专利名称：一种以互花米草为原料发酵制备沼气的方法
技术领域：
本发明属于资源与环境技术领域，具体涉及一种以互花米草为原料发酵制备沼气的方法。
背景技术：
互花米草(Spartina aterniflora)原产于美国，是一种生长在潮间带的多年盐沼植物。互花米草植株粗壮高大，根系异常发达，地面高度一般可达1.0～2.0m，根系深入土壤中可达1.5m左右，具有较强的抗风消浪、保滩护岸、促淤造陆、绿化海滩的作用。我国沿海地区当时经常受到风暴潮、台风等自然灾害袭击，沿海地区经济和人民生命财产受到极大危害。1980年初，互花米草引入我国沿海滩涂，在保滩护岸、促淤造陆、促进沿海地区经济发展、生态环境的改善和减灾等多方面做出了重大贡献，但经过20多年的发展，互花米草在我国沿海地区形成5万hm2以上的外来入侵种优势群落，给沿海地区带来一系列的负面影响。互花米草作为一个具有极强繁殖能力的外来物种，其生长旺，繁殖快，植株高而密，与本土物种竞争激烈，改变了淤泥质光滩的景观和本土物种的栖息环境，譬如互花米草侵占滩涂贝类养殖的场所，导致贝类在密集的米草草滩中无法自由活动，将康生长，甚至会窒息死亡；一些贝类不得不迁移至米草草滩外；一些港区也由于互花米草的侵入淤积加快，影响船只出入。在夏秋季互花米草的落叶随着潮水四处漂移，进入滩涂或浅海的藻类养殖地，就会对紫菜，海带等海藻的生产与产品的质量产生一定的影响。
目前治理互花米草的措施有(1)物理方法，主要是人工及机械清除，消耗的人力物力大、效率低下；(2)化学方法，使用除草剂，但除草剂通常只能清除地表以上部分，对于滩涂土壤中的种子和根系效果较差，并且存在污染问题；(3)生物方法，使用动物天敌和致病微生物的生物防治尚在实验阶段，作为外来入侵种其天敌和致病微生物也是外来种，存在极大的生态风险。这些措施存在诸多弊端和不足，不能从根本上治理互花米草。面对如此巨大生物量的互花米草，将其看成一种能源资源进行沼气发酵利用，目前在国内外还未有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高海滩空间资源经济效益、生态效益和改善生态环境的以互花米草为原料发酵制备沼气的方法。
本发明提出的以互花米草为原料发酵制备沼气的方法，其具体步骤如下(1)原料互花米草的粉碎预处理；
(2)向步骤(1)所得的预处理互花米草中添加含N元素物质，混合，得到混合料，控制混合料的碳氮比为20∶1--30∶1；(3)将步骤(2)中所得混合料投入到发酵装置中，并加入接种物进行接种，得到发酵原料，原料具体投加和接种方式根据发酵方法而不同，具体发酵方法包括三类单相不循环发酵方法、单相内循环发酵方法或固液两相发酵方法等；(4)向步骤(3)中的发酵原料中加水，加入量为水面至少高于发酵原料5cm；(5)封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管道连接储气装置，控制反应温度在30-40℃，进行发酵产气，经过1-2天即可产生沼气，即目标产品；发酵经过20-60天，互花米草中的可厌氧生物降解的有机物质基本被微生物的作用转化为沼气，当发酵装置每日反应产气量大幅度降低时，反应即可结束，进行新一轮发酵。
本发明中，所述含N元素物质为尿素、碳酸氢铵或畜禽粪便等一至多种。
本发明中，所述接种物为沼渣、沼液或厌氧消化污泥等中任一种。
本发明中，步骤(3)中，当选择单相不循环发酵方法时，接种物的干重投加量不少于投加原料互花米草干重的20％。
本发明中，步骤(3)中，当选择单相循环发酵方法时，接种物的干重投加量不少于投加原料互花米草干重的20％。
本发明中，步骤(3)中，当选择固液两相发酵方法时，发酵原料不接种直接投加到固态原料管理反应器，液态微生物管理反应容器接种量按反应体积计算16000-20000mg/l。
本发明中，所述的互花米草原料的粉碎预处理可以采取以下常规方法将收割后的互花米草地上部分，通过人工或机械方法切成2～3cm的小段；或者通过秸秆搓揉粉碎机对其进行预处理等。
本发明中，根据不同用户的技术条件和需求，选择不同发酵方法。可以选择不同的发酵方法有单相不循环发酵方法、单相内循环发酵方法、固液两相发酵方法等。
单相不循环方法本方法将原料与接种物直接混合投加到一个简单的沼气反应装置中进行发酵，接种物的干重投加量不少于投加原料干重的20％，反应结束后，须要全部清空反应器进行新一轮投料接种。优点是可以直接利用原有的沼气池来利用互花米草，设备简单，易于操作和管理，比较适合农户使用。
