专利名称：一种通过沼液循环提高秸秆沼气产量和减排沼液的方法
技术领域：
本发明属于固体废物处理技术领域，涉及一种通过控制沼液循环来提高秸杆产气量、提高产气品质并且减少沼液排放量的方法。
背景技术：
我国是农业大国，秸杆资源十分丰富，拥有量居世界首位。除少量被有效利用之外，大部分秸杆转向露天燃烧或者堆放在田间，不仅造成了严重的环境问题，同时浪费了大量的资源。通过厌氧消化将秸杆转化为清洁能源是秸杆实现无害化、资源化的有效途径。秸杆厌氧消化后产生的废弃物中含有大量的沼液，沼液直接外排会造成严重的环境污染，而且沼液在实际利用过程中也存在一些不确定因素。沼液不仅含有丰富的营养元素如氮、磷、钾、铜、铁、锌等微量营养元素，还含有大量氨基酸、维生素、水解酶以及某些植物激素和一些其他有抑制病虫害作用的物质或因子。将沼液以循环的方式重新进入厌氧消化池，可以节约大量的水资源和尿素等化学药品，降低厌氧消化的运行成本；由于沼液中含有丰富均衡的微生物反应所需的营养成分，提高了微生物活性，进而提高麦秸厌氧发酵的产气量以及生物气中的甲烷含量。因此沼液循环不仅有利于节能减排和保护环境，还可以大大提高秸杆厌氧发酵的经济效益。
发明内容
本发明公开了秸杆连续式厌氧发酵中通过控制沼液循环量来提高产气的一种方法，工艺流程如图I所示。在连续进出料生产沼气工艺中，每天都会产生一定量的沼液，由于沼液中含有丰富的营养物质及某些微生物所必需的元素，因此沼液循环利用能促进微生物新陈代谢，提高微生物的活性，从而大幅提高产气量。本发明的沼液池中安装有传感器实时测定沼液中的参数指标，据此确定沼液的循环比例。厌氧消化室液面中安装有液位计，并与继电器控制的离心泵相连，避免了厌氧消化室中液面下降、物料有效容积减少的情况。该流程实现了麦秸连续发酵以及沼液循环利用的自动控制。本发明中沼液循环控制流程如图2所示，一种通过沼液循环提高秸杆沼气产量和减排沼液的方法，其特征在于从厌氧发酵池中出来的混合物料经固液分离机进行固液分离后，通过传感器实时检测沼液中氨氮浓度、COD、BOD、pH、Zn2+浓度、Cu2+浓度参数；根据沼液测定参数确定沼液循环流程并对参数进行调节；根据沼液测定指标数据设定沼液循环的比例为X，0%< X ( 100% ;或者不循环； X由对产气抑制影响较大的氨氮浓度来确定令氨氮浓度为Cmg/L，若C/15 = N……n，则循环比例为X = (100-N) % ;若氨氮浓度C > 1500mg/L，则沼液不循环；另外确定循环比例的辅助参数范围为BOD≥4000mg/L ；COD ≥ 10000mg/L ；Zn2+ ≥ 30mg/L ；Cu2+ ≥ 6mg/L ；pH ≥ 7. 5，当其中某个或者几个
辅助参数达到规定范围时，沼液不循环；将超出参数范围的参数调节至氨氮浓度< 200mg/L ；B0D ( 500mg/L ；C0D ( 1000mg/L ；Zn2+ = O ；Cu2+ = O 并且 pH = 6. 8，使得沼液适合循环利用。当沼液循环时，补充清水且在清水中添加适量的微量元素Fe、Co、Ni使得厌氧反应器中 Fe、Co、Ni 的浓度分别为(I. O I. 5)mg/L, (O. I O. 2)mg/L, (O. 2 O. 4)mg/L。调节参数的方法为用反硝化或添加氨氮去除剂的方法降低氨氮浓度，用化学沉淀法或混凝方法去除Zn2+和Cu2+，用酸碱中和法降低pH，用生化处理方法降低BOD及COD含量。本发明具体的工艺步骤如下(I)在连续进出料生产沼气工艺中，每天从厌氧发酵池中出来的混合物料进入固液分离机进行固液分离后，沼渣外排作为肥料，沼液则进入沼液收集池。设每天所得沼液的体积为V。(2)沼液收集池中安装实时监测传感器测定沼液中氨氮浓度、C0D、B0D、pH、Zn2+浓度、Cu2+浓度等参数。