规模化木质纤维原料厌氧发酵产沼气的方法
【专利摘要】本发明公开了一种规模化木质纤维原料厌氧发酵产沼气的方法，将木质纤维原料粉碎至5.0cm以下后加入接种物后用水或沼液调节混匀，加至连续搅拌式反应器内进行湿式厌氧发酵产沼气，原料在连续搅拌式反应器内的停留时间控制在15～20天；将连续搅拌式反应器每日排出的沼渣立即脱水至沼渣含水率为75%～85%；将脱水后的沼渣直接进入半连续进料高固体厌氧反应器内进一步厌氧发酵产沼气。本发明大幅提高了厌氧反应器处理能力和容积产气率，反应器容积产气率较单一CSTR工艺和单一高固体厌氧发酵工艺分别提高了45%和66%以上，单位体积反应器处理木质纤维原料能力提高了一倍以上，具有很好的经济效益。
【专利说明】规模化木质纤维原料厌氧发酵产沼气的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于可再生能源开发利用与环境保护领域，具体来说涉及一种针对木质纤维原料厌氧发酵产沼气前快后慢的特点，提出一套高效湿式-高固体耦合厌氧发酵新工艺，旨在降低工程投资成本、缩短发酵周期和提高厌氧反应器处理能力的方法。
【背景技术】
[0002]木质纤维原料是指以纤维素、半纤维素和木质素为主要成分的一大类物质，包括所有的树木、草皮、农业秸杆以及烟草、中药渣、甘蔗渣等，产量巨大，且可再生，将其资源化利用受到世界各国的重视。将木质纤维原料厌氧发酵产沼气因其运行过程温和、运行成本低，产生数量可观的清洁能源(沼气)，发酵后的沼渣沼液还田可培肥土壤，实现碳氮等资源的循环利用，是循环农业的发展方向。
[0003]然而，由于木质纤维原料以木质纤维为主要成分的特点，这就决定这类原料厌氧发酵产气速率较低、周期较长。此外，由于其容重小、流动性差和有一定机械强度的特点，这就决定这类原料厌氧发酵时，厌氧反应器容积负荷不可能太高，导致厌氧反应器容积产气率较低，加之其产气速率低、周期长的特点，容积产气率相比厨余垃圾、畜禽粪便等要低很多，降低了工程经济性，增加了工程投资和运行成本。大量研究表明，木质纤维原料中温湿式厌氧发酵周期在40-50天，高固体厌氧发酵周期更长，一般在2-3个月，当原料TS浓度达20%以上时，发酵周期可达4个月以上。湿式发酵工艺原料厌氧生物转化速率虽高于高固体发酵，但单位容积反应器负荷较低，造成反应器利用率偏低；虽然高固体厌氧发酵工艺单位反应器容积负荷较高，但发酵初期反应器易酸化，且由于含水率较低，一般没有搅拌装置，原料厌氧生物转化速率较低，发酵不均匀，发酵周期偏长。
[0004]为解决木质纤维原料厌氧发酵存在厌氧生物转化速率低、容积产气率低、发酵周期长等问题，采用半连续进料是发展趋势，其中，采用连续搅拌式反应器(CSTR)是大中型沼气工程的首选。对于大中型沼气工程而言，由于一次性投入较大，故投入者更加重视工程产出。然而，由于木质纤维原料容重小、发酵周期长，且发酵初期产气速率较高，后期产气速率较低的特点，如果整个厌氧发酵过程全部在CSTR反应器内进行，势必造成单位容积反应器处理发酵原料能力下降、容积产气率较低，产投比偏低；采用半连续进料高固体发酵工艺，虽然单位容积反应器有机负荷大幅提高，但原料厌氧生物转化速率相应较低，且发酵周期更长，反应器容积产气率更低。因此，根据木质纤维原料厌氧发酵产气特点，研究一套容积产气率高、产气周期短、产气稳定、产投比高的厌氧发酵工艺，对于规模化木质纤维原料沼气工程迫在眉睫。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对木质纤维原料厌氧生物转化速率前高后低的特点，结合目前木质纤维原料沼气工程普遍存在容积产气率低、厌氧反应器处理能力偏低、一次性投资较高等问题，充分利用湿式厌氧发酵和高固体厌氧发酵的优点，提供一种不仅方法简单，而且操作简便，在保证木质纤维原料厌氧生物转化率不变的前提下大幅提高反应器容积产气率和反应器处理废弃物能力，降低工程投资成本的方法。
