一種沼液回用有氧厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于沼氣發酵工程的技術領域。具體的說，本發明涉及一種采用沼液回流的有氧/厭氧耦聯混合發酵沼氣的技術領域。
【背景技術】
[0002]沼氣，亦稱為生物沼氣，主要是利用動物糞便、秸桿、工業有機廢物、城市生活垃圾等有機物通過微生物厭氧消化技術生產，所產生的沼氣中所含的主要成分一甲烷占其總量的40-80% ο每立方米沼氣完全燃燒相當于0.7公斤標準煤燃燒所產生的熱量，因此，沼氣是一種重要的可再生生物質能源。
[0003]目前，以農業有機資源為基礎的沼氣生產技術，主要生產原料為動物糞便或作物秸桿，以及糞便一秸桿混合物。沼氣發酵依賴原料降解所提供的基礎代謝底物濃度，而原料厭氧消化下具有一定的降解特性和周期過程，因此在沼氣生產中提高沼氣生產率往往要縮短發酵生產周期，提高發酵生產裝置換料頻率以維持發酵體系中沼氣產生代謝底物濃度，原料利用率低。因此，在沼氣生產中現已研發了多種預處理技術與發酵工藝以提高沼氣的發酵效率、延長發酵周期。
[0004]現有專利文獻公開了一種好氧與厭氧耦合兩相發酵產沼氣工藝方法(申請號為201510362882.0)，通過在進行濕料好氧水解發酵時，添加了木霉和黑曲霉這兩種菌劑，但是菌劑的量對于濕料好氧水解發酵具有重要的作用，太多和太少都不利于發酵，同時對于菌劑的量沒有進行限定。同時，濕料好氧水解發酵的過程中，需要的菌是多種多樣的，單憑木霉和黑曲霉這兩種菌劑不利于濕料好氧水解發酵，未采用補料工藝只是按照常規添加物料為一次性發酵，原料利用率低，自身客觀上存在技術不足和缺陷。
[0005]在原料預處理方面，現已有采用如酸處理、堿處理、機械粉碎的化學法，如爆汽法的物理法，酶法、以及如超聲波法與酶法相結合、超聲波與堿法不同方法的組合應用，也有應用微生物菌劑處理的應用技術，如秸桿腐化菌劑。此外，傳統的生物降解技術也在沼氣發酵預處理中得到應用，如堆肥、秸桿青貯、沼液浸泡等。
[0006]在沼氣發酵工藝技術方面，1987年我國即研究報道了混合發酵半連續補料發酵工藝，以青草和豬糞混合補料為補加原料以延長發酵裝置發酵周期，這也是我國目前沼氣裝置運行的主要工藝技術；1989年研究報道了沼氣固態發酵與液態發酵相結合的兩步發酵工藝技術，解決固態發酵酸化過度與常規液體發酵酸不足的問題。目前，國外大中型沼氣工程較先進行高效運行工藝主要采用兩步厭氧消化發酵工藝，即將厭氧消化過程中的水解/產酸與甲烷化過程進行物理分離，以水解/產酸厭氧消化產物為補料從而達到甲烷化過程持續高效。目前，現有這些通用的半連續發酵技術，在技術上雖然可有效延長沼氣裝置的運行周期，提高發酵效率，但存在如下問題:
(I)原料更換過程導致沼氣發酵體系的微生物菌群量下降，影響沼氣發酵高效產氣。
[0007](2)補料操作中物料為一次性發酵，原料利用率低。固態與液態發酵結合固態物料雖然在連續處理，但利用率整體較低，且必須配備之適應得固態發酵裝置等。
[0008](3)常規補料半連續發酵與兩步法發酵，在更換物料的同量大量排出沼液無法利用，為二次污染物。
[0009]因此，從沼氣發酵工藝應用情況分析，需要進一步提高原料利用率，沼氣發酵效率，并解決污染物的排放問題。
【發明內容】
[0010]針對沼氣發酵工藝技術中原料利用率低，產氣率低，大量排出沼液難于利用易造成二次污染問題的現狀，本發明旨在提供一種利用沼液回用，在有氧/厭氧交替變化條件下的“有氧/厭氧耦聯”處理物料進行補料發酵的技術方法。通過本發明提供的沼液浸泡有氧/厭氧耦聯處理沼氣發酵物料的技術方法，可有效維持沼氣裝置高產氣效率，延長沼氣裝置高效產氣時間，提高物料利用率，具有廣泛的適用價值。
[0011]本發明專利采用主要的技術方案:
本發明在沼氣裝置正常運行的基礎上，沼氣發酵物料采用沼液回用浸泡，進行有氧/厭氧耦聯預處理，預處理后的物料作為沼氣發酵的更新物料，進行沼氣發酵裝置的單批或半連續補料發酵;物料更新過程中采用進出料等量原則，先出料，后進料;在半連續發補料發酵過程中，采用日更新物料方式，沼氣裝置所排出物料與沼液浸泡，有氧/厭氧耦聯預處理未使用的物料相混合，繼續進行預處理，循環使用;在沼氣發酵裝置運行過程中檢測每日產氣率，根據日產氣率變化確定預處理原料是否需要更換，從而達到提高沼氣率、延長高效產氣周期及沼氣裝置運行周期的效果。
[0012]本發明具體提供一種采用沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法，制備方法具體步驟如下:
(I)秸桿的預處理:秸桿進行揉碎處理，破碎秸桿達到進行搖蕩或10rpm攪拌下呈現物理可懸浮狀態。