根据所测定参数设定沼液循环的比例为X(0%< X ( 100% )或者不循环。(3)若沼液循环的比例为X，则将体积为VX的沼液经自动计量泵由沼液收集池送入混合池I，与预处理秸杆在混合池I中混合后进入混合池II，将体积为(V-VX)的清水中补充适量微量元素Fe、Co、Ni后送入混合池II，混合池II中物料充分混合后作为厌氧发酵的原料进入厌氧反应器；若沼液不循环，则直接将预处理秸杆送入混合池I，之后再送入混合池II，将体积为V的清水中补充适量微量元素Fe、Co、Ni后送入混合池II，混合池II中物料充分混合后作为厌氧发酵的原料进入厌氧反应器。(4)由于在厌氧发酵过程中会出现厌氧消化室中液面下降、物料有效容积减少的情况，所以安装液位计用以测定厌氧消化室中的液面，当液面处于液位计下限时，继电器控制离心泵开始工作，将沼液收集池中的沼液送入厌氧反应器，当液面处于液位计上限时离
心泵停止工作。(I)通过沼液循环减少了沼液向外界环境排放的量，提供了一种处理沼液的新途径，对环境友好，符合国家节能减排的政策；(2)通过沼液循环可以使麦秸的产气量大幅提高40 % 50 %，产气中有效成分甲烷的含量也有所提高，约为5% 10%。(3)沼液中含有丰富的氨氮物质，通过沼液循环利用可以调节预处理麦秸的碳氮比为20 30 1，同时沼液中还含有磷、钾、铜、铁、锌、钙、锰等微生物所必需的元素，从而节约了实验药品成本以及水资源。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明图I是秸杆厌氧发酵试验流程图 图I中I自动计量泵2离心泵3离心泵4继电器5液位计6气体流量计图2是沼液循环控制流程3、4分别是实施例I中日产气量变化图和单位产气量图(日均产气为5. 58L，单位TS产气量为436. 04mL/g,单位VS产气量为525. 98mL/g)
图5、6分别是实施例2中日产气量变化图和单位产气量图(日均产气为5. 49L，单位TS产气量为428. 64mL/g,单位VS产气量为517. 06mL/g)图7、8分别是实施例3中日产气量变化图和单位产气量图(日均产气为5. 42L，单位TS产气量为423. 70mL/g，单位VS产气量为511. 09mL/g)图9、10分别是实施例4中日产气量变化图和单位产气量图(日均产气为5. 34L， 单位TS产气量为416. 98mL/g,单位VS产气量为502. 99mL/g)图11、12分别是实施例5中日产气量变化图和单位产气量图(日均产气为3. 83L， 单位TS产气量为298. 96mL/g,单位VS产气量为360. 62mL/g)图13、14分别是实施例6中日产气量变化图和单位产气量图(日均产气为4. 01L， 单位TS产气量为313. 54mL/g,单位VS产气量为378. 22mL/g)图15、16分别是实施例7中日产气量变化图和单位产气量图(日均产气为3. 96L， 单位TS产气量为309. 38mL/g,单位VS产气量为373. 19mL/g)图17、18分别是实施例8中日产气量变化图和单位产气量图(日均产气为3. 99L， 单位TS产气量为311. 98mL/g，单位VS产气量为376. 33mL/g)图19、20分别是实施例9中日产气量变化图和单位产气量图(日均产气为3. 91L， 单位TS产气量为305. 21mL/g,单位VS产气量为335. 96mL/g)图21、22分别是实施例10中日产气量变化图和单位产气量图(日均产气为 4. 02L，单位TS产气量为314. 58mL/g,单位VS产气量为346. 28mL/g)