[0006]本发明的目的可以通过以下措施达到:
一种规模化木质纤维原料厌氧发酵产沼气的方法，其包括木质纤维原料湿式厌氧发酵阶段、沼渣脱水处理和沼渣高固体厌氧发酵阶段3部分，其操作包括如下步骤:
(1)将木质纤维原料粉碎至5.0cm以下；
(2)将步骤(I)所得原料加入接种物后用水或沼液调节混匀，加至连续搅拌式反应器(CSTR反应器)内进行湿式厌氧发酵产沼气，原料在连续搅拌式反应器内的停留时间控制在15?20天；其中，湿式厌氧发酵温度为34?37°C ；
(3)将连续搅拌式反应器每日排出的沼渣立即脱水至沼渣含水率为75%?85%；
(4)将步骤(3)所得脱水后的沼渣直接进入半连续进料高固体厌氧反应器内进一步厌氧发酵产沼气，发酵温度为34?37°C，反应器内发酵物TS (干物质)浓度为15-25%，控制沼渣在反应器内停留时间为30?35天。
[0007]本发明中的木质纤维原料可选自玉米秸、麦秸、稻秸、米草或甘蔗渣中的一种或几种。可根据季节、地域以及沼气工程所在地的实际情况选择不同的木质纤维原料。湿式厌氧发酵原料可以为粉碎后的木质纤维原料直接用于厌氧发酵产沼气，也可以为前述各原料经生物、化学或物理预处理后的木质纤维原料。将收集后的木质纤维原料机械粉碎至5cm以下，以满足半连续进料的要求。
[0008]在步骤(2)中，用水或沼液调节至混合物的TS浓度至4?6% ;该步骤需严格控制CSTR反应器内发酵物TS浓度，发酵物停留时间控制在15-20天内，该阶段发酵物停留时间太短或太长均达不到本工艺提高发酵罐处理能力、缩短发酵周期、降低工程投资成本的目的。
[0009]在步骤(2)中，CSTR反应器启动时接种物为污水处理厂的厌氧消化污泥、老沼气池污泥、腐败河泥、新鲜牛粪等其中的一种或多种，接种物用量为发酵物干重的5%?30%。
[0010]在步骤(2)中，原料加入接种物后，一般用尿素或其他调节物调节其C/N至25?35，优选C/N至30左右。
[0011]在步骤(2)中，原料在连续搅拌式反应器(CSTR反应器)内达到停留时间后，每日向连续搅拌式反应器内投加原料与水或沼液的混合物，优选为木质纤维原料与沼液混合物，同时排出等量沼渣沼液。其中每日投加的混合物中原料与水或沼液的质量比为1:15?1:20，优选为1:18。沼液来自于步骤(3)和/或(4)中脱水或排出的沼液。
[0012]在湿式厌氧发酵阶段，需严格控制CSTR反应器内木质纤维原料TS浓度为4-6%。CSTR反应器内木质纤维原料停留时间为15-20天，根据发酵原料不同及是否进行预处理，停留时间略有差异。根据秸杆湿式批式厌氧发酵的结果，秸杆厌氧发酵周期在40-50天，但70%以上的产气在实验前30天内产生，15-20天内秸杆产气高峰结束，产气进入缓慢下降阶段，故CSTR反应器内木质纤维原料停留时间为15-20天。CSTR反应器的搅拌周期和速度可根据需要进行调节，一种优选方案为:每日搅拌2次，每次10?20min，转速为15-20r/min。
[0013]在步骤(3 )中，湿式厌氧发酵后的沼渣需脱水后方可用于高固体厌氧发酵，脱水方式为挤压脱水，控制脱水强度，尽量不破坏沼渣的物质结构，需严格控制脱水后沼渣含水率在75%-85%。沼渣脱水太多不但能耗较大，且影响沼渣后续发酵产沼气速率及厌氧微生物活性，脱水后沼渣含水率过高会降低高固体厌氧反应器处理能力，脱水后沼液回用于步骤(2)湿式厌氧发酵过程发酵原料调节含水率。
