一种零回流比的氨化秸秆半连续式干发酵方法

本发明涉及农业废弃物处理、生物质能源，特别涉及一种零回流比的氨化秸秆半连续式干发酵方法。

背景技术：

1、秸秆和畜禽粪污是重要的农业有机废弃物，科学地实现秸秆和畜禽废弃物的资源化利用，能够有效减少或抵消农业碳排放量并且缓解能源问题。利用农业废弃物厌氧发酵产甲烷具有费用低、能量回收率高等优点，是资源化利用农业废弃物的有效方式。厌氧干发酵是发酵底物ts(含固率)在20-40％的发酵技术，厌氧干发酵弥补了厌氧湿发酵用水量大、沼液处理困难、后续处理费用高等缺点，具有有机负荷高、原料处理量大、容积产气率高、沼液排放量小等优点，其发酵产物还可再次资源化利用。因此，厌氧干发酵是实现秸秆和畜禽粪污高值化再利用的一种高效方式。

2、农作物秸秆包含了大量纤维素、半纤维素、木质素，是优质的干发酵原料。畜禽养殖粪污是饲料在畜禽体内经过消化后的产物，容易被微生物分解利用，具有较高的产气潜力，适合用做厌氧发酵原料。但是，单一秸秆为原料的厌氧发酵碳含量太高，单一畜禽粪污厌氧发酵氮含量太高，两种原料单独厌氧发酵均存在效率低等问题。因此利用畜禽粪污中的高含量氮，与秸秆的高含量碳进行联合厌氧发酵，调节发酵系统的指标，改善产气性能、促进有机物降解、提高反应体系缓冲能力、维持系统稳定、提升发酵效果。

3、厌氧干发酵技术分为序批式和连续式发酵。序批式干发酵工艺主要推广应用的有bekon工艺、bioferm工艺和biocel工艺，其具有技术设计简单、易于控制等优势；连续干发酵工艺有dranco工艺、kompogas工艺、valorga工艺和linde-kca工艺，其具有产气连续稳定、容积产气率高、干物质降解率高、处理量大等优势。但上述干发酵工艺仍存在接种物量大、秸秆处理率低等问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的目的在于提供一种零回流比的氨化秸秆半连续式干发酵方法，该方法降低新添加物料中沼渣和氨化秸秆的配比，在回流沼渣量为零时，保持发酵系统较高产气效率，从而减少接种量，增大秸秆处理量，提高发酵罐利用效率。

2、本发明的目的通过下述技术方案实现：

3、一种零回流比的氨化秸秆半连续式干发酵方法，包含如下步骤：

4、1.原料前处理：

5、将生物质进行湿式厌氧发酵，固液分离，得到沼液与沼渣1；将沼渣1密封活化处理5-7天，得到沼渣2；

6、2.启动阶段：

7、(1)启动阶段第一周期：

8、①沼液氨化预处理秸秆：启动前，将步骤1制得的沼液与秸秆混合，30±2℃水浴厌氧氨化处理4-6天，得到氨化秸秆；

9、②将步骤1制得的沼渣2与步骤①制得的氨化秸秆按质量比(1:0.5)-(1:1)混合均匀，得到沼渣2/氨化秸秆混合物；

10、③在发酵罐中依次加入3层等质量的沼渣2作为原始发酵底物；

11、④从发酵罐上方加入步骤②制得的沼渣2/氨化秸秆混合物，然后通入氮气以保证发酵罐无氧状态，每日进行一次沼液回流；

12、(2)当发酵系统产甲烷量首次开始下降时，进入启动阶段第二周期：按照步骤(1)制备新鲜沼渣2/氨化秸秆混合物；然后从发酵罐上方加入该新鲜沼渣2/氨化秸秆混合物进行厌氧发酵；其他操作同步骤(1)④；

