利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷的方法与流程

本发明属于水稻秸秆无害化利用技术领域，尤其涉及一种利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷的方法。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：

水稻是中国主要粮食作物，水稻年秸秆产量达1.752×108t。生物饲料、生物质发电、秸秆还田和厌氧发酵是水稻秸秆四种主要利用方式。由于秸秆的营养成分含量较低、运输成本高和温室气体的产生，水稻秸秆在生物饲料、生物质发电和秸秆还田的应用上受到了限制。将秸秆通过厌氧发酵产生物甲烷的方法无疑能解决上述问题。秸秆的厌氧发酵又分罐(池)体发酵和田间发酵。前者是利用罐(池)体将秸秆运回粉碎后单独或与其它有机体混合发酵，这种技术的甲烷产率较高，但设施生产和运输成本高，且容易在渣液处理过程中产生污染。另外一种是由日本名城大学田村广人教授研发出一种利用水田在农闲季节直接生产生物甲烷的技术(简称“get系统”)。该技术是在水稻收割后，将稻草秸秆切碎，夹杂农田土壤分层堆积，然后用薄膜覆盖并通过水淹创造无氧发酵环境来进行分解产甲烷。该技术既能把秸秆转换为无害的生物燃料，减少温室气体排放，又能改善土壤结构，增强土壤肥力。通过厌氧发酵还可杀死秸秆中的病源虫卵，避免秸秆直接还田引起的作物病虫害问题。因此该技术被认为是一种水稻秸秆的无害化生态利用方式。但该技术因发酵基质的成分单一，含碳量过高，而影响了秸秆的转化率。此外，我国每年还因家畜养殖产生大量有机废弃物，有机物的不当处置常产生环境污染和农田病虫害传染。因此，亟需一种新的利用水稻秸秆与农家肥田间混合厌氧发酵产生物甲烷(bmf)的技术以解决现有技术中存在的问题以及养殖有机废弃物的环境污染问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：

秸秆的厌氧发酵利用方式分为设施发酵和田间发酵，设施发酵存在运输成本高和废渣废液处理困难的问题。目前的田间发酵均采用秸秆单一基质发酵，由于发酵成分单一，含碳量过高，使得秸秆的转化率和产甲烷率较低。。

解决上述技术问题的难度：

秸秆厌氧发酵产生物甲烷的过程包括秸秆酸解、中间体的产生和生物甲烷的产生等多个阶段，每个阶段都需要相应的微生物群落参与。而发酵基质微生物的繁殖需要适当的碳氮比，由于秸秆的碳含量高，微生物的繁殖常常受到限制，由此而影响到秸秆的厌氧发酵进程，使得秸秆的降解和甲烷的生产受到影响。

解决上述技术问题的意义：

通过适当添加养殖有机废弃物，可以把发酵基质的碳氮比调整到适宜于微生物繁殖的范围，促进厌氧发酵微生物菌群的繁殖与增长，从而促进厌氧发酵产生物甲烷进程。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷的方法(bmf)。

本发明是这样实现的，一种利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，选择渗漏性较低的水稻田，在水稻收获后，将水稻田划分为14m²(7m(长)×2m(宽))的地块，地块之间间距0.5m。将地块中的土壤挖出，形成深约20cm的土坑。

步骤二，将秸秆粉碎(长5-10cm)，称取100kg的秸秆粉末，与一定量的农家肥混合配成发酵基质。

步骤三，将步骤二获得的秸秆与农家肥的混合物与水稻土相间分6层堆置在步骤一得到的土坑内成垄。

步骤四，在步骤三所得的垄的四周挖出宽5cm、深25cm的深沟。

步骤五，将面积为14m²(7m(长)×2m(宽))的覆盖膜将发酵基质垄全面覆盖，并将覆盖膜的四周放入深沟，填满水稻土，并压实。

步骤六，往稻田灌水形成无氧发酵环境，使步骤五得到的用膜覆盖的堆积体被水淹没。

步骤七，将生物甲烷收集袋的集气阀门与覆盖膜出气阀门对接。

步骤八，定期观察集气袋的气体收集状态，当集气袋收满时，更换集气袋，并将集气袋的气体转运贮藏或直接利用。

步骤九，在试验区域外围四周埋置长2m木桩若干，设置隔离网，并在生产地外围防火设置警示牌。

进一步，步骤三中，所述第一层混合物占总量的60％，第二层占总量的30％，第三层占总量的10％。

进一步，所述覆盖膜、生物甲烷收集袋均由红泥塑胶做成。

进一步，步骤六中，所述田间水面比垄的高度低10cm。

进一步，所述覆盖膜、生物甲烷收集袋上均配集气管和控制阀门。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷的方法的利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷的装置。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提供的利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷(bmf)的方法，能直接方便、高效地将水稻秸秆与农家肥混合发酵分解转化为生物甲烷并收集利用，既降低了生产设备和运输成本，解决了农家肥的无害化处置问题，还提高了生物甲烷的产率，改良了农田土壤肥力，减少农田病虫害的发生，值得推广使用。本发明有利于减少目前秸秆其它利用方式的不足，如直接还田的温室气体的排放、沼气池发酵废渣与渣液污染、生物质发电运输成本高等问题，达到无害化处理农田秸秆的目的。