[0014]在步骤(4)中，将脱水后的沼渣直接进入半连续进料高固体厌氧反应器内进一步厌氧发酵产沼气，无需额外补充接种物，控制反应器内发酵物TS浓度在15%-25%，反应器内无搅拌装置，采用分层进料方式，从反应器顶部进料底部出料，每天通过循环泵将反应器底部发酵液回泵至顶部，提高反应器内均质化程度，发酵液每天全量回流2次，反应器内发酵物停留时间为30-35天，停留时间太长影响反应器处理能力，时间太短造成原料发酵不完全。高固体厌氧反应器每天排出的沼渣机械脱水后制作商品有机肥，脱水产生的沼液回用于步骤(2)。
[0015]本发明针对木质纤维原料厌氧发酵产沼气产气速率前高后低的特点，将产沼气速率最高的阶段在CSTR反应器内进行，将产气速率相对较低的阶段在高固体厌氧反应器内进行，在保证木质纤维原料厌氧生物转化率不变的前提下，最大程度提高了反应器处理能力和容积产气量，降低了投资成本。本工艺的有益效果具体如下:
1、工艺简单，可操作性强。
[0016]2、在保证木质纤维原料生物转化率不变的前提下，大幅提高了反应器容积产气率，容积产气率较传统单一发酵工艺提高45%以上；
3、厌氧反应器利用率大幅提高，单位体积厌氧反应器处理木质纤维原料的能力较现有单一发酵工艺提高一倍以上。
[0017]4、整个发酵过程在两个独立的半连续进料厌氧反应器内进行，避免了单一采用CSTR反应器存在发酵罐负荷偏低以及单一采用高固体反应器容易酸化、容积产气率偏低和发酵周期偏长等问题，适合于规模化木质纤维原料沼气工程，降低了工程投资成本，提高了工程经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0019]下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
[0020]实施例1:
实验在有效容积1L的CSTR反应器和有效容积6L的高固体厌氧反应器内进行，发酵温度均为34-37°C。将收集的麦秸自然风干，机械粉碎至5.0cm以下。
[0021]CSTR反应器的启动:将TS质量500g的粉碎麦秸和4kg TS质量分数2.5%的接种物(厌氧消化污泥)加至CSTR反应器内，用尿素调节发酵物C/N至30左右，用水将发酵罐内麦秸TS浓度调节至5%，混匀后，通入氮气2min，密封后启动实验，每日搅拌2次，每次15min，转速为15-20r/min。15天后，按麦秸:沼液质量比1:18混匀，每日向CSTR反应器加入混合物667g，同时排出等量发酵残余物(沼渣沼液)。
[0022]排出的沼渣立刻进行挤压脱水，脱水产生的沼液用于麦秸每日进料调节麦秸含水率，脱水后的沼渣含水率控制在80%左右，立刻转移至高固体厌氧反应器内继续厌氧发酵产沼气，该过程无需额外对沼渣接种，沼渣中已带有足够的厌氧微生物。高固体厌氧反应器为半连续进料，采用分层进料方式，从反应器顶部进料底部出料，排出的沼渣脱水后，沼液回用于麦秸进料。反应器内无搅拌装置，每天通过循环泵将反应器底部发酵液回泵至顶部，提高反应器内均质化程度，发酵液每天全量回流2次。发酵物在厌氧反应器内停留时间为35天，发酵温度为34?37°C，反应器内发酵物TS浓度为20%。
[0023]整个发酵过程持续运行了 90天，扣除湿式厌氧反应器启动阶段15天，系统稳定运行了 75天。测定了湿式厌氧发酵系统、高固体厌氧发酵系统的日产气量和甲烷含量。
[0024]本例中，麦秸在CSTR反应器内停留时间为15d，平均容积产气率为0.7m3/m3.d，产气平均甲烷含量为52% ;经CSTR反应器发酵后的麦秸沼渣在高固体厌氧反应器内继续厌氧发酵35d，反应器平均容积产气率为0.78 m3/m3.d，产气平均甲烷含量为50%。将CSTR反应器与高固体厌氧反应器综合考虑后，整个发酵系统反应器容积产气量为0.73 m3/m3.d，单位体积厌氧反应器每日可处理麦秸3.33kg/m3.d，麦秸发酵周期为50天。
[0025]对照实验1:
实验在有效容积16L的CSTR反应器内进行，发酵温度为34-37°C，实验用麦秸同实施例1o
[0026]CSTR反应器的启动:将TS质量800g的粉碎麦秸和6.4kg TS质量分数2.5%的接种物(厌氧消化污泥)加至CSTR反应器内，用尿素调节发酵物C/N至30左右，用水将发酵罐内麦秸TS浓度调节至5%，混匀后，通入氮气2min，密封后启动实验，每日搅拌2次，每次15min，转速为15-20r/min。40天后，按麦秸:沼液质量比1:18混匀，每日向CSTR反应器加入混合物400g，同时排出等量发酵残余物(沼渣沼液)。麦秸在CSTR反应器内停留时间为40d，反应器内麦秸TS浓度为5%。
[0027]整个厌氧发酵过程持续了 80天，扣除反应器启动期40天，半连续进料持续进行了40天。
[0028]本例中，麦秸在CSTR反应器内停留时间为40d，反应器内麦秸TS浓度为5%，反应器容积产气率为0.44 m3/m3.d，产气平均甲烷含量为51%，单位体积厌氧反应器处理麦秸能力为 1.25kg/m3.do
[0029]对照实验2:
实验在有效容积16L的高固体厌氧反应器内进行，发酵温度为34-37°C，实验用麦秸同实施例1。考虑到高固体厌氧发酵对接种物要求较高，本实验所用接种物为实施例1中接种物经浓缩后的产物，TS浓度达6%。将TS质量1.6kg的麦秸、接种物5.34kg，用尿素将混合物C/N调节至30左右，用水将反应器内麦秸TS浓度调节至20%，混匀后，向反应器内通入氮气2min，密封后进行厌氧发酵产沼气。90天后，按麦秸:接种物质量比1:4混匀，每日向高固体厌氧反应器内加入混合物89g，同时排出等量发酵残余物(沼渣沼液)。麦秸在高固体厌氧反应器内停留时间为90d。由于高固体厌氧发酵物料含水率相对较低，导致物料发酵周期相对较长。
[0030]整个厌氧发酵过程持续了 120天，扣除反应器启动期90天，半连续进料持续进行T 30 天。
[0031]本例中，麦秸在高固体厌氧反应器内停留时间为90d，反应器内麦秸TS浓度为20%，反应器容积产气量为0.39 m3/m3.d，产气平均甲烷含量为52%，单位体积厌氧反应器每日可处理麦稻1.llkg/m3.do
[0032]对比对照组实验可以看出，采用本工艺后，单位容积厌氧反应器处理麦秸能力大幅提高，较对照1、对照2分别提高了 166%和200%，容积产气率较对照1、对照2分别提高了65.91%和87.18%。采用本工艺后，发酵周期略长于CSTR发酵工艺，但较单一高固体厌氧发酵缩短了 40天，还避免了高固体厌氧发酵易酸化的问题。
[0033]
实施例2:
实验在有效容积1L的CSTR反应器和有效容积6L的高固体厌氧反应器内进行，发酵温度均为34-37°C。将收集的玉米秸自然风干，机械粉碎至5.0cm以下。向粉碎后玉米秸中加入3%Na0H溶液，NaOH溶液加入量与玉米秸TS质量相同，混匀后于常温下预处理，48小时后用于厌氧发酵。
[0034]CSTR反应器的启动:将TS质量600g的预处理玉米秸和4.8kg TS质量分数2.5%的接种物(老沼气池污泥)加至CSTR反应器内，用尿素调节发酵物C/N至30左右，用水将发酵罐内玉米秸TS浓度调节至6%，混匀后，通入氮气2min，密封后启动实验，每日搅拌2次，每次15min，转速为15-20r/min。15天后，按玉米秸:沼液质量比1:15混匀，每日向CSTR反应器加入混合物667g，同时排出等量发酵残余物(沼渣沼液)。
