一种沼液回用有氧厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法
【技术领域】
[0001]本发明属于沼气发酵工程的技术领域。具体的说，本发明涉及一种采用沼液回流的有氧/厌氧耦联混合发酵沼气的技术领域。
【背景技术】
[0002]沼气，亦称为生物沼气，主要是利用动物粪便、秸杆、工业有机废物、城市生活垃圾等有机物通过微生物厌氧消化技术生产，所产生的沼气中所含的主要成分一甲烷占其总量的40-80% ο每立方米沼气完全燃烧相当于0.7公斤标准煤燃烧所产生的热量，因此，沼气是一种重要的可再生生物质能源。
[0003]目前，以农业有机资源为基础的沼气生产技术，主要生产原料为动物粪便或作物秸杆，以及粪便一秸杆混合物。沼气发酵依赖原料降解所提供的基础代谢底物浓度，而原料厌氧消化下具有一定的降解特性和周期过程，因此在沼气生产中提高沼气生产率往往要缩短发酵生产周期，提高发酵生产装置换料频率以维持发酵体系中沼气产生代谢底物浓度，原料利用率低。因此，在沼气生产中现已研发了多种预处理技术与发酵工艺以提高沼气的发酵效率、延长发酵周期。
[0004]现有专利文献公开了一种好氧与厌氧耦合两相发酵产沼气工艺方法(申请号为201510362882.0)，通过在进行湿料好氧水解发酵时，添加了木霉和黑曲霉这两种菌剂，但是菌剂的量对于湿料好氧水解发酵具有重要的作用，太多和太少都不利于发酵，同时对于菌剂的量没有进行限定。同时，湿料好氧水解发酵的过程中，需要的菌是多种多样的，单凭木霉和黑曲霉这两种菌剂不利于湿料好氧水解发酵，未采用补料工艺只是按照常规添加物料为一次性发酵，原料利用率低，自身客观上存在技术不足和缺陷。
[0005]在原料预处理方面，现已有采用如酸处理、碱处理、机械粉碎的化学法，如爆汽法的物理法，酶法、以及如超声波法与酶法相结合、超声波与碱法不同方法的组合应用，也有应用微生物菌剂处理的应用技术，如秸杆腐化菌剂。此外，传统的生物降解技术也在沼气发酵预处理中得到应用，如堆肥、秸杆青贮、沼液浸泡等。
[0006]在沼气发酵工艺技术方面，1987年我国即研究报道了混合发酵半连续补料发酵工艺，以青草和猪粪混合补料为补加原料以延长发酵装置发酵周期，这也是我国目前沼气装置运行的主要工艺技术；1989年研究报道了沼气固态发酵与液态发酵相结合的两步发酵工艺技术，解决固态发酵酸化过度与常规液体发酵酸不足的问题。目前，国外大中型沼气工程较先进行高效运行工艺主要采用两步厌氧消化发酵工艺，即将厌氧消化过程中的水解/产酸与甲烷化过程进行物理分离，以水解/产酸厌氧消化产物为补料从而达到甲烷化过程持续高效。目前，现有这些通用的半连续发酵技术，在技术上虽然可有效延长沼气装置的运行周期，提高发酵效率，但存在如下问题:
(I)原料更换过程导致沼气发酵体系的微生物菌群量下降，影响沼气发酵高效产气。
[0007](2)补料操作中物料为一次性发酵，原料利用率低。固态与液态发酵结合固态物料虽然在连续处理，但利用率整体较低，且必须配备之适应得固态发酵装置等。
[0008](3)常规补料半连续发酵与两步法发酵，在更换物料的同量大量排出沼液无法利用，为二次污染物。
[0009]因此，从沼气发酵工艺应用情况分析，需要进一步提高原料利用率，沼气发酵效率，并解决污染物的排放问题。
【发明内容】
[0010]针对沼气发酵工艺技术中原料利用率低，产气率低，大量排出沼液难于利用易造成二次污染问题的现状，本发明旨在提供一种利用沼液回用，在有氧/厌氧交替变化条件下的“有氧/厌氧耦联”处理物料进行补料发酵的技术方法。通过本发明提供的沼液浸泡有氧/厌氧耦联处理沼气发酵物料的技术方法，可有效维持沼气装置高产气效率，延长沼气装置高效产气时间，提高物料利用率，具有广泛的适用价值。
[0011]本发明专利采用主要的技术方案:
本发明在沼气装置正常运行的基础上，沼气发酵物料采用沼液回用浸泡，进行有氧/厌氧耦联预处理，预处理后的物料作为沼气发酵的更新物料，进行沼气发酵装置的单批或半连续补料发酵;物料更新过程中采用进出料等量原则，先出料，后进料;在半连续发补料发酵过程中，采用日更新物料方式，沼气装置所排出物料与沼液浸泡，有氧/厌氧耦联预处理未使用的物料相混合，继续进行预处理，循环使用;在沼气发酵装置运行过程中检测每日产气率，根据日产气率变化确定预处理原料是否需要更换，从而达到提高沼气率、延长高效产气周期及沼气装置运行周期的效果。
[0012]本发明具体提供一种采用沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法，制备方法具体步骤如下:
(I)秸杆的预处理:秸杆进行揉碎处理，破碎秸杆达到进行摇荡或10rpm搅拌下呈现物理可悬浮状态。
[0013](2)发酵物料配制与处理:按粪便与步骤(I)制备的秸杆固形物总量12%配制发酵物料，液相为回流沼液;配制好的物料进行有氧、厌氧交替联合预处理。
[0014](3)沼气厌氧发酵:将步骤(2)制备的沼气发酵物料在发酵装置中进行厌氧发酵，发酵温度为30-45°C，产生沼气。
[0015](4)补加物料的配制与预处理:按步骤(2)所述方法进行补加物料的配制与预处理;根据发酵需求，制备获得的补加物料的浓度为可发酵物料浓度的1-1.5倍。
[0016](5)检测:检测沼气厌氧发酵每日容积产气率，设定沼气发酵装置最低产气标准，当沼气装置产气率下降至最低产气率标准时进行半连续补料发酵。
[0017](6)半连续补料发酵:步骤(4)制备的补加物料在使用前6小时停止通气、搅拌，并将其升温至28-30°C;按先出料、后进料、进出物料等体积原则进行补料操作，且每日物料更换量为沼气发酵装置装料量的10-15%，沼气装置排出的物料与未使用的补加物料相混均，继续进行有氧、厌氧耦联交替联合预处理，循环使用，直到半连续补料发酵产气率降到沼气发酵装置最低产气标准更新补加物料，继续半连续补料发酵。
[0018](7)沼液回流:将步骤(6)所更换的补加物料进行固液分离，所得沼液回流至步骤
(2)进行补加物料的配制与预处理。
[0019]本发明中，所述的有氧、厌氧耦联交替联合预处理为:物料在温度为22°C、通气量为0.1V/V.min、100 rpm搅拌条件下通气20-30 min，停止通气与搅拌，静置4 h;再进行通气、搅拌操作，物料连续循环处理。
[0020]本发明方法提供的本发明方法提供的沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法及在半连续补料发酵工艺上的应用可有效提高沼气装置发酵效率。半连续补料发酵装置30天内完成两倍单批发酵物料发酵，发酵效率是单批发酵的1.6倍。
[0021]本发明采用的秸杆的预处理、沼气厌氧发酵、沼液回流、有氧/厌氧耦联半连续补料等技术手段尽管离不开现有技术的支持和启发，但是，对于有氧、厌氧耦联交替联合预处理物料的条件、半连续补料发酵的时间以及量等因素对于决定沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法的效果都具有重要的作用，也是决定性因素，不能说采用的技术手段和工具是现有技术，进而否定本发明提供的整体制备沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法的创新性，现有所有技术发明和创新都离不开现有技术的支撑和基础。现有技术中尽管大量可见披露有关沼气“单批发酵”的记载，本发明主要针对沼气发酵中采用半连续补料发酵中，创造的采用沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵工艺技术方案。可见，本发明提供的沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法中的各技术因素和技术参数都经过综合考量和设计，本发明提供的沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法中各技术环节具有上下一体，任何技术步骤不可或缺，紧密不可分割的特点，不能任意取舍肢解其中的技术步骤。
[0022]通过实施本发明具体的
【发明内容】
可以达到以下有益效果:
(I)本发明方法提供的沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法能够维持沼气发酵装置连续高效运行，提高沼气装置使用效率;发酵物料经有氧阶段与无氧阶段交替循环处理，提高物料利用效率20%，提高发酵效率15%。
[0023](2)单批发酵与本发明方法提供的沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法相比较，半连续补料发酵装置30天内完成两倍单批发酵物料发酵，发酵效率是单批发酵的1.6倍，说明本发明方法提供的本发明方法提供的沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法及在半连续补料发酵工艺上的应用可有效提高沼气装置发酵效率。
[0024](3)本发明方法提供的本发明方法提供的沼液回用有氧/厌氧耦联半连续补料沼气发酵方法，可处理用于沼气发酵的农作物秸杆、青草等原料，青贮保藏处理的秸杆、青草等发酵原料，以及秸杆与粪便的混合物，实现多种物料的混合使用。