一种畜禽粪污资源利用方法与流程

本发明涉及有机废弃物处理，具体是一种畜禽粪污资源利用方法。

背景技术：

1、畜禽粪便中富含有机质和氮磷养分，兼具污染属性和资源属性，如何实现其高效、清洁、高值化的综合利用，已成为我国农业绿色发展和“双碳”目标实现过程中亟待解决的关键问题。目前，畜禽粪便的资源化处理技术主要包括厌氧发酵技术和热解炭化技术，两者单独使用时均存在难以克服的技术瓶颈。

2、厌氧发酵（也称沼气发酵）存在以下突出问题：（1）畜禽粪便中的木质纤维素类物质（如秸秆垫料、未消化完全的粗纤维等）生物降解率低，导致有机质转化不彻底，发酵残渣仍需二次处理；（2）发酵过程易受氨氮抑制和挥发性脂肪酸积累影响，系统稳定性差，尤其在处理高氮含量粪便时，产甲烷菌活性受到明显抑制；（3）单一厌氧发酵的沼气产率有限，能量转化效率已接近理论极限，提升空间小。

3、热解是在绝氧条件下将有机物加热裂解为热解气、热解油和热解炭的过程，其存在以下不足：（1）热解过程需外部提供大量热量，能耗较高，运行成本居高不下；（2）热解油成分复杂（含酚类、有机酸、多环芳烃等数百种化合物），直接利用困难；（3）热解过程有机氮转化为nh3和hcn等含氮气体逸出，导致产品中养分含量降低。

4、有部分研究将热解与发酵进行组合，但属于简单的“串联”模式（即先将粪便发酵产沼气，再将沼渣热解），热解和发酵之间缺乏物质和能量的深度交互。一方面，热解产物（尤其是热解油和热解炭）未在发酵环节得到有效利用，热解油的处理仍为难点，热解炭仅作为副产物外排；另一方面，热解产生的高温烟气直接排放，造成大量热量浪费；此外，热解气仅作为燃料自身供热，未与生物燃气协同提纯制备高值生物天然气。上述缺陷导致现有组合技术的能量效率和物质回收率偏低，难以实现畜禽粪便的全量化高值利用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种畜禽粪污资源利用方法，包括以下步骤：1）将畜禽粪便进行固液分离，所得液体部分送入厌氧发酵体系，所得固体部分经调质后进行绝氧热解，得到热解气、热解油和热解炭；2）将所述热解炭进行活化处理后，投加至所述厌氧发酵体系中作为微生物固定化载体和ph缓冲剂；3）将所述热解油进行乳化处理后，逐级补入所述厌氧发酵体系中作为共发酵底物；4）收集所述绝氧热解产生的高温烟气，将烟气余热传递至所述厌氧发酵体系以维持发酵温度；5）收集所述厌氧发酵体系产生的生物燃气，并与所述热解气混合利用。

2、根据本发明的一些实施例，所述热解炭的活化处理包括：将所述热解炭浸渍于碱性活化剂溶液中，再于惰性气氛下高温活化；活化完成后，将活化后的热解炭采用去离子水反复洗涤，直至洗涤液ph呈中性，再干燥至恒重。

3、根据本发明的一些实施例，所述碱性活化剂为koh溶液，浓度为1~3 mol/l，浸渍温度60~80℃，浸渍时间2~4 h，固液比为1:3~1:5；所述高温活化的温度为700~900℃，活化时间30~60 min。

4、根据本发明的一些实施例，所述热解油的乳化处理包括：将所述热解油与非离子型复配表面活性剂混合，加水进行高速剪切乳化，获得乳化液。

5、根据本发明的一些实施例，所述乳化液按以下方式逐级补入：将每日需补加的乳化液总量均分为24等份，每小时脉冲注入一次。

6、根据本发明的一些实施例，所述复配表面活性剂为tween-80与span-80的混合物，其hlb值为8~10；所述热解油与表面活性剂的质量比为100:1~100:3；所述高速剪切乳化的转速为8000~12000 rpm，时间为10~20 min。

7、根据本发明的一些实施例，所述乳化液投加至所述厌氧发酵体系之前，先静置分层试验验证：静置2小时后无肉眼可见游离水分层，且显微镜下油滴粒径≤5μm的油滴数量占总油滴数的90%以上。

8、根据本发明的一些实施例，所述绝氧热解的温度为450~650℃，升温速率为5~15℃/min，恒温停留时间为30~90 min；所述绝氧热解前，以0.5~1.0 l/min的流速通入纯度≥99.99%的氮气持续吹扫30~60 min，至炉内氧含量≤0.5%后，启动升温加热。

9、根据本发明的一些实施例，所述厌氧发酵体系采用两级串联发酵方式，包括一级水解酸化罐和二级产甲烷罐，发酵温度为35~38℃，水力停留时间为15~25天。

10、根据本发明的一些实施例，将所述生物燃气与净化后的所述热解气混合，经脱co2和脱硫处理后，获得甲烷含量≥95%的生物天然气；其中所述生物燃气与净化后热解气的混合体积比为3:1~5:1。

11、根据本发明的一些实施例，所述厌氧发酵体系产生的沼液经固液分离后，液体部分经膜生物反应器-活性炭组合工艺处理后回用于所述固体部分热解前的调质配水，回用水的化学需氧量≤500 mg/l，氨氮≤50 mg/l，悬浮物≤100 mg/l，ph为6.5~8.0，且回用水在调质配水总量中的比例≤80%；固体沼渣与未投加入发酵体系的剩余热解炭混合制备炭基有机肥。