具体实施例方式下面结合具体实施案例对本发明做进一步详细说明。实施例一本例所用实验装置中厌氧消化反应器的有效容积为8L，厌氧发酵材料为麦秸，负荷为65gTS/L (TS为麦秸的干重)。在运行稳定的连续厌氧发酵实验中，每天将干重为12. Sg 的麦秸经化学预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为麦秸干重的2%和600% )后送入混合池I中。测定收集池中沼液参数，氨氮浓度为10mg/L，辅助参数为(BOD = 1000mg/L ；C0D =4000mg/L ；Zn2+ = 5mg/L ；Cu2+ = lmg/L ；pH = 7. 2),由于氨氮浓度和辅助参数均未超出规定范围，则由氨氮浓度C = 10mg/L,确定沼液循环比例为100%。经自动计量泵将70mL沼液由收集池送入储存池，再由离心泵2全部进入混合池I中，与预处理麦秸混合均匀后进入混合池II中。不补充清水直接将原料送入厌氧反应器中。本例中日均产气为5. 58L，与沼液不循环相比，产气量提高41. 35%。实施例二 本例所用实验装置中厌氧消化反应器的有效容积为8L，厌氧发酵材料为麦秸，负荷为65gTS/L (TS为麦秸的干重)。在运行稳定的连续厌氧发酵实验中，每天将干重为12. Sg 的麦秸经化学预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为麦秸干重的2%和600% )后送入混合池I中。测定收集池中沼液参数，氨氮浓度为380mg/L，辅助参数为(BOD = 1500mg/L ；C0D =5000mg/L ；Zn2+ = lOmg/L ；Cu2+ = 2mg/L ；pH = 7. 25),由于氨氮浓度和辅助参数均未超出规定范围，则由氨氮浓度C = 380mg/L，确定沼液循环比例为75%。经自动计量泵将52. 5mL 沼液由收集池送入储存池，再由离心泵2全部进入混合池I中，与预处理麦秸混合均匀后进
5入混合池II中。之后补充17. 5mL清水(清水中添加适量Fe、Co、Ni使厌氧反应器中Fe、 Co、Ni的浓度分别为I. 0mg/L、0. Img/L、0. 2mg/L)进入混合池II中，充分混合均匀后作为厌氧发酵的原料送入厌氧反应器中。本例中日均产气为5. 49L，与沼液不循环相比，产气量提闻 39. 08 % ο实施例三本例所用实验装置中厌氧消化反应器的有效容积为8L，厌氧发酵材料为稻草，负荷为65gTS/L (TS为稻草的干重)。在运行稳定的连续厌氧发酵实验中，每天将干重为12. Sg 的稻草经化学预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为稻草干重的2%和600% )后送入混合池I中。测定收集池中沼液参数，氨氮浓度为760mg/L，辅助参数为(BOD = 2000mg/L ； COD = 6000mg/L ；Zn2+ = 15mg/L ；Cu2+ = 3mg/L ；pH = 7.3),由于氨氮浓度和辅助参数未超出规定范围，则由氨氮浓度C = 760mg/L，确定沼液循环比例为50%。经自动计量泵将35mL 沼液由收集池送入储存池，再由离心泵2全部进入混合池I中，与预处理稻草混合均匀后进入混合池II中。之后补充35mL清水(清水中添加适量Fe、Co、Ni使厌氧反应器中Fe、Co、 Ni的浓度分别为I. 0mg/L、0. Img/L、0. 2mg/L)进入混合池II中，充分混合均勻后作为厌氧发酵的原料送入厌氧反应器中。本例中日均产气为5. 42L，与沼液不循环相比，产气量提高 37. 30%。实施例四本例所用实验装置中厌氧消化反应器的有效容积为8L，厌氧发酵材料为玉米秸， 负荷为65gTS/L(TS为玉米秸的干重)。在运行稳定的连续厌氧发酵实验中，每天将干重为 12. 