13、(3)当发酵系统产甲烷量再次开始下降时进入启动第三周期：按照步骤(1)制备新鲜氨化秸秆，制备好新鲜氨化秸秆后将发酵罐中最下层的发酵底物放出，然后从发酵罐上方加入该新鲜氨化秸秆进行厌氧发酵；其他操作同步骤(1)④；

14、(4)启动阶段第四周期和第五周期：按照同样条件重复操作步骤(3)2次，直至发酵罐中从下往上的第一至第二层为沼渣1/氨化秸秆混合物，第三至第五层为氨化秸秆；

15、3.运行阶段

16、(1)当启动阶段第五周期产甲烷量开始下降时进入运行阶段第一周期：按照步骤(1)制备新鲜氨化秸秆；制备好新鲜氨化秸秆后将发酵罐中最下层的发酵底物放出，然后从发酵罐上方加入该新鲜氨化秸秆进行厌氧发酵；通入氮气以保证发酵罐无氧状态；每日进行一次沼液回流；

17、(2)重复操作步骤3(1)；

18、步骤(1)中所述的湿式厌氧发酵的ts值优选调整为5-10％；

19、步骤(1)中所述的沼液的氨氮浓度优选调整为1000-3000mg/l；

20、所述的氨氮浓度调整优选采用双蒸水或氨水调整；

21、步骤(1)中所述的沼渣2的ts(含固率)优选调整为18-22％；

22、步骤(1)中所述的生物质可为人粪便、畜粪便和家禽粪便等中的至少一种；

23、步骤(1)中所述的畜粪便优选为新鲜猪粪；

24、步骤(1)中所述的厌氧发酵的条件优选为常温发酵40-60天；

25、步骤(1)中厌氧发酵后优选先采用纱布过滤，然后再通过离心，得到沼液与沼渣1；

26、步骤(1)中所述的密封活化处理时优选同步连接铝塑复合膜气体采样袋进行收气；

27、步骤2(1)①中所述的秸秆优选经过风干、粉碎处理；

28、步骤2(1)①中沼液与秸秆混合后的ts值优选调整为18-22％；

29、步骤2启动阶段和步骤3运行阶段每一周期优选每日检测沼气产生量和沼气中甲烷的占比，测气的同时进行一次沼液回流；

30、步骤2启动阶段和步骤3运行阶段每周期加入的底物的质量优选与步骤(1)1层原始发酵底物的质量相同；

31、步骤2启动阶段和步骤3运行阶段的发酵温度优选为37±2℃；

32、步骤2启动阶段和步骤3运行阶段优选在发酵罐顶端接入气体采样袋收集产气；

33、步骤3运行阶段优选至少运行5个周期；

34、步骤2启动阶段每周期的发酵时间优选为10-12天；

35、步骤3运行阶段每周期的发酵时间优选为10-15天；

36、所述的发酵罐的内部中空，放置有至少5个镂空隔板，可将发酵物料分隔为至少5层，隔板间优选用尼龙绳连接；

37、所述的发酵罐外部设有隔层，水从超级循环水浴锅流出，经发酵罐的进水口，自下往上灌满隔层，后从出水口流回循环水浴锅中，循环往复，为发酵罐提供恒温条件；

38、所述的发酵罐上下盖可拆卸，试验进行时用不锈钢螺丝和螺母与罐体固定，为干发酵试验提供厌氧条件，需要加料或放料时，可通过拆卸上下盖完成加料或放料操作；

39、所述的发酵罐顶部设有进气口、沼液回流口和出气口，底部设有排液进气口；其中，进气口、排液进气口配合出气口向密封发酵罐中通入氮气，出气口连接铝塑复合膜气体采样袋，收集发酵过程中产生的沼气；沼液回流口可用于向发酵罐中回流加入沼液；底部的排液进气口用于排放罐内的沼液，以及通入氮气；

40、本发明的原理：

41、本发明提供的零回流比的氨化秸秆半连续式干发酵方法采用竖向分层(共五层)的发酵方式，发酵物料沿竖直方向分层排列，具体包括原料前处理、启动阶段和运行阶段(定期进出料与物料指标测定)(图1-图3)，其中：