本发明将秸秆与农家肥混合配成的发酵基质，有利于提高秸秆的转化率；本发明将混合发酵基质与土壤分层相间堆积，有利于充分利用稻田土壤中所含有的与秸秆分解和甲烷生成的微生物菌群；本发明用覆盖膜覆盖发酵基质和土壤，并用水淹没，便于形成一种无氧的发酵环境；本发明用集气袋收集生物甲烷并加以利用，减少了温室气体的排放。

附图说明

图1是本发明实施例提供的利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷(bmf)的方法流程图。

图2是本发明实施例提供于2018年在宜昌市农科所进行，每个试验的试验地地面积各为960平方米，试验场面图。

图中：a实验处理效果图；b实验场地图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术发酵成分单一，含碳量过高，影响秸秆的转化率；同时沼气池发酵废渣与渣液会污染环境、生物质发电运输成本高。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷(bmf)的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的一种利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷(bmf)的方法包括以下步骤：

s101：选择渗漏性较低的水稻田，在水稻收获后，将水稻田划分为14m²(7m(长)×2m(宽))的地块，地块之间间距0.5m。将地块中的土壤挖出，形成深约20cm的土坑。

s102：将秸秆粉碎(长5-10cm)，称取100kg的秸秆粉末，与一定量的农家肥混合配成发酵基质。

s103：将s102获得的秸秆与农家肥的混合物与水稻土相间分6层堆置在步骤一得到的土坑内成垄；其中，第一层混合物占总量的60％，第二层占总量的30％，第三层占总量的10％。

s104：在s103所得的垄的四周挖出宽5cm、深25cm的深沟。

s105：将面积为14m²(7m(长)×2m(宽))、由红泥塑胶做成的覆盖膜(上配有集气管和控制阀门)将发酵基质垄全面覆盖，并将覆盖膜的四周放入深沟，填满水稻土，并压实。

s106：往稻田灌水形成无氧发酵环境，使s105得到的用膜覆盖的堆积体被水淹没，田间水面比垄的高度低10cm。

s107：将由红泥塑胶做成的生物甲烷收集袋(上配有集气管和控制阀门)的集气阀门与覆盖膜出气阀门对接。

s108：定期观察集气袋的气体收集状态，当集气袋收满时，更换集气袋，并将集气袋的气体转运贮藏或直接利用。

s109：在试验区域外围四周埋置长2m木桩若干，设置隔离网，并在生产地外围防火设置警示牌。

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本发明实施例提供的一种利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷(bmf)的方法包括以下步骤：

1)堆积坑的准备：选择渗漏性较低的水稻田，在水稻收获后，将水稻田划分为12个14m²(7m(长)×2m(宽))的地块，地块之间间距0.5m。将地块中的土壤挖出，形成深约20cm的堆积坑。

2)混合发酵基质的配置：将秸秆粉碎(长约5-10cm)，将水稻秸秆与猪粪按照125kg:120kg、100kg:100kg、80kg:80kg、70kg:70kg分别配置，分别标记为e1、e2、e3和e4)，并搅拌均匀。同时设置相应的对照120kg、100kg、80kg、70kg(分别标记为ck1、ck2、ck3和ck4)。

3)发酵基质与稻田土壤的间隔堆积：将上述混合物与水稻土相间分6层堆置成垄，其中第一层混合物占总量的60％，第二层占占总量的30％。第三层占总量的10％。

4)盖膜密封：将面积为14m²(7m(长)×2m(宽))、由红泥塑胶做成的覆盖膜(上配出气管和控制阀门)将发酵基质垄全面覆盖，并将覆盖膜的四周放入深沟，填满水稻土，并压实。往稻田灌水，使田间水面接近垄的高度(低10cm左右)。

5)集气袋的对接：将由红泥塑胶做成生物甲烷收集袋(上配集气管和控制阀门)的集气阀门与覆盖膜出气阀门对接。

6)气体收集与测定：定期观察集气袋的气体收集状态，当集气袋收满时，更换集气袋，并将集气袋的气体进行体积与浓度的测定，并换算成产量。结果表明，各处理的产气量和产气浓度均显著高于其对照(p<0.05)，其中以e2处理的产气量最高，比对照高668.26％，其次分别为e1、e3和e4。以e4的产气浓度最高，比对照高85.55％，其次分别为e2、e3和e1。单位面积的产气量以e2最高。具体实验数据见表1。