8g的玉米秸经化学预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为玉米秸干重的2%和600% ) 后送入混合池I中。测定收集池中沼液参数，氨氮浓度为1130mg/L，辅助参数为(B0D = 2500mg/L ；C0D = 7000mg/L ；Zn2+ = 20mg/L ；Cu2+ = 4mg/L ；pH = 7. 4),由于氨氮浓度和辅助参数未超出规定范围，则由氨氮浓度C= 1130mg/L，确定沼液循环比例为25%。经自动计量泵将17. 5mL沼液由收集池送入储存池，再由离心泵2全部进入混合池I中，与预处理玉米秸混合均匀后进入混合池II中。之后补充52. 5mL清水(清水中添加适量Fe、Co、Ni使厌氧反应器中Fe、Co、Ni的浓度分别为I. 2mg/L、0. 13mg/L、0. 26mg/L)进入混合池II中，充分混合均匀后作为厌氧发酵的原料送入厌氧反应器中。本例中日均产气为5. 34L，与沼液不循环相比，产气量提高35. 28%。实施例五本例所用实验装置中厌氧消化反应器的有效容积为8L，厌氧发酵材料为麦秸，负荷为65gTS/L (TS为麦秸的干重)。在运行稳定的连续厌氧发酵实验中，每天将干重为12. Sg 的麦秸经化学预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为麦秸干重的2%和600% )后送入混合池I中。测定收集池中沼液参数，氨氮浓度为1600mg/L，辅助参数为(BOD = 3000mg/L ； COD = 8000mg/L ；Zn2+ = 20mg/L ；Cu2+ = 4mg/L ；pH = 7. 4)，则由于氨氮浓度> 1500mg/L,所以沼液不循环。经反硝化作用将收集池中的氨氮浓度< 200mg/L。之后直接把预处理麦秸送入混合池II，补充70mL清水(清水中添加适量Fe、Co、Ni使厌氧反应器中Fe、Co、Ni的浓度分别为I. 2mg/L、0. 13mg/L、0. 26mg/L)进入混合池II中，充分混合均勻后作为厌氧发酵的原料送入厌氧反应器中。本例中日均产气为3. 83L。实施例六
本例所用实验装置中厌氧消化反应器的有效容积为8L，厌氧发酵材料为稻草，负荷为65gTS/L (TS为稻草的干重)。在运行稳定的连续厌氧发酵实验中，每天将干重为12. Sg 的稻草经化学预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为稻草干重的2%和600% )后送入混合池I中。测定收集池中沼液参数，氨氮浓度为1350mg/L，辅助参数为(BOD = 4200mg/L ； COD = 8000mg/L ；Zn2+ = 25mg/L ；Cu2+ = 4. 5mg/L ；pH = 7. 55)，则由于 BOD、pH 超出辅助参数规定范围，所以沼液不循环。用生化处理方法使BOD ( 500mg/L ;添加适量的氢氧化钠使得pH = 6. 8。之后直接把预处理稻草送入混合池II，补充70mL清水(清水中添加适量Fe、 Co、Ni使厌氧反应器中Fe、Co、Ni的浓度分别为I. 3mg/L、0. 16mg/L、0. 32mg/L)进入混合池
