一种实现沼渣高值化利用的生物天然气制备方法与流程

本发明属于农业废弃物和工业固体废弃物资源化利用、厌氧消化、生物天然气制备及副产物资源化利用，具体涉及一种实现沼渣高值化利用的生物天然气制备方法。

背景技术：

1、生物质沼气工程通常以秸秆、畜禽粪污、餐厨有机物及其他有机废弃物为原料，通过厌氧消化产生沼气。沼气经脱硫、脱水和脱二氧化碳提纯后，可获得甲烷体积分数较高的生物天然气，用于锅炉燃烧、发电、工业燃料、并网或车用燃气等领域。因此，生物天然气已成为有机废弃物高值化能源利用的重要方向。

2、在生物天然气制备过程中，厌氧消化后通常会产生大量沼渣和沼液。沼渣中保留了未完全降解的有机质、纤维组分以及部分氮、磷、钾等养分，具有进一步资源化利用潜力；沼液中则含有一定量的可溶性氮钾和微量元素，可作为调湿液、营养回流液或腐熟辅助物料使用。如果副产沼渣和沼液处置不当，不仅会增加后处理压力，还会降低整个生物天然气工程的综合经济性。

3、根据检测结果，沼渣中平均n含量约为1.055 %，c含量约为33.292 %，p2o5约为0.425 %，k2o约为1.091 %，总养分约为2.571 %，c/n约为31.6。可见，沼渣具有较好的有机质基础，是制备有机肥的重要原料来源。但由于其来源于厌氧消化后的副产物，往往存在含水率高、纤维结构较致密、c/n偏高、腐熟稳定性不足、直接利用安全性不高等问题，若不经调理直接还田或粗放利用，容易造成肥效不稳定或短期氮素固定。

4、另一方面，生物质电厂通常以秸秆、稻壳、木屑、园林废弃物等为燃料，燃烧后会产生一定量灰渣。该类灰渣中常含有sio2、cao、mgo、p2o5、k2o等矿物成分，可作为有机肥制备过程中的矿质养分补充组分和结构调理组分。然而，部分灰渣也存在氯离子含量偏高、碱性偏强、机械杂质较多等问题，若直接高比例用于肥料体系，可能造成氯风险、盐分累积或ph偏高问题。

5、现有技术中，生物天然气制备与其副产沼渣利用往往相互分离。生物天然气制备只关注产气效率、甲烷浓度和提纯利用，沼渣多采用简单堆肥、还田或低值消纳方式。尤其是在副产沼渣制肥过程中，通常仅关注含水率、c/n和无害化指标，而对沼渣自身氮、磷差异缺乏分级利用，对灰渣的低氯筛选和矿质协同补充也缺乏系统控制。

6、因此，有必要开发一种以生物天然气制备为主线、以副产沼渣制备有机肥为延伸的协同利用技术，在提高生物天然气工程综合价值的同时，实现沼渣、沼液及灰渣的协同资源化利用。

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对上述现有技术中存在的生物天然气制备过程副产沼渣利用率低、后处理压力大、沼渣直接制肥腐熟稳定性不足、养分不均衡以及生物质电厂灰渣氯含量与碱度波动导致的直接利用风险等问题，本发明提出一种实现沼渣高值化利用的生物天然气制备方法，通过厌氧制备生物天然气，然后利用副产沼渣协同灰渣和沼液制备有机肥，使天然气生产与副产物资源化利用形成联动体系，从而提高整个生物天然气工程的资源化水平和综合经济效益，并通过灰渣低氯筛选与水洗降氯、沼渣氮磷分级调控，根据副产沼渣的养分特征采取差异化配伍，提高了有机肥产品的总养分、腐熟度、稳定性和使用安全性。

2、技术方案：一种实现沼渣高值化利用的生物天然气制备方法，步骤如下：

3、步骤一、将有机废弃物作为厌氧发酵原料进行厌氧消化，产生的沼气经脱硫、脱水及脱二氧化碳提纯处理，得到生物天然气；厌氧消化后的发酵残余物经固液分离，得到副产沼渣和沼液；

4、步骤二、将来自生物质电厂的灰渣干燥（自然风干或低温），经破碎、磁选或人工除杂后筛分，检测灰渣中cl、n和p2o5含量，将cl含量不高于3%的灰渣作为矿质调理组分备用；将cl含量高于3%的灰渣水洗至低于3%备用；

5、步骤三、检测步骤一所得沼渣和沼液中n和p2o5含量，按n含量将沼渣分为n＜0.8%的低氮沼渣、0.8%≤n≤1.5%的中氮沼渣和n＞1.5%的高氮沼渣；按p2o5含量将沼渣分为p2o5＜0.3%的低磷沼渣、0.3%≤p2o5≤0.8%的中磷沼渣和p2o5＞0.8%的高磷沼渣；

