一种秸秆干式厌氧发酵快速启动及稳定运行方法与流程

本发明属于农业环境工程和生物质能源领域，具体涉及一种秸秆干式厌氧发酵快速启动及稳定运行方法。

背景技术：

我国农业废弃物产生量约40多亿吨/年，是农业废弃物产量最大的国家。其中，农作物秸秆年产生量约为7.3亿吨，含稻秸2.3亿吨，小麦秸秆1.2亿吨，玉米秸秆2.2亿吨，其他秸秆1.6亿吨，总体利用率约65％，就地粉碎还田利用是较为普遍的处置方式。而在广大南方地区，全量还田产生的腐解液会对后茬作物生长产生“化感效应”，且可通过径流排放造成极大的农业面源污染。在此背景下，离田化产业发展迅猛，并呈现出饲料化、材料化、能源化等多元化技术特征，尤以厌氧发酵技术为核心的能源化利用方式应用最为广泛。

采用传统湿法厌氧发酵工艺处理秸秆，不仅需水量大、能耗高，且浮渣结壳问题会严重影响产气效率，为此干法厌氧发酵技术处理秸秆越来越受到关注。但由于水稻、小麦、玉米等纤维秸秆类农业废弃物c/n往往高达48:1～86:1，无法满足产酸菌、产甲烷菌等厌氧菌群的快速新陈代谢需要，单独厌氧发酵反应时间长，通常需要混合畜禽粪便、厨余垃圾、有机污泥等富氮物质发酵产沼，以此获得稳定的沼气生产。而在我国广大农村地区，种养不平衡，富氮有机废弃物获得性差，特别在水源水库区等环境敏感区域，出现了纯种植的单一农业经营模式。另外，秸秆细胞壁中纤维素由木质素和半纤维素包裹，而木质素有完整而坚硬的外壳，不易被生物降解，快速启动发酵反应困难。综上，尽管目前干式厌氧发酵工艺及反应器设计研究较多，并在餐厨垃圾、畜禽粪便的处理方面得到应用，但以高c/n秸秆类农业废弃物为主发酵原料的厌氧处理工程应用却鲜有报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种秸秆干式厌氧发酵快速启动及稳定运行方法，该方法基于单相干式厌氧发酵理论，通过优化秸秆预处理、启动阶段接种和料液回流等关键参数，能够实现高c/n秸秆类农业废弃物干式厌氧发酵的快速启动及稳定运行，实现高效处理秸秆和获取生物质能源的双重目的。

本发明的构思：考虑我国广大纯种植或多种植地区农业结构的特殊性，采用干式厌氧发酵技术处理秸秆，不仅能够产生清洁能源沼气，亦可生产高品质有机肥料或基质，沼气用于农产品加工、大棚保温等，沼渣有机肥可就地回田利用，无沼液产生杜绝后续处理压力，处置手段符合区域特点。因此，本发明通过系统性研究秸秆储存预处理、启动阶段接种物和氮源添加、运行阶段温控沼液回流等关键工艺参数，以实现高c/n秸秆类农业废弃物干式厌氧发酵的快速启动及稳定运行。

本发明的技术方案如下：

本发明一种秸秆干式厌氧发酵快速启动及稳定运行方法，包括：先将秸秆集中收集、破碎预处理，然后堆垛保存，在堆垛保存过程中，喷洒稀碱溶液或稀释沼液调节破碎秸秆的含固率在15～35％；之后，将堆垛保存后的破碎秸秆运至干式厌氧发酵装置处，启动厌氧发酵；启动厌氧发酵时，按照15-25％的接种比例接种鲜牛粪或奶牛场沼液，并加入n源添加物；最后，运行厌氧发酵；在运行厌氧发酵中，排渣经固液分离机处理，按需将一定比例的固液分离液(即沼液)回流至进料端，以调节控制反应物料含固率在10～20％，并定期补充n源添加物。

本发明的秸秆干式厌氧发酵快速启动及稳定运行方法，具体按以下步骤进行：

(一)秸秆预处理

根据农作物生长季节规律，收集秸秆，秸秆采用田间集中收集方式；将收集的秸秆进行集中机械破碎，水稻、小麦秸秆破碎至5cm以内，玉米等其它有机废弃物秸秆破碎至8cm以内。