[0013](2)發酵物料配制與處理:按糞便與步驟(I)制備的秸桿固形物總量12%配制發酵物料，液相為回流沼液;配制好的物料進行有氧、厭氧交替聯合預處理。
[0014](3)沼氣厭氧發酵:將步驟(2)制備的沼氣發酵物料在發酵裝置中進行厭氧發酵，發酵溫度為30-45°C，產生沼氣。
[0015](4)補加物料的配制與預處理:按步驟(2)所述方法進行補加物料的配制與預處理;根據發酵需求，制備獲得的補加物料的濃度為可發酵物料濃度的1-1.5倍。
[0016](5)檢測:檢測沼氣厭氧發酵每日容積產氣率，設定沼氣發酵裝置最低產氣標準，當沼氣裝置產氣率下降至最低產氣率標準時進行半連續補料發酵。
[0017](6)半連續補料發酵:步驟(4)制備的補加物料在使用前6小時停止通氣、攪拌，并將其升溫至28-30°C;按先出料、后進料、進出物料等體積原則進行補料操作，且每日物料更換量為沼氣發酵裝置裝料量的10-15%，沼氣裝置排出的物料與未使用的補加物料相混均，繼續進行有氧、厭氧耦聯交替聯合預處理，循環使用，直到半連續補料發酵產氣率降到沼氣發酵裝置最低產氣標準更新補加物料，繼續半連續補料發酵。
[0018](7)沼液回流:將步驟(6)所更換的補加物料進行固液分離，所得沼液回流至步驟
(2)進行補加物料的配制與預處理。
[0019]本發明中，所述的有氧、厭氧耦聯交替聯合預處理為:物料在溫度為22°C、通氣量為0.1V/V.min、100 rpm攪拌條件下通氣20-30 min，停止通氣與攪拌，靜置4 h;再進行通氣、攪拌操作，物料連續循環處理。
[0020]本發明方法提供的本發明方法提供的沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法及在半連續補料發酵工藝上的應用可有效提高沼氣裝置發酵效率。半連續補料發酵裝置30天內完成兩倍單批發酵物料發酵，發酵效率是單批發酵的1.6倍。
[0021]本發明采用的秸桿的預處理、沼氣厭氧發酵、沼液回流、有氧/厭氧耦聯半連續補料等技術手段盡管離不開現有技術的支持和啟發，但是，對于有氧、厭氧耦聯交替聯合預處理物料的條件、半連續補料發酵的時間以及量等因素對于決定沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法的效果都具有重要的作用，也是決定性因素，不能說采用的技術手段和工具是現有技術，進而否定本發明提供的整體制備沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法的創新性，現有所有技術發明和創新都離不開現有技術的支撐和基礎。現有技術中盡管大量可見披露有關沼氣“單批發酵”的記載，本發明主要針對沼氣發酵中采用半連續補料發酵中，創造的采用沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵工藝技術方案。可見，本發明提供的沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法中的各技術因素和技術參數都經過綜合考量和設計，本發明提供的沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法中各技術環節具有上下一體，任何技術步驟不可或缺，緊密不可分割的特點，不能任意取舍肢解其中的技術步驟。
[0022]通過實施本發明具體的
【發明內容】
可以達到以下有益效果:
(I)本發明方法提供的沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法能夠維持沼氣發酵裝置連續高效運行，提高沼氣裝置使用效率;發酵物料經有氧階段與無氧階段交替循環處理，提高物料利用效率20%，提高發酵效率15%。
[0023](2)單批發酵與本發明方法提供的沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法相比較，半連續補料發酵裝置30天內完成兩倍單批發酵物料發酵，發酵效率是單批發酵的1.6倍，說明本發明方法提供的本發明方法提供的沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法及在半連續補料發酵工藝上的應用可有效提高沼氣裝置發酵效率。
[0024](3)本發明方法提供的本發明方法提供的沼液回用有氧/厭氧耦聯半連續補料沼氣發酵方法，可處理用于沼氣發酵的農作物秸桿、青草等原料，青貯保藏處理的秸桿、青草等發酵原料，以及秸桿與糞便的混合物，實現多種物料的混合使用。