42、原料前处理：以人畜禽粪便和秸秆等为对象，进行湿式厌氧发酵、沼渣二次密封活化处理，得到沼液和沼渣2；其中，通过厌氧发酵、沼渣二次密封活化处理可增加沼渣里微生物的活性，加强发酵效果；

43、启动阶段：在正式启动前，以沼液、沼渣2和秸秆为原料，分别制备氨化秸秆和沼渣2/氨化秸秆混合物；启动阶段分为五个周期：

44、启动阶段第一周期：以三层沼渣2和一层沼渣2/氨化秸秆混合物作为发酵底物(可快速建立菌群，加快启动时间)，进行厌氧发酵，每日进行测气工作(检测沼气的产生量和沼气中甲烷的占比)，测气的同时进行一次沼液回流(从发酵罐下方放出沼液，从上方加入)，直至达到甲烷日产量的峰值；

45、启动阶段第二周期：当发酵系统产甲烷量开始下降时，开始制备新鲜的沼渣2/氨化秸秆混合物，氨化完成当天即进行进料操作：将与一层发酵底物同等质量的沼渣2/氨化秸秆混合物从发酵罐顶部连同隔板一起放入，将上盖重新封上，保证发酵罐内部处于密封状态；从发酵罐的排液进气口通入氮气，使罐内空气从出气口排出，保证罐内完全厌氧状态，同时每日进行测气工作和沼液回流，直至再次达到甲烷日产量的峰值；

46、启动阶段第三周期：当发酵系统产甲烷量开始下降时，不再制备沼渣2/氨化秸秆混合物，而是制备新鲜的氨化秸秆，氨化完成当天以新鲜的氨化秸秆作为新发酵底物进行换料：①出料：将发酵罐的下盖打开，借助贯穿所有隔板的尼龙绳，以隔板为界放出最下层发酵底物，然后将下盖重新封上；②进料：将氨化秸秆从发酵罐顶部连同隔板一起放入，将上盖重新封上，保证发酵罐内部处于密封状态；从排液进气口通入氮气，使罐内空气从出气口排出，保证罐内完全厌氧状态，同时每日进行测气工作和沼液回流，直至再次达到甲烷日产量的峰值；

47、启动阶段第四周期和第五周期同样以发酵系统产甲烷量开始下降为新周期开始的标志，操作方法同第三周期，当第五周期过程中甲烷日产量达到峰值时，标志着启动阶段的完成；

48、正式运行阶段每周期的操作同启动周期第三阶段，每个运行阶段包括至少5个周期；

49、本发明中所述的零回流比是指从启动阶段第三周期开始进料组成中新鲜氨化秸秆与发酵罐中放出的发酵底物的质量比为1:0；

50、本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

51、(1)本发明利用沼渣与氨化秸秆进行混合发酵，优化碳氮比，提高发酵系统的缓冲能力与稳定性。

52、(2)本发明全过程不需要加入生物菌剂、化学药剂，降低了成本。

53、(3)本发明通过控制新添加物料中沼渣和氨化秸秆的配比，减少接种物(沼渣)，从启动阶段第三周期开始控制氨化秸秆与沼渣比为1:0，一方面增加发酵底物的含固率，方便进出料的操作；另一份较传统干发酵工艺，在保持较高产气效率的同时，提高了秸秆的处理量，有助于消纳更多秸秆。

54、(4)本发明发酵温度为中温37℃，能源消耗低。

55、(5)本发明较传统干发酵工艺，累计产甲烷量与以单位vs计的累计产甲烷量提高，产甲烷效率提高。

56、(6)本发明具有成本低、系统稳定性高、处理秸秆量大、产甲烷效率高的优点，可实现农业废弃物的资源化利用，为传统干发酵工艺提供了新思路。