(二)堆垛密闭保存

将破碎后的秸秆运至合理位置分散堆放(即堆成垛后存放)；在堆垛过程中，破碎秸秆每堆高10-20cm，均匀喷洒稀碱溶液或稀释沼液1次并压实；按照每吨秸秆喷洒120-180l稀碱溶液或稀释沼液，调节物料(破碎秸秆)的含固率在15～35％；破碎秸秆堆垛覆膜密闭，四周垫高压实，贮存至少30天以上。

进一步地，破碎秸秆堆垛的高度控制在5m以内，占地控制在30m²以内。

进一步地，在堆垛过程中，破碎秸秆每堆高15cm，均匀喷洒稀碱溶液或稀释沼液1次并压实；按照每吨秸秆喷洒150l，调节物料(破碎秸秆)的含固率在15～35％。

进一步地，所述的稀碱溶液为5-10mg/l的ca(oh)2溶液；所述的稀释沼液为处理系统固液分离液的8-12倍稀释液。

进一步地，破碎秸秆堆垛用hdpe膜覆盖，四周垫高压实，密闭贮存至少30天以上。

(三)启动厌氧发酵

将厌氧发酵所需物料(堆垛保存后的破碎秸秆)通过车辆运输至处理系统的干式厌氧发酵装置旁，经进料斗，通过进料器送入干式厌氧发酵装置的厌氧发酵池；

启动厌氧发酵时，在向进料斗中添加破碎秸秆的同时，按照15-25％的接种比(鲜重比)，同步在进料斗中添加鲜牛粪或奶牛场沼液，混合均匀后，经进料斗通过进料器送入厌氧发酵池。

并且，按照秸秆：猪粪为10:1-20:1(干重)的比例一次性添加n源添加物(猪粪、鸡粪或相应n含量的有机污泥、无机肥等)，经进料斗通过进料器送入厌氧发酵池，控制反应物料c/n≤50:1；

因猪粪富含有丰富的有机、无机n素及其他适于微生物活动的s、p等营养元素，且具有不同类型的厌氧微生物，较适合作n源添加物。在猪粪获得性差的情况下，可用相应n含量的有机污泥、鸡粪等代替。

(四)运行厌氧发酵

在运行厌氧发酵中，排渣经固液分离机处理，按需将一定比例的沼液(即固液分离液)通过回流泵回流至进料端，以调节控制反应物料含固率在10～20％；多余的沼液稀释后作为秸秆预处理后堆垛时的喷洒液；并定期补充n源添加物，保障厌氧发酵系统稳定运行。

进一步地，在运行厌氧发酵中，考虑能源自身消耗，通过保温措施控制反应物料温度为35～40℃，物料停留周期不少于30天。

进一步地，在运行厌氧发酵中，在调试产气率达300l/kgts以上、沼气ch4含量达60％以上后，每间隔10-20天集中补充添加1次n源添加物，按照每处理1吨秸秆(干重)补充添加25-75kgn源添加物(干重)；该n源添加物优选猪粪，也可为鸡粪、相应n含量的有机污泥或无机肥。

进一步地，所述的n源添加物为猪粪、鸡粪、有机污泥、无机肥中的一种或几种。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种秸秆干式厌氧发酵快速启动及稳定运行方法，该方法基于单相干式厌氧发酵理论，通过优化秸秆预处理、堆垛密闭保存、启动阶段的接种和稳定运行阶段的料液回流等关键参数，能够实现高c/n秸秆类农业废弃物干式厌氧发酵的快速启动及稳定运行，实现高效处理秸秆和获取生物质能源的双重目的。

本发明提供的一种秸秆干式厌氧发酵快速启动及稳定运行方法，可显著加快秸秆干式厌氧发酵启动速度，提升秸秆处理效率。启动厌氧发酵阶段，与未经预处理和堆垛密闭保存的秸秆直接发酵处理相比，产气峰值提前10天，达50％总产气量时间缩短3天以上；系统稳定运行后，干物质产气量超过350l/kgts，达理论产气量的70％以上，沼气ch4含量稳定在60％以上，秸秆半纤维素降解率在约10％左右，接近稻秸常规堆肥条件下的半纤维素9～15％的降解率。