[0035]排出的沼渣立刻进行挤压脱水，脱水产生的沼液用于玉米秸每日进料调节玉米秸含水率，脱水后的沼渣含水率控制在80%左右，立刻转移至高固体厌氧反应器内继续厌氧发酵产沼气，该过程无需额外对沼渣接种，沼渣中已带有足够的厌氧微生物。高固体厌氧反应器为半连续进料，采用分层进料方式，从反应器顶部进料底部出料，排出的沼渣脱水后，沼液回用于玉米秸进料。反应器内无搅拌装置，每天通过循环泵将反应器底部发酵液回泵至顶部，提高反应器内均质化程度，发酵液每天全量回流2次。发酵物在厌氧反应器内停留时间为30天，发酵温度为34?37°C，反应器内发酵物TS浓度为21%。
[0036]整个发酵过程持续运行了 90天，扣除湿式厌氧反应器启动阶段15天，系统稳定运行了 75天。测定了湿式厌氧发酵系统、高固体厌氧发酵系统的日产气量和甲烷含量。
[0037]本例中，玉米秸在CSTR反应器内停留时间为15d，平均容积产气率为0.98m3/m3.d，产气平均甲烷含量为54% ;经CSTR反应器发酵后的玉米秸沼渣在高固体厌氧反应器内继续厌氧发酵30d，反应器平均容积产气率为0.7 m3/m3.d，产气平均甲烷含量为55%。将CSTR反应器与高固体厌氧反应器综合考虑后，整个发酵系统反应器容积产气量为0.875 m3/m3.d，单位体积厌氧反应器每日可处理玉米秸4kg/m3.d，玉米秸发酵周期为45d。
[0038]对照实验3:
实验在有效容积16L的CSTR反应器内进行，发酵温度为34-37 °C，实验用玉米秸同样经NaOH预处理，具体同实施例2。
[0039]CSTR反应器的启动:将TS质量960g的粉碎玉米秸和7.68kg TS质量分数2.5%的接种物(老沼气池污泥)加至CSTR反应器内，用尿素调节发酵物C/N至30左右，用水将发酵罐内玉米秸TS浓度调节至6%，混匀后，通入氮气2min，密封后启动实验，每日搅拌2次，每次15min，转速为15-20r/min。35天后，按玉米秸:沼液质量比1: 15混勻，每日向CSTR反应器加入混合物457g，同时排出等量发酵残余物(沼渣沼液)。玉米秸在CSTR反应器内停留时间为35d，反应器内玉米秸TS浓度为6%。
[0040]整个厌氧发酵过程持续了 70天，扣除反应器启动期35天，半连续进料持续进行了35天。
[0041]本例中，玉米秸在CSTR反应器内停留时间为35d，反应器内玉米秸TS浓度在6%，反应器容积产气率为0.6m3/m3.d，产气平均甲烷含量为55%，单位体积厌氧反应器处理玉米稻能力为1.7kg/m3.do
[0042]对照实验4:
实验在有效容积16L的高固体厌氧反应器内进行，发酵温度为34-37°C，实验用玉米秸同样经NaOH预处理，具体同实施例2。考虑到高固体厌氧发酵对接种物要求较高，本实验所用接种物为老沼气池底部污泥，TS浓度为6%。将TS质量1.92kg的玉米秸、接种物6.4kg，用尿素将混合物C/N调节至30左右，用水将反应器内玉米秸TS浓度调节至20%，混匀后，向反应器内通入氮气2min，密封后进行厌氧发酵产沼气。80天后，按玉米秸:接种物质量比1:4混匀，每日向高固体厌氧反应器内加入混合物120g，同时排出等量发酵残余物(沼渣沼液)。玉米秸在高固体厌氧反应器内停留时间为80d。
[0043]整个厌氧发酵过程持续了 120天，扣除反应器启动期80天，半连续进料持续进行T 40 天。
[0044]本例中，玉米秸在高固体厌氧反应器内停留时间为80d，反应器内玉米秸TS浓度为20%，反应器容积产气量为0.525 m3/m3.d，单位体积厌氧反应器每日可处理玉米秸1.5kg/m3.d0
[0045]对比对照组实验可以看出，采用本工艺后，无论是容积产气率还是单位容积厌氧反应器处理玉米秸杆能力均大幅提高，单位体积反应器处理玉米秸能力和容积产气率较对照3、对照4分别提高了 135%、167%和45.83%和66.67%。采用本工艺，发酵周期略长于CSTR发酵工艺，但较单一高固体厌氧发酵大幅缩短了 35天，还避免了高固体厌氧发酵易酸化的问题。