II中，充分混合均匀后作为厌氧发酵的原料送入厌氧反应器中。本例中日均产气为3. 99L。实施例七本例所用实验装置中厌氧消化反应器的有效容积为8L，厌氧发酵材料为玉米秸， 负荷为65gTS/L(TS为玉米秸的干重)。在运行稳定的连续厌氧发酵实验中，每天将干重为 12. 8g的玉米秸经化学预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为玉米秸干重的2%和600% ) 后送入混合池I中。测定收集池中沼液参数，氨氮浓度为1350mg/L，辅助参数为(B0D = 3500mg/L ；C0D = 11000mg/L ；Zn2+ = 3lmg/L ；Cu2+ = 5mg/L ；pH = 7. 56)，则由于 C0D、Zn2+浓度、pH超出辅助参数规定范围，所以沼液不循环。用生化处理方法使COD ( 1000mg/L ;添加硫化钠使得Zn2+完全沉淀而去除；添加适量的氢氧化钠使得pH = 6. 8。之后直接把预处理玉米秸送入混合池II，补充70mL清水(清水中添加适量Fe、Co、Ni使厌氧反应器中Fe、 Co、Ni的浓度分别为I. 3mg/L、0. 16mg/L、0. 32mg/L)进入混合池II中，充分混合均勻后作为厌氧发酵的原料送入厌氧反应器中。本例中日均产气为4. 01L。实施例八本例所用实验装置中厌氧消化反应器的有效容积为8L，厌氧发酵材料为麦秸，负荷为65gTS/L (TS为麦秸的干重)。在运行稳定的连续厌氧发酵实验中，每天将干重为12. Sg 的麦秸经化学预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为麦秸干重的2%和600% )后送入混合池I中。测定收集池中沼液参数，氨氮浓度为1350mg/L，辅助参数为(BOD = 4100mg/ L ；C0D = 10400mg/L ；Zn2+ = 25mg/L ；Cu2+ = 6. 5mg/L ；pH = 7. 57)，则由于 BOD、COD、Cu2+ 浓度、pH超出辅助参数规定范围，所以沼液不循环。用生化处理方法使BOD彡500mg/L， COD ( 1000mg/L ;添加硫化钠使得Cu2+完全沉淀而去除；添加适量的氢氧化钠使得pH = 6. 8。之后直接把预处理麦秸送入混合池II，补充70mL清水(清水中添加适量Fe、Co、Ni 使厌氧反应器中Fe、Co、Ni的浓度分别为I. 4mg/L、0. 19mg/L、0. 38mg/L)进入混合池II中， 充分混合均匀后作为厌氧发酵的原料送入厌氧反应器中。本例中日均产气为3. 96L。实施例九本例所用实验装置中厌氧消化反应器的有效容积为8L，厌氧发酵材料为稻草，负荷为65gTS/L (TS为稻草的干重)。在运行稳定的连续厌氧发酵实验中，每天将干重为12. Sg 的稻草经化学预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为稻草干重的2%和600% )后送入混合池I中。测定收集池中沼液参数，氨氮浓度为1350mg/L，辅助参数为(BOD = 4200mg/L ； COD = 10500mg/L ；Zn2+ = 3lmg/L ；Cu2+ = 6. 5mg/L ；pH = 7. 6)，则由于 BOD、COD、Zn2+浓度、 Cu2+浓度、pH超出辅助参数规定范围，所以沼液不循环。用生化处理方法使BOD ( 500mg/L, COD ( 1000mg/L ;添加硫化钠使得Zn2+、Cu2+完全沉淀而去除；添加适量的氢氧化钠使得pH=6. 8。之后直接把预处理稻草送入混合池II,之后补充70mL清水(清水中添加适量Fe、 Co、Ni使厌氧反应器中Fe、Co、Ni的浓度分别为I. 4mg/L、0. 19mg/L、0. 38mg/L)进入混合池 II中，充分混合均匀后作为厌氧发酵的原料送入厌氧反应器中。本例中日均产气为3. 91L。实施例十本例所用实验装置中厌氧消化反应器的有效容积为8L，厌氧发酵材料为玉米秸， 负荷为65gTS/L(TS为玉米秸的干重)。在运行稳定的连续厌氧发酵实验中，每天将干重为 12. 8g的玉米秸经化学预处理(NaOH粉末和清水添加量分别为玉米秸干重的2%和600% ) 后送入混合池I中。