6、步骤四、按干基质量份计，取步骤三所得沼渣55~75份、步骤二所得灰渣5~18份、高氮有机物料5~26份、磷源物料0~8份、碳源调理物料0~15份、腐殖酸类调理剂1~6份和复合微生物菌剂0.1~1.0份混合，并加入步骤一所得沼液，沼液的湿基加入量为上述干基物料总质量的3%~20%，得到混合发酵料，其中，高氮有机物料的加入份数按沼渣的氮分级确定，当沼渣为低氮沼渣时高氮有机物料的加入份数为15~25份，当沼渣为中氮沼渣时高氮有机物料的加入份数为8~18份，当沼渣为高氮沼渣时高氮有机物料的加入份数为5~12份且同时加入5~15份所述碳源调理物料；磷源物料的加入份数按沼渣的磷分级确定，当沼渣为低磷沼渣时磷源物料的加入份数为4~8份，当沼渣为中磷沼渣时磷源物料的加入份数为1~5份，当沼渣为高磷沼渣时磷源物料的加入份数为0~2份；

7、步骤五、调节混合发酵料的含水率至50%~65%、ph至6.5~8.2、c/n至18~28；

8、步骤六、将步骤五所得混合发酵料进行好氧堆肥腐熟，陈化后得到有机肥。

9、作为优选，所述步骤二中灰渣干燥至含水率低于20%，灰渣的粒径不大于2 mm，作为矿质调理组分备用的灰渣的cl含量不高于1.5%，还检测灰渣中cao、mgo、sio2、烧失量和重金属含量。

10、进一步地，所述步骤二中灰渣水洗按水洗液固比1:1~5:1加水搅拌10~60 min，固液分离后干燥。

11、进一步地，所述步骤三中将步骤一所得沼渣脱水至含水率55%~75%，并使其粒径或纤维长度不大于30 mm，还检测沼渣中的c、k2o含量以及含水率、ph和电导率。

12、作为优选，所述步骤四中，高氮有机物料为鸡粪、畜禽粪便、豆粕、菜籽饼、餐厨固渣、酒糟和氨基酸发酵残渣中的至少一种；所述磷源物料为骨粉、磷矿粉、钙镁磷肥和含磷发酵残渣中的至少一种；所述碳源调理物料为秸秆粉、稻壳粉、蘑菇渣、木屑、园林废弃物堆肥和腐熟秸秆中的至少一种；所述腐殖酸类调理剂为腐植酸、黄腐酸钾、风化煤腐殖酸、泥炭和褐煤腐殖酸中的至少一种。

13、作为优选，所述步骤四中，在确定高氮有机物料和磷源物料的加入份数时，还包括计算氮素补足指数nsi和磷素补足指数psi，并按计算结果调整加入份数，计算公式如下：

14、nsi=(nt－nm)/nt ，

15、式中，nt为目标n质量百分含量，nm为混合前沼渣、灰渣和沼液折算后的基础n质量百分含量；

16、psi=(pt－pm)/pt ，

17、式中，pt为目标p2o5质量百分含量，pm为混合前沼渣、灰渣和沼液折算后的基础p2o5质量百分含量；

18、当nsi＞0时，增加高氮有机物料的加入份数；当nsi≤0时，减少高氮有机物料的加入份数并增加碳源调理物料或腐殖酸类调理剂的加入份数；当psi＞0时，加入磷源物料；当psi≤0时，减少或不加入磷源物料；

19、当nsi＞0.25时，将高氮有机物料的加入份数提高至18~26份；当psi＞0.30时，将磷源物料的加入份数提高至5~8份。

20、作为优选，还包括计算总养分达标系数tnc和有机质-养分协同指数oni，公式如下：

21、tnc=(n+p2o5+k2o)/4，

22、式中，n、p2o5和k2o分别为所述混合发酵料或所得有机肥以烘干基计的质量百分含量；当tnc＜1时，增加所述高氮有机物料、磷源物料和灰渣中的至少一种的加入份数，使tnc≥1；

23、oni=(om/30)×[(n＋p2o5＋k2o)/4.0]×（gi/70），

24、式中，om为所得有机肥的有机质质量百分含量，gi为所得有机肥的种子发芽指数，以百分数计；当oni＜1时，延长步骤六的腐熟周期或陈化时间，和/或增加所述腐殖酸类调理剂与复合微生物菌剂的加入份数。

25、作为优选，还包括检测灰渣、沼渣、沼液和混合发酵料中k2o含量，计算钾素协同贡献指数kci和养分均衡指数nbi，计算公式如下：

26、kci=(ka×ma＋kb×mb＋kc×mc)/(kd×md)，

27、式中，ka、kb、kc分别为灰渣、沼渣和沼液中的k2o质量百分含量，ma、mb、mc分别为灰渣、沼渣和沼液的折算干基质量或有效质量，kd为混合发酵料中k2o质量百分含量，md为混合发酵料的有效质量；