单相内循环方法本方法将原料与接种物直接混合投加到一个简单的沼气反应装置中进行发酵，接种物的干重投加量不少于投加原料干重的20％。反应开始后，定期通过外动力，比如泵，将反应装置底部中的液体循环到反应装置的上部，增加微生物与原料的接触，以提高反应效率。反应结束后，须要全部清空反应器进行新一轮投料接种。优点是反应效率高，发酵周期短，可以提高产气量和减小反应装置的体积，比较适合技术条件比较好的用户利用互花米草生产沼气。
固液两相发酵方法本方法反应装置包括两个反应容器，分别为固态原料管理容器和液态微生物管理容器；固态原料管理容器用于投加互花米草原料，投加原料时不需要进行接种，只接投加原料即可；液态微生物管理容器用于微生物接种管理，不投加反应原料，仅接种接种物按反应器体积计算16000-20000mg/l，接种时在该反应器中添加一定量的填料，如塑料填料、玻璃球填料、矿渣等，来截流产甲烷反应器中的污泥，使微生物最大限度的停留在反应器中。反应开始后，定期通过外动力，如泵，将固态原料管理容器的液体抽到液态微生物管理容器中，再将液态微生物管理容器的溢出液回流到固态原料管理容器中。这样一方面固态原料管理容器的溶解在液体中的有机质可以很快在液态微生物管理容器发酵产生沼气，另一方面，液态微生物管理容器回流到固态原料管理容器的液体中的微生物，逐步完成固态原料管理容器的接种。反应结束后，只需全部清空固态原料管理容器中的残渣，在直接投入原料，即可进行新一轮发酵，不需要再对液态微生物管理容器进行接种。本装置的优点是大大提高反应装置的效率，缩短原料的发酵周期，增加产气量，同时，减少接种工作量，比较适合技术条件好的规模化的利用互花米草。
本发明中，当发酵装置每日反应产气量大幅度降低时，即日产气量低于平均日产气量的30％，停止反应，进行重新投料开始新一轮反应。
本发明的优点本发明充分实现了互花米草的资源化、减量化和无害化的利用，将破坏生态环境和危害海洋经济的害草——互花米草转化成为一种能源植物。由于受自然条件的影响，全国互花米草的单位面积生产力差别较大，但是根据目前的研究基本在2-5kg/(干物质)范围内，取平均数据3kg/m2(干物质)；全国目前有互花米草面积80-100万亩，考虑生态保护等多种因素影响，按收获率80％计算，取70万亩收获面积；综合以上两个方面的考虑，单纯考虑自然群落，全国每年可以收获互花米草生物质资源量达到14万吨(干物质)。根据研究互花米草干物质产气潜力可以达到0.2-0.3m3/kg，以上原料总共可以产气2800-4200万立方米的沼气，可以替代3-5万吨标准煤。
图1为实施例1日产气量曲线。
图2为实施例2日产气量曲线。
图3为实施例3日产气量曲线。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1某农户家利用互花米草制备沼气。
(1)原料互花米草的预处理；将收割后的互花米草地上部分，通过人工或机械方法切成2～3cm的小段；(2)向步骤(1)所得的互花米草250kg中添加含N元素物质尿素5kg，混合，调整混合料的碳氮比，使混合料中的C/N为20∶1；(3)将步骤(2)中所得混合料投入到4立方米的普通沼气发酵装置中，并加入接种物含水量为80％的厌氧消化污泥500kg，得到发酵原料；(4)向步骤(3)中的发酵原料中加水，直至水面高于发酵原料5cm；(5)封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管道连接储气装置，控制反应温度为30-35℃，进行发酵产气，反应第2天即开始产气，反应进行了36天，每日反应产气量大幅度降低，结束一轮反应进行另一轮投料和接种。
在步骤(5)中储气装置的出气管上接上膜式煤气表，每天进行沼气体积的计量，日产气量结果见图1，总产气量为35立方米，池容产气率为0.26m3/m3d。
实施例2某小型企业利用互花米草制备沼气。
(1)原料互花米草的预处理；将收割后的互花米草地上部分，通过人工或机械方法切成2～3cm的小段；(2)向步骤(1)所得的互花米草1250kg中添加含N元素物质碳酸氢铵30kg，混合，调整混合料的碳氮比；使混合料的C/N为30∶1；(3)将步骤(2)中所得混合料投入到体积为20立方米单相内循环发酵装置中，并加入接种物沼液5立方米进行接种，得到发酵原料；(4)向步骤(3)中的发酵原料中加水，直至水面高于发酵原料20cm；(5)封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管道连接储气装置，控制反应温度为60-65℃进行发酵产气，经过43天，互花米草中的有机物质通过微生物的作用转化为沼气，即得所需产品，当发酵装置每日反应产气量大幅度降低时，反应结束。