测定收集池中沼液参数，氨氮浓度为1650mg/L，辅助参数为(B0D = 4300mg/L ；C0D = 10700mg/L ；Zn2+ = 31. 5mg/L ；Cu2+ = 6. 6mg/L ；pH = 7. 68)，则由于氨氮浓度、BOD、COD、Zn2+浓度、Cu2+浓度、pH超出规定范围，所以沼液不循环。经反硝化作用将收集池中的氨氮浓度彡200mg/L ;用生化处理方法使BOD ( 500mg/L, COD ( 1000mg/L ;添加硫化钠使得Zn2+、Cu2+完全沉淀而去除；添加适量的氢氧化钠使得pH = 6. 8。之后直接把预处理玉米秸送入混合池II，之后补充70mL清水(清水中添加适量Fe、Co、Ni使厌氧反应器中Fe、Co、Ni的浓度分别为I. 5mg/L、0. 2mg/L、0. 4mg/L)进入混合池II中，充分混合均匀后作为厌氧发酵的原料送入厌氧反应器中。本例中日均产气为4. 02L。
权利要求
1.一种通过沼液循环提高秸杆沼气产量和减排沼液的方法，其特征在于从厌氧发酵池中出来的混合物料经固液分离机进行固液分离后，通过传感器实时检测沼液中氨氮浓度、COD、BOD、pH、Zn2+浓度、Cu2+浓度参数；根据沼液测定参数确定沼液循环流程并对参数进行调节；设定沼液循环的比例为Χ，0%<Χ< 100%;或者不循环；X由对产气抑制影响较大的氨氮浓度来确定令氨氮浓度为Cmg/L，若C/15 = N……n，则循环比例为X= (100-N) 若氨氮浓度C > 1500mg/L,则沼液不循环；另外确定循环比例的辅助参数范围为BOD彡4000mg/ L ；C0D彡10000mg/L ；Zn2+彡30mg/L ；Cu2+彡6mg/L ；pH彡7. 5，当其中某个或者几个辅助参数达到规定范围时，沼液不循环；将超出参数范围的参数调节至氨氮浓度< 200mg/L ; BOD ( 500mg/L ；C0D ( 1000mg/L ；Zn2+ = 0 ；Cu2+ = 0 并且 pH = 6. 8 ;当沼液循环时，补充清水且在清水中添加适量的微量元素Fe、Co、Ni使得厌氧反应器中 Fe、Co、Ni 的浓度分别为(I. O I. 5)mg/L、(0. I 0. 2)mg/L、(0. 2 0. 4)mg/L。
2.根据权利要求I所述一种通过沼液循环提高秸杆沼气产量和减排沼液的方法，其特征在于调节参数的方法为用反硝化或添加氨氮去除剂的方法降低氨氮浓度，用化学沉淀法或混凝方法去除Zn2+和Cu2+，用酸碱中和法降低pH，用生化处理方法降低BOD及COD含量。
全文摘要
本发明公开了一种通过沼液循环提高秸秆沼气产量和减排沼液的方法，使得麦秸发酵的产气量提高40％～50％。根据沼液测定指标数据设定沼液循环的比例为X，0％≤X≤100％；或者不循环；令氨氮浓度为Cmg/L，若C/15＝N……n，则循环比例为X＝(100-N)％；若氨氮浓度C＞1500mg/L，则沼液不循环；另外确定循环比例的辅助参数范围为BOD≥4000mg/L；COD≥10000mg/L；Zn2+≥30mg/L；Cu2+≥6mg/L；pH≥7.5，当辅助参数达到规定范围时，沼液不循环；调节至氨氮浓度≤200mg/L；BOD≤500mg/L；COD≤1000mg/L；Zn2+＝0；Cu2+＝0并且pH＝6.8。本发明通过控制沼液循环比例，实现了沼液的循环利用，减少了沼液的排放，同时为发酵的稳定运行节约了成本。
文档编号C12P5/02GK102586333SQ20121001246
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者刘研萍, 庞云芝, 朱保宁, 李秀金, 袁海荣, 邹德勋, 郝力彪 申请人:北京化工大学