28、nbi=1-(|n/ns-1|＋|p/ps-1|＋|k/ks-1|)/3，

29、式中，n、p和k分别为混合发酵料中n、p2o5和k2o含量，ns、ps、ks分别为目标产品设定的氮、磷、钾参考值；当nbi＜0.70时，调整所述高氮有机物料、磷源物料和灰渣的加入份数，使nbi≥0.70。

30、作为优选，还包括计算氯风险修正系数cri，公式如下：

31、cri=clf/2.0，

32、式中，clf为混合发酵料或所得有机肥的氯离子质量百分含量；当cri＞1时，降低步骤四中灰渣的加入份数，和/或提高cl含量不高于1.5%的灰渣在所加入灰渣中的比例，和/或对所加入的灰渣按步骤二所述水洗方式进行降氯处理。

33、为评价好氧堆肥腐熟过程中氮素以氨挥发形式的损失程度，计算氨氮损失率anlr，公式如下：

34、anlr＝(mnh3-n / mtn,0) × 100%

35、式中，anlr为氨氮损失率，%；mnh3-n为堆肥腐熟过程中累计挥发损失的氨氮质量，g或kg；mtn,0为初始混合发酵料中的总氮质量，g或kg。

36、所述初始混合发酵料中的总氮质量按下式计算：

37、mtn,0＝m0,d × tn0 / 100

38、式中，m0,d为初始混合发酵料的干基质量，g或kg；tn0为初始混合发酵料的总氮含量，%，按干基计。

39、当采用吸收液法测定堆肥过程中挥发氨的释放量时，累计挥发损失的氨氮质量按下式计算：

40、

41、式中，ci为第i次吸收液中氨氮浓度，mg/l；vi为第i次吸收液体积，l；n为测定次数。

42、anlr值越低，表明堆肥腐熟过程中氮素挥发损失越少，氮素保持效果越好。

43、作为优选，所述步骤五中，混合发酵料的含水率为55%~60%，c/n为20~25；步骤四中，灰渣的加入份数为8~12份。

44、作为优选，所述步骤六中，好氧堆肥腐熟具体如下：堆置成条垛或槽式堆体，进行好氧堆肥腐熟，堆体温度升至50~65℃并维持不少于5 d，腐熟周期为15~35 d。

45、作为优选，陈化后得到有机肥具体如下：将腐熟后的物料陈化5~20 d，筛分，去除大颗粒、未腐熟团块和机械杂质，得到粉状有机肥；或将筛分后的物料造粒并低温（低于60℃）干燥，得到颗粒有机肥。

46、进一步地，堆体温度在50~65℃维持7-10 d；堆肥过程中，当堆体温度超过65℃时进行翻堆或强制通风；当堆体含水率低于45%时，喷洒沼液或水进行补湿；当堆体ph高于8.5时，加入腐殖酸或有机酸调理剂进行调节。

47、有益效果：

48、1. 本发明在厌氧消化制备生物天然气的基础上，在生物天然气生产后对副产沼渣进一步高值化制备有机肥，实现能源化利用与肥料化利用的有效衔接，提高了整个生物质沼气工程的综合资源化水平；

49、2. 本发明提供的方法能够提高生物天然气工程的整体经济性，传统生物天然气工程往往仅重视产气与提纯，而忽视副产沼渣利用价值，而本发明将天然气生产后的副产沼渣作为制肥主体原料，减少副产物处置成本，增加有机肥产品输出，提高工程整体经济效益；

50、3. 本发明根据生物天然气生产后所得沼渣的氮、磷含量进行分级调控，对不同养分特征的副产沼渣采取差异化配伍，提高有机肥配方适应性，改善腐熟稳定性和养分均衡性；

51、4. 本发明提供的方法能够实现灰渣、沼渣和沼液协同互补，由副产沼渣提供有机质和基础养分，灰渣提供钾、磷、钙、镁、硅等矿质组分，沼液提供调湿功能和可溶性钾素，从而实现多种副产物之间的养分互补和协同利用；

52、5. 本发明通过对灰渣进行低氯筛选、水洗降氯、筛分除杂和碱性调节，控制cl含量、ph和机械杂质，降低灰渣直接进入有机肥体系带来的盐害、碱害和杂质风险，降低了灰渣直接利用风险；

53、6. 本发明利用副产沼渣较高的有机质基础，并通过高氮有机物料、磷源物料和腐殖酸类调理剂进行定向补充和稳定化处理，使成品有机肥总养分达到4%以上，改善种子发芽指数、腐熟度和施用安全性；通过定义总养分达标系数、氮素补足指数、磷素补足指数、钾素协同贡献指数、养分均衡指数、有机质—养分协同指数和氯风险修正系数，使生物天然气副产沼渣制肥过程由经验配比转化为可检测、可计算、可量化调控的方法。

54、7.本发明提供的方法适用于以秸秆、畜禽粪污、餐厨废弃物等为原料的生物天然气工程，也适用于与生物质电厂协同运行的资源化场景，具有较强的工程应用价值。