

本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是：猪粪的添加量为70wt％，步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为2：1：2。

具体实施方式二至具体实施方式八所述的一种多原料协同厌氧发酵方法，对于650ml的发酵液体积，发酵30天后酵总产气量和日产气量对比如表1所示：

表1产气量对比表

从表1中能够看出，当步骤3中所述的黄贮秸秆、动物粪便、餐厨垃圾的挥发性固体质量比为2：1：2时，30日厌氧发酵能够实现最高总产气量8585ml，日产气量286ml。