表1本发明实施例1具体实验数据

实施例2

本发明实施例提供的一种利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷(bmf)的方法包括以下步骤：

1)堆积坑的准备：选择渗漏性较低的水稻田，在水稻收获后，将水稻田划分为12个14m²(7m(长)×2m(宽))的地块，地块之间间距0.5m。将地块中的土壤挖出，形成深约20cm的堆积坑。

2)混合发酵基质的配置：将秸秆粉碎(长约5-10cm)，将水稻秸秆与牛粪按照125kg:120kg、100kg:100kg、80kg:80kg、70kg:70kg分别配置(分别)标记为c1、c2、c3和c4)，并搅拌均匀。同时设置相应的对照120kg、100kg、80kg、70kg，分别标记为ck1、ck2、ck3和ck4。

3)发酵基质与稻田土壤的间隔堆积：将上述混合物与水稻土相间分6层堆置成垄，其中第一层混合物占总量的60％，第二层占占总量的30％。第三层占总量的10％。

4)盖膜密封：将面积为14m²(7m(长)×2m(宽))、由红泥塑胶做成的覆盖膜(上配出气管和控制阀门)将发酵基质垄全面覆盖，并将覆盖膜的四周放入深沟，填满水稻土，并压实。往稻田灌水，使田间水面接近垄的高度(低10cm左右)。

5)集气袋的对接：将由红泥塑胶做成生物甲烷收集袋(上配集气管和控制阀门)的集气阀门与覆盖膜出气阀门对接。

6)气体收集与测定：定期观察集气袋的气体收集状态，当集气袋收满时，更换集气袋，并将集气袋的气体转运贮藏或直接利用。结果表明，各处理的产气量和产气浓度均显著高于其对照(p<0.05)，各处理之间的产气量和产气浓度也存在显著差异(p<0.05)。以c1处理的产气量和产气浓度最高，其后依次为c2、c4和c3。c1单位面积产气量比最低c3高298.44％，产气浓度比c3高15.56％。结果表明将秸秆与沼液进行配比的产气质量显著高于对照，

具体实验数据见表2。

表2本发明实施例2具体实验数据

实施例3

本发明实施例提供的一种利用水稻秸秆与农家肥田间混合发酵产生物甲烷(bmf)的方法包括以下步骤：

1)堆积坑的准备：选择渗漏性较低的水稻田，在水稻收获后，将水稻田划分为12个14m²(7m(长)×2m(宽))的地块，地块之间间距0.5m。将地块中的土壤挖出，形成深约20cm的堆积坑。

2)混合发酵基质的配置：将秸秆粉碎(长约5-10cm)，将水稻秸秆与羊粪按照125kg:120kg、100kg:100kg、80kg:80kg、70kg:70kg分别配置，并搅拌均匀。分别标记为d1、d2、d3和d4，并搅拌均匀。同时设置相应的对照120kg、100kg、80kg、70kg(分别标记为ck1、ck2、ck3和ck4)。

3)发酵基质与稻田土壤的间隔堆积：将上述混合物与水稻土相间分6层堆置成垄，其中第一层混合物占总量的60％，第二层占占总量的30％。第三层占总量的10％。

4)盖膜密封：将面积为14m²(7m(长)×2m(宽))、由红泥塑胶做成的覆盖膜(上配出气管和控制阀门)将发酵基质垄全面覆盖，并将覆盖膜的四周放入深沟，填满水稻土，并压实。往稻田灌水，使田间水面接近垄的高度(低10cm左右)。

5)集气袋的对接：将由红泥塑胶做成生物甲烷收集袋(上配集气管和控制阀门)的集气阀门与覆盖膜出气阀门对接。

6)气体收集与测定：定期观察集气袋的气体收集状态，当集气袋收满时，更换集气袋，并将集气袋的气体进行体积与浓度的测定，并换算成产量。结果表明，各处理的产气量和产气浓度均显著高于其对照(p<0.05)，各处理之间的产气量和产气浓度也存在显著差异(p<0.05)。以d4处理的产气量和产气浓度最高，其后依次为d1、d2和d3。d4单位面积产气量比最低d3高173.03％，产气浓度比d3高3.50％。具体实验数据见表3。

表3本发明实施例3具体实验数据

上述试验于2018年在宜昌市农科所进行，每个试验的试验地地面积各为960平方米，试验场面间图2。图中2a实验处理效果图；图中2b实验场地图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。