[0046]由于本工艺是根据木质纤维原料厌氧生物转化速率前高后低的特点量身定制的，故充分发挥了 CSTR工艺和高固体厌氧发酵的优点，但由于本工艺需同时具备CSTR厌氧反应器和高固体厌氧反应器，且均需半连续进料，故本工艺更适合规模化木质纤维原料沼气工程，在处理等量木质纤维原料时，工程建设成本大幅降低，具有很好的应用前景。
【权利要求】
1.一种规模化木质纤维原料厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于其包括木质纤维原料湿式厌氧发酵阶段、沼渣脱水处理和沼渣高固体厌氧发酵阶段3部分，其操作包括如下步骤: (1)将木质纤维原料粉碎至5.0cm以下； (2)将步骤(I)所得原料加入接种物后用水或沼液调节混匀，加至连续搅拌式反应器内进行湿式厌氧发酵产沼气，原料在连续搅拌式反应器内的停留时间控制在15?20天；其中，湿式厌氧发酵温度为34?37°C ； (3)将连续搅拌式反应器每日排出的沼渣立即脱水至沼渣含水率为75%?85%； (4)将步骤(3)所得脱水后的沼渣直接进入半连续进料高固体厌氧反应器内进一步厌氧发酵产沼气，发酵温度为34?37°C，反应器内发酵物TS浓度为15-25%，控制沼渣在反应器内停留时间为30?35天。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤(I)中，所述木质纤维原料选自玉米秸、麦秸、稻秸、米草或甘蔗渣中的一种或几种；或者玉米秸、麦秸、稻秸、米草或甘蔗渣经过生物、化学或物理预处理后的木质纤维原料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在步骤(2)中，用水或沼液调节至混合物的TS浓度至4?6%。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在步骤(2)中，所述接种物为污水处理厂的厌氧消化污泥、老沼气池污泥、腐败河泥、新鲜牛粪等其中的一种或多种，接种物用量为发酵物干重的5%?30%。
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在步骤(2)中，原料加入接种物后，调节其C/N至25?35，优选30左右。
6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在步骤(2)中，原料在连续搅拌式反应器内达到停留时间后，每日向连续搅拌式反应器内投加原料与水或沼液的混合物，同时排出等量沼渣沼液。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在步骤(2)中，每日投加的混合物中原料与水或沼液的质量比为1:15?1:20。
8.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在步骤(2)中，所述沼液来自于步骤(3)和/或(4)中脱水或排出的沼液。
9.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在步骤(3)中，采用挤压脱水的方式进行脱水。
10.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在步骤(4)中，不额外补充接种物，高固体厌氧反应器内无搅拌装置，采用分层进料方式，从反应器顶部进料从底部出料。
【文档编号】C12P5/02GK104357488SQ201410670650
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】陈广银, 杜静, 常志州, 叶小梅, 徐跃定, 张建英 申请人:江苏省农业科学院