在步骤(5)中储气装置的出气管上接上膜式煤气表，每天进行沼气体积的计量，日产气量结果见图2，总产气量为293.5立方米，池容产气率为0.34m3/m3d。
实施例3某中型企业利用互花米草制备沼气。
(1)原料互花米草的预处理将收割后的互花米草地上部分，通过人工或机械方法切成2～3cm的小段；(2)固态原料管理发酵装置将6250kg预处理后的互花米草原料投加到100立方米固态原料管理发酵装置中，添加尿素125kg使混合液中碳氮比达到25∶1；(3)液态微生物管理反应装置将5立方米体积的聚乙烯球状填料投入到体积为20立方米液态微生物管理反应装置中，加入接种物含水量为80％的厌氧消化污泥2500kg，加入一定量的水，在反应器上部留有20cm的空间；(4)封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管道连接储气装置，在自然温度下进行发酵产气，经过43天，互花米草中的有机物质通过微生物的作用转化为沼气，即得所需产品，当发酵装置每日反应产气量大幅度降低时，反应结束。
在步骤(5)中储气装置的出气管上接上膜式煤气表，每天进行沼气体积的计量，日产气量结果见图3，总产气量为1215立方米，池容产气率为0.28m3/m3d。
权利要求
1.一种以互花米草为原料发酵制备沼气的方法，其特征在于具体步骤如下(1)原料互花米草的粉碎预处理；(2)向步骤(1)所得的预处理互花米草中添加含N元素物质，混合，得到混合料，控制混合料的碳氮比为20∶1--30∶1；(3)将步骤(2)中所得混合料投入到发酵装置中，并加入接种物进行接种，得到发酵原料，具体投加和接种方式根据发酵方法而不同，具体发酵方法包括三类单相不循环发酵方法、单相内循环发酵方法或固液两相发酵方法；(4)向步骤(3)中的发酵原料中加水，加入量为水面至少高于发酵原料5cm；(5)封闭发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管道连接储气装置，控制反应温度在30-40℃，进行发酵产气，经过1-2天即可产生沼气，即目标产品；发酵经过20-60天，互花米草中可厌氧生物降解的有机物质基本被微生物作用转化为沼气，当发酵装置每日反应产气量大幅度降低时，即日产气量低于平均日产气量的30％时，反应即可结束，进行新一轮发酵。
2.根据权利要求1所述的以互花米草为原料发酵制备沼气的方法，其特征在于所述含N元素物质为尿素、碳酸氢铵或畜禽粪便中一至多种。
3.根据权利要求1所述的以互花米草为原料发酵制备沼气的方法，其特征在于所述接种物为沼渣、沼液或厌氧消化污泥中任一种。
4.根据权利要求1所述的以互花米草为原料发酵制备沼气的方法，其特征在于步骤(3)中，当选择单相不循环发酵方法时，接种物的干重投加量不少于投加原料互花米草干重的20％。
5.根据权利要求1所述的以互花米草为原料发酵制备沼气的方法，其特征在于步骤(3)中，当选择单相循环发酵方法时，接种物的干重投加量不少于投加原料互花米草干重的20％。
6.根据权利要求1所述的以互花米草为原料发酵制备沼气的方法，其特征在于步骤(3)中，当选择固液两相发酵方法时，发酵原料不接种直接投加到固态原料管理反应器，液态微生物管理反应容器接种量按反应体积计算16000-20000mg/l。
全文摘要
本发明属于资源与环境技术领域，具体涉及一种以互花米草为原料发酵制备沼气的方法。具体步骤为原料互花米草的预处理，预处理后的互花米草中添加含N元素物质，调整碳氮比为20∶1－30∶1，然后投入到发酵装置中，接种进行发酵，1－2天即可产生沼气，原料经过20－60天完成一个发酵周期。互花米草沼气发酵的周期受发酵方法的影响。互花米草沼气发酵原料的具体投加和接种方式根据发酵方法而不同，具体发酵方法包括三类单相不循环发酵方法、单相内循环发酵方法、固液两相发酵方法。本发明充分实现了互花米草的资源化、减量化和无害化的利用，将破坏生态环境和危害海洋经济的害草——互花米草转化成为一种能源植物。
文档编号C05F17/00GK1923732SQ20061011614
公开日2007年3月7日 申请日期2006年9月18日 优先权日2006年9月18日
发明者朱洪光, 陈小华, 王彪, 朱鹏 申请人:同济大学