12、本发明与现有技术相比，具有以下突出的有益效果和技术进步：

13、（1）本发明将热解产生的全部产物（炭、油、气、热）分别以不同功能形式回补至厌氧发酵体系：热解炭经活化后具有丰富的微孔结构和表面官能团，投加至发酵罐中为产甲烷菌提供附着位点，使菌群密度和代谢活性得到了提高，同时利用其碱性缓冲能力抵御挥发性脂肪酸积累导致的ph下降；热解油经乳化处理后油滴粒径≤5μm，比表面积增大，可被水解酸化菌有效利用，转化为易降解的小分子有机物，进而提升产甲烷阶段的底物供给。实验数据表明，采用本发明的耦合方法，沼气产率较单一厌氧发酵可提高35%~42%，系统整体能量效率达到74%~78%。

14、（2）本发明将热解过程产生的高温烟气（500~700℃）通过导热油系统回收余热，用于维持厌氧发酵的中温条件（35~38℃），余热可满足发酵供热需求的74%~82%，无需外加化石能源供热；同时热解气中一部分回供热解炉燃烧室作为自身燃料，实现了系统热量的自平衡。

15、（3）热解气与生物燃气混合提纯制备甲烷含量≥95%的生物天然气，可作为车用燃气或并入天然气管网；热解炭部分用于发酵载体、部分与沼渣混合制备炭基有机肥，实现碳素固定和土壤改良双重功能；沼液处理后回用，大幅减少废水排放和新鲜水消耗。

16、（4）本发明对猪粪、牛粪、鸡粪等主要畜禽粪便均具有良好的适应性，各操作参数（温度、时间、比例、投加量等）均在常规工业设备可实现的范围内。

1.一种畜禽粪污资源利用方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将畜禽粪便进行固液分离，所得液体部分送入厌氧发酵体系，所得固体部分经调质后进行绝氧热解，得到热解气、热解油和热解炭；2）将所述热解炭进行活化处理后，投加至所述厌氧发酵体系中作为微生物固定化载体和ph缓冲剂；3）将所述热解油进行乳化处理后，逐级补入所述厌氧发酵体系中作为共发酵底物；4）收集所述绝氧热解产生的高温烟气，将烟气余热传递至所述厌氧发酵体系以维持发酵温度；5）收集所述厌氧发酵体系产生的生物燃气，并与所述热解气混合利用。

2.根据权利要求1所述的一种畜禽粪污资源利用方法，其特征在于，所述热解炭的活化处理包括：将所述热解炭浸渍于碱性活化剂溶液中，再于惰性气氛下高温活化；活化完成后，将活化后的热解炭采用去离子水反复洗涤，直至洗涤液ph呈中性，再干燥至恒重。

3.根据权利要求2所述的一种畜禽粪污资源利用方法，其特征在于，所述碱性活化剂为koh溶液，浓度为1~3 mol/l，浸渍温度60~80℃，浸渍时间2~4 h，固液比为1:3~1:5；所述高温活化的温度为700~900℃，活化时间30~60 min。

4.根据权利要求1所述的一种畜禽粪污资源利用方法，其特征在于，所述热解油的乳化处理包括：将所述热解油与非离子型复配表面活性剂混合，加水进行高速剪切乳化，获得乳化液；和/或，所述乳化液按以下方式逐级补入：将每日需补加的乳化液总量均分为24等份，每小时脉冲注入一次。

5.根据权利要求4所述的一种畜禽粪污资源利用方法，其特征在于，所述复配表面活性剂为tween-80与span-80的混合物，其hlb值为8~10；所述热解油与表面活性剂的质量比为100:1~100:3；所述高速剪切乳化的转速为8000~12000 rpm，时间为10~20 min。

6.根据权利要求4所述的一种畜禽粪污资源利用方法，其特征在于，所述乳化液投加至所述厌氧发酵体系之前，先静置分层试验验证：静置2小时后无肉眼可见游离水分层，且显微镜下油滴粒径≤5μm的油滴数量占总油滴数的90%以上。

7.根据权利要求1所述的一种畜禽粪污资源利用方法，其特征在于，所述绝氧热解的温度为450~650℃，升温速率为5~15℃/min，恒温停留时间为30~90 min；所述绝氧热解前，以0.5~1.0 l/min的流速通入纯度≥99.99%的氮气持续吹扫30~60 min，至炉内氧含量≤0.5%后，启动升温加热。

8.根据权利要求1所述的一种畜禽粪污资源利用方法，其特征在于，所述厌氧发酵体系采用两级串联发酵方式，包括一级水解酸化罐和二级产甲烷罐，发酵温度为35~38℃，水力停留时间为15~25天。

9.根据权利要求1所述的一种畜禽粪污资源利用方法，其特征在于，将所述生物燃气与净化后的所述热解气混合，经脱co2和脱硫处理后，获得甲烷含量≥95%的生物天然气；其中所述生物燃气与净化后热解气的混合体积比为3:1~5:1。

10.根据权利要求1所述的一种畜禽粪污资源利用方法，其特征在于，所述厌氧发酵体系产生的沼液经固液分离后，液体部分经膜生物反应器-活性炭组合工艺处理后回用于所述固体部分热解前的调质配水，回用水的化学需氧量≤500 mg/l，氨氮≤50 mg/l，悬浮物≤100 mg/l，ph为6.5~8.0，且回用水在调质配水总量中的比例≤80%；固体沼渣与未投加入发酵体系的剩余热解炭混合制备炭基有机肥。