本发明为我国农村地区提供了一种技术可行、连续稳定的秸秆干式厌氧发酵方法，不仅可解决农业废弃物处理问题，还能填补有机肥供应、提供清洁再生能源，可在推广秸秆机械化还田的同时，拓展秸秆处理利用的新途径。

附图说明

图1是本发明中的处理系统及干式厌氧发酵运行的示意图；

图2是本发明中的应用试验例1中的厌氧发酵系统运行曲线图；

图3是本发明中的应用试验例2中的厌氧发酵系统运行曲线图(日产气量)；

图4是本发明中的应用试验例2中的厌氧发酵系统运行曲线图(沼气中的ch4含量)。

图1中，1、破碎秸秆堆垛；2、破碎秸秆运输车辆；3、进料斗；4、进料器；5、干式厌氧发酵池；6、固液分离机；7、沼液回流泵。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本发明一种秸秆干式厌氧发酵快速启动及稳定运行方法，具体按以下步骤进行：

(一)秸秆预处理

根据农作物生长季节规律，收集秸秆，秸秆采用田间集中收集方式；将收集的秸秆进行集中机械破碎，水稻、小麦秸秆破碎至5cm以内，玉米等其它有机废弃物秸秆破碎至8cm以内。

(二)堆垛密闭保存

将破碎后的秸秆运至合理位置分散堆放(即堆成垛后存放)；在堆垛过程中，破碎秸秆每堆高15cm，均匀喷洒稀碱溶液或稀释沼液1次并压实；按照每吨秸秆喷洒150l左右，调节物料(破碎秸秆)的含固率在15～35％。其中，所述的稀碱溶液为8mg/l的ca(oh)2溶液；所述的稀释沼液为处理系统固液分离液的10倍稀释液；破碎秸秆堆垛的高度控制在5m以内，占地控制在30m²以内；破碎秸秆堆垛1用0.5mmhdpe膜覆盖，四周垫高压实，密闭贮存至少30天以上。

(三)启动厌氧发酵

将厌氧发酵所需物料(堆垛保存后的破碎秸秆)通过车辆2运输至处理中心的干式厌氧发酵装置(该干式厌氧发酵装置包括：进料斗3、进料器4、厌氧发酵池5、固液分离机6、回流泵7)旁，经进料斗3，通过进料器4将经预处理并堆垛保存后的破碎秸秆送入厌氧发酵池5。

启动厌氧发酵时，在向进料斗中添加破碎秸秆的同时，按照20％的接种比(鲜重比)，同步在进料斗3中添加鲜牛粪或奶牛场沼液，混合均匀后，经进料斗3通过进料器4送入厌氧发酵池5；

并且，按照秸秆：猪粪为15:1(干重)的比例一次性添加猪粪n源，经进料斗3通过进料器4送入发酵装置(厌氧发酵池5)，控制反应物料c/n≤50:1。

(四)运行厌氧发酵

运行厌氧发酵中，排渣经固液分离机处理，按需将一定比例沼液回流至进料端，用于调节反应物料含固率，并定期补充n源添加物，保障厌氧发酵系统稳定运行。

运行厌氧发酵中，考虑能源自身消耗，通过保温措施控制反应物料温度为35～40℃，物料停留周期不少于30天。

运行厌氧发酵中，排渣经固液分离机6处理，通过回流泵7将沼液(即固液分离液)回流至进料端，控制反应物料含固率在10～20％；多余的沼液稀释后作为秸秆预处理后堆垛时的喷洒液。

运行厌氧发酵中，在调试产气率达300l/kgts以上、沼气ch4含量达60％以上后，每间隔15d集中补充1次n源添加物，按照处理1吨秸秆(干重)补充添加50kg猪粪(干重)。

实施例2

本发明一种秸秆干式厌氧发酵快速启动及稳定运行方法，具体按以下步骤进行：

(一)秸秆预处理

根据农作物生长季节规律，收集秸秆，秸秆采用田间集中收集方式；将收集的秸秆进行集中机械破碎，水稻、小麦秸秆破碎至5cm以内，玉米等其它有机废弃物秸秆破碎至8cm以内。

(二)堆垛密闭保存

将破碎后的秸秆运至合理位置分散堆放(即堆成垛后存放)；在堆垛过程中，破碎秸秆每堆高20cm，均匀喷洒稀碱溶液或稀释沼液1次并压实；按照每吨秸秆喷洒180l左右，调节物料(破碎秸秆)的含固率在15～35％。其中，所述的稀碱溶液为10mg/l的ca(oh)2溶液；所述的稀释沼液为处理系统固液分离液的12倍稀释液；破碎秸秆堆垛的高度控制在5m以内，占地控制在30m²以内；破碎秸秆堆垛1用0.6mmhdpe膜覆盖，四周垫高压实，密闭贮存至少30天以上。

(三)启动厌氧发酵

将厌氧发酵所需物料(堆垛保存后的破碎秸秆)通过车辆2运输至处理中心的干式厌氧发酵装置(该干式厌氧发酵装置包括：进料斗3、进料器4、厌氧发酵池5、固液分离机6、回流泵7)旁，经进料斗3，通过进料器4将经预处理并堆垛保存后的破碎秸秆送入厌氧发酵池5。

启动厌氧发酵时，在向进料斗中添加破碎秸秆的同时，按照25％的接种比(鲜重比)，同步在进料斗3中添加鲜牛粪或奶牛场沼液，混合均匀后，经进料斗3通过进料器4送入厌氧发酵池5；

并且，按照秸秆：鸡粪为20:1(干重)的比例一次性添加鸡粪n源，经进料斗3通过进料器4送入发酵装置(厌氧发酵池5)，控制反应物料c/n≤50:1。

(四)运行厌氧发酵

运行厌氧发酵中，排渣经固液分离机处理，按需将一定比例沼液回流至进料端，用于调节反应物料含固率，并定期补充n源添加物，保障厌氧发酵系统稳定运行。

运行厌氧发酵中，考虑能源自身消耗，通过保温措施控制反应物料温度为35～40℃，物料停留周期不少于30天。

运行厌氧发酵中，排渣经固液分离机6处理，通过回流泵7将沼液(即固液分离液)回流至进料端，控制反应物料含固率在10～20％；多余的沼液稀释后作为秸秆预处理后堆垛时的喷洒液。

运行厌氧发酵中，在调试产气率达300l/kgts以上、沼气ch4含量达60％以上后，每间隔20天集中补充1次n源添加物，按照处理1吨秸秆(干重)补充添加75kg鸡粪(干重)。

实施例3

本发明一种秸秆干式厌氧发酵快速启动及稳定运行方法，具体按以下步骤进行：

(一)秸秆预处理

根据农作物生长季节规律，收集秸秆，秸秆采用田间集中收集方式；将收集的秸秆进行集中机械破碎，水稻、小麦秸秆破碎至5cm以内，玉米等其它有机废弃物秸秆破碎至8cm以内。

(二)堆垛密闭保存

将破碎后的秸秆运至合理位置分散堆放(即堆成垛后存放)；在堆垛过程中，破碎秸秆每堆高10cm，均匀喷洒稀碱溶液或稀释沼液1次并压实；按照每吨秸秆喷洒120l左右，调节物料(破碎秸秆)的含固率在15～35％。其中，所述的稀碱溶液为5mg/l的ca(oh)2溶液；所述的稀释沼液为处理系统固液分离液的8倍稀释液；破碎秸秆堆垛的高度控制在5m以内，占地控制在30m²以内；破碎秸秆堆垛1用0.5mmhdpe膜覆盖，四周垫高压实，密闭贮存至少30天以上。

(三)启动厌氧发酵

将厌氧发酵所需物料(堆垛保存后的破碎秸秆)通过车辆2运输至处理中心的干式厌氧发酵装置(该干式厌氧发酵装置包括：进料斗3、进料器4、厌氧发酵池5、固液分离机6、回流泵7)旁，经进料斗3，通过进料器4将经预处理并堆垛保存后的破碎秸秆送入厌氧发酵池5。

启动厌氧发酵时，在向进料斗中添加破碎秸秆的同时，按照15％的接种比(鲜重比)，同步在进料斗3中添加鲜牛粪或奶牛场沼液，混合均匀后，经进料斗3通过进料器4送入厌氧发酵池5；

并且，按照秸秆：有机污泥为10:1(干重)的比例一次性添加有机污泥n源，经进料斗3通过进料器4送入发酵装置(厌氧发酵池5)，控制反应物料c/n≤50:1。

(四)运行厌氧发酵

运行厌氧发酵中，排渣经固液分离机处理，按需将一定比例沼液回流至进料端，用于调节反应物料含固率，并定期补充n源添加物，保障厌氧发酵系统稳定运行。

运行厌氧发酵中，考虑能源自身消耗，通过保温措施控制反应物料温度为35～40℃，物料停留周期不少于30天。

运行厌氧发酵中，排渣经固液分离机6处理，通过回流泵7将沼液(即固液分离液)回流至进料端，控制反应物料含固率在10～20％；多余的沼液稀释后作为秸秆预处理后堆垛时的喷洒液。

运行厌氧发酵中，在调试产气率达300l/kgts以上、沼气ch4含量达60％以上后，每间隔10天集中补充添加1次n源添加物，按照处理1吨秸秆(干重)补充添加50kg有机污泥(干重)。

应用试验例1

以水稻秸秆为处理对象，用日处理100kg/d的干式厌氧发酵设备，采用本发明实施例1的方法进行干式厌氧发酵，观测厌氧发酵系统运行情况。

启动阶段，添加预处理并堆垛保存后的破碎稻秸从10kg/d逐步过渡到80kg/d，在第45天达到稳定进料80kg/d，奶牛场沼液接种物和猪粪n源按照相应比例添加。运行结果(见图2)显示，内部发酵物料在达35℃以后，日产气量逐步增速，首个产气峰值为19.5m³/d，沼气中ch4含量稳定在60～70％，可不经脱水脱硫直接燃烧；第47天开始按20kg/d的量排渣，沼渣含固率约19.5％，低于发酵原料的59.5％。按照稳定进出料60天的观测数据计算，干物质产气量达361.7l/kgts，达到了理论产气量的71.1％；在稳定进料阶段，前面运行一段时间后，按20kg/d添加猪粪n源(图2中的6月22日到7月22日)，但从停止添加猪粪之后的第32天，单日产气量下降至10.3m³/d，产气量削减近50％；之后，连续3天，按照100kg/d添加鲜猪粪(图2中的8月25-27日)即集中补充添加猪粪300kg后，单日产气量逐步回升至20m³/d上下，再运行一段时间单日产气量达到25-30m³/d，说明针对纤维秸秆类农业废弃物，干式厌氧发酵过程中定期补充n源十分重要。

应用试验例2

以水稻秸秆为处理对象，采用4套全自动不锈钢厌氧发酵罐装置(非标定制)，单个厌氧发酵罐罐体容积5l，采用本发明实施例1的方法进行干式厌氧发酵，观测厌氧发酵系统运行情况。

首先，将稻秸粉碎至≤3cm后堆垛密闭保存1个月；然后，启动厌氧发酵，按20％的接种比(鲜重比)接种奶牛场沼液；之后，运行厌氧发酵，排渣经固液分离机6处理，通过回流泵7将沼液(即固液分离液)回流至进料端，控制反应物料含固率在20％(即进料ts控制为20％)，反应温度35℃，每12h搅拌翻动物料30min，搅拌机转速20r/min；分2批考察启动厌氧发酵时8个梯度的猪粪接种量对秸秆干式厌氧发酵效率的影响。

运行结果(见图3、图4)显示，综合考虑沼气产量和质量，稻秸：猪粪为15:1(干重，c/n为50:1)最优，干物质日产气率7.35m³/d·tts，达80％总产气量在第28d，ch4含量达50％时间为第12d，与低c/n组无差别，但优于其他高c/n处理组在总产气量和ch4含量达50％时间上的表现，说明秸秆干式厌氧发酵c/n最好控制